软件定义机动通信网云仿真技术研究

路 冉，袁 舒

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.中国人民解放军32180部队，北京 100072)

0 引言

机动通信网[1]具有带宽资源有限、通信质量不稳定和通信时延大等特点。面对机动通信技术的快速发展以及无线传输的QoS要求，封闭的传统网络架构无法提供灵活的机动通信网服务能力。随着软件无线电[2]、软件定义网络技术[3]的成熟，使得信息系统向软件定义一切(SDX)方向发展，这些先进技术对于机动通信网的建设发展具有重要的参考、借鉴和应用价值。

软件定义思想在机动通信网络中的研究也越来越多，李默嘉[4]等针对战术环境下OpenFlow协议面临的问题，修改并仿真验证了OpenFlow的协议机制；赵尚弘[5]等将软件定义网络思想运用于航空集群机载网络的构建，提出软件定义航空集群机载网络架构；郑亮[6]等基于SDN/NFV，提出了海军虚拟军事信息网络的实现方案。为检验软件定义网络技术在机动通信网络中的适用性，本文融合了当下先进的云计算[7]、虚拟化仿真[8]和数字仿真技术构建了开放性、可扩展的软件定义机动通信网络仿真平台，并基于此仿真平台测试了机动无线通信环境下软件定义网络的性能。

1 软件定义机动通信网及仿真技术

1. 1 SDN

SDN是一种可软件编程的新型网络架构和技术，设计思想最初来自美国的未来互联网计划(Future Internet Network Design，FIND)，最大优势在于控制平面和数据平面的解耦、网络逻辑状态控制的集中化、底层转发设备对高层应用的透明化，并且具有灵活的软件编程能力，可有效地解决当前网络架构所面临的资源规模可扩展性差、网络组织不够灵活以及难以满足不断发展的业务需求等问题。

典型SDN网络由控制器、交换机、终端和链路4类设备组成，如图1所示。SDN架构中2个重要组成部分是南向接口和北向接口。OpenFlow[9]技术作为SDN架构应用最广泛的南向接口，属于SDN结构的一个实例、一系列规范的集合，其协议在不断地改进、修改和完善之中。SDN的北向接口是连接控制器和用户应用之间的协议接口，是实现网络的可编程控制，推动网络业务创新的关键，北向接口方面目前还缺少业界公认的标准。

图1 典型SDN网络组成

1. 2 软件定义机动通信网

将SDN思想引入机动通信网中，设计基于软件定义的机动通信网架构，如图2所示，从下到上分为资源层、服务层和应用层。

图2 软件定义机动通信网架构

资源层主要是由机动通信骨干网和接入网组成的基础通信网络，核心设备包括网络设备和传输设备2类，网络设备在服务层组网控制服务的管控下，接收下发的转发流表，通过传输设备实现互联组网，构建机动通信网的数据转发平台。服务层由组网控制和资源感知与调度2个核心服务组成，组网控制服务控制机动通信网资源层的设备，实现机动通信的组网控制，形成控制面；资源感知与调度服务对上层机动应用提供网络资源感知、控制支撑，实现自动、高效的资源控制，确保各类业务可靠、高效传输。应用层由多样化的应用系统组成，能够通过可编程方式把需要请求的网络行为提交给控制器。

1. 3 软件定义机动通信网仿真技术

SDN架构能否满足无线环境下时变的网络特征和多样化的业务传输，往往需要通过仿真手段验证。将先进的虚拟化技术[10]应用到仿真领域，虚拟化的仿真环境为通信网络的应用程序和协议提供一个实时运行环境，并且支持应用、协议不经过修改可在真实网络中运行，既降低虚实网络之间的转换成本，又可以借助接口转换工具便捷地实现虚实结合的半实物仿真验证平台[ 11]。

Mininet[ 12]是当下非常流行的轻量级SDN网络测试平台，由一些虚拟的终端节点、交换机和路由器连接而成，可以和真实网络相媲美。面向软件定义机动通信网仿真测试需求时，Mininet仍存在着不足之处：

