趙國鋒，秦至希，徐 川，韓珍珍，周繼華，黃軍偉

(1.重慶郵電大學(xué) 未來網(wǎng)絡(luò)研究中心，重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065； 3.重慶市金美有限責(zé)任公司，重慶 400030)

0 引言

當(dāng)前，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)引入到移動(dòng)通信已成為發(fā)展趨勢(shì)之一，其優(yōu)勢(shì)是能提高網(wǎng)絡(luò)靈活性與高效性。其中機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)的基本要求是在缺乏基礎(chǔ)通信設(shè)施的區(qū)域能支持機(jī)動(dòng)任務(wù)，在傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)通信場景中，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)以其自組織、快速組網(wǎng)和魯棒性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但當(dāng)今機(jī)動(dòng)任務(wù)具有更復(fù)雜的通信和計(jì)算要求，如聯(lián)盟任務(wù)、NTK等新型任務(wù)需求[1]，需要在機(jī)動(dòng)中安全地區(qū)分共享信息以及保護(hù)敏感信息與信息安全，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代機(jī)動(dòng)任務(wù)的需求[1]。SDN能夠重新設(shè)計(jì)并成功部署機(jī)動(dòng)場景系統(tǒng)，并能完全或部分地解耦控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面操作，為網(wǎng)絡(luò)管理帶來可編程性[2]。機(jī)動(dòng)通信行業(yè)專家已經(jīng)提出在聯(lián)盟任務(wù)中SDN可以根據(jù)特定任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和要求提供靈活的路線選擇和動(dòng)態(tài)的傳輸決策[3]，并且許多軟件定義機(jī)動(dòng)場景通信的架構(gòu)被提出來[4-6]滿足現(xiàn)代機(jī)動(dòng)任務(wù)需求，機(jī)動(dòng)通信場景結(jié)合SDN的研究已成為未來機(jī)動(dòng)通信的研究趨勢(shì)。為了對(duì)未來機(jī)動(dòng)通信場景的實(shí)際部署提供理論驗(yàn)證和支持，仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)和研究已成為機(jī)動(dòng)通信的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中，研究人員廣泛采用NS-3、OMNeT++等平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估，這些仿真平臺(tái)考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性和無線鏈路特性，被廣泛使用在自組織無線網(wǎng)絡(luò)場景中，但其擴(kuò)展功能模塊只部分支持SDN功能，不能很好地滿足現(xiàn)在機(jī)動(dòng)通信場景結(jié)合SDN研究趨勢(shì)的需求。在SDN實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)應(yīng)用最為廣泛的是Mininet[7]，但Mininet不能支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性和無線鏈路特性，不能滿足機(jī)動(dòng)場景的特性。Mininet-wifi[8]是巴西坎皮納斯大學(xué)對(duì)Mininet進(jìn)行了拓展和改進(jìn)的輕量級(jí)仿真平臺(tái)，相較于Mininet增加了虛擬無線終端和終端關(guān)聯(lián)/移動(dòng)性仿真，并且其真實(shí)性也相較于NS-3、OMNeT++等仿真平臺(tái)高[9]?，F(xiàn)有Mininet-wifi仿真系統(tǒng)主要考慮終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及與固定AP節(jié)點(diǎn)間鏈路特性，同時(shí)提供一些基礎(chǔ)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型和無線模塊基類。然而機(jī)動(dòng)通信場景中交換節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)動(dòng)態(tài)移動(dòng)，并且交換節(jié)點(diǎn)之間無線鏈路特性也隨之動(dòng)態(tài)變化，現(xiàn)有Mininet-wifi沒有考慮這些特性。另外，由于交換節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)，Mininet-wifi無法保障終端節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)，可能導(dǎo)致通信業(yè)務(wù)中斷?，F(xiàn)有Mininet-wifi還無法較好地滿足機(jī)動(dòng)通信場景的仿真需求，沒有考慮交換節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、交換節(jié)點(diǎn)之間無線鏈路的動(dòng)態(tài)變化以及終端節(jié)點(diǎn)與交換節(jié)點(diǎn)的可靠關(guān)聯(lián)等問題。

