CN113608887B - 一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法 - Google Patents

一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法，包括步骤：S1、数字孪生虚实网络节点使用MQTT消息客户端和消息服务器进行数据收发；S2、将主题数据按照主题逻辑结构分类扩展为细分主题数据；S3、为每个主题创建内存池分配内存空间构建多路数据传输通道；S4、设计动态内存块适配算法自适应调节主题数据内存空间需求；S5、通过数据多路分发将主题数据并行写入数据传输通道；S6、通过数据多路推送将主题数据并行读出并推送至订阅网络节点等；本发明有效解决物理网络节点和虚拟网络节点之间双向数据交互问题，有效解决物理网络节点数据和虚拟网络节点数据高效交换问题。

Description

一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法
技术领域
本发明涉及数字孪生领域，更为具体的，涉及一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法。
背景技术
数字孪生技术实现物理空间在数字空间的镜像。目前，国内数字孪生技术的应用主要集中在智慧城市、智能制造领域，将数字孪生技术用于网络靶场被测试网络构建属于创新性举措。
2019年“基于平行仿真的大规模网络靶场构建技术及应用”项目荣获北京市科学技术奖一等奖，仿真技术构建的模型是基于概率统计和离散事件驱动的静态模型，然而现实世界是动态多变的，仿真技术难以自适应这种多变性。
数字孪生技术通过将现实物理世界的数据加载到数字空间的数字智能体上实现物理世界的真实数字复现。数据在物理空间和数字空间的实时交互是其中的关键技术之一。目前，未见有与本发明相关的论文发表或专利公开。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法，有效解决物理网络节点和虚拟网络节点之间双向数据交互问题，有效解决物理网络节点数据和虚拟网络节点数据高效交换问题等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法，包括步骤：
S1，基于定义的主题逻辑结构和数据载荷结构，数字孪生虚实网络节点使用MQTT消息客户端与消息服务器进行数据收发交互；
S2，消息服务器将接收到的主题数据按照步骤S1定义的主题逻辑结构和数据载荷结构分类扩展为细分主题和细分主题数据；
S3，在步骤S2中完成主题数据分类扩展后，内存池管理控制器按照主题数据的分类为每个细分主题创建内存池，分配内存空间，且在分配内存空间读写数据完成后释放内存，从而构建多路数据传输通道；
S4，利用动态内存块适配算法自适应调节细分主题数据的内存空间需求；
S5，通过数据多路分发将细分主题数据并行写入各自数据传输通道；
S6，通过数据多路推送将细分主题数据并行读出并推送至订阅网络节点。
进一步地，在步骤S1中，所述主题逻辑结构包括：
Figure SMS_1
进一步地，在步骤S4中，所述动态内存块适配算法用于实时动态监测网络各类型节点数据，周期性正态分布评估，从而确定主题数据所需的内存块大小作为向系统申请内存的依据。
进一步地，在步骤S4中，当所述动态内存块适配算法用于动态内存块大小适配时，选择μ+2σ作为确定内存块大小的基准，其中，μ代表正态分布的均值，σ代表正态分布的标准差。
进一步地，在步骤S4中，当所述动态内存块适配算法用于动态内存块释放时，包括如下步骤：
S41，设置内存块监测周期BTn；
S42，内存池管理控制器扫描内存块最近一次使用时间距离当前时间，时间间隔超过BTn((current_time)-(block_last_use_time)≥BTn)的内存块，内存池执行释放操作；
S43，计算并监测内存池中内存块在BTn周期内的使用率的均值，内存块使用率低于平均水平时，内存池执行释放操作；
其中，采用如下公式计算内存块使用率：
Figure SMS_2
式中：block_use_rate[minute][i]为BTn监测周期内某分钟某个内存块使用率， avg(total_block_use_rate)为BTn监测周期全部内存块平均使用率，BTn为监测周期，n,k,minute,BTn为正整数；
