軟件定義機動通信網絡仿真系統研究*

趙國鋒，秦至希，徐 川，韓珍珍，周繼華，黃軍偉

(1.重慶郵電大學 未來網絡研究中心，重慶 400065;2.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065； 3.重慶市金美有限責任公司，重慶 400030)

0 引言

當前，將軟件定義網絡(SDN)引入到移動通信已成為發展趨勢之一，其優勢是能提高網絡靈活性與高效性。其中機動通信系統的基本要求是在缺乏基礎通信設施的區域能支持機動任務，在傳統機動通信場景中，移動自組織網絡(MANET)以其自組織、快速組網和魯棒性等特點被廣泛應用。但當今機動任務具有更復雜的通信和計算要求，如聯盟任務、NTK等新型任務需求[1]，需要在機動中安全地區分共享信息以及保護敏感信息與信息安全，移動自組織網絡已經無法滿足現代機動任務的需求[1]。SDN能夠重新設計并成功部署機動場景系統，并能完全或部分地解耦控制平面和數據轉發平面操作，為網絡管理帶來可編程性[2]。機動通信行業專家已經提出在聯盟任務中SDN可以根據特定任務標準和要求提供靈活的路線選擇和動態的傳輸決策[3]，并且許多軟件定義機動場景通信的架構被提出來[4-6]滿足現代機動任務需求，機動通信場景結合SDN的研究已成為未來機動通信的研究趨勢。為了對未來機動通信場景的實際部署提供理論驗證和支持，仿真平臺的設計和研究已成為機動通信的一個研究熱點。

在現有網絡仿真平臺中，研究人員廣泛采用NS-3、OMNeT++等平臺對傳統機動通信網絡進行測試與評估，這些仿真平臺考慮節點移動性和無線鏈路特性，被廣泛使用在自組織無線網絡場景中，但其擴展功能模塊只部分支持SDN功能，不能很好地滿足現在機動通信場景結合SDN研究趨勢的需求。在SDN實驗仿真平臺應用最為廣泛的是Mininet[7]，但Mininet不能支持節點移動性和無線鏈路特性，不能滿足機動場景的特性。Mininet-wifi[8]是巴西坎皮納斯大學對Mininet進行了拓展和改進的輕量級仿真平臺，相較于Mininet增加了虛擬無線終端和終端關聯/移動性仿真，并且其真實性也相較于NS-3、OMNeT++等仿真平臺高[9]。現有Mininet-wifi仿真系統主要考慮終端節點的移動性以及與固定AP節點間鏈路特性，同時提供一些基礎的節點移動模型和無線模塊基類。然而機動通信場景中交換節點和終端節點同時動態移動，并且交換節點之間無線鏈路特性也隨之動態變化，現有Mininet-wifi沒有考慮這些特性。另外，由于交換節點動態移動，Mininet-wifi無法保障終端節點的穩定性關聯，可能導致通信業務中斷。現有Mininet-wifi還無法較好地滿足機動通信場景的仿真需求，沒有考慮交換節點的移動性、交換節點之間無線鏈路的動態變化以及終端節點與交換節點的可靠關聯等問題。

針對機動通信場景的仿真需求，本文基于Mininet-wifi提出一種機動通信網絡仿真系統。該系統針對機動通信場景的特點對Mininet-wifi功能模塊進行擴展，實現節點移動性以及無線鏈路狀態的動態管理，針對結合SDN仿真場景添加仿真系統與控制器交互功能接口，更好地滿足機動通信場景特點和需求，構建了基于SDN的機動通信場景仿真系統。

1 機動通信網絡模型分析

機動通信廣泛應用于應急、救援演練通信等領域中，是一種根據機動任務的需要建立的通信網絡，具有組網靈活、響應能力強等特點。為了滿足機動通信網絡仿真的需求，本文根據機動通信網絡場景中通信節點移動性以及無線鏈路狀態構建對應的網絡模型和屬性，完善機動通信仿真系統。

1.1 機動通信網絡場景

機動通信網絡場景中的機動通信節點包括大量攜帶通信設備的移動者(人員、通信車、信號采集車、傳感器等)，根據指揮中心發出的機動任務采取行動，相互協調。后臺指揮中心是機動任務區域后方固定部署的基礎設施，主要對機動通信網絡中通信節點進行指揮，完成如語音、勘測圖像、視頻會議等業務。人員、傳感器和信號采集車等組成機動通信網絡中的接入部分網絡，一般其數據通過特定存儲節點(信號采集車)存儲，并通過通信車組成的網絡進行轉發，完成機動任務。

為了在仿真系統中構建真實的機動通信網絡的仿真環境，仿真系統根據機動通信網絡中動態變化的通信節點狀態和鏈路狀態構建網絡結構圖，其網絡模型結構圖如圖1所示。機動通信網絡模型中影響網絡性能的因素主要為節點屬性、鏈路屬性、節點移動模型、節點關聯管理以及節點切換管理。

