CN111061617B - 一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统，属于天基网络组网及仿真测试领域。其包括控制器和多个计算节点，计算节点通过虚拟化技术构成云平台资源层；控制器用于实现人机交互层和云平台管理层，云平台管理层包括编排与控制单元、用户接口单元、全局数据库、用户数据库、计算管理单元和网络管理单元。本系统将当前学术界和工业界中的云平台资源管理技术、主机及网络虚拟化技术及软件定义网络技术等核心思想引入仿真测试领域，既能满足低成本和成熟度要求，又具有易扩展、可伸缩的优点，能实现不同类型、不同规模目标网络的灵活构建，支持真实产品协议及上层应用程序无需移植直接部署和测试。

Description

一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统

技术领域

本发明公开了一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统，涉及天基网络组网及仿真测试技术领域，可用于支撑对天基网络组网架构、体系及协议的研究，以及算法设计与设备研制。

背景技术

随着航空航天技术及网络通信技术的迅速发展，航空航天领域的应用与业务种类呈现多样化和复杂化的趋势。传统的卫星网络系统结构和功能单一、相互之间孤立，如同林立的烟囱自成体系，系统间缺乏互联互通能力，导致宝贵的星上资源不能有效利用，进而严重阻碍了航空航天应用创新。业界对具有多种功能、轨道互补、智能性高、自主运行、便于扩展的天基网络组网需求与日俱增。正是在此背景下，天基网络近年来逐渐成为世界主要航天国家的研究热点和重点。

然而，由于天基网络体系结构复杂、建设成本巨大，架构、协议和上层业务系统在正式部署于实际平台之前必须经过严格的测试和验证，因此如何在地面环境建立准确可靠、易于部署、成本可控的天基网络试验仿真测试环境一直以来便是研究人员面临的重要课题，具有重要的理论和实践意义。

现有仿真测试手段主要有软件模拟和实物测试两种方法。软件模拟具备可扩展性强、成本低，能较方便的模拟天基网络拓扑及链路特性；但其存在代码移植性差，成熟度低，与最终的实际系统存在较大差别等问题，通常适用于方案设计初步阶段。而实物测试的优势在于与目标系统高度一致，成熟度较高；但其构建成本相对较高、测试效率较低、可扩展性差等问题，通常适用于设备/系统交付阶段。

可见，目前的测试验证手段无法很好满足天基网络技术的发展。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统，其将当前学术界和工业界中的云平台资源管理技术、主机及网络虚拟化技术及软件定义网络技术等核心思想引入仿真测试领域，既能满足低成本和成熟度要求，又具有易扩展、可伸缩的优点，能实现不同类型、不同规模目标网络的灵活构建，支持真实产品协议及上层应用程序无需移植直接部署和测试。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统，包括控制器和多个计算节点，所述计算节点通过虚拟化技术构成云平台资源层；所述控制器用于实现人机交互层和云平台管理层，云平台管理层包括编排与控制单元、用户接口单元、全局数据库、用户数据库、计算管理单元和网络管理单元；

所述人机交互层提供用户访问云平台的入口，用于实现身份管理、场景管理、管理员设置、静态场景编辑和动态场景编辑功能；

所述用户接口单元用于实现云平台管理层与人机交互层的消息交互，完成消息接收与发送、消息解析与预处理的功能；

所述编排与控制单元用于完成用户请求的逻辑分解以及功能函数的组装和调用；

所述全局数据库用于存储各镜像信息、各虚拟机配额信息，以及所有用户信息和场景信息；

所述用户数据库以用户为单位建立，用于存储每个场景的详细信息，包括节点、链路、动态拓扑信息；

所述计算管理单元用于实现各类节点的构建和管理功能，以及镜像管理功能，包括计算组件和镜像组件，其中，计算组件用于实现弹性计算、负载均衡功能，以及节点的动态迁移及按需供给功能；

所述网络管理单元继承了Openstack原生的管理虚拟网络资源，用于实现二层网络的构建和管理、链路属性管理和网络接口管理功能；

所述云平台管理层通过接收并解析人机交互层的各个请求消息，进入相应功能单元调用功能函数，来实现对底层资源层的配置和对数据库的操作，在云平台资源层中按需构建用户想定的目标网络，来完成静态场景演示或动态场景演示的仿真需求。

