CN101741627B

CN101741627B - 一种双引擎分布式对等网络仿真系统体系结构

Info

Publication number: CN101741627B
Application number: CN2008100465624A
Authority: CN
Inventors: 周世杰; 秦志光; 何兴高; 吴春江; 杨睿; 陈明军; 李亚龙; 杨文君
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Electronic Science And Technology Of Sichuan Foundation For Education Development, University of
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: CN101741627A

Abstract

本发明提出了一种双引擎分布式对等网络仿真系统体系结构，其特征在于，该体系结构主要由节点仿真引擎和网络仿真引擎所组成。节点仿真引擎主要负责本地仿真节点的调度和仿真协议的执行；而网络仿真引擎则负责仿真消息的接收和发送等信息交互的操作。在这种体系结构下，仿真系统的仿真运行结构和通用支撑结构被隔离开，使仿真系统具有良好的可扩展性。同时，节点仿真引擎能够利用仿真应用计算机支持一定规模的P2P仿真，再利用网络仿真引擎对其进行扩展，使仿真信息能够以网络数据包的形式发送到其他仿真应用计算机或外界真实P2P应用，不仅能够扩大仿真规模，而且能够提高仿真的真实度。

Description

一种双引擎分布式对等网络仿真系统体系结构

技术领域

本发明涉及一种大规模网络环境下的双引擎分布式对等网络(以下简称P2P或P2P网络)仿真系统体系结构。针对分布式P2P仿真系统设计目标和设计原则，提出了包括节点仿真引擎和网络仿真引擎的双引擎分布式对等网络仿真系统体系结构，实现了一套比较完整的仿真协议运行和通信机制，使仿真信息能够以网络数据包的形式发送到其他仿真应用计算机或外界真实P2P应用，从而实现与仿真平台与真实P2P应用之间的兼容，实现对大规模P2P网络的高保真仿真。

背景技术

P2P的迅速发展，引起了工业界和学术界的共同关注。P2P仿真是一种专门针对P2P研究的网络仿真，它通过采用计算机硬件和软件，以及相应的网络设备，构建一套模拟真实P2P网络的仿真环境，并在此基础上模拟某种P2P协议的各种功能(如Gnutella、BT、Skype、Peercast等)，通过分析P2P仿真运行过程和系统行为特征，获取相应的性能数据，从而为P2P研究提供数据支持。

通过P2P仿真，不仅能够分析现有P2P协议和P2P网络的固有特性，为P2P的行为特征分析、流量检测、流量控制、内容识别提供直接依据，而且能够对P2P应用技术开发成果进行验证，分析P2P应用技术的性能及效率，为进一步改进提供参考依据。同时，P2P仿真还能够用于分析P2P系统对互联网的影响、P2P安全防御等众多方面。

P2P仿真系统是一种专门针对P2P仿真而设计的网络仿真软件，它除了具有一般网络仿真系统的特点以外，还应具有以下一些特点：

(1)大规模网络仿真能力

P2P网络属于大规模网络，并且P2P网络中节点的个体行为或少数节点的行为不足以反映整个P2P网络的特征，因此，P2P仿真系统构建的仿真网络规模应达到现有P2P网络的规模，甚至能够支持更大规模的P2P仿真。

(2)节点动态性处理能力

在P2P网络中，节点具有高度的自治性，每一个节点随时都有可能加入或退出P2P系统，P2P网络拓扑结构、节点连接关系等随时都在发生变化。因此，P2P仿真系统应支持各种具有不同生命周期的仿真节点，同时应支持仿真节点的动态性加入和退出。

(3)支持仿真协议多样化

现有大多数P2P协议主要解决资源分配、查找、定位和传输的问题，并且每种协议实现的机制各有不同。同时，P2P应用已经涉及到资源查找、文件传输、语音通讯、视频点播等多个领域。因此，P2P仿真系统不仅应支持现有常见P2P协议的仿真，而且应提供相应的接口，对现有P2P协议进行修改、扩展，或设计新的P2P协议，对未来的P2P技术研究进行预测。

(4)支持多种仿真细节

P2P网络是一种应用层网络，因此，P2P仿真系统不仅要求能够像一般的网络仿真系统实现网络层、传输层上相关操作的仿真，而且要求能够实现应用层上相关操作的仿真。通过对多种仿真细节的数据统计和性能分析，从而能够从不同的角度对P2P技术进行研究。