① Mininet运行在虚拟机中，依赖虚拟机的资源构建仿真网络，不利于仿真网络规模的扩展；

② Mininet不支持无线信道传输模拟，虽然借助Linux内核的TC(Traffic Control)机制设置链路的带宽、延迟等参数来实现流量限速、流量整形以及策略应用(丢弃、NAT等)，但不支持复杂的无线传输环境、广播传输信道的模拟。

2 基于云环境的多模式联合仿真平台

面向软件定义机动通信网络的仿真测试需求，提出一种基于云环境的多模式联合仿真方案，如图3所示。底层云平台层借助云管理平台OpenStack[13]实现对计算、存储和网络资源的统一管理，上层仿真平台层采用数字仿真与虚拟化仿真等多手段的联合仿真实现软件定义机动通信网络的细粒度模拟。

图3 基于云环境的多模式联合仿真平台

① 云平台层

云平台层将物理的基础设施虚拟出计算、存储和网络3种资源，并利用云管理系统进行资源调度和管理，为上层网络仿真环境按需提供灵活、动态可调配的虚拟化资源。

云平台层的资源整合[ 14]十分重要，体现在虚拟化的基础设施管理器(VIM)，其主要功能是对网络功能虚拟化基础设施(NFVI)的管理，本质上就是一个云操作系统，对服务器的计算、存储和网络等资源进行管理。云平台的NFVI分为3层：硬件资源层、虚拟化层和虚拟资源层，通过这3层的相互作用，支撑上层仿真平台的构建。

② 仿真平台层

仿真平台层由软件定义机动通信网络仿真环境、中间件和仿真管理控制系统组成。

仿真管理控制系统是OpenStack云管理平台的集成封装，实现仿真层面的管理控制，包括仿真模型的镜像管理、仿真数据采集和仿真运行的管控等功能模块。

中间件是软件定义机动通信网络仿真环境中多模式异构仿真系统间，仿真系统与仿真管理控制系统间试验数据、控制数据的收发总线。

软件定义机动通信网络仿真环境是仿真平台的核心，其中所有仿真模型全部封装成虚拟镜像文件。通过在KVM/Docker中安装部署仿真模型的运行环境(包括操作系统、仿真工具等)、仿真模型和仿真数据等，生成各类通信设备的仿真镜像模板，依托仿真管理控制系统实现对仿真镜像的自动加载和部署，完成网络仿真系统的构建。

为弥补虚拟化仿真在无线传输模拟方面的不足，基于DDS数据分发中间件实现无线环境数字仿真与软件定义机动通信网络虚拟化仿真系统的多模式联合仿真，如图4所示。

图4 基于中间件的多模式联合仿真流程

数据分发过程使用了2类主题数据：无线链路特征主题和广播数据主题。

无线链路特征主题“NodeName_RadioPara”以信道设备名称命名，用于将OPNET动态计算的细粒度无线信道特征参数包括电台发送速率、误码率和接收门限等加载到虚拟化网络仿真系统中，对应的无线传输设备代理订阅本设备的无线链路特征主题。

广播数据主题“NetName_RadioData”以通信子网名称命名，无线传输设备代理发布并订阅所属通信子网的广播数据主题，实现相同子网内、无线传输设备代理间的数据广播传输。无线传输设备代理订阅到所属子网的广播数据主题后，依据无线链路特征主题中的信道特征参数，计算数据的发送时延、传播时延和误码个数等，模拟无线信道的传输，实现机动通信网络的无线组网和数据传输。

3 关键技术突破

3. 1 Docker自动部署

在OpenStack的计算节点上安装nova-docker，用于承载仿真平台中的仿真工具、模型和系统等。OpenStack的Nova组件将容器状态存储在一个基于结构化查询语言(SQL)的中央数据库中，所有的OpenStack组件都使用该数据库。

Docker引擎采用C/S架构，包括Clinet端和Server端2部分。Server端有一守护进程，默认在/var/run/dock.sock的一个socket链接文件中提供对本地Docker的监听操作。服务端提供了一套restful api接口，也就是说，Docker服务端不需要特定的客户端也可以对Docker的镜像、容器进行管理，因此使用Docker Remote API可以通过脚本进行Docker集群的自动化控制。

