CN109039709A - 一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台 - Google Patents

一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其包括虚拟节点、虚拟链接、虚拟网络的管理和虚拟化网络元素VNE；所述的虚拟节点是一个仿真器；所述的虚拟链接负责为网络的虚拟节点建立信道；所述的虚拟化网络元素VNE能够模拟一个网络设备。本发明采用虚拟化技术，采用系统的进程仿真网络设备，每个虚拟机可支持若干个进程，从而一台物理主机可仿真大量的网络设备。用户可控制网络拓扑的结构与网络连接的参数，这为实验室的课程提供了丰富的选择。此外，虚拟网络设备具有动态地接入、退出网络的功能，由此实现了移动无线网络的仿真要求。

Description

一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台。
背景技术
移动无线网络是电子信息专业的重要教学内容，无线网络设备的类型繁杂且功能丰富，学习理论知识难以全面地理解无线网络的运行原理，因此，该课程的实验室建设是高等院校电子信息专业的重要需求。无线移动网络设备包括无线通信基础设施、ad hoc移动设备、交换机、集线器、无线信道与无线终端等设备，组建移动无线网络则需要大量的网络设备，这为实验室建设带来了极大的经济负担。通过虚拟化技术模拟网络拓扑是当前的一个可靠方案，目前已有一些基于虚拟化技术的计算机网络仿真器，例如：opnet、QualNet、NS-2、QEMU等，但此类网络仿真器仅支持静态与固定的网络场景，无法用于动态移动网络的仿真与实验。
随着移动互联网、物联网的飞速发展，无线网络的移动性与动态性是当前无线网络的主要特点，而opnet、QualNet、NS-2等网络仿真平台均需要预定静态并且固定的网络拓扑结构，不支持对移动网络的仿真。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其包括虚拟节点、虚拟链接、虚拟网络的管理和虚拟化网络元素VNE；所述的虚拟节点是一个仿真器；所述的虚拟链接负责为网络的虚拟节点建立信道；所述的虚拟化网络元素VNE能够模拟一个网络设备。
进一步地，所述的虚拟节点共有两种类型：
a、虚拟主机：用户配置VHOST的操作系统与硬件属性，仿真系统为每个虚拟节点分配一个虚拟存储空间；
b、虚拟路由器，由MWNS直接配置，为网络提供合适的路由协议。
进一步地，仿真系统的虚拟链接共有三种类型：
a虚拟链接：虚拟的点对点连接；
B、虚拟集线器：模拟物理集线器设备；
C、虚拟交换机：模拟物理交换机设备。
进一步地，所述虚拟网络的管理包括会话管理和MWNS管理器；MWNS的一个会话表示一个完整网络拓扑的配置，一个会话仅可在一个物理主机上，一个分布式虚拟网络由多个MWNS会话组成，会话之间具有独立性并且互不干扰；MWNS管理器通过命令行形式与用户交互，用户使用管理器控制指定的会话。MWNS管理器采用SSH连接为用户提供了远程访问功能，用户可在远程的主机上管理MWNS仿真系统。
进一步地，虚拟化网络元素VNE用于模拟一个网络设备，其具体实现是基于面向对象的编程思想，将VNE作为一个父类，各种网络设备均为VNE的子类
进一步地，一个VNE包含一个转发引擎与若干个接口，只要系统的内存足够，接口数量则可为任意值；接口可在系统运行期间动态地创建，每个接口拥有一个输入队列与一个输出队列，每个队列有一定大小的缓存区。接口内部通过一个转发引擎相互连接。
本发明所达到的有益效果是：
本发明采用虚拟化技术，采用系统的进程仿真网络设备，每个虚拟机可支持若干个进程，从而一台物理主机可仿真大量的网络设备。用户可控制网络拓扑的结构与网络连接的参数，这为实验室的课程提供了丰富的选择。此外，虚拟网络设备具有动态地接入、退出网络的功能，由此实现了移动无线网络的仿真要求。
本发明设计的MWNS仿真平台主要包含了VNE虚拟网络设备模块与基于NEMO的移动网络管理模块，对仿真平台的易用性、经济成本与仿真性能之间取得了较好的平衡。在实验部分将MWNS系统与MININET进行了比较，两者的仿真性能极为接近，但MININET仅能在同一个物理主机中建立仿真，而MWNS可在多个物理主机中建立分布式虚拟网络，每个主机的子网可作为网络社区进行实验研究。WMNS与JBOTSIM的对比实验结果显示，WMNS能够准确地仿真移动自组织网络，并且能够降低测试床物理设备的成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是实施例中一个MWNS虚拟网络的实例示意图；
图2是包含两个接口的VNE示意图；
