CN110764987A - 基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法 - Google Patents

基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法 Download PDF

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李晖
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Abstract

本发明属于基于虚拟化技术的网络仿真测试技术领域，公开了一种基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，对硬件设备进行网络接入初始化，完成硬件设备的虚拟化；实现网络仿真测试实验环境与虚拟化后的硬件设备的网络连接，挂接虚拟机同时接入硬件设备所在网络及网络仿真测试实例网络，通过Openflow流表控制数据流量完成网络的互通；仿真测试实例网络灵活调用虚拟化硬件设备，实现硬件设备的调用。本发明解决了将非SDN硬件设备纳入SDN技术处理范围的基础问题，同时将硬件设备处理为通用可热插拔组件，提高硬件设备的调用扩展性，为虚实结合仿真测试环境下硬件设备调用的自动化以及缩短测试实例周期打下基础。

Description

基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法
技术领域
本发明属于基于虚拟化技术的网络仿真测试技术领域，尤其涉及一种基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：互联网逐渐渗透进人类社会的各个角落，对于互联网的研究也越来越多，科研人员需要在相对复杂且更加逼真的仿真测试网络中进行相应的研究。随着虚拟化技术的发展，以基础设施即为服务的云计算平台发展迅速，其以管理方便、能够灵活构建多样化虚拟网络等优点逐渐成为支撑网络仿真测试的基本环境。然而，以OpenStack为代表的云计算平台用于网络仿真存在一些缺陷。Neutron作为OpenStack项目中提供网络的组件，基于软件定义网络(SDN)的思想实现了网络虚拟化下的资源管理。Neutron中的网络高级功能实现网络功能虚拟化(NFV)的思想，将网络功能从硬件设备剥离到控制平面之上，以软件的形态部署于云计算平台的网络节点，不过由于Neutron中网络高级功能服务的位置与路由器结合的过于紧密，导致与路由器端口连接的所有子网会使用相同策略的网络服务，尽管部分高级功能(例如防火墙FWaaS)在OpenStack的Ocata版本后进行更精细的实现，即可以对子网内虚拟机实例的网络服务指定针对性的策略，但虚拟机实例主要的网络控制仅依赖安全层的iptables实现，致使虚拟机能够指定策略使用的高级服务有限，仅仅能够模拟系统或者设备的某些功能，难以保证网络节点复现的逼真度，从而不能满足网络功能仿真以及计算机系统仿真的需求。同时部分网络仿真测试研究中对于一些设备的性能有较高的要求，使用软件实现的相应功能无法满足网络仿真测试中的性能要求，同样成为研究过程中一个令研究人员头痛的问题。为了解决这两个主要问题，直接将相应的硬件设备接入网络仿真测试环境中是一个很好的解决问题的方向。
将现有的不支持SDN的网络硬件设备接入虚拟网络提供细粒度的服务能够解决云计算平台用于虚拟网络仿真的问题。针对硬件设备接入虚拟网络的问题，研究者们提出了一些解决方案，现有技术一公开了一种虚实网络灵活可扩展融合的仿真方法，其通过为网络节点添加多块连接外网网卡的方式，将硬件设备作为外网设备接入虚拟网络，通过配置流表规则控制硬件设备接入不同子网。现有技术二公开了一种适用于移动网系仿真的虚实互联网关及其实现仿真的方法，其设计的虚实互联网关采用基于ppp协议的实装终端的注册机制，使用拨号的方式控制终端设备接入，引入虚实映射表将实装设备映射到虚拟网络中。此类解决方案均需要部署与Neutron三层设备中的集中式路由实现，集中式路由所在的网络节点的性能瓶颈会对仿真测试结果产生很大影响。因此为了构建更为真实的网络仿真环境，减少无关因素的影响，硬件设备的接入需要尽量减少集中式的虚拟三层网络设备的中转，提高网络仿真测试环境的鲁棒性及扩展性，同时保证网络仿真结果的正确性。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)软件实现硬件功能无法完全模拟硬件特性，功能有限，同时因性能不足而无法满足网络仿真测试要求；目前一些硬件设备接入网络仿真测试环境的方案中，数据流量需要走网关设备，协议实现复杂，从而会导致网关设备的单点问题，造成网络仿真的性能瓶颈。
