天地一体化信息网络综合试验平台综述

天地一体化信息网络综合试验平台综述

周一青，刘垚圻

中国科学院计算技术研究所

【摘要】   天地一体化信息网络系统规模大、制式多、环境复杂多变、需求业务各异。该系统在系统论证、关键技术研究、核心设备研制、系统部署运维过程中，系统的模拟、仿真、测试贯穿其中且尤为重要。本文针对天地一体化信息网络综合试验的试验方式、内容进行了介绍，并针对试验相关的工具进行了对比综述，然后对先进的综合试验基底进行了详细介绍，最后对未来试验平台发展进行了总结和展望。

一、引言

       地面移动通信系统从上世纪六七十年代开始发展，至今已经发展迭代了五代，第六代移动通信系统也在学术界及工业界开展了研究与试验。与此同时，作为地面通信系统的补充，非地面网络（Non-Terrestrial Network，NTN）随着3GPP R17中实施方案确定。随着移动通信技术的迅猛发展，以及未来信息服务对多维综合信息资源的需求逐步提升，如航天、航空、航海、交通规划与管理、自然灾害应急等服务越来越依赖天、空、地等多维信息的综合应用，天地一体化网络被列为6G核心景愿之一，旨在实现全球泛在覆盖和智慧连接需求。

       卫星通信作为NTN网络中的重要组成部分，发展至今也经历了两次高潮，第一次是上世纪90年代以国际海事卫星通信系统(Inmarsat)、铱星系统(Iridium)等为代表的卫星通信系统，第二次是近十年以星链（Starlink）、一网（Oneweb）等为代表的卫星互联网系统。

       天地一体化网络规模庞大，包括天基网络、空基网络和地基网络等不同制式，通信节点众多，场景复杂多样，用户的业务需求繁杂[1][3]。天地一体化信息系统架构、协议体制和关键技术等尚不成熟，所以对可能出现的新网络架构、新协议、新体制和新技术的试验、论证和评估尤为重要。传统的网络试验、论证和评估的相关平台复用性、扩展性差，实验环境不够逼真，因此有必要进行可重构、易扩展和高保真的柔性试验平台，以支持空天地一体化网络试验、评估和论证。

二、试验方式与内容

1、试验方式

       信息通信网络试验方式定义或者描述多种多样，本文主要由模拟、仿真、测试组成。模拟主要针对大规模网络节点、复杂环境进行仿真实验，一般在通用个人电脑或者服务器进行，有一定的规模，侧重于建模，可以对感兴趣的内容进行系统性试验，亦可以基于大系统下进行专项试验；仿真主要针对仿真结果进行进一步试验，一般在专用的硬件（如原型样机、某模拟器）上进行，从而使试验结果更加逼近于真实设备；测试主要针对真实产品级或准产品级设备通过专用测试仪器或者仪表，并可以结合通用的相关设备进行实际数据的采集与分析。表一进行了分析对比，当然随着软硬件工具的不断演进，很多工具已经具备上述两种或三种类型的综合试验能力。

表一   实验方式对比

2、试验内容

       信息通信网络试验内容丰富多样，本文主要针对通信系统层级进行分类描述，由物理层试验、网络级试验、系统级试验。物理层试验主要针对基带、射频等进行端到端分析，关注时延、速率、误码率、功耗等指标，一般可以进行蒙特卡洛试验；网络级试验主要针对网络能力进行海量网络信息节点进行分析，关注网络时延、系统容量、阻塞率、拓扑情况、接入成功率、切换失败率等；系统级试验主要结合更加逼真的复杂场景进行综合性试验，一般综合考虑各项指标，基于各类场景、各类型用户以及网络环境进行分析与优化，可以具有较好的态势呈现效果，后两者，一般进行基于时间的试验或者离散事件的试验。详见表二。

表二 试验内容对比

三、试验工具

       仿真与测试软硬件工具一般为针对某系统进行专用定制，模拟工具一般为常见的软件，结合试验内容不同，选择不同的软件工具。模拟/仿真工具利用计算机和信息技术中软件模型，并基于拟模拟/仿真的信息系统内容，在其中构建目标网络中包含节点、流量、链路和协议等要素的数学概率统计模型，通过数学建模及统计分析以软件形式实现模拟程序，进而获取特定参数。一般采用蒙特卡洛方法对目标网络场景进行多次重复模拟，通过计算均值、方差、置信区间等统计量，获取网络设计或网络优化所需的关键性能指标。主流的网络模拟软件有NS-2，NS-3，OMNeT++，OPNET，QUALNET，MININET，JiST等。

       NS-2（Network Simulator-Version 2）是UC Berkeley大学开发的离散事件网络性能仿真软件，在学术界应用广泛，适用于有线网络、无线网络、局域网等多种网络场景。

       NS3是在NS2 基础上进一步精简而来，有机整合其他仿真器优势特点形成的一种离散事件网络模拟器，其优势在于开源且跨平台，通常是在学术研究与课堂教学中应用。

       OMNeT++具有跨平台和开源特点,主要是采用混合式建模方法用于软件系统性能综合评估，近年来在科学和工业领域里逐渐流行的一种基于组件的模块化的开放的网络仿真平台。

       OPNET是目前较为先进的仿真软件，它源自MIT，自1987年发布了第一个版本。该软件设计了三层建模机制，并利用状态机进行离散时间驱动转移，其可以仿真模拟网络运行注重的数据传输过程，通过映射将网络设备抽象到软件中，可以增强网络仿真模型的真实性。在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。