S44，系统将释放的内存块进行回收。
进一步地，在步骤S5中，当存在工作线程时直接由工作线程将细分主题数据写入内存，当没有工作线程时则从线程池中调取空闲线程执行细分主题数据写入任务。
进一步地，在步骤S6中，所述订阅网络节点包括物理网络节点和虚拟网络节点。
进一步地，在步骤S6中的内存读数据线程和在步骤S5中的内存写数据线程相互独立异步工作
本发明的有益效果包括：
本发明基于物联网MQTT协议和多路数据并行传输技术提出一种虚实网络数据高效实时同步的技术解决方案。一方面，采用基于物联网MQTT协议的轻量级数据收发技术，构建虚实网络节点间数据传输桥梁，有效解决物理网络节点和虚拟网络节点之间双向数据交互问题；另一方面，采用基于动态内存适配的多路并行数据传输技术，构建基于内存高速读写和多线程高并发的多路数据分发和多路数据推送，有效解决物理网络节点数据和虚拟网络节点数据高效交换问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的数字孪生虚实网络信息实时交互方法流程图；
图2为本发明实施例中的数字孪生虚实网络信息实时交互系统总体架构图；
图3为本发明实施例中的基于MQTT的虚实网络节点数据收发逻辑结构图；
图4为本发明实施例中的MQTT协议payload主题数据格式示例图；
图5为本发明实施例中的主题数据分类扩展示例图；
图6为本发明实施例中的基于内存池的多路数据传输通道示意图；
图7为本发明实施例中的主题数据大小覆盖率示意图；
图8为本发明实施例中的基于多线程并发的多路数据分发示意图；
图9为本发明实施例中的基于多线程并发的多路数据推送示意图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
本领域人员共同追求的技术目标，即虚拟网络准确及时复现物理网络，物理网络准确及时接受虚拟网络控制，网络规模结构、拓扑状态、协议应用、行为规则、业务流量、控制指令和策略调整等大量数据应能低时延低开销在物理网络和虚拟网络之间高效同步。针对该目标，本发明实施例提供如下方案，适用于如图2所示的数字虚实网络信息实时交互通道，包括以下过程：
步骤1，基于定义的主题逻辑结构和数据载荷结构，数字孪生虚实网络节点使用MQTT消息客户端与消息服务器进行数据收发交互；
具体的，在步骤1中，根据MQTT协议规范消息客户端实现连接管理、数据上报、主题订阅功能，消息服务器实现连接管理、数据接收和数据推送功能。消息客户端部署至物理网络和虚拟网络中的各类型网络节点上或者数据汇聚服务器上，消息服务器部署至独立的设备上。
物理网络节点和虚拟网络节点首先通过消息客户端与消息服务器建立连接，物理/虚拟网络节点通过消息客户端将数据上报至消息服务器，消息服务器将数据推送至订阅主题(需要该数据)的目标虚拟/物理网络节点，如图3基于MQTT的虚实网络节点数据收发逻辑结构图所示。数据收发完成或连接超时后断开连接。
网络节点上报数据按照MQTT协议规范将“topic主题+数据载荷”封装为payload主题数据(如图4所示)，网络节点通过订阅“topic主题”接收消息服务器推送的主题数据。根据物理网络和虚拟网络数据分类情况，定义topic主题逻辑结构(见表2所示)，数据载荷结构(见表3所示)。 Topic主题逻辑结构设计如下：
表1主题逻辑结构
Figure SMS_3
Topic主题示例如下：
“/物理网络/300300300”
“/物理网络/300300300/工作状态”
“/虚拟网络/800800800/控制指令”
数据载荷采用Json格式，结构设计如下：
表2数据载荷结构
Figure SMS_4
数据载荷示例如下：
表3数据载荷示例
Figure SMS_5
Figure SMS_6
步骤2，消息服务器将接收到的主题数据按照步骤S1定义的主题逻辑结构和数据载荷结构分类扩展为细分主题和细分主题数据；
具体的，消息服务器收到物理网络或者虚拟网络节点上报的数据后，将主题数据按照步骤1定义的主题逻辑结构和数据载荷结构进一步分类扩展为细分主题和细分主题数据，如图5所示。
步骤3，在步骤S2中完成主题数据分类扩展后，内存池管理控制器按照主题数据的分类为每个细分主题创建内存池，分配内存空间，且在分配内存空间读写数据完成后释放内存，从而构建多路数据传输通道；