圖1 機動通信網絡模型結構圖

1.2 機動通信網絡模型節點移動性

在機動通信網絡模型中，首先考慮通信節點的屬性變化，節點移動模型一般使用隨機航點模型(Random Waypoint)，隨機航點模型是當前用于評估移動自組織網絡對于流行的移動模型之一，節點在移動區域內隨機移動到一個位置(Waypoint)，然后隨機停留一段時間(Tpause)后進行下一次移動。節點移動過程表達如下：

(1)

現有Mininet-wifi移動性管理模塊中對隨機航點模型進行了描述，但為了保障真實機動場景中任務的傳輸質量，使得接入層部分特定終端節點與移動中的交換節點保持實時關聯，需要針對移動管理模塊中Random Waypoint子模塊進行擴展，實現交換節點覆蓋域動態變化條件下終端節點隨機航點移動模塊。

1.3 機動通信網絡模型無線鏈路狀態

在機動通信網絡模型中，無線鏈路狀態反映了網絡的實時傳輸能力。在移動性較強的地面機動通信網絡中主要采用短波、超短波等無線電臺網絡進行信息的交互[10]，保證機動通信場景下指揮響應以及穩定通信能力[11]。但復雜的地理環境會對網絡鏈路狀態造成不同程度的影響，如路徑損耗、陰影衰落等因素都會不同程度地影響通信網絡的傳輸質量[12]。在傳統機動通信場景仿真中，一般通過路徑損耗模型以及對數正態陰影(log-normal shadow)[13]模型根據公式(2)來模擬通信節點傳輸能力。

(2)

現有Mininet-wifi沒有考慮交換節點移動性對網絡鏈路影響，為了保證仿真系統對機動通信網絡模型仿真的真實性，該仿真系統基于Mininet-wifi一些已有傳輸模塊，考慮路徑損耗、干擾模型以及對數正態陰影模型來評估通信節點傳輸能力，擴展無線鏈路狀態模塊，真實地模擬機動環境中鏈路狀態的動態變化。

2 基于Mininet-wifi的軟件定義機動通信網絡仿真系統設計

Mininet-wifi是基于Mininet開發的開源仿真系統，繼承了Mininet中對SDN的支持以及有線鏈路場景的仿真模型，并且添加了基于Linux無線驅動設備mac802.11/SoftMac的無線終端和虛擬化無線接入點。圖2為Mininet-wifi無線部分主要組件及改進仿真系統擴展模塊，Mininet-wifi通過內核mac80211_hwsim模塊創建虛擬WiFi接口，并且在AP端實現配置/獲取無線接口信息功能，如iw、iwconfig、wpa_supplication等。通過Mininet-wifi提供的無線仿真接口，可以結合機動通信網絡場景中網絡節點的特性構建相應的無線仿真環境。

圖2 Mininet-wifi無線組件組成及添加模塊

現有Mininet-wifi中只提供了常用的終端節點移動模型、關聯/切換模塊、干擾以及傳播模型模塊，并未提供針對機動通信網絡模型中符合真實場景的特有功能模塊。本文通過對Mininet-wifi進行二次開發，在特定模塊中添加相關的自定義功能模塊，主要包括動態條件移動模型模塊、無線鏈路狀態維護模塊以及控制器通信模塊，保證其在滿足機動通信網絡模型仿真需求的前提下不影響其他網絡模型仿真，具有很好的兼容性、繼承性，并且能滿足機動通信網絡模型仿真的特定需求。

2.1 動態條件移動模型模塊

動態條件移動模型模塊保證網絡動態變化過程中終端節點與交換節點持續關聯。在現有Mininet-wifi提供的移動模型模塊中隨機航點模型的功能主要實現對終端節點的移動性模擬，但是沒有區分終端節點和交換節點，因此可能出現終端接待移動出通信覆蓋范圍的情況，導致業務流中斷，難以完全滿足機動通信場景的仿真需求。本文通過對Mininet-wifi中節點移動模塊進行擴展，添加動態條件移動模型模塊，保證接入終端節點在移動過程中始終在其所關聯的交換轉發節點通信范圍內，并保持通信業務連續性。

動態條件移動模型模塊原理如圖3所示，為了讓終端節點始終與相應交換轉發節點保持關聯，終端節點h的移動范圍受限制于交換節點s的信號覆蓋范圍內，即圖中以節點s為圓心，覆蓋能力R為半徑的圓形區域為限制節點h移動的限制區域。由于節點s在矩形范圍內以隨機航點模型進行移動，所以節點h的移動限制區域是動態變化的，且交換節點與終端節點移動速度不同。因為節點h的移動邏輯滯后于節點s，所以本文對網絡中交換節點和終端節點進行分類，然后添加基于終端節點的動態條件移動模型模塊，其主要步驟如下：