目前现有的P2P仿真系统都具有各自的特点和局限性，最主要的不足在于仿真规模小和仿真真实度差。

虽然基于消息的P2P仿真系统消耗的成本较低，但是由于计算机的CPU频率和内存大小有限，所能仿真的网络规模还是受到一定的限制。此外，基于消息的P2P仿真系统的仿真真实度也是一个较为严重的问题。例如，虽然基于消息的P2P仿真系统Peersim可以在单机上仿真近百万节点的网络规模，但其仿真是在应用层上进行，忽略了网络特性对于P2P仿真的影响，其仿真结果的真实度大打折扣。

而基于数据包的P2P仿真系统，虽然提供了网络属性和网络通信等接口，仿真真实度较高。但是数据包的传输需要时间和带宽的开销，如果需要仿真上百万节点的网络规模，在计算开销和存储开销方面是很难实现的，因此很难进行大规模的P2P仿真。

发明内容

本发明提出了一种双引擎分布式对等网络仿真系统的体系结构，通过试验测试，有效地解决了当前仿真系统的仿真规模小、仿真真实度差以及网络动态性弱的缺点。

如图1所示，在该仿真系统中，参与仿真运行的计算机分为仿真管理计算机和仿真应用计算机。其中仿真管理计算机只负责仿真系统的控制和协调各仿真应用计算机之间的仿真运行，而P2P协议的仿真运行则由仿真应用计算机负责完成。仿真系统采用分布式技术，将P2P协议的仿真运行任务分配到多个仿真应用计算机。每台仿真应用计算机上运行有一个双引擎P2P仿真系统应用程序。如图1所示，该双引擎式结构主要由节点仿真引擎和网络仿真引擎所组成。

在每台仿真应用计算机上运行有一个或多个仿真节点，仿真节点是按照真实P2P节点的模型，通过计算机技术创建的虚拟节点，以对象的形式存在于仿真应用程序中。节点仿真引擎只要通过一定的仿真节点调度策略，调度到某个仿真节点对象，并可以对该仿真节点执行某种P2P仿真协议。这些仿真节点的运行控制由节点仿真引擎负责完成，主要包括仿真节点的创建、仿真节点连接关系的维护、P2P仿真协议的执行、仿真数据的统计等。

网络仿真引擎主要负责本地仿真节点之间以及本地仿真节点与外界的信息交互。在双引擎分布式P2P仿真系统中，仿真节点之间的连接关系共分三种：同一仿真应用计算机上仿真节点之间的连接、不同仿真应用计算机上仿真节点之间的连接和仿真节点与真实P2P应用之间的连接。对于每个仿真节点都应该保存两张邻居列表，一张是本地邻居列表，另一张是远程邻居列表。

仿真节点之间不直接通信，所有的信息交互由网络仿真引擎来实现。网络仿真引擎一方面将本地仿真节点的仿真信息发送出去，一方面又接收来自外界的仿真信息，并判断接收到的信息是否对本地仿真节点有用；如果是无用信息，则直接抛弃。通过网络仿真引擎，不仅能够实现同一台仿真应用计算机上仿真节点之间的信息交互，而且能够实现不同仿真应用计算机上仿真节点之间的信息交互。

由于仿真节点以对象的形式存在，可以很容易地导入真实P2P应用的源代码，使仿真节点能够运行真实的P2P程序。只要通过一定的数据格式转换，仿真节点便能够利用网络仿真引擎实现与真实P2P应用进行通信，提高仿真的真实度。基于此，网络仿真引擎创建了一张如图5所示的网络连接映射表实现与真实P2P应用的通信。当仿真节点需要与外界真实P2P应用进行通信时，网络仿真引擎才会创建一个UDP或TCP的网络连接，并将连接关系记录到网络连接映射表中。当网络通信结束后，网络连接会被网络仿真引擎撤销，并将连接关系从网络连接映射表中删除，以减少仿真系统的开销。

如图2所示，节点仿真引擎和网络仿真引擎通过仿真消息队列联系在一起，仿真消息队列又可以分为仿真消息接收队列和仿真消息发送队列。当仿真节点发送仿真消息时，只需要将仿真消息放入仿真消息发送队列中，然后由网络仿真引擎调度仿真消息发送队列中的仿真消息，根据仿真消息中目标节点的信息，采用不同的方式将仿真消息发送出去。而当网络仿真引擎接收到仿真消息时，只需要将仿真消息放入仿真消息接收队列中，然后由节点仿真引擎调度仿真消息接收队列中的仿真消息，根据仿真消息中目标节点的信息，调度相应的仿真节点执行P2P仿真协议即可。

