周麗麗,張宗恕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

伴隨計(jì)算機(jī)在信息領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代通信的神經(jīng)中樞。OPNET和Qualnet等仿真軟件,通過虛擬網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)統(tǒng)計(jì),為全網(wǎng)性能分析和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了有效手段。但是對(duì)于實(shí)際復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),由于僅僅依靠數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的軟件網(wǎng)絡(luò)仿真不能提供準(zhǔn)確的性能描述,因此,引入實(shí)物系統(tǒng)的半實(shí)物仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)研究中具有廣闊的應(yīng)用空間。

將實(shí)物系統(tǒng)引入仿真回路的半實(shí)物仿真,具有下列優(yōu)點(diǎn):首先,在網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型和仿真計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,增加了實(shí)物終端的信息流量,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型得到進(jìn)一步校準(zhǔn);其次,利用半實(shí)物仿真,通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)統(tǒng)計(jì),可以對(duì)實(shí)物終端的功能和性能進(jìn)行有效驗(yàn)證,降低了設(shè)備驗(yàn)證測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建復(fù)雜度。

1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)成分析

OPNET是業(yè)界公認(rèn)并廣泛使用的通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施和協(xié)議的仿真及建模工具,采用基于數(shù)據(jù)包的通信機(jī)制、基于離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真機(jī)制和與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相一致的三層建模機(jī)制,提供高層架構(gòu)(High Level Architecture,HLA)接口模塊,適用于復(fù)雜目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)的半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)。

半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真采用硬件在回路仿真(Hardware-In-the-Loop Simulation,HILS)技術(shù),利用OPNET的HLA接口模塊,通過HLA聯(lián)邦體系結(jié)構(gòu)將實(shí)物設(shè)備與仿真網(wǎng)絡(luò)連接起來,使仿真系統(tǒng)從實(shí)物設(shè)備獲得真實(shí)的輸入輸出,并通過協(xié)同仿真完成實(shí)物設(shè)備和仿真網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制,最終實(shí)現(xiàn)完整的、可控的網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗技術(shù)研究和驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)。

1.1 關(guān)鍵技術(shù)模塊

1.1.1 硬件接口模塊

硬件接口模塊是半實(shí)物仿真網(wǎng)實(shí)物系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間互連的物理接口,滿足仿真計(jì)算機(jī)和實(shí)物終端接口的電氣特性要求和標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 數(shù)據(jù)包截獲模塊

數(shù)據(jù)包截獲模塊捕捉半實(shí)物仿真網(wǎng)的實(shí)物系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的原始數(shù)據(jù)包。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真采用TCP/IP協(xié)議棧模擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并與實(shí)物終端互連,所以O(shè)PNET SITL仿真通常采用WinPcap API來捕獲原始數(shù)據(jù)包。它直接與網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交互,通過“嗅探”傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的抓取,并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

1.1.3 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換模塊

OPNET仿真軟件的仿真節(jié)點(diǎn)是通過有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)的,仿真節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的是虛擬的協(xié)議棧,各層協(xié)議以及仿真設(shè)備之間采用數(shù)據(jù)包流進(jìn)行連接。仿真包會(huì)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)程模型的中斷,引發(fā)協(xié)議進(jìn)程對(duì)仿真包的處理。但仿真包不是真正的比特流,是由域組成的OPNET內(nèi)部的特殊數(shù)據(jù)類型。因此實(shí)物終端與OPNET仿真網(wǎng)之間不能直接通信,必須通過數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行包轉(zhuǎn)換。

1.2 仿真系統(tǒng)構(gòu)成

半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)成

仿真系統(tǒng)構(gòu)成中各部分功能如下:

①實(shí)物終端:為半實(shí)物仿真網(wǎng)絡(luò)提供真實(shí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),通常不少于兩個(gè)以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互的完整協(xié)議過程,是整網(wǎng)業(yè)務(wù)通信的仿真基礎(chǔ);

②半實(shí)物硬件接口:進(jìn)行實(shí)物電路接口與仿真計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口之間的互聯(lián)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)和實(shí)物設(shè)備之間的物理互聯(lián);