       QualNet是美国Scalable Networks Technologies公司的产品，前身是GloMoSim，根源于美国国防部高级研究计划署(DARPA)的全球移动通信计划，主要对无线移动通信网络进行了优化处理，从仿真速度上得到了很大的提升，同时通过对无线信道和射频技术的建模也保证了较高的仿真精度。该软件属于跨平台的网络性能仿真软件，可以模拟仿真网络性能，不仅是单一网络，还可以实现混合网络性能仿真，也可以支持大规模网络构建。QualNet可配置包含上万个网络节点的网络模型，运行在多核和多处理器系统上，支持并行仿真与分布式仿真。因此与其他仿真软件相比，其仿真速度在小规模网络中可提高几倍，而在大规模网络中可提高十几倍到近千倍。

       Mininet是由斯坦福大学基于Linux Container架构开发的一个进程虚拟化网络仿真工具，可以创建一个包含主机，交换机，控制器和链路的虚拟网络，其交换机支持OpenFlow，具备高度灵活的自定义软件定义网络。Mininet是一个可以在有限资源的普通电脑上快速建立大规模软件定义网络原型系统的网络仿真工具。该系统由虚拟的终端节点、OpenFlow交换机和控制器组成，这使得它可以模拟真实网络，可对不同的网络配置等进行验证。

       基于上述综述及相关研究，我们总结了一些典型的模拟/仿真工具并进行对比，见表三。

表三 典型的模拟/仿真工具对比

四、基于云原生的基底平台

       试验平台引擎作为工具的基底，稳定高效、规模能力、快速逼真是重要需求。试验规模也从单点到海量节点，试验能力也从专项到联合，试验底座也从单体机器到分布式集群。计算机技术的迅猛发展对一体化试验引擎的演进带来了革新。

       围绕一体化的S-SET，提出基于云原生的基底架构，采用容器化部署，微服务调度的方式解耦模型或者事件间的启停连带关系。一方面利用分布式技术解决系统节点体量问题，具备扩容能力；一方面利用云原生技术特性，实现多用户并发与海量节点/模型间的试验隔离。见图一。

图一   天地一体化信息网络综合试验平台

图二 基于云原生的部署架构

       云原生技术以容器的形式部署微服务并进行管理，基于微服务架构提高灵活性和可维护性，借助敏捷方法、DevOps 支持持续迭代和运维自动化，利用云平台设施实现弹性伸缩、动态调度、优化资源利用率。该基底平台可以灵活适配各类模型IP的部署方式和运行模式，见图二。

       基于上述架构，每一个微服务有一个单独的边车组件负责和外部进行注册、 路由等管理， 微服务内部应用逻辑单元只和边车组件进行交互。 通过这种方式，可以减少由于外部结构变化或者其他组件变换造成的整个微服务化架构的变动， 而只需要考虑微服务组件内部各应用逻辑单元和边车组件之间的交互，而对外通信统一由边车组件来负责。

图三 基于微服务架构的服务网格

       其中，控制平面：控制和管理数据平面中的边车组件代理，完成配置分发、服务发现、流量路由、授权鉴权等功能，以达到对数据平面的统一管理。数据平面：由整个网格内的边车组件代理组成，这些代理以边车组件的形式和应用服务一起部署。这些代理负责协调和控制应用服务之间的所有网络通信。每一个边车组件会接管进入和离开服务的流量，并配合控制平面完成流量控制等方面的功能。见图三。

图四 容器编排与资源调度示意图

       在网络调度中，事件主要是消息的发送、接收、处理、响应等，事件通过事件管理器维护更新，事件管理器按照时间顺利依次执行事件。由于网络调度节点之间有频繁的交互行为，节点收到信息后，会依据信息内容产生新的事件，所以事件列表可以在调度运行时动态地插入新事件。在仿真过程中如果遇到资源不足的情况，容器编排与资源调度框架会进行动态的调整，以适应试验的需要。见图四。

       总体来说，基于云原生的基底平台有三方面特点：

       （1）容器化封装：以容器为基础，提高整体开发水平，形成代码和组件重用，简化云原生应用程序的维护。在容器中运行应用程序和进程，并作为应用程序部署的独立单元，实现高水平资源隔离，基于容器化的技术可以将模型及运行环境打包成镜像，实现一键部署。

       （2）微服务化：明确服务间的依赖，互相解耦。模型算法以微服务的形式提供调用接口，既保证了其独立运行，又保障了其互相调用的灵活性和方便性。

       （3）动态管理：通过集中式的编排调度系统来动态的管理和调度硬件资源。模型运行过程中可以根据实际需要在不同环境之间进行资源的动态协调，实现无感运行。

五、总结与展望

       日益剧增的需求，不断扩大的范围，海量的节点，复杂的环境，打造覆盖全球的立体、多层次、全方位和全天候的信息网络，推动天地一体化信息网络发展建设，具有深远意义。与未来信息网络的研究一样,未来信息网络综合试验平台的建设还远未成熟,下面所列的几个方面可作为本文或国内外同行进一步研究的方向。

       •   试验平台资源和服务调度

       •   大规模试验的自动化部署

       •   异构平台资源和服务共享

       •   试验语言与模型的标准化

       •   试验大数据的挖掘与训练

       •   数字孪生与智能衍生系统

【作者】

周一青   中国科学院计算技术研究所研究员，博导。研究方向为通信与计算融合，异构网络，干扰管理。

刘垚圻   中国科学院计算技术研究所特别研究助理，博士后。研究方向为空天地一体化算力网络，柔性试验技术。