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1 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 摘要 现有 internet 网络功能强大，服务类型多样，但是随着网络规模 指数型的增大，以及应用需求的多样化，我们也逐渐开始意识到 internet 正逐渐步入僵化。本文正是在这样的背景下提出了一个基 于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型。 该网络模型能够为用 户建立起一个具有更高独立性、安全性、灵活性并具有物理位置与用 户身份分离特性的网络， 这使得用户能够在自己的私有网络中提供或 享用更多种多样的个人网络服务，这些服务不但包括应用层各项服 务，还包含了应用层以下的各种服务。 该模型的核心主要是基于虚拟化技术建立起来的，其中用到的虚 拟化技术包括虚拟路由器技术、虚拟网卡技术、虚拟拓扑技术等等。 本文还在现有主流仿真技术研究的基础上， 用 ns2 仿真软件对该网络 模型进行了仿真，得出了对该网络性能参数的评估。同时还结合利用 了 planetlab 测试床，对该网络模型的系统参数也给出了评估。 此外，本文讨论了该网络模型的实际应用。它的应用范围十分广 泛，既可以用于个人用途，也可以用于组织机构建设网络的情况，还 可以用于给网络研究人员对前沿的网络技术进行方便而灵活的实验 和仿真。特别地，本文在对现有信息安全公共服务平台体系结构进行 研究的基础上，给出了该网络模型在该平台中的应用，提出了新一代 2 信息安全公共服务平台体系框架， 为进一步发挥信息安全公共服务平 台的优越性奠定了基础。 关键词：虚拟覆盖网络，虚拟化技术，仿真技术，信息安全公共服务 平台 3 research on simulation and virtualization based virtual overlay network model abstract todays internet is robust, and can provide various services. but with the exponential development of the network scale, and the increasing variety of application needs, we begin realizing the fact that internet is becoming ossified. it is under this circumstance that this paper proposes a new simulation and virtualization based virtual overlay network model. this network model can set up an overlay network model of great independence, security, flexibility and location-identity split. this enables users to provide or enjoy various personal services, both on and under the application layer, in their own private network. the key technology within the virtual overlay network model is virtualization, which includes the virtual router, virtual network adapter, and virtual topology, etc. based on research of the mainstream simulation technologies, this network model is simulated using ns2, and related network performance parameters are evaluated. also, to test its system performance, the planetlab testbed is further used along with ns2. moreover, this paper discusses the practical use of the network model. its application is so wide that it covers the individual use, the 4 organizational use, and the research use. the research use enables the researchers to experiment and simulate the most advanced network technologies more easily and flexibly. in particular, on the basis of the research on the architecture