針對(duì)機(jī)動(dòng)通信場景的仿真需求，本文基于Mininet-wifi提出一種機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)機(jī)動(dòng)通信場景的特點(diǎn)對(duì)Mininet-wifi功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性以及無線鏈路狀態(tài)的動(dòng)態(tài)管理，針對(duì)結(jié)合SDN仿真場景添加仿真系統(tǒng)與控制器交互功能接口，更好地滿足機(jī)動(dòng)通信場景特點(diǎn)和需求，構(gòu)建了基于SDN的機(jī)動(dòng)通信場景仿真系統(tǒng)。

1 機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型分析

機(jī)動(dòng)通信廣泛應(yīng)用于應(yīng)急、救援演練通信等領(lǐng)域中，是一種根據(jù)機(jī)動(dòng)任務(wù)的需要建立的通信網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)靈活、響應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。為了滿足機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真的需求，本文根據(jù)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場景中通信節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性以及無線鏈路狀態(tài)構(gòu)建對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型和屬性，完善機(jī)動(dòng)通信仿真系統(tǒng)。

1.1 機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場景

機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場景中的機(jī)動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)包括大量攜帶通信設(shè)備的移動(dòng)者(人員、通信車、信號(hào)采集車、傳感器等)，根據(jù)指揮中心發(fā)出的機(jī)動(dòng)任務(wù)采取行動(dòng)，相互協(xié)調(diào)。后臺(tái)指揮中心是機(jī)動(dòng)任務(wù)區(qū)域后方固定部署的基礎(chǔ)設(shè)施，主要對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指揮，完成如語音、勘測(cè)圖像、視頻會(huì)議等業(yè)務(wù)。人員、傳感器和信號(hào)采集車等組成機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的接入部分網(wǎng)絡(luò)，一般其數(shù)據(jù)通過特定存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(信號(hào)采集車)存儲(chǔ)，并通過通信車組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成機(jī)動(dòng)任務(wù)。

為了在仿真系統(tǒng)中構(gòu)建真實(shí)的機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的仿真環(huán)境，仿真系統(tǒng)根據(jù)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)變化的通信節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和鏈路狀態(tài)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，其網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素主要為節(jié)點(diǎn)屬性、鏈路屬性、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)管理以及節(jié)點(diǎn)切換管理。

圖1 機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性

在機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中，首先考慮通信節(jié)點(diǎn)的屬性變化，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型一般使用隨機(jī)航點(diǎn)模型(Random Waypoint)，隨機(jī)航點(diǎn)模型是當(dāng)前用于評(píng)估移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)對(duì)于流行的移動(dòng)模型之一，節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)到一個(gè)位置(Waypoint)，然后隨機(jī)停留一段時(shí)間(Tpause)后進(jìn)行下一次移動(dòng)。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程表達(dá)如下：

(1)

現(xiàn)有Mininet-wifi移動(dòng)性管理模塊中對(duì)隨機(jī)航點(diǎn)模型進(jìn)行了描述，但為了保障真實(shí)機(jī)動(dòng)場景中任務(wù)的傳輸質(zhì)量，使得接入層部分特定終端節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)中的交換節(jié)點(diǎn)保持實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，需要針對(duì)移動(dòng)管理模塊中Random Waypoint子模塊進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)交換節(jié)點(diǎn)覆蓋域動(dòng)態(tài)變化條件下終端節(jié)點(diǎn)隨機(jī)航點(diǎn)移動(dòng)模塊。

1.3 機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型無線鏈路狀態(tài)

在機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中，無線鏈路狀態(tài)反映了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸能力。在移動(dòng)性較強(qiáng)的地面機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中主要采用短波、超短波等無線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交互[10]，保證機(jī)動(dòng)通信場景下指揮響應(yīng)以及穩(wěn)定通信能力[11]。但復(fù)雜的地理環(huán)境會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)造成不同程度的影響，如路徑損耗、陰影衰落等因素都會(huì)不同程度地影響通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量[12]。在傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)通信場景仿真中，一般通過路徑損耗模型以及對(duì)數(shù)正態(tài)陰影(log-normal shadow)[13]模型根據(jù)公式(2)來模擬通信節(jié)點(diǎn)傳輸能力。

