CN112532428A - 一种业务驱动的大规模网络仿真方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种业务驱动的大规模网络仿真系统，面向用户对多种大规模通信网络的仿真业务需求，在不改变仿真系统底层硬件设施情况下，实现业务驱动下的多种异构通信网络仿真，并集成了仿真控制接口，其特征是，仿真系统联合SDN与虚拟网络切片技术，仿真系统从上至下包括应用层、切片层、控制层和数据层；切片层为仿真业务分配专属的虚拟网络资源，并封装成业务切片，完成物理网络到仿真网络的映射。控制层模块化封装多个功能模块，并提供仿真系统控制接口。数据层作为整个架构的基础资源设施，由软件定义交换机与仿真节点组成，承载网络数据流。

Description

一种业务驱动的大规模网络仿真方法与系统

技术领域

本发明设计了一种业务驱动的大规模网络仿真方法与系统，属于通信网络仿真领域。

背景技术

大规模通信网络其网络结构复杂、覆盖范围大、网络多源异构、例如：空间信息网络、自组织网络、无人机集群网络、多级跨域网络，其对扩展性和兼容性的要求较高。部分网络场景中各个平面的通信节点具有不同的运动模型且处于高速的运动状态，节点相对位置不断变化。这些特性使得大规模网络在在仿真分析时存在一定困难，并且大多数网络仿真软件基于离散事件仿真，工作过程中节点通信没有真实的数据流交换，与实际的网络流量行为存在差距，难以真实反映网络在物理环境中的性能情况。

现有面向大规模网络仿真系统的实现方法将软件定义网络技术、容器虚拟化技术相结合，按照经典的软件定义网络(Software Defined Network，SDN)架构从上至下分为应用层、控制层、数据层。利用软件定义的方式通过真实SDN交换机或虚拟机中的虚拟SDN交换机(例如：OpenVSwitch)控制网络通断实现节点间的动态拓扑关系模拟。基于容器虚拟化技术模拟网络中存在的大量通信节点，实现可扩展的大规模网络仿真。

上述大规模通信网络仿真系统大部分针对单一场景网络如空间信息网络，无法在同一个架构下灵活实现多种通信网络仿真(无人机自组网、地面有线通信网等)，且不支持不同通信网络跨域跨层联合仿真(空天地网络、地面多级子网融合网络)。并且大多数基于SDN架构通信网络仿真系统研究集中于控制层与数据层缺少对应用层业务研究与具体应用。

本申请人南京大学在其申请专利文献“基于SDN的空间信息网络半实物集中式仿真系统及其实现方法”(申请日：2016年8月12日，申请号：201610669680.5，申请公布号：CN106301911A，该申请的内容仍然可以被引用)中公开了一种基于软件定义网络(SDN)的半实物仿真系统。该仿真系统存在以下的不足：①该平台研究工作集中于SDN控制器实现网络通断模拟,缺少对应用层仿真业务的研究与具体应用，无法支持对不同仿真业务的切换；②该平台未实现不同通信网络异构特性与系统底层硬件设施的高度解耦，在不改变系统整体架构情况下，无法支持多种不同通信网络仿真。③该平台控制器的功能分散且缺少模块化整合、同时未集成仿真过程控制接口造成用户使用的不便。

发明内容

本发明目的是，提出一种业务驱动的大规模网络仿真方法与系统，联合软件定义网络SDN与虚拟网络切片技术，面向大规模通信网络，开展基于业务驱动的仿真系统设计，破解不同通信网络异构特性和仿真系统底层硬件资源解耦的难题，实现硬件物理网络到仿真网络的映射，构建可屏蔽底层硬件差异支持多种通信网络的仿真方法与系统。

本发明解决了现有技术存在的问题以下问题：①解决现有技术对大规模网络仿真需求不清晰、仿真业务未定义的问题，实现基于通信网络仿真业务驱动的系统设计；②解决现有技术在不改变系统整体架构情况下，无法支持多种不同通信网络仿真的问题，屏蔽系统底层硬件差异实现物理网络到仿真网络的映射，可仿真多种不同的异构网络，并且支持不同通信网络的联合仿真；③解决现有技术仿真功能缺少集成封装，未向用户提供统一的仿真系统控制接口的问题，实现系统各项仿真功能的高度集成以及提高了用户的易用性。

为实现上述目标，本发明的仿真系统联合SDN与虚拟网络切片技术，从上至下包括应用层、切片层、控制层和数据层，各层的功能组成如下：

1)应用层，应用层承载所要仿真的物理网络场景，对网络的节点、拓扑、链路关系进行处理，使用时间表-链路表-拓扑表-节点表四个表单完成物理网络特征提取，进而创建应用层仿真业务。

2)切片层，切片层利用虚拟网络切片技术，为仿真业务分配专属的仿真资源，并封装成业务切片，完成应用层物理网络到仿真网络的映射，在不改变系统整体架构情况下能仿真多种通信网络，同时支持不同类型网络的联合仿真，构成大规模融合网络。

3)控制层，控制层由SDN控制器以及控制器内封装的五个功能模块组成，控制器接收切片层通过北向接口传来的业务切片信息，调用内部功能模块下发流表给数据层SDN交换机实现对物理网络的仿真。其中，仿真过程控制模块是整个仿真系统控制接口，用户通过该接口实现对仿真系统的控制。