(2)当前的一些方案根据具体拓扑在已有网络仿真测试环境中将硬件设备接入，在需要网络仿真测试实例周期短，需要对大量网络拓扑做仿真测试的情形下非常影响效率。
解决上述技术问题的难度：需要设计一种实现容易的二层网络硬件接入方案，同时能够利用SDN技术完成硬件的调用；除此之外，为了缩短网络仿真测试实例周期，需要将硬件设备包装为通用的可热插拔组件，而非根据网络仿真拓扑，设计硬件接入方式。
解决上述技术问题的意义：解决上述问题后，能够给网络仿真测试环境提供类型全面且性能高的网络功能，同时硬件被处理为网络仿真测试环境中的通用可热插拔组件，具有很强的扩展性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法。
本发明是这样实现的，一种基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法包括以下步骤：
第一步，对硬件设备进行初始化，完成硬件设备的虚拟化；
第二步，实现网络仿真测试实环境与虚拟化后的硬件设备的网络连接，挂接虚拟机同时接入硬件设备所在网络及从仿真测试实例网络，通过Openflow流表控制数据流量完成网络的互通；
第三步，仿真测试实例网络灵活调用虚拟化硬件设备，实现硬件设备的调用。
进一步，所述对硬件设备进行初始化包括以下步骤：
步骤一，将硬件设备与提供挂接虚拟机的宿主机服务器接入同一网络；
步骤二，宿主机服务器使用支持SDN的虚拟交换机OpenvSwitch为挂接虚拟机提供基础网络，挂接虚拟机通过宿主机的桥接网络与硬件设备进行网络通信连接，并通过硬件设备关联多个挂接虚拟机或挂接虚拟机提供多个网络接口的方式，实现硬件设备的网络接口一一映射，映射信息存储在数据库中，用于调用查询；
步骤三，使用Openflow流表对挂接虚拟机各网络接口的数据流量进行控制，将从仿真测试实例网络发来的数据转发至硬件设备，将从硬件设备发来的数据转发至仿真测试实例网络，使仿真测试实例网络与硬件设备对对方所处网络无感知。
进一步，所述对硬件设备进行初始化具体包括：
(1)硬件设备Hi接入网络Net1，并给硬件设备配置局域网Net1下网络地址Net1_ip1、Net1_ip2......Net1_ipj；
(2)将用于提供挂接虚拟机G_vmk的服务器接入局域网Net1中，服务器至少有两张网卡，用于同时连接硬件资源池网络Net1以及仿真测试网络Net2，挂接虚拟机服务器通过多个虚拟机实例或者单个挂接虚拟机配置多个网络接口的方式，实现对提供调用服务硬件网络接口的一一映射，映射信息存入数据库中用于调用查询，硬件设备Hi完成仿真测试网络与硬件设备的逻辑连接。
进一步，所述网络接口一一映射的方式包括：
(1)挂接虚拟机存在网络接口G_vmk_NCj1与硬件的网络接口Hi_NCj对应物理逻辑连接，设置两个接口的网络连接，即IP数据是互通的；
(2)挂接虚拟机每存在一个网络接口G_vmk_NCj1，则对应存在一个网络接口G_vmk_NCj2，属于网络Net2；
(3)挂接虚拟机网络接口通过对OpenvSwitch配置openflow流表将流量定向，网络接口G_vmk_NCj1与网络接口G_vmk_NCj2关联，硬件设备进入网络接口G_vmk_NCj1的流量被转发至网络接口G_vmk_NCj2然后转发到仿真测试网络，仿真测试网络进入网络接口G_vmk_NCj2的数据流量被转发至网络接口G_vmk_NCj1然后转发到硬件设备。
进一步，所述第二步的硬件资源池与仿真测试网络的连接；挂接虚拟机网络接口G_vmk_NCj2接入仿真测试网络Net2，硬件资源池通过挂接虚拟机同时连接网络Net1与Net2实现与仿真测试网络的网络连接。
进一步，所述第三步仿真测试实例网络灵活调用虚拟化硬件设备，实现硬件设备的调用包括：
步骤一，仿真测试实例网络首先从数据库中获取硬件设备挂接虚拟机提供的网络接口地址；
步骤二，根据获得的挂接虚拟机网络接口进行网络拓扑结构上的接入；
步骤三，仿真测试网络将待处理数据转发到该网络接口，即可以实现硬件设备的调用，数据处理结果将从硬件设备返回数据网络接口映射的挂接虚拟机网络接口返回；
步骤四，如果需要切换硬件设备的接入节点，仅需要切换数据转发的网络接口地址，完成网络拓扑的改变。