图3是VNE网络链接模式示意图；
图4是VNE hub模式示意图；
图5是VNE交换机模式示意图；
图6是通过“bind”命令建立网络端点与VNE接口之间的绑定示意图；
图7是MWNS系统与QEMU仿真系统之间的关系示意图；
图8是实时调度器与MWNS的交互过程示意图；
图9是MOSH、SSH的实验结果与仿真结果示意图；
图10是网络数据发送速率与移动目标数量的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明设计的移动无线网络仿真平台简称为MWNS(Mobile WirelessNetwork Simulation)，与其他的网络仿真器(例如：NS-2,Opnet等)相比，MWNS主要有以下几个特点：①动态性：网络拓扑结构为热连接模式，即一个新节点能够动态地加入或者退出目标网络。②移动性：能够创建一个自定义的网络拓扑结构，并且网络对于移动的节点具有自动连接的能力。③社区性：能够连接若干个子网，模拟互联网的社区概念。
MWNS网络的主要元素
MWNS是一个分布式的虚拟网络环境，用户可使用MWNS建立静态或动态的网络。MWNS建立的虚拟网络主要由虚拟节点与虚拟链接组成。
虚拟节点：
MWNS的虚拟节点是一个仿真器，虚拟节点共有两种类型：
VHOST(虚拟主机)：用户可配置VHOST的操作系统与硬件属性，仿真系统为每个虚拟节点分配一个虚拟存储空间(本系统采用物理主机的一个文件夹)。
VROUTER(虚拟路由器)：由MWNS直接配置，为网络提供合适的路由协议，MWNS提供的路由协议包括：DHCP(动态主机配置协议)、DNS(域名系统)、NFS(网络文件系统)、HTTP(超文本传输协议)、SSH(Secure Shell协议)、NTP(Network Time协议)、RIP(动态路由协议)。
虚拟链接：
虚拟链接负责为网络的虚拟节点建立信道，仿真系统的虚拟链接共有三种类型：
1.VLINE(虚拟链接)：虚拟的点对点连接。
2.VHUB(虚拟集线器)：模拟物理集线器设备。
3.VSWITCH(虚拟交换机)：模拟物理交换机设备。
图1所示是一个MWNS虚拟网络的实例。左右分别是两个虚拟主机，中间通过VROUTER与VSWITCH连接，虚拟主机之间的通道为TCP通道。虚拟主机与VSWITCH之间的通道为UDP通道，虚拟主机与VHUB之间的通道为TCP通道。
虚拟网络的管理：
会话管理：MWNS的一个会话表示一个完整网络拓扑的配置(包含虚拟节点与虚拟链接)，一个会话仅可在一个物理主机上，一个分布式虚拟网络由多个MWNS会话组成，会话之间具有独立性并且互不干扰。
MWNS管理器：MWNS管理器通过命令行形式与用户交互，用户使用管理器控制指定的会话。MWNS管理器采用SSH连接为用户提供了远程访问功能，用户可在远程的主机上管理MWNS仿真系统。
虚拟化网络元素VNE(Virtual Network Elements)
本发明设计了一个虚拟网络元素VNE，VNE能够模拟一个网络设备，例如：网络链接、hub、交换机、网络节点。具体实现是基于面向对象的编程思想，将VNE作为一个父类，各种网络设备均为VNE的子类。本发明设计的VNE与其他网络设备模拟方案相比，主要有以下5个特点：
①VNE作为一个轻量级的进程运行，独立运行于虚拟机中，VNE与其他VNE之间互不干扰；②支持动态地建立、断开与重建网络链接；③支持多种网络后端类型，可通过套接字与运行不同操作系统(Unix,Linux,Windows等)的虚拟机连接；④支持动态地设置网络链接的属性，例如：带宽、延迟，定时器与误码率等；⑤能够仿真无线接口设备与ad hoc[14](无线自组织)网络模块。
总体结构：
一个VNE包含一个转发引擎与若干个接口，只要系统的内存足够，接口数量则可为任意值。接口可在系统运行期间动态地创建，每个接口拥有一个输入队列与一个输出队列，每个队列有一定大小的缓存区。接口内部通过一个转发引擎相互连接，图2所示是一个包含两个接口的VNE。输入、输出VNE的数据可以分为两种格式：
字节流数据(BS(Byte Stream))格式：此类数据作为一个无解释的字节数据流，每个缓存区能够容纳满足预设容量的BS数据。
以太网帧数据(EF(Ethernet Frame))格式：此类数据为Ethernet帧结构，每个缓存区仅能容纳一个Ethernet帧，并且该帧必须小于缓存区容量。
仿真系统可将VNE设为6种工作模式，前四个模式仿真了网络设备，这四个模式与虚拟机独立不相关，后两个模式仿真了无线接口网卡，无线接口网卡有两种模式：基础设施模式与ad hoc(无线自组织)模式，在无线接口网卡模式下，VNE通过指定接口“直接接口”与虚拟移动节点连接；如果移动节点是基础设施模式，那么VNE通过另一个接口“访问接口”与虚拟移动节点的访问点连接。VNE的6个模式分别如下所示：