4)数据层，数据层作为整个架构的基础资源设施，由虚拟SDN交换机、虚拟仿真节点等运行于计算机中的虚拟资源和物理SDN交换机、物理仿真节点等实体硬件设备构成，虚拟节点与物理节点联合构成系统仿真节点，支持半实物仿真。

其中，上述各层的功能实现过程中，通过下述方式实现具体的配置。

仿真系统应用层面向用户对物理通信网络的仿真需求，将通信网络封装成应用层仿真业务，一个物理通信网络对应一个仿真业务，不同仿真业务逻辑上彼此独立，具体包涵以下三个步骤：

步骤一，物理网络场景构建，

针对用户所要仿真的目标物理网络(如空间信息网络、自组织网络、有线通信网等)，确定其网络类型、业务流量类型，网络中节点数量、拓扑连接、数据传输的路由、以及各节点间链路信道参数，构建包含节点、拓扑、链路的网络场景。

步骤三，物理网络特征提取。

在仿真网络环境下，与物理网络相似，每个仿真网络也由节点和链路组成，在本发明中将物理网络中的节点、拓扑和链路抽象成节点资源-网络拓扑-链路特性三个要素，进一步的加入上述三要素随时间变化的关系，使用时间表-节点表-拓扑表-链路表四个表单表征所仿真的物理网络，完成物理网络特征提取。

时间表对应仿真系统中的时间，拓扑表依据时间表记录物理网络拓扑随时间的变化，基于拓扑表实现通信网络拓扑仿真；链路表记录物理网络连通节点间的链路信道特性(带宽、时延、丢包率、误码率、时延抖动)随时间的变化，基于链路表实现通信网络链路仿真；节点表记录仿真物理网络节点资源、协议栈、路由策略，实现物理网络中多重异构通信节点归一化模拟仿真。

步骤三，物理网络仿真业务创建

应用层的仿真业务，指的是应用层根据用户对某一特定通信网络仿真需求设计的业务模型，将物理网络场景构建中的各项参数，以及网络特征提取出来的四个表单组合在一起，视为应用层的一个仿真业务，不同类型的物理通信网络仿真需求构成不同的业务。

仿真系统切片层基于网络切片技术,封装应用层仿真业务为业务切片，实现应用层物理网络到切片层仿真网络的映射，仿真切片根据仿真业务的相关需求，将物理网络资源池化，从而给用户提供弹性的网络资源，提高网络资源的利用率。

业务切片在不改变底层物理设备的前提下，在虚拟网络上实现通信系统各种业务和网络管理功能，从而通过控制层下发控制指令指导底层设备工作，更好地支持不同种类的通信网络在同一个系统下的仿真。不同网络场景仿真需求划分成多个切片，每个切片针对特定业务进行定制和优化。

切片层包括业务识别、切片创建、切片切换、切片编排、切片回收五个模块模块，涵盖仿真切片从创建、组合、回收的整个过程。

业务识别模块识别应用层传来的仿真业务，读取其中的时间表-拓扑表-链路表。切片创建模块依据业务识别结果，分配相应的仿真资源，将上层仿真业务数据封装成业务切片，一个仿真业务对应一个业务切片，如空间信息网络、自组织网络、无人机集群网络均可作为应用层的一个业务在该系统进行仿真，当需要对特定网络仿真时，调用相应业务切片即可。当用户有新的通信网络仿真需求，生成新的仿真业务时，切片切换模块实现原有切片到新的切片的切换，保证仿真业务变更时的连续性,在不改变底层物理设备的前提下，实现一个仿真系统对多种异构通信网络的仿真的支持。此外切片编排模块利用网络编排技术，对切片进行组合，共享不同切片中节点、拓扑与链路数据从而支持不同网络的融合仿真。当仿真完成，切片回收模块释放所申请的资源，仿真系统重置。

仿真系统控制层的具体功能模块包括：仿真过程控制、流量监控、拓扑下发与维护、链路质量控制、仿真数据处理，这些五个功能模块涵盖网络管理、分析、业务提供等。控制层SDN主控制器中的仿真过程控制模块，通过北向接口接收来自切片层的业务切片，获取切片所封装的应用层业务参数以及物理网络所对应的时间表-拓扑表-链路表-节点表，并存入控制层数据库，基于这些数据，仿真控制模块调用其余四个功能模块控制整个仿真系统工作，其中，时间表作用于仿真过程控制模块实现仿真流程可中断、可重启；拓扑表依据时间切片记录仿真过程中网络拓扑变化，作用于拓扑下发与维护模块实现对通信网络拓扑仿真；链路表记录节点间链路质量，作用于链路质量控制模块实现对通信网络链路仿真。控制器通过南向接口下发流表控制数据层交换机以及仿真节点，同时不断接收来自下层交换机以及各仿真节点返回的仿真信息，仿真数据处理模块处理数据并将分析结果递送至控制层数据库。其中仿真过程控制模块拥有最高优先级，控制应用层其他功能模块工作，其功能高度集成，实现仿真系统工作的开启、停止以及终止，是切片层与控制层交互接口。