在这种体系结构下，节点仿真引擎能够利用仿真应用计算机支持一定规模的P2P仿真。同时，借助于网络仿真引擎对其进行扩展，使仿真消息能够以网络数据包的形式发送到其他仿真应用计算机或真实P2P应用，从而可以利用多台计算机实现大规模的P2P仿真。并且，由于仿真消息不通过仿真管理计算机进行转发，不受仿真管理计算机性能的影响。仿真信息交互所带来的网络通信开销分摊到各个仿真应用计算机，网络通信直接、高效。因此，只要通过增加仿真应用计算机的数量，便可以实现大规模的P2P仿真。

附图说明

图1双引擎分布式P2P仿真系统体系结构图；

图2双引擎分布式P2P仿真系统仿真消息通信图；

图3双引擎式仿真消息创建与发送的协作运行算法图；

图4双引擎式仿真消息接收与处理的协作运行算法图。

图5双引擎式仿真结构中的网络连接映射表示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示，在双引擎分布式P2P仿真系统体系结构中，节点仿真引擎和网络仿真引擎通过如图2所示的仿真消息队列联系在一起，节点仿真引擎不负责仿真消息的发送。当节点仿真引擎调度到某个仿真节点时，如果该仿真节点的某些操作触发了新的仿真事件，则创建相应的仿真消息，然后交于网络仿真引擎进行发送。同时，网络仿真引擎首先判断仿真消息中接收者的信息，然后根据仿真消息接收者的类型采取不同的方式对仿真消息进行发送。节点仿真引擎和网络仿真引擎关于仿真消息创建与发送的协作运行算法如图3所示。

在该体系结构中，网络仿真引擎只负责仿真消息的接收和发送，而仿真消息的调度和执行则由节点仿真引擎负责完成。当网络仿真引擎接收到网络数据包时，首先判断网络数据包的来源。如果来自真实P2P应用，则首先进行数据格式转换，再转换成相应的仿真消息。如果来自其他仿真应用计算机，则直接转换成相应的仿真消息。然后将仿真消息加载到目标仿真节点的仿真消息队列中。当节点仿真引擎调度到某个仿真节点时，该仿真节点对仿真消息队列中的仿真消息按仿真事件执行时间的先后顺序进行调度，根据仿真消息的类型执行P2P仿真协议中对应的操作。

节点仿真引擎和网络仿真引擎关于仿真消息接收与处理的协作运行算法如图4所示。当不同仿真应用计算机上的仿真节点之间仿真消息交互时，网络仿真引擎根据远程邻居列表RNL判断出该消息的目标节点位于不同的仿真应用计算机时，则先将仿真消息封装成网络数据包，然后调用仿真应用计算机上用于发送仿真消息的网络套接字，当目标仿真节点所在仿真应用计算机上用于接收仿真消息的网络套接字接收到网络数据包后，由网络仿真引擎将网络数据包解封装成仿真消息格式，然后调度目标仿真节点，将仿真消息直接加载到目标仿真节点的仿真消息接收队列中。

当仿真事件执行时间小于当前仿真时间时，仿真节点可以采取忽略或回退的方式进行处理；当仿真事件执行时间等于当前仿真时间时，仿真节点根据仿真消息的类型，执行P2P仿真协议中对应的操作。如果在仿真事件执行的过程中，需要触发新的仿真事件，仿真节点就直接创建相应的仿真消息，同时定义仿真消息的发送者、接收者、执行时间等相关信息，交于网络仿真引擎进行处理；当仿真事件执行时间大于当前仿真时间时，调度到该类型的仿真消息时，仿真节点不对该仿真消息做任何处理，将其保留在仿真消息队列中。

