CN105553732B - 一种分布式网络模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式网络模拟方法及系统。该方法包括：1)通过用户接口模块进行网络环境配置，并下达网络模拟任务：2)调度管理与负载均衡模块从用户接口模块接收网络配置及网络模拟任务，采用负载均衡策略将全局的模拟网络分配给物理计算资源，并向模拟进程控制模块下达任务；3)模拟进程控制模块接收来自调度管理与负载均衡模块的任务，管理模拟进程的状态，按照任务类型进行相应处理；4)调度管理与负载均衡模块接收模拟进程控制模块反馈的任务执行结果，汇总后传达给用户接口模块。本发明通过分布式模拟的计算资源管理、负载均衡及网络模拟进程的调度，实现了不同策略下的模拟网络负载均衡以及多个并行执行的模拟网络实例的调度管理。

Description

一种分布式网络模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及网络模拟技术领域，涉及网络模拟的分布式、并行化、负载均衡技术，具体涉及一种分布式网络模拟方法及系统。

背景技术

计算机网络的发展呈现出面对规模日益增长，复杂性不断增强、环境日益多变的特点，这也就使得网络性能、大量网络信息内容的挖掘、网络安全等问题伴随着网络的发展而变得日益突出。复杂网络环境下的应用如网络空间安全性、相关网络工具有效性等很难在实际的网络中对其进行充分有效的测试、验证和评估。军事、教育、科研、互联网应用等领域均需要模拟出能够满足各系统测试与评估所需的复杂、多样、灵活的网络环境。

常见的虚拟网络构建技术中，软件模拟方法以其在模拟规模、模拟灵活性和实现成本上的独特优势成为目前主流的网络模拟应用技术，下述的网络模拟特指以软件模拟方法实现的网络模拟。尽管网络模拟技术已经得到非常广泛的应用，但现有硬件参数下，单机模拟能力有限，进行分布式的网络模拟，扩展模拟规模是网络空间活动研究的迫切需求。另外，由于多粒度抽象的虚拟网络构建技术出现，使得虚拟网络不再由单一虚拟粒度节点构成。网络模拟节点常常作为虚拟网络的一部分，与仿真节点(虚拟机)、实物设备交互，这就要求分布式网络模拟方法能够适应与仿真、实物设备的交互需求。

常见的分布式并行模拟方法主要从以下两个角度：

1、基于事件并行的并行模拟技术。网络模拟技术本质上采用的是离散事件调度，将网络活动抽象为一个一个事件，按照时间顺序形成一个(先进先出)FIFO的时间调度列表，插入到调度器中。基于事件的并行模拟技术需在离散事件中提取出能够并行执行的事件达到并行的目的。此类并行模拟技术的问题在于：需要进行复杂的计算来理清所有事件的同步关系，以及复杂的同步调度机制，对原有的模拟工具框架改动较大，另外也无法适应与仿真、实物设备交互需求，在跨服务器时也涉及到此类问题，局限性大。

2、基于拓扑划分的分布式并行模拟。此类分布式并行模拟方法主要思想是，将网络拓扑划分成多个子网络，每个子网只保存各自负责子网的信息，采用此类方法最为著名的是PDNS。PDNS是基于NS-2的并行模拟器，也是较早且较为通用和常用的并行模拟器，由于NS-2本身不支持与实物设备通信、没有物理时钟同步机制，PDNS需要解决如何进全局的模拟时钟同步、跨服务器的模拟节点通信如何处理。为了解决这些问题，不得不对原有的NS-2做一定的改动并引入通信代理实现跨服务器之间的事件转移，而基于该类型并行模拟技术的研究又多集中于如何进行网络拓扑如何划分上。

另外，由于越来越多的研究需求使得对提供虚拟网络构建服务的虚拟网络平台需求日益凸显，这就要求，分布式的网络模拟方法必须支持多个模拟实例的并行执行和调度管理。综上所述以上系统或方法的主要问题在于：

1)由于无法采用物理时钟同步，网络模拟过程中采用模拟时间，将大规模网络模拟并行或者分布式化，必须进行复杂的时间同步计算来保证全局网络模拟的正确性；需引入额外的机制来实现跨处理器跨硬件设备的子网之间的交互。