数据层作为整个架构的基础资源设施，由虚拟SDN交换机、虚拟仿真节点等运行于计算机中的虚拟资源和物理SDN交换机、物理仿真节点等实体硬件设备构成，虚拟节点与物理节点联合构成系统仿真节点，支持半实物仿真。控制器根据不同链路的通断时间，下发流表控制仿真节点与交换机链路通断关系，实现拓扑模拟。数据层在仿真节点与SDN交换机组成链路上实现对大规模通信网络无线信道长时延，高误码率和频繁的链路通断变化的链路特性的模拟。

本发明对比现有技术，有益效果是：第一，本发明应用层使用时间表-拓扑表-链路表-节点表表征用户所要通信网络，并定义其数据结构，实现物理网络特征参数提取。第二，本发明切片层基于网络切片技术，将应用层多种不同的通信网络仿真业务封装成相应仿真切片，一个仿真业务对应一个仿真切片，实现一个架构仿真多种通信网络。用户可根据具体网络仿真需求，对仿真切片做灵活的编排管理，从而组合多个切片，实现不同类型通信网络联合仿真。第三，本发明控制层对SDN控制器所提供的功能进行细化，封装仿真过程控制、拓扑下发、链路控制、流量监控、等功能模块，实现网络拓扑模拟、链路模拟、以及对链路状况、业务流量的实时监控，克服了现有技术中控制器功能分散，缺少的模块化封装的问题，使得本发明在实现系统高度集成的同时，为切片层提供了仿真系统控制接口，使用户更好的从上层控制整个仿真系统的工作，提高系统的易用性。

附图说明

图1是本发明的整体架构图。

图2是本发明的表单设计图。

图3是本发明的切片层工作流程图。

图4是本发明的切片层编排组合切片示意图

图5是本发明的控制器功能模块的工作过程示意图。

图6是本发明的数据层结构图。

具体实施方式

使本发明的目的、优点更加清楚，下面将结合说明书附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

图1显示了基于SDN的大规模通信网络仿真系统整体架构，该仿真系统从上至下包括应用层、切片层、控制层、数据层，应用层承载所要仿真的大规模网络业务，切片层基于网络切片技术，将应用层的仿真业务封装成一个虚拟网络业务切片，进而通过北向接口调用控制层功能模块，对该切片所封装的物理网络进行仿真；控制层提供仿真过程控制、流量监控、拓扑下发与维护、链路质量控制、仿真数据处理等五个功能模块，涵盖仿真系统网络管理、分析、监控等。数据层作为整个架构的基础资源设施，由SDN交换机以及仿真节点组成，承载网络数据流。

一、应用层

步骤一，物理网络场景构建，

针对用户所要仿真的目标物理网络(如空间信息网络、自组织网络、有线通信网等)，确定其网络类型、业务流量类型，网络中节点数量、拓扑连接、数据传输的路由、以及各节点间链路信道参数，构建包含节点、拓扑、链路的网络场景。

步骤二，物理网络特征提取。

步骤一中确定所要仿真的物理网络场景以及网络参数，进而调用通用仿真软件(NS3、Matlab、STK等)，进行仿真数据收集，包括：①节点类型及其资源、路由协议、网络中传输业务种类；②随时间变化的网络拓扑；③节点间链路随时间变化的特性(带宽、时延、误码率等)，得到物理网络节点-拓扑-链路这三个特征参数。

进一步的使用时间表-拓扑表-链路表四个表单表征上述节点-拓扑-链路三要素，图2给出了本发明应用层时间表-节点表-拓扑表-链路表的数据结构，时间表将通信网络仿真时间依照用户设定的时隙分为多个时间切片并依据其数量进行编号；该时间片控制于其余三个表单的时间片，实现四个表单在仿真过程中的仿真时间同步。拓扑表记录当前时间片内网络节点总数量、当前时刻节点的邻居节点；拓扑将在节点与其邻居节点间建立，遍历一个时间片下所有节点组成一个当前时刻的全局拓扑连接图，进一步的读取下一个时间片形成第二个全局拓扑连接图实现拓扑切换，控制节点表内时间片的切换速度实现对网络拓扑变换速度的模拟，从而支持静态网络与拓扑高速变换网络仿真。链路表描述的是两个具有连接关系的节点间基本的带宽、时延、丢包率、误码率等链路质量特性。节点表记录仿真节点类型、网络协议栈、路由策略、节点资源等。

经过步骤二完成了物理网络节点-拓扑-链路三要素到时间表-拓扑表-链路表-节点表的处理，使用这四个表单完成物理网络特征参数的提取

步骤三：物理网络仿真业务创建

步骤一中物理网络场景构建中的各项参数，以及步骤二中提取出来的四个网络特征表单组合在一起，视为应用层的一个仿真业务，完成属于该物理网络仿真业务的创建。

为对应用层处理过程进行详细介绍，使用空间信息网络作一个具体的实施例，对应用层仿真业务创建过程做具体描述。

步骤1与步骤2、步骤3的物理网络以空间信息网络为一个仿真业务实例进行说明，说明了应用层如何完成网络特征参数的提取；尽管不同通信网络在具体仿真场景设计、仿真软件使用上存在差异，但其处理的基本步骤类似。