of the existing information security public service platform, this paper discusses the application of this network model in it, and presents the framework of a generation of information security public service platform. this enables the platform to fully exert its superiority. keywords: virtual overlay network, virtualization technology, simulation technology, information security public service platform 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名： 陈盈盈 日期： 2008 年 1 月 6 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 陈盈盈 指导教师签名： 杨树堂 日期：2008 年 1 月 6 日 日期：2008 年 1 月 6 日 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 仿真技术的发展 仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专 用设备为工具， 用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门多学 科的综合性技术。它在工程与科研领域的应用非常广泛。仿真技术的特点主要体 现在一下几方面： (1) 经济性：大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，而采用仿真技术通常 成本可以下降为原来的 1/101/5，而且设备可以重复使用。 (2) 隔离性：在实际系统中，影响实验结果的因素往往是非常复杂的，但使 用仿真技术可以使得系统不受外界条件的影响，在一个限制性假设的环境下，对 系统进行有效的研究。 (3) 安全性、可控性：某些系统直接实验往往会有很大危险，甚至是不允许 的，而仿真技术可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。 (4) 快捷性：采用仿真技术可以提高设计的效率。 (5) 设计优化功能、可预测性：对一些真实系统进行结构和参数的优化设计 是非常困难的，这时仿真可以发挥它的优化设计功能，并可以获得对系统的某种 超前认识。 由于仿真技术给工程和科研领域带来的优势是巨大的，因此该技术在近些年 的发展是十分长足的。它的发展趋势主要体现在四个方面。在硬件方面，基于多 cpu 并行处理技术的仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强仿真系统的实 时性。在应用软件方面，面向用户的仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智 能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综 合评判等方面达到更理想的境界。在分布式仿真技术方面，通过结合仿真技术和 分布式技术，能充分利用网络技术，使系统间协调合作。另外，在虚拟现实技术 方面，综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技 术等多学科，使人置身于真实环境之中。 1.1.2 虚拟化技术的发展 虚拟化技术是对物理设施的软件实现，是网格计算和公用计算带动起来的新 的技术方向，包括虚拟服务器技术，虚拟存储技术，虚拟数据中心技术，虚拟网 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 2 络技术，虚拟设备技术，虚拟路由器技术，虚拟实验技术等。虚拟化技术可以扩 大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。 在传统的典型 it 架构中，存在许多挑战，阻碍着现代企业的灵活性，这些 挑战来自如下几个方面：应用被捆绑在固定的平台上；各项应用拥有着不同的平 台；需要有专用的、针对特别应用的开发、测试、生产和灾难恢复环境；每个应 用环境都需按预计最大负载来构建，彼此之间仅有较低的或根本没有资源共享。 面对这些传统 it 技术与架构所带来的问题，虚拟化技术应运而生。通过虚 拟化技术，能够将基础设施从物理变成虚拟的；通过虚拟化技术，it 设施变成 了一个虚拟资源池，以单一资源彻底消除业务系统的复杂性。同时它还能够满足 降低成本的需求。基于虚拟化，企业的 it 基础设施具备了更多的灵活性，并向 公用计算时代迈进。 虚拟技术主要用于解决两方面的商业需求： 1）支持传统应用的需求：传统 应用使用许多老式操作系统，业务扩大和系统升级等给这些系统带来诸多挑战， 使企业不得不面对代价高昂的选择。 如果针对现有的操作系统对应用进行升级或 重写，所需要的资源很可能不够。 