天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)寬帶用戶行為仿真技術(shù)

蔣姝麗，劉 淵，王曉鋒

1.江南大學(xué) 數(shù)字媒體學(xué)院 江蘇省媒體設(shè)計與軟件技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122

2.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122

1 引言

隨著地面信息網(wǎng)絡(luò)和天基信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐漸從“天星地網(wǎng)”向“天網(wǎng)地網(wǎng)”模式演進(jìn)，為搶占空天信息競爭的制高點，拓展國家利益，維護(hù)國家安全，建設(shè)天網(wǎng)地網(wǎng)相融合的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)具有重大戰(zhàn)略意義。但天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有規(guī)模大、協(xié)議多、高動態(tài)、分布式自組織等特點，攻克技術(shù)問題與難點時耗資巨大[1]，因此有必要搭建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺，對涉及到的新技術(shù)、新方案進(jìn)行驗證，從而高效地推進(jìn)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程的實現(xiàn)。

寬帶用戶行為是指占用大量帶寬資源、頻繁使用數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)活動。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中寬帶用戶作為通信用戶的重要主體，具有分布范圍廣、用戶規(guī)模大、行為多樣、并發(fā)通信高等特點，需要對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的寬帶用戶行為仿真進(jìn)行重點研究。

目前基于云平臺的虛擬目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建已成為網(wǎng)絡(luò)仿真的新趨勢。云計算仿真平臺具有通用性、可擴(kuò)展性、實時仿真等優(yōu)勢，可以為網(wǎng)絡(luò)仿真提供高性能、靈活的虛擬仿真環(huán)境[2]；而虛擬化技術(shù)在資源的有效利用、動態(tài)調(diào)配和高可靠性等方面有著巨大的優(yōu)勢[3]。本文以云計算技術(shù)支撐的仿真平臺為實驗環(huán)境，結(jié)合虛擬化技術(shù)，構(gòu)建天地一體化寬帶用戶行為仿真網(wǎng)絡(luò)。融合系統(tǒng)仿真工具包STK（System Tools Kit），對衛(wèi)星鏈路特性參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)控制，確保衛(wèi)星鏈路狀態(tài)和性能，實時監(jiān)控用戶數(shù)據(jù)，支持靜止?fàn)顟B(tài)和移動狀態(tài)的用戶接入，適用衛(wèi)星場景多種用戶通信。對網(wǎng)絡(luò)中寬帶用戶進(jìn)行研究，針對寬帶用戶數(shù)目多、行為多樣、并發(fā)通信高等特點，提出了基于模型驅(qū)動、參數(shù)可配置的寬帶用戶行為仿真方法，通過提取用戶行為參數(shù)特征量，以模型驅(qū)動的方式控制用戶行為，實現(xiàn)寬帶用戶的高逼真仿真；利用分布式方法構(gòu)建仿真用戶群，實現(xiàn)寬帶用戶行為的大規(guī)模仿真；研究用戶web訪問、ftp文件傳送、郵件、即時通訊（Instant Messaging，IM）等行為的規(guī)律，部署行為驅(qū)動，實現(xiàn)多樣化用戶行為仿真。

2 相關(guān)工作

目前，圍繞天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場景用戶行為仿真的相關(guān)工作主要包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真、用戶行為仿真研究兩方面。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真當(dāng)前的主流技術(shù)可分為測試實驗床、網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)。測試實驗床可滿足高逼真仿真的需求[4]，但無法滿足大規(guī)模、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿真需求，且成本較高。網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)可滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、動態(tài)仿真等需求[5-7]，但無法逼真再現(xiàn)用戶操作和實際應(yīng)用的部署，存在逼真性不足的局限。在網(wǎng)絡(luò)仿真方面，Li 等人基于云平臺對 LEO（Low Earth Orbit）衛(wèi)星鏈路進(jìn)行了仿真，實驗證明基于OpenStack 可以實現(xiàn)實時、按需分配和可擴(kuò)展的仿真平臺的創(chuàng)建，可以實現(xiàn)鏈路特性精確控制[8]，但該文獻(xiàn)只考慮了單條鏈路。文獻(xiàn)[9]融合了OpenStack 云平臺與衛(wèi)星仿真工具包STK的優(yōu)勢，提出一種高性能衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真方法，能夠支持多種衛(wèi)星鏈路特性的高逼真仿真及天基骨干鏈路的高通量仿真，但該文獻(xiàn)并未采用真實用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，通信鏈路中流量數(shù)據(jù)單一，不具備多協(xié)議性。

