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                        一種全新網絡仿真平臺的研發

                        添加時間:2020/08/13 來源:電子科技大學 作者:周朝軍
                        本文針對目前現有的三種網絡仿真方式(網絡仿真、網絡模擬和測試床)做了分析,設計出了一種全新的具備真實、底成本、靈活及高擴展性特點的網絡仿真平臺。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          隨著網絡技術的飛速發展,人們的生活與網絡的聯系越來越緊密。而對于選擇飛機作為出行工具的乘客而言,他們對于飛機客艙的網絡環境要求也越來越高,飛機客艙原有的基礎網絡設施已經開始無法滿足旅客的各種需求,怎樣去設計出能解決當前問題的網絡架構已經成為了客艙制造商和相應設備供應商的當務之急。然而想要設計出合適的網絡架構并不容易,新的網絡架構在投入使用之前必須經過充分的評估和檢測,同時想要驗證方案的可行性就必須知道怎樣去挑選適合的工具和網絡測試環境。

                          以前的網絡評估和檢測方式主要是通過經驗去分析網絡架構的可行性,但對應大型的復雜網絡來說,單憑經驗去評估將存在很大的問題,會因為很多無法預知的問題而沒法找到網絡架構設計的要點。網絡仿真技術是一種新的網絡架構檢測技術,其具備特有的關于網絡規劃和設計的方法,為網絡架構的設計帶來了客觀可靠的定量分析依據,使得網絡建設速度有了極大的提升,同時也使得網絡建設過程中的決策更具科學性和有效性。本文針對目前現有的三種網絡仿真方式(網絡仿真、網絡模擬和測試床)做了分析,設計出了一種全新的具備真實、底成本、靈活及高擴展性特點的網絡仿真平臺。

                          本文中先是對 CCS 仿真平臺的背景和實現意義做了闡述,分析了相關技術的發展現狀,并對本文中使用到的相關技術做了簡單介紹,然后從業務功能和非業務功能等方向去完成仿真平臺的需求分析,同時也介紹了系統的整體架構,接著根據需求分析完成了仿真平臺的基礎架構設計和音頻服務架構設計,確定了內話系統客戶端和服務器的協議并完成了仿真平臺的實現,最后基于 Linux 操作系統搭建測試環境,對整個系統進行了測試,測試結果展示出仿真平臺對于實際運行環境的模擬十分成功,并且性能方面也能滿足預期的需求。

                          關鍵詞: 網絡仿真技術,仿真平臺,CCS,內話系統

                        內話系統

                        ABSTRACT

                          Network technology is developing rapidly, people's lives are getting closer and closer to the network. For passengers who choose plane as travel tools, they have increasingly higher requirements for the network environment of the aircraft cabin. The original basic network facilities in the aircraft cabin have begun to fail to meet the various needs of passengers. How to design a solution that can solve the current problem of network architecture has become a top priority for cabin manufacturers and corresponding equipment suppliers. However, a suitable network architecture is not so easy to design, the new network architecture must be fully evaluated and tested before it is put into use. At the same time, if you want to verify the feasibility of the solution, you must know how to choose the right tool and the right network test environment.

                          The previous network evaluation and detection methods mainly used experience to analyze the feasibility of the network architecture, but for large complex networks, the experience alone will have a big problem, and it will be impossible to find the key points of network architecture design because of many unpredictable problems. Network simulation technology is a new network architecture detection technology, which has unique methods for network planning and design, which brings objective and reliable quantitative analysis basis to the design of network architecture, and greatly improves the speed of network construction. Meanwhile, it also makes the decision-making in the process of network construction more scientific and effective. This thesis analyzes the three existing network simulation methods (network simulation, network simulation and test bed), and designs a brand-new network simulation platform with the characteristics of real, low cost, flexibility and high scalability.

                          n this thesis, the background and implementation significance of the CCS simulation platform are first explained, the development status of related technologies is analyzed, and the related technologies used in this article are briefly introduced. Then, demand analysis of the simulation platform is completed from the direction of business functions and non-business functions, and the overall architecture of the system is introduced. Furthermore, according to the need analysis, the basic architecture design and audio service architecture design of the simulation platform were completed, andthe protocol of the client and server of the intercom system was determined and the realization of the simulation platform was completed. Finally, the test environment was built based on the Linux operating system, and the test results show that the simulation of the simulation platform corresponding to the actual operating environment is very successful, and the performance can also meet the expected demand.

