軟件定義機動通信網云仿真技術研究

路 冉，袁 舒

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍32180部隊，北京 100072)

0 引言

機動通信網[1]具有帶寬資源有限、通信質量不穩定和通信時延大等特點。面對機動通信技術的快速發展以及無線傳輸的QoS要求，封閉的傳統網絡架構無法提供靈活的機動通信網服務能力。隨著軟件無線電[2]、軟件定義網絡技術[3]的成熟，使得信息系統向軟件定義一切(SDX)方向發展，這些先進技術對于機動通信網的建設發展具有重要的參考、借鑒和應用價值。

軟件定義思想在機動通信網絡中的研究也越來越多，李默嘉[4]等針對戰術環境下OpenFlow協議面臨的問題，修改并仿真驗證了OpenFlow的協議機制；趙尚弘[5]等將軟件定義網絡思想運用于航空集群機載網絡的構建，提出軟件定義航空集群機載網絡架構；鄭亮[6]等基于SDN/NFV，提出了海軍虛擬軍事信息網絡的實現方案。為檢驗軟件定義網絡技術在機動通信網絡中的適用性，本文融合了當下先進的云計算[7]、虛擬化仿真[8]和數字仿真技術構建了開放性、可擴展的軟件定義機動通信網絡仿真平臺，并基于此仿真平臺測試了機動無線通信環境下軟件定義網絡的性能。

1 軟件定義機動通信網及仿真技術

1. 1 SDN

SDN是一種可軟件編程的新型網絡架構和技術，設計思想最初來自美國的未來互聯網計劃(Future Internet Network Design，FIND)，最大優勢在于控制平面和數據平面的解耦、網絡邏輯狀態控制的集中化、底層轉發設備對高層應用的透明化，并且具有靈活的軟件編程能力，可有效地解決當前網絡架構所面臨的資源規模可擴展性差、網絡組織不夠靈活以及難以滿足不斷發展的業務需求等問題。

典型SDN網絡由控制器、交換機、終端和鏈路4類設備組成，如圖1所示。SDN架構中2個重要組成部分是南向接口和北向接口。OpenFlow[9]技術作為SDN架構應用最廣泛的南向接口，屬于SDN結構的一個實例、一系列規范的集合，其協議在不斷地改進、修改和完善之中。SDN的北向接口是連接控制器和用戶應用之間的協議接口，是實現網絡的可編程控制，推動網絡業務創新的關鍵，北向接口方面目前還缺少業界公認的標準。

圖1 典型SDN網絡組成

1. 2 軟件定義機動通信網

將SDN思想引入機動通信網中，設計基于軟件定義的機動通信網架構，如圖2所示，從下到上分為資源層、服務層和應用層。

圖2 軟件定義機動通信網架構

資源層主要是由機動通信骨干網和接入網組成的基礎通信網絡，核心設備包括網絡設備和傳輸設備2類，網絡設備在服務層組網控制服務的管控下，接收下發的轉發流表，通過傳輸設備實現互聯組網，構建機動通信網的數據轉發平臺。服務層由組網控制和資源感知與調度2個核心服務組成，組網控制服務控制機動通信網資源層的設備，實現機動通信的組網控制，形成控制面；資源感知與調度服務對上層機動應用提供網絡資源感知、控制支撐，實現自動、高效的資源控制，確保各類業務可靠、高效傳輸。應用層由多樣化的應用系統組成，能夠通過可編程方式把需要請求的網絡行為提交給控制器。

1. 3 軟件定義機動通信網仿真技術

SDN架構能否滿足無線環境下時變的網絡特征和多樣化的業務傳輸，往往需要通過仿真手段驗證。將先進的虛擬化技術[10]應用到仿真領域，虛擬化的仿真環境為通信網絡的應用程序和協議提供一個實時運行環境，并且支持應用、協議不經過修改可在真實網絡中運行，既降低虛實網絡之間的轉換成本，又可以借助接口轉換工具便捷地實現虛實結合的半實物仿真驗證平臺[ 11]。

Mininet[ 12]是當下非常流行的輕量級SDN網絡測試平臺，由一些虛擬的終端節點、交換機和路由器連接而成，可以和真實網絡相媲美。面向軟件定義機動通信網仿真測試需求時，Mininet仍存在著不足之處：

