CN113507405B - 一种基于虚拟资源池的虚拟网络节点快速构建方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于虚拟实例资源池的网络节点快速复现方法，属于信息网络仿真/孪生技术领域。本发明针对于目标网络中不同种类的网络节点，预先在虚拟资源池中创建相应实例，并为每种虚拟实例设置门限值，各类门限值会根据对应资源消耗速率进行动态调整。在网络节点复现过程中，直接从资源池中调用已创建好的虚拟实例即可，当虚拟实例数量消耗到对应门限值之下时，系统将创建新的虚拟实例来补充虚拟资源池，直至补充至门限值或门限值之上。采用这种方法，既可以有效地提高虚拟资源池中的资源使用率，又可以尽可能地满足网络节点复现对于虚拟资源的需求，解决大规模网络节点复现所需时间过长的问题。

Description

一种基于虚拟资源池的虚拟网络节点快速构建方法

技术领域

本发明属于信息网络孪生和仿真技术领域，特别是涉及一种基于虚拟资源池的虚拟网络节点快速构建方法。

背景技术

网络仿真和孪生是当前信息网络领域研究热点。基于网络仿真(emulation)路线，采用虚拟实例(包括基于传统主机虚拟化技术的虚拟机或基于轻量级虚拟化技术的容器)对目标网络节点实现仿真或孪生复现，具有逼真度高，灵活可扩展、支持上层协议及应用程序直接部署等优势。然而，无论是创建基于传统主机虚拟化技术的虚拟机或创建基于轻量级虚拟化技术的容器，均会引入一定时间延迟。在对大规模目标网络进行仿真或孪生的过程中，如需以上述方法虚拟复现大量的目标网络节点，则需要消耗大量时间，其时间长度与待复现的网络节点数量正相关。

在针对大规模网络的仿真或孪生复现过程中，为减小网络仿真和网络孪生所需消耗在创建虚拟网络节点过程中的时间，为网络仿真或孪生任务，预先创建数量恰当的虚拟实例具有重要的意义。网络仿真或孪生任务可直接利用已创建的虚拟实例复现仿真或孪生节点，从而节省总体时间。

发明内容

针对现有节点虚拟复现技术存在的消耗时间长的特点，本发明提供一种基于虚拟实例资源池的虚拟网络节点快速虚拟复现方法，以达到快速生成虚拟网络节点、构建孪生和仿真网络拓扑的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于虚拟资源池的虚拟网络节点快速虚拟复现方法，包括以下步骤：

步骤1：目标网络中存在n类不同节点，针对上述n类节点，在网络孪生/仿真系统启动时刻，分别创建(c₁,…,c_n)虚拟实例，形成虚拟实例资源池；

步骤2：“网络孪生/仿真系统”在接收到网络节点复现命令后，直接从已构建的虚拟资源池中调用已创建好的虚拟实例，复现目标网络节点，以节省创建节点的时间；

步骤3：设置虚拟实例资源池中n类资源的创建门限值(T₁,…,T_n)，各类资源的门限值T_i在网络复现过程中可依据资源(虚拟实例)消耗速率动态调整，设其初始值为(T₁₀,…,T_n0)；

步骤4：在网络虚拟复现过程中，随着网络节点的不断创建，虚拟实例资源池中的资源数量逐渐减少，当其中一类资源的数量c_i小于其相对应的门限值T_i时，会触发系统对资源池中该类资源的补充，即开始新创建该类虚拟实例，并将其加入虚拟资源池中，资源数量c_i会增加。每次补充新的虚拟实例到虚拟资源池后，均会将资源池中现有资源数量c_i与其门限值T_i进行比较，若c_i<T_i，系统会继续补充该类资源，以此类推，直到c_i≥T_i，即停止资源补充。

进一步的，所述步骤3中各类资源门限值T_i变化的具体方法为：假设系统创建n种不同类型节点速率是(V₁,…,V_n)，系统能够记录最近时间段D内，消耗的某类资源数量u_i，计算出该类资源的消耗速率：

v_i＝u_i/D (1)

系统每消耗一个虚拟实例，就计算一次该类资源的消耗速率v_i，并将v_i与虚拟资源池生成该类资源的速率V_i进行比较：若v_i＜V_i，就将该类资源的门限值T_i降低；若v_i＝V_i，就保持该类资源的门限值T_i不变；若v_i＞V_i，就将该类资源的门限值T_i提高；其中T_i的最小值为1，最大值为NT_i0，NT_i0小于虚拟资源池能够承载该类资源的最大数目。