                          Keywords: network simulation technology, The simulation platform, CCS, intercom system

                        目 錄

                          第一章 緒 論

                          1.1 研究背景和意義

                          在飛機的組成中有一個很重要的部分,那就是客艙系統,客艙系統主要是為飛機乘客提供服務的,乘客乘機的舒適程度受飛機客艙系統的質量與性能情況的影響比較大,對于現代的先進飛機就競爭力方面來說,其也是一個重要的因素。

                          在大型客機中,客艙系統的運用除了能給乘務員機組提供一個集中的服務和客艙管理平臺,也能方便乘客在飛行途中進行各種娛樂活動,比如 WIFI 上網、飛機上內部通信及觀看各種音視頻資源等。在飛機長途飛行過程中,怎樣才能讓乘客的乘機體驗更加輕松愉悅且多樣化,已經成為了各個飛機制造商和相應的系統設備供應商的共同追求,都花費了大量資源在客艙系統的建設上,以便能提供更加便捷且先進的客艙服務系統。同時,飛機客艙相關的電子技術也在迅猛發展,因其而產生的多元化、自動化的設計能使得客艙系統環境變得更加輕松、舒適。

                          隨著小康社會的不斷建設,全面小康社會的即將實現,人們對于生活質量的追求越來越嚴格,大家已經開始把飛機當作了自己出行的首選交通工具,因此,給中國民航帶來了兩位數的年旅客客運量的持續增長,也給中國民航帶來了嚴厲的挑戰?团撓到y作為客機的核心組成部分,其原有的基礎網絡設施已經開始無法滿足旅客的各種需求,怎樣去設計出新的能解決當前存在問題的網絡架構已經成為了客艙制造商和相應設備供應商的當務之急。

                          新的被構建出來的網絡架構在被實際運用之前,必須經過檢測和分析,而如果要驗證方案的可行性就得知道怎么去選擇適合的工具和合適的網絡測試環境。

                          因此,網絡檢測和評估方法受到了相關網絡研究者的密切關注。在網絡仿真技術出現以前,主要是通過經驗去分析網絡架構的可行性,但對于大型的復雜網絡來說,單憑經驗去評估將存在很大的問題,會因為很多無法預知因的問題而沒法找到網絡架構設計的要點。在此背景下,一種新的網絡設計和規劃手段--網絡仿真技術出現了,因其獨特的網絡規劃和設計方法,為網絡架構的設計帶來了客觀可靠的定量分析依據,使得網絡建設速度有了極大的提升,同時也使得網絡建設過程中的決策更具科學性和有效性。

                          網絡仿真技術由于網絡的快速發展的到了廣闊的應用前景,慢慢成為仿真領域使用的主流技術,同時復雜的大型網絡仿真技術也因網絡在傳輸速度上的突破而有了實現的可能。網絡仿真是一種快速有效的網絡研究方式,其理論基礎主要有隨機過程、系統、統計學和形式化理論這幾種,與其他傳統與非傳統方法(試驗方法、理論計算、經驗方法)的比較過程中,網絡仿真方法在可實現性、實現成本、可靠性以及適用的網絡規模方便吸收了其他三個方法的部分優點,是一種比較折中的方法。在網絡架構的設計過程中,網絡仿真主要是使用仿真的模型去預測和比較不同設計方式之間的性能高低,然后對不同環境和強度的網絡系統的運行情況進行分析和比較,以此來完成系統性能的優化。仿真技術較數學分析方法在抽象化方面程度更低,費時較測量技術方面也更少,所以其在低成本和有效性方面具有傳統方法不可替代的優勢,在許多情況中,仿真技術是唯一可行的分方法。

                          本文將借助計算機網絡仿真技術完成客艙核心系統仿真平臺的設計及實現,幫助構建出滿足旅客需求的客艙核心系統的網絡架構。

                          1.2 國內外研究現狀

                          目前,主流的網絡架構仿真測試使用的方式有網絡模擬、測試床和網絡仿真。

                          國內對于相關的研究并不多,大多數是對國外研究的一些改進。文獻[1]設計了一種基于虛擬化流量的網絡測試床,雖然增加了一定的靈活性,但改進程度有限,且增加了測試床環境部署的成本;文獻[2]設計了一種基于 Mininet 仿真平臺擴展而來的針對基于軟件定義網絡(SDN)的機動通信仿真場景的仿真系統,充分發揮了網絡仿真動態、靈活的特點,但缺乏真實性仍是其最大的痛點。國外在這方面的研究主要集中在網絡仿真,當前已經存在許多成功的軟件(如 NS、OPENET、OMNeT 等), 最近日本東京工業大學準教授首藤一幸的研究小組及服務器安全研究中心開發了區塊鏈網絡模擬器 SimBlock[3],SimBlock 特點在于可以輕松更改節點的行為,從而可以調查節點行為對區塊鏈的影響。下面將對目前主流的 3 中網絡環境模擬方式進行分析。