2）合并传统应用的需求：许多商业应用都在 利用率较低的服务器上运行。多年来，it 部门都希望对这些应用进行合并，减 少服务器的数量， 同时还可以节省大量的管理成本、 硬件、 占地空间和电力消耗。 但问题是， 通常这些应用在编写时就已经确定不能与其它应用共存于同一台服务 器上。有些应用需要不同版本的操作系统、数据库和中间件；有些应用则可能消 耗掉系统中的所有硬件或软件资源，因而阻止其它应用的运行。虚拟技术可以帮 助解决这一问题，使服务器能够适应快速、频繁的重新配置。 与物理虚拟设备相比，虚拟技术具有如下的优势： (1) 较低的资本消耗：服务器的数量更少，且利用率更高。它能降低总体拥 有成本（tco）和提高投资回报率（roi） 。 (2) 较低的运营费用：降低数据中心运营和系统管理要求。 (3) 支持传统环境：可以将传统的应用，以快速、经济的方式移植和重新部 署到可用率更高的系统上。 (4) 提高软件的生命周期管理性：有效地减少应用在开发、测试、准备和部 署周期中所消耗的时间。 因此，虚拟化技术可以在降低成本的同时，提供灵活的计算和计算环境，通 过虚拟部分或全部基础设施，能够实现动态分配和调节 it 资源，将全部资源作 为单一实体进行管理，实现更出色的业务和 it 灵活性。 1.1.3 研究虚拟化覆盖网络的意义 虚拟化网络是应用虚拟化技术构建起来的网络环境，不同于真实的网络环 境。在这里，我们所研究的虚拟化网络主要是指基于虚拟设备而建立起来的虚拟 网络，它有自己的虚拟网络拓扑。而虚拟化覆盖网络则是指我们研究的虚拟化网 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 3 络是基于底层 internet 网络而建立起来的覆盖网络，它既有自己的特色，却又 保留了底层 internet 的强大功能及各种服务。 对虚拟化覆盖网络的研究意义主要在于 internet 的僵化已经不能适应网络 指数级的增长以及用户的多样化服务需求。与此相反，虚拟化覆盖网络却能建立 起一个更独立、更安全、更灵活、并能支持地理位置与用户身份分离的网络体系 模型。这样，网络能够为用户提供更多的私有网络服务，包括应用层和应用层以 下的各种服务。 该网络模型的应用将十分广泛，不但能用于个人用户间通信的情况，也可用 于像学校或公司这样的组织内部， 甚而至于还为研究人员提供了一种网络研究及 评估手段。 1.2 现有 internet 体系结构研究 1.2.1. 现有 internet 的优势 internet 发展至今已经深入到人们生活的各个部分，通过 www 浏览、电子 邮件等方式，人们可以及时获得自己所需的信息，internet 大大方便了信息的 传播，给人们带来一个全新的通讯方式。internet 的飞速发展和广泛应用在很 大程度上是因为它能提供和支持大量的服务，这些服务包括 www 服务，电子邮件 （e-mail） ，文件传输（ftp） ，远程登录（telnet） ，新闻论坛（usenet） ，新闻 组（news group） ，电子布告栏（bbs） ，gopher 搜索，文件搜寻（archie）等等， 这给人们的信息交流带来了极大的便利。 1.2.2. 现有 internet 结构的僵化 internet 的优势是明显的，就是它能够为用户提供大量的服务，但是我们也 不得不承认， internet 的体系结构正使得它变得开始僵化。 首先，随着网络规模不断地增大，对硬件资源的消耗也逐渐开始呈指数级递 增，于是即使是对 internet 架构的很小改动，都会使得部署相当困难。例如， ipv6 虽然已经进入人们的视野很久了，但是由于技术上的原因，ipv6 迟迟不能 推广使用。因此，internet 不利于新型网络架构的研究及部署，它不但对需要 大量的硬件资源消耗，而且部署周期相当长。 另外，用户的需求已不仅限于现有的 internet 服务，他们的服务需求已变 得越来越多样化。例如，internet 的尽力包传送服务并不能满足商业中的关键 服务或一些实时应用程序的需求。因此，internet 已远远不能满足用户多样化 的个人网络服务需求。 此外，internet 的服务由 isp 服务提供商进行管理和维护，这将使得有时对 它的使用变得很不灵活。 用户往往希望能够根据自己的需求建立起自己的网络拓 扑，提供自己的私有网络服务等等。因此，internet 不能向用户提供开放式的 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 4 管理和竞争平台 现有 internet 存在的这些问题，都促使我们去寻求更好的网络架构解决方 案，而虚拟覆盖网络模型能够很好的解决这些问题，因此，我们对这种网络模型 的研究将变得十分有意义。 1.3 本文研究内容与章节安排 本文在对网络仿真及虚拟化技术的研究基础上，提出了虚拟覆盖网络模型， 并结合现有信息安全公共服务平台的特点， 提出了新一代信息安全公共服务平台 体系结构。围绕这些研究内容，本文的结构安排如下： 全文在第一章介绍了虚拟覆盖网络模型的研究背景及意义，并对 internet 的现状，包括其优势及劣势，进行了调研和分析。 第二章主要讨论了网络仿真技术，包括其研究背景和现有的一些主流网络仿 真技术。 第三章着重介绍了虚拟化技术，并对网络虚拟化技术的实际应用进行了深入 阐述。 