圖3 動態條件移動模型原理

(1)將移動節點分類為兩個集合，分別是交換轉發節點集合Ss={s1,s2,…}和接入終端節點集合Sh={h1,h2,…}。在隨機航點模型子模塊計算節點坐標邏輯中先計算節點集Ss中所有節點si的下一個航點si+1；

(3)

[x(hi)-x(si+1)]2+[y(hi)-y(si+1)]2<(R+vmax·t)2

(4)

(2)根據終端節點h(h∈Sh)所關聯的交換節點s(s∈Ss)的下一個航點坐標si+1動態限制節點h的移動范圍，并且計算其的下一個航點hi+1。

[x(hi+1)-x(si+1)]2+[y(hi+1)-y(si+1)]2

(5)

公式(5)表示對以隨機航點模型移動的終端節點h的移動范圍進行約束，使其不超過與之關聯的交換節點s信號覆蓋范圍。

通過以上步驟，可以保證機動通信網絡模型中通信節點在移動過程中相應的業務不因終端節點移動性中斷，對機動通信網絡模型中業務仿真具有重要意義。

2.2 動態鏈路管理模塊

動態鏈路管理模塊實現仿真系統對真實機動通信網絡環境中無線鏈路狀態信息的模擬。當前軟件定義機動網絡研究使用Mininet或Mininet-wifi對場景進行仿真時主要采用以太網鏈路，這種以太網節點鏈路沒有考慮干擾以及傳輸損耗等無線鏈路相關要素，不能很好地根據機動通信網絡模型中通信節點的變化實時反映鏈路的狀態。本系統考慮傳播模型與干擾，使用無線鏈路并對其進行擴展，添加動態鏈路管理模塊，模擬真實場景中鏈路狀態的動態變化。

2.2.1傳播模型與干擾

在地面機動通信場景，應考慮由于地形環境影響通信節點設備的傳播模型。本文采用對數正態陰影模型來計算通信節點之間鏈路損耗，對數正態陰影模型是陰影衰落最常用的模型，反映了機動通信網絡模型中障礙物(如山地、丘陵等)對通信電臺電磁波的影響。

2.2.2無線鏈路狀態信息維護

本文基于Mininet-wifi傳播模型與干擾子模塊，考慮路徑損耗模型與對數正態陰影模型對通信節點之間無線鏈路狀態的影響，實現對交換轉發鏈路無線狀態信息的動態維護，保證機動通信場景仿真中交換鏈路的無線鏈路狀態信息更符合真實場景。無線鏈路狀態維護的算法實現主要通過兩個階段：

(1)每當通信節點根據移動模型完成下一次航點移動后，分離出仿真網絡中交換節點(OVS內核AP)，考慮干擾、對數正態陰影模型、路徑損耗所決定無線鏈路傳輸能力，在網絡中添加可能的新無線鏈路。

(2)對仿真網絡中無線鏈路進行判斷，移除不滿足鏈路傳輸能力的無線鏈路，并配置滿足條件的無線鏈路狀態信息，其狀態主要包括無線鏈路帶寬、無線鏈路傳輸時延、無線鏈路丟包率等。

無線鏈路狀態維護算法

nodes ← ,links ← ?

1. function DyWirelessLink(G(V,E),rth)

2. if event node_moved then

3. foreach node in V do //stage 1

4. if node is AP_node then

5 nodes ← nodes ∪ node;

6. foreach node1 in nodes do

7. foreach node2 in nodes and node1 != node2 do

8. dist=distance(node1,node2);

9. d=dist_mode(dist);

//干擾/傳播模型/路徑損耗

10. if d > rththen

11. if link(node1,node2) not in E then

12. E ← E ∪ link(node1,node2);

13. configure link channel information;

14. foreach link in E do

//stage 2

15. dist=distance(link.node1,link.node2);

16. d =dist_mode(dist);

//干擾/傳播模型/路徑損耗

17. if d < rththen

18. remove link from E;

19. else

20. update/configure link channel information;

21. return E

2.3 控制器交互接口模塊

控制器交互接口模塊實現一些特殊的仿真需求，如在機動通信場景中，GPS等定位導航功能幫助指揮部做出更合理的機動任務指揮，能提升機動任務精準性和安全性。但由于傳統的SDN控制器廣泛應用于固定網絡，忽略通信節點的位置信息這一概念，Mininet與Mininet-wifi也沒有提供與控制器交互相應的信息的接口，因此本文基于Mininnet-wifi設計添加一個與控制器通信接口，用于傳輸通信節點位置信息等對仿真場景有一定重要性的數據。