                          測試床是真實的設備組成的,如交換機、路由器等,其通過部署切近于實際的網絡環境來執行實現,因此,其實驗環境與實際環境最相近,測試出來的結果也與實際情況最符合。不過其也存在比較嚴重的問題,一是購買硬件設備的成本高,配置工作時間長,導致可擴展性低;二是不能靈活的調節和控制實驗環境,再次進行實驗時改動比較大。

                          網絡仿真經常會把網絡中的不同要素和行為抽象出來并建立模型,并用軟件來代替,接著借助 PC 來完成對實際網絡的仿真操作。在大多數情況下,網絡仿真可以在不用額外設備的情況下正常使用,也不使用在實際環境中所用的協議,而是借助軟件來推測實際情況。它的特點是不用在硬件設備上花費太多,成本低,測試環境便于構建和控制,網絡結構易于重構和整改,在擴展性和重復性方面表現也比較好。但是由于網絡仿真的實驗環境與實際環境差別較大,導致實驗結果不能對真實情況準確的預測,缺乏真實性。

                          網絡模擬就前兩者而言采用了一些比較折中的方式,一方面在搭建實驗環境過程中用了部分實物設備,另一方面借助軟件去代替了一些物理設備的功能,如借助網絡連接模擬器來仿真網絡的連接特點。這樣可以綜合前兩個方法的優勢,其提供的實驗結果在擴展性和重復性上有一定的保證,同時也比較真實可靠。

                          在網絡體系的發展進程中,網絡仿真技術對其所起的作用正逐漸變大,在許多網絡研究領域都有它的身影。網絡仿真技術可以幫助各種網絡協議和網絡算法在設計和實現的過程中做性能優化,但由于網絡架構越來越復雜,變化速度越來越快,導致對仿真測試的要求也變得越來越嚴格?偟膩碚f,網絡仿真技術還是有著良好的發展趨勢和廣闊的前景,并且正在穩步前進。

                          1.3 本文主要研究內容和特色

                          本文主要敘述了飛機客艙核心系統(Cabin Core System,CCS)仿真平臺,基于局域網環境下,利用計算機網絡仿真技術實現。

                          在 CCS 仿真平臺中,在本文中的主要工作包括了以下幾個方面:

                          1) 根據在 CCS 中的不同功能類型,將仿真平臺劃分為音頻控制面板(AudioControl Pannel,ACP)、飛機客艙管理網關(Cabin Management Gateway,CMG)、客艙管理計算機(Cabin Management Computer,CMC)、乘客服務控制單元(Passenger Service Control Unit,PSCU)這幾個子模塊,然后完成各個子模塊的設計與實現,并定義統一的通信協議格式,完成子模塊之間的協調工作。

                          2) 完成 ACP 模塊程序的編寫,其主要負責完成與客艙核心系統的語音通信,使用 JFrame 架構完成 ACP 控制界面、內話控制界面及通信時延統計面板的實現。

                          3) PSCU 模塊程序的實現,其主要負責完成乘客行為模擬,提供模擬控制界面、話機模擬等功能。這模塊的開發中,將通過 Alsa 框架處理音頻數據,借助 SIP 協議注冊功能實現內話功能。

                          4) 通過編寫 CMG 模塊程序模擬網絡交換節點,主要用于實現指定客艙區域的客艙服務控制功能,并負責 PSCU 模塊的控制管理及 CMC 與 CMG,以及 CMG 之間的數據同步。

                          5) 完成 CMC 模塊程序的編寫,通過注入 SIP 協議實現音頻播放控制、內話邏輯控制,并通過自定義的統一的通信協議實現乘客服務控制,使其成為整個仿真平臺的控制中心。