在第二章和第三章的研究基础上，本文在第四章提出了虚拟覆盖网络模型体 系结构，详细描述了其中的关键技术、网络模型的建立与实现机制，并给出了具 体的网络通信实例。 第五章对该网络模型进行了仿真，并对相关指标进行了性能测试。 第六章是在对该网络模型研究的基础上，结合现有的信息安全公共服务平 台，提出了新一代信息安全公共服务平台体系结构。 第七章是对本文的总结与回顾，并对虚拟覆盖网络模型的发展前景做出了一 个展望。 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 5 第二章 网络仿真技术研究 2.1 网络仿真技术介绍 2.1.1 网络仿真概念 网络仿真也被称为网络模拟，因为对各种网络仿真过程来说，其中也有“模 拟”的含义，即，网络仿真既可以取代真实的应用环境得出可靠的运行结果和数 据，也可以模仿一个系统过程中的某些行为和特征。顾名思义，网络模拟，就是 用计算机程序对通信网络进行模型化，通过程序的运行模仿通信网络的运行过 程。 2.1.2 网络仿真技术研究背景 在网络迅速膨胀的今天，网络研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算 法，为网络发展做前瞻性的基础研究;另一方面也要研究如何利用和整合现有的 资源，使网络达到最高效能。无论是哪一方面都需要对新的网络方案进行验证和 分析。进行网络技术的研究一般有以下 3 种手段: (1) 分析方法，就是对所研究的对象和所依存的网络系统进行初步分析，根 据一定的限定条件和合理假设，对研究对象和系统进行描述，抽象出研究对象的 数学分析模型，利用数学分析模型对问题进行求解. (2) 实验方法，就是设计出研究所需要的合理硬件和软件配置环境，建立测 试床和实验室，在现实的网络上实现对网络协议、网络行为和网络性能的研究。 (3) 仿真方法，应用网络仿真软件建立所研究的网络系统的模拟模型，在计 算机上运行这个模型，并分析运行的输出结果。 然而，前两种方法都存在很大的局限性。分析方法的有效性和精确性受假设 限制很大。当一个系统很复杂时，就无法用一些限制性假设来对系统进行详细描 述。实验方法的局限性在于成本很高，重新配置或共享资源很难，运用起来不灵 活。而仿真方法在很大程度上可以弥补前两种方法的不足。仿真方法可以根据需 要设计所需的网络模型， 用相对较少的时间和费用了解网络在不同条件下的各种 特性，获取网络研究的丰富有效的数据。网络仿真无疑提供了一个方便、高效的 验证和分析方法， 因此网络仿真技术在现代通信网络设计和研究中的作用正变得 越来越大。 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 6 2.2 主流网络仿真技术研究 目前已出现了许多优秀的网络仿真软件，其中有 opnet、ns2、matlab 等， 这为网络研究人员提供了很好的网络仿真平台。 主流的网络仿真软件都采用了离 散事件模拟技术，并提供了丰富的网络仿真模型库和高级语言编程接口，这无疑 提高了仿真软件的灵活性和使用方便性。 下面将对各种主流的网络仿真软件技术 进行研究。 2.2.1 opnet opnet modeler 是 opnet technology 公司的四个系列网络仿真软件产品的其 中之一，它主要面向的用户为网络设计专业人士，帮助客户进行网络结构、设备 和应用的设计、建设、分析和管理。 opnet 的产品主要针对三类客户，分成四个系列。三类客户是指：网络服务 提供商；网络设备制造商和一般企业。四个系列产品核心包括： (1) serviceproviderguru：面向网络服务提供商的智能化网络管理软件。是 opnet 公司的最新产品。 (2) opnet modeler：为技术人员（工程师）提供一个网络技术和产品开发平 台。可以帮助他们设计和分析网络、网络设备和通信协议。 (3) itguru：帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用的性能，诊断问 题，查找影响系统性能的瓶颈，提出并验证解决方案。 (4) wdm guru，用于波分复用光纤网络的分析、评测。 opnet 具有下面的突出特点，使其能够满足大型复杂网络的仿真需要。 (1) 提供三层建模机制，最底层为 process 模型，以状态机来描述协议;其次 为 node 模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性;最上层为网络模型。三层 模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。 (2) 提供了一个比较齐全的的基本模型库，包括:路由器、交换机、服务器、 客户机、atm 设备、dsl 设备、isdn 设备等等。同时，opnet technology 公司会 对不同的企业用户提供附加的专用模型库，但需另外付费。 (3) 采用离散事件驱动的模拟机理(discrete event driven)，与时间驱动相 比，计算效率得到很大提高。 (4) 采用混合建模机制，把基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结 合起来，既可得到非常细节的模拟结果，又大大提高了仿真效率。 (5) opnet 具有丰富的统计量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各个 网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。 (6) 提供了和网管系统、流量监测系统的接口，能够方便的利用现有的拓扑 和流量数据建立仿真模型，同时还可对仿真结果进行验证。 opnet 也有其缺点： 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 7 (1) 价钱昂贵。opnet 的单使用者授权费超过 2 万 5 千美金。价格的因素 使得盗版猖獗。 (2) 学习的进入障碍很高， 通过专门培训而达到较为熟练程度至少需一个 多月的时间。 (3) 仿真网络规模和流量很大时, 仿真的效率会降低。目前解决方法：采 用分层的建模方法，汇聚网络流量，简化网络模型；背景流量和前景流量相 配合；流量比例压缩方法；优化调整仿真参数设计；路由流量的简化；结果 分析；如何针对不同的统计参数，选择合适的结果收集和处理方法。 (4) 软件所提供的模型库是有限的， 因此某些特殊网络设备的建模必须依 靠节点和过程层次的编程方能实现。 （a.网络仿真软件提供的标准的结果参 数，往往不能满足实际用户的全部需要，如果用户需要收集网络设备的某些 特殊参数时，必须通过过程层次上的编程来收集自己感兴趣的网络参数。b. 一般，厂家提供的网络协议的模型都滞后于标准颁布之日数月甚至一年，如 果急需使用厂家模型库中没有提供的新协议、新标准时，就只有通过编程的 方法，开发自己的协议模型。c.对于大型网络的仿真，有时需要根据实际情 况，通过编程改变模型的某些特性来提高仿真计算效率。 ）涉及底层编程的网 元建模具有较高的技术难度，因为需要对协议和标准及其实现的细节有深入 的了解、并掌握网络仿真软件复杂的建模机理。因此，一般需要经过专门培 训的专业技术人员才能完成。编程的难度限制了 opnet 的普及与推广。此外， 建立在 opnet 上的仿真平台当前无法脱离 opnet 环境，也是 opnet 的一个局 限性。 (5) opnet 对路由协议的仿真比较适合，但是对链路的仿真好想就只能通 过 pipeline stage 来做。例如有用户试了把 pipeline stage 中 radio 的 propagation delay model 的传输速度（default 值是光速）改为声波在海水 中的速度 1500m/s，但是仿真出来的 propagation delay 结果居然没太大的 改变。而根据使用经验 matlab 或者 spw 就比较合适做链路层的仿真。 2.2.2 ns ns 是一个由 uc berkeley 开发的用于仿真各种 ip 网络的为主的优秀的仿 真软件。 该软件的开发最初是针对基于 unix 系统下的网络设计和仿真而进行 的。 tcl（tool command language）与 tk 是安装在 unix/linux 环境下的两个 包，他们一起构成了一套开发系统应用程序和图形用户界面接口（gui）应用 程序的环境。tk 是 tcl 在 x window 环境下的扩展，它包含了 tcl 的全部 c 库函数，以及支持 x window 的窗口，控件等 c 库函数，为用户开发图形用户 界面提供了方便。 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 8 ns 的设计实现了使用两种程序设计语言，c+和 otcl。这两种程序设计语 言都是面向对象的。c+程序模块的运行速度非常快，是强制类型的程序设计 语言，容易实现精确的，复杂的算法，但是修改和发现，修正 bug 所花费的 时间较长，因为它比较复杂。otcl 是脚本程序编写语言，是无强制类型的， 比较简单，容易实现和修改，容易发现的修正 bug，虽然它的运行速度和 c+ 的模块相比要慢很多。 ns 的仿真原理-网络组件。 nsobject 是所有基本网络组件的父类它本身的 父类是 tclobject 类。这个类的对象有一个基本功能，就是处理数据包 （packet） 。所有的基本网络组件可以划分为两类，分类器（classifier）和 连接器(connector)。它们都是 nsobject、的直接子类，也是所有基本网络 组件的父类。分类器的派生类组件对象包括地址分类器和多播分类器等。连 接器的派生类组件对象包括队列，延迟，各种代理，和追踪对象类。应用程 序是建立在传输代理上的应用程序的模拟。ns2 中有两种类型的“应用程 序”，数据源发生器和模拟的应用程序。ns 是离散事件驱动的网络仿真器。 它使用 event scheduler 对所有组件希望完成的工作和计划该工作发生的时 间进行列表和维护。 ns 的工作平台可以是 windows,linux,uinx,machitosh,还要求系统装有 c+编译器。ns 的工作流程：ns 代码使用 otcl 语言编写，通过 otcl 语言解 释器解释，使用 ns 仿真库进行编译和仿真，输出仿真结果，根据仿真结果记 录，可进一步进行相关内容分析，生成网络拓补图或者得到数据的可视化的 图表。 使用辅助的 nam 工具， 在 ns 中可以清晰显示网络拓补图， 使用 x graph 工具，可以将 ns 的仿真结果用图表形式表示， ns 设计的出发点是基于网络仿真，它集成了多种网络协议，业务类型， 路由排队管理机制，路由算法。