可任意靈活接入的虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真方法*

王曉靜, 夏群峰, 王曉鋒

(1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院, 江蘇 無錫 214122；2.江南計算技術(shù)研究所, 江蘇 無錫 214000)

0 引 言

虛實網(wǎng)絡(luò)融合的仿真技術(shù)可有效兼顧評估平臺的性能與逼真度[1～3]，因此,成為當(dāng)前研究的熱點。文獻(xiàn)[4]講述了綜合分布式網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)以及基于虛擬化的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，實現(xiàn)了模擬、仿真融合的實驗平臺，進(jìn)一步重點研究了網(wǎng)絡(luò)模擬與網(wǎng)絡(luò)仿真的同步問題。文獻(xiàn)[5]在實現(xiàn)了模擬、仿真融合的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的基礎(chǔ)上，重點研究了網(wǎng)絡(luò)模擬與仿真的同步技術(shù)以及高性能仿真模型。文獻(xiàn)[6]摒棄了HLA/RTI 的同步機(jī)制，實現(xiàn)了模擬器與實物網(wǎng)絡(luò)交替推進(jìn)同步的分布式模擬機(jī)制。文獻(xiàn)[7]在實現(xiàn)了一種基于QualNet 模擬器與實物互聯(lián)互通方法的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注了基于隧道模式與解析模式的虛實報文互通技術(shù)。文獻(xiàn)[8]重點關(guān)注了真實軟件可無縫應(yīng)用于模擬器的時鐘同步方法。文獻(xiàn)[9]重點關(guān)注了虛實結(jié)合仿真技術(shù)中報文解析與重構(gòu)以及基于動態(tài)路由的報文轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。文獻(xiàn)[3,10]實現(xiàn)了一種基于ARP 欺騙、報文捕獲與構(gòu)造的并行模擬器與實物設(shè)備互聯(lián)互通的方法。文獻(xiàn)[11]通過虛擬網(wǎng)卡橋接的虛實對接設(shè)計完成了物理網(wǎng)絡(luò)和仿真網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點的連通。總體看來，當(dāng)前大部分虛實網(wǎng)絡(luò)融合的仿真技術(shù)均基于網(wǎng)絡(luò)模擬器的實現(xiàn)，雖然在融合方面重點考慮了同步機(jī)制以及虛實報文構(gòu)造方法，但均存在缺乏考慮任意靈活接入實物設(shè)備的接入方法的問題。

本文在重點描述了虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)了其功能的基礎(chǔ)上，針對前期研究中存在的問題，提出了一種可任意靈活接入的虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真方法，并通過具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵嵗钊腙U述并驗證了該方法的正確性和有效性。

1 虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真系統(tǒng)的體系架構(gòu)

虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真系統(tǒng)由NS3模擬仿真網(wǎng)絡(luò)、虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺和物理設(shè)備3部分組成。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真系統(tǒng)

1.1 NS 3模擬仿真網(wǎng)絡(luò)

NS3[12～14]主要用于模擬仿真節(jié)點，構(gòu)造多仿真節(jié)點組成的仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌渲械姆抡婀?jié)點既可以作為發(fā)送方，也可以作為接收方，用于完成對虛擬報文的發(fā)送或接收。如圖1所示，通過平臺的靈活接入模塊選擇仿真網(wǎng)絡(luò)中的任意仿真節(jié)點作為發(fā)送端，真實節(jié)點作為接收端，從而實現(xiàn)虛實鏈路間的通信過程。

1.2 虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺

該平臺是整個虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真系統(tǒng)中最重要的部分，依附于實物設(shè)備運行，如圖1所示，該平臺與接入端設(shè)備(物理設(shè)備和NS3仿真節(jié)點)相連，主要通過MPI，Libnet，Libpcap等技術(shù)實現(xiàn)接入端設(shè)備的靈活任意接入、報文檢測、報文解析、重構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，實現(xiàn)端與端之間的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)信息的交互，完成雙向代理功能。

1.3 物理設(shè)備

物理設(shè)備指真實節(jié)點，同樣既可以作為發(fā)送端也可以作為接收端，用于完成對真實報文的發(fā)送或接收。當(dāng)進(jìn)行實虛相互通信時，即真實節(jié)點作為發(fā)送端，仿真節(jié)點作為接收端，同理完成實虛鏈路間的相互通信。