3. 2 数据分发中间件

数据分发中间件主要用于完成多模式异构仿真系统之间的数据交互，是多模式联合仿真架构中的核心组成部分，为满足云环境下仿真系统大业务量实时交互的需求，采用DDS[ 15]数据分发技术。DDS是以数据为中心的发布—订阅通信模型，并针对强实时系统进行了优化，提供低时延、高吞吐量，以及对实时性能的控制登记。

云仿真平台中，各仿真系统使用DDS API建立实体(对象)，以此建立彼此间的发布/订阅通信。DDS规范定义了总共22种QoS策略，其主要从数据的时效性、数据的可用性、系统资源的限制及数据分发效率这4个方面进行约束。为高效模拟机动通信网无线广播信道的数据传输，需要设置可靠性“Reliablity”、组播“Multicasst Addressing”以及所有权“Ownership”3种策略，其中，“Reliablity”策略用于确保数据传输过程中到达的先后顺序，“Multicasst Addressing”策略用于保证多个无线传输节点间广播数据的高效传输，“Ownership”允许无线传输节点能够同时接收到所属通信子网其他无线传输节点发送的数据。

4 仿真实例

依托华为RH2288 v2型号服务器搭建软件定义机动通信网仿真系统，在服务器上部署OpenStack mitaka云管理平台，在上层nova-docker环境中部署软件定义机动通信网仿真系统：

① 安装并部署ONOS 1. 14. 0-SNAPSHOT软件，构建机动通信网络的控制器节点[ 16]模型。

② 安装并部署OpenvSwitch2. 6. 1软件，构建交换节点模型，交换节点与控制器节点之间通过OpenFlow协议实现控制协议的交互。

③ 依托OPNET14. 5商用网络仿真引擎，基于平台的标准模型库和自定义开发的电台模型库，构建无线环境仿真系统。依托RTI DDS代理接口实现无线链路特征数据主题的发布。

④ 无线传输设备代理基于Python语言定制开发，通过虚拟网络接口实现与交换节点之间的数据收发；通过RTI DDS代理接口实现无线链路特征和广播数据2类主题的发布订阅。

基于典型的卫星信道构建软件定义机动通信网络的骨干网络环境，由40个通信节点通过卫星互联而成，卫星模拟信道带宽为10 M，仿真场景如图5所示。

图5 软件定义机动通信网仿真场景

考虑机动通信网络在应用中很难另外构建一个用于实现集中控制的传输网络，控制协议需依赖带内带宽进行传输。基于图5仿真场景，分别仿真控制协议在带外和带内2种传输模式下的控制开销，控制开销统计对比曲线如图6所示，其中，发流量表示数据平面向控制器发送的流量大小，收流量表示数据平面接收控制平面的流量大小。

图6 控制开销统计曲线

控制协议基于带内和带外2种传输方式，控制协议的开销变化不明显，基于带内传输控制开销略高。控制流量曲线先有一个增长，再到一个稳定值，并围绕稳定值上下波动，拓扑在达到稳定后，交换机依然会不间断地向控制器上传端口统计信息，拓扑发现数据也跟着持续向控制器上传，带内传输模式下，全网的控制开销平均为1. 2 Mbits/s(交换节点和控制器之间的流量累加)。

5 结束语

面向无线环境下软件定义网络架构的适用性验证需求，结合先进的虚拟化仿真技术，基于OpenStack云管理平台，基于底层灵活可调配的容器资源，构建了基于DDS中间件的融合数字仿真和虚拟化仿真的多模式仿真平台，充分发挥虚拟化仿真技术的逼真性和数字仿真在无线环境模拟中的优势，仿真平台开放性好，扩展性强。在此基础上，仿真对比分析了控制信令在带内、带外传输时的控制开销，带内统计结果也初步验证了机动通信骨干网环境下软件定义网络架构的可行性。