用戶行為仿真研究方面，Barabasi 和Vazquez 通過統(tǒng)計人們發(fā)送和回復(fù)電子郵件的事件間隔分布和事件等待時間分布，發(fā)現(xiàn)這兩個特征量都服從冪率分布，證明人類行為常常存在長時間的靜默，同時伴隨著短時間的陣發(fā)[10]。Dombry等人證明了流量數(shù)據(jù)的行為規(guī)律趨近于泊松分布[11]。宋濤等人基于BISANTE（Broadband Integrated Satellite Network Traffic Evaluations）建立分層業(yè)務(wù)流量模型[12]，并利用Opnet進(jìn)行建模和仿真，文章結(jié)果表明，利用流量模型能較好地反映用戶行為對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，具備較好的可信度和應(yīng)用的價值，但是Opnet仿真平臺是商用平臺，可擴(kuò)展性差，大規(guī)模仿真時的效率較低。Loyola 等人提出了一種基于會話仿真的網(wǎng)絡(luò)用戶行為分析的新方法，利用蟻群優(yōu)化算法對用戶行為進(jìn)行建模，提高了模型的適應(yīng)性[13]，但是這種理論分析方法計算量大，訓(xùn)練過程較慢，不適合大規(guī)模用戶行為仿真實驗。單曉紅[14]、鄧夏瑋[15]等人對網(wǎng)絡(luò)社區(qū)用戶數(shù)量及行為的變化規(guī)律進(jìn)行了仿真與分析。肖云鵬研究了用戶時間、空間仿真模型，并以微博系統(tǒng)為代表，對在線用戶微博發(fā)帖、回帖、互粉等行為進(jìn)行了仿真分析[10]，但他們的仿真實驗面向互聯(lián)網(wǎng)，并未針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶進(jìn)行研究，仿真的用戶行為單一，規(guī)模小，不能體現(xiàn)寬帶用戶行為多樣化、高并發(fā)的特性。

針對以上分析，本文結(jié)合云計算、虛擬化技術(shù)，借助文獻(xiàn)[9]的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，研究天地一體化寬帶用戶網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，相較于文獻(xiàn)[8-9]，在高性能天基通信網(wǎng)絡(luò)仿真的技術(shù)上，接入了地面通信仿真網(wǎng)絡(luò)，真正實現(xiàn)天網(wǎng)地網(wǎng)相融合；通過模型驅(qū)動的分布式用戶行為仿真方法，逼真再現(xiàn)寬帶用戶行為大規(guī)模、多協(xié)議、高并發(fā)通信，鏈路中通信數(shù)據(jù)更具有參考性；天基網(wǎng)絡(luò)支持靜止?fàn)顟B(tài)和移動狀態(tài)的地面寬帶用戶接入，能夠滿足天地一體化網(wǎng)絡(luò)場景的多種用戶接入需求。

3 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)寬帶用戶仿真體系

3.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)場景

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)采用天網(wǎng)地網(wǎng)相互連接、融合的通訊架構(gòu)，包括由高軌衛(wèi)星組成的天基骨干網(wǎng)，由低軌衛(wèi)星星座、Ka星座及Ku星座組成的天基接入網(wǎng)和由地面用戶節(jié)點組成的地基節(jié)點網(wǎng)互聯(lián)、融合而成[16]。其中天基骨干網(wǎng)由若干個處于對地靜止軌道的高軌衛(wèi)星節(jié)點聯(lián)網(wǎng)組成，承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)/分發(fā)、路由、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎匾δ埽蓪崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全球、全時覆蓋；天基接入網(wǎng)包括高軌衛(wèi)星移動接入網(wǎng)、低軌星座接入網(wǎng)等，為陸基、海基、空基、天基多維度用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)；地基節(jié)點網(wǎng)由關(guān)口站、一體化網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點等地基節(jié)點聯(lián)網(wǎng)組成，主要實現(xiàn)對天基網(wǎng)絡(luò)的控制管理、信息處理，以及天基網(wǎng)絡(luò)與地面用戶互聯(lián)網(wǎng)的互連等功能。

天地一體化寬帶用戶仿真網(wǎng)絡(luò)以高軌衛(wèi)星以及Ka星、Ku 星為通信衛(wèi)星，其中Ka 頻段工作范圍為26.5～40.0 GHz，Ku 頻段工作范圍為12.4～18.0 GHz。地基寬帶用戶通過Ka、Ku星接入天基骨干網(wǎng)，用戶之間的通信使用衛(wèi)星通信鏈路傳送，經(jīng)由衛(wèi)星仿真節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)跨網(wǎng)域、跨空域通信。