                          在本文中要設計的仿真平臺是一種能夠適應真實環境中復雜性的仿真工具,有能力在低成本的情況下實現與實際情況接近的環境去完成重復的實驗,具有較高的可擴展性、方便用戶編程,在保證高效的同時能驗證仿真過程中所使用的網絡協議是否適用于該系統。 由前面一節知道,已經存在的網絡仿真方式包括網絡模擬、網絡仿真、和測試床。其中測試床完全使用實物來進行模擬,可擴展性主要取決于物理設備的數量,很難通過技術上的手段加以改善,且仿真成本太大;網絡仿真具有極高的可擴展性,但不使用實際的網絡協議且實物和測試數據都是通過軟件或者數據建模生成的,缺乏真實性;網絡模擬通過使用部分硬件設備和軟件仿真來保證一定的可擴展性和真實性,但缺乏靈活性。這三種方式都無法滿足本課題所需的同時具備真實、底成本、靈活及高擴展的需求,因此本文通過對網絡仿真和軟件模擬這兩種方式進行分析,綜合兩者的優點,設計出了全新的網絡仿真平臺,其主要特點如下:

                          1) 使用真實計算機主機作為載體,通過在載體中編寫軟件來完成實際設備(如計算機、路由器、交換機等)的模擬,使用軟件能比較靈活的完成各個節點的功能且易于擴展。

                          2) 仿真平臺中所使用的各種協議都使用真實環境中所采用的協議,為仿真平臺的運行結果提供可靠性依據。

                          3) 在測試過程中的所有輸入/輸出數據不是基于軟件或者數學建模生成的,而是基于實際生成,比如仿真平臺的內話系統模塊中的通話數據來源于真實的通話數據,保證測試結果的真實性。

                          本文設計的仿真平臺能夠較為真實地還原現實場景,實驗過程中所產出的時延、抖動等結果也更為貼近實際情況,具有較高的擴展性、準確性和真實性,使得研究成果比較符合實際并具有較強的實際指導價值。

                          1.4 本文的組織結構

                          本文的主要內容包括:

                          1) 緒論:這章通過論文選題的研究背景、意義與目標這幾方面進行了介紹,對仿真技術發展現狀做了描述,同時論述了本文的主要工作和創新,最后簡要說明了文章的基本書寫思路。

                          2) 本文涉及到的相關技術介紹:主要針對本論文中設計到的軟件開發技術和網絡協議做簡要綜述。

                          3) 需求分析與系統設計:這一章內容主要包括對 CCS 仿真平臺的需求分析,與對系統的應用架構、功能架構及總體架構等模塊的設計,最終確定 CCS仿真平臺系統的整體架構和核心模塊的主要功能。

                          4) CCS 仿真平臺的軟件實現:完成了平臺中所有子模塊程序的編寫,主要包括系統仿真軟件的代碼實現和操作流程介紹,并對關鍵要點做了詳細說明。

                          5) 仿真平臺內話系統實現過程。

                          6) 完成仿真平臺軟件的整體測試:對系統的設計目標進行驗證,包括編寫測試說明,對仿真軟件進行功能相關和性能相關的詳細測試。

                          7) 總結與對未來的展望:完成全文總結并對創新與不足進行補充說明,最后提出相應解決方案,以及對未來的展望。

                          1.5 本章小結

                          在本章中先是介紹了論文的研究背景和意義,對仿真技術的發展現狀做了描述,然后對現有技術進行分析并結合現有技術提出了本文所設計的仿真平臺,同時對本課題的目標進行了說明。在本章最后則簡述了本文的主要內容和相應的組織結構。





                          第二章 相關技術介紹
                          2.1 JNI 技術
                          2.2 RTP/RTCP 協議
                          2.3 SIP 協議
                          2.4 NTP 協議
                          2.5 本章小結

                          第三章 仿真平臺的需求分析和架構設計
                          3.1 仿真平臺需求分析
                          3.1.1 系統功能分析
                          3.1.2 功能性需求分析
                          3.1.3 非功能性需求分析
                          3.2 仿真平臺架構設計
                          3.2.1 總體系統架構設計
                          3.2.2 基于基礎功能的架構設計
                          3.2.3 基于 SIP 的音頻服務架構設計
                          3.3 本章小結

