利用Exata进行网络仿真实验

EXata面向新型网络通信技术对网络进行仿真，是能够针对无线、有线及混合动态网络实现快速精确建模的仿真软件，在仿真建模、性能分析、管理配置等方面具有广泛应用。EXata支持TCP／IP协议架构，具有标准化层间通信接口，在QualNet仿真平台的基础上，Exata还增加了支持实际应用的仿真接口，可实现实时可靠的半实物仿真。通过并行算法，Exata能够为大型无线网络仿真提供支持，非常适用于航空信息网络仿真项目；进一步利用半实物接口，可作为网络评估研究、实际测试的有效手段。

为了验证本章所提流量调度算法的有效性，采用EXata网络仿真平台搭建仿真场景。其中，设置仿真场景大小为1 000 km×1 000 km；场景中包含15个节点，包括14个SDN／IP传输节点和一个SDN控制节点，控制节点与传输节点之间采用OpenFlow 1.3协议。仿真场景中主要面向航空骨干网搭建，采用定向天线建立骨干节点间点对点通信链路，节点位置相对固定不变，节点传输距离为200 km，MAC层采用802.3协议，业务类型为CBR。在网络仿真中，设置网络拓扑中SDN节点部署率为30%，部署位置按照文献［13］中算法确定。每个节点随机发起0～3个业务流量，业务大小及优先级按正态分布随机生成。网络仿真及业务加载场景如图7.5所示。

图7.6为业务加载情况下，分别采用OSPF路由调度策略和动态流量调度算法的网络丢包情况，其中横轴为EXata网络仿真时间，纵轴为网络中丢包数量。如图所示，随着网络仿真时间增加，网络中数据包丢包总量呈线性趋势不断增长。与采用OSPF路由调度方法的结果相比，采用动态流量调度算法的网络丢包数量明显降低。当仿真时间为25 min时，OSPF最短路径转发策略的网络丢包数为2 315 577个，而采用动态流量调度算法的网络丢包总量约为1 568 789，网络丢包情况明显得到改善，网络中数据包丢包数量平均降低了32%。这主要是因为OSPF路由转发策略按照最短路径计算结果进行业务流量调度，而不考虑链路具体负载情况，链路过载现象时有发生，导致网络拥塞和丢包。而动态流量调度算法将SDN技术引入网络中，采用逻辑集中控制的方法获得网络中链路传输状态并进行流量路由计算，根据计算结果指导SDN传输节点进行流量调度。动态流量调度算法中根据链路当前负载情况来确定每条路径上的业务传输量，能够动态选择负载较小的链路进行传输，能够有效避免链路拥塞，降低了网络丢包数量。

采用OSPF路由调度策略和动态流量调度算法的网络平均时延和最大时延如图7.7和图7.8所示。

图7.5　EXata网络仿真场景

（a）三维仿真场景；（b）业务加载场景(www.xing528.com)

图7.6　网络丢包性能

图7.7　网络平均时延性能

图7.8　网络最大时延性能

由图7.7中数值，采用OSPF最短路径策略和动态流量调度算法的网络平均时延均值分别为183 ms和432 ms，动态流量调度算法的网络平均时延比OSPF最短路径策略降低了249 ms。图7.8中OSPF路由转发策略的网络最大时延平均值为1 204 ms，如图中深灰色块所示；动态流量调度算法的最大时延平均值为410 ms，与OSPF路由转发策略相比降低了约65.9%，如图中浅灰色块所示。OSPF路由转发策略的时延较大的主要原因是算法仅根据最短路径计算结果进行流量传输，不考虑链路负载均衡，导致数据包在节点处的排队时延增加；而动态流量调度算法中采用业务流分配策略，根据链路关键度、链路利用率和可靠性进行业务流量分配调度，优先选择利用率较低的链路，提供了网络负载均衡度，降低了网络平均时延和最大时延。结合图7.7和图7.8可知，随着网络总数据量不断增长，采用动态流量调度算法的网络最大时延和平均时延数值均明显低于OSPF路由转发策略，动态流量调度算法的平均时延和最大时延均具有较优异的性能，在不同网络数据量条件下，均能够较好地满足航空信息网络信息传输需求。