未来天玑|基于容器和VLAN的低轨卫星网络仿真系统的设计与实现

太空安全 2025-03-02 09:43:22 技术前沿 1304 0

基于容器和VLAN的低轨卫星网络仿真系统的设计与实现

方案结合了离散事件模拟技术和虚拟化仿真技术，将系统划分控制面和数据面设计了用户界面层、控制层、资源管理层、任务调度层、设备层及载体层，满足高动态拓扑变化的仿真、大规模用户节点的仿真、真实业务流量的承载、仿真资源的部署与管理，以及离散事件的高性能调度。

在控制层，设计了一种低轨卫星星座运动模型、网络拓扑模型和网络编址模型根据规范的星座参数构建运动模型和拓扑模型，通过内部时钟激励数学模型产生链路通断等离散事件，驱动载体层中载体资源的动态配置，满足高动态拓扑变化的仿真。在载体层，设计了一种低轨卫星网络载体模型，基于Docker 容器和 Linux 虚拟网络设备构建卫星节点、用户节点、星间链路及星地链路。同时给出了基于载体的离散事件仿真方式、分布式及半实物扩展方案，满足系统对大规模用户节点的仿真以及真实业务流量的承载。

在资源管理层，设计了基于 Shell的载体资源管理方式，基于SSH进行分布式管理。同时设计了基于切片的主机资源的管理，提出了“平铺算法”实现载体资源于主机资源的映射，满足系统对仿真资源的部署与管理需求

在任务调度层，设计了基于多线程、互斥锁及条件变量的任务串行、并行及组合调度方式，并进一步设计了“任务树”机制，将任务调度进行统一封装，提高系统代码的可维护性，满足系统对离散事件的高性能调度。

1)用户界面层的与下层的交互

用户界面层接收用户的交互式输入，翻译用户指令并交由下层执行管理操作。下层处理完成后返回执行结果至，用户界面层将结果同步展示给用户。

2)控制层与资源管理层的交互

有两种情况会触发控制层与资源管理层的交互。一是由用户界面层触发，如用户添加、删除及配置仿真网络。二是由仿真网络抽象中内部时钟触发，包括离散事件和状态轮询。控制层将配置仿真网络载体的命令集传递至资源管理层，资源管理层处理完成后返回结果，控制层同步更新仿真网络抽象的状态。

3)资源管理层与设备层的交互

有两种情况会触发资源管理层与设备层的交互。一是由用户界面层触发，如添加删除及配置切片。二是由控制层触发，将控制层产生的命令集在对应的主机上执行实现对仿真网路载体的动态配置。资源管理层通过消息组件(如SSH)传递命令集至设备层，设备层执行完成后返回结果，资源管理层同步更新逻辑切片的状态，并将结果向上层返回。

4)上层与任务调度层的交互

用户界面层、控制层及资源管理层都可以作为任务调度层的上层，上层将具体任务传递给任务调度层，任务调度层进行任务的串行、并发或组合调度执行，任务完成后同步返回结果至上层

首先考虑系统的整体业务流程。系统启动后，用户通过交互界面输入指令，随后系统进行指令解析并执行，执行完成后输出结果。另外，为了保持控制面与数据面的状态同步，系统需具备对数据面资源的状态监视能力，将数据面的实际状态同步更新到控制面中，可以采用定时状态轮询的方式实现。

进一步，考虑对目标网络的仿真流程。一个完整的仿真流程分三个步骤:创建仿真网络实体。

基于星座参数或位置文件创建仿真网络抽象并绑定一个切片实体，仿真网络载体将部署在切片实体中。

进行网络动态仿真

激活仿真网络的内部时钟，激励仿真网络抽象产生离散事件，由逻辑切片映射到目标主机并动态配置仿真网络载体，实现离散事件的仿真。同时通过对载体的外部配置，实现网络异常的仿真。

删除仿真网络实体

包括释放仿真网络载体以及仿真网络抽象。仿真网络实体删除后，系统将回到第一步之前的状态。

动态仿真中的仿真网络实体为上层协议提供了低轨卫星网络环境。诸如路由协议运输层协议及业务模型等上层协议可以直接在仿真网络载体中部署(如在节点载体中开启 Quagga58l),也可以通过模型扩展的方式在仿真网络抽象中部署。

一是验证仿真网络的管理功能，包括创建、启动、配置、停止及删除仿真网络。二是验证仿真网络本身的功能需求满足，包括网络动态性、分布式扩展、半实物仿真以及承载真实流量。

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