本发明的有益效果：本发明体现了虚拟实例资源池缩短大规模网络节点复现所用时间的功能。针对于目标网络中不同种类的网络节点，预先在虚拟资源池中创建相应实例，并为资源池中每种虚拟实例设置门限值。在网络节点复现过程中，直接从已构建的虚拟资源池中调用已创建好的虚拟实例，复现目标网络节点，以节省创建节点的时间，当虚拟实例数量降低到门限值之下时，虚拟资源池即开始创建新的虚拟实例来进行补充，直至恢复至门限值。同时，各类资源的门限值也会依据资源的使用速率进行动态调整，当资源使用速率大于创建速率时，提高对应资源门限值；当资源使用速率等于创建速率时，保持对应资源门限值不变；当资源使用速率小于创建速率时，降低对应资源门限值，采用这种方法，既可以有效地提高虚拟资源池中的资源使用率，又可以尽可能地满足网络节点复现对于虚拟资源的需求，解决大规模网络节点复现所需时间过长的问题。

附图说明

图1为本发明的网络节点快速复现方法流程图；

图2为仿真实验中网络孪生/仿真系统调用虚拟实例复现目标网络节点的用户行为模型示意图；

图3为仿真实验中虚拟实例资源池中门限值的变化情况示意图；

图4为仿真实验中虚拟实例资源池中资源数量的变化情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种基于虚拟实例资源池的网络节点快速复现方法，具体步骤如下：

步骤一：创建虚拟实例，形成虚拟资源池

在系统启动时刻，针对于目标网络中存在的n类不同节点(比如交换机节点、路由器节点、服务器节点、终端节点等)，对应地分别创建(c₁,…,c_n)虚拟实例，形成虚拟实例资源池。

步骤二：“网络孪生/仿真系统”调用虚拟实例复现目标网络节点

“网络复现系统”在接收到网络节点复现命令后，首先根据目标网络的网段创建相应的网络，然后依据所需复现的目标节点类型，调用已构建的虚拟资源池中已创建好的虚拟实例，并将虚拟实例的网口挂载到相对应的网络上，然后用TC命令或者其他方式对于虚拟实例网口的带宽、时延、丢包率等关键配置信息进行设置，完成对于目标网络节点的复现。

步骤三：设置虚拟实例资源池中n类资源的创建门限值

为虚拟实例资源池中n类资源设置创建门限值(T₁,…,T_n)，设置其初始门限值是(T₁₀,…,T_n0)，然后在网络复现过程中，门限值根据资源使用的速率进行动态调整。系统记录最近时间段D内，复现目标网络所消耗的n类虚拟实例的数量(u₁,…,u_n)，根据公式

v_i＝u_i/D (1)

可以得出n类虚拟实例的消耗速率(v₁,…,v_n)，将资源的消耗速率与系统创建n类节点速率(V₁,…,V_n)进行比较：若v_i＜V_i，说明网络复现过程中对于该类资源消耗速率较慢，故将该类资源的门限值T_i减1；若v_i＝V_i，说明网络复现过程中该类资源消耗速率与系统生成速率保持持平，故保持该类资源的门限值T_i不变；若v_i＞V_i，说明网络复现过程中对于该类资源消耗速率较快，故将该类资源的门限值T_i加1。系统每消耗一个虚拟实例，就重复该过程，直至T_i减为1或者T_i升至NT_i0(NT_i0需小于虚拟资源池能够承载该类资源的最大数目)。

步骤四：依据对应门限值T_i补充虚拟实例资源池中资源数量c_i

在网络复现的过程中，资源池中n类资源门限值(T₁,…,T_n)动态变化，与此同时，系统会周期性地比较资源池中的剩余资源数量(c₁,…,c_n)和门限值(T₁,…,T_n)，当检测到某一类资源数量c_i小于其对应的门限值T_i时，系统会触发对于资源池中该类资源数量c_i的补充，开始创建新的该类资源的虚拟实例，由于门限值在动态变化，故每创建一个新的虚拟实例，就与当前该类资源门限值T_i进行比较，若当前c_i<T_i，则会继续进行资源补充，然后重复这一过程，直至将资源数量c_i补充至T_i或T_i之上，然后继续对资源池中的剩余资源数量(c₁,…,c_n)和门限值(T₁,…,T_n)进行周期性地比较，并重复这一过程。

实施例

本节将验证本发明所提快速复现方法的性能。大规模网络的仿真或孪生复现环境存在节点数量多和环境复杂等特点，在这里要验证本发明快速复现方法性能，可以通过提取大规模网络的仿真或孪生复现过程中的参数，构建数学模型运用计算机编程仿真测试来进行对比。在模拟实验中，用本发明所提的快速复现方法对具有10000节点规模的网络进行复现，得到所消耗的时间，并与常规复现方法进行比较。

步骤一所述的创建虚拟实例，形成虚拟资源池，具体过程如下：

在系统启动时刻，针对于目标网络中存在的一类节点，设置资源池中该资源数目为100，用来仿真在虚拟实例资源池中创建了100个该类实例；根据实际操作中的情况，设置复现系统平均消耗单个资源所需时间为10秒，资源池平均创建单个资源所需时间为15秒，常规复现方式中平均复现单个资源所需时间为25秒。