进一步的，所述编排与控制单元具体包括用户管理单元、场景管理单元、节点管理单元、链路管理单元、网络拓扑管理与控制单元、动态场景解析单元和管理员功能单元；其中，用户管理单元用于完成用户的注册、注销、认证和鉴权功能；场景管理单元用于完成用户场景的创建、修改、删除功能；节点管理单元用于完成多种类型节点的创建、删除、端口配置功能；链路管理单元用于完成链路创建、删除和链路模型的管理；网络拓扑管理与控制单元用于按需构建各种静态和动态网络拓扑；动态场景解析单元用于实现动态演示功能，利用网络虚拟化技术实现链路状态实时更新的功能，利用软件定义网络技术实现灵活控制网络流量和网络拓扑时变仿真的功能；管理员功能单元用于实现管理员级别的域管理、主机管理和镜像管理功能。

进一步的，所述目标网络的构建包括网络节点构建和网络拓扑构建两部分；其中，

网络节点的构建通过人机交互层的普通节点配置页将新建节点请求和相关参数通过用户接口单元发送至云平台管理层的编配与控制单元的节点管理单元；节点管理单元通过用户编程接口调用计算管理单元的功能函数，通过计算管理单元的计算组件在云平台资源层分配计算资源，并返回结果；节点管理单元通过用户编程接口调用网络管理单元的的功能函数，查找新建节点的管理IP；节点管理单元通过用户编程接口调用网络管理单元的功能函数，为新建节点的管理IP分配浮动IP；节点管理单元通过用户编程接口调用计算管理单元的功能函数，查找新建节点所在的计算节点的相关信息，并返回结果；节点管理单元将最终结果通过用户接口单元反馈至普通节点配置页；

网络拓扑的构建通过云平台管理层的编排与控制单元中的链路管理单元和网络拓扑管理与控制单元调用网络管理单元，在云平台资源层实现不同类型网络拓扑的构建。

进一步的，所述网络拓扑的构建具体包括静态拓扑构建和动态拓扑构建；其中，

静态拓扑的构建通过配置和添加一系列链路来实现，链路模型配置页将新建链路模型请求和相关参数通过用户接口单元发送至编配与控制单元的链路管理单元，在用户数据库中创建链路模型，静态场景编辑页将新建链路请求和相关参数通过用户接口单元发送至编排与控制单元的网络拓扑管理与控制单元，通过用户编程接口调用网络管理单元相应的功能函数，在云平台资源层添加一条链路，利用traffic control流量控制软件在节点的虚拟网卡上实现链路时延、带宽和误码，并返回结果，网络管理单元将结果通过用户编程接口返回至网络拓扑管理与控制单元，网络拓扑管理与控制单元将结果通过用户接口单元反馈至静态场景编辑页；

动态拓扑构建通过构建不同时刻的拓扑快照来实现，支持手动绘制和导入轨道文件两种构建方式，前者通过用户在动态场景编辑页绘制不同时刻的网络拓扑来实现，后者通过导入STK轨道文件、设置场景节点映射关系来实现；具体流程为：动态场景编辑页将动态网络拓扑信息通过用户接口单元发送至编排与控制单元的网络拓扑管理与控制单元进行预处理并保存至用户数据库，待动态场景演示开始后在云平台资源层中实时分配相应的物理资源。

进一步的，所述动态场景演示的具体方式为：

通过动态场景解析单元分析和处理用户构建的动态网络拓扑信息，针对每一时刻的拓扑变化情况，由网络拓扑管理与控制单元通过用户编程接口调用网络管理单元在云平台资源层实时分配和释放物理资源，将结果通过用户接口单元反馈至动态场景编辑页并实时更新页面所呈现的网络拓扑；此外，通过加速和减速的功能入口实现调整演示进度的功能，满足不同演示需求；通过演示控制接口实现与STK软件联动演示的功能，提供可视化效果；通过北向接口实现演示过程中的用户编排控制功能。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明能模拟天基网络拓扑及链路特性，包括：连接关系及高动态、时延、带宽和误码，功能全面。