3.2 寬帶用戶行為仿真架構(gòu)

為克服仿真規(guī)模、仿真逼真性與計算開銷的矛盾，尋求一種高性能的仿真實驗平臺，文獻(xiàn)[17]通過對時下幾種開源云平臺的擴(kuò)展性和高性能計算真實負(fù)載等進(jìn)行實驗評估，結(jié)果表明OpenStack 對計算密集型的高性能應(yīng)用負(fù)載表現(xiàn)出較好的性能。為此本文選擇Open-Stack作為仿真平臺，融合STK仿真優(yōu)勢，搭建大規(guī)模的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并考慮衛(wèi)星通信網(wǎng)中的各條鏈路狀況。通過STK/Matlab接口對衛(wèi)星鏈路的參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)控制，保證仿真平臺的逼真性。

圖1 天地一體化寬帶用戶網(wǎng)絡(luò)仿真平臺拓?fù)鋱D

基于OpenStack分布式架構(gòu)，構(gòu)造了控制節(jié)點、計算節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議NTP保證各個節(jié)點間的同步服務(wù)。控制節(jié)點負(fù)責(zé)平臺中用戶的鏡像服務(wù)（Glance）、節(jié)點生成、仿真架構(gòu)的規(guī)劃管理等控制操作；計算節(jié)點中的虛擬軟件交換機(jī)OVS（Open vSwitch）負(fù)責(zé)虛擬網(wǎng)卡關(guān)聯(lián)的方式，管理仿真網(wǎng)絡(luò)，Nova則負(fù)責(zé)虛擬節(jié)點的建立與運行，以及虛擬資源的管理服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的Neutron 主要提供動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）、外網(wǎng)接入等網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，并通過namespace 傳遞遠(yuǎn)程配置文件，管理仿真節(jié)點?；谠破脚_的用戶行為仿真架構(gòu)如圖1所示。為實現(xiàn)資源的靈活調(diào)度，計算節(jié)點均采用全虛擬化技術(shù)KVM（Kernel-based Virtual Machine），為集成地面用戶節(jié)點和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供安全穩(wěn)定的服務(wù)。其中衛(wèi)星鏈路仿真模塊依據(jù)拓?fù)涿枋鑫募?，通過多粒度節(jié)點部署模塊從拓?fù)涿枋鑫募蝎@取節(jié)點信息，采用節(jié)點自動映射技術(shù)，部署天地一體化寬帶用戶仿真網(wǎng)絡(luò)場景，確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳渴鸬母咝?。地面用戶?jié)點分為服務(wù)器節(jié)點和寬帶用戶仿真節(jié)點。服務(wù)器節(jié)點部署了服務(wù)器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，其中服務(wù)器模塊中集成了一套完整的web 服務(wù)器、郵件服務(wù)器、ftp 服務(wù)器、IM服務(wù)器，用于支持用戶訪問以及數(shù)據(jù)處理。采集模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，用于對仿真的通信效果以及資源占用等情況進(jìn)行分析。寬帶用戶仿真節(jié)點部署了用戶模型庫（Users Mode Library，UML）、參數(shù)控制規(guī)則、行為統(tǒng)計、用戶群仿真模塊以及行為驅(qū)動等，用模型控制行為驅(qū)動，實現(xiàn)逼真仿真用戶行為。地面用戶節(jié)點受行為管控模塊調(diào)控，實現(xiàn)用戶行為的分布式、高并發(fā)仿真。服務(wù)器節(jié)點和用戶節(jié)點部署在不同的終端，均設(shè)計有對外接口服務(wù)，便于通信數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

4 寬帶用戶行為仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

基于3.2 節(jié)設(shè)計的用戶行為仿真平臺，針對四種寬帶用戶行為，部署行為驅(qū)動，研究基于模型管理和驅(qū)動仿真終端的方法。為此對寬帶用戶的四種典型行為提取不同的用戶行為特征量參數(shù)，建立用戶行為表示模型，并設(shè)計分層調(diào)度模型仿真基于流量特征的業(yè)務(wù)流模型的用戶行為，結(jié)合用戶行為特征，通過調(diào)用用戶模型配置參數(shù)，啟動用戶行為，控制流量數(shù)據(jù)的行為規(guī)律。使用參數(shù)可配置、模型驅(qū)動、線程進(jìn)程并發(fā)控制相結(jié)合的方式驅(qū)動用戶行為，實現(xiàn)寬帶用戶多樣化、高并發(fā)寬帶用戶行為仿真。