具体的，主题数据分类扩展后，内存池管理控制器按照细分主题分类为每个细分主题创建内存池，一个细分主题一个内存池，经动态内存块适配算法计算确定细分主题数据所需内存空间容量后分配内存，如图6所示，细分主题数据分配的内存空间读写数据，数据读写完成后释放内存。
数据不断写入内存池，不断从内存池中读出，内存池成为逻辑上的数据传输通道。当存在多个网络节点产生多个主题时内存池控制器也相应创建多个内存池分配内存空间，形成逻辑上的多路数据传输通道。
步骤4，利用动态内存块适配算法自适应调节细分主题数据的内存空间需求；
具体的，在本发明实施例中，设计一种动态内存块适配算法，使用该算法能够自适应调节主题数据对内存空间的需求，包括内存块适配和内存块释放。动态内存块适配算法基本思路是实时动态监测网络各类型节点数据，周期性正态分布评估，根据算法确定主题数据所需的内存块大小作为向系统申请内存的依据。以下对算法进行概要描述。
设置监测周期T，计算周期T内主题数据尺寸的正态分布(Normal Distribution，又名高斯分布)，根据正态分布模型，主题数据尺寸的均值μ加上2个标准差σ能够覆盖97.75％(95.5％+均值左侧2.25％)的主题数据尺寸范围，因此选择“μ+2σ”作为确定内存块大小的基准。如图7所示。
(1)动态内存块大小适配
①设置主题数据采样周期Tn(按照主题数据类型不同差异化周期)，采集Tn周期主题数据，计算主题数据尺寸。
②按照正态分布公式计算Tn周期主题数据尺寸的均值μ和标准差σ。
③按照内存块能够覆盖绝大部分主题数据尺寸范围的原则，选择均值μ加上2个标准差σ，即“μ+2σ”，达到覆盖97.75％(95.5％+左侧2.25％) 主题数据尺寸范围。
正态分布公式：
Figure SMS_7
公式描述：公式中μ为均值，σ为标准差，f(x)为正态分布函数。
④Tn周期(n＝1)：
内存块大小以2的N次幂计算，“μ+2σ”不等于2的N次幂时，向上取2的N次幂。
内存块大小公式：
Figure SMS_8
公式描述：公式中μ为正态分布均值，σ为正态分布标准差，m,k为正整数，mem_block_size为内存块大小。
(示例：μ+2σ＝5M，向上取2的N次幂，值22+20符合需求。)
⑤Tn周期(n>1)：
·如果Tn周期的(μ+2σ)≤mem_block_size，内存块大小保持不变。
·如果Tn周期的(μ+2σ)≥mem_block_size，重新计算 mem_block_size。
·更新mem_block_size的值。
⑥内存池控制器向系统申请内存块，内存块大小为mem_block_size。
(2)动态内存块释放
网络靶场基于数字孪生构建被测虚拟网络，从实时系统的分类看属于“软实时”系统，即数据时效性强可以允许丢包。
①设置内存块监测周期BTn。
②内存池管理控制扫描内存块最近一次使用时间距离当前时间，时间间隔超过BTn((current_time)-(block_last_use_time)≥BTn)的内存块，内存池执行释放操作。
③监测内存池中内存块在BTn周期内的使用率均值，内存块使用率低于平均水平的，内存池执行释放操作。
内存块使用率公式：
Figure SMS_9
公式描述：block_use_rate[minute][i]为BTn监测周期内某分钟某个内存块使用率，avg(total_block_use_rate)为BTn监测周期全部内存块平均使用率，BTn为监测周期，n,k,minute,BTn为正整数。
④系统将释放的内存块进行回收。
步骤5，通过数据多路分发将细分主题数据并行写入各自数据传输通道；
具体的，主题数据多路分发将分类扩展的主题数据并行写入主题数据所属内存池(数据传输通道)中，当存在工作线程时直接由工作线程将数据写入内存，如果没有则从线程池中调取空闲线程执行内存数据写入任务，如图8所示。
步骤6，通过数据多路推送将细分主题数据并行读出并推送至订阅网络节点。
具体的，数据多路推送同样利用多线程并行读取内存池中的数据，然后将数据推送至订阅网络节点(订阅网络节点既可能是物理网络节点，也可能是虚拟网络节点)，如图9所示。内存读数据线程和内存写数据线程相互独立异步工作。
本发明特别适用于基于数字孪生的网络靶场物理网络和虚拟网络信息实时交互场景。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器 (Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (4)