①网络链接模式(VLINE)：两个接口之间直接相连，每个数据输入前一个接口，从后一个接口输出，如图3所示。
②hub模式(VHUB)：每个接口与另一个接口相连，每个数据输入一个接口，然后从该接口以外的一个接口输出，如图4所示。
③交换机模式(VSWITCH)：EF数据帧输入一个接口，转发引擎根据路由表决定将该数据转发至指定(EF帧的目标地址)的输出接口，如图5所示。
④访问点模式(AP)：模拟无线网络的AP(access point)功能，负责将有线网络信号转化为无线网络信号。
⑤无线基础设施模式：将访问接口的输入EF帧转发到直接接口的输出。
⑥ad hoc接口模式：将非直接接口的输入EF帧转发到直接接口的输出。
后四个模式需要数据格式为EF帧格式(具有MAC地址)，为了仿真IEEE 802.11协议，为接入点发出的每个EF帧增加一个伪报文头。
本发明为虚拟交换机的路由表设计了自学习的能力，具体的自学习方法为：当接口收到一个EF帧，VNE检查该帧的源MAC地址是否与该接口相同，如果相同，则不作处理；如果不同，VNE将该地址信息保存于VNE的路由表中。当一个数据帧输入VNE之后，转发引擎在路由表中搜索该帧的目标地址，将该帧转发至该目标地址关联的接口。VNE的hub模式与交换机模式支持基于端口的VLAN(虚拟局域网)。
VNE与网络后端的绑定方法：
在虚拟化领域中，网络后端表示了仿真器的软件部分，为仿真器之间建立连接。基于LINUX操作系统的网络后端一般都实现了TAP接口、VDE接口、套接字等。
VNE目前提供了UNIX本地套接字后端、TAP后端以及VDE后端，将这些后端都抽象为一个类，称为“struct endpoint”。网络后端必须与一个VNE虚拟网络接口绑定，为了实现仿真器的动态特性，VNE绑定(bind)操作将VNE接口与网络后端端点分离，该绑定操作可通过LINUX操作系统的“bind”命令动态地创建或者结束，如图6所示。因此网络后端的连接失败对VNE没有影响，如果节点的移动导致了网络连接失败，仅需重新建立网络后端的连接即可。
MWNS的系统仿真功能利用了QEMU仿真系统[7]，MWNS与QEMU仿真系统之间的关系，如图7所示，图中QEMU虚拟机的网络后端与VNE之间建立一个TCP连接。QEMU的虚拟网络设备与网络后端连接的实现方式是：定义一个本地VLAN目标，该目标直接将虚拟eth0接口与套接字后端(socket.0.)连接。VNE的“bind”操作与QEMU的VLAN操作之间的差异为：接口与网络后端之间的绑定是建立一个双向连接，而VLAN将多个网络后端单向地连接至同一个接口。VNE的双向连接为移动网络的动态性提供了支持，而VLAN的多对一的连接方式只能支持静态网络。
VNE的性能评估
首先评估VNE模型的性能，证明VNE模型的有效性。将VNE与QEMU[7]、Dynamips[15]两个基于套接字网络后端的网络仿真器进行比较。实验场景为：分别使用QEMU、Dynamips与VNE三个虚拟设备连接两个QUMU虚拟机，所有的网络后端连接均为TCP连接，物理机器为Intel PC机，两个QEMU虚拟机之间建立一个FTP会话，通过FTP传输一个1GB的文件，统计传输时间来计算传输的吞吐量。QEMU与本仿真器的虚拟网络设备吞吐量如表1所示，表中可看出VNE仿真器所仿真的VLINE与VHUB均优于QUMU设备，而VNE仿真的VSWITCH优于Dynamips交换机。
表1不同虚拟网络设备的吞吐量
MWNS的移动网络仿真：
系统设计：MWNS集成了NEMO[16]来管理网络的移动功能，MWNS是一个轻量级的C++程序，能够为移动网络生成网络连接的拓扑结构。NEMO能够动态地向MWNS发送命令，实时地改变MWNS网络的连接。NEMO程序主要包含两个部分：一部分是仿真时间调度器，另一部分是实时调度器。
NEMO程序的仿真时间调度器：仿真时间调度器是NEMO仿真部分的核心，它为实时调度器生成连接的场景，实时调度器生成连接场景的过程共有三个步骤：
步骤①：生成一个映射；
步骤②：在该映射中生成一个移动场景；
步骤③：根据该移动场景生成一个连接场景。
防真时间调度器每隔一段时间(用户设置)管理一次移动场景，并且计算每对移动节点之间的距离与无线连接。NEMO能够生成矩形映射与完全随机的移动场景，有助于无线移动网络的仿真与实验。NEMO仿真时间调度器的主要不足之处为：计算复杂度较高，复杂度为O(n2log2(n))。关于NEMO详细的介绍可参考文献[。
