CN106301911A - 基于sdn的空间信息网络半实物集中式仿真平台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台及其实现方法，是一种真实节点和虚拟节点的联合可控的空间信息网络仿真平台实现方法。仿真平台工作过程中网络节点之间产生真实的数据流，最大程度地保证仿真的真实性；并且架构灵活、可扩展，可充分满足空间信息网络的可重构性、规模化、多层次的网络仿真需求；同时将网络设备与节点设备开放出来，完全基于用户可自定义的原则，根据网络实际情况定义网络具体参数，并及时监测、统计和反馈仿真结果信息。

Description

基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台及其实现 方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，具体而言涉及一种基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台及其实现方法。

背景技术

空间信息系统具有其他系统无法取代的优势，各类空间信息是服务国民经济建设、国家安全不可或缺的保障。空间信息网络是以空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。

为了能够进行空间信息网络的测试，需要一个满足天地一体化信息网络物理层关键技术与网络协议实验测试需求的半实物高保真度地面仿真环境。目前空间信息网络主要的仿真方法包括传统的集中式卫星仿真平台与分布式仿真平台。传统的集中式仿真平台，通过软件信道模拟的方式，主要实现点对点的空间信道仿真，在仿真参数的真实性方面，所获得的数据结果相对可信可靠，但是在网络仿真的灵活性、可重构性方面，不能形成一个灵活可扩展的仿真平台；而各类半实物仿真设备测试成本巨大、用途相对单一，建立集中统一的大型仿真平台费效比很低。分布式的仿真平台，可通过公网或局域网将多个实验站点中的仿真器件联合起来进行仿真，虽然具有可扩展性，但是其仿真的真实性和灵活性欠佳，分布式节点之间的链路特性难以控制，不能很好地构成一个真实可靠而又灵活组网的仿真平台；各单位自建仿真系统千差万别，重点针对单一关键技术，相对封闭，难以适应全网仿真。

发明内容

本发明旨在提供一种多层次、灵活、开放、可扩展的仿真平台的实现方法，屏蔽仿真、测试资源的空间分布限制和软硬件异构特性，解决链路模拟中的空间远距离传输引起的长时延、高误码乃至中断以及非对称等链路特性，解决网络中由于节点高动态特性引起的动态拓扑变化，以及组网过程中的网络异构、网络规模化、多路等特征，使得仿真平台能应用于大规模复杂的空间信息网络仿真之中，并且使仿真结果可信可靠。

为实现上述目的，本发明提出一种基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，包括：

步骤1、针对特定的空间信息网络场景，构建包含天基骨干传输网、天基接入网、小卫星链路、地面站以及终端用户的仿真场景；

步骤2、构建包括STK工作站以及主控器和SDN控制器的控制系统，外部的用户通过交互主控器配置、控制、监控与采集数据，实现对仿真网络的控制；

步骤3、构建空间+信息网络和地面站网络的仿真设备、实际的终端用户和任务控制中心，模拟的空间节点和地面站通过建立多种协议栈将数据从空间节点发送到实际的卫星链路或者所仿真的卫星信道中，实现数据的收发和采集；

其中，上述步骤1-3的实现过程中，通过下述方式实现具体的配置：

1)控制系统部分，被设置成直接对用户负责，接收来自预先定义或生成的网络参数，并将参数保存在自己的数据库系统中；仿真过程中，调用数据库中的参数数据，并向软件定义网络控制器以及各真实节点和虚拟节点的端程序下发控制信息；同时，主控制器不断接收来自网络中的交换机以及各节点所返回的仿真信息，处理数据并将分析结果显示出来；

2)真实节点配置，真实节点被设置用于模拟网络中的骨干节点或仿真测试中需重点观察的节点，每一个节点上都运行了相应的与主控制器所匹配的端程序，用来接收从主控制器所发送的控制信息，并将自身的仿真信息反馈给主控制器；真实节点中的一部分被设置成能够容纳更多种类的真实节点与真实链路，包括普通通信节点、真实卫星链路、嵌入式节点，用以测试不同的通信链路和通信协议；

