基于虚拟时间的可复现网络仿真技术研究

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在具有不同计算和通信资源的不同物理平台上重现网络仿真实验并非易事。许多最新的网络仿真试验平台无法保证实验的时序保真度。因此,从这些试验平台获得的结果可能会产生误导,尤其是在没有足够的物理资源来运行实验的情况下,可复现性非常重要。本文提出了一种新颖的仿真技术,可以保证网络仿真的结果可复现。本研究开发了一个原型系统,它利用虚拟时间扩展和精心控制的虚拟机调度功能,虚拟时间扩展允许扩展足够的资源在虚拟时间内运行实验,并且受控的虚拟机调度为分布式应用程序规定了消息传递的准确时间,而与底层物理网络试验平台的资源配置无关。初步实验表明,原型系统可以在不同的时间扩展、资源预订和虚拟机调度方案的情况下保证可重现的结果。这里具体研究内容包括两个方面:第一,针对现有各种网络仿真解决方案的资源超额订阅情况仿真失真、缺乏可复现性的问题,提出了基于虚拟时间机制的可复现的虚拟网络仿真映射和配置方案设计。具体来说,研究基于虚拟时间的资源性能扩展机制,将虚拟仿真网络与实际物理网络计算设施之间映射,同时抽象归纳了网络仿真为达到可复现性、在性能资源订阅(CPU,I/O,网络等资源)方面所必要约束的一些条件来进行相应配置。这里网络仿真可复现的条件主要转化为包括三个方面资源性能订阅配置限制的约束条件:节点处理性能条件约束、数据包处理性能条件约束和网络流量性能条件约束,即基于虚拟时间扩展后的仿真所消耗的实际物理性能要求至少在这三个方面满足约束条件才能达到可复现网络仿真的基本要求,然后基于这个问题抽象基础之上,求解虚拟时间的时间膨胀因子这一虚拟时间程度参数的优化解、完成仿真网络的映射,为整个可复现网络仿真技术奠定了基础。第二,针对了当前容器化网络仿真工具的一个局限是缺乏大规模节点并发控制,Linux系统内核的默认进程调度方法是一种抢占式、尽力而为的调度方式,这将导致多并发节点对应进程无法被及时调度执行,网络事务(数据消息发送和接收)的时间由于调度不及时不精确而混乱。研究同时也针对了不同机器上虚拟时间配置不同的虚拟机容器之间的时间同步协同的问题。因此,研究基于虚拟时间技术、提出了容器调度同步机制协同控制所有虚拟机容器虚拟节点的虚拟时间一致前进,同时也严格控制了节点并发调度、计算调度时间间隔精确配置容器间网络数据包通信延迟,解决了并发不及时导致网络数据消息收发事务的时序不精确地问题。该研究方案设计了一种Round-Robin轮询调度并具有严格顺序的虚拟机容器调度策略,在充分控制调度的基础上、对容器间的数据通信进行一定计算值的时延处理,这样会保障容器间虚拟链路时延的高度精确,更有利于保障网络仿真的可复现性。本研究给出了一套基于TimeKeeper虚拟时间技术的网络仿真系统原型实现,同时本研究对Mininet仿真工具的开源代码进行了相应简单扩展以实现其对本研究方法的支持,方便进行测试实验。
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