用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真平台及方法与流程

1.本发明涉及计算机技术领域，尤其是涉及用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真平台及方法。


背景技术：

2.目前的互联网结构，已形成了可增量部署的多模态智慧网络体系架构和技术体系，但存在网络结构僵化、ip单一承载、难以抑制未知威胁等基础性问题。不同模态的网络处在不同的自治域中，各个自治域由于存在特性上的差异，导致网络拓扑各不相同。
3.现有的多模态网络均由物理节点组成，然而物理节点本身配置复杂，且成本相对较高。若采用纯虚拟交换机网络，虽然在配置上更为便捷，且网络拓扑生成简单，但是其模拟的网络性能和规模终将受限于承载其物理服务器的配置。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，实现降低物理交换机网络配置难度，配置成本，以及避免虚拟交换机网络性能受限的目的，本发明采用如下的技术方案：用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真平台，包括相互连接的控制平面、数据平面，所述控制平面包括网络控制器，用于拓扑发现和地址协议解析，拓扑发现使得网络控制器得到全网视图，而地址解析协议arp能够自主下发回应数据平面交换机的arp请求包，起到arp代理的作用；数据平面包括物理交换机和物理服务器；物理服务器通过虚拟网络节点仿真系统构建虚拟网络拓扑结构，包括一组虚拟交换机及与虚拟交换机对应的主机；网络控制器通过南向协议与物理交换机连接，物理交换机分别与各物理服务器的虚拟交换机连接，虚拟交换机与各自对应的本物理服务器的主机连接。
5.进一步地，所述物理服务器通过虚拟网络节点仿真系统，构建汇聚层虚拟交换机、边缘层虚拟交换机，物理交换机分别与各汇聚层虚拟交换机连接，各汇聚层虚拟交换机分别与本物理服务器的各边缘层虚拟交换机连接，边缘层虚拟交换机与各自对应的本物理服务器的一组主机连接。
6.进一步地，所述虚拟网络的拓扑结构为胖树网络拓扑结构。
7.进一步地，每台所述物理交换机及虚拟交换机的端口数量均为k，物理交换机的数量为(k/2)2，每台物理服务器的汇聚层虚拟交换机的数量为k2/2，边缘层虚拟交换机的数量为k2/2，主机数量为k3/4，汇聚层虚拟交换机通过绑定本物理服务器的端口，与每台物理交换机建立连接。
8.进一步地，所述南向协议包括p4runtime协议、openflow协议以及netconf协议。
9.进一步地，所述网络控制器包括onos多模态控制器和/或opendaylight多模态控制器。
10.进一步地，所述虚拟交换机包括bmv2虚拟交换机和/或ovs虚拟交换机。
11.用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真方法，包括如下步骤：
步骤s1：在各物理服务器上，分别使用虚拟网络节点仿真系统虚拟网络拓扑结构，包括一组虚拟交换机及与虚拟交换机对应的主机；步骤s2：将承载虚拟网络节点仿真系统的物理服务器的所有端口解绑；步骤s3：将物理服务器上解绑的服务器端口，绑定到虚拟网络节点仿真系统创建的初始拓扑图中的特定虚拟交换机上，从而达到特定虚拟交换机拥有一个真正意义上的物理端口，其可实现物理连接；步骤s4：将各物理服务器中虚拟交换机与各个物理交换机进行连接组合，组合的拓扑可按照实际需求定义，拓扑组合完成后，将带有特定南向协议、拓扑发现和地址协议解析功能的网络控制器与组网中的各个物理交换机相连接，并通过网络控制器分别给网络中的各个物理交换机、虚拟交换机配置相应的流表，用于设定数据流向的目标和执行动作；步骤s5：检测组网网络之间的连通性。
12.进一步地，所述步骤s3中，虚拟网络节点仿真系统创建汇聚层虚拟交换机、边缘层虚拟交换机，将物理服务器上解绑的服务器端口，绑定到汇聚层虚拟交换机上，汇聚层虚拟交换机分别与本物理服务器下的各边缘层虚拟交换机连接，边缘层虚拟交换机与各自对应的本物理服务器下的一组主机连接。
13.进一步地，所述步骤s1的所有物理服务器中，将虚拟网络节点仿真系统创建的虚拟主机ip，配置在同一网段内；所述步骤s2中，将承载虚拟网络节点仿真系统的物理服务器的所有网卡解绑，即这些网卡不再绑定任何ip地址；所述步骤s3中，将物理服务器上解绑的服务器网卡，绑定到虚拟网络节点仿真系统创建的初始拓扑图中的特定虚拟交换机上，使用函数intf（intfname, switch），将物理服务器上解绑的网卡绑定到汇聚层虚拟交换机上，其中intfname表示需要绑定的物理网卡名，switch表示待绑定的汇聚层交换机；所述步骤s4中流表的配置项为目的ip地址，流表的执行动作为数据包转发的端口号；所述步骤s5中，通过进行网络中各个主机之间的互ping操作，检测组网网络之间的连通性。
14.地理位置模态的匹配项为{gbc. geoareaposlat; gbc.geoareaposlon; gbc.disa; gbc.disb}，匹配字段gbc. geoareaposlat表示地理位置的纬度，匹配字段gbc.geoareaposlon表示地理位置的经度，匹配字段gbc.disa表示长度，匹配字段gbc.disb表示宽度（单位为米），整个匹配项表示的是一个以纬度和经度确定一个位置为中心，且长为gbc.disa、宽为gbc.disb的矩形区域。身份模态的匹配项为{segmentdata.dest_guid}，该匹配字段表示一个独特的身份标识，每个接入网络的终端，都有一个独立的身份id。