步骤1：物理网络场景构建，

确定空间信息网络基本参数特性，从上到下构建包含天基骨干传输网、星基链路、星地链路、空地链路、地面自组网以及终端用户在内的天空地信息网络传输数据流的仿真场景。

步骤2：物理网络特征提取。

网络仿真软件(如STK)接收上述设定网络参数，仿真过程对网络进行分析，包括：链路分析、覆盖分析、轨道预算、轨道机动、卫星间可见性、卫星与地面站可见性等分析。

处理STK软件输出结果，依据自定义时间切片长度对网络的节点特性，链路特性进行读取，输出卫星节点随时间变化的可见性、链路特性(拓扑变化、上下行带宽、时延、误码率)。

进一步的上述可见性与链路特性结果依据图2给出的表单数据结构进行处理

得到时间表-节点表-拓扑表-链路表四个表单。

步骤3：物理网络仿真业务创建

步骤一中物理网络场景构建中的各项参数，以及步骤二中提取出来的空间网络四个网络特征表单组合在一起，视为应用层的一个仿真业务，完成空间信息网络仿真业务的创建。

二、切片层

1)业务识别模块

业务识别模块，读取应用层的仿真业务，包括所要仿真的通信网络类型、网络中承载的业务流量类型，确定该业务所需仿真节点数量、节点资源类型、网络拓扑连接、各节点间链路特性参数，以及该仿真业务的时间表-链路表-拓扑表-节点表，该识别结果以及四个表单发送给切片创建模块。

2)切片创建模块

切片创建模块首先接收来自业务识别模块发来的请求信息并进行识别，根据业务识别结果，读取仿真业务的四个表单，利用网络虚拟化技术(NFV)将物理网络资源池化，再根据识别出来的仿真业务需求和当前网络资源使用情况，参照仿真系统资源池为其分配资源，完成切片创建。切片创建完成后拥有唯一的切片识别编号，实现仿真业务与仿真切片的一对一映射。创建完成的切片在操作和业务方面是独立的，并且可以具有自己的仿真通信网络场景、业务机制和网络配置。在不改变仿真系统整体软硬件架构基础上允许控制层与数据层的功能复用和资源共享。

3)切片切换模块

当系统要仿真新的通信网络时，首先调用回收模块，对当前切片资源进行回收，删除切片唯一识别号，仿真系统重置，回收网络资源，资源池更新，随之业务识别模块发现新的仿真业务需求，重复上述切片创建过程，创建新的仿真业务所对应的切片，实现原有切片到最新的网络场景所对应切片的切换。该切换机制避免原有切片对仿真系统的影响、使得仿真业务的切换不需手动完成，实现仿真系统对多个不同网络仿真业务的支持。

4)切片编排模块

基于网络切片编排和管理技术，不同网络场景中的时间表、链路表、拓扑表可在多个切片之间共享，其余网络功能则针对特定切片进行定制，多个切片内部时间表在保持时间同步的前提下，共享节点表-链路表-拓扑表，构建不同类别通信网络之间拓扑关系与链路关系，从而实现不同网络场景的融合仿真。

5)切片回收模块

当仿真完成或系统仿真新的网络场景进行切片切换时，切片回收模块，回收仿真切片所对应的虚拟网络资源，删除切片识别号，资源池更新，并通过北向接口下发命令给控制层，停止仿真系统工作，删除交换机流表及其端口连接关系，数据层传输的数据流清空、仿真系统重置。

参见图3，对本发明的应用层切片从创建、编排、回收的具体工作流程做进一步的描述，该过程中使用空间信息网络作为实施例。

步骤1：业务识别模块，识别出所要仿真网络的具体参数

业务识别模块识别应用层仿真业务，确定所仿真的物理网络类型，该业务所需仿真节点数量、节点资源类型，以及该仿真业务的时间表-链路表-拓扑表-节点表。

步骤2:发送切片创建申请信息

业务识别模块识别好应用层仿真业务信息后，向切片创建模块发送切片创建申请信息。

步骤3：创建网络切片

a)网络切片创建模块接收业务识别模块发送的切片创建申请信息，并从该申请信息中读取出创建切片所需的参数，并将这些参数封装在切片内。

所述切片创建参数包括：空间信息网络地面通信节点、空中卫星数量，网络中的硬件资源；以及记录网络拓扑-链路-节点关系的时间表-拓扑表-链路表-节点表。

b)利用网络虚拟化技术(NFV)将仿真系统网络资源组合成仿真资源池。

所述仿真系统资源池内资源包括，SDN控制器、SDN交换机数量、交换机端口数量、仿真节点数量、仿真节点通信、计算、存储能力、仿真系统服务器、仿真数据库。

c)进一步的，依据接收的仿真业务对网络资源需求和当前资源使用情况，在仿真系统资源池中为该切片分配相应仿真资源。

至此已经实现了所仿真的空间信息网络节点-拓扑-链路网络特性到仿真切片中时间表-拓扑表-链路表的存储，以及空间信息网络硬件资源到仿真切片中虚拟资源的转变，从而实现了应用层物理网络到仿真网络的映射。

d)切片创建模块对完成资源分配的仿真切片进行编号，为其分配唯一切片识别号，完成切片的创建。

进一步的，切片创建模块将已创建好的切片识别号发送给后续步骤中的切片切换、切片编排、切片回收模块。

切片识别号是唯一的，一个仿真业务对应一个切片识别号，当需要对该切片所封装的业务进行仿真时，依据该切片识别号，调用该仿真切片即可进行仿真。

在本步骤的实施例中给出的仿真业务是空间信息网络，如需对其他网络进行仿真(无人机集群网络、自组织网络等)，重复上述步骤1、步骤2、步骤3，创建对应的仿真切片，得到所对应的唯一切片识别号，即可实现一个仿真业务对应一个业务切片，当需对特定网络进行仿真时，通过该切片唯一切片识别编号，调用相对应的切片即可。