2)无法适应与仿真节点、实物设备的交互，真实度降低。

3)不考虑多个模拟网络实例的调度管理。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种分布式网络模拟方法及系统，通过分布式模拟的计算资源管理、负载均衡及网络模拟进程的调度，实现不同策略下的模拟网络负载均衡以及多个并行执行的模拟网络实例的调度管理。

本发明公开的一种分布式网络模拟方法，主要包括三大部分：分布式网络模拟的计算资源管理与负载均衡，分布式网络模拟进程的调度，以及网络模拟进程。

1.计算资源管理与负载均衡

计算资源的负载均衡是指根据模拟网络节点的资源需求、模拟网络结构特点以及物理计算资源的承载能力，将模拟节点均衡地分配到一个或者多个物理计算资源之上的过程。计算资源管理与负载均衡方法的步骤包括：

1)按需采用不同的负载均衡算法，将全局的模拟网络拓扑划分成若干个子集，根据现有计算资源的状态以及负载均衡结果将各个虚拟网络子集分配到选用计算资源上，并记录该模拟网络构建任务的分配情况，并接收各个虚拟网络子集的构建结果，获得整个模拟网络的构建结果。

2)负载均衡算法能够根据需要，尽可能使用少的计算资源或者尽可能均衡的使用现有计算资源。可以以网络拓扑为单位进行均衡，即一个完整的模拟网络实例由单一物理资源上的单一进程实现。也可以模拟节点为单位进行均衡，一个模拟网络拓扑划分成若干子集，每个子集包含这个拓扑中的部分节点，分布在多台物理计算资源上，由多个进程实现。而两种方法也根据需要进行互补。即，根据负载均衡方法，模拟网络实例与物理资源之间是多对多的关系，一个模拟网络实例可以划分为若干子集，由多个物理计算资源承载，而一个物理资源上也可以承载多个模拟网络实例，特别地，一个模拟网络实例也可只由一台物理计算资源完全承载。

本发明所称的模拟网络实例，或简称为实例，指一个模拟网络任务的实例化，可对模拟网络实例进行部署(构建)暂停、重启等处理。任务是指针对模拟网络实例进行的控制，如构建(部署)任务、暂停任务、恢复任务、重启任务等。

具体地，以拓扑为单位的负载均衡，其处理步骤如下：

(1)从数据库或配置文件中获取各类模拟节点的各类预留资源量；

(2)计算拓扑中各类型模拟节点数量，并得出模拟网络的资源需求总量；

(3)计算所有模拟节点的承载能力，主要是CPU数量、内存容量以及网卡数量；

(4)遍历所有模拟服务器，并判断其是否能够承载当前模拟网络拓扑；

a)如果可以，结束查找过程，并将拓扑的承载服务器标记为当前服务器；

b)如果所有服务器都无法承载当前拓扑，则模拟网络构建失败。

具体地，以节点为单位的负载均衡，其处理步骤如下：

(1)从数据库或配置文件中获取各类模拟节点的各类预留资源量；

(2)计算拓扑中各类型模拟节点数量，并得出模拟网络的资源需求总量；

(3)构建模拟网络的连通图模型；

a)遍历连通图，找到所有的可断边；

b)遍历所有可断边，并移除此边，将连通图分为两个子连通图；递归进行，每次划分后，遍历所有物理计算资源，尝试将子图分配到能够承载的物理计算资源，直到所有的子图都找到合适的服务器，划分成功，或者子图不可分且未找到合适的服务器，或者子图数量超过了物理服务器数量则划分失败。

2.网络模拟进程的调度

对个模拟网络实例进行调度，由于记录了各个模拟网络实例的分布情况，还可可实现对模拟网络的状态控制。

网络模拟进程调度方法的步骤包括：

1)接收模拟网络实例的配置，以及模拟网络构建任务或状态控制任务(这里接收到的应当是来自于分布式模拟计算资源管理与负载均衡后的应该由这个计算资源负责的虚拟网络构建配置)。如果为构建任务则转步骤2)，如果为状态控制任务则转步骤3)；