2、本发明能模拟各类型的组网节点，且节点数量动态可伸缩，支持window、linux多种操作系统的节点构建。

3、采用本发明，设备代码无需移植，因而使用方便。

4、本发明对外提供以太网口，支持半物理测试模式，且具有实时演示及结果呈现功能。

附图说明

图1是本发明实施例中系统的总体架构及各功能组成示意图。

图2是本发明实施例中仿真创建节点的流程图。

图3是本发明实施例中仿真添加链路的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统，包括控制器和多个计算节点，所述计算节点通过虚拟化技术构成云平台资源层；所述控制器用于实现人机交互层和云平台管理层，云平台管理层包括编排与控制单元、用户接口单元、全局数据库、用户数据库、计算管理单元和网络管理单元；

所述人机交互层提供用户访问云平台的入口，用于实现身份管理、场景管理、管理员设置、静态场景编辑和动态场景编辑功能；

所述用户接口单元用于实现云平台管理层与人机交互层的消息交互，完成消息接收与发送、消息解析与预处理的功能；

所述编排与控制单元用于完成用户请求的逻辑分解以及功能函数的组装和调用；

所述全局数据库用于存储各镜像信息、各虚拟机配额信息，以及所有用户信息和场景信息；

所述用户数据库以用户为单位建立，用于存储每个场景的详细信息，包括节点、链路、动态拓扑信息；

所述计算管理单元用于实现各类节点的构建和管理功能，以及镜像管理功能，包括计算组件和镜像组件，其中，计算组件用于实现弹性计算、负载均衡功能，以及节点的动态迁移及按需供给功能；

所述网络管理单元继承了Openstack原生的管理虚拟网络资源，用于实现二层网络的构建和管理、链路属性管理和网络接口管理功能；

所述云平台管理层通过接收并解析人机交互层的各个请求消息，进入相应功能单元调用功能函数，来实现对底层资源层的配置和对数据库的操作，在云平台资源层中按需构建用户想定的目标网络，来完成静态场景演示或动态场景演示的仿真需求。

进一步的，所述编排与控制单元具体包括用户管理单元、场景管理单元、节点管理单元、链路管理单元、网络拓扑管理与控制单元、动态场景解析单元和管理员功能单元；其中，用户管理单元用于完成用户的注册、注销、认证和鉴权功能；场景管理单元用于完成用户场景的创建、修改、删除功能；节点管理单元用于完成多种类型节点的创建、删除、端口配置功能；链路管理单元用于完成链路创建、删除和链路模型的管理；网络拓扑管理与控制单元用于按需构建各种静态和动态网络拓扑；动态场景解析单元用于实现动态演示功能，利用网络虚拟化技术实现链路状态实时更新的功能，利用软件定义网络技术实现灵活控制网络流量和网络拓扑时变仿真的功能；管理员功能单元用于实现管理员级别的域管理、主机管理和镜像管理功能。

进一步的，所述目标网络的构建包括网络节点构建和网络拓扑构建两部分；其中，

网络节点的构建通过人机交互层的普通节点配置页将新建节点请求和相关参数通过用户接口单元发送至云平台管理层的编配与控制单元的节点管理单元；节点管理单元通过用户编程接口调用计算管理单元的功能函数，通过计算管理单元的计算组件在云平台资源层分配计算资源，并返回结果；节点管理单元通过用户编程接口调用网络管理单元的的功能函数，查找新建节点的管理IP；节点管理单元通过用户编程接口调用网络管理单元的功能函数，为新建节点的管理IP分配浮动IP；节点管理单元通过用户编程接口调用计算管理单元的功能函数，查找新建节点所在的计算节点的相关信息，并返回结果；节点管理单元将最终结果通过用户接口单元反馈至普通节点配置页；