2 鏈路仿真的靈活構(gòu)建

2.1 鏈路構(gòu)建的虛實仿真平臺

如圖1所示，虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺主要包括4個模塊，進(jìn)行虛實鏈路構(gòu)建時的通信流程如圖2所示，各模塊的詳細(xì)功能介紹如下：

1)靈活接入模塊:根據(jù)用戶的需求，靈活選擇虛實網(wǎng)絡(luò)中的任意兩節(jié)點作為發(fā)送端節(jié)點和接收端目的節(jié)點。

2)報文檢測模塊：作用于通過虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺進(jìn)行真實節(jié)點到仿真節(jié)點通信時，利用Libpcap技術(shù)檢測平臺流經(jīng)的數(shù)據(jù)報文，若為平臺需要，則交由報文解析模塊；則，丟棄。

3)報文解析模塊：對流經(jīng)該模塊的數(shù)據(jù)報文進(jìn)行處理，解析數(shù)據(jù)報文的類型、格式及內(nèi)容，并交由重構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。

4)重構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)模塊：利用NS3內(nèi)部機(jī)制或Libnet技術(shù)將流經(jīng)該模塊的數(shù)據(jù)報文重構(gòu)為大小、類型、內(nèi)容一致的且下一段鏈路能夠識別的報文，然后利用MPI機(jī)制或Libnet技術(shù)發(fā)送重構(gòu)報文到接收目的節(jié)點。

與文獻(xiàn)[3]相比，虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺在加入靈活接入模塊的基礎(chǔ)上，通過對該平臺設(shè)置與仿真節(jié)點一致的網(wǎng)絡(luò)地址,摒棄ARP模塊，避免了不斷尋址的問題，通過節(jié)省模擬時間，大幅提高了模擬效率。

2.2 任意靈活接入方式的實現(xiàn)過程

靈活接入，指將虛實仿真網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺，構(gòu)建出相應(yīng)的虛實鏈路，其任意節(jié)點均可通過靈活接入模塊完成隔離網(wǎng)絡(luò)間的通信，網(wǎng)絡(luò)間的任意節(jié)點均可成為發(fā)送方或者接收方；對于一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的隔離網(wǎng)絡(luò)而言，經(jīng)過靈活接入的接口可實現(xiàn)不同虛實鏈路間的任意切換。如圖3所示。

實現(xiàn)原理：用戶進(jìn)行隔離網(wǎng)絡(luò)間通信時，在讀取預(yù)設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建配置文件后，通過靈活接入接口獲取用戶外部的靈活配置信息，該端口對配置信息進(jìn)行處理，并根據(jù)不同的靈活配置信息對虛實平臺內(nèi)部相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行不同的應(yīng)用設(shè)置，然后開啟通信進(jìn)程，完成接入網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點與目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)目的節(jié)點間的通信；到達(dá)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點后，若需完成不同鏈路間的通信，則通過靈活接入接口重新獲取外部配置信息，即可實現(xiàn)另一鏈路的通信過程，實現(xiàn)不同鏈路間的通信切換。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)—MPI機(jī)制

并行分布式離散事件仿真(MPI)[15]，作為標(biāo)準(zhǔn)的消息傳遞接口，可以實現(xiàn)單一的仿真程序在多個處理器上的分布執(zhí)行，從而將仿真程序拆分為多個邏輯進(jìn)程，并且不同的邏輯進(jìn)程由不同的處理器完成，最終完成不同宿主機(jī)仿真節(jié)點間的虛擬通信。如圖4(a)，(b) 運行相同的程序，在圖4(a)中執(zhí)行進(jìn)程1，即節(jié)點A發(fā)送報文到A′，A′作為圖4(b)中接收端節(jié)點B的映射節(jié)點；同理，在圖4(b)中B′僅作為節(jié)點A的映射節(jié)點，執(zhí)行進(jìn)程2，即節(jié)點B接收來自映射點B′實質(zhì)為節(jié)點A發(fā)送的數(shù)據(jù)報文。這種方法與傳統(tǒng)的Socket通信相比大幅提高了大規(guī)模仿真事件的處理能力和物理設(shè)備的可用性。