③仿真配置模塊:配置半實(shí)物硬件接口的仿真地址,控制半實(shí)物仿真運(yùn)行過程;

④協(xié)仿真處理模塊:基于OPNET的協(xié)仿真機(jī)制,通過OPNET的外部訪問接口(External System Access,ESA)實(shí)現(xiàn)外部控制程序和OPNET仿真程序的通信交互,保證仿真系統(tǒng)和實(shí)物系統(tǒng)的同步運(yùn)行;

⑤實(shí)物映射節(jié)點(diǎn):實(shí)物設(shè)備在仿真網(wǎng)絡(luò)中的虛擬映射節(jié)點(diǎn),是仿真網(wǎng)絡(luò)的組成部分,虛擬映射節(jié)點(diǎn)在仿真網(wǎng)絡(luò)中使用無線管道機(jī)制或特定有線鏈路模型與仿真網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)互聯(lián);

⑥復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)仿真:依據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)建模需求形成的仿真網(wǎng)絡(luò),可包括客戶端、服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、無線通信中繼等多類型的節(jié)點(diǎn)模型。

2 OPNET半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)

參照OPNET半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)成,OPNET半實(shí)物仿真的核心處理主要包括OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)現(xiàn)和半實(shí)物仿真接口實(shí)現(xiàn)2個(gè)部分。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)現(xiàn)部分可參考專業(yè)書籍和相關(guān)文章,在此主要介紹半實(shí)物仿真接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

在半實(shí)物仿真中,OPNET代表的仿真網(wǎng)絡(luò)在與計(jì)算機(jī)外界的實(shí)物終端進(jìn)行交互時(shí),必須通過半實(shí)物仿真接口。半實(shí)物接口軟件處理單元主要包括仿真配置和協(xié)同仿真處理模塊,實(shí)現(xiàn)仿真的運(yùn)行控制和仿真網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流到實(shí)物設(shè)備數(shù)據(jù)流的協(xié)議轉(zhuǎn)換。半實(shí)物接口硬件處理單元與仿真計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互可以采用串口、以太網(wǎng)口和USB口等,半實(shí)物接口硬件處理單元與實(shí)物終端的接口根據(jù)實(shí)際設(shè)備的接口要求進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),考慮實(shí)物設(shè)備接口以E1接口為例。半實(shí)物仿真接口的功能構(gòu)成如圖2所示。

圖2 半實(shí)物仿真接口的功能構(gòu)成

2.1 半實(shí)物接口硬件處理單元實(shí)現(xiàn)

半實(shí)物接口硬件處理單元實(shí)現(xiàn)實(shí)物終端到仿真網(wǎng)計(jì)算機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)交換,具有實(shí)時(shí)性和實(shí)物終端協(xié)議匹配的特性,通常選擇FPGA進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。

采用IP接口和E1接口實(shí)現(xiàn)PC仿真環(huán)境與實(shí)物設(shè)備的互連。IP接口實(shí)現(xiàn)分為物理層實(shí)現(xiàn)和協(xié)議實(shí)現(xiàn),物理層實(shí)現(xiàn)采用專用芯片,完成從線路碼型到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換;協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用IPCore軟核,完成IP接口MAC協(xié)議的解析。E1接口物理層實(shí)現(xiàn)同樣采用專用芯片,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;協(xié)議層的成幀和解幀處理采用FPGA編程實(shí)現(xiàn),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。半實(shí)物接口硬件處理單元的接口架構(gòu)如圖3所示。

圖3 半實(shí)物接口硬件處理單元接口架構(gòu)

2.2 半實(shí)物接口軟件處理單元實(shí)現(xiàn)

如上所述,半實(shí)物接口軟件處理單元主要包括仿真配置和協(xié)仿真處理模塊,實(shí)現(xiàn)仿真的運(yùn)行控制和OPNET仿真網(wǎng)數(shù)據(jù)流到實(shí)物設(shè)備數(shù)據(jù)流的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

仿真配置模塊:是半實(shí)物仿真接口的仿真配置和管理的主要工具。主要完成的仿真配置和仿真操作功能。仿真配置功能用于對(duì)半實(shí)物接口設(shè)備的IP接口進(jìn)行MAC地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)和掩碼設(shè)置,進(jìn)行仿真時(shí)間推進(jìn)步長(zhǎng)設(shè)置等;仿真操作功能包括仿真的運(yùn)行、暫停和結(jié)束操作。