此外，ns 还集成了组播业务和应用于局域网 仿真有关的部分、mac 层协议。其仿真主要针对路由层，传输层，数据链路 层展开，因此 ns 可以进行对固定，无线，卫星以及混合等多种网络的仿真。 但它最适用于 tcp 层以上的模拟。ns 的特点是源代码公开；可扩展性强；速 度和效率优势明显。 在这里我们将 ns 与 opnet 的优缺点进行一下比较： (1) opnet 与 ns2 的关系有点像 windows 和 linux 的关系。而它们也分别 是在这两个环境下（opnet 在 win，ns2 在 linux）安装使用最匹配。 (2) opnet 是商业软件， 所以界面非常好。 功能上很强大， 界面错落有致， 统一严格。操作也很方便，对节点的修改主要就是对其属性的修改。是优点 也是其缺点，如果你需要特殊的节点或很适合自己的节点就不如 ns2 方便。 同时，由于是商业软件所以版本推出不如 ns2 快。 (3) ns2 是自由软件，免费，这是与 opnet 相比最大的优势，因此它的普 及度较高，是 opnet 强有力的竞争对手。 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 9 (4) ns2 界面不如 opnet，虽然功能也很强大，但有很多零散的东西，刚 学的时候很麻烦，不容易上手。操作上比较方便，但由于不是同一公司开发 的，所以格式上不是很统一，说明手册的条理也不是很好。没有现成的节点 什么的你可以自己用 c+编，可以按照自己的意图来构造你想要的节点。 2.2.3 matlab matlab 软件是由美国 mathworks 公司推出的用于数值计算和图形处理的科 学计算系统环境。 matlab是英文matrix laboratory(矩阵实验室)的缩写。 matlab 环境下，用户集成了程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各 项功能。 matlab 提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构 是矩阵， 在生成矩陈对象时， 不要求作明确的维数说明。 与利用 c 语言或 fortran 语言作数值计算的程序设计相比，利用 matlab 可以节省大量的编程时间。 mtalab 系统由五个主要部分组成: (1) matalb 语言体系。matlab 是高层次的矩阵/数组语言。具有条件控制、 函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行 小规模端程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开 发复杂的应用程序。 (2) matlab 工作环境包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法， 以及开发、调试、管理 m 文件的各种工具。 (3) 图形图像系统。这是 matlab 图形系统的基础，包括完成 2d 和 3d 数据图 示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 matlab 命令，也包括用户对 图形图像等对象进行特征控制的低层 matlab 命令，以及开发 gui 应用程序的各 种工具。 (4) matlab 数学函数库。这是对 matlab 使用的各种数学算法的总称。包括 各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法等。 (5) matlab 应用程序接口。这是 matlab 为用户提供的一个函数库，使得用 户能够在 matlab 环境中使用 c 程序或 fortran 程序， 包括从 matlab 中调用程序 (如动态链接库)，读写 mat 文件的功能。 由此可见，matlab 是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、 程序开发为一体的环境。除此之外，matlab 还具有很强的功能扩展能力，与它 的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。 在国际学术界，matlab 已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许 多国际一流学术刊物上，（尤其是信息科学刊物） ， 都可以看到 matlab 的应用。 在 设计研究单位和工业部门，matlab 被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。 如美国 national instruments 公司信号测量、分析软件 labview，cadence 公司 信号和通信分析设计软件 spw 等，或者直接建筑在 matlab 之上，或者以 matlab 为主要支撑。又如 hp 公司的 vxi 硬件，tm 公司的 dsp，gage 公司的各种硬卡、 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 10 仪器等都接受 matlab 的支持。 但是 matlab 也有相应的缺点。matlab 的缺点是它和其他高级程序相比，程 序的执行速度较慢。