                          第四章 CCS 仿真平臺基礎架構的實現
                          4.1 PSCU 端實現
                          4.1.1 數據傳輸模塊
                          4.1.2 SIP 客戶端模塊
                          4.1.3 業務邏輯模塊
                          4.1.4 UI 模塊
                          4.2 CMG 端實現
                          4.3 CMC 端實現
                          4.4 ACP 端實現
                          4.5 菊花鏈環狀網絡搭建
                          4.6 本章小結

                          第五章 CCS 仿真平臺內話系統實現
                          5.1 內話系統服務器
                          5.1.1 SIP 服務器的整體架構
                          5.1.2 FreeSwitch 服務器通信機制
                          5.2 內話系統客戶端
                          5.2.1 客戶端的總體架構
                          5.2.2 用戶注冊
                          5.2.3 用戶會話功能的實現
                          5.2.4 音頻傳輸模塊的實現
                          5.3 本章小結

                          第六章 CCS 仿真平臺測試
                          6.1 測試環境
                          6.2 系統測試
                          6.2.1 燈光、安全帶等乘客服務設備狀態監聽
                          6.2.2 SIP 內話注冊
                          6.2.3 SIP 內話發起和接聽
                          6.2.4 廣播
                          6.3 測試結果分析
                          6.4 本章小結

                        第七章 總結與展望

                          7.1 論文工作總結

                          本文主要闡述了使用計算機網絡仿真技術實現的基于飛機 CCS 系統網絡架構的仿真平臺。與目前現有網絡仿真技術不同,本文通過計算機來借助軟件完成實際網絡設備的模擬,并在軟件研發過程中使用實際場景下所使用到的各種網絡協議,不但實現成本低,且能真實的反應出實際環境中的場景,具有較高的擴展性、準確性和真實性。

                          本文做的主要工作如下:對仿真平臺的需求進行了分析,包括四大模塊的基礎功能分析和 SIP 內心系統的功能分析;完成仿真平臺的基礎架構設計和音頻服務架構設計,確定了內話系統客戶端和服務器的協議,并對協議的運行機制做了簡要分析;在仿真平臺實現過程中使用了 Java 平臺和 C++平臺通過 JNI 協調開發的模式,便于軟件移植和更新;完成了各模塊的實現,并搭建測試環境,對各模塊做了測試,測試過程中內話系統的通信時延也非常低。

                          7.2 問題與展望

                          本仿真平臺在基礎功能和基于 SIP 的內話系統上的測試效果都達到了預期的效果,不過在以下方面還有更好的處理方式:在使用 RTP 協議進行傳輸時,雖然通過 RTCP 協議對數據準確性和超時做了處理,但以后還需要學習相關知識,比如通過在應用層添加可靠傳輸控制,將基于 UDP 的可靠傳輸做的更好;本文在測試過程中使用的測試主機比較少,沒法去模擬復雜的實際場景,需要準備更多的主機去模擬更多的節點,使得測試結果更加具有說服力。

                          隨著網絡技術的發展,將會出現越來越多的高效方便的工具可以使得網絡仿真實驗得到更好的執行,各種網絡協議也將越來越完善,便于網絡工程師們更好的使用,可以以極低的代價得到貼近于實際環境的測試數據。

                        致 謝

                          日月如梭,三年的碩士生涯轉瞬而逝,我也將要脫離學生的身份再次奔赴社會去開始自己新的歷程。在這期間,有碰到問題而不可解時的發狂時刻,也有學會新的技能時的欣喜若狂,有和導師、同門師兄弟間的歡樂時光,也有懷才不遇的失落時刻。感謝這三年來陪我一起度過的人和物。

                          感謝我的導師趙繼東,經常抽空找我們談話,對于我們在學習或者生活上遇到的問題都會給我們提出寶貴的意見,同時還幫助學生完善學習計劃,指導我們怎樣去更好的融入集體。

                          感謝在我的論文完成過程中對我耐心指導的魯珂老師,因為您的無私幫助才使得我的論文完成的這么順利。

                          感謝我的女朋友,一直支持我,在我情緒低落的時候幫助我重新發起斗志,鼓勵我去積極的面對生活中的各種困難。

                          感謝我的家人,一直都是我的堅強后盾,一直在背后支持我。

                          感謝電子科技大學,給我提供了極好的學習環境和學習氛圍,在這學習的幾年中,能看的學校一直在為提供更好的環境而不斷努力,同時也感謝學校為我們學生提供了豐富的學習資源。

                          最后對在百忙之中抽空為我做論文評審工作的所有專家、教授及老師表示誠摯的感謝。

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