協(xié)仿真處理模塊:基于OPNET的協(xié)仿真機(jī)制情況下,協(xié)仿真處理模塊的實(shí)現(xiàn)是通過OPNET的ESA接口實(shí)現(xiàn)與OPNET仿真程序的通信交互,由數(shù)據(jù)處理模塊和仿真控制模塊組成。數(shù)據(jù)處理模塊完成仿真系統(tǒng)與實(shí)物系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互,仿真控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行控制,保證整體半實(shí)物仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)性。

協(xié)仿真處理模塊的數(shù)據(jù)處理功能包括:

①協(xié)仿真程序從半實(shí)物硬件接口的數(shù)據(jù)流中讀取從實(shí)物終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析和重新封裝,并把重封裝后的數(shù)據(jù)映射到仿真網(wǎng)的內(nèi)部處理程序;

②協(xié)仿真程序從仿真網(wǎng)內(nèi)部處理程序接收仿真數(shù)據(jù)流,解析并獲取向?qū)嵨锝K端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,根據(jù)實(shí)物終端的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)幀重封裝,并把數(shù)據(jù)發(fā)送給實(shí)物設(shè)備。

協(xié)仿真處理模塊的仿真控制功能包括:

①向OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)查詢要執(zhí)行的仿真事件的時(shí)間;

②等待仿真網(wǎng)絡(luò)與實(shí)物終端交互的數(shù)據(jù)包,根據(jù)數(shù)據(jù)的流向調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)解幀、封裝和轉(zhuǎn)發(fā)處理;

③在實(shí)際時(shí)間執(zhí)行仿真網(wǎng)絡(luò)的仿真事件。

協(xié)仿真處理進(jìn)程的關(guān)鍵函數(shù)如下:

①GetModuleIDByMacAddress():根據(jù)地址獲取仿真模塊ID;

②GetObjectIDByName():根據(jù)對(duì)象名稱獲得對(duì)象ID;

③SimDataToReal():完成仿真報(bào)文到實(shí)際數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換;

④RealDataToSim():完成實(shí)際數(shù)據(jù)到仿真報(bào)文的轉(zhuǎn)換;

⑤GetPacketLength():從比特流中定位數(shù)據(jù)包并獲取包長(zhǎng)度。

3 仿真結(jié)果分析

實(shí)物終端A、B與目標(biāo)終端DEST之間通過2個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和4個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián);協(xié)調(diào)接口模塊完成半實(shí)物接口的協(xié)仿真處理功能實(shí)現(xiàn);OPNET仿真計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與半實(shí)物仿真硬件接口設(shè)備互聯(lián),實(shí)物終端通過E1接口與半實(shí)物仿真硬件接口互聯(lián)。在仿真網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議棧的協(xié)議交互過程中增加了仿真統(tǒng)計(jì)量,對(duì)實(shí)物終端的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估。半實(shí)物仿真網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)物—仿真—實(shí)物的工作模式。在試驗(yàn)過程中,對(duì)吞吐量、信道數(shù)量、丟包率、重傳率、傳輸時(shí)延和可達(dá)性等多類統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)仿真驗(yàn)證,半實(shí)物仿真網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)分析曲線清晰且全面地體現(xiàn)了各實(shí)物終端在仿真網(wǎng)絡(luò)的通信能力、通信可信性和通信可用性,也指導(dǎo)了實(shí)物終端 的工作性能優(yōu)化。半實(shí)物仿真場(chǎng)景設(shè)置如圖4所示。

圖4 半實(shí)物仿真網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景圖

4 結(jié)束語

通過半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái),實(shí)物終端與仿真網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合,避免了終端性能測(cè)試所需復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的實(shí)物平臺(tái)構(gòu)建,提供了對(duì)實(shí)物節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證、分析和評(píng)估的有效手段。半實(shí)物仿真方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研究方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì),應(yīng)用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)背景下的網(wǎng)絡(luò)研究是一條可行、有效的技術(shù)途徑。

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