2)调用网络模拟进程来构建模拟网络实例，将构建该模拟网络对应的进程信息进行保存，并将构建结果反馈给计算资源管理与负载均衡。

3)若为状态控制，则找到该虚拟网络对应的网络模拟进程，对该进程的状态进行调度。即一个物理计算资源上的模拟进程调度方法控制此物理计算资源上的所有网络模拟进程。

3.网络模拟进程

网络模拟进程采用物理时钟同步，即采用与实物设备一致的时钟；并采用基于RawSocket的网络模拟流量无感融合技术，实现跨服务器的模拟节点之间通信以及与实物设备、仿真节点(虚拟机)之间的通信。RawSocket实际上是原始套接字，基于RawSocket的网络模拟流量无感融合技术，利用在物理网卡上创建的原始套接字进行数据包的读写，将模拟数据包与实物设备、仿真节点流量融合，实现跨服务器的模拟节点之间通信以及与实物设备、仿真节点(虚拟机)之间的通信。

本发明同时公开的一种分布式网络模拟系统，主要由用户接口模块、调度管理与负载均衡模块、模拟进程控制模块、网络模拟器模块组成。

用户接口模块：为用户提供网络环境配置，以及网络模拟过程控制和结果反馈等的用户接口。

调度管理与负载均衡模块：从用户接口模块接收网络配置及网络模拟任务，根据不同的负载均衡需求采用不同的负载均衡策略，实现拓扑划分，将全局的模拟网络划分为若干子集，并分配给物理计算资源，向模拟进程控制模块下达任务、接收模拟进程控制模块的反馈；汇总所有反馈并形成总反馈，传达给用户接口。

模拟进程控制模块：接收来自调度管理与负载均衡模块的任务，并管理模拟进程的状态。按照任务类型进行相应处理：如果是构建一个新的模拟网络，则调用网络模拟器模块，创建一个新的网络模拟进程以构建该模拟网络；若为其他状态控制任务则控制对应模拟进程的状态。向调度管理与负载均衡模块反馈任务执行结果。

网络模拟器模块：在模拟进程控制模块的控制下，创建网络模拟进程，构建模拟网络。

进一步地，上述系统还包括通信模块：实现用户接口与调度管理与负载均衡模块的通信、调度管理与负载均衡模块和模拟进程控制模块的通信。

本发明从大规模网络模拟的实际需求出发，提出一种分布式网络模拟方法及系统，具有如下优点：

1、进行分布式网络模拟不必额外考虑如何进行同步以保证网络模拟的正确进行。

2、适应多粒度虚拟网络构建的需要，跨服务器的模拟节点不必引入额外的通信机制或代理，可直接基于RawSocket的网络模拟流量无感融合技术与仿真节点(虚拟机)或者实物设备交互。

3、采用弹性的负载均衡策略，根据需求的不同，实现或者尽可能少的占用服务器或尽可能的均衡使用现有服务器。

4、可对多个模拟网络实例进行调度管理。可实现对网络模拟实例的启动、暂停、恢复、关闭、重启等多种状态控制。

附图说明

图1.本发明分布式网络模拟方法的框架图。

图2.调度管理与负载均衡模块的工作逻辑图。

图3.模拟进程控制模块的工作逻辑图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本实施例的分布式网络模拟过程，包括如下步骤：

1.初始化：将现有物理计算资源的配置信息进行记录，如CPU、内存等；配置模拟节点资源占用的预设值。启动用户接口模块为用户服务、启动调度管理与负载均衡模块等待接收任务、启动模拟进程控制模块等待模拟网络构建任务或状态控制任务。

2.若准备构建新模拟网络则转步骤3，若状态控制任务则转步骤11。

3.将网络环境配置下达给调度管理与负载均衡模块；模块接到配置，进行解析，如计算路由信息、IP地址等。

4.调度管理与负载均衡模块根据配置和当前物理计算资源的状态进行负载均衡，根据不同的需求选择不同的负载均衡算法，或者尽可能少的使用物理计算资源。若为尽可能少的使用物理计算资源，则采用以拓扑为单位的均衡算法，即转步骤5，否则选择以节点为单位的划分算法，即转步骤6；若采用互补的均衡算法，则在步骤5失败时，采用步骤6进行负载均衡。

