一种基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统

摘要

本发明公开了一种基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，其特征在于：包括三个子系统：可视化系统(1)、模拟仿真系统(2)和网络运行分析系统(3)；本发明所用架构补充完善了NS-3现有功能模块的不足，基于NS-3平台系统化搭建的22个功能模块以及一个并行模块为综合数据网络的仿真提供了全方位的功能支持。本发明能够基于综合数据网的整体运行状态数据，综合路由分析、流量分析、数据网元分析等技术，架构的实现能够高效率、高精度的提供综合数据网的快速故障定位、诊断以及网络性能分析的仿真平台。

说明书

技术领域

本发明涉及一种网络模拟仿真系统，特别是一种基于NS-3的大 型综合数据网网络模拟仿真系统。

背景技术

随着当前网络技术的不断发展，网络应用种类不断增加，各种新 的协议、新的算法层出不穷。如何测试现有网络，验证和分析新的协 议和算法，是网络技术研究者必须面临的问题。如今，网络正朝着综 合性、复杂性发展，网络结构复杂，网络规模庞大，网络流量多样， 网络设备款式不一，只采用纯数学理论推导的方式，难以正确分析如 此复杂的网络，如果搭建真实网络，网络设备的昂贵价格以及长时间 的环境搭建都使得研究严重受限。

网络仿真技术，将仿真思想与计算机紧密结合，通过模拟网络行 为，从而获取网络性能数据，得到网络分析所需。通信网络仿真软件 是由建模工具、仿真运行工具、输出结果分析工具等组成的复杂软件 系统，用户可以根据仿真软件提供的大量丰富的工具包，建立仿真环 境，直观的观察网络协议的运行与网络性能的变化，调整、修改网络 模型，反复检验设想的可行性。

在网络仿真技术这一课题中，研究人员己经研制出了多款具备广 泛用途的模拟仿真软件和平台，网络仿真的结果在一定程度能够真实 再现网络的物理和逻辑特征。但是，仿真工作的侧重点与相应的项目 需求紧密相关，面对较少见的网络仿真研究课题，难以灵活的使用已 有的仿真平台，无法有效分析出当前网络协议的缺陷和性能状况，也 不便于对实际装备进行准确的整改。此外，实现网络协议、设计图像 化界面和结果分析工具的开发上，需要花费较长时间，同时，计算机 的硬件平台配置也成为了大规模网络仿真的瓶颈项。因此，对于针对 性的网络进行仿真课题研究，我们就需要开发一个针对性强，兼容性 好，运行效率高的仿真平台，那么选择一个合适的网络模拟器，利用 合理的架构设计一个信道、节点模拟、协议等各方面与实际网络相同， 可以进行网络规划、具备真实业务承载能力、能通过人机交互界面友 好的对仿真情况进行查询和控制的仿真平台，是仿真平台系统研究的 重中之重。

现有技术中有以下网络仿真系统：

1.基于MobilityFramework的无线传感器网络仿真系统架构

基于MobilityFramework的无线传感器网络仿真系统是一个能 够对每个无线传感器网络节点行为定义、对节点各层协议算法仿真， 同时融合功能模型，以及模块简单重构复用的无线传感器网络仿真系 统。图4为基于MobilityFramework的无线传感器网络仿真系统体系 架构。

MobilityFramework(MF)网络模拟器能够对无线和移动网络仿 真提供良好支持。本架构基于MF共划分为拓扑控制模块、数据生成 模块、仿真控制模块、结果输出模块、传感器节点模块和系统界面六 个部分。

拓扑控制模块：由用户指定或随机方式确定每个节点的空间地理 位置，确定sink节点以及根据选定的路由方法确定每个节点的路由 表；

数据生成模块：根据仿真的需要，向网络发送实验用测试数据集， 这些数据可以是随机生成的伪数据报，也可以是预置的真实数据；

仿真控制模块：通过配置文件设定仿真实例中节点通信距离、比 特率等系统参数，控制离散事件的仿真进度，根据需要采用不同的进 度模式；

结果输出模块：显示传感器网络的拓扑结构，及系统仿真分步信 息，将仿真数据写入数据库；

传感器节点模块：根据仿真的需要，可以设置不同的节点。节点 模块采用层结构设置，当需要转化节点为不同节点时，只需要修改节 点模块相应层内容重新建模即可，可极大利用现有模块代码，加快研 究进程。