4.1 多樣化寬帶用戶行為仿真方法

用戶作為通信仿真的主體，研究用戶行為屬性是實現(xiàn)逼真仿真的基礎(chǔ)。本文針對四種寬帶用戶行為，通過提取驅(qū)動個體行為內(nèi)在和外在的特征量，并采用向量的方式表示寬帶用戶行為，構(gòu)建用戶行為表示模型。如表1，以用戶文件傳送行為為例，通過Actf=((SIP,SPort),(DIP,DPort),Protocol,name,passwd,StartTime,EndTime,Ufile,Dfile,Udir,Ddir,Freq)辨定用戶一次文件傳送行為。其中元組(SIP,SPort)為用戶識別碼；(DIP,DPort)為服務(wù)器IP地址和端口；Protocol為行為的協(xié)議類型，端口和協(xié)議類型決定了用戶將進(jìn)行何種行為，產(chǎn)生對應(yīng)協(xié)議的業(yè)務(wù)流量；name、passwd為登錄服務(wù)器時用戶驗證信息；StartTime為用戶開始訪問服務(wù)器的時間；EndTime為結(jié)束時間；Ufile、Dfile分別表示上傳/下載的文件；Udir、Ddir表示用戶上傳/下載目錄；Freq表示用戶上傳、下載行為的次數(shù)；bSize表示流量占用字節(jié)數(shù)。采用向量的方式細(xì)節(jié)化控制用戶行為規(guī)律，可有效仿真每種用戶行為特征，實現(xiàn)逼真仿真用戶行為。此外通過向量ActList來表示一個用戶全部行為，如ActListi=[web,chat]，表示用戶i將進(jìn)行web 訪問、IM聊天行為。

表1 用戶行為屬性

通過對WIDE項目組采集的samplepoint-F 2018數(shù)據(jù)集[18]，那不勒斯費德里科二世大學(xué)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)小組使用Plab 捕獲的真實網(wǎng)絡(luò)的流量跟蹤數(shù)據(jù)集[19]，以及Panabit 網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在萬兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的統(tǒng)計流量數(shù)據(jù)分布圖進(jìn)行綜合分析，得出一段時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中用戶web 行為、ftp、郵件、IM 行為的數(shù)據(jù)流量分布大致滿足24∶12∶3∶1 的比例，以該數(shù)據(jù)為參照，控制用戶四種行為，生成通信流量：

模擬真實網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)據(jù)流量情況，其中ALLTraffic為等時間間隔 ΔT內(nèi)用戶通信總的業(yè)務(wù)量，F(xiàn)i、Wi、Ei、Ci分別表示用戶i文件傳送、web訪問、郵件、IM行為產(chǎn)生的流量，如表2，是ΔT時間內(nèi)群體用戶訪問服務(wù)器時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)模型。

4.2 高并發(fā)寬帶用戶行為仿真

天地一體化寬帶用戶仿真實驗必須具備大規(guī)模實驗的能力，因此需要對寬帶用戶高并發(fā)通信進(jìn)行壓力測試，為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供實驗支撐。

表2 群體用戶行為屬性

4.2.1 虛擬用戶創(chuàng)建

結(jié)合4.1 節(jié)用戶行為向量設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)用戶可用元組VUsr=(ip,port,name,passwd)唯一地識別。針對天地一體化用戶多的特性，為有效地節(jié)約物理資源，解決一臺云主機(jī)只有一個網(wǎng)卡，只能仿真一個用戶的問題，本文采用全虛擬化技術(shù)，結(jié)合單網(wǎng)卡多IP 技術(shù)思路[20]，通過擴(kuò)充虛擬網(wǎng)卡，在一臺云主機(jī)上添加了多個虛擬IP，保證仿真用戶擁有自己的獨立IP地址。借助全虛擬化路由協(xié)議為終端節(jié)點自動添加目的網(wǎng)絡(luò)路由表，實現(xiàn)不同主機(jī)上虛擬IP與真實IP、虛擬IP與虛擬IP互通。

用戶與服務(wù)器之間通信通過建立tcp 連接來實現(xiàn)，結(jié)合tcp連接機(jī)制，通過建立虛擬用戶池，將用戶以元組VUsr的方式存進(jìn)用戶池，池中每一條記錄代表一個用戶實體，當(dāng)用戶發(fā)起連接時，先從池中撈出用戶，將用戶信息（ip，port）封裝進(jìn)用戶請求數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)用戶通信。