本文對Mininet-wifi和Ryu[14]控制器端進行開發，實現Mininet-wifi仿真平臺與控制器之間的雙向數據傳輸接口。詳細實現如圖4所示，控制器與Mininet-wifi構建的仿真網絡中每個交換節點通過一個安全協議SSL保證實現安全的OpenFlow[15]傳輸通道，但缺乏一個控制器與網絡信息的通信接口。本文以控制器作為服務端進行監聽，Mininet-wifi作為客戶端連接，建立一個Mininet-wifi與控制器之間數據傳輸接口。以控制器獲取節點位置信息為例，每當通信節點移動后，Mininet-wifi收集節點坐標信息并封裝成字符串，通過Socket接口發送給控制器，控制器解析字符串數據，將位置信息傳入應用。同樣，控制器可以傳輸信息給仿真系統，實現控制器控制虛擬網絡的功能。

3 仿真實驗分析

為了驗證本文針對機動通信網絡模型場景基于Mininet-wifi擴展仿真系統模塊的可行性，結合Ryu控制器對仿真系統進行仿真實驗。測試實驗平臺硬件配置如表1所示,機動通信網絡模型仿真實驗參數設置如表2所示。

圖4 與控制器接口模塊

測試環境VMware WorkstationVMware Workstation操作系統64位 Ubuntu16.0464位 Ubuntu16.04內存1 GB1 GB處理器Intel Core i5、3.30 HzIntel Core i5、3.30 Hz測試平臺Mininet-wifi改進仿真系統

表2 機動通信網絡模型仿真參數

仿真系統環境資源結果圖如圖5所示，分別對仿真系統運行資源消耗和網絡拓撲建立時間進行比較，從結果圖中可以直觀看出本文改進仿真系統相對于Mininet-wifi的運行資源消耗略多，網絡拓撲建立時延略多，但相差不大。其誤差的原因是改進仿真系統需要消耗額外的物理資源和時間來維持添加模塊工作，以更好地適應機動通信網絡模型的正常運行。通過仿真系統環境資源對比，本文改進仿真系統能夠在滿足基本環境需求的前提下正常運行。

圖5 仿真系統環境資源評估

改進仿真系統對機動通信網絡模型的可行性仿真實例如圖6所示。圖6(a)為改進仿真系統仿真機動通信網絡模型實例網絡拓撲圖；圖6(b)為與改進仿真系統連接Ryu控制器運行網絡拓撲圖，說明該仿真平臺正常運行實例。

圖6 改進仿真平臺對機動通信網絡模型可行性仿真實例

改進仿真系統對機動通信網絡模型的功能性仿真實例如圖7所示。其中，圖7(a)為機動通信網絡模型中終端節點在移動模型下與交換節點關聯性測試結果，Mininet-wifi中終端關聯占空比在0.6到0.963之間，而改進仿真平臺終端關聯占空比達到1，說明移動中的終端節點與交換節點始終關聯，不中斷其業務。圖7(b)為端到端業務流時延與吞吐量情況，其中使用Mininet-wifi仿真時延無窮以及吞吐量為0的區間為交換節點與終端斷開關聯，同時數值的變化也反映出無線鏈路狀態信息的動態變化。

從仿真結果可以看出，改進仿真平臺能夠連接控制器正常運行，并且對現有Mininet-wifi進行改進的模塊都正常運行。其中改進的動態條件移動模型模塊保證了終端節點與交換節點始終關聯，無線鏈路狀態維護模塊動態地更新了交換節點之間無線鏈路的狀態，控制器通過控制器通信模塊成功獲取了仿真網絡中節點的實時位置信息。說明改進仿真系統能夠對機動通信網絡模型進行仿真，并且相較于Mininet-wifi更能滿足機動通信場景的需求。

圖7 改進仿真平臺對機動通信網絡模型功能性仿真實例

4 結論

本文從功能設計的角度，針對機動通信網絡模型基于仿真平臺Mininet-wifi進行擴展，集成多種功能模塊，在少量額外資源消耗下滿足機動通信網絡模型的真實仿真需求并且結合機動通信與SDN的研究趨勢，完成改進仿真系統的開發。改進仿真系統提供了各個網絡節點移動情況下保障接入終端動態關聯性移動模型，防止業務中斷；另外，改進仿真系統考慮真實場景的干擾、傳播模型等影響，提供對無線鏈路的動態鏈路狀態管理功能，保證仿真的真實性；最后仿真系統還提供與控制器的交互接口，支持模擬擴展功能。本文基于開源項目Mininet-wifi進行擴展的改進仿真系統，繼承了Mininet-wifi的功能優點。實驗證實，改進仿真系統運行穩定，能夠在仿真領域廣泛應用。