一種面向服務的通信網絡仿真系統(tǒng)

楊國瑞，陳立水，陳星

（中國電子科技集團公司第54研究所，河北石家莊，050081）

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一種面向服務的通信網絡仿真系統(tǒng)

楊國瑞，陳立水，陳星

（中國電子科技集團公司第54研究所，河北石家莊，050081）

摘要：網絡仿真是研究通信網絡技術的有效工具。針對系統(tǒng)級仿真手段不足的問題，本文設計了一種面向服務的通信網絡仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了網絡行為模擬、網絡服務建模和網絡應用仿真等功能，通過服務抽象的方式完成網絡中不同要素和特征的封裝，以支撐新一代網絡算法和功能的系統(tǒng)級仿真。在此基礎上，完成了網絡虛擬化功能仿真平臺的搭建，可實現在同一物理網絡上構建多個相互隔離的虛擬網絡，并在虛擬網絡上部署應用業(yè)務以驗證網絡運行情況。

關鍵詞：面向服務；網絡仿真；集成；網絡虛擬化

引言

隨著信息技術不斷更迭，承載數據溝通的通信網絡也在不斷發(fā)展，從最初的電話電報網，到自組織網絡、無線傳感器網絡、互聯網、無線通信網、數據中心網絡和物聯網等，它們各自具有相應特征與適應領域。考慮到網絡規(guī)模和設備成本等限制因素，新設計網絡往往難以通過實際部署網絡環(huán)境進行試驗以驗證其有效性。網絡仿真成為了網絡設計者解決網絡性能分析和驗證的主要工具。作為網絡評估和驗證的有效技術手段，網絡仿真在通信網絡設計研發(fā)中得到越來越廣泛的應用。

目前主流通信網絡仿真軟件包括NS-2[1]、NS-3[2]、QualNet[3]、GloMoSim[4]、NetSim[5-6]、OMNeT++[7]、OPNET[8]、TOSSIM[9]等。

NS-2/3是面向對象且針對離散事件的網絡仿真器，它能模擬各種不同類型的通信網絡，并且功能強大，模塊豐富，支持多種傳輸層協議，可以模擬復雜的網絡結構，但是每次修改場景都需要編譯整個系統(tǒng)，不利于多用戶協作，在大的真實網絡場景下難以仿真并缺乏可信性，使用復雜。

QualNet是GloMoSim的商用版本，主要對無線通信網絡進行優(yōu)化處理，無線信道和射頻技術建模有很高的仿真精度。但是它對無線網絡使用隨機位點移動模型進行建模，方法固定，使用具有局限性。

NetSim是一款思科路由器和交換機模擬程序，支持靈活定制網絡拓撲，并能夠對設備輸入配置指令，可以對不同深度、能量和靈活度的計算機網絡進行分析，并具有較好的可視化效果，但是其仿真速度較慢，對CPU要求較高。

OMNeT++是一種基于組件的離散事件、免費開源的網絡仿真器，采用分層次模塊結構模型，可以用于無線以及有線網絡的仿真，它具有很好的跟蹤與測試功能，并對大量硬件與物理現象提供精確的模型，但是它僅支持很少的協議，難以使用，不易進行分析與控制；同時其移動插件是不完整的，需要用戶自己完成。

OPNET采用離散事件驅動的模擬機理和三層建模機制，數據收集和分析能力突出，模型庫種類豐富，可以對通信網絡設備、協議等進行仿真。但該仿真器價格昂貴、不易上手，并且其對網絡規(guī)模限制較大，同時采樣方式限定了其結果的精確性。

隨著更加靈活的可編程交換機以及軟件定義無線電等新技術的出現，使得整個網絡各個層次的靈活性和復雜度都大大提升。傳統(tǒng)的網絡仿真方式在很大程度上面向底層網絡硬件，針對傳統(tǒng)網絡協議開發(fā)的范疇，難以適應快速與大規(guī)模通信網絡的新功能仿真，對于全網仿真的局限性變得越來越明顯。