15.本发明的优势和有益效果在于：本发明的用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真平台及方法，将部分网络的物理节点虚拟化，由一台物理服务器便能够虚拟多台交换机，大大降低了成本，另一方面，采用的软交换机，相较硬交换机，在软件配置上更为容易，同时，避免了纯虚拟网络性能和规模过于受限于物理服务器的配置。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的多模态智慧网络控制-数据平面框架图；图2为本发明实施例提供的多模态智慧特定网络纯物理架构图；图3为本发明实施例提供的多模态智慧特定网络物理服务器内部虚拟节点网络连
接图；图4为本发明实施例提供的特定组网为物理服务器端口数量k=4的胖树（fattree）网络拓扑示意图；图5是本发明实施例提供的用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真方法流程图；图6是本发明实施例提供的用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真装置结构图。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
18.如图1所示，用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真平台，包括控制平面和数据平面，控制平面包括多模态控制器，数据平面包括交换机，多模态控制器用于拓扑发现和arp（address resolution protocol地址解析协议）协议解析，拓扑发现使得多模态控制器得到全网视图，而地址解析协议arp能够自主下发回应数据平面交换机的arp请求包，起到arp代理的作用。
19.多模态控制器的南向协议包括p4runtime协议、openflow协议以及netconf（network configuration protocol）网络配置协议。多模态控制器可以通过这些协议与数据平面中的bmv2交换机和/或ovs交换机以及其它支持这些协议的交换机相互连接。
20.如图2所示，多模态智慧特定网络的纯物理架构中，由1台多模态控制器、4台物理交换机以及4台物理服务器构成。4台物理服务器内部分别存在由虚拟网络节点仿真系统软件mininet创建的虚拟网络拓扑图，其具体构成如图3所示。
21.本发明实施例具体是在图4所示的一个k=4的胖树（fattree，fattree拓扑支持高扩展并具有高带宽性能）网络拓扑图上进行的，k表示每台交换机拥有的端口数量，交换机包括物理交换机（即核心层交换机）、汇聚层虚拟交换机、边缘层虚拟交换机，核心层交换机的数量为(k/2)2，汇聚层虚拟交换机的数量为k2/2，边缘层虚拟交换机的数量为k2/2，主机数量为k3/4，其总共由1个onos控制器、4个核心层交换机、8个汇聚层交换机、8个边缘层交换机以及16个主机组成。核心层的交换机都是p4物理交换机，p4物理交换机适用于南向协议p4runtime和netconf，但不适应openflow协议，p4runtime协议是侧重于控制，而netconf协议是侧重于管理，对于openflow协议，需要采用支持它的物理交换机，例如pica8物理交换机。从图4中可以看出一共有4个虚线框，每一个虚线框表示一台物理服务器。4台物理服务器分别通过虚拟网络节点仿真系统软件mininet创建的网络，组成汇聚层、边缘层以及主机，其中的虚拟交换机都是bmv2交换机。每台物理服务器至少拥有4张网卡，原因是物理服务器需要4个端口与其它4个物理p4交换机相连接。
22.如图5所示，基于网络控制器、虚拟网络节点仿真系统以及多个物理交换机节点，构建用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真方法，包括如下步骤：步骤s1：在各台物理服务器上，分别使用虚拟网络节点仿真系统创建预先设定好的网络拓扑图；本发明的实施例中，使用虚拟网络节点仿真系统软件mininet，在4台物理服务器
上分别创建如图4中虚线框内的网络拓扑图，且交换机都是bmv2交换机；进一步地，所有物理服务器中虚拟网络节点仿真系统创建的虚拟主机ip配置在同一网段内。
23.本发明的实施例中，将4台物理服务器中的所有虚拟主机ip配置在同一网段内，例如：将虚拟主机h1的ip地址设置为192.168.56.1/255.255.255.0，虚拟主机h5的ip地址设置为192.168.56.5/255.255.255.0。
24.步骤s2：将承载虚拟网络节点仿真系统软件的物理服务器的所有网卡解绑，即这些网卡不再绑定任何ip地址；本发明的实施例中，在4台物理服务器中，分别将4张物理网卡都绑定到ip地址0.0.0.0，即可实现网卡的解绑。
25.步骤s3：将物理服务器上解绑的服务器网卡，绑定到网络节点仿真系统创建的初始拓扑图中的特定虚拟交换机上。从而达到特定虚拟交换机拥有一个真正意义上的物理端口，其可实现物理连接；本发明的实施例中，使用函数intf（intfname, switch），将物理服务器上解绑的服务器网卡绑定到网络节点仿真系统创建的初始拓扑图中的汇聚层虚拟交换机上。其中intfname表示需要绑定的物理网卡名，switch表示待绑定的汇聚层交换机。使用之后，对于具有2台汇聚层虚拟bmv2交换机的每台物理交换机，每台物理服务器中的每台汇聚层虚拟bmv2交换机，都将会多出两个物理端口3和4；步骤s4：将各台物理服务器中虚拟交换机节点网络与各个物理交换机节点进行连接组合，组合的拓扑可按照实际需求定义，拓扑组合完成后，将带有特定南向协议、拓扑发现和arp功能的网络控制器与组网中的各个交换机节点相连接，并通过网络控制器分别给网络中的各个交换机节点配置相应的流表。
26.进一步地，特定南向协议包括p4runtime、openflow以及netconf。
27.进一步地，流表的配置需要按照各个模态的不同属性来配置。例如说在ip模态上，配置的流表匹配项是目的ip地址，动作是设置数据包转发的端口号。