由于 matlab 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文 件，程序为解释执行，所以速度较慢。matlab 另一个缺点是不能实现端口操作 和实时控制，但结合 c+builder 运用,实现优势互补就可以克服这一缺点。 matlab 还有一个缺点就是这个软件太大，按现在流行的版本 6.x 或 7.x，自身有 400 多兆，占硬盘空间近 1 个 g，一般稍早些的计算机都安装不下。 2.2.4 cassap 对于设计扩频数字移动通信这样复杂庞大的系统，依靠过去传统的设计方法 是无法完成的，美国 synopsys（新思科技）公司提供的设计工具 cossap 能帮助 设计人员在算法概念级建立一个系统模型， 可定义并可随时改变系统的参数， 模 拟系统信号处理流程来研究系统的算法性能、指标。cossap 的设计思想为自 顶向下(topdown)的设计方法，即先进行系统性能分析、算法分析，再进行硬 件、软件划分、设计，最后将软、硬件合并、仿真、调测、验证之后，才能完成 系统设计 cassap 为数字信号处理系统的开发者提供了一个最有效的仿真工具，使工 程师在概念、 算法和体系结构层次完成算法仿真。 其首创的数据流驱动仿真器比 传统的基于时钟周期的仿真器速度提高了 8-16 倍。 提供超过 1000 个高层模块可 作动态的数据流驱动仿真(支持异步、多速率)，并可对其中所需模块自动生成行 为级或 rtl 级 vhdl，用于 asic/fpga 实现，也可生成各种风格的 dsp 代码， 供 dsp 处理器作软件实现。cassap 可广泛应用于需分析和评估算法、实现方 式的数字传输系统，如通讯、图像、多媒体等，并提供了针对 gsm、cdma、 dect 等标准的专用开发平台。 2.2.5 spw spw 仿真软件是 cadence 公司的产品， 它提供了面向电子系统的模块化设计、 仿真及实施环境，是进行算法开发，滤波器设计，c 代码生成，硬/软件结构联 合设计和硬件综合的理想环境。spw 的一个显著特点是他提供了 hds 接口和 matlab 接口。matlab 里面的很多模型可以直接调入 spw，然后利用 hds 生成 c 语言仿真代码或者是 hdl 语言仿真代码。也就是说，要是简单行事的话，就可以 直 接用 matlab 做个模型，然后就做到版图中去。可以说，spw 包括了 matlab 的很多功能。spw 通常可以应用于无线和有线载波通信、多媒体和网络设计与分 析等领域。 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 11 2.3 本章小结 这一章给出了网络仿真的概念和网络仿真技术的研究背景，该项技术已经成 为了现代通信网络设计和研究的必要手段。此外，在这章内容中还对现有的各项 主流网络仿真技术包括 opnet、ns2、matlab、cassap、spw 进行了分析和研究， 对各自的应用场合和优缺点进行了分析比较。 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 12 第三章 网络虚拟化技术研究 3.1 网络虚拟化技术介绍 3.1.1 网络虚拟化技术概念 当某些资源无法满足需求时， 便产生了对该资源的虚拟化技术， 如虚拟存储， 虚拟专用网（vpn）等。而网络虚拟化技术就是虚拟化技术的发展的一个分支， 它不但能有效提高资源利用率，还可以创建和模拟现实中无法重现的场景1。 3.1.2 网络虚拟化技术研究背景 正如第一章所讨论的，现有 internet 架构虽然给用户提供了非常丰富的网 络服务，但在信息技术不断发展的今天已经显得日益僵化，它的很多缺点也逐渐 开始暴露出来。而虚拟化技术的应用却能很好地改善这一情况，因此网络虚拟化 技术已经开始成为了人们研究的热点。虚拟化的网路和真实网络相比，具有更好 的灵活性、可扩性和安全性。 (1) 灵活性：用户在真实的网络中只能使用服务提供商提供的网络拓扑结构 以及网络服务，但是在虚拟网络中我们可以实现自己的网络拓扑，甚至提供自己 的私有服务。因此在虚拟网络中，我们可以更好地提供管理功能和形式多样的应 用服务。 (2) 可扩性：在真实的网络环境中要增加或删除网络或提供新型的网络服务 不但需要消耗很多硬件资源，而且部署周期很长，但在虚拟网络中，我们可以以 比较小的代价，来部署新的网络功能。 (3) 安全性：真实的网络环境解决了通信的问题，但在安全性方面还远远不 能满足用户的需求。相反地，使用网络虚拟化技术，我们能够对网络采取更多的 安全措施，提供更安全的通信环境。例如 vlan 技术能够防止广播风暴；vpn 技 术通过对信道数据加密，确保了点对点之间通信的安全性。 3.2 主流网络虚拟化技术分析 3.2.1 虚拟局域网（vlan） vlan（virtual local area network）即虚拟局域网，是一种通过将局域网 内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技 术。ieee 于 1999 年2颁布用以标准化 vlan 实现方案的 802.1q 协议标准草案， 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 13 并于 2003 年2颁布了扩展后的 vlan 标准，其中定义 vlan 为：a subset of the active topology of a bridged local area network. associated with each vlan is a vlan identifier (vid)23。 