大规模分布式网络仿真系统及半实物仿真的研究与实现.pdf

摘要

摘要

网络仿真技术在网络问题研究中应用较为广泛，但是传统的网络仿真技术大

多都局限于单机仿真，仿真规模有限，单机仿真无法轻易伸缩到多台仿真主机上。

并且传统网络仿真技术使用各自独立实现的网络协议栈，与实物节点运行环境相

差较远，无法模拟实际的程序运行环境。本文基于项目和实际需求，对分布式离

散仿真算法进行研究，设计一种能够动态适应跨网络分布的物理仿真主机之间网

络延迟变化的分布式离散仿真算法，并基于该算法结合容器虚拟化技术，在物理

主机上模拟实物节点的运行环境，设计并实现一套满足仿真环境与实物节点运行

程序无缝衔接并支持半实物仿真验证的大规模分布式网络仿真框架。

首先，本文针对分布式网络仿真的需求，结合传统树形分布式离散事件

仿真算法，设计了一种基于中心节点选举机制和动态树形拓扑机制的分布式

保守同步离散事件仿真算法DT-DDNS(DynamicTree-DistributedDiscreteNetwork

Synchronization)。通过该算法，分布式网络仿真系统可以支持多个物理仿真主机

分布式进行网络仿真，且能够适应跨网络的物理仿真主机之间的网络延迟变化。

考虑到分布式离散事件仿真同步对中心节点的强依赖，本文基于传统分布式树形

同步算法，引入分布式选举算法，使同步算法能够在仿真主机集群中选举出中心

节点，由中心节点负责分布式仿真中的离散事件同步进度决策。此外，选举算法

在中心节点出现过载或离线状态后动态变更中心节点，增强分布式网络仿真的灵

活性。针对物理仿真主机之间网络通信延迟动态变化的场景，本文在DT-DDNS中

引入一种动态拓扑机制，该机制针对物理仿真主机网络延迟变化，动态改变事件

同步路径，保证同步效率。

本文为了对比DT-DDNS与传统分布式保守同步离散仿真算法在不同网络条

件下的同步效率和性能开销，搭建数值仿真环境，模拟不同节点规模和不同的网

络延迟状况，验证DT-DDNS算法能够在分布式网络仿真条件下有效保证仿真同

步效率。

在DT-DDNS算法的基础上，本文结合容器虚拟化技术，设计并实现了大规模

分布式虚拟化网络仿真框架。该框架能够使用容器创建仿真节点模拟实物节点的

实际运行环境和网络协议栈，无缝运行实际网络程序。框架同时将虚拟容器与物

理信道模型结合，为仿真节点提供可控的物理信道，实现灵活的仿真网络拓扑控

制。针对实物节点的网络协议验证问题，框架实现了一种半实物网关架构，在仿

真网络中创建实物节点的映射节点，采集仿真过程中映射节点与其他仿真节点交

I

摘要

互的仿真报文序列，在半实物仿真环境下向实物节点重放采集的报文序列，验证

实物节点协议实现的一致性与实物节点性能，提高仿真结果迁移效率和对不同仿

真环境的适应性。

本文结合项目场景，对大规模分布式虚拟化网络框架和半实物网关架构进行

功能验证。验证结果表明，该系统能够很好的支撑对大规模网络的离散仿真，并

能够对实物节点功能与性能进行验证。

关键词：离散事件仿真，虚拟化容器，分布式网络仿真，半实物仿真验证

II

ABSTRACT

ABSTRACT

Networksimulationtechnologyiswidelyusedinthestudyofnetworkproblems,but

mostofthetraditionalnetworksimulationtechnologiesarelimitedtosingle-hostsim-

ulation,thesimulationscaleislimited,andthesingle-hostsimulationcannotbeeasily

scaledtomultiplesimulationhosts.Moreover,traditionalnetworksimulationtechniques

usetheirownindependentlyimplementednetworkprotocolstacks,whicharefarfr