(2)

現(xiàn)有Mininet-wifi沒有考慮交換節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路影響，為了保證仿真系統(tǒng)對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型仿真的真實(shí)性，該仿真系統(tǒng)基于Mininet-wifi一些已有傳輸模塊，考慮路徑損耗、干擾模型以及對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型來評(píng)估通信節(jié)點(diǎn)傳輸能力，擴(kuò)展無線鏈路狀態(tài)模塊，真實(shí)地模擬機(jī)動(dòng)環(huán)境中鏈路狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。

2 基于Mininet-wifi的軟件定義機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Mininet-wifi是基于Mininet開發(fā)的開源仿真系統(tǒng)，繼承了Mininet中對(duì)SDN的支持以及有線鏈路場景的仿真模型，并且添加了基于Linux無線驅(qū)動(dòng)設(shè)備mac802.11/SoftMac的無線終端和虛擬化無線接入點(diǎn)。圖2為Mininet-wifi無線部分主要組件及改進(jìn)仿真系統(tǒng)擴(kuò)展模塊，Mininet-wifi通過內(nèi)核mac80211_hwsim模塊創(chuàng)建虛擬WiFi接口，并且在AP端實(shí)現(xiàn)配置/獲取無線接口信息功能，如iw、iwconfig、wpa_supplication等。通過Mininet-wifi提供的無線仿真接口，可以結(jié)合機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場景中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特性構(gòu)建相應(yīng)的無線仿真環(huán)境。

圖2 Mininet-wifi無線組件組成及添加模塊

現(xiàn)有Mininet-wifi中只提供了常用的終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型、關(guān)聯(lián)/切換模塊、干擾以及傳播模型模塊，并未提供針對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中符合真實(shí)場景的特有功能模塊。本文通過對(duì)Mininet-wifi進(jìn)行二次開發(fā)，在特定模塊中添加相關(guān)的自定義功能模塊，主要包括動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型模塊、無線鏈路狀態(tài)維護(hù)模塊以及控制器通信模塊，保證其在滿足機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型仿真需求的前提下不影響其他網(wǎng)絡(luò)模型仿真，具有很好的兼容性、繼承性，并且能滿足機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型仿真的特定需求。

2.1 動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型模塊

動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型模塊保證網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化過程中終端節(jié)點(diǎn)與交換節(jié)點(diǎn)持續(xù)關(guān)聯(lián)。在現(xiàn)有Mininet-wifi提供的移動(dòng)模型模塊中隨機(jī)航點(diǎn)模型的功能主要實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性模擬，但是沒有區(qū)分終端節(jié)點(diǎn)和交換節(jié)點(diǎn)，因此可能出現(xiàn)終端接待移動(dòng)出通信覆蓋范圍的情況，導(dǎo)致業(yè)務(wù)流中斷，難以完全滿足機(jī)動(dòng)通信場景的仿真需求。本文通過對(duì)Mininet-wifi中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模塊進(jìn)行擴(kuò)展，添加動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型模塊，保證接入終端節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中始終在其所關(guān)聯(lián)的交換轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，并保持通信業(yè)務(wù)連續(xù)性。

動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型模塊原理如圖3所示，為了讓終端節(jié)點(diǎn)始終與相應(yīng)交換轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)保持關(guān)聯(lián)，終端節(jié)點(diǎn)h的移動(dòng)范圍受限制于交換節(jié)點(diǎn)s的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，即圖中以節(jié)點(diǎn)s為圓心，覆蓋能力R為半徑的圓形區(qū)域?yàn)橄拗乒?jié)點(diǎn)h移動(dòng)的限制區(qū)域。由于節(jié)點(diǎn)s在矩形范圍內(nèi)以隨機(jī)航點(diǎn)模型進(jìn)行移動(dòng)，所以節(jié)點(diǎn)h的移動(dòng)限制區(qū)域是動(dòng)態(tài)變化的，且交換節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不同。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)h的移動(dòng)邏輯滯后于節(jié)點(diǎn)s，所以本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)中交換節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，然后添加基于終端節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型模塊，其主要步驟如下：