3)虚拟机配置，使用若干服务器，通过虚拟化软件创建虚拟化的节点，创建节点数量由服务器硬件性能决定，并且被设置成可通过添加服务器的方式动态地加入更多的虚拟节点，实现网络仿真节点数量的可扩展性及节点配置的灵活性；虚拟节点用来仿真网络中的大规模存在的通信节点和通信链路；虚拟机和真实节点共同参与仿真；

4)软件定义控制器配置，在仿真过程中，软件定义控制器配置被设置成用于接收来自主控制器的拓扑变换信息，以实时地将网络连通状态转换成流表信息，发送到所控制的SDN交换机上，实现软件定义上的可控制网络；

5)SDN交换机部分，分为真实的SDN交换机和虚拟的SDN交换机，真实SDN交换机连接真实节点，虚拟SDN交换机连接虚拟机，交换机之间互连形成互通网络；真实SDN交换机和虚拟SDN交换机均从主控制器处获得流表，形成预先定义的网络，SDN交换机部分实时将交换机数据回传到主控制器，由主控制器分析并显示网络状况。

进一步的实施例中，所述虚拟机配置过程中，使用的虚拟化软件采用KVM、XEN、VMWare中的至少一种。

进一步的实施例中，所述真实节点配置过程中，真实节点通过用于模拟网络节点的电脑、嵌入式设备及半实物设备实现。

进一步的实施例中，所述协议栈包括TCP/IP、DTN、SCPS、CCSDS、TM/TC以及AOS。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述方法实现的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，属于一种真实节点和虚拟节点的联合可控的空间信息网络仿真平台的实现方法，仿真平台工作过程中网络节点之间产生真实的数据流，最大程度地保证仿真的真实性；架构灵活、可扩展，可充分满足空间信息网络的可重构性、规模化、多层次的网络仿真需求。将网络设备与节点设备开放出来，完全基于用户可自定义的原则，根据网络实际情况定义网络具体参数，并及时监测、统计和反馈仿真结果信息。

附图说明

图1是本发明的真实节点和虚拟节点的联合可控的空间信息网络仿真平台的逻辑平面原理示意图。

图2是本发明的真实节点和虚拟节点的联合可控的空间信息网络仿真平台的架构图。

图3是本发明的真实节点和虚拟节点的联合可控的空间信息网络仿真平台的物理模型示意图。

图4是本发明的真实节点和虚拟节点的联合可控的空间信息网络仿真平台的总体工作流程图。

图5是本发明的真实节点和虚拟节点的联合可控的空间信息网络仿真平台的数据采集样点示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1-图5所示，本发明提出一种空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，即基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现，分为实验逻辑平面、控制平面以及数据平面三个部分，涉及节点、链路、资源、业务等仿真要素的实现。

本发明的空间信息网络半实物仿真平台的实现方法将软件定义网络技术、虚拟化技术以及信道传输控制技术相结合，利用软件定义的方式通过真实软件定义网络(Software Defined Network，SDN)交换机与虚拟机中的虚拟SDN交换机(例如：OpenVSwitch)结合，将真实节点和虚拟节点集成互联到仿真平台进行联合仿真。真实节点可设置为网络中的骨干节点或仿真过程中的需重点观测的关键节点，用于提高仿真的真实性；虚拟节点作为仿真中的次级节点，模拟网络中存在的大量节点，实现可扩展的大规模网络仿真。通过软件定义的方式控制上述节点之间的动态拓扑关系进行组网，节点之间链路的信道特征由信道模拟器控制实现，使得本发明实现的仿真平台针对网络测试满足按需灵活组网、控制网络节点数量、配置网络及节点各项参数、并灵活加载网络协议等功能，具备真实性、可重构性、可扩展性以及规模化等性能。

本发明的空间信息网络半实物集中式仿真平台实现的总体方案包括如下三个部分并按下述顺序加以实现：

1)实验逻辑平面：针对特定的空间信息网络场景，按需求设计出包含天基骨干传输网、天基接入网、小卫星链路、地面站以及终端用户在内的仿真场景；

2)控制平面：包含STK(Satellite Tool Kit)工作站以及主控器和SDN控制器，研究人员等用户通过交互主控器配置、控制、监控与采集数据，实现对仿真网络的控制；