4.2.2 高并發(fā)用戶行為仿真

通過采用多個用戶節(jié)點分布式協(xié)同合作以及節(jié)點內(nèi)部用戶群平行擴(kuò)展的方法實現(xiàn)高并發(fā)用戶行為。

（1）基于3.2 節(jié)的天地一體化寬帶用戶行為仿真網(wǎng)絡(luò)場景，多粒度節(jié)點部署模塊依據(jù)拓?fù)涿枋鑫募@取用戶仿真節(jié)點信息，生成控制命令，部署多個用戶仿真節(jié)點，通過行為管控模塊傳遞參數(shù)指令給用戶仿真節(jié)點，實現(xiàn)分布式寬帶用戶行為協(xié)同控制。

（2）用戶仿真節(jié)點采取多進(jìn)程多線程協(xié)同合作的方式，在一臺物理機(jī)上啟動多個用戶群仿真模塊（User Group Control Module，UGCM），實現(xiàn)客戶端水平擴(kuò)展，同時在每個UGCM使用線程并發(fā)控制多個用戶，調(diào)控用戶行為；四種用戶行為驅(qū)動獨立運行，每個行為模塊互不影響，通過運行接口接收用戶行為向量參數(shù)值，控制用戶行為規(guī)律，支持多個用戶同時進(jìn)行多種用戶行為。

（3）為實現(xiàn)線程的tcp高并發(fā)連接，服務(wù)器數(shù)據(jù)處理部分采用epoll 模型[21]實現(xiàn)對非阻塞模型socket 流讀寫操作的I/O 多路復(fù)用，處理多用戶并發(fā)通信數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)的select/poll 的輪詢機(jī)制，epoll 機(jī)制無需遍歷整個被監(jiān)聽的描述符集，如果注冊在epoll等待隊列中的FD事件狀態(tài)發(fā)生了變化，內(nèi)核就直接將這些事件放到events數(shù)組中返回，因此epoll 監(jiān)聽效率不會隨著監(jiān)聽事件數(shù)的增加而顯著下降，epoll中監(jiān)聽的事件數(shù)沒有限制，它只與系統(tǒng)的資源有關(guān)。如圖2 所示為服務(wù)器端epoll 處理事件的流程圖。利用epoll 機(jī)制，可以更高效地實現(xiàn)事件驅(qū)動，有效解決服務(wù)器高并發(fā)處理用戶行為事件數(shù)量限制，提高仿真效率。

圖2 epoll處理事件流程圖

4.3 用戶行為仿真模型

本文基于BISANTE模型對用戶行為流量產(chǎn)生的過程進(jìn)行抽象和分層建模，設(shè)計并創(chuàng)建了模型控制模塊（Mode Ctrl）、場景匹配模塊（ACh）、用戶匹配模塊（VUsrCre）、寬帶用戶行為仿真模塊（UsrBehEmu），使用一種自上而下的模型驅(qū)動框架，驅(qū)動用戶行為產(chǎn)生以及業(yè)務(wù)流量形成。

模型控制模塊位于最上層，主要負(fù)責(zé)優(yōu)化系統(tǒng)資源、集成控制命令、激發(fā)相鄰下層操作并監(jiān)控運行流程等功能，個性化地配置其他模塊中實現(xiàn)具體功能的參數(shù)與屬性?？刂瓢▓鼍捌ヅ洹⒂脩暨x擇以及行為驅(qū)動在內(nèi)的整個流程，是確保用戶仿真逼真度的核心部分。

場景匹配模塊和用戶匹配模塊位于會話層，負(fù)責(zé)仿真節(jié)點多用戶的負(fù)載，并指定特定用戶節(jié)點觸發(fā)行為，以及維持不同應(yīng)用之間的轉(zhuǎn)換。場景匹配模塊根據(jù)上層命令配置行為列表ActList、行為標(biāo)識Act，控制用戶行為方式以及用戶通信行為過程。用戶匹配模塊，與單個節(jié)點多個用戶相關(guān)，完成自動化地為用戶配置虛擬IP與端口等操作，將用戶以元組VUsr的方式存進(jìn)用戶池，通過從用戶池中提取用戶傳遞給寬帶用戶行為仿真模塊。

