基于VRNET,Developer网络半实物仿真方法研究

摘 要： 半实物仿真是网络仿真中的一项关键技术，在网络设计和规划中具有很广阔的应用空间。为了实现虚拟网络与物理网络相互连接，利用VRNET Developer仿真工具进行建模，在此基础上深入研究VRNET Developer的DSITL模型和接口模型，基于DSITL模块搭建一个半实物仿真网络，实现仿真网络与物理网络连通。仿真结果表明，这种网络仿真模型可以将仿真网络和物理网络有效地连接起来。

关键词：VRNET Developer； 网络仿真； 半实物仿真； 半实物接口

中图分类号： TN711⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）15⁃0123⁃04

Research on method of semi⁃physical simulation based on VRNET Developer network

ZHOU Xing⁃qian， HUO Jing⁃he， ZHANG Zhan⁃jun

（Department of Information Engineering， Armored Force Engineering Institute， Beijing 100072， China）

Abstract： Semi⁃physical simulation is a key technology in the network simulation. It has very broad application space in network design and planning. In order to achieve the interconnection between virtual network and the physical network， the VRNET Developer simulation tools is used to model. On this basis， DSITL model and interface model of VRNET Developer is intensive studied. A semi⁃physical simulation network based on DSITL modules is constructed to realize the simulation network and physical network connectivity. The simulation results show that simulated network and physical network can be effectively connected by this network simulation model.

Keywords： VRNET Developer； network simulation； semi⁃physical simulation； semi⁃physical interface

0 引 言

网络仿真是一种新的网络规划和设计技术，是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，通过建立网络设备和网络链路的统计模型，模拟网络流量的传输，从而获取网络设计及优化所需要的网络性能数据的一种高新技术。半实物仿真系统又称硬件在回路（Hardware in the Loop）仿真系统，是计算机仿真和物理效应仿真相结合的产物， 它通常是将数学模型、实体模型（物理效应模型）和系统的实际装备联系在一起运转组成的一种实时仿真系统，半实物网络仿真的关键在于如何将虚拟网络与真实网络连接起来，并实现虚拟网络与真实网络间数据包的转换。 通过半实物网络仿真环境，可以更直观、更精确地进行网络软硬件的设计验证与测试。本文基于VRNET Developer仿真软件的DSTIL模块设计了一个半实物网络仿真模型，实现了仿真网络与物理网络连通。

1 仿真系统的分类

实物仿真：又称物理仿真或系统原型方法。指按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，使之可重现系统的各种状态，并在物理模型上进行试验的过程。在计算机问世以前，一般多采用这种以物理过程相似、几何尺寸相似以及环境条件相似为基础的物理仿真。

计算机仿真：即数学仿真。指运用相似原理，对实际系统进行抽象，将其特性用数学关系加以描述得到系统的数学模型，再通过数学模型及所编写的执行程序在计算机上进行试验的过程。数学仿真尤其适于系统的预研、方案论证和设计阶段，随着计算机技术的发展，它已经越来越多地取代了物理仿真。

半实物仿真：又称数学物理仿真或者混合仿真。半实物仿真是指在对某些系统的研究中，把数学模型与物理模型或实物联接起来一起进行试验，即对系统的一部分建立数学模型，并编写程序在计算机运行，实现数学仿真；同时将所研究系统的部分实物接入到仿真回路，然后将它们联接成系统进行试验的过程。由于在回路中接入了实物，半实物仿真系统必须实时运行。

2 基于VRNET Developer的半实物仿真网络

设计

2.1 VRNET Developer 概述

目前，应用于网络仿真的工具有很多，主流的网络仿真软件都采用了离散事件模拟技术，其中有OPNET、NS⁃2、OMNEST、QualNET等，这些网络仿真软件提供了丰富的网络仿真模型库和高级语言编程接口，这为网络研究人员提供了很好的网络仿真平台。

VRNET Developer 是一款由北京未尔科技公司研发的离散事件网络仿真器，VRNET Developer 提供了大量通信协议库，能够非常好的支持用户有线和无线网络领域的各种仿真需求，尤其在无线自组网以及无线传感器网络方面，VRNET Developer还提供了大量的协议模型库、高级模型库、多种专业模型库以及接口模型库等，能够满足用户的各种应用。VRNET Developer全中文的开发环境、内核的开放性、模型和接口的可扩展性、代码的可移植性、网络拓扑描述的灵活性、强大的结果分析工具、对并行仿真和动态修改参数的支持，以及丰富的军事应用案例，可以作为军事通信网络建模仿真的开发平台。