28.本发明的实施例中，将各个汇聚层虚拟交换机bmv2与物理交换机p4节点进行连接组合，然后将多模态控制器onos与连接后的网络中的各个交换机节点也进行连接，如图4所示。本实施例是处在ip模态下，然后为各个交换机节点分配相应的流表。其中匹配项是目的ip地址，执行的动作是将数据包转发的端口号设置成预先规定好的值。例如：边缘层交换机e1中的流表的匹配项destip=192.168.56.5，即作为目的ip地址的h5的ip地址，执行动作为output=1，即边缘层虚拟交换机e1与汇聚层虚拟交换机a1连接的端口号，汇聚层虚拟交换机a1中的流表的匹配项destip=192.168.56.5，执行动作为output=3，即汇聚层虚拟交换机a1与物理交换机c1连接的端口号，物理交换机c1中的流表的匹配项destip=192.168.56.5，执行动作为output=2，即物理交换机c1与汇聚层虚拟交换机a3连接的端口号，物理交换机a3中的流表的匹配项destip=192.168.56.5，执行动作为output=1，即汇聚层虚拟交换机a3与边缘层虚拟交换机e3连接的端口号，边缘层虚拟交换机e3中的流表的匹配项destip=192.168.56.5，执行动作为output=3，即边缘层虚拟交换机e3与主机h5连接的端口号；多模态控制器onos拥有拓扑发现功能、arp功能以及能够与交换机节点连接通信的南向协议p4runtime。
29.步骤s5：进行网络中各个主机之间的互ping操作，以检测组网网络之间的连通性。
30.本发明的实施例中，在物理服务器1中，虚拟网络节点仿真系统软件mininet交互界面上执行h1 ping h2，若出现ping通提示，则路径h1-》e1-》a1-》c1-》a3-》e3-》h5之间的链路连接没有问题。想要检测全网链路是否正确连接，可使用命令pingall，即可验证链路连接的真确性。
31.在本方案中，可以同时支持除了ip模态的其它模态，如地理位置标识模态、身份标识模态以及内容标识模态。在执行不同的模态时，需要说明的是：交换机执行数据包转发的流表，应当根据不同模态包头中的特有属性进行定义匹配项。ip模态与上述几种模态的执行动作相同，只需要配置特定的转发端口即可，但不同的模态有属于自身的特殊标识，因此，它们的匹配项不同。例如：地理位置模态的匹配项为{gbc. geoareaposlat; gbc.geoareaposlon; gbc.disa; gbc.disb}，匹配字段gbc. geoareaposlat表示地理位置的纬度，匹配字段gbc.geoareaposlon表示地理位置的经度，匹配字段gbc.disa表示长度，匹配字段gbc.disb表示宽度（单位为米），整个匹配项表示的是一个以纬度和经度确定一个位置为中心，且长为gbc.disa、宽为gbc.disb的矩形区域。身份模态的匹配项为{segmentdata.dest_guid}，该匹配字段表示一个独特的身份标识，每个接入网络的终端，都有一个独立的身份id。
32.同时，在控制平面的多模态控制器除了onos，也可以使用支持上述多模态控制器功能的其它控制器，比如说opendaylight。此外，在数据平面上使用的交换机也可以包括但不限于bmv2和ovs。
33.本发明实施例的用于多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真平台及方法，仅仅使用少量的几台物理交换机节点与物理服务器，就能够构成一个性能良好、配置相对简单的网络。并且网络的扩展性也得到了一定的提升。
34.与前述多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真方法的实施例相对应，本发明还提供了多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真装置的实施例。
35.参见图6，本发明实施例提供的多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真装置，包括存储器和一个或多个处理器，存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述实施例中的多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真方法。
36.本发明多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图6所示，为本发明多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图6所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
37.上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
38.对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
39.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的多模态智慧网络的半物理半虚拟网络仿真方法。
40.所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡（smart media card，smc）、sd卡、闪存卡（flash card）等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
41.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。