步骤4：切片下发仿真

当切片创建完成，需要对该切片所封装的仿真业务进行仿真时，调用北向接口，给控制层SDN控制器发送开始命令，开启仿真。

步骤5：切片回收

在下发仿真切片，完成该切片所对应的仿真业务的仿真后，系统需要进行仿真系统重置，同时切片回收模块完成对切片的回收。

切片回收模块通过北向接口发送终止命令给SDN控制器。

SDN控制器接收停止信号，删除网桥、交换机流表、交换机虚拟网络端口，断开仿真节点与交换机的连接关系，数据流清空、仿真系统重置。

上述仿真资源经过释放之后重新回到步骤3切片创建模块中的仿真资源池，参与下一次切片创建。

在下层完成资源回收之后，切片回收模块删除切片层中的仿真切片，删除该切片唯一识别号

步骤6：切片切换

当仿真系统需要仿真另一个仿真业务，需要调用切片切换模块完成从仿真切片的切换。

如前一个仿真业务空间信息网络，需要切换的最新仿真业务是无人机集群网络，切片切换模块首先调用步骤5切片回收模块对空间信息网络切片所分配的仿真资源进行回收。

切片回收模块完成切片回收，删除空间信息网络仿真切片所对应的切片识别编号，仿真系统重置，空间信息网络切片申请的资源回收，仿真资源池更新。

随之业务识别模块发现无人机集群网络仿真需求，重复步骤3中的切片创建过程，创建所对应的切片。为其分配新的切片识别编号，实现两个不同网络仿真业务的切换

步骤7：切片编排

当用户需要对两个不同的网络进行联合仿真，构成大规模融合网络仿真，需要调用切片编排模块，实现不同网络仿真切片联合仿真。

基于网络切片编排和管理技术，多个切片中的时间表、链路表、拓扑表可共享。

其余网络功能则针对特定切片进行定制，多个切片内部时间表在保持时间同步的前提下，共享节点表-链路表-拓扑表，构建不同类别通信网络之间拓扑关系与链路关系，从而实现不同网络场景的融合仿真。

如图4,给出了两个切片编排实现不同网络联合仿真的实施例。

①如在垂直维度上，空基、天基、地基三个区域的网络联合组网构成了天空地一体化网络。用户为实现对该网络的仿真，首先在应用层创建卫星空间信息网络、空中无人机集群网络、地面自组织网络三个仿真业务，业务识别模块识别了，并分别为其创建仿真切片，这三个原本独立的仿真切片通过编排之后组合在一起，支持联合仿真，从而组成的天空地一体化网络，

②如在水平维度上，不同区域的自组网络联合组网构成分级跨域的自组织网络。用户为实现对该网络的仿真，首先在应用层创建多个不同区域的自组网网络仿真业务，业务模块识别这些仿真业务，并分别为其创建了仿真切片，这些切片经过编排之后联合仿真，组成子网融合的分级跨域自组织网络。

三、控制层

如图5所示，基于模块化设计思想，控制层利用仿真切片所包含的四个表单实现拓扑下发与维护、链路控制、仿真过程控制、实时流量监控、仿真数据处理等五个功能模块，其中仿真过程控制模块拥有最高优先级，控制应用层其他功能模块工作，其功能高度集成，实现仿真系统工作的开启、停止以及终止，是切片层与控制层交互接口。

为对控制层仿真过程实施细节进行描述，这里使用一个无人机集群网络仿真业务作为实施例，一个无人机对应一个仿真节点，从而对控制层的细节进行描述：

控制层接收切片层切片下发的无人机集群网络参数以及对应的四个表单，并存入数据库，基于这些数据，仿真过程控制模块调用其余四个功能模块控制整个仿真系统工作。

其中，时间表划分了时间片，如1s-2s-3s-4s-5s这样的时间步进长度，控制器内部维护了一个定时器，依据时间表中的数据控制仿真时间，每隔一秒下发一次流表更新仿真系统状态。用户如需停止该仿真，停止读取时间表，仿真时间停止在当前时间片，仿真过程控制模块进而阻塞在当前状态，停止仿真系统工作，实现仿真流程可中断、可重启。

拓扑表依据时间片记录仿真过程中无人机集群网络拓扑随时间变化，即每台无人机与其他无人机的连接关系，拓扑下发与维护模块从数据库中读取出拓扑表，依据该表数据下发流表，控制仿真节点间的连通关系，实现拓扑表记录的每台无人机的连接关系，进而对无人机集群网络拓扑进行仿真。

链路表依据时间片记录仿真过程中两架具有连接关系无人机之间链路参数随时间的变化(无人机之间的链路带宽、时延、误码率、丢包率等)，链路质量控制模块从数据库中读取出链路表，下发Meter Band或者使用TC(Traffic Control)控制策略，控制仿真节点之间的链路带宽、时延、误码率、丢包率与链路表中记录的无人机链路参数相同，实现对无人机集群网络中链路的仿真。

