基于NS—3的核電DCS網絡仿真框架

孫永勝 賀珊珊 王維

摘 要 核電DCS的網絡通信性能是系統整體性能的重要制約因素，V&V;組織需要對其進行必要的驗證。而傳統的方法只有在搭建了具體的儀控網絡環境后，才能通過測試獲得數據。本文提出了從V&V;設計審查的角度，根據儀控系統的早期設計，通過網絡仿真的方法，發現設計中潛在問題的驗證策略。為了實現該策略，設計了基于NS-3的核電DCS網絡仿真框架。

【關鍵詞】DCS 網絡仿真 V&V; 核電

核電站DCS與火電類似系統相比，具有點數多，通信量大，對控制站的站間通信以及操縱員站與數據服務器之間的網絡通信有較高要求的特點。網絡通信性能，直接關系到系統的整體性能，V&V;作為產品研發過程和工程實施過程的技術審查者和需求驗證者，需要從獨立的角度對DCS的設計是否滿足系統的需求規格，以及儀控系統實例是否滿足業主的工程需要給以客觀評價。

1 在V&V;活動中引入網絡仿真技術的意義

1.1 核電儀控系統的固有技術難點

核電DCS較為突出的特點是現場采集點數多，網絡通信負荷重，其中一個重要性能瓶頸便在于網絡數據通信。很典型的例子，在某些核電項目上，采用國外的儀控設備所搭建的工程項目，由于站間通信的性能瓶頸，只能在工程設計上采用大量的硬接線方式作為妥協。這不僅給現場施工和后期維護帶來了難度，也在一定程度上影響了系統的可靠性。

1.2 傳統網絡驗證方法的缺陷

針對DCS網絡設計的驗證，傳統的方法是搭建具體的DCS環境，對網絡性能在真實系統上進行測試。這一方法存在如下的缺點：

（1）暴露問題晚，驗證依賴于系統的實現，難以在早期設計階段發現問題。

（2）驗證成本較高，完整的驗證依賴于整套儀控環境的搭建，這一點在通常情況下難以在出廠前做到，而作為妥協，多數只能在僅僅搭建少部分設備的條件下進行部分規模的驗證。

（3）驗證的內容缺乏靈活性，在真實儀控設備上，難以在任意的時間，產生任意種類的設備故障，測試用例的設計受到了客觀條件的限制，難以進行拓展。

1.3 引入網絡仿真的可行性

現代網絡技術的發展，已經為網絡通信的研究提供了新的手段，可以在不具備真實網絡環境的條件下，對網絡的工作狀態進行分析或模擬，這也就給V&V;工作提供了新的驗證手段。V&V;在系統設計階段，根據系統設計，構建仿真網絡環境，通過仿真算法獲得網絡性能數據。這樣，有利于在DCS研發生命周期的更早階段發現重大設計問題，對比不同設計方案的特點，為系統的設計提供改進依據。

2 網絡仿真技術簡介

2.1 網絡通信的主要研究方法

網絡通信的主要研究方法如下：

理論計算：在協議層面對系統進行研究分析，抽象出數學模型，利用數學模型對問題進行求解。常用的方式是采用協議分析、狀態機、集合論及概率模型等理論工具對網絡進行分析。該方法的建模難度較高，只能給出范圍性估算數據，無法給出實驗性數據。

實驗網絡：采用真實主機和網絡設備，構造通信網絡，部署主機應用和相應的網絡協議，其特點是真實有效。然而，其成本較高，在測試的成本受到嚴格限制的條件下，難以實現一比一的驗證。通常的做法是搭建最小驗證系統，對網絡通信的功能進行驗證，但最小系統上所測得的數據對實際應用規模的網絡僅具備有限的參考價值。

網絡仿真：該方法通過計算機仿真算法，建立一個虛擬的網絡平臺，通過虛擬環境對真實網絡環境中各個節點之間的通信過程進行模擬。通過這個平臺可以對系統的網絡性能給出有參考價值的估算。通過對不同設計方案進行的仿真模擬，可以對不同設計方案給出對比建議。

