CN113965470A - 一种航空信息网络实验仿真系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航空信息网络实验仿真系统，该仿真系统包括SDN控制器、OPNET网络仿真服务器以及飞行模拟平台，其中，所述SDN控制器基于南向接口通过Openflow协议与飞行模型平台进行信息交互，且通过半实物仿真接口与OPNET网络仿真服务器进行交互流配置信息，交互流表配置信息，并获取转发流表的链路的状态信息；所述飞行模型平台通过半实物仿真接口实现与OPNET网络仿真平台双向数据交互。本发明提出的一种航空信息网络实验仿真系统可实现航空平台的灵活配置和高效管理，能够面向未来多样化作战任务，提供满足任务需求的差异化服务，从而保证航空平台作战效能的充分发挥。

Description

一种航空信息网络实验仿真系统
技术领域
本发明属于信息通信技术领域，具体涉及一种航空信息网络实验仿真系统。
背景技术
航空领域作为体系化全域作战的重要组成部分，正逐渐从一种战术力量转变为战略力量。长期以来，世界各主要军事强国一直致力于航空平台性能的发展以相互制衡。然而，我国当前航空平台发展水平与航空强国还存在一定差距，短时间内难以快速弥补，迫切需要以一种“不对称”思维加以应对。以新兴信息技术为支撑，灵活整合现有多样化的航空作战资源，形成航空体系作战能力，是满足未来复杂战场环境下高强度空中对抗需求的有效途径。因此，针对航空领域作战特点，构建满足作战任务需求的空间信息支援体系是达成空域系统对抗、体系制胜的关键。航空平台作为空间信息网络的重要组成部分，对于推动远程作战中信息支援保障体系的构建，提升以信息资源为导向的空战能力，实现对战场信息资源的互联互通与综合应用具有重要作用。
随着航空网络规模不断扩大，应用需求愈发多样，作战环境愈加复杂，现有航空信息网络逐渐暴露出系列问题：一是航空信息网络性能与特定网络技术标准、战场资源及具体任务紧耦合，网络的配置过程复杂且僵化，仅能较好满足已知任务背景下模式固定且通信特征较为明确的信息交互需求，难以为复杂战场环境下航空平台成员间的灵巧作战协同提供较好的通信支撑；二是数据链电台、信息管理器等现有航空网络设备均采用封闭式设计，缺乏开放接口，且内部集成了大量复杂协议，技术标准多样，不同类型、型号网络设备间的互操作性较差，难以实现航空平台成员间灵活透明的信息共享，并造成现有航空信息网络的改进升级难度很大；三是在复杂战场环境下，协同探测、协同跟踪、云攻击等全新作战模式的应用需要航空信息网络能够传输多元化信息并满足多样化QoS(Quality ofService)需求。但现有航空信息网络的通信服务能力与作战任务的通信需求不具备灵活的耦合关系，导致网络中存在大量的冗余信息与资源浪费，使得有限的通信资源难以较好地满足多样化的通信需求。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种航空信息网络实验仿真系统，能够应对复杂多变网络，实现航空信息网络灵活高效网络配置的仿真系统。
本发明采用的技术方案是：
一种航空信息网络实验仿真系统，该仿真系统包括SDN控制器、OPNET网络仿真服务器以及飞行模拟平台，其中，
所述SDN控制器基于南向接口通过Openflow协议与飞行模型平台进行信息交互，且通过半实物仿真接口与OPNET网络仿真服务器进行交互流配置信息，交互流表配置信息，并获取转发流表的链路的状态信息；所述飞行模型平台通过半实物仿真接口实现与OPNET网络仿真平台双向数据交互，所述OPNET网络仿真平台用于建立虚拟交换机网络以及构建半实物仿真网关。
优选的，还包括虚拟SDN交互机，所述虚拟SDN交互机用于实现OPNET网络仿真服务器所构建虚拟网络中不同物理机以及同一物理机所运行不同虚拟机间通信。
优选的，
所述虚拟交换机网络包括虚拟SDN交互机和物理机，所述虚拟SDN交互机包括路由转发表，利用路由转发表实现不同物理机以及同一物理机所运行不同虚拟SDN交互机间通信；