SDN（軟件定義網絡）的出現為解決當前缺乏系統(tǒng)級網絡仿真工具的問題提供了解決思路。SDN網絡采用了更加靈活的集中控制方式，網絡應用程序與基礎設施實現了解耦，逐漸擺脫傳統(tǒng)網絡按層次劃分以及與商用網絡設備接口對接的束縛。

在架構上SDN網絡從下至上可分為轉發(fā)層、控制層和業(yè)務層，轉發(fā)層與控制層之間通過標準的控制器南向接口進行交互；控制層與應用層間也通過標準的控制器北向API進行交互；由控制器實現通信網絡設備的所有高級處理功能；應用層利用控制器提供的北向API定義網絡處理邏輯，達到精準定義網絡的目的。

利用SDN網絡思想，本文設計了一種面向服務的通信網絡仿真系統(tǒng)（SOSSCN），該系統(tǒng)實現了網絡模擬、服務建模和應用仿真的集成，為新一代通信網絡仿真提供了系統(tǒng)級仿真環(huán)境。

1　SOSSCN系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，在水平方向上，整個仿真系統(tǒng)可分為仿真區(qū)、配置與調試區(qū)兩大部分。其中，配置與調試區(qū)為仿真系統(tǒng)的用戶操作區(qū)，主要提供服務加載功能，以及網絡運行實時監(jiān)測與調試功能。而仿真區(qū)為仿真系統(tǒng)的核心，基于軟件定義網絡的思想，垂直方向上分成了通信網絡資源層、網絡資源控制層和網絡應用程序層三個層面，各層之間通過標準的接口進行互通；配置與調試區(qū)通過用戶網絡接口與仿真區(qū)進行信息交互。

圖1　仿真系統(tǒng)框架

1.2通信網絡資源層功能設計

通信網絡資源層用于模擬基礎網絡中各個要素，實現帶寬資源、交換資源、計算資源和存儲資源等服務。當收到服務加載層的資源請求后，通信網絡資源層為其分配相應的帶寬資源、交換資源、計算資源和存儲資源。

其中，帶寬資源用于模擬網絡拓撲中連接任意兩個網絡節(jié)點之間的鏈路帶寬，并按照指定的延時、丟包率和帶寬，轉發(fā)或丟棄數據包；交換資源用于模擬通信網絡物理交換節(jié)點，根據仿真用戶所選擇的網絡特征、信道模型和信道特征生成網絡交換節(jié)點，并設置相關參數，包括交換容量、流表資源數量和隊列數量；計算資源用于運行用戶節(jié)點和網絡交換節(jié)點；存儲資源用于存儲網絡交換流表、策略數據、配置參數。

1.3網絡資源控制層功能設計

網絡資源控制層用于仿真網絡控制部分的各個功能，包含網絡控制器、資源綜合視圖、資源管理與虛擬化和北向接口四種服務。

其中，網絡控制器作為網絡控制的核心，利用統(tǒng)一標準南向接口對通信網絡中各種資源進行控制，并對底層網絡抽象封裝，向上層各種應用提供統(tǒng)一的訪問控制服務接口，實現上層應用層與控制的解耦，使得應用程序易于修改、維護和移植。

資源綜合視圖服務通過網絡控制器監(jiān)視整個網絡流量，繪制全網絡的物理連接帶寬，顯示網絡中交換節(jié)點（路由器、交換機）的流表、隊列、端口的資源使用情況，以及CPU的使用情況，形成網絡資源池，并在運行期間監(jiān)測資源的變化，當網絡應用程序層的應用請求網絡資源態(tài)勢時，資源綜合視圖服務向其返回相應信息。

資源管理與虛擬化服務根據資源綜合視圖給出的網絡資源池，管理所有網絡資源，具備資源訪問控制功能，可為不同用戶分配訪問權限與可操作資源，支持網絡資源虛擬化，對網絡資源進行分片，使不同用戶僅能感知并操作各自分片，每一個分片就是一個虛擬網絡，各種虛擬網絡操作接口可通過北向接口服務開放出去。