2.2 網絡仿真軟件簡介及NS-3的特點

NS-2：NS-2最初由UC Berkeley開發而成，它實現了對TCP、UDP等傳輸層協議的模擬，也實現了基于傳輸層協議的應用層協議，如Telnet、Web、CBR、VBR等協議的模擬；在路由算法方面，實現了對動態路由算法、靜態路由算法、多播路由算法的模擬。它通過自身的虛擬時鐘驅動仿真系統的運轉，將仿真系統當作一個離散事件模擬器來實現。

OPNET：OPNET由美國軍方提出需求，由麻省理工學院LIDS實驗室開發了最早的版本，它可以模擬目前工作在TCP/IP網絡模型的各層的絕大部分協議，其中包括Token Ring TCP/UDP/IP、FDDI、Frame Relay、LAN、WAN、ISDN以及衛星通信網等。該軟件功能完善，性能卓越，但是為付費軟件，價格昂貴。作為國內核電研究項目，采用該系統，存在一些潛在的商業限制因素。

OMNet++：OMNet++是一個免費、開源、可擴展的多協議網絡仿真軟件，它也基于離散事件仿真，且具備強大的圖形界面接口。OMNet++的一個突出優秀特點是支持分布式并行仿真，這就減少了對單臺仿真服務器的壓力。

NS-3：NS-3名字與NS-2類似，但不是NS-2的擴展，而是一個全新的網絡仿真軟件。它由美國華盛頓大學的研究小組在NSF的支持下開發。NS-3基于GNU GPLv2 許可，可以免費的獲取、使用和修改，它廣泛的汲取了現代優秀開源網絡模擬器的成功經驗和技術特點。

NS-3與NS-2相比較其優點在于仿真模塊和仿真腳本都可以采用C++語言編寫，而不像NS-2不能使用C++進行仿真模塊的功能擴展只能使用Otcl進行仿真腳本的編寫，這為使用者提供了便利，同時也為代碼的統一風格管理提供了必要條件。近年來的網絡仿真研究，已經有越來越多的案例采用了NS-3作為仿真系統設計的基礎，一些底層網絡協議的仿真研究體現了它的強大功能。在電網領域，NS-3已經取得了一些應用成效。本文的研究也將基于NS-3展開。

3 基于NS-3的核電DCS網絡仿真的驗證框架設計

基于NS-3仿真軟件平臺，本文提出了如圖1所示的框架，用于仿真核電DCS的網絡通信過程。

驗證框架縱向分為兩個子框架。第一為網絡模擬框架，它基于NS-3仿真系統而構建，提供了各類設備的模型和基于設備模型的網絡建模系統。第二為仿真支撐框架，該框架提供對模型的維護和數據的收集。下文將對兩個子框架分別進行闡述。

3.1 網絡模擬子框架

本部分包括三個層次：NS-3仿真系統、設備模型和模型網絡拓撲模型。

3.1.1 NS-3仿真系統

作為系統運轉的基礎，由開源的仿真軟件實現。

3.1.2 設備模型層

由網絡設備模型和主機協議模型兩部分組成，每部分包含若干設備的網絡協議工作模擬，作為NS-3的功能擴展部分實現。從面向對象的方法論角度，設備模型層提供了各種具體設備的類定義。這部分主要實現如下的五種模型，這五種模型分為網絡設備模型和主機協議模型兩大類。

（1）交換機模型：屬于網絡設備模型，用來模擬交換機設備的功能，通常意義下，這部分模擬鏈路層交換機。在特殊的網絡拓撲條件下，例如劃分多子網的通信條件下，這部分還需要模擬具備IP路由功能的三層交換機設備。