网络拓扑的构建通过云平台管理层的编排与控制单元中的链路管理单元和网络拓扑管理与控制单元调用网络管理单元，在云平台资源层实现不同类型网络拓扑的构建。

进一步的，所述网络拓扑的构建具体包括静态拓扑构建和动态拓扑构建；其中，

静态拓扑的构建通过配置和添加一系列链路来实现，链路模型配置页将新建链路模型请求和相关参数通过用户接口单元发送至编配与控制单元的链路管理单元，在用户数据库中创建链路模型，静态场景编辑页将新建链路请求和相关参数通过用户接口单元发送至编排与控制单元的网络拓扑管理与控制单元，通过用户编程接口调用网络管理单元相应的功能函数，在云平台资源层添加一条链路，利用traffic control流量控制软件在节点的虚拟网卡上实现链路时延、带宽和误码，并返回结果，网络管理单元将结果通过用户编程接口返回至网络拓扑管理与控制单元，网络拓扑管理与控制单元将结果通过用户接口单元反馈至静态场景编辑页；

动态拓扑构建通过构建不同时刻的拓扑快照来实现，支持手动绘制和导入轨道文件两种构建方式，前者通过用户在动态场景编辑页绘制不同时刻的网络拓扑来实现，后者通过导入STK轨道文件、设置场景节点映射关系来实现；具体流程为：动态场景编辑页将动态网络拓扑信息通过用户接口单元发送至编排与控制单元的网络拓扑管理与控制单元进行预处理并保存至用户数据库，待动态场景演示开始后在云平台资源层中实时分配相应的物理资源。

进一步的，所述动态场景演示的具体方式为：

通过动态场景解析单元分析和处理用户构建的动态网络拓扑信息，针对每一时刻的拓扑变化情况，由网络拓扑管理与控制单元通过用户编程接口调用网络管理单元在云平台资源层实时分配和释放物理资源，将结果通过用户接口单元反馈至动态场景编辑页并实时更新页面所呈现的网络拓扑；此外，通过加速和减速的功能入口实现调整演示进度的功能，满足不同演示需求；通过演示控制接口实现与STK软件联动演示的功能，提供可视化效果；通过北向接口实现演示过程中的用户编排控制功能。

该系统适用于天基网络仿真测试验证场景，下面结合图1～3对其做进一步说明。

参照图1，一种基于云计算的天基网络仿真测试系统，可向用户提供网络测试即服务（NTaas）的功能，主要由人机交互层、云平台管理层和云平台资源层组成。人机交互层包括基本功能页和图形化交互页；云平台管理层包括用户接口单元、编排与控制单元、网络管理单元、计算管理单元、数据库；云平台资源层包括物理资源层和虚拟化资源层。用户使用计算机通过网页登录的方式通过人机交互层调用云平台管理层的各功能单元，在云平台资源层中按需构建用户想定的目标网络。

其中，在云平台资源层中按需构建用户想定的目标网络。其中，目标网络的构建包括网络节点和网络拓扑构建两部分，其中，网络节点的构建通过云平台管理层的编排与控制单元中的节点管理单元通过控制计算管理单元的用户接口单元调用计算组件，由计算管理单元最终在计算资源子层中的计算节点中获取相应的计算资源，实现不同类型的虚拟机的按需构建；网络拓扑的构建通过云平台管理层的编排与控制单元中的链路管理单元和网络拓扑管理与控制单元控制云平台资源层的网络资源层，实现不同类型网络拓扑的动态构建。

其中，人机交互层提供给用户访问云平台的入口，包括基本功能页和图形化交互页。其中，基本功能页包括身份管理页、场景管理页、管理员设置页等，图形化交互页包括静态场景编辑页和动态场景编辑页。

其中，云平台管理层连接了人机交互层与云平台资源层，通过接收并解析人机交互层的各个请求消息，进入相应功能单元调用功能函数，来实现对底层资源层的配置和对数据库的操作。

其中，云平台资源层包括虚拟化层和物理资源层。其中，虚拟化层可对上层提供各类标准的底层计算和网络虚拟化资源。

其中，云平台管理层的用户接口单元主要用户实现与人机交互层的消息交互，完成消息接收与发送、消息解析与预处理等功能。

其中，云平台管理层的编排与控制单元主要完成各种用户请求的逻辑分解以及功能函数的组装和调用，具体包括用户管理单元、场景管理单元、节点管理单元、链路管理单元、网络拓扑管理与控制单元、动态场景解析单元、管理员功能单元等。其中，用户管理单元主要完成用户的注册、注销、认证和鉴权功能；场景管理功能完成用户场景的创建、修改、删除等功能；节点管理单元完成多种类型节点的创建、删除、端口配置等功能；链路管理单元主要完成链路创建、删除和链路模型的管理；网络拓扑管理与控制单元用于按需构建各种动态网络拓扑；动态场景解析单元主要实现动态演示功能；管理员功能单元主要实现管理员级别的域管理、主机管理和镜像管理等。