1)仿真过程控制模块

仿真开始阶段，切片层调用仿真控制模块，其在内部维护一个定时器，依据仿真切片传来的时间表控制仿真系统时间，依次读取时间表数据，并通过时间表与链路表、拓扑表中时间属性的关联性调用拓扑下发模块、链路模拟模块，开启网络仿真。仿真开始后，控制模块下发命令给底层交换机开启流量监控功能、同时开启仿真系统数据库，使得数据处理模块开始仿真数据写入。过程控制模块在控制层模块中拥有最高优先级，当其监听到切片层发来的停止命令，停止读取时间表单并发送信号停止阻塞应用层其他服务，系统仿真时间停止在时间表的当前时刻。当用户继续仿真执行，过程控制服务发送继续信号停止仿真系统阻塞等待状态，读取下一个时间表内下一个数据继续仿真执行。

2)拓扑下发与维护模块：

不同于传统SDN网络拓扑从下至上，网络节点间运行LLDP链路发现协议并发送拓扑信息递交控制器，控制器通过北向接口发送拓扑信息给应用层拓扑处理服务。该网络仿真系统实现的是SDN架构对空间网络、自组织网络、传感器网络等的拓扑仿真，仿真逻辑从上至下。

拓扑表实现网络拓扑：控制器接收拓扑表数据，向所属交换机下发流表，通过流表将当前节点编号赋值给流表中的in_port,邻居节点编号赋值给流表中actions＝output,实现节点与邻居节点通信链路连通，遍历该时间片的所有节点，使得网络中所有节点与其邻居节点的连通，实现网络拓扑仿真。进一步的控制交换机端口数据流的方向与通断，实现网络拓扑切换。

三、链路控制模块

链路表实现链路仿真：链路控制模块根据链路表使用流量控制技术来设置链路的丢包、时延和误码率等链路特性，实现网络链路特性的仿真。针对网络拓扑与链路变化程度不同设定Meter Band与TC(Traffic Control)两种控制策略。

面向拓扑关系变化不大，链路质量核心影响因素是带宽的网络，SDN控制器依据链路表设定一个或者多个Meter Band的Meter表项，每个Meter Band定义了速率以及动作，若SDN交换机中数据流的速率超过了某些Meter Band，根据这些Meter Band中速率最大的那个定义的动作进行处理。计数器帮助控制器收集有关网络的统计信息，将一个包与每个端口的队列相关联，然后计量表可以根据它接收数据包的速率执行操作从而实现对网络中的数据流带宽模拟。

面向时延，高误码率和频繁的链路通断变化的链路特性的网络，Meter Band难以保证以较高精准度完成对链路特性的控制，在仿真节点的网卡上，使用TC流量控制技术读取链路表来对每条链路的丢包和时延等链路特性进行模拟。提前通过TC设置不同的队列和模拟规则，并将队列和规则进行分类标号；该标记与TC队列中分类和标号对应；当数据包到达时，匹配TC中的队列和规则；最终实现对每条链路的带宽、丢包、时延、误码率、时延抖动等链路特性的模拟。

四、实时流量监控模块

仿真系统的实时流量监控采用s-Flow系统，包括若干s-Flow Agent(内嵌于交换机或者路由器等转发设备)以及一个核心的s-Flow Collector。

S-Flow Agent在底层监控交换机，通过定时器定时向交换机设备获取相关网络信息，监控网络流量和网络状态。获取网络载荷中的IP地址、目的或源端口号、数据包头部或数据流的任何字节模式识别来自不同通信节点的数据流。

S-Flow Collector接收Agent发送的底层设备已转发数据流，从而检测端口吞吐量、传输速率、发送时间、业务数据流,并可进一步的调用前端界面，以图形化的统计信息汇总或者以报表的形式输出仿真节点实时流量信息与网络状态。

五、仿真数据处理模块

仿真过程中网络的数据来源主要有控制数据流和业务数据流。所有数据流均通过交换机进行传递，数据处理服务接收上述数据并经过预处理后存储在数据库内。仿真结束后该服务读取数据库，依据数据包发送时间、数据包大小、上一跳与下一跳节点等信息计算数据包的误码、时延、抖动等通信链路参数并进行统计分析，评估仿真系统结果的真实性和有效性。

四、数据层

作为整个系统的基础资源设施，数据层主要由虚拟交换机、虚拟仿真节点等运行于计算机中的虚拟设备和物理交换机、物理仿真节点等硬件物理实体资源构成。如图6所示，节点依据节点表配置不同的属性(节点类别、路由协议、链路特性)，安装对应协议栈(如自组网路由协议BATAM/AODV/OLSR/DSV等)，实现大规模网络仿真中节点异构。基于虚拟化技术实现仿真系统中虚拟仿真节点的计算、存储、通信资源融合与批量化集群部署，支撑了仿真系统规模的可扩展性，提供了大规模网络仿真的解决方案。