① Mininet運行在虛擬機中，依賴虛擬機的資源構建仿真網絡，不利于仿真網絡規模的擴展；

② Mininet不支持無線信道傳輸模擬，雖然借助Linux內核的TC(Traffic Control)機制設置鏈路的帶寬、延遲等參數來實現流量限速、流量整形以及策略應用(丟棄、NAT等)，但不支持復雜的無線傳輸環境、廣播傳輸信道的模擬。

2 基于云環境的多模式聯合仿真平臺

面向軟件定義機動通信網絡的仿真測試需求，提出一種基于云環境的多模式聯合仿真方案，如圖3所示。底層云平臺層借助云管理平臺OpenStack[13]實現對計算、存儲和網絡資源的統一管理，上層仿真平臺層采用數字仿真與虛擬化仿真等多手段的聯合仿真實現軟件定義機動通信網絡的細粒度模擬。

圖3 基于云環境的多模式聯合仿真平臺

① 云平臺層

云平臺層將物理的基礎設施虛擬出計算、存儲和網絡3種資源，并利用云管理系統進行資源調度和管理，為上層網絡仿真環境按需提供靈活、動態可調配的虛擬化資源。

云平臺層的資源整合[ 14]十分重要，體現在虛擬化的基礎設施管理器(VIM)，其主要功能是對網絡功能虛擬化基礎設施(NFVI)的管理，本質上就是一個云操作系統，對服務器的計算、存儲和網絡等資源進行管理。云平臺的NFVI分為3層：硬件資源層、虛擬化層和虛擬資源層，通過這3層的相互作用，支撐上層仿真平臺的構建。

② 仿真平臺層

仿真平臺層由軟件定義機動通信網絡仿真環境、中間件和仿真管理控制系統組成。

仿真管理控制系統是OpenStack云管理平臺的集成封裝，實現仿真層面的管理控制，包括仿真模型的鏡像管理、仿真數據采集和仿真運行的管控等功能模塊。

中間件是軟件定義機動通信網絡仿真環境中多模式異構仿真系統間，仿真系統與仿真管理控制系統間試驗數據、控制數據的收發總線。

軟件定義機動通信網絡仿真環境是仿真平臺的核心，其中所有仿真模型全部封裝成虛擬鏡像文件。通過在KVM/Docker中安裝部署仿真模型的運行環境(包括操作系統、仿真工具等)、仿真模型和仿真數據等，生成各類通信設備的仿真鏡像模板，依托仿真管理控制系統實現對仿真鏡像的自動加載和部署，完成網絡仿真系統的構建。

為彌補虛擬化仿真在無線傳輸模擬方面的不足，基于DDS數據分發中間件實現無線環境數字仿真與軟件定義機動通信網絡虛擬化仿真系統的多模式聯合仿真，如圖4所示。

圖4 基于中間件的多模式聯合仿真流程

數據分發過程使用了2類主題數據：無線鏈路特征主題和廣播數據主題。

無線鏈路特征主題“NodeName_RadioPara”以信道設備名稱命名，用于將OPNET動態計算的細粒度無線信道特征參數包括電臺發送速率、誤碼率和接收門限等加載到虛擬化網絡仿真系統中，對應的無線傳輸設備代理訂閱本設備的無線鏈路特征主題。

廣播數據主題“NetName_RadioData”以通信子網名稱命名，無線傳輸設備代理發布并訂閱所屬通信子網的廣播數據主題，實現相同子網內、無線傳輸設備代理間的數據廣播傳輸。無線傳輸設備代理訂閱到所屬子網的廣播數據主題后，依據無線鏈路特征主題中的信道特征參數，計算數據的發送時延、傳播時延和誤碼個數等，模擬無線信道的傳輸，實現機動通信網絡的無線組網和數據傳輸。

3 關鍵技術突破

3. 1 Docker自動部署

在OpenStack的計算節點上安裝nova-docker，用于承載仿真平臺中的仿真工具、模型和系統等。OpenStack的Nova組件將容器狀態存儲在一個基于結構化查詢語言(SQL)的中央數據庫中，所有的OpenStack組件都使用該數據庫。