当仿真节点需要与外界真实P2P应用进行通信时，先将仿真消息发送给网络仿真引擎。网络仿真引擎根据网络连接映射表判断仿真消息中接收者的信息，并且在网络连接映射表中查找对应的连接关系。网络连接映射表如图5所示，其中，各项字段的说明如下：ConnectionType：网络连接方式，分为UDP和TCP两种网络连接方式；Socket：网络连接套接字；PeerID：仿真节点全局唯一标识；Peer IP：仿真节点IP地址，即仿真节点所在仿真应用计算机的IP地址；Peer Port：仿真节点与真实P2P应用通信的端口号；Application IP：真实P2P应用的IP地址；Application Port：真实P2P应用与仿真节点通信的端口号。

如果网络连接映射表中不存在对应的网络连接关系，则根据仿真消息的类型建立相应的网络连接，并将连接关系记录到网络连接映射表中。然后网络仿真引擎提取仿真消息的负载部分，将仿真消息负载封装成网络数据包。最后调用对应的网络套接字，将网络数据包发送到目标P2P应用。当网络通信结束后，网络连接会被网络仿真引擎撤销，并将连接关系从网络连接映射表中删除，以减少仿真系统的开销。

Claims

1.一种双引擎分布式对等网络仿真系统，其特征在于：

在该仿真系统中，参与仿真运行的计算机分为仿真管理计算机和仿真应用计算机，其中仿真管理计算机负责仿真系统的控制和协调各仿真应用计算机之间的仿真运行，仿真应用计算机负责P2P协议的仿真运行；通过分布式技术，该仿真系统将P2P协议的仿真运行任务分配到多个仿真应用计算机，每台仿真应用计算机上运行一个双引擎P2P仿真系统应用程序；

该双引擎由节点仿真引擎和网络仿真引擎所组成，通过仿真消息队列，节点仿真引擎和网络仿真引擎实现了相互通信；

节点仿真引擎负责完成仿真节点的运行控制，包括仿真节点的创建、仿真节点连接关系的维护、P2P仿真协议的执行、仿真数据的统计；网络仿真引擎则负责仿真消息的接收和发送；

网络仿真引擎分别通过本地邻居列表、远程邻居列表、网络连接映射表，实现了本地仿真节点信息交互、远程仿真节点交互、仿真节点与P2P应用信息交互。

2.如权利要求1所述的双引擎分布式对等网络仿真系统，节点仿真引擎通过一定的仿真节点调度策略，调度到某个仿真节点对象，并能够对该仿真节点执行某种P2P仿真协议；仿真节点的运行控制由节点仿真引擎负责完成，包括仿真节点的创建、仿真节点连接关系的维护、P2P仿真协议的执行、仿真数据的统计。

3.如权利要求1所述的双引擎分布式对等网络仿真系统，网络仿真引擎负责本地仿真节点之间以及本地仿真节点与外界的信息交互，网络仿真引擎一方面将本地仿真节点的仿真信息发送出去，一方面又接收来自外界的仿真信息，这样不仅能够实现同一台仿真应用计算机上仿真节点之间的信息交互，而且能够实现不同仿真应用计算机上仿真节点之间的信息交互。

4.如权利要求1所述的双引擎分布式对等网络仿真系统，当位于同一台仿真应用计算机上的仿真节点之间仿真消息交互时，由网络仿真引擎根据本地邻居列表判断出仿真消息中接收者的信息，然后调度目标仿真节点即可；当不同仿真应用计算机上的仿真节点之间仿真消息交互时，网络仿真引擎根据远程邻居列表判断出该消息的目标节点位于不同的仿真应用计算机后，将仿真消息封装成网络数据包发送给外部仿真应用计算机上的目标节点；当仿真节点向外界真实P2P应用发送仿真消息时，网络仿真引擎创建一个UDP或TCP的网络连接，并将连接关系记录到网络连接映射表中，当网络通信结束后，网络连接会被网络仿真引擎撤销，并将连接关系从网络连接映射表中删除，以减少仿真系统的开销。

5.如权利要求1所述的双引擎分布式对等网络仿真系统，节点仿真引擎能够利用仿真应用计算机支持一定规模的P2P仿真，同时，借助于网络仿真引擎对其进行扩展，使仿真消息能够以网络数据包的形式发送到其他仿真应用计算机或真实P2P应用，从而能够利用多台计算机实现大规模的P2P仿真；仿真消息不通过仿真管理计算机进行转发，不受仿真管理计算机性能的影响，并且仿真信息交互所带来的网络通信开销分摊到各个仿真应用计算机，只要通过增加仿真应用计算机的数量，便能够实现大规模的P2P仿真。