北向接口服務以REST API的方式為本地或遠程應用程序提供網絡服務能力。

1.4網絡應用程序層功能設計

網絡應用程序層，用于仿真各個上層應用程序，如流量工程、內容分分發(fā)、訪問控制、安全策略等網絡應用。這些應用以服務形式出現，不同應用程序可以獨立工作，通過調用北向接口對網絡進行識別與控制，實現對應功能。

1.5服務加載功能設計

服務加載功能用于根據網絡描述配置文件啟動并初始化網絡仿真功能部分中的各個服務，包含描述識別、參數配置、拓撲生成和用戶配置四種服務服務。

其中描述識別模塊用于讀取配置文件，根據配置文件中的描述，按照順序啟動帶寬資源仿真服務，交換資源仿真服務，網絡用戶資源仿真服務。

參數配置模塊按照每一個服務指定的參數對其進行初始化配置。

拓撲生成模塊根據配置文件中的網絡連接關系，按照順序將各個網絡用戶服務通過帶寬資源服務與交換資源服務連接在一起，并按照描述連接交換資源服務與帶寬資源服務。

用戶模擬模塊配置網絡用戶服務的行為，使其按照預先定義的步驟執(zhí)行相應的行為。

在仿真過程中，描述識別模塊按照配置文件指定順序，依次啟動網絡控制器，資源綜合視圖服務，資源管理與虛擬化服務，北向接口服務，檢查完成后，按照順序啟動各種應用程序服務。

1.6網絡運行實時監(jiān)測與調試功能設計

在網絡仿真運行階段，網絡運行實時監(jiān)測與調試功能對仿真網絡狀態(tài)進行實時跟蹤，并可在仿真過程中操作網絡中的資源，對特定的網絡事件進行模擬，包括全局視圖、資源控制、流量捕獲、流量注入和自動網絡分析五種服務。

網絡運行實時監(jiān)測與調試部分獨立于網絡資源控制部分，通過直接讀取通信網絡資源部分中各個服務狀態(tài)，獲取并調整網絡狀態(tài)，為仿真平臺提供調試接口，方便測試者進行網絡功能調試。

2　基于SOSSCN的網絡虛擬化（NV）功能仿真

2.1平臺構建

在開源軟件Mininet[10]、Open Virtex和Floodlight[11]的基礎上，構建基于SOSSCN的NV驗證平臺，主要用于驗證網絡虛擬化及資源態(tài)勢呈現功能，其組成如圖2所示。

其中，Mininet是一款開源的輕量級SDN仿真平臺，可用于仿真網絡基礎設施，模擬仿真系統(tǒng)中的通信網絡資源層，為網絡資源控制層提供各種網絡通信資源，仿真用戶所創(chuàng)建的多個相互隔離的虛擬網絡最終映射至此網絡。

OpenVirteX是一款開源虛擬化管理軟件，目的是從底層物理網絡中抽象出一系列滿足特定業(yè)務需求的虛擬子網，通過拓撲虛擬化、地址虛擬化、控制功能虛擬化，使OpenvirteX創(chuàng)建的虛擬網具有良好隔離機制。同時OpenvirteX夠提供功能豐富的RPC API，利用這些開放接口，用戶可以進行有意義的虛擬網絡映射算法研究，也可通過OpenVirteX擴展接口，創(chuàng)建和管理虛擬網。

Floodlight是目前主流的開源SDN控制器之一，可用于仿真系統(tǒng)中的網絡資源控制層。在為用戶完成虛擬網絡構建后，OpenVirteX將該虛擬網絡連接到用戶指定的Floodlight控制器上，由控制器實現流表下發(fā)以控制虛擬網絡數據包轉發(fā)行為，實現狀態(tài)信息收集以實現網絡資源呈現功能。控制器可利用Mysql數據庫存儲用戶信息以及拓撲信息。