所述虚拟SDN交换机还包括消息分类处理模块，所述消息分类处理模块用于实现对不同类型和优先级消息的差异化处理，包括网络管控消息和战术消息的区分处理、不同类型和优先级战术消息的区分处理以及不同类型和优先级网络管控消息的区别处理。
优选的，所述虚拟SDN交换机与物理机间增设网络管控消息缓冲阵列，可按类型和优先级对队列数量进行扩展，以实现区分消息类型与优先级进行传输，将待发送的网络管控消息缓存在物理机上，待处理的网络管控消息缓存在虚拟SDN交换机。。
优选的，所述OPNET网络仿真服务器通过设计各物理机的物理层、链路层、网络层、传输层和应用层构建物理机，所述物理层采用TDMA的工作方式，用于不同类型物理机基于所划分不同时隙进行通信；所述链路层用于建立各物理机间通信链路；所述网络层用于在虚拟网络中寻找和建立路由；所述传输层采用UDP协议，用于在应用层和网络层之间传递数据包；所述应用层用于实现平台功能，其包括产生探测数据包并向隐形目标发射、接收点迹数据包，解析点迹信息，统计包延时和包送达率。
优选的，所述半实物仿真网关有两种且分别实现SDN控制器与虚拟SDN交换机之间的数据交互以及外部虚拟机间的数据交互。
优选的，SDN控制器采用LLDP作为链路发现协议，则SDN控制器对虚拟SDN交互机进行链路发现的过程如下：
(1)SDN控制器首先下发处理LLDP消息的流表，指示虚拟SDN交换机收到LLDP的消息后，通过Packet-In消息发送给SDN控制器；
(2)SDN控制器通过Packet-Out消息向所有与之连接的虚拟SDN交换机发送LLDP数据包，该消息命令交换机将LLDP数据包发送给所有端口；
(3)一旦虚拟SDN交换机接收到Packet-Out消息，便把LLDP数据包通过其所有的端口发送给与之连接的设备；
(4)如果其邻居虚拟SDN交换机为Openflow交换机，则该交换机将自行对照相应流表查找操作，交换机根据之前获得的流表,通过Packet-In消息将数据包发送给SDN控制器；
(5)SDN控制器在收到Packet-In消息后，会对数据包进行分析，包括通过解析LLDP数据包，得到链路的源交换机和源接口，通过收到的Packet-in消息知道目的交换机并在其保存的链路发现表中创建2台虚拟SDN交换机之间的链接记录。
优选的，所述虚拟SDN交换机包括物理层、MAC层以及SDN_SWITCH层，其中，在物理层采用有线收发信机，所述MAC层采用TDMA技术实现MAC层复用。
优选的，所述虚拟SDN交换机包含4个有线接口和4个无线接口。
本发明的有益效果：本发明提出的一种航空信息网络实验仿真系统可实现航空平台的灵活配置和高效管理，能够面向未来多样化作战任务，提供满足任务需求的差异化服务，从而保证航空平台作战效能的充分发挥。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明的一种航空信息网络仿真系统结构示意图；
图2所示为本发明的一种航空信息网络仿真系统网络控制技术的结构示意图；
图3所示为虚拟SDN交换机改进示意图。
其中，1、SDN控制器；2、虚拟SDN交换机；3、OPNET网络仿真服务器；4、飞行模拟平台。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，本发明具体提供了一种航空信息网络实验仿真系统，该仿真系统包括SDN控制器、OPNET网络仿真服务器以及飞行模拟平台。
其中，所述SDN控制器1采用OpenDaylight架构，基于南向接口通过Openflow协议与飞行模型平台4进行信息交互。且通过半实物仿真接口与OPNET网络仿真服务器3进行交互流配置信息，交互流表配置信息，并获取转发流表的链路的状态信息。此外，SDN控制器1具有获取并显示航空信息网络拓扑信息的功能。
所述虚拟SDN交换机2用于实现OPNET网络仿真服务器3所构建虚拟网络中不同物理机以及同一物理机所运行不同虚拟机间通信。