系统界面：包含拓扑显示、仿真控制和性能演示三大窗口，实时 体现网络仿真中能耗、延时、丢包率等重要参数。

该系统架构基于MF网络模拟器开发，整体架构切实可行。但该 体系架构只能适用于特定的无线网络中，同时仿真系统的模块多样化 有待进一步加强。

2.铁路行车调度指挥仿真系统架构

铁路调度指挥仿真系统是一个分布式协同工作的递阶分散自律 控制系统，其系统架构如图5所示。该系统架构由决策层、管理层、 执行层和设备层组成。

决策层的功能主要是完成列车运行调整计划、调车作业计划和各 种情况下应急预案的规划等功能，属于不确定因素较多的人工智能决 策问题。

管理层的功能主要是采用分散自律智能控制技术，协调处理功能 软件，完成执行层与决策层之间、执行层与执行层之间及决策层与决 策层之间的信息交换，将决策层的方案按一定的规则和算法翻译为执 行层能够识别和执行的确定性控制命令，并自动判定命令执行时机， 当满足要求时，及时下达执行命令到执行层。管理层的主要功能包括 通信服务、数据库服务、列调车进路命令的生成和触发执行等。

执行层的功能主要是依据确定性的输入、按照规定的算法完成规 定的动作。执行层主要有区间闭塞系统、车站联锁系统和列车运行控 制系统，是对现场采用设备主要功能模块的真实仿真。

设备层主要指执行层控制的最后动作的设备，包括信号机、闭塞 设备、道岔、轨道电路、列车等。

该架构能够满足铁道部的相关技术条件，能够适应现场铁路运输 指挥的要求。对于实际系统的研发、开通投入运营、日后的维护和系 统升级具有重要作用。它能够极大地缩短开通前的调试时间，方便故 障分析和各种条件下调度指挥方式的模拟，特别适合特定条件下应急 预案的演练等方面。但同样的，该体系架构只能适用于特定的交通调 度系统。

现有的仿真系统架构由于网络协议、设备等的不同，难以灵活的、 兼容的适应综合数据网的仿真需求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于NS-3的大型综合数据网网络 模拟仿真系统。具有具备真实业务承载能力、对仿真情况通过人机交 互界面友好查询和控制，高效率的进行网络规划与设计，高保真的反 映真实综合数据网络状况的优点。

本发明的技术方案：一种基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿 真系统，其特征在于：包括三个子系统：可视化系统、模拟仿真系统 和网络运行分析系统；

可视化系统通过可视化接口完成对模拟仿真系统和网络运行分 析系统进行相关配置，并实现可视化显示；

模拟仿真系统实现对综合数据网络的运行状况模拟，模拟仿真结 果作为网络运行分析系统的输入；

网络运行分析系统对来自于模拟仿真系统的数据或真实网络采 集的数据进行分析获得当前网络运行状态，结果显示于可视化系统。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，所述可视 化系统包括网络拓扑可视化模块、网络运行状态可视化模块、路由可 视化模块和故障定位可视化模块。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，所述的模 拟仿真系统包括网络编辑模块、事件调度模块、真实流量导入模块、 业务流触发模块、协议栈模块、网络故障重现模块、端到端时延分析 模块和并行仿真模块。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，所述的网 络运行分析系统包括告警事件关联分析子系统、网络运行状态分析子 系统和网络优化方案生成模块。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，所述告警 事件关联分析子系统包括流行为特征分析与提取模块、流行为模式匹 配模块、流行为异常告警事件关联分析模块和其他告警事件关联分析 模块。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，所述网络 运行状态分析子系统包括网络态势感知模块、网络带宽分析模块、网 络吞吐量分析模块、链路负载和利用率分析模块、网络冗余度与生存 性分析模块和设备链路质量评估模块。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，所述网络 优化方案生成模块用于利用真实网络的SNMP或Flow数据作为输入，通 过设定的最优化目标对当前网络的瓶颈进行分析，得出网络优化方 案。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，本系统层 次化架构总共包括5层：人机接口层、模拟仿真层、仿真数据层、数 据处理层和真实数据层。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，本系统 层次化架构的人机接口层通过网络编辑模块实现模拟仿真层所需要 的网络拓扑、设备链路参数和事件进行设置；模拟仿真层根据人机接 口层设置的结果，对综合数据网的运行状况进行模拟仿真，模拟仿真 结果输出到仿真数据层和可视化系统；仿真数据层是模拟仿真系统仿 真过程和结果的记录，数据经过数据处理层进行相应的处理，处理结 果通过可视化系统进行显示；真实数据层从真实网络上采集的 SNMP/Flow数据，用于对真实网络的运行状况进行分析。