5.进行以拓扑为单位的负载均衡：

5.1从数据库或配置文件中获取各类模拟节点的预设资源占用量；

5.2计算拓扑中各类型模拟节点数量，并得出模拟网络的资源需求总量；

5.3计算所有物理计算资源的承载能力，包括但不限于CPU数量、内存容量以及网卡数量等；

5.4遍历所有模拟服务器，并判断其是否能够承载当前模拟网络拓扑，若可以则转步骤5.5，否则转5.6；

5.5如果可以，结束查找过程，并将拓扑的承载服务器标记为当前服务器；

5.6如果所有服务器都无法承载当前拓扑，则负载均衡失败。

6.以模拟节点为单位的负载均衡

6.1获取各类模拟节点的各类预设资源占用量；

6.2计算拓扑中各类型模拟节点数量，并得出模拟网络的资源需求总量；

6.3构建模拟网络的连通图模型：

6.3.1遍历连通图，找到所有的可断边

6.3.2遍历所有可断边，并移除此边，将连通图分为两个子连通图；递归进行，每次划分后，遍历所有物理计算资源，尝试将子图分配到能够承载的物理计算资源，直到所有的子图都找到合适的服务器，划分成功，或者子图不可分且未找到合适的服务器，或者子图数量超过了物理服务器数量则划分失败。

7.记录子集与物理计算资源的对应关系，将子集下达给对应的物理计算资源，并等待接收反馈。

8.模拟进程控制模块接收到来的虚拟网络构建任务和配置，启动网络模拟器构建模拟网络。并记录模拟网络与进程的对应关系，如采用<模拟网络，进程ID>的形式记录。

9.网络模拟器构建模拟网络完成后，模拟进程控制模块将构建结果反馈给调度管理与负载均衡模块。

10.调度管理与负载均衡模块等待一个全局模拟网络实例所分配的所有子集的构建结果，形成总结果反馈给用户接口。

11.若为已有模拟进程状态控制任务，则将任务下达给调度管理与负载均衡模块，该模块获取承载该模拟网络的分配信息，将任务分发给相应的模拟进程控制模块，分布式模拟进程控制模块根据模拟网络与进程的对应信息，如查找<模拟网络，进程ID>列表找到该模拟网络的对应进程控制其状态。

12.状态控制结果反馈给调度管理与负载均衡模块，该模块收集所有反馈，形成总反馈给用户接口。

上述方法中的通信可采用Socket或者消息中间件来简化通信处理，已有通信技术已能很好的支持分布式通信需求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (7)

1.一种分布式网络模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过用户接口模块进行网络环境配置，并下达网络模拟任务：

2)通过调度管理与负载均衡模块从用户接口模块接收网络配置及网络模拟任务，采用负载均衡策略将全局的模拟网络分配给物理计算资源，并向模拟进程控制模块下达任务；所述负载均衡策略根据不同的负载均衡需求和模拟网络实例与物理计算资源之间的多对多的关系，将一个模拟网络实例划分为若干子集并由多个物理计算资源承载，或者在一个物理资源上承载多个模拟网络实例，或者一个模拟网络实例由一台物理计算资源完全承载；

所述负载均衡策略以模拟节点为单位进行负载均衡，一个模拟网络拓扑划分成若干子集，每个子集包含这个拓扑中的部分节点，分布在多台物理计算资源上，由多个进程实现；所述以模拟节点为单位进行负载均衡的步骤包括：

(1)从数据库或配置文件中获取各类模拟节点的各类预留资源量；

(2)计算拓扑中各类型模拟节点数量，并得出模拟网络的资源需求总量；

(3)构建模拟网络的连通图模型：遍历连通图，找到所有的可断边；遍历所有可断边，并移除此边，将连通图分为两个子连通图；递归进行，每次划分后，遍历所有物理计算资源，尝试将子图分配到能够承载的物理计算资源，直到所有的子图都找到合适的服务器，划分成功，或者子图不可分且未找到合适的服务器，或者子图数量超过了物理服务器数量则划分失败；

3)模拟进程控制模块接收来自调度管理与负载均衡模块的任务，并管理模拟进程的状态，按照任务类型进行相应处理：如果是构建新的模拟网络，则调用网络模拟进程来构建模拟网络实例；如果是状态控制任务则控制对应的网络模拟进程的状态；然后模拟进程控制模块向调度管理与负载均衡模块反馈任务执行结果；