3)数据平面：包含空间信息网络和地面站网络的仿真设备、实际的终端用户和任务控制中心，所模拟的空间节点和地面站通过建立包括TCP/IP、DTN、SCPS、CCSDS、TM/TC、AOS等协议栈，将数据从节点发送到实际的卫星链路或者所仿真的卫星信道中，实现数据的收发和采集。

下面结合一些实施例来说明仿真平台的技术方案中涉及节点、链路、资源和业务等仿真要素的具体定义。

所述的节点，包含真实节点和虚拟节点2大类。真实节点由硬件设备实现，主要用于模拟网络中的骨干节点或仿真测试中需重点观察的节点；虚拟节点由虚拟机生成，主要用于模拟网络中的次要节点并实现网络节点数量的规模化。节点上根据仿真对象不同可加载运行不同的协议栈(例如：TCP/IP、DTN、SCPS、CCSDS、TM/TC、AOS等)。除此以外，节点的物理特性也可以根据真实情况进行模拟，比如每个节点的CPU主频大小、实际内存大小、操作系统的类别等等，达到真实地仿真卫星硬件及软件性能的目的。

所述的链路，指的是任意两个节点按照网络动态拓扑关系决定其互联互通时所模拟的实际空间传输条件下的信道链路，通过软件信道模拟器(例如：NetEM)或基于硬件信道的模拟器设置信道特征参数来模拟链路信道特征，也可直接通过半实物通信链路模拟真实的链路信道。

所述的资源，即仿真平台所能提供的用于仿真的所有节点资源(包括节点类型和节点数量)和信道资源(包括带宽、时延、误码、非对称信道等)，根据实验逻辑平面阶段所设计的仿真场景生成网络中节点的运行轨迹、节点之间的链路拓扑关系、通断关系等，构建出网络仿真的最小原型系统。

所述的业务，指的是在原型系统上根据具体的应用设计的业务模型，实现数据的收发和采集，包括定义各个节点数据包生成的时间和位置、数据包的大小以及数据包发送的时间及方式、数据传输的路由等，最大程度地满足多种业务需求，充分发挥仿真平台的可扩展性、可重构性的特点，实现规模化、多层次的网络仿真要求。

结合图1-图5所示，下面更加具体地说明前述实施例的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的示例性实现，其包括：

步骤1、针对特定的空间信息网络场景，构建包含天基骨干传输网、天基接入网、小卫星链路、地面站以及终端用户的仿真场景；

步骤2、构建包括STK工作站以及主控器和SDN控制器的控制系统，外部的用户通过交互主控器配置、控制、监控与采集数据，实现对仿真网络的控制；

步骤3、构建空间+信息网络和地面站网络的仿真设备、实际的终端用户和任务控制中心，模拟的空间节点和地面站通过建立多种协议栈将数据从空间节点发送到实际的卫星链路或者所仿真的卫星信道中，实现数据的收发和采集；

其中，上述步骤1-3的实现过程中，结合图2、图3、图4所示，通过下述方式实现具体的配置：

1)控制系统部分，被设置成直接对用户负责，接收来自预先定义或生成的网络参数，并将参数保存在自己的数据库系统中；仿真过程中，调用数据库中的参数数据，并向软件定义网络控制器以及各真实节点和虚拟节点的端程序下发控制信息；同时，主控制器不断接收来自网络中的交换机以及各节点所返回的仿真信息，处理数据并将分析结果显示出来；用户不仅可以通过主控系统随时控制仿真进程，定义网络通信事件，并且可以实时地从仿真系统获得反馈，得到仿真结果；

2)真实节点配置，真实节点被设置用于模拟网络中的骨干节点或仿真测试中需重点观察的节点，每一个节点上都运行了相应的与主控制器所匹配的端程序，用来接收从主控制器所发送的控制信息，并将自身的仿真信息反馈给主控制器；如图3所示，真实节点中的一部分被设置成能够容纳更多种类的真实节点与真实链路，包括普通通信节点、真实卫星链路、嵌入式节点，用以测试不同的通信链路和通信协议；

3)虚拟机配置，如图3，使用若干服务器，通过虚拟化软件创建虚拟化的节点，创建节点数量由服务器硬件性能决定，并且被设置成可通过添加服务器的方式动态地加入更多的虚拟节点，实现网络仿真节点数量的可扩展性及节点配置的灵活性；虚拟节点用来仿真网络中的大规模存在的通信节点和通信链路；虚拟机和真实节点共同参与仿真；