所述OPNET网络仿真服务器3作为仿真系统核心组成，发挥建立虚拟交换机网络以及构建两种半实物仿真接口的作用；所述虚拟交换机网络包括虚拟SDN交互机和物理机，所述虚拟SDN交互机包括路由转发表，利用路由转发表实现不同物理机以及同一物理机所运行不同虚拟SDN交互机间通信。所述虚拟SDN交换机还包括消息分类处理模块，所述消息分类处理模块用于实现对不同类型和优先级消息的差异化处理，包括网络管控消息和战术消息的区分处理、不同类型和优先级战术消息的区分处理以及不同类型和优先级网络管控消息的区别处理。
所述虚拟SDN交换机与物理机间增设网络管控消息缓冲阵列，可按类型和优先级对队列数量进行扩展，以实现区分消息类型与优先级进行传输，将待发送的网络管控消息缓存在物理机上，待处理的网络管控消息缓存在虚拟SDN交换机。
所述OPNET网络仿真服务器通过设计各物理机的物理层、链路层、网络层、传输层和应用层构建物理机，所述物理层采用TDMA的工作方式，用于不同类型物理机基于所划分不同时隙进行通信；所述链路层用于建立各物理机间通信链路；所述网络层用于在虚拟网络中寻找和建立路由；所述传输层采用UDP协议，用于在应用层和网络层之间传递数据包；所述应用层用于实现平台功能，其包括产生探测数据包并向隐形目标发射、接收点迹数据包，解析点迹信息，统计包延时和包送达率。
两种半实物仿真接口分别实现SDN控制器1与虚拟SDN交换机2之间的数据交互以及外部虚拟机间的数据交互。数据交互必须通过OPNET网络仿真服务器3的半实物仿真接口进行内外映射。
飞行模型平台4通过在物理机上启动多个虚拟机的方式模拟航空信息网络的数据、话音、图像等真实业务源。各虚拟机通过半实物仿真接口接入OPNET仿真网络的不同虚拟SDN交换机2。飞行模型平台4通过半实物仿真接口实现与OPNET网络仿真服务器3双向数据交互。所有的通信传输行为必须经过OPNET进行模拟后才能传递给OPNET虚拟节点映射的外部节点。同一物理机运行的FVM之间也需要通过虚拟SDN交换机2进行连接。
参见图2所示，在本实施例中，一种航空信息网络实验仿真系统网络控制技术包括链路发现、拓扑管理、故障发现和链路删除。
(一)链路发现技术
链路发现技术是获得网络全网信息的关键，是实现网络地址学习、VLAN、路由转发等网络功能的基础。与传统网络中链路发现由各网元自主进行不同，航空信息网络中的链路发现工作由SDN网络控制器统一完成。
SDN控制器主要使用了LLDP(Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议)作为链路发现协议，该协议提供了一种标准的链路发现方式，可将本端设备的主要能力、管理地址、设备标识、接口标识等信息组织成不同的TLV(Type/Length/Value,类型/长度/值)，并封装在LLDPDU(Link Layer Discovery Protocol Date Unit，链路层发现协议数据单元)中发送直连邻居，邻居收到信息后将其以标准MIB(Management Information Base，管理信息库)的形式保存，以供网络管理系统查询机判断链路的通信状况。
封装有LLDPDU的报文称为LLDP报文,报文中包含了特定的组播、目的MAC地址，以及特定的以太网类型，已将LLDP数据包与其他MAC数据帧区分。对于OpenFlow交换机而言，其上基于流表项匹配进行转发的机制并不能直接处理常规的LLDP操作，因此相关的工作必须由控制器完成。控制器对SDN网络进行链路发现的过程如下：
(1)SDN控制器首先下发处理LLDP消息的流表，指示虚拟SDN交换机收到LLDP的消息后，通过Packet-In消息发送给SDN控制器；
(2)SDN控制器通过Packet-Out消息向所有与之连接的虚拟SDN交换机发送LLDP数据包，该消息命令交换机将LLDP数据包发送给所有端口；
(3)一旦虚拟SDN交换机接收到Packet-Out消息，便把LLDP数据包通过其所有的端口发送给与之连接的设备；