进一步包括：硬件资源池通过挂接虚拟机以网络接口的形式提供硬件资源接入服务，将挂接虚拟机与对应硬件设备统一封装，仿真测试系统仅需要关心调用硬件设备的网络接口及应用接入方式，在生成仿真测试系统实例网络拓扑时根据任务需求，从数据库中获取接入的硬件资源对应的网络接口，动态配置硬件设备Hi挂接虚拟机G_vmk的网络接口G_vmk_NCj2，配置下发相应接口的ip，同时对该接口在OpenvSwitch中的端口下发openflow流表，将数据流向配置为挂接虚拟机的网络接口地址；
如果硬件设备在仿真测试实例网络的网络拓扑中需要重新调整，只需要调整挂接虚拟机G_vmk的网络接口G_vmk_NCj2和在网络拓扑中需要接入硬件设备的节点网络接入接口G_vmk_NCj2以及相应openflow流表，实现硬件资源逻辑位置的变更。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法在仿真测试中的应用，利用SDN技术控制不具备SDN特性硬件设备的基础，利用硬件设备及从仿真测试实例网络环境中间的虚拟化层，仿真测试环境能够通过下发Openflow流表给挂接虚拟机，实现对不具备SDN特性硬件设备的调用控制。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法的智能终端。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法的云计算平台。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明在以虚拟化技术为基础的仿真测试环境与硬件设备的连接架构中增加硬件设备的虚拟化层，实现网络仿真测试系统中虚实设备的灵活组合调用。虚拟化层是一个逻辑层，通过在硬件设备网络接口处挂接虚拟机的方式实现对硬件设备的虚拟化，对硬件设备接口在虚拟化环境中一一映射，在不影响硬件设备性能的情况下(虚拟化层仅对数据流量进行转发，性能影响可忽略)，对硬件设备进行虚拟化封装，提供可灵活调用的具有虚拟化性质的硬件设备组件，即将硬件设备与挂接虚拟机组合一体成为仿真测试网络下的可热插拔黑盒子。
本发明能够在不明显影响性能情况下将硬件设备接入基于虚拟技术的仿真测试环境，能够支持硬件设备在仿真测试环境中的灵活调用，同时解决了将非SDN硬件设备纳入SDN技术处理范围的基础问题，为虚实结合仿真测试环境下缩短测试实例周期打下基础。另一优势在于仿真测试网络实例在调用虚拟化后的硬件设备时为二层网络调用，不存在路由单点瓶颈问题，能够充分利用硬件设备的性能优势。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法实现流程图。
图3是本发明实施例提供的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法原理图。
图4是本发明实施例提供的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法实施例的流程图。
图5是本发明实施例提供的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法的逻辑架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法包括以下步骤：
S101：对硬件设备进行初始化，即完成硬件设备的虚拟化；
S102：实现网络仿真测试环境与虚拟化后的硬件设备的网络连接，挂接虚拟机同时接入硬件设备所在网络及从仿真测试实例网络，通过Openflow流表控制数据流量完成网络的互通；
S103：仿真测试实例网络灵活调用虚拟化硬件设备，即实现硬件设备的调用。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图2所示，本发明在以虚拟化技术为基础的仿真测试环境与硬件设备的连接架构中增加硬件设备的虚拟化层，为硬件设备挂接虚拟机，将硬件设备接口一一映射，为网络仿真测试系统中虚实设备的灵活组合调用提供基础。
如图3所示，本发明通过在硬件设备网络接口处挂接虚拟机的方式实现对硬件设备的虚拟化，对硬件设备接口在虚拟化环境中一一映射，在不影响硬件设备性能的情况下(虚拟化层仅对数据流量进行转发，性能影响可忽略)，对硬件设备进行虚拟化封装，提供可灵活调用的具有虚拟化性质的硬件设备组件，即将硬件设备与挂接虚拟机组合一体，成为仿真测试网络中的可热插拔黑盒子。
如图4所示，本发明的主要实现步骤包括硬件资源池的初始化、硬件资源池与仿真测试环境的连接以及仿真测试环境具体实例中对硬件的灵活调用；图5为本发明的实现逻辑结构图。