圖3 動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型原理

(1)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分類為兩個(gè)集合，分別是交換轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合Ss={s1,s2,…}和接入終端節(jié)點(diǎn)集合Sh={h1,h2,…}。在隨機(jī)航點(diǎn)模型子模塊計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)邏輯中先計(jì)算節(jié)點(diǎn)集Ss中所有節(jié)點(diǎn)si的下一個(gè)航點(diǎn)si+1；

(3)

[x(hi)-x(si+1)]2+[y(hi)-y(si+1)]2<(R+vmax·t)2

(4)

(2)根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)h(h∈Sh)所關(guān)聯(lián)的交換節(jié)點(diǎn)s(s∈Ss)的下一個(gè)航點(diǎn)坐標(biāo)si+1動(dòng)態(tài)限制節(jié)點(diǎn)h的移動(dòng)范圍，并且計(jì)算其的下一個(gè)航點(diǎn)hi+1。

[x(hi+1)-x(si+1)]2+[y(hi+1)-y(si+1)]2

(5)

公式(5)表示對(duì)以隨機(jī)航點(diǎn)模型移動(dòng)的終端節(jié)點(diǎn)h的移動(dòng)范圍進(jìn)行約束，使其不超過與之關(guān)聯(lián)的交換節(jié)點(diǎn)s信號(hào)覆蓋范圍。

通過以上步驟，可以保證機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中通信節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中相應(yīng)的業(yè)務(wù)不因終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性中斷，對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中業(yè)務(wù)仿真具有重要意義。

2.2 動(dòng)態(tài)鏈路管理模塊

動(dòng)態(tài)鏈路管理模塊實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)對(duì)真實(shí)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中無線鏈路狀態(tài)信息的模擬。當(dāng)前軟件定義機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)研究使用Mininet或Mininet-wifi對(duì)場景進(jìn)行仿真時(shí)主要采用以太網(wǎng)鏈路，這種以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)鏈路沒有考慮干擾以及傳輸損耗等無線鏈路相關(guān)要素，不能很好地根據(jù)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中通信節(jié)點(diǎn)的變化實(shí)時(shí)反映鏈路的狀態(tài)。本系統(tǒng)考慮傳播模型與干擾，使用無線鏈路并對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，添加動(dòng)態(tài)鏈路管理模塊，模擬真實(shí)場景中鏈路狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。

2.2.1傳播模型與干擾

在地面機(jī)動(dòng)通信場景，應(yīng)考慮由于地形環(huán)境影響通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備的傳播模型。本文采用對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型來計(jì)算通信節(jié)點(diǎn)之間鏈路損耗，對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型是陰影衰落最常用的模型，反映了機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中障礙物(如山地、丘陵等)對(duì)通信電臺(tái)電磁波的影響。

2.2.2無線鏈路狀態(tài)信息維護(hù)

本文基于Mininet-wifi傳播模型與干擾子模塊，考慮路徑損耗模型與對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型對(duì)通信節(jié)點(diǎn)之間無線鏈路狀態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)交換轉(zhuǎn)發(fā)鏈路無線狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)維護(hù)，保證機(jī)動(dòng)通信場景仿真中交換鏈路的無線鏈路狀態(tài)信息更符合真實(shí)場景。無線鏈路狀態(tài)維護(hù)的算法實(shí)現(xiàn)主要通過兩個(gè)階段：

(1)每當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)根據(jù)移動(dòng)模型完成下一次航點(diǎn)移動(dòng)后，分離出仿真網(wǎng)絡(luò)中交換節(jié)點(diǎn)(OVS內(nèi)核AP)，考慮干擾、對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型、路徑損耗所決定無線鏈路傳輸能力，在網(wǎng)絡(luò)中添加可能的新無線鏈路。

(2)對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)中無線鏈路進(jìn)行判斷，移除不滿足鏈路傳輸能力的無線鏈路，并配置滿足條件的無線鏈路狀態(tài)信息，其狀態(tài)主要包括無線鏈路帶寬、無線鏈路傳輸時(shí)延、無線鏈路丟包率等。

無線鏈路狀態(tài)維護(hù)算法

nodes ← ,links ← ?