步骤二所述的“网络孪生/仿真系统”调用虚拟实例复现目标网络节点，具体过程如下：

创建线程A用来仿真网络孪生/仿真系统调用虚拟实例复现目标网络节点的用户行为模型(由图2中示出)，在网络复现过程中，当虚拟实例资源池中资源数目不为零时，网络孪生/仿真系统会调用虚拟实例来复现目标网络节点，所消耗时间为15秒，即线程A睡眠15秒，并使虚拟实例资源池中资源数目减1；当虚拟实例资源池中资源数目为零时，网络孪生/仿真系统会按照常规方式创建并调用虚拟实例来复现目标网络节点，所消耗时间为25秒，即线程A睡眠25秒。

步骤三所述设置虚拟实例资源池中n类资源的创建门限值，具体过程如下：

设置步骤一中资源在虚拟实例资源池中的创建门限值为30，最高门限值为60，最低门限值为1。在线程A中记录最近所消耗的10个虚拟实例花费的时间D，根据公式：

v_i＝u_i/D (1)

得出该类虚拟实例的消耗速率v，由步骤一中所设置的资源池平均创建单个资源所需时间得出该类虚拟实例的平均创建速率V，在每次网络孪生/仿真系统调用虚拟实例之后，将v与V进行比较，若v＜V且门限值大于1时，将门限值减1；若v＝V，保持门限值不变；若v＞V且门限值小于60时，将门限值加1。图3所示的是网络复现过程中门限值的变化情况。

步骤四所述的依据对应门限值T_i补充虚拟实例资源池中资源数量c_i，具体过程如下：

创建线程B来仿真在网络复现过程中依据动态门限值，虚拟实例资源池中资源数量的变化情况。线程B会不断地将资源池中剩余资源数量与门限值进行比较，当检测到剩余资源数量小于门限值时，就会触发对于资源池中资源数量的补充，使得资源池中资源数量加1，并消耗10秒，即线程B睡眠10秒。图4所示的是网络复现过程中虚拟实例资源池中资源数量的变化情况。

记录网络孪生/仿真系统复现该1000节点规模的网络所需时间为14975秒。在常规网络复现方式下，在网络孪生/仿真系统调用虚拟实例复现目标网络节点的用户行为模型相同且所复现网络相同的情况下，所消耗时间至少为25000秒，比较可得，本发明能够有效降低了网络复现所花费的时间。

Claims (2)

1.一种基于虚拟资源池的虚拟网络节点虚拟复现方法，包括以下步骤：

步骤1：目标网络中存在n类不同节点，针对上述n类不同节点，在网络孪生/仿真系统启动时刻，分别创建(c₁,…,c_n)虚拟实例，形成虚拟实例资源池；

步骤2：“网络孪生/仿真系统”在接收到网络节点复现命令后，直接从已构建的虚拟资源池中调用已创建好的虚拟实例，复现目标网络节点，以节省创建节点的时间；

步骤3：设置虚拟实例资源池中n类资源的创建门限值(T₁,…,T_n)，各类资源的门限值T_i在网络复现过程中依据资源消耗速率动态调整，设其初始值为(T₁₀,…,T_n0)；

步骤4：在网络虚拟复现过程中，随着网络节点的不断创建，虚拟实例资源池中的资源数量逐渐减少，当其中一类资源的数量c_i小于其相对应的门限值T_i时，会触发系统对资源池中该类资源的补充，即开始新创建该类资源对应的虚拟实例，并将其加入虚拟资源池中，资源数量c_i会增加；每次补充新的虚拟实例到虚拟资源池后，均会将资源池中现有资源数量c_i与其门限值T_i进行比较，若c_i<T_i，系统会继续补充该类资源，以此类推，直到c_i≥T_i，即停止资源补充。

2.如权利要求1所述的一种基于虚拟资源池的虚拟网络节点虚拟复现方法，其特征在于，所述步骤3中各类资源门限值T_i变化的具体方法为：假设系统创建n种不同类型节点速率是(V₁,…,V_n)，系统能够记录最近时间段D内，消耗的某类资源数量u_i，计算出该类资源的消耗速率：

v_i＝u_i/D (1)

系统每消耗一个虚拟实例，就计算一次该类资源的消耗速率v_i，并将v_i与虚拟资源池生成该类资源的速率V_i进行比较：若v_i＜V_i，就将该类资源的门限值T_i降低；若v_i＝V_i，就保持该类资源的门限值T_i不变；若v_i＞V_i，就将该类资源的门限值T_i提高；其中T_i的最小值为1，最大值为NT_i0，NT_i0小于虚拟资源池能够承载该类资源的最大数目。

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