寬帶用戶行為仿真模塊位于應(yīng)用層，模塊中部署了完整的web、ftp、郵件、IM行為驅(qū)動，生成協(xié)議流量。以用戶文件傳送行為為例，模塊驅(qū)動文件傳送的控制流程如圖3 所示，并以相似的方法部署用戶web 行為、郵件行為和IM行為驅(qū)動，仿真寬帶用戶行為。行為驅(qū)動設(shè)有對外接口，用戶接受上層傳送下來的命令序列，個性化地產(chǎn)生用戶行為，按照指定的規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的業(yè)務(wù)流。

文件傳送仿真實現(xiàn)步驟如下：

（1）客戶端根據(jù)StartTime激活ftp 行為驅(qū)動，根據(jù)(SIP,SPort)尋址到目的服務(wù)器，與服務(wù)器端建立tcp連接，并封裝用戶VUsr信息。

（2）使用ftp服務(wù)器里面注冊的用戶（root用戶、普通用戶和匿名用戶）進(jìn)行登錄。

圖3 用戶文件傳送（ftp）流程

（3）進(jìn)入服務(wù)器文件列表，服務(wù)器管理、限制用戶根目錄以及訪問權(quán)限，根據(jù)登錄用戶類別不同，用戶進(jìn)入不同的根目錄，根據(jù)Udir、Ddir參數(shù)切換目錄。

（4）根據(jù)Ufile、Dfile等參數(shù)選擇上傳/下載方式，向服務(wù)器發(fā)送傳輸請求，服務(wù)器根據(jù)客戶請求，傳送文件，并修改目錄。

（5）根據(jù)EndTime、Freq等參數(shù)判斷是否繼續(xù)傳送，最后發(fā)送斷開連接請求，與服務(wù)器斷開連接。

仿真模塊間的分層調(diào)度模型如圖4所示，其實現(xiàn)過程如下：

（1）模型控制模塊激發(fā)用戶匹配模塊創(chuàng)建虛擬用戶VUsr，存進(jìn)用戶池。

（2）模型控制模塊調(diào)用場景匹配模塊和用戶匹配模塊，選擇行為，提取虛擬用戶信息，根據(jù)用戶行為表示模型，對模型特征量進(jìn)行賦值，將其數(shù)值化，并將用戶的ActList、Act以及VUsr的參數(shù)權(quán)值以一個用戶樣本的方式存進(jìn)用戶行為模型庫。

（3）啟動寬帶用戶行為仿真模塊，根據(jù)用戶模型緩存區(qū)中的用戶模型數(shù)據(jù)選擇行為方式，啟動相應(yīng)的行為驅(qū)動，仿真UC（用戶代理）模擬用戶終端。

（4）模型控制模塊根據(jù)用戶樣本，生成控制命令，完成用戶消息創(chuàng)建，向下層寬帶用戶行為模塊發(fā)送連接服務(wù)器的控制信息與通信控制信息。用戶代理根據(jù)上層傳遞的命令序列激活行為驅(qū)動，向服務(wù)器發(fā)送連接請求并傳輸數(shù)據(jù)，仿真用戶行為，生成通信報文。

（5）模型控制模塊對用戶行為仿真模塊發(fā)出的通信報文進(jìn)行檢測控制，確保服務(wù)質(zhì)量（QoS），底層對報文進(jìn)行封裝，并最終生成仿真流量。

圖4 仿真模塊分層調(diào)度模型示意圖

5 實驗及結(jié)果分析

5.1 實驗環(huán)境

圖5 仿真通信網(wǎng)絡(luò)

天地一體化寬帶用戶網(wǎng)絡(luò)仿真架構(gòu)基于OpenStack Mitaka版本搭建，項目環(huán)境如表3所示。實驗中計算節(jié)點均采用全虛擬化方式，基于3.2節(jié)的仿真架構(gòu)，通過多粒度節(jié)點部署模塊從拓?fù)涿枋鑫募蝎@取節(jié)點信息，控制衛(wèi)星仿真模塊，部署天地一體化寬帶用戶仿真網(wǎng)絡(luò)場景。計算節(jié)點1 部署天基骨干網(wǎng)節(jié)點以及Ka、Ku 衛(wèi)星節(jié)點，計算節(jié)點2部署2個服務(wù)器節(jié)點，計算機(jī)節(jié)點3上部署4 個寬帶用戶仿真節(jié)點。衛(wèi)星節(jié)點以透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)衛(wèi)星的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，地面用戶節(jié)點之間通過天基骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