与现有技术相比，本发明基于NS-3平台搭建架构，虽然NS-3 作为新型仿真模拟器具有优良的可量测性、可扩展性以及模块化特 性，并且高度支持仿真与现实融合，但是当前NS-3仅只提供了一些 基本的功能模块，难以实现复杂功能。本发明所用架构补充完善了 NS-3现有功能模块的不足，基于NS-3平台系统化搭建的22个功能 模块以及一个并行模块为综合数据网络的仿真提供了全方位的功能 支持。

本发明设计的大型综合数据网网络模拟仿真系统采用通过网络 编辑模块实现可视的仿真环境搭建，用户无需了解系统底层的代码设 计，通过简单的图形界面即可完成仿真环境搭建。应对大型综合数据 网较大的流量行为，本发明设计的大型综合数据网网络模拟仿真系统 通过并行仿真模块实现多节点并行仿真，能够实现计算复杂度的分 解，通过多节点并行仿真来缩短仿真时间，同时保证仿真结果的正确 性。为了使得模拟仿真系统的运行更贴近真实网络的运行情况，本发 明设计的大型综合数据网网络模拟仿真系统通过真实流量导入模块， 实现将从真实网络路由器上采集的流量信息导入到模拟仿真系统中 运行，从而实现将真实网络运行状况在模拟仿真系统中重现，从而为 网络分析提供参考。对于综合数据网络来说，能够对网络运行状况进 行分析对于网络管理和运维至关重要，网络态势感知模块、网络带宽 分析模块、网络吞吐量分析模块、链路负载和利用率分析模块、网络 冗余度和生存性分析模块、链路质量评估模块主要为了满足用户对网 络运行状况分析的不同需求，用户可以根据自己的需要选择所需要的 模块来对网络运行状况进行分析。网络优化方案生成模块主要根据所 承载的业务流量给出一个优化的网络设计方案，指导用户对网络进行 升级或改造，以满足业务需要。网络拓扑可视化模块、网络运行状态 可视化模块、路由可视化模块、故障定位可视化模块提供了丰富的可 视化图形界面，方便用户通过友好界面直观观察和理解模拟仿真系统 的运行结果。本发明能够基于综合数据网的整体运行状态数据，综合 路由分析、流量分析、数据网元分析等技术，架构的实现能够高效率、 高精度的提供综合数据网的快速故障定位、诊断以及网络性能分析的 仿真平台。

附图说明

图1是本发明的总体构架框图；

图2是本发明的系统模块关系图；

图3是本发明的系统层次化架构图；

图4是基于MobilityFramework的无线传感器网络仿真系统体系 架构图；

图5是铁路行车调度指挥仿真系统体系架构图。

附图中的标记为：1-可视化系统、2-模拟仿真系统、3-网络运行 分析系统、4-网络拓扑可视化模块、5-网络运行状态可视化模块、6- 路由可视化模块、7-故障定位可视化模块、8-网络编辑模块、9-事件 调度模块、10-真实流量导入模块、11-业务流触发模块、12-协议栈 模块、13-网络故障重现模块、14-端到端时延分析模块、15-并行仿 真模块、16-流行为特征分析与提取模块、17-流行为模式匹配模块、 18-流行为异常告警事件关联分析模块、19-其他告警事件关联分析模 块、20-网络优化方案生成模块、21-网络态势感知模块、22-网络带 宽分析模块、23-网络吞吐量分析模块、24-链路负载和利用率分析模 块、25-网络冗余度与生存性分析模块、26-设备链路质量评估模块、 27-真实数据层、28-人机接口层、29-模拟仿真层、30-仿真数据层、 31-数据处理层。

具体实施方式

实施例1。一种基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统， 如图1所示，包括三个子系统：可视化系统1、模拟仿真系统2和网络 运行分析系统3；