Docker引擎采用C/S架構，包括Clinet端和Server端2部分。Server端有一守護進程，默認在/var/run/dock.sock的一個socket鏈接文件中提供對本地Docker的監聽操作。服務端提供了一套restful api接口，也就是說，Docker服務端不需要特定的客戶端也可以對Docker的鏡像、容器進行管理，因此使用Docker Remote API可以通過腳本進行Docker集群的自動化控制。

3. 2 數據分發中間件

數據分發中間件主要用于完成多模式異構仿真系統之間的數據交互，是多模式聯合仿真架構中的核心組成部分，為滿足云環境下仿真系統大業務量實時交互的需求，采用DDS[ 15]數據分發技術。DDS是以數據為中心的發布—訂閱通信模型，并針對強實時系統進行了優化，提供低時延、高吞吐量，以及對實時性能的控制登記。

云仿真平臺中，各仿真系統使用DDS API建立實體(對象)，以此建立彼此間的發布/訂閱通信。DDS規范定義了總共22種QoS策略，其主要從數據的時效性、數據的可用性、系統資源的限制及數據分發效率這4個方面進行約束。為高效模擬機動通信網無線廣播信道的數據傳輸，需要設置可靠性“Reliablity”、組播“Multicasst Addressing”以及所有權“Ownership”3種策略，其中，“Reliablity”策略用于確保數據傳輸過程中到達的先后順序，“Multicasst Addressing”策略用于保證多個無線傳輸節點間廣播數據的高效傳輸，“Ownership”允許無線傳輸節點能夠同時接收到所屬通信子網其他無線傳輸節點發送的數據。

4 仿真實例

依托華為RH2288 v2型號服務器搭建軟件定義機動通信網仿真系統，在服務器上部署OpenStack mitaka云管理平臺，在上層nova-docker環境中部署軟件定義機動通信網仿真系統：

① 安裝并部署ONOS 1. 14. 0-SNAPSHOT軟件，構建機動通信網絡的控制器節點[ 16]模型。

② 安裝并部署OpenvSwitch2. 6. 1軟件，構建交換節點模型，交換節點與控制器節點之間通過OpenFlow協議實現控制協議的交互。

③ 依托OPNET14. 5商用網絡仿真引擎，基于平臺的標準模型庫和自定義開發的電臺模型庫，構建無線環境仿真系統。依托RTI DDS代理接口實現無線鏈路特征數據主題的發布。

④ 無線傳輸設備代理基于Python語言定制開發，通過虛擬網絡接口實現與交換節點之間的數據收發；通過RTI DDS代理接口實現無線鏈路特征和廣播數據2類主題的發布訂閱。

基于典型的衛星信道構建軟件定義機動通信網絡的骨干網絡環境，由40個通信節點通過衛星互聯而成，衛星模擬信道帶寬為10 M，仿真場景如圖5所示。

圖5 軟件定義機動通信網仿真場景

考慮機動通信網絡在應用中很難另外構建一個用于實現集中控制的傳輸網絡，控制協議需依賴帶內帶寬進行傳輸。基于圖5仿真場景，分別仿真控制協議在帶外和帶內2種傳輸模式下的控制開銷，控制開銷統計對比曲線如圖6所示，其中，發流量表示數據平面向控制器發送的流量大小，收流量表示數據平面接收控制平面的流量大小。

圖6 控制開銷統計曲線

控制協議基于帶內和帶外2種傳輸方式，控制協議的開銷變化不明顯，基于帶內傳輸控制開銷略高。控制流量曲線先有一個增長，再到一個穩定值，并圍繞穩定值上下波動，拓撲在達到穩定后，交換機依然會不間斷地向控制器上傳端口統計信息，拓撲發現數據也跟著持續向控制器上傳，帶內傳輸模式下，全網的控制開銷平均為1. 2 Mbits/s(交換節點和控制器之間的流量累加)。

5 結束語

面向無線環境下軟件定義網絡架構的適用性驗證需求，結合先進的虛擬化仿真技術，基于OpenStack云管理平臺，基于底層靈活可調配的容器資源，構建了基于DDS中間件的融合數字仿真和虛擬化仿真的多模式仿真平臺，充分發揮虛擬化仿真技術的逼真性和數字仿真在無線環境模擬中的優勢，仿真平臺開放性好，擴展性強。在此基礎上，仿真對比分析了控制信令在帶內、帶外傳輸時的控制開銷，帶內統計結果也初步驗證了機動通信骨干網環境下軟件定義網絡架構的可行性。