进行网络模拟进程调度的步骤包括：

3.1)接收模拟网络实例的配置，以及模拟网络构建任务或状态控制任务；如果为构建任务则转步骤3.2)，如果为状态控制任务则转步骤3.3)；

3.2)调用网络模拟进程来构建模拟网络实例，将构建该模拟网络对应的进程信息进行保存，并将构建结果反馈给调度管理与负载均衡模块；

3.3)若为状态控制，则找到虚拟网络对应的网络模拟进程，对该进程的状态进行调度，即一个物理计算资源上的模拟进程调度方法控制此物理计算资源上的所有网络模拟进程；

所述网络模拟进程采用物理时钟同步，即采用与实物设备一致的时钟；并采用基于RawSocket的网络模拟流量无感融合技术，实现跨服务器的模拟节点之间通信以及与实物设备、仿真节点之间的通信；

4)调度管理与负载均衡模块接收模拟进程控制模块反馈的任务执行结果，汇总后传达给用户接口模块。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述负载均衡策略为下列中的一种：根据需要，将以模拟节点为单位进行负载均衡与以网络拓扑为单位进行负载均衡进行互补以实现负载均衡；所述以网络拓扑为单位进行负载均衡，即一个完整的模拟网络实例由单一物理资源上的单一进程实现。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述以网络拓扑为单位进行负载均衡的步骤包括：

(1)从数据库或配置文件中获取各类模拟节点的各类预留资源量；

(2)计算拓扑中各类型模拟节点数量，并得出模拟网络的资源需求总量；

(3)计算所有模拟节点的承载能力，包括CPU数量、内存容量以及网卡数量；

(4)遍历所有模拟服务器，并判断其是否能够承载当前模拟网络拓扑；如果是，则结束查找过程，并将拓扑的承载服务器标记为当前服务器；如果所有服务器都无法承载当前拓扑，则负载均衡失败。

4.一种采用权利要求1所述方法的分布式网络模拟系统，其特征在于，包括用户接口模块、调度管理与负载均衡模块、模拟进程控制模块和网络模拟器模块；

所述用户接口模块负责为用户提供网络环境配置，以及网络模拟过程控制和结果反馈的用户接口；

所述调度管理与负载均衡模块负责从用户接口模块接收网络配置及网络模拟任务，根据不同的负载均衡需求采用不同的负载均衡策略，将全局的模拟网络分配给物理计算资源；并向模拟进程控制模块下达任务和接收模拟进程控制模块的反馈，汇总所有反馈后传达给用户接口模块；

所述模拟进程控制模块接收来自调度管理与负载均衡模块的任务，并管理模拟进程的状态，按照任务类型进行相应处理：如果是构建新的模拟网络，则调用网络模拟器模块，创建新的网络模拟进程以构建该模拟网络；如果是状态控制任务则控制对应模拟进程的状态；所述模拟进程控制模块向所述调度管理与负载均衡模块反馈任务执行结果；

所述网络模拟器模块负责在模拟进程控制模块的控制下构建模拟网络。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：还包括通信模块，负责实现用户接口模块与调度管理与负载均衡模块的通信，以及调度管理与负载均衡模块和模拟进程控制模块的通信。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述负载均衡策略根据需要，将以模拟节点为单位进行负载均衡与以网络拓扑为单位进行负载均衡进行互补以实现负载均衡；所述以网络拓扑为单位进行负载均衡，即一个完整的模拟网络实例由单一物理资源上的单一进程实现。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述以网络拓扑为单位进行负载均衡的步骤包括：

(1)从数据库或配置文件中获取各类模拟节点的各类预留资源量；

(2)计算拓扑中各类型模拟节点数量，并得出模拟网络的资源需求总量；

(3)计算所有模拟节点的承载能力，包括CPU数量、内存容量以及网卡数量；

(4)遍历所有模拟服务器，并判断其是否能够承载当前模拟网络拓扑；如果是，则结束查找过程，并将拓扑的承载服务器标记为当前服务器；如果所有服务器都无法承载当前拓扑，则负载均衡失败。