其中，云平台管理层的数据库包括全局数据库和用户数据库，其中，全局数据库用于存储所有用户信息和场景信息、存储各镜像信息、存储各虚拟机配额信息；用户数据库以用户为单位建立，存储每个场景的详细信息，包括节点、链路、动态拓扑信息等。

其中，云平台管理层的计算管理和网络管理单元主要调用底层虚拟化标准组件。

参照图2，普通节点配置页将新建节点请求和相关参数通过用户接口单元发送至云平台管理层的编配与控制单元的节点管理单元；节点管理单元通过云平台资源层的计算管理单元的用户编程接口，调用新建KVM虚拟机的功能函数，通过计算管理单元的计算组件在物理资源层分配计算资源，并返回结果；节点管理单元通过网络管理单元的用户编程接口，查找新建KVM虚拟机的管理IP；节点管理单元通过网络管理单元的用户编程接口，为新建KVM虚拟机的管理IP分配浮动IP；节点管理单元通过计算管理单元的用户编程接口，查找新建KVM虚拟机所在的计算节点的相关信息，并返回结果；节点管理单元将最终结果通过用户接口单元反馈至普通节点配置页。

参照图3，链路配置页将添加链路请求和相关参数通过用户接口单元发送至云平台管理层的编配与控制单元的网络拓扑管理与控制单元；网络拓扑管理与控制单元通过云平台资源层的网络管理单元的用户编程接口，调用网络接口管理单元的添加链路的功能函数，在云平台资源层添加一条链路，并返回结果；网络管理单元将结果通过用户编程接口返回至网络拓扑管理与控制单元；网络拓扑管理与控制单元将最终结果通过用户接口单元反馈至链路配置页。

与现有软件仿真模拟和实物测试平台相比，本发明综合两者的优点，可基于B/S模式向天基网络组网技术研发人员提供网络测试即服务（NTaas，Network test as aservice）功能，能实现不同类型、不同规模目标网络的灵活构建，支持真实产品协议及上层应用程序无需移植直接部署和测试。除了天基网络以外，该系统也可扩展应用于天地一体化网络、深空网络和地面网络等组网技术仿真测试领域，用于测试和验证不同类型网络组网架构、协议体系或算法。一方面能提升现有仿真手段的准确性和可信度；另一方面，也能显著降低目前实物测试环境构建成本。

总之，本发明独创了一种天基网络测试云平台，该平台主要以准确、有效和可扩展作为设计准则，能低代价、高真实的构建拟验证的天基网络节点及链路，是目前和未来保障天基网络架构、体制、协议及算法验证的必要手段。

Claims (1)

1.一种基于云计算的天基网络组网仿真测试系统，包括控制器和多个计算节点，所述计算节点通过虚拟化技术构成云平台资源层；其特征在于，所述控制器用于实现人机交互层和云平台管理层，云平台管理层包括编排与控制单元、用户接口单元、全局数据库、用户数据库、计算管理单元和网络管理单元；

所述人机交互层提供用户访问云平台的入口，用于实现身份管理、场景管理、管理员设置、静态场景编辑和动态场景编辑功能；

所述用户接口单元用于实现云平台管理层与人机交互层的消息交互，完成消息接收与发送、消息解析与预处理的功能；

所述编排与控制单元用于完成用户请求的逻辑分解以及功能函数的组装和调用；

所述全局数据库用于存储各镜像信息、各虚拟机配额信息，以及所有用户信息和场景信息；

所述用户数据库以用户为单位建立，用于存储每个场景的详细信息，包括节点、链路、动态拓扑信息；

所述计算管理单元用于实现各类节点的构建和管理功能，以及镜像管理功能，包括计算组件和镜像组件，其中，计算组件用于实现弹性计算、负载均衡功能，以及节点的动态迁移及按需供给功能；