1.一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法，其特征在于，包括步骤：
S1，基于定义的主题逻辑结构和数据载荷结构，数字孪生虚实网络节点使用MQTT消息客户端与消息服务器进行数据收发交互；在步骤S1中，所述主题逻辑结构包括：
Figure FDA0004246439520000011
S2，消息服务器将接收到的主题数据按照步骤S1定义的主题逻辑结构和数据载荷结构分类扩展为细分主题和细分主题数据；
S3，在步骤S2中完成主题数据分类扩展后，内存池管理控制器按照主题数据的分类为每个细分主题创建内存池，分配内存空间，且在分配内存空间读写数据完成后释放内存，从而构建多路数据传输通道；
S4，利用动态内存块适配算法自适应调节细分主题数据的内存空间需求；在步骤S4中，所述动态内存块适配算法用于实时动态监测网络各类型节点数据，周期性正态分布评估，从而确定主题数据所需的内存块大小作为向系统申请内存的依据；
在步骤S4中，当所述动态内存块适配算法用于动态内存块大小适配时，选择μ+2σ作为确定内存块大小的基准，其中，μ代表正态分布的均值，σ代表正态分布的标准差；
在步骤S4中，当所述动态内存块适配算法用于动态内存块释放时，包括如下步骤：
S41，设置内存块监测周期BTn；
S42，内存池管理控制器扫描内存块最近一次使用时间距离当前时间，时间间隔超过BTn((current_time)-(block_last_use_time)≥BTn)的内存块，内存池执行释放操作；
S43，计算并监测内存池中内存块在BTn周期内的使用率的均值，内存块使用率低于平均水平时，内存池执行释放操作；
其中，采用如下公式计算内存块使用率：
Figure FDA0004246439520000021
式中：block_use_rate[minute][i]为BTn监测周期内某分钟某个内存块使用率，avg(total_block_use_rate)为BTn监测周期全部内存块平均使用率，BTn为监测周期，n,k,minute,BTn为正整数；
S44，系统将释放的内存块进行回收；
S5，通过数据多路分发将细分主题数据并行写入各自数据传输通道；
S6，通过数据多路推送将细分主题数据并行读出并推送至订阅网络节点；
动态内存块大小适配：
①设置主题数据采样周期Tn，采集Tn周期主题数据，计算主题数据尺寸；
②按照正态分布公式计算Tn周期主题数据尺寸的均值μ和标准差σ；
③按照内存块能够覆盖绝大部分主题数据尺寸范围的原则，选择均值μ加上2个标准差σ，即“μ+2σ”，达到覆盖97.75％主题数据尺寸范围；
正态分布公式：
Figure FDA0004246439520000031
公式描述：公式中μ为均值，σ为标准差，f(x)为正态分布函数；
④Tn周期，n＝1：
内存块大小以2的N次幂计算，“μ+2σ”不等于2的N次幂时，向上取2的N次幂；
内存块大小公式：
Figure FDA0004246439520000032
公式描述：公式中μ为正态分布均值，σ为正态分布标准差，m,k为正整数，mem_block_size为内存块大小；
⑤Tn周期，n＞1：
如果Tn周期的(μ+2σ)≤mem_block_size，内存块大小保持不变；
如果Tn周期的(μ+2σ)≥me_bmlo_scik，重新计算me_bmlo_scik；
更新mem_block_size的值；
⑥内存池控制器向系统申请内存块，内存块大小为mem_block_size。
2.根据权利要求1所述的一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法，其特征在于，在步骤S5中，当存在工作线程时直接由工作线程将细分主题数据写入内存，当没有工作线程时则从线程池中调取空闲线程执行细分主题数据写入任务。
3.根据权利要求1所述的一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法，其特征在于，在步骤S6中，所述订阅网络节点包括物理网络节点和虚拟网络节点。
4.根据权利要求1所述的一种数字孪生虚实网络信息实时交互方法，其特征在于，在步骤S6中的内存读数据线程和在步骤S5中的内存写数据线程相互独立异步工作。
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