第一步，硬件资源池的初始化，包括以下步骤：
1、硬件设备Hi(如网闸、web应用防火墙、IDS/IPS等)接入网络Net1(如果硬件设备Hi有多个网络接口/网卡Hi_NC1、Hi_NC2......Hi_NCj，根据使用需求进行接入，同时可以根据硬件设备的多接口特性，在给仿真测试实例网络提供调用服务时实现硬件设备的复用)，并给硬件设备配置局域网Net1下网络地址Net1_ip1、Net1_ip2......Net1_ipj；
2、将用于提供挂接虚拟机G_vmk的服务器接入局域网Net1中，服务器至少有两张网卡，用于同时连接硬件资源池网络Net1以及仿真测试网络Net2，挂接虚拟机服务器通过多个虚拟机实例或者单个挂接虚拟机配置多个网络接口的方式，实现对提供调用服务硬件网络接口的一一映射，映射信息存入数据库中用于调用查询，硬件设备Hi完成仿真测试网络与硬件设备的逻辑连接。其中网络接口一一映射的方式如下：
(1)挂接虚拟机首先要存在网络接口G_vmk_NCj1与硬件的网络接口Hi_NCj对应物理逻辑连接，然后设置两个接口的网络连接，即IP数据是互通的；
(2)挂接虚拟机每存在一个网络接口G_vmk_NCj1，则对应存在一个网络接口G_vmk_NCj2，属于网络Net2；
(3)挂接虚拟机网络接口通过对OpenvSwitch配置openflow流表将流量定向，即网络接口G_vmk_NCj1与网络接口G_vmk_NCj2关联，硬件设备进入网络接口G_vmk_NCj1的流量被转发至网络接口G_vmk_NCj2然后转发到仿真测试网络，仿真测试网络进入网络接口G_vmk_NCj2的数据流量被转发至网络接口G_vmk_NCj1然后转发到硬件设备。
第二步，硬件资源池与仿真测试网络的连接；
挂接虚拟机网络接口G_vmk_NCj2接入仿真测试网络Net2，硬件资源池通过挂接虚拟机同时连接网络Net1与Net2实现与仿真测试网络的网络连接。
第三步，仿真测试实例网络对硬件的灵活调用；
硬件资源池通过挂接虚拟机以网络接口的形式提供硬件资源接入服务，将挂接虚拟机与对应硬件设备统一封装，仿真测试系统仅需要关心调用硬件设备的网络接口及应用接入方式，在生成仿真测试系统实例网络拓扑时根据任务需求，从数据库中获取接入的硬件资源对应的网络接口，动态配置硬件设备Hi挂接虚拟机G_vmk的网络接口G_vmk_NCj2，即配置下发相应接口的ip，同时对该接口在OpenvSwitch中的端口下发openflow流表，将数据流向配置为挂接虚拟机的网络接口地址；
如果硬件设备在仿真测试实例网络的网络拓扑中需要重新调整，只需要调整挂接虚拟机G_vmk的网络接口G_vmk_NCj2和在网络拓扑中需要接入硬件设备的节点网络接入接口G_vmk_NCj2以及相应openflow流表，即可以快速方便地实现硬件资源逻辑位置的变更。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，其特征在于，所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法包括以下步骤：
第一步，对硬件设备进行初始化，完成硬件设备的虚拟化；
第二步，实现网络仿真测试实环境与虚拟化后的硬件设备的网络连接，挂接虚拟机同时接入硬件设备所在网络及从仿真测试实例网络，通过Openflow流表控制数据流量完成网络的互通；
第三步，仿真测试实例网络灵活调用虚拟化硬件设备，实现硬件设备的调用。
2.如权利要求1所述的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，其特征在于，所述对硬件设备进行初始化包括以下步骤：
步骤一，将硬件设备与提供挂接虚拟机的宿主机服务器接入同一网络；
步骤二，宿主机服务器使用支持SDN的虚拟交换机OpenvSwitch为挂接虚拟机提供基础网络，挂接虚拟机通过宿主机的桥接网络与硬件设备进行网络通信连接，并通过硬件设备关联多个挂接虚拟机或挂接虚拟机提供多个网络接口的方式，实现硬件设备的网络接口一一映射，映射信息存储在数据库中，用于调用查询；
步骤三，使用Openflow流表对挂接虚拟机各网络接口的数据流量进行控制，将从仿真测试实例网络发来的数据转发至硬件设备，将从硬件设备发来的数据转发至仿真测试实例网络，使仿真测试实例网络与硬件设备对对方所处网络无感知。
3.如权利要求2所述的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，其特征在于，所述对硬件设备进行初始化具体包括：