vlan 技术需要交换机内核功能的支持， 局域网交换机或 atm 交换机允许用户 组合成多个虚拟局域网。可以从两个方面来考虑 vlans：一个 vlan 是一组逻辑 的而不是物理的用户的集合， 在一个基于路由器的网络中用户是通过物理位置的 不同来区分的，通过网络层数据包中的地址，路由器就能够知道数据包将要发往 何处，因此一个局域网的用户必须是物理上处于同一层楼面或同一幢建筑内，而 vlan 并不限定在一层楼面、一幢建筑、甚至是一座城市之内；vlan 包含一个很 大的机制： 简单的将物理端口进行分组， 也能够灵活的将已有的集线器、 路由器、 使用专有交换机端口的 fddi 骨干网、 atm 骨干网、 甚至是广域网组合在一起4。 vlan 可以将远程的用户连接成虚拟的局域网络， 从而实现本地局域网络才支 持的功能，但由于 vlan 需要本地或核心网络的交换机的支持，也就是处在不同 地域的用户要连接成一个虚拟局域网，必须通过核心网络交换机的配置，对于构 建支持任意远程用户随时访问的虚拟网络来说是不合适的。另外，vlan 技术还 无法实现对网络安全等应用设备的多用户并发访问控制的功能， 因此此项技术并 不适合构建我们所需的虚拟网络。 3.2.2 虚拟专用网（vpn） vpn（virtual private network）最直接最严格的定义是：vpn 是一种通信 环境，在这种环境中访问是被控制的，仅仅是在一定的利益团体范围内对等连接 才允许，同时 vpn 是由公共通信媒介中的一些分离的媒介构建而成，而这些公共 的媒介提供普通的网络服务5。 简单的说， vpn 就是在公有网络 （比如 internet） 上构建的私有网络。 在 vpn 中，虚拟化（virtualization）是指私有网络并不与通过专有电路连 接或帧中继方式建立的私有网络相同，而是构建在公共网络上，数据的传输是经 过公共网络媒介，而这些媒介只是将这些数据按普通的方式处理。因此，私有网 络是虚拟创建起来的，网络内并不是所有的设备都是物理相邻的。两个或多个设 备之间的虚拟通信是基于这样一个事实：对没有参与虚拟通信设备而言，通信的 数据内容并不是私有的，并且设备不知道虚拟对等通信端之间的私有关系5。 虚拟专用网主要是用于帮助远程用户、公司分支机构、商业伙伴及供应商同 公司的内部网建立可信的安全连接，并保证数据的安全传输。通过将数据流转移 到低成本的网络上， 一个企业的虚拟专用网解决方案将大幅度地减少用户花费在 城域网和远程网络连接上的费用。显然，只需要配置好 vpn 网关和用户客户端， 远程用户就可以通过 vpn 接入到内部网络实现本地用户同样的功能， 但 vpn 还是 无法解决网络设备多用户并发控制的问题，并且大规模用户的接入将导致 vpn 的配置成为难题。 上海交通大学硕士学位论文 基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究 14 3.2.3 虚拟网络系统（vns） 在美国国家科学基金（national science foundation）的支持下，斯坦福 （stanford）大学计算机系在原来的虚拟路由器（virtual router）研究的基础 上成立了虚拟网络系统（virtual network system，简称 vns）项目6，目的 在于使得学生和研究者能够访问网络的核心部分。 vns 的目标是使学生能够亲手完成 internet 基础设施 （比如路由真实网络数 据包的路由器、安全防火墙）的设计、应用和调试实验。为了实现这些实验，学 生需要抓取和产生网路原始数据包，这在实际的网络上是行不通的，同时学生每 人都得至少有一台单独的计算机且需要对内核修改。因此，vns 就是开发的一种 为本科生和研究生网络教学课程使用的教学工具，能够为学生提供在用户空间、 在他们自己设计的网络拓扑内构造路由器、处理真实的 internet 数据流7。 vns 核心服务器端程序是采用标准 c开发的，能够在一台主机上模拟多 个虚拟网络拓扑，如图 3-1 所示。每个虚拟的网络拓扑从 internet 任意位置都 是可达的，并且可以整合运行普通 internet 网络服务的实际商用 pc 设备。vns server 可以在单台机器上支持多达几百7个用户和拓扑。 vns 通过在单独设计的客户程序和服务器程序之间自定义的通信格式实现对 虚拟网络的支持，客户程序运行核心的网络协议算法，学生可以根据自己的需要 修改。vns 服务器管理虚拟拓扑，在学生对应的虚拟拓扑中插入学生实现的网络 协议处理网络数据。 vns 在一定程度上实现了远程多用户并发控制的特点，但从其结构上来看， 其只能是适合那些希望详细了解网络底层实现技术的专业用户， 比如像斯坦福大 学计算机专业的学生。如果这种结构应用于普通大众使用的学习、培训系统，并 不是很合理。并且，vns 实现的多用户并发控制的网络设备，是必须自行设计实 现的，对于种类众多的网络安全设备来说，也不容易做到。vns 的配置使用比较 复杂，笔者花了很长时间才调试可以运行，并且其运行都需要通过自身定义的指 令来执行，使用相当的不便。 图 3-1 设置有