2.2 DSTIL模型结构

DSITL（Distributed System In The Loop）是VRNET Developer网络仿真软件中进行分布式系统在环仿真的仿真模型。DSITL模型可通过VRNET Developer的各种接口模块与外部设备、软件进行交互，包括以太网接口、Socket接口、串口、HLA等。

2.2.1 DSITL接口模块

在使用VRNET Developer 的DSITL功能时，必须在仿真网络内放置一个DSITL接口模块，如图1所示。

图1 DSITL应用场景

DSITL模块在仿真初始化时，通过分布于各个节点的DSITL应用模块收集匹配信息，建立匹配信息库。在仿真过程中，当DSITL接收到外部数据，或需要向外部发送数据时，根据匹配信息库中的内容寻找匹配的节点进行处理，其基本流程如图2所示。

图2 DSTIL基本仿真结构

2.2.2 DSITL应用模块

在VRNET Developer的DSITL仿真中，每个可能成为外部映射节点的设备模型都需要进行映射配置。缺省情况下，VRNET Developer使用DsitlApp进行映射关系的确认，用户也可定义自己的映射模型。DsitlApp的基本工作流程如图3所示。数据交互模式中DsitlApp模型支持UDP，ICMP，IP协议类型的DSITL仿真。

图3 DSITL应用模块流程

2.2.3 DSITL节点结构

DSITL典型节点结构如图4所示，DsitlApp连接到IP模块上，根据具体的业务需求，DsitlApp模块还需要连接到应用模块上。

图4 DSITL节点结构

2.2.4 DSITL工作模式

VRNET Developer DSITL数据交互模型中，提供了如下两种基本的应用模式：

透传模式：应用方式为实物⁃仿真⁃实物，实际设备需要在仿真中设置映射点（缺省方式为通过IP地址进行匹配，也可以自定义匹配方式）。实际设备通过VRNET Developer的接口模块接入仿真，找到映射源节点，作为一个IP业务（协议代号为255）传递到目的节点，并传出仿真。在整个过程中，仿真并不解析实际的数据内容，仅作为IP隧道存在，而传入的数据作为IP的净荷进行传递。使用该模式时，需要将DSITL模块的trueEmulate参数设置为false。

转换模式：实物⁃仿真，实物⁃仿真⁃实物两种工作模式。与透传模式相同的是，每个实物设备也都需要指定一个映射节点。不同的是，仿真会解析接收到的实物数据，并根据数据构建对应的仿真报文或根据仿真报文构建出真实的数据流。使用该模式时，需要将DSITL模块的trueEmulate参数设置为true。

2.3 接口模块

2.3.1 以太网接口模块

VRNET Developer以太网接口模块（Ethernet Interface）用于通过仿真主机自带的以太网卡与外设备、程序进行通信。通过VRNET Developer以太网接口模块，仿真可以接收外部设备、程序发来的数据、指令，也可以向外部设备、程序发送数据和指令。

2.3.2 串口模块

串口模块（Serial Interface）是VRNET Developer进行DSITL仿真时，采用串口（RS 232、RS 235）接入外部程序时使用的接口模块，目前Serial Interface主要用于控制指令的传递，基于串口的数据交互功能还需进一步开发。

2.3.3 Socket 接口模块

Socket接口模块（Socket Interface）是VRNET Developer进行DSITL仿真时，使用Socket接口与外部程序、设备进行交互的接口模块，Socket接口模块主要用于控制指令的传递，基于Socket的数据交互功能还需进一步开发。

3 构建半实物仿真网络模型

本文搭建一个无线通信网络的半实物网络场景，运用3台计算机组成一个简单的半实物仿真网络，其中一台运行仿真网络，仿真网络中包含8部具备IP组网能力的宽带电台。半实物仿真网络实现外部设备通过以太网口与仿真网络进行交互的应用。仿真网络中8个DsitlNode节点，同时应当包含一个以太网接口模块和一个DSITL接口模块（Ethernet）。网络拓扑结构如图5所示。

3.1 使用以太网接口模块

在以太网半实物接口中，提供了以太网半实物接口模块的模板，在接口模型库中的“Ethernet”文件夹中，包括以下几个文件：EthernetInterface.ned为以太网半实物接口模块描述文件；EthernetInterface.h为以太网半实物接口模块实现头文件；EthernetInterface.cc为以太网半实物接口模块实现源文件。