（2）通信網關模型：屬于網絡設備模型，用于模擬一層網絡和二層網絡之間的通信網關的網絡協議與數據中轉算法的實現。

（3）主控制器模型：屬于主機協議模型，用于模擬主控制器所有通過網絡的通信行為，包括了通信網關和站間通信兩個部分。主控制器模型的模擬僅僅關注于網絡通信協議部分，而組態計算，現場總線，熱備冗余等功能不在主控制器模型的范圍內。由于仿真的目的是挖掘系統性能的極限，而不設計具體控制功能，所以，所有的控制數據都通過假造的模擬數據包代替。

（4）操作員站模型：屬于主機協議模型，用于模擬操作員站的網絡通信。其數據包內容的設計策略同控制器類似。

（5）二層服務器模型類：屬于主機協議模型，用于模擬工作于二層網絡的計算服務器、歷史服務器等，既不直接與一層網絡通信，又不直接參與人機交互的設備。計算延時和查詢延時等服務器主機應用所造成的延時，在模型中提供可以配置的接口。

3.1.3 網絡拓撲建模

這部分在面向對象的方法論中屬于對象層次，根據具體工程案例的網絡拓撲，通過對各類模型進行實例化，構建真實的網絡環境的模擬。這部分又可以分為操作監控層建模和控制層建摸兩大部分：

（1）操作監控層建模：這部分模擬DCS的二層網絡，實例化操作員站模型、服務器模型和網關模型。

（2）控制層建模：這部分模擬DCS的一層網絡，實例化主控制器模型、網關模型和交換機模型。

兩部分模型根據仿真的目的，可以獨立工作，也可以協同工作。

3.2 仿真支撐子框架

仿真支撐子框架，用于維護仿真模型的運行，提供模型與實驗人員的交互接口，主要實現如下功能：

3.2.1 模型編寫與維護

提供具體模型的編寫與維護服務，該服務基于各個網絡設備模型和主機協議模型實現。實驗設計者使用這個模塊進行模型的編寫、調試、修改和管理。

3.2.2 模型的啟停與干預

維護基于NS-3的網絡仿真程序的運轉，負責提供啟動，終止，暫停等功能。

3.2.3 虛擬故障

用于在仿真過程中插入系統設備的虛擬故障。這是仿真模擬的一個突出優勢。它可以按照特定的時序注入故障序列，完成實驗網絡方法都難以實現的大規模的準確時序的設備故障場景。

3.2.4 日志與數據統計

記錄模型運行中各個網絡節點實例的運行狀態日志，日志的內容和時間粒度可以進行預先配置，基于日志可以進行數據的統計和后期的分析。

4 結束語

通過本文方法，V&V;組織可以在核電DCS的設計階段對網絡協議和網絡拓撲的設計策略進行仿真模擬，獲得對網絡性能的仿真數據，有力的支撐設計驗證工作。本文的仿真方法具備如下應用優點：

（1）暴露問題早，在早期設計階段發現問題。

（2）驗證成本較低，無需儀控設備參與，只進行軟件仿真。

（3）驗證的內容靈活，可以在任意的時間，產生任意種類的設備故障。

未來的工作，將首先結合具體的DCS項目，把本文所設計的框架進行實例化。繼而，完善仿真框架的設計。當積累了足夠的對比數據后，把這種驗證方法應用于具體的非安全級DCS項目中。

后繼研究的另一方面，是將仿真框架應用于信息安全領域。框架中的虛擬故障模塊可以模擬特定主機或網絡設備遭受攻擊后的網絡吞吐能力下降以及宕機現象，在性能工況的角度對各類攻擊所造成的系統破壞給出仿真參數，結合核電信息安全的相關標準體系可以對DCS系統的信息安全保障屬性給出有效的評估。

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作者簡介

孫永勝（1982-），男，2008年畢業于華北電力大學，碩士，工程師，中核控制系統工程有限公司安質部V&V;室工程師。

作者單位

中核控制系統工程有限公司 北京市 100176