(1)硬件设备Hi接入网络Net1，并给硬件设备配置局域网Net1下网络地址Net1_ip1、Net1_ip2……Net1_ipj；
(2)将用于提供挂接虚拟机G_vmk的服务器接入局域网Net1中，服务器至少有两张网卡，用于同时连接硬件资源池网络Net1以及仿真测试网络Net2，挂接虚拟机服务器通过多个虚拟机实例或者单个挂接虚拟机配置多个网络接口的方式，实现对提供调用服务硬件网络接口的一一映射，映射信息存入数据库中用于调用查询，硬件设备Hi完成仿真测试网络与硬件设备的逻辑连接。
4.如权利要求3所述的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，其特征在于，所述网络接口一一映射的方式包括：
(1)挂接虚拟机存在网络接口G_vmk_NCj1与硬件的网络接口Hi_NCj对应物理逻辑连接，设置两个接口的网络连接，即IP数据是互通的；
(2)挂接虚拟机每存在一个网络接口G_vmk_NCj1，则对应存在一个网络接口G_vmk_NCj2，属于网络Net2；
(3)挂接虚拟机网络接口通过对OpenvSwitch配置openflow流表将流量定向，网络接口G_vmk_NCj1与网络接口G_vmk_NCj2关联，硬件设备进入网络接口G_vmk_NCj1的流量被转发至网络接口G_vmk_NCj2然后转发到仿真测试网络，仿真测试网络进入网络接口G_vmk_NCj2的数据流量被转发至网络接口G_vmk_NCj1然后转发到硬件设备。
5.如权利要求1所述的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，其特征在于，所述第二步的硬件资源池与仿真测试网络的连接；挂接虚拟机网络接口G_vmk_NCj2接入仿真测试网络Net2，硬件资源池通过挂接虚拟机同时连接网络Net1与Net2实现与仿真测试网络的网络连接。
6.如权利要求1所述的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，其特征在于，所述第三步仿真测试实例网络灵活调用虚拟化硬件设备，实现硬件设备的调用包括：
步骤一，仿真测试实例网络首先从数据库中获取硬件设备挂接虚拟机提供的网络接口地址；
步骤二，根据获得的挂接虚拟机网络接口进行网络拓扑结构上的接入；
步骤三，仿真测试网络将待处理数据转发到该网络接口，即可以实现硬件设备的调用，数据处理结果将从硬件设备返回数据网络接口映射的挂接虚拟机网络接口返回；
步骤四，如果需要切换硬件设备的接入节点，仅需要切换数据转发的网络接口地址，完成网络拓扑的改变。
7.如权利要求6所述的基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法，其特征在于，进一步包括：硬件资源池通过挂接虚拟机以网络接口的形式提供硬件资源接入服务，将挂接虚拟机与对应硬件设备统一封装，仿真测试系统仅需要关心调用硬件设备的网络接口及应用接入方式，在生成仿真测试系统实例网络拓扑时根据任务需求，从数据库中获取接入的硬件资源对应的网络接口，动态配置硬件设备Hi挂接虚拟机G_vmk的网络接口G_vmk_NCj2，配置下发相应接口的ip，同时对该接口在OpenvSwitch中的端口下发openflow流表，将数据流向配置为挂接虚拟机的网络接口地址；
如果硬件设备在仿真测试实例网络的网络拓扑中需要重新调整，只需要调整挂接虚拟机G_vmk的网络接口G_vmk_NCj2和在网络拓扑中需要接入硬件设备的节点网络接入接口G_vmk_NCj2以及相应openflow流表，实现硬件资源逻辑位置的变更。
8.一种如权利要求1～7任意一项所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法在仿真测试中的应用，其特征在于，利用SDN技术控制不具备SDN特性硬件设备的基础，利用硬件设备及从仿真测试实例网络环境中间的虚拟化层，仿真测试环境能够通过下发Openflow流表给挂接虚拟机，实现对不具备SDN特性硬件设备的调用控制。
9.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法的智能终端。
10.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于虚拟化技术的网络仿真测试系统中硬件设备接入方法的云计算平台。
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