圖4 跨宿主機(jī)間的MPI通信原理

3 實驗分析與驗證

實驗使用2臺Windows物理主機(jī)和2臺Linux服務(wù)器，其中一臺服務(wù)器運行虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺,另一臺服務(wù)器運行NS3網(wǎng)絡(luò)模擬器,用來構(gòu)造仿真網(wǎng)絡(luò)。為驗證靈活接入方式的可行性，接入多個設(shè)備節(jié)點包括：物理主機(jī)A(192.168.1.190)、物理主機(jī)B(192.168.1.129)、仿真節(jié)點1～7，其中A，B為真實節(jié)點，節(jié)點1～7為NS3網(wǎng)絡(luò)模擬器模擬出的仿真節(jié)點，圖5左側(cè)為構(gòu)建的仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

分別選取仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點4和節(jié)點6作為發(fā)送端，主機(jī)A和主機(jī)B作為目的端，采用靈活接入方式，完成不同虛實節(jié)點間鏈路的相互通信。

配置過程：如圖5所示，針對接入設(shè)備的多個節(jié)點中，首先啟動虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺，讀取預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲梦募瑫r根據(jù)平臺所提示的發(fā)送端和目的端的地址IP選項信息，即仿真節(jié)點1～7，真實節(jié)點A，B，終端選擇仿真節(jié)點4作為發(fā)送端，物理主機(jī)A作為目的端，自動將選擇的數(shù)據(jù)信息生成配置文件，平臺通過讀取該配置文件，完成用戶所選擇的節(jié)點間的通信；選擇仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械墓?jié)點6和真實節(jié)點B分別作為發(fā)送端和目的端，只需重新選擇該平臺提供的發(fā)送端和目的端的地址選項信息自動生成新配置文件，平臺讀取該文件即可完成新的虛實鏈路間的通信，實現(xiàn)了不同設(shè)備的靈活接入。

圖5 虛實網(wǎng)絡(luò)間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1)PING命令的虛實通信測試

選擇圖5中仿真節(jié)點4為發(fā)送端，物理主機(jī)A為接收端。實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真節(jié)點與真實節(jié)點的數(shù)據(jù)報文對比

圖6(a)為TcpDump跟蹤仿真節(jié)點4獲取到虛擬數(shù)據(jù)報文，圖6(b)為主機(jī)A通過Wireshark工具獲取到的真實數(shù)據(jù)報文，數(shù)據(jù)報文的成功獲取，表明了采用靈活接入方式可以成功實現(xiàn)虛實鏈路間的相互通信，同時經(jīng)過詳細(xì)對比發(fā)現(xiàn)，兩者的數(shù)據(jù)報文的類型、大小、內(nèi)容等完全一致，表明了數(shù)據(jù)報文在虛實網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與物理網(wǎng)絡(luò)中的傳輸結(jié)果一致，保證了仿真結(jié)果的真實性。

2)基于TCP的Web訪問測試

選擇圖5中物理主機(jī)B為請求方，仿真節(jié)點6為應(yīng)答方，并在B上安裝Fiddler Web Server客戶端，在仿真節(jié)點6編寫測試網(wǎng)頁，假設(shè)物理B通過Fiddler能夠訪問到測試網(wǎng)頁，則證明完成了實物網(wǎng)絡(luò)到仿真網(wǎng)絡(luò)的完整通信。

圖7(a)為Fiddler通過端口8088向目的仿真節(jié)點6發(fā)送請求報文的頁面狀態(tài),圖的上部分顯示HTTP(GET)報文的信息，下部分顯示來自仿真節(jié)點6的HTTP(OK)應(yīng)答報文的內(nèi)容；圖7(b)為接收HTTP(OK)應(yīng)答報文后打開的測試頁面，測試頁面的正常顯示不僅表明了實物網(wǎng)絡(luò)與虛擬網(wǎng)絡(luò)的通信，還可以在虛實通信的基礎(chǔ)上進(jìn)行具體的網(wǎng)絡(luò)實驗。

圖7 Fiddler訪問仿真節(jié)點的實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明：針對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械亩鄠€接入端設(shè)備，完成隔離網(wǎng)絡(luò)間通信的前提下，利用靈活的接入方法，可以成功實現(xiàn)同一拓?fù)湎虏煌搶嶆溌烽g通信的任意切換，驗證了本文方法的可行性。

4 結(jié)束語

在實現(xiàn)了虛實網(wǎng)絡(luò)融合仿真平臺功能的基礎(chǔ)上，重點提出并實現(xiàn)了接入端設(shè)備可任意靈活接入該平臺的接入方法，并通過實例驗證了該方法可有效提高網(wǎng)絡(luò)仿真鏈路構(gòu)建的靈活性。

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