所述网络管理单元继承了Openstack原生的管理虚拟网络资源，用于实现二层网络的构建和管理、链路属性管理和网络接口管理功能；

所述云平台管理层通过接收并解析人机交互层的各个请求消息，进入相应功能单元调用功能函数，来实现对底层资源层的配置和对数据库的操作，在云平台资源层中按需构建用户想定的目标网络，来完成静态场景演示或动态场景演示的仿真需求；

所述编排与控制单元具体包括用户管理单元、场景管理单元、节点管理单元、链路管理单元、网络拓扑管理与控制单元、动态场景解析单元和管理员功能单元；其中，用户管理单元用于完成用户的注册、注销、认证和鉴权功能；场景管理单元用于完成用户场景的创建、修改、删除功能；节点管理单元用于完成多种类型节点的创建、删除、端口配置功能；链路管理单元用于完成链路创建、删除和链路模型的管理；网络拓扑管理与控制单元用于按需构建各种静态和动态网络拓扑；动态场景解析单元用于实现动态演示功能，利用网络虚拟化技术实现链路状态实时更新的功能，利用软件定义网络技术实现灵活控制网络流量和网络拓扑时变仿真的功能；管理员功能单元用于实现管理员级别的域管理、主机管理和镜像管理功能；

所述目标网络的构建包括网络节点构建和网络拓扑构建两部分；其中，

网络节点的构建通过人机交互层的普通节点配置页将新建节点请求和相关参数通过用户接口单元发送至云平台管理层的编配与控制单元的节点管理单元；节点管理单元通过用户编程接口调用计算管理单元的功能函数，通过计算管理单元的计算组件在云平台资源层分配计算资源，并返回结果；节点管理单元通过用户编程接口调用网络管理单元的的功能函数，查找新建节点的管理IP；节点管理单元通过用户编程接口调用网络管理单元的功能函数，为新建节点的管理IP分配浮动IP；节点管理单元通过用户编程接口调用计算管理单元的功能函数，查找新建节点所在的计算节点的相关信息，并返回结果；节点管理单元将最终结果通过用户接口单元反馈至普通节点配置页；

网络拓扑的构建通过云平台管理层的编排与控制单元中的链路管理单元和网络拓扑管理与控制单元调用网络管理单元，在云平台资源层实现不同类型网络拓扑的构建；

所述网络拓扑的构建具体包括静态拓扑构建和动态拓扑构建；其中，

静态拓扑的构建通过配置和添加一系列链路来实现，链路模型配置页将新建链路模型请求和相关参数通过用户接口单元发送至编配与控制单元的链路管理单元，在用户数据库中创建链路模型，静态场景编辑页将新建链路请求和相关参数通过用户接口单元发送至编排与控制单元的网络拓扑管理与控制单元，通过用户编程接口调用网络管理单元相应的功能函数，在云平台资源层添加一条链路，利用traffic control流量控制软件在节点的虚拟网卡上实现链路时延、带宽和误码，并返回结果，网络管理单元将结果通过用户编程接口返回至网络拓扑管理与控制单元，网络拓扑管理与控制单元将结果通过用户接口单元反馈至静态场景编辑页；

动态拓扑构建通过构建不同时刻的拓扑快照来实现，支持手动绘制和导入轨道文件两种构建方式，前者通过用户在动态场景编辑页绘制不同时刻的网络拓扑来实现，后者通过导入STK轨道文件、设置场景节点映射关系来实现；具体流程为：动态场景编辑页将动态网络拓扑信息通过用户接口单元发送至编排与控制单元的网络拓扑管理与控制单元进行预处理并保存至用户数据库，待动态场景演示开始后在云平台资源层中实时分配相应的物理资源；

所述动态场景演示的具体方式为：

通过动态场景解析单元分析和处理用户构建的动态网络拓扑信息，针对每一时刻的拓扑变化情况，由网络拓扑管理与控制单元通过用户编程接口调用网络管理单元在云平台资源层实时分配和释放物理资源，将结果通过用户接口单元反馈至动态场景编辑页并实时更新页面所呈现的网络拓扑；此外，通过加速和减速的功能入口实现调整演示进度的功能，满足不同演示需求；通过演示控制接口实现与STK软件联动演示的功能，提供可视化效果；通过北向接口实现演示过程中的用户编排控制功能。