表3 實驗環(huán)境

天基骨干網(wǎng)為雙軌道環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，每個軌道分布3顆地球同步衛(wèi)星，且軌道間臨近衛(wèi)星互為備份。寬帶用戶行為仿真拓?fù)淙鐖D5 所示，圖中6 顆高軌衛(wèi)星分別命名為 GEO1，GEO2，…，GEO6；Ka 星和 Ku 星分別命名為KA、KU；用戶行為仿真節(jié)點主要由2個服務(wù)器節(jié)點及4個寬帶用戶仿真節(jié)點實現(xiàn)，每個寬帶用戶仿真節(jié)點部署有多個仿真用戶群，形成地面仿真網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器節(jié)點直接與高軌衛(wèi)星相連，寬帶用戶仿真節(jié)點通過KA、KU 星接入天基骨干網(wǎng)，與服務(wù)器進(jìn)行通信。采用高通量路由仿真技術(shù)仿真衛(wèi)星節(jié)點及用戶節(jié)點，其中衛(wèi)星節(jié)點、寬帶用戶仿真節(jié)點均占1個VCPU，2 GB內(nèi)存，滿足衛(wèi)星節(jié)點及用戶節(jié)點仿真需求，地面服務(wù)器節(jié)點分配4個VCPU，8 GB內(nèi)存，滿足服務(wù)器節(jié)點高效處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需求。

5.2 寬帶用戶接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真

系統(tǒng)仿真工具包STK是航空航天專用模擬軟件，能為天地一體化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺提供精確衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及鏈路特性數(shù)據(jù)，通過STK/Matlab 接口并行控制衛(wèi)星通信鏈路特性和狀態(tài)，確保地面網(wǎng)絡(luò)用戶接入以及用戶通信需求。寬帶用戶行為仿真場景如圖5 的拓?fù)渌尽Ｒ詢蓚€用戶節(jié)點為例，其中寬帶用戶節(jié)點A 位于北京，為靜止?fàn)顟B(tài)，通過KA 星接入天基骨干網(wǎng)，寬帶用戶節(jié)點B位于從臺北到上海的客輪上，為移動狀態(tài)，通過KU星接入天基骨干網(wǎng)，寬帶服務(wù)器位于南京，直接接入天基骨干網(wǎng)。用戶節(jié)點A、B通過接入天基骨干網(wǎng)，與不同域的服務(wù)器交互，完成web、ftp、郵件、IM等寬帶用戶行為仿真。

寬帶用戶節(jié)點B 具體移動情況如圖6 所示。在STK中設(shè)置輪船航線途中坐標(biāo)點并進(jìn)行實時鏈路計算，計算結(jié)果返回仿真平臺，并據(jù)此實時控制相應(yīng)虛擬衛(wèi)星鏈路特性，從而保證衛(wèi)星動態(tài)鏈路仿真實時性與逼真性。衛(wèi)星鏈路延時仿真逼真性如圖7所示，將寬帶用戶節(jié)點A 與寬帶用戶節(jié)點B 之間衛(wèi)星鏈路實際延時與理論延時進(jìn)行比較，實驗結(jié)果表明鏈路仿真具有較高逼真性，支持天地一體化衛(wèi)星場景不同用戶接入需求。

圖6 寬帶用戶節(jié)點B移動線路

圖7 衛(wèi)星動態(tài)鏈路延時仿真逼真性測試

5.3 行為仿真可行性與逼真性實驗分析

如圖5，從仿真節(jié)點1、用戶仿真節(jié)點4 中各取兩個用戶user1、user2、user3、user4，進(jìn)行用戶行為仿真測試，控制模塊生成用戶參數(shù)模型、行為列表ActList,用戶代理根據(jù)模型中的DIP,DPort,Protocol,name,passwd,StartTime,EndTime,Freq等參數(shù)啟動行為驅(qū)動，根據(jù)DIP參數(shù)尋址到目標(biāo)服務(wù)器節(jié)點，根據(jù)DPort,Protocol訪問目的服務(wù)器，測試用戶通信行為結(jié)果如表4所示。

實驗結(jié)果證明，用戶向服務(wù)器發(fā)送連接請求，目的服務(wù)器均收到用戶請求數(shù)據(jù)，成功建立連接；客戶端成功進(jìn)行web訪問、上傳/下載文件、發(fā)送郵件、聊天行為，服務(wù)器根據(jù)用戶行為請求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)發(fā)；user1、user4 均能接收到對方發(fā)送的聊天內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)即時通訊行為。綜上，本文的用戶行為仿真方法可以逼真仿真用戶終端，實現(xiàn)與真實的服務(wù)器軟件進(jìn)行交互通信。