4)软件定义控制器配置，在仿真过程中，软件定义控制器配置被设置成用于接收来自主控制器的拓扑变换信息，以实时地将网络连通状态转换成流表信息，发送到所控制的SDN交换机上，实现软件定义上的可控制网络；

5)SDN交换机部分，分为真实的SDN交换机和虚拟的SDN交换机，真实SDN交换机连接真实节点，虚拟SDN交换机(例如Open VSwitch)连接虚拟机，交换机之间互连形成互通网络；真实SDN交换机和虚拟SDN交换机均从主控制器处获得流表，形成预先定义的网络，SDN交换机部分实时将交换机数据回传到主控制器，由主控制器分析并显示网络状况。

进一步的实施例中，所述虚拟机配置过程中，使用的虚拟化软件采用KVM、XEN、VMWare中的至少一种。

进一步的实施例中，所述真实节点配置过程中，真实节点通过用于模拟网络节点的电脑、嵌入式设备及半实物设备实现。

进一步的实施例中，所述协议栈包括TCP/IP、DTN、SCPS、CCSDS、TM/TC以及AOS。

结合图4、图5所示，再利用前述仿真平台进行网络仿真时，包括下述过程：

第一步：准备阶段。

在实验逻辑平面中，设计需要开展相关实验的天地一体化空间信息网络功能应用方面的特定场景，如网络架构、卫星节点数量和类型、地面站数量以及终端用户等。利用STK软件针对仿真场景进行设计建模，包括每颗卫星的天线分布情况、具体的链路情况以及星座运行情况等。在业务建模阶段，针对仿真对象的具体业务，建立数据业务模型，包括使用的网络协议、数据量的大小、数据传输方案等。

在控制平面，通过STK输出仿真场景中的网络节点数量、网络动态拓扑、链路特性(链路通断带宽、带宽、时延、误码变化)等，然后将这些参数导入到主控数据库中保存；同时依据实验逻辑平面需求配置仿真平台软硬件各项参数，负责实验过程的监控和数据的记录。

实物搭建部分，选取真实节点与虚拟节点，与网络保持相同的节点数量，将它们连接在SDN交换机上进行组网，接入主控并使主控与各节点都可以通信，以传输控制数据。在各节点以及软件定义的控制器分别运行相应的端程序连接主控，等待接收主控控制命令。

在各节点端都连接主控程序之后，主控调用数据库参数为交换机及各节点分配网络仿真参数。仿真准备工作完成。

第二步：实施阶段

主控向各个端程序发送开始信号，节点侦听到开始信号后建立各自的协议栈，并通过主控发来的实时控制信息改变对不同节点的链路仿真参数，如信道速率、时延、误码率、丢包等；软件定义控制器侦听到开始信号后，读取此次仿真中拓扑变化的结构化数据信息；每一次拓扑关系变化，控制器都会向交换机发送消息以改变流表，链路中的丢包也可通过SDN交换机控制进行仿真。

在实施阶段，用户可自定义数据发送场景，控制发送数据和接收数据的节点以及节点数量，当用户通过主控开始发送数据，数据包通过真实节点和虚拟节点组成的网络，最终到达目标节点。如需改变场景参数或者改变数据传输协议及传输方案，可以分别在STK建模部分和业务建模部分进行修改，体现了仿真平台的灵活性。

第三步：数据采集阶段

一次通信过程完成之后，可以采集并分析此次通信过程的数据信息。如图5所示，数据信息的来源主要有交换机和节点端。其中，交换机包括真实SDN交换机和虚拟SDN交换机两部分，节点端包括真实节点和虚拟节点两部分。交换机可以向主控实时地报告数据采样类型，包括信道带宽、数据吞吐量等，实时监控流量以及各局域网之间的数据流动；节点客户端程序所统计的数据来源包括发送端和接收端，所采集的数据类型包括发送端的发送速率和已发送的数据总量；接收端不仅可以统计接收速率，还可以实时统计数据包的误码、时延等信息，通过和预设的仿真场景参数信息进行比对，验证数据传输过程中所设置的链路参数。仿真测试结束后，可对所得数据进行统计分析，对实验结果进行综合的分析和评估。