1. function DyWirelessLink(G(V,E),rth)

2. if event node_moved then

3. foreach node in V do //stage 1

4. if node is AP_node then

5 nodes ← nodes ∪ node;

6. foreach node1 in nodes do

7. foreach node2 in nodes and node1 != node2 do

8. dist=distance(node1,node2);

9. d=dist_mode(dist);

//干擾/傳播模型/路徑損耗

10. if d > rththen

11. if link(node1,node2) not in E then

12. E ← E ∪ link(node1,node2);

13. configure link channel information;

14. foreach link in E do

//stage 2

15. dist=distance(link.node1,link.node2);

16. d =dist_mode(dist);

//干擾/傳播模型/路徑損耗

17. if d < rththen

18. remove link from E;

19. else

20. update/configure link channel information;

21. return E

2.3 控制器交互接口模塊

控制器交互接口模塊實(shí)現(xiàn)一些特殊的仿真需求，如在機(jī)動(dòng)通信場景中，GPS等定位導(dǎo)航功能幫助指揮部做出更合理的機(jī)動(dòng)任務(wù)指揮，能提升機(jī)動(dòng)任務(wù)精準(zhǔn)性和安全性。但由于傳統(tǒng)的SDN控制器廣泛應(yīng)用于固定網(wǎng)絡(luò)，忽略通信節(jié)點(diǎn)的位置信息這一概念，Mininet與Mininet-wifi也沒有提供與控制器交互相應(yīng)的信息的接口，因此本文基于Mininnet-wifi設(shè)計(jì)添加一個(gè)與控制器通信接口，用于傳輸通信節(jié)點(diǎn)位置信息等對(duì)仿真場景有一定重要性的數(shù)據(jù)。

本文對(duì)Mininet-wifi和Ryu[14]控制器端進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)Mininet-wifi仿真平臺(tái)與控制器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸接口。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)如圖4所示，控制器與Mininet-wifi構(gòu)建的仿真網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)安全協(xié)議SSL保證實(shí)現(xiàn)安全的OpenFlow[15]傳輸通道，但缺乏一個(gè)控制器與網(wǎng)絡(luò)信息的通信接口。本文以控制器作為服務(wù)端進(jìn)行監(jiān)聽，Mininet-wifi作為客戶端連接，建立一個(gè)Mininet-wifi與控制器之間數(shù)據(jù)傳輸接口。以控制器獲取節(jié)點(diǎn)位置信息為例，每當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后，Mininet-wifi收集節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息并封裝成字符串，通過Socket接口發(fā)送給控制器，控制器解析字符串?dāng)?shù)據(jù)，將位置信息傳入應(yīng)用。同樣，控制器可以傳輸信息給仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制器控制虛擬網(wǎng)絡(luò)的功能。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文針對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型場景基于Mininet-wifi擴(kuò)展仿真系統(tǒng)模塊的可行性，結(jié)合Ryu控制器對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件配置如表1所示,機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖4 與控制器接口模塊

測(cè)試環(huán)境VMware WorkstationVMware Workstation操作系統(tǒng)64位 Ubuntu16.0464位 Ubuntu16.04內(nèi)存1 GB1 GB處理器Intel Core i5、3.30 HzIntel Core i5、3.30 Hz測(cè)試平臺(tái)Mininet-wifi改進(jìn)仿真系統(tǒng)

表2 機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型仿真參數(shù)