表4 用戶行為測試

5.4 寬帶用戶高并發(fā)通信仿真實驗分析

基于4.2 節(jié)的高并發(fā)設(shè)計方法，每個寬帶用戶仿真節(jié)點每5 s啟動1個用戶群仿真模塊，每個模塊以100次/s的速度啟動虛擬用戶，驅(qū)動行為，產(chǎn)生業(yè)務(wù)流量。通過在客戶端、服務(wù)器檢測數(shù)據(jù)流量，統(tǒng)計一段時間內(nèi)虛擬用戶并發(fā)訪問服務(wù)器的用戶數(shù)目。圖8 為隨著用戶數(shù)增加內(nèi)存的使用情況，可以看出，隨著訪問服務(wù)器用戶數(shù)增多，服務(wù)器節(jié)點內(nèi)存消耗不明顯；客戶端內(nèi)存與激活的虛擬用戶數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，隨著產(chǎn)生行為的用戶數(shù)目增加，內(nèi)存隨之增加，隨著用戶增速的變緩，內(nèi)存的增速變緩，最后隨著用戶行為結(jié)束，內(nèi)存逐漸降低；當(dāng)通信用戶達(dá)到10萬，內(nèi)存資源占用平均為每百個用戶1.665 MB。實驗結(jié)果證明，客戶端用戶仿真方法可有效支持用戶高并發(fā)行為，實現(xiàn)10萬虛擬用戶并發(fā)訪問服務(wù)器。

圖8 高并發(fā)通信實驗結(jié)果

5.5 模型驅(qū)動用戶行為實驗驗證

本次實驗針對用戶模型驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行用戶通信行為的仿真實驗，設(shè)計用戶行為輸出服從泊松分布，控制用戶產(chǎn)生行為的規(guī)律，以4.1 節(jié)調(diào)研的網(wǎng)絡(luò)用戶四種行為的流量比統(tǒng)計結(jié)果，控制用戶訪問四種行為的比例，控制行為數(shù)據(jù)輸出的標(biāo)準(zhǔn)。啟動400 個用戶為實驗對象，以5 s 為一個時間步列，設(shè)置用戶在每步列內(nèi)，ftp、web、郵件、IM行為輸出分別服從均值為120、250、30、10的泊松分布，服務(wù)器端每5 s 統(tǒng)計一次用戶到達(dá)數(shù)據(jù)情況，共統(tǒng)計60次，借助網(wǎng)絡(luò)封包分析工具Wireshark分析服務(wù)器端采集到的用戶行為請求到達(dá)數(shù)據(jù)包。圖9 為采集到的用戶四種行為數(shù)據(jù)折線圖。以web行為為例，圖10為統(tǒng)計到的web行為請求數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)量統(tǒng)計直方圖，可見用戶到達(dá)的數(shù)據(jù)整體分布基本與模型一致，滿足泊松分布的特性。

圖9 行為規(guī)律測試結(jié)果

圖10 用戶web行為數(shù)據(jù)統(tǒng)計直方圖

使用模型驅(qū)動的方式結(jié)合高并發(fā)實驗啟動虛擬用戶，驅(qū)動用戶行為，根據(jù)模型驅(qū)動下用戶行為高并發(fā)數(shù)據(jù)流量規(guī)律，每5 s統(tǒng)計一次用戶到達(dá)數(shù)據(jù)情況，用戶行為數(shù)據(jù)如圖11 所示，可以看出用戶四種行為數(shù)據(jù)流量基本滿足24∶12∶3∶1的比例。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)置的模型驅(qū)動方式可以很好地驅(qū)動仿真節(jié)點，再現(xiàn)用戶通信場景，實現(xiàn)高并發(fā)、多樣化用戶行為仿真。

圖11 用戶行為數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

在天地網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的趨勢下，本文面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，基于云平臺搭建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)寬帶用戶行為仿真平臺，設(shè)計一種參數(shù)可配置的寬帶用戶仿真模型；結(jié)合虛擬化技術(shù)使用基于模型驅(qū)動的大規(guī)模復(fù)現(xiàn)寬帶用戶行為的方法，逼真再現(xiàn)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中典型寬帶用戶行為通信場景；實現(xiàn)了寬帶用戶行為多樣化、高并發(fā)通信仿真，仿真規(guī)?？蛇_(dá)到10 萬用戶并發(fā)，對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的實驗評估具有重大意義，對未來天地一體化通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的參考價值。