综上所述，利用本发明前述实施例构建的仿真命题，其一方面是通过综合利用各类软硬件充分模拟未来天基、地基网络中的各类仿真要素，逼近真实天地一体化网络环境，为相关网络协议的研究和设计提供可信可靠的地面实验环境；另一方面，同时实现了仿真平台的真实性、可扩展性、开放性和灵活性等要素，可以满足更为复杂和更为精确的仿真要求，使得地面仿真能力更加强大。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1、针对特定的空间信息网络场景，构建包含天基骨干传输网、天基接入网、小卫星链路、地面站以及终端用户的仿真场景；

步骤2、构建包括STK工作站以及主控器和SDN控制器的控制系统，外部的用户通过交互主控器配置、控制、监控与采集数据，实现对仿真平台的控制；

步骤3、构建空间+信息网络和地面站网络的仿真设备、实际的终端用户和任务控制中心，模拟的空间节点和地面站通过建立多种协议栈将数据从空间节点发送到实际的卫星链路或者所仿真的卫星信道中，实现数据的收发和采集；

其中，上述步骤1-3的实现过程通过下述方式实现具体的配置：

1)控制系统部分，被设置成直接对用户负责，接收来自预先定义或生成的网络参数，并将参数保存在自己的数据库系统中；仿真过程中，调用数据库中的参数数据，并向软件定义网络控制器以及各真实节点和虚拟节点的端程序下发控制信息；同时，主控制器不断接收来自网络中的交换机以及各节点所返回的仿真信息，处理数据并将分析结果显示出来；用户不仅可以通过主控系统随时控制仿真进程，定义网络通信事件，并且可以实时地从仿真系统获得反馈，得到仿真结果；

2)真实节点配置，真实节点被设置用于模拟网络中的骨干节点或仿真测试中需重点观察的节点，每一个节点上都运行了相应的与主控制器所匹配的端程序，用来接收从主控制器所发送的控制信息，并将自身的仿真信息反馈给主控制器；

3)虚拟机配置，使用若干服务器，通过虚拟化软件创建虚拟化的节点，并且被设置成可通过添加服务器的方式动态地加入更多的虚拟节点，实现网络仿真节点数量的可扩展性及节点配置的灵活性；虚拟节点用来仿真网络中的大规模存在的通信节点和通信链路；虚拟机和真实节点共同参与仿真；

4)软件定义控制器配置，在仿真过程中，软件定义控制器配置被设置成用于接收来自主控制器的拓扑变换信息，以实时地将网络连通状态转换成流表信息，发送到所控制的SDN交换机上，实现软件定义上的可控制网络；

5)SDN交换机部分，分为真实的SDN交换机和虚拟的SDN交换机，真实SDN交换机连接真实节点，虚拟SDN交换机连接虚拟机，交换机之间互连形成互通网络；真实SDN交换机和虚拟SDN交换机均从主控制器处获得流表，形成预先定义的网络，SDN交换机部分实时将交换机数据回传到主控制器，由主控制器分析并显示网络状况。

2.根据权利要求1的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，其特征在于，所述虚拟机配置过程中，使用的虚拟化软件采用KVM、XEN、VMWare中的至少一种。

3.根据权利要求1的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，其特征在于，所述真实节点配置过程中，真实节点通过用于模拟网络节点的电脑、嵌入式设备及半实物设备实现。

4.根据权利要求1的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，其特征在于，所述协议栈包括TCP/IP、DTN、SCPS、CCSDS、TM/TC以及AOS。

5.根据权利要求1的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，其特征在于，所述虚拟机配置过程中，通过虚拟化软件创建虚拟化的节点的数量由服务器硬件性能决定。

6.根据权利要求1的基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台的实现方法，其特征在于，所述真实节点配置过程中，真实节点中的一部分被设置成能够容纳更多种类的真实节点与真实链路，包括普通通信节点、真实卫星链路、嵌入式节点，用以测试不同的通信链路和通信协议。

7.一种基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真平台，其特征在于，根据权利要求1-6中任意一项所述的方法实现。