(4)如果其邻居虚拟SDN交换机为Openflow交换机，则该交换机将自行对照相应流表查找操作，首先根据数据分组的类型按照优先级高低依次匹配该流表中的流表项，主要参考分组头的字段例如源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址、目的IP地址等进行匹配。如果匹配成功，则按照指令集里的动作更新动作集，或更新数据分组/匹配集字段，或更新元数据和计数器。根据指令是否继续前往下一个流表，不继续则终止匹配流程执行动作集，如果指令要求继续前往下一个流表则继续匹配。当数据分组匹配失败，如果存在无匹配流表项就按照该表项执行指令，即交换机根据之前获得的流表,通过Packet-In消息将数据包发送给SDN控制器；
(5)SDN控制器在收到Packet-In消息后，会对数据包进行分析，包括通过解析LLDP数据包，得到链路的源交换机，源接口，通过收到的Packet-in消息知道目的交换机并在其保存的链路发现表中创建2台虚拟SDN交换机之间的链接记录。
航空信息网络中其他交换机均采用相同的方式向控制器发送Packet-In消息，因此控制器就能够创建完整的网络拓扑视图，基于全局视图，控制器可以根据业务应用的流量需求，为每台交换机推送下发不同的流表项。
(二)拓扑管理技术
拓扑管理技术旨在随时监控和采集网络中SDN交换机的信息，及时反馈网络的设备工作状态和链路链接状态。基于此目标，控制器需要定时发送LLDP数据包的Packet-Out消息给与其相连的SDN交换机并根据反馈回来的Packet-In消息获知交换机信息，在监测交换机工作状态的同时完成网络拓扑视图的更新。
(三)故障发现技术
仿真系统中故障发现技术通过LLDP实现，控制器会定时发送LLDP消息来探测网络中已有链路和新链路。两个节点之间的链路建立之后，会存在过期时间，控制器每次收到LLDP消息探测出的链路后，会更新这个链路的过期时间。而当由于链路失效或者网络阻塞，到达过期时间仍然没有收到对应的LLDP回包时，控制器中的链路管理模块便会将该链路移除。
(四)链路删除技术
链路删除技术基于LLDPLinkAger实现，LLDPLinkAger通过设定变量(LLDP_INTERVAL和LLDP_EXPIRATION_TIME)分别控制LLDP的发送间隔和链路的过期时间。LLDP_INTERVAL表示在设定数值时间内使用LLDP包进行一次链路探测。而超过LLDP_EXPIRATION_TIME数值后，判定航空信息网络中链路中断，将这条链路在链路管理器中删除。此时网络控制器会认为链路已经失效，进而重新进行路径计算和流表下发。本发明的实验系统中通过减小LLDP的发送间隔以及LLDP的过期时间，将链路的恢复时间对应降低。如，可以将LLDP_INTERVAL的值设为300，而LLDP_EXPIRATION_TIME的值设为900，即每0.3秒发送一次LLDP探测，0.9秒未收到更新数据则认为链路断开，则网络的理论故障恢复时间应该在1秒之内。
在本实施例中，对虚拟交换机进行改进，修改有线SDN交换机使其支持无线环境，主要分为4步，首先在物理层使用无线收发机代替有线收发信机，然后再MAC层采用TDMA技术实现MAC层复用，第三就是在SDN_SWITCH层增加移动性管理功能，最后是扩展OpenFlow消息格式。具体如图3所示。SDN交换机包含4个有线接口和4个无线接口，无线接口使用TDMA技术。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，该仿真系统包括SDN控制器、OPNET网络仿真服务器以及飞行模拟平台，其中，
所述SDN控制器基于南向接口通过Openflow协议与飞行模型平台进行信息交互，且通过半实物仿真接口与OPNET网络仿真服务器进行交互流配置信息，交互流表配置信息，并获取转发流表的链路的状态信息；所述飞行模型平台通过半实物仿真接口实现与OPNET网络仿真平台双向数据交互，所述OPNET网络仿真平台用于建立虚拟交换机网络以及构建半实物仿真网关。