其中，可视化系统1通过可视化接口完成对模拟仿真系统2和网络 运行分析系统3进行相关配置，并实现可视化显示；

模拟仿真系统2实现对综合数据网络的运行状况模拟，模拟仿真 结果作为网络运行分析系统3的输入；

网络运行分析系统3对来自于模拟仿真系统2的数据或真实网络 采集的数据进行分析获得当前网络运行状态，结果显示于可视化系统 1。

如图2所示，可视化系统1包括网络拓扑可视化模块4、网络运行 状态可视化模块5、路由可视化模块6和故障定位可视化模块7。

前述的基于NS-3的大型综合数据网网络模拟仿真系统，所述的模 拟仿真系统2包括网络编辑模块8、事件调度模块9、真实流量导入模 块10、业务流触发模块11、协议栈模块12、网络故障重现模块13、端 到端时延分析模块14和并行仿真模块15。并行仿真模块15作为一个非 专门业务功能模块，主要用于支持模拟仿真系统的并行实现，解决大 型网络中由于计算机硬件限制而导致的瓶颈项，因此是一个独立的模 块。协议栈模块12还连接网卡32、链路33，然后输出Pcap or trace 数据文件34至网络运行分析系统3。

模拟仿真系统2的输入包括网络编辑模块8中的人机交互输入，以 及真实流量导入模块10中的从真实网络上采集的流量信息，前者实现 的是对模拟仿真系统2的配置，后者为模拟仿真系统2提供数据源。模 拟仿真系统2的输出为仿真系统生成的Pcap or trace数据文件34，该 文件记录了仿真过程和结果，用于端到端时延分析、路由可视化以及 流行为异常检测。

模拟仿真系统2首先通过网络编辑模块8对模拟仿真中的网络拓 扑、节点、链路的参数记性设置实现仿真环境搭建。事件调度模块9 主要设置模拟仿真系统2中在特定时间点协议栈、节点或链路的参数 发生变化，以模拟事件的发生。真实流量导入模块10是对采集的SNMP 数据进行处理，提取用于生成流量的参考信息，业务流触发模块11 根据真实流量导入模块10提供的信息生成相应的应用流量。应用流量 经过协议栈模块12处理后送至网卡32输出到链路33。网络故障重现模 块13根据不同类型的故障现象，对节点和链路的参数进行相应的更 改，使得节点、链路的工作状态与真实网络故障的影响一致，如链路 中断、带宽降低、时延增加等。

网络运行分析系统3包括告警事件关联分析子系统、网络运行状 态分析子系统和网络优化方案生成模块20。

其中，告警事件关联分析子系统包括流行为特征分析与提取模块 16、流行为模式匹配模块17、流行为异常告警事件关联分析模块18 和其他告警事件关联分析模块19。

网络运行分析系统3的输入是采集的真实网络SNMP数据或模拟仿 真系统生成的Pcap or trace数据文件34，输出为可视化系统1。告警 事件关联分析子系统中，首先流行为特征分析与提取模块对模拟仿真 系统2生成的流量数据或真实网络采集的Flow数据进行流行为特征分 析与提取，将提取的流行为特征输入到流行为模式匹配模块17判断流 行为是否发生了异常事件，然后通过流行为异常告警事件关联分析模 块18将异常事件与网络故障进行关联分析，确定故障及发生的位置。 其他告警事件关联分析模块19对网管系统或设备上的告警信息进行 关联分析以确定故障及其发生的位置。故障诊断与定位结果通过可视 化系统1的故障定位可视化模块7进行显示。

网络运行状态分析子系统包括包括网络态势感知模块21、网络带 宽分析模块22、网络吞吐量分析模块23、链路负载和利用率分析模块 24、网络冗余度与生存性分析模块25和设备链路质量评估模块26。这 些模块的输入数据均为采集的真实网络SNMP或Flow数据，通过相应的 模块和算法对数据进行分析得到相应的结果，其结果显示到网络运行 状态可视化模块5上。

网络优化方案生成模块20用于利用真实网络的SNMP或Flow数据 作为输入，通过设定的最优化目标对当前网络的瓶颈进行分析，得出 网络优化方案，并将结果显示在网络运行状态可视化模块5上。

如图3所示，本系统层次化架构总共包括5层：人机接口层28、 模拟仿真层29、仿真数据层30、数据处理层31和真实数据层27。 本系统层次化架构的人机接口层28通过网络编辑模块实现模拟仿真 层29所需要的网络拓扑、设备链路参数和事件进行设置；模拟仿真 层29根据人机接口层28设置的结果，对综合数据网的运行状况进行 模拟仿真，模拟仿真结果输出到仿真数据层30和可视化系统1；仿 真数据层30是模拟仿真系统2仿真过程和结果的记录，数据经过数 据处理层31进行相应的处理，处理结果通过可视化系统1进行显示； 真实数据层27从真实网络上采集的SNMP/Flow数据，用于对真实网 络的运行状况进行分析。