在仿真系統(tǒng)的網絡應用程序層，主要實現了網絡虛擬化服務和資源態(tài)勢呈現服務。網絡虛擬化服務連接到OpenVirteX擴展接口，為用戶提供虛擬網絡創(chuàng)建與管理界面。資源態(tài)勢呈現服務連接FloodLight控制器和Mysql數據庫，為用戶提供控制器管理界面和資源態(tài)勢呈現界面。

2.2網絡虛擬化功能仿真

利用基于SOSSCN的NV驗證平臺，通過下列步驟可驗證網絡虛擬化功能。

首先，利用Mininet按照圖2所示網絡拓撲生成底層物理資源網絡，并為相應節(jié)點和鏈路配置各種資源參數，并通過OpenVirteX管理該物理網絡，OpenVirteX將這些信息存儲到Mysql數據庫，資源態(tài)勢呈現服務讀取數據庫中底層物理網絡拓撲信息，并將該信息呈現在Web界面上。可見，物理網絡拓撲共有9個交換節(jié)點和12條鏈路，每個交換節(jié)點下連接4個主機。

其次，如圖3所示，選取主機h_A_1和h_I_1作為虛擬網中的虛擬終端主機，選取交換機A和I作為虛擬網中虛擬終端的接入交換機，并連接交換機A與交換機I，并將該虛擬網絡連接到指定的Floodlight控制器，創(chuàng)建虛擬網絡，該虛擬網絡拓撲如圖4所示。

圖2　基于SOSSCN的NV驗證平臺組成

圖3　物理網絡拓撲及虛擬網節(jié)點選取過程

圖4　虛擬網拓撲及其網絡元素信息

然后，將主機h_A_1作為視頻服務器，加載視頻流文件。將主機h_I_1作為視頻客戶端，并連接到視頻服務器，可獲得從h_A_1傳輸過來的視頻畫面，如圖5所示。

圖5　視頻傳輸過程

最后，啟動資源態(tài)勢呈現服務可獲取上述虛擬網絡資源態(tài)勢信息，如圖6所示。從圖中可發(fā)現視頻流實際傳輸路徑，即與該虛擬網絡映射到物理網絡拓撲為h_A_1 A B E H I h_I_1。當然，對于用戶來說，他們不關心視頻流的實際傳輸路徑，只關心的是視頻從h_A_1到h_I_1的端到端傳輸服務質量。

圖6　與虛擬網對應的物理網絡拓撲及態(tài)勢情況

3　結束語

網絡仿真作為一種低成本、可控制、可重復和高度真實的網絡實驗測試方法，廣泛應用于各種通信網絡架構、協議或算法研究。本文在軟件定義網絡的基礎上，設計了一種面向服務的通信網絡仿真驗證系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)構建了網絡虛擬化仿真驗證平臺，仿真驗證了虛擬網絡的創(chuàng)建、管理和刪除功能，并在虛擬網絡上部署實際業(yè)務流以驗證流量傳送過程和業(yè)務監(jiān)控功能。

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[11]Floodlight is an Open SDN controller[EB/OL].[2012-10-19].http://www.projectfloodlight.org/flood-light/.

楊國瑞(1972-)，通訊作者，高工。研究方向：通信系統(tǒng)與網絡總體設計。

E-mail:ctiygr@139.com

陳立水(1981-)，博士。研究方向：通信與信息系統(tǒng)、統(tǒng)一通信、軟件定義網絡。

陳星(1988-)，碩士。研究方向：軟件定義網絡、網絡虛擬化。

A Service Oriented Simulation System for Communication Networks

Guorui Yang,Lishui Chen,Xing Chen
(The 54th Research Institute of CETC,Hebei,Shijiazhuang,050081,China)

Abstract:Network simulation is one of the efficient analysis tools to study the technology of communication networks.A Service Oriented Simulation System for Communication Networks(SOSSCN)is designed for system level network simulation in this paper.The system intergrates the network action imitation,the network service model and the network application simulation function.Based on this system,a simulator for networking virtualization has been designed and tested by real-world traffic.

Key words:Service oriented,Network simulation,Integrated,Networking virtualization

作者簡介：

DOI:工業(yè)技術創(chuàng)新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.014

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412(2016)01-644-05