基于SDN架构的仿真系统在利用网络切片技术封装上层业务场景的基础上，同时也使得仿真节点拥有极高的实现自由度，可采用多种不同方式实现数据层仿真节点，虚拟节点基于虚拟化技术，可以是Docker容器、KVM虚拟机、QEMU虚拟机、Mininet仿真器节点等，上述虚拟节点通过所对应的OVS交换机接入SDN网络架构中；实物节点可以是通信计算机、服务器、射频通信设备通过实际物理交换机接入网络。进一步的，虚拟交换机与实物交换机互相连接使得虚拟节点与物理节点构成通信网络，支持半实物仿真。

以上对本发明所提供的一种业务驱动的大规模网络仿真方法与系统，进行了详细介绍，旨在提供一种仿真业务驱动、可扩展性强、控制平面与数据平面解耦、面向大规模通信网络的仿真系统设计。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种业务驱动的大规模网络仿真系统，其特征是，面向用户对多种大规模通信网络的仿真业务需求，在不改变仿真系统底层硬件设施情况下，实现业务驱动下的多种异构通信网络仿真，并集成了仿真控制接口，其特征是，仿真系统联合SDN与虚拟网络切片技术，仿真系统从上至下包括应用层、切片层、控制层和数据层，各层的组成如下：

1)应用层，应用层承载所要仿真的物理网络场景，对网络的节点、拓扑、链路关系进行处理，使用时间表-链路表-拓扑表-节点表四个表单完成物理网络特征提取，进而创建应用层的仿真业务；

2)切片层，切片层利用虚拟网络切片技术，为上述仿真业务分配专属的仿真资源，并封装成业务切片，完成应用层物理网络到仿真网络的映射，在不改变系统整体架构情况下能仿真多种通信网络，同时支持不同类型网络的联合仿真，构成大规模融合网络；

3)控制层，控制层由SDN控制器以及控制器内封装的五个功能模块组成，控制器接收切片层通过北向接口传来的业务切片信息，调用内部功能模块下发流表给数据层SDN交换机实现对物理网络的仿真；其中，仿真过程控制模块是整个仿真系统控制接口，用户通过该接口实现对仿真系统的控制；

4)数据层，数据层作为整个系统架构的基础资源设施，由虚拟SDN交换机、虚拟仿真节点等运行于计算机中的虚拟资源和物理SDN交换机、物理仿真节点等实体硬件设备构成，虚拟节点与物理节点联合构成系统仿真节点，支持半实物仿真；

其中，上述各层的功能实现过程中，通过下述方式实现具体的配置；

仿真系统应用层面向用户对物理通信网络的仿真需求，将通信网络封装成应用层仿真业务，一个物理通信网络对应一个仿真业务，不同仿真业务逻辑上彼此独立，具体包涵以下三个步骤：

步骤一，物理网络场景构建，针对用户所要仿真的目标物理网络(如空间信息网络、自组织网络、有线通信网等)，确定其网络类型、业务流量类型，网络中节点数量、拓扑连接、数据传输的路由、以及各节点间链路信道参数，构建包含节点、拓扑、链路的网络场景；

步骤二，物理网络特征提取，在仿真网络环境下，与物理网络相似，每个仿真网络也由节点和链路组成，将物理网络中的节点、拓扑和链路抽象成节点资源-网络拓扑-链路特性三个要素，进一步的加入上述三要素随时间变化的关系，使用时间表-节点表-拓扑表-链路表四个表单表征所仿真的物理网络，完成物理网络特征提取；

时间表对应仿真系统中的时间，拓扑表依据时间表记录物理网络拓扑随时间的变化，基于拓扑表实现通信网络拓扑仿真；链路表记录物理网络连通节点间的链路信道特性(带宽、时延、丢包率、误码率、时延抖动)随时间的变化，基于链路表实现通信网络链路仿真；节点表记录仿真物理网络节点资源、协议栈、路由策略，实现物理网络中多重异构通信节点归一化模拟仿真；

步骤三，物理网络仿真业务创建，应用层的仿真业务，指的是应用层根据用户对某一特定通信网络仿真需求设计的业务模型，将物理网络场景构建中的各项参数，以及网络特征提取出来的四个表单组合在一起，视为应用层的一个仿真业务，不同类型的物理通信网络仿真需求构成不同的业务。

2.根据权利要求1所述的业务驱动的大规模网络仿真系统，其特征是，

仿真系统切片层基于网络切片技术,封装应用层仿真业务为业务切片，实现应用层物理网络到切片层仿真网络的映射，仿真切片根据仿真业务的相关需求，将物理网络资源池化，从而给用户提供弹性的网络资源，提高网络资源的利用率；

业务切片在不改变底层物理设备的前提下，在虚拟网络上实现通信系统各种业务和网络管理功能，从而通过控制层下发控制指令指导底层设备工作，更好地支持不同种类的通信网络在同一个系统下的仿真；不同网络场景仿真需求划分成多个切片，每个切片针对特定业务进行定制和优化；