仿真系統(tǒng)環(huán)境資源結(jié)果圖如圖5所示，分別對(duì)仿真系統(tǒng)運(yùn)行資源消耗和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣r(shí)間進(jìn)行比較，從結(jié)果圖中可以直觀看出本文改進(jìn)仿真系統(tǒng)相對(duì)于Mininet-wifi的運(yùn)行資源消耗略多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣r(shí)延略多，但相差不大。其誤差的原因是改進(jìn)仿真系統(tǒng)需要消耗額外的物理資源和時(shí)間來維持添加模塊工作，以更好地適應(yīng)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型的正常運(yùn)行。通過仿真系統(tǒng)環(huán)境資源對(duì)比，本文改進(jìn)仿真系統(tǒng)能夠在滿足基本環(huán)境需求的前提下正常運(yùn)行。

圖5 仿真系統(tǒng)環(huán)境資源評(píng)估

改進(jìn)仿真系統(tǒng)對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型的可行性仿真實(shí)例如圖6所示。圖6(a)為改進(jìn)仿真系統(tǒng)仿真機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)例網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；圖6(b)為與改進(jìn)仿真系統(tǒng)連接Ryu控制器運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，說明該仿真平臺(tái)正常運(yùn)行實(shí)例。

圖6 改進(jìn)仿真平臺(tái)對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型可行性仿真實(shí)例

改進(jìn)仿真系統(tǒng)對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型的功能性仿真實(shí)例如圖7所示。其中，圖7(a)為機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型中終端節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)模型下與交換節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性測(cè)試結(jié)果，Mininet-wifi中終端關(guān)聯(lián)占空比在0.6到0.963之間，而改進(jìn)仿真平臺(tái)終端關(guān)聯(lián)占空比達(dá)到1，說明移動(dòng)中的終端節(jié)點(diǎn)與交換節(jié)點(diǎn)始終關(guān)聯(lián)，不中斷其業(yè)務(wù)。圖7(b)為端到端業(yè)務(wù)流時(shí)延與吞吐量情況，其中使用Mininet-wifi仿真時(shí)延無窮以及吞吐量為0的區(qū)間為交換節(jié)點(diǎn)與終端斷開關(guān)聯(lián)，同時(shí)數(shù)值的變化也反映出無線鏈路狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)變化。

從仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)仿真平臺(tái)能夠連接控制器正常運(yùn)行，并且對(duì)現(xiàn)有Mininet-wifi進(jìn)行改進(jìn)的模塊都正常運(yùn)行。其中改進(jìn)的動(dòng)態(tài)條件移動(dòng)模型模塊保證了終端節(jié)點(diǎn)與交換節(jié)點(diǎn)始終關(guān)聯(lián)，無線鏈路狀態(tài)維護(hù)模塊動(dòng)態(tài)地更新了交換節(jié)點(diǎn)之間無線鏈路的狀態(tài)，控制器通過控制器通信模塊成功獲取了仿真網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置信息。說明改進(jìn)仿真系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行仿真，并且相較于Mininet-wifi更能滿足機(jī)動(dòng)通信場景的需求。

圖7 改進(jìn)仿真平臺(tái)對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型功能性仿真實(shí)例

4 結(jié)論

本文從功能設(shè)計(jì)的角度，針對(duì)機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型基于仿真平臺(tái)Mininet-wifi進(jìn)行擴(kuò)展，集成多種功能模塊，在少量額外資源消耗下滿足機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型的真實(shí)仿真需求并且結(jié)合機(jī)動(dòng)通信與SDN的研究趨勢(shì)，完成改進(jìn)仿真系統(tǒng)的開發(fā)。改進(jìn)仿真系統(tǒng)提供了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下保障接入終端動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性移動(dòng)模型，防止業(yè)務(wù)中斷；另外，改進(jìn)仿真系統(tǒng)考慮真實(shí)場景的干擾、傳播模型等影響，提供對(duì)無線鏈路的動(dòng)態(tài)鏈路狀態(tài)管理功能，保證仿真的真實(shí)性；最后仿真系統(tǒng)還提供與控制器的交互接口，支持模擬擴(kuò)展功能。本文基于開源項(xiàng)目Mininet-wifi進(jìn)行擴(kuò)展的改進(jìn)仿真系統(tǒng)，繼承了Mininet-wifi的功能優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，改進(jìn)仿真系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠在仿真領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。