实时调度器：实时调度器在网络连接发生变化时管理各个连接(建立连接、断开连接、重建连接)，实时调度器与MWNS的交互过程如图8所示。在虚拟移动网络中，VNE用于仿真无线网络接口卡(WIC)，因此每个虚拟移动网络均有一个VNE与一个网络后端连接(TCP或者UDP连接)，MWNS负责将用户的命令发送至NEMO。运行实时调度器之后，MWNS还原NEMO生成的连接事件，将连接事件发送至不同的VNE，建立网络拓扑。
仿真实验与分析：
为了验证MWNS对移动网络与静态网络的仿真性能，分别进行了两组实验。
MOSH实验：为了验证MWNS仿真器对于静态网络的仿真准确性，基于MOSHbenchmark[17]与SSH评估仿真器的性能。MOSH与SSH均为远程终端应用，MOSH采用了SSP协议与故障预测算法，因此MOSH对网络连接的容错能力优于SSH。
实验中客户端通过一个仿真3G网络与一个交换机连接，通过一个仿真WiFi网络与服务器连接，仿真实验的参数如表2所示。实验中统计了MOSH与SSH两个网络服务的平均响应时间。MININET[18]也完成了该实验，因此将本系统仿真的结果与MININET[18]的实验结果比较，评估MWNS仿真的准确性。
表2仿真实验的参数
实验结果如图9所示，图中可看出，MWNS仿真的结果与原实验结果极为接近，说明MWNS仿真的准确率较高。MININET仅能在同一个物理主机中建立仿真，而MWNS可在多个物理主机中建立分布式虚拟网络，每个主机的子网可作为网络社区进行实验研究。
AMIRALE实验：为了评估MWNS仿真器对于移动设备的仿真准确率，采用AMIRALE系统进行了仿真实验，并且使用JBOTSIM进行模拟实验，将AMIRALE、本系统与JBOTSIM三者进行比较，评估本系统的仿真准确性。
AMIRALE是一个分布式系统，该系统设置几个自动化车辆协同地执行一个任务。实验场景设为一组扫地机器人收集公园中给定数量的垃圾，指定每个机器人收集一种类型的垃圾，如果一个机器人发现一个不属于它的垃圾，那么该机器人向负责该垃圾的机器人发送一个命令消息，具体实验方式可参考文献。
本发明统计了数据发送速率与移动目标数量的关系，结果如图10所示。因为所有机器人广播的命令消息没有数量的限制，所以将单个命令消息的字节数与网络中命令消息的数量相乘，即可计算出网络的理论数据速率。图10中仿真曲线为MWNS的实验结果，模拟曲线为JBOTSIM模拟器的实验结果。图中显示了理论曲线、模拟曲线与仿真曲线结果较为接近，表明MWNS对移动网络的场景具有较好的仿真性能，仿真的准确性较高。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其特征在于，包括虚拟节点、虚拟链接、虚拟网络的管理和虚拟化网络元素VNE；所述的虚拟节点是一个仿真器；所述的虚拟链接负责为网络的虚拟节点建立信道；所述的虚拟化网络元素VNE能够模拟一个网络设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其特征在于，所述的虚拟节点共有两种类型：
a、虚拟主机：用户配置VHOST的操作系统与硬件属性，仿真系统为每个虚拟节点分配一个虚拟存储空间；
b、虚拟路由器，由MWNS直接配置，为网络提供合适的路由协议。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其特征在于，仿真系统的虚拟链接共有三种类型：
a虚拟链接：虚拟的点对点连接；
B、虚拟集线器：模拟物理集线器设备；
C、虚拟交换机：模拟物理交换机设备。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其特征在于，所述虚拟网络的管理包括会话管理和MWNS管理器；MWNS的一个会话表示一个完整网络拓扑的配置，一个会话仅可在一个物理主机上，一个分布式虚拟网络由多个MWNS会话组成，会话之间具有独立性并且互不干扰；MWNS管理器通过命令行形式与用户交互，用户使用管理器控制指定的会话。MWNS管理器采用SSH连接为用户提供了远程访问功能，用户可在远程的主机上管理MWNS仿真系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其特征在于，虚拟化网络元素VNE用于模拟一个网络设备，其具体实现是基于面向对象的编程思想，将VNE作为一个父类，各种网络设备均为VNE的子类。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟化的移动无线网络仿真与实验平台，其特征在于，一个VNE包含一个转发引擎与若干个接口，只要系统的内存足够，接口数量则可为任意值；接口可在系统运行期间动态地创建，每个接口拥有一个输入队列与一个输出队列，每个队列有一定大小的缓存区。接口内部通过一个转发引擎相互连接。
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