切片层包括业务识别、切片创建、切片切换、切片编排、切片回收五个模块模块，涵盖仿真切片从创建、组合、回收的整个过程；

业务识别模块识别应用层传来的仿真业务，读取其中的时间表-拓扑表-链路表；切片创建模块依据业务识别结果，分配相应的仿真资源，将上层仿真业务数据封装成业务切片，一个仿真业务对应一个业务切片，如空间信息网络、自组织网络、无人机集群网络均可作为应用层的一个业务在该系统进行仿真，当需要对特定网络仿真时，调用相应业务切片即可；当用户有新的通信网络仿真需求，生成新的仿真业务时，切片切换模块实现原有切片到新的切片的切换，保证仿真业务变更时的连续性,在不改变底层物理设备的前提下，实现一个仿真系统对多种异构通信网络的仿真的支持；此外切片编排模块利用网络编排技术，对切片进行组合，共享不同切片中节点、拓扑与链路数据从而支持不同网络的融合仿真；当仿真完成，切片回收模块释放所申请的资源，仿真系统重置。

3.根据权利要求1所述的业务驱动的大规模网络仿真系统，其特征是，

仿真系统控制层的具体功能模块包括：仿真过程控制、流量监控、拓扑下发与维护、链路质量控制、仿真数据处理，这些五个功能模块涵盖网络管理、分析、业务提供等；控制层SDN主控制器中的仿真过程控制模块，通过北向接口接收来自切片层的业务切片，获取切片所封装的应用层业务参数以及物理网络所对应的时间表-拓扑表-链路表-节点表，并存入控制层数据库，基于这些数据，仿真控制模块调用其余四个功能模块控制整个仿真系统工作，其中，时间表作用于仿真过程控制模块实现仿真流程可中断、可重启；拓扑表依据时间切片记录仿真过程中网络拓扑变化，作用于拓扑下发与维护模块实现对通信网络拓扑仿真；链路表记录节点间链路质量，作用于链路质量控制模块实现对通信网络链路仿真；控制器通过南向接口下发流表控制数据层交换机以及仿真节点，同时不断接收来自下层交换机以及各仿真节点返回的仿真信息，仿真数据处理模块处理数据并将分析结果递送至控制层数据库；其中仿真过程控制模块拥有最高优先级，控制应用层其他功能模块工作，其功能高度集成，实现仿真系统工作的开启、停止以及终止，是切片层与控制层交互接口。

4.根据权利要求1所述的业务驱动的大规模网络仿真系统，其特征是，数据层作为整个架构的基础资源设施，由虚拟SDN交换机、虚拟仿真节点等运行于计算机中的虚拟资源和物理SDN交换机、物理仿真节点等实体硬件设备构成，虚拟节点与物理节点联合构成系统仿真节点，支持半实物仿真；控制器根据不同链路的通断时间，下发流表控制仿真节点与交换机链路通断关系，实现拓扑模拟；数据层在仿真节点与SDN交换机组成链路上实现对大规模通信网络无线信道长时延，高误码率和频繁的链路通断变化的链路特性的模拟。

5.根据权利要求1-4之一所述的业务驱动的大规模网络仿真方法，其特征是，

步骤1：业务识别模块识别出所要仿真网络的具体参数

业务识别模块识别应用层仿真业务，确定所仿真的物理网络类型，该业务所需仿真节点数量、节点资源类型，以及该仿真业务的时间表-链路表-拓扑表-节点表；

步骤2:发送切片创建申请信息

业务识别模块识别好应用层仿真业务信息后，向切片创建模块发送切片创建申请信息；

步骤3：创建网络切片

a)网络切片创建模块接收业务识别模块发送的切片创建申请信息，并从该申请信息中读取出创建切片所需的参数，并将这些参数封装在切片内；

所述切片创建参数包括：空间信息网络地面通信节点、空中卫星数量，网络中的硬件资源；以及记录网络拓扑-链路-节点关系的时间表-拓扑表-链路表-节点表；

b)利用网络虚拟化技术将仿真系统网络资源组合成仿真资源池；

所述仿真系统资源池内资源包括，SDN控制器、SDN交换机数量、交换机端口数量、仿真节点数量、仿真节点通信、计算、存储能力；

c)依据接收的仿真业务对网络资源需求和当前资源使用情况，在仿真系统资源池中为该切片分配相应仿真资源；

至此已经实现所仿真的空间信息网络节点-拓扑-链路网络特性到仿真切片中时间表-拓扑表-链路表的存储，以及空间信息网络硬件资源到仿真切片中虚拟资源的转变，从而实现了应用层物理网络到仿真网络的映射；

d)切片创建模块为完成资源分配的仿真切片进行编号，为其分配唯一切片识别号，完成切片的创建；

切片创建模块将已创建好的切片识别号发送给后续步骤中的切片切换、切片编排、切片回收模块；

步骤4：切片下发仿真

当切片创建完成，需要对该切片所封装的仿真业务进行仿真时，调用北向接口，给控制层SDN控制器发送开始命令，开启仿真；

步骤5：切片回收

在下发仿真切片，完成该切片所对应的仿真业务的仿真后，系统需要进行仿真系统重置，同时切片回收模块完成对切片的回收；

切片回收模块通过北向接口发送终止命令给SDN控制器；

SDN控制器接收停止信号，删除交换机流表、交换机虚拟网络端口、网桥，断开仿真节点与交换机的连接关系，数据流清空、仿真系统重置；

上述仿真资源经过释放之后重新回到步骤3切片创建模块中的仿真资源池，参与下一次切片创建；

在下层完成资源回收之后，切片回收模块删除切片层中的仿真切片，删除该切片唯一识别号。

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