2.根据权利要求1所述的一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，所述虚拟交换机网络包括虚拟SDN交互机和物理机，所述虚拟SDN交互机包括路由转发表，利用路由转发表实现不同物理机以及同一物理机所运行不同虚拟SDN交互机间通信；
所述虚拟SDN交换机还包括消息分类处理模块，所述消息分类处理模块用于实现对不同类型和优先级消息的差异化处理，包括网络管控消息和战术消息的区分处理、不同类型和优先级战术消息的区分处理以及不同类型和优先级网络管控消息的区别处理。
3.根据权利要求2所述的一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，所述虚拟SDN交换机与物理机间增设网络管控消息缓冲阵列，可按类型和优先级对队列数量进行扩展，以实现区分消息类型与优先级进行传输，将待发送的网络管控消息缓存在物理机上，待处理的网络管控消息缓存在虚拟SDN交换机。
4.根据权利要求2所述的一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，所述OPNET网络仿真服务器通过设计各物理机的物理层、链路层、网络层、传输层和应用层构建物理机，所述物理层采用TDMA的工作方式，用于不同类型物理机基于所划分不同时隙进行通信；所述链路层用于建立各物理机间通信链路；所述网络层用于在虚拟网络中寻找和建立路由；所述传输层采用UDP协议，用于在应用层和网络层之间传递数据包；所述应用层用于实现平台功能，其包括产生探测数据包并向隐形目标发射、接收点迹数据包，解析点迹信息，统计包延时和包送达率。
5.根据权利要求2所述的一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，所述半实物仿真网关有两种且分别实现SDN控制器与虚拟SDN交换机之间的数据交互以及外部虚拟机间的数据交互。
6.根据权利要求5所述的一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，SDN控制器采用LLDP作为链路发现协议，则SDN控制器对虚拟SDN交互机进行链路发现的过程如下：
(1)SDN控制器首先下发处理LLDP消息的流表，指示虚拟SDN交换机收到LLDP的消息后，通过Packet-In消息发送给SDN控制器；
(2)SDN控制器通过Packet-Out消息向所有与之连接的虚拟SDN交换机发送LLDP数据包，该消息命令交换机将LLDP数据包发送给所有端口；
(3)一旦虚拟SDN交换机接收到Packet-Out消息，便把LLDP数据包通过其所有的端口发送给与之连接的设备；
(4)若其邻居虚拟SDN交换机为Openflow交换机，则该交换机将自行对照相应流表查找操作，交换机根据之前获得的流表，通过Packet-In消息将数据包发送给SDN控制器；
(5)SDN控制器在收到Packet-In消息后，会对数据包进行分析，包括通过解析LLDP数据包，得到链路的源交换机和源接口，通过收到的Packet-in消息知道目的交换机并在其保存的链路发现表中创建2台虚拟SDN交换机之间的链接记录。
7.根据权利要求6所述的一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，所述虚拟SDN交换机包括物理层、MAC层以及SDN_SWITCH层，其中，在物理层采用有线收发信机，所述MAC层采用TDMA技术实现MAC层复用。
8.根据权利要求7所述的一种航空信息网络实验仿真系统，其特征在于，所述虚拟SDN交换机包含4个有线接口和4个无线接口。
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