图5 网络拓扑结构

NED文件主要提供以太网半实物接口模块参数配置的功能，H和CC文件实现了仿真向外部实体通信的功能。

3.2 使用DSITL接口模块

DSITL接口模块是用于处理DSITL仿真数据的标准接口，在接口模型库中的“Application->DSITL”文件夹中，包括以下几个文件： DSITLInterface.ned为DSITL接口模块描述文件； DSITLInterface.h为DSITL接口模块实现头文件； DSITLInterface.cc为DSITL接口模块实现源文件。其中NED文件主要提供以DSITL接口模块参数配置的功能，H和CC文件实现了构建和处理仿真数据包的功能。在本仿真网络中，DSITL接口模块采用透传应用模式，因此将参数“trueEmulate”设置为false。

3.3 仿真流程

（1）本仿真需要3台计算机，其中一台运行仿真网络（本仿真中假设其IP地址为192.168.1.100，该计算机不能安装IPv6，否则可能导致仿真场景不能正常启动），另2台计算机作为两个外部实体进行通信。

（2）设置外部实体计算机的IP地址和子网掩码，保证与仿真网络中的IP地址（192.168.0.2～192.168.0.9）不在同一子网内（本仿真中假设为192.168.1.2和192.168.1.5，子网掩码设置为255.255.255.0），并将网关地址设置为运行仿真网络的计算机的IP地址。

（3）从仿真网络中选取两个节点作为实物映射节点，本仿真中选择节点为Radio1（仿真IP为192.168.0.2）和Radio4（仿真IP为192.168.0.5）。

（4）运行仿真网络，两个外部实体计算机将分别向对方的仿真映射节点发送PING业务，即192.168.1.2 向192.168.0.5发送PING业务，192.168.1.5向192.168.0.2发送PING业务。

（5）半实物接口将载荷封装进仿真数据包并交由节点Radio1处理。

（6）节点Radio1和节点Radio4分别映射两个外部实体，因此节点Radio1需发送寻路请求查找到节点Radio4的路由信息。

（7）节点Radio1查找到路由信息后将数据包发送给节点Radio4。

（8）节点Radio4接收到仿真数据包后通过半实物接口将其转换为以太网帧并发送给外部实体。

3.4 半实物节点映射

网络仿真与实物的对应关系如图6所示。仿真节点Radio1和节点Radio4分别映射两个外部实物，实物网络地址分别为“192.168.1.2”和“192.168.1.5”，将这两个实物的网关设置为“192.168.1.100”。在仿真启动后，系统为Radio1和Radio4自动分配的仿真地址分别为“192.168.0.2”和“192.168.0.5”。

图6 半实物节点对应关系

3.5 仿真网络参数配置

新建仿真配置文件“vrnet.ini”，添加配置参数，如下所示：

[General] network=CommToSimNet， scheduler⁃class=cExt_ NRTScheduler， CommToSimNet.ethernet.adapterIp=

"192.168.1.100"，CommToSimNet.dsitl.trueEmulate=falseCommToSimNet.Radio1.dsitlApp.extAddr="192.168.1.2" CommToSimNet.Radio4.dsitlApp.extAddr="192.168.1. 5"

接口模块的“adapterIp”参数设置为运行仿真的机器IP地址，Radio1和Radio4中的dsitlApp模块的“extAddr”参数设置为映射外部实物的IP地址。由于本场景用于透传应用，因此将DSITL接口模块的“trueEmulate”参数设置为false。

3.6 运行仿真

没有运行仿真场景时，在网络地址为“192.168.1.2”的电脑中输入命令行“ping 192.168.0.5”，IP地址为192.168.1.2的外部实体向IP地址192.168.0.5发送Ping包的结果如图7所示，两个外部实体无法直接通信。

图7 未运行仿真网络通信效果

启动仿真，极速运行仿真状态下，在网络地址为“192.168.1.2”的电脑中输入命令行“ping 192.168.0.5”，结果如图8所示。极速运行仿真场景时，IP地址为192.168.1.2的外部实体向IP地址为192.168.0.5的外部实体发送Ping包的结果：实体能够向目的实体发送ping并收到目的实体的回复。

图8 已运行仿真网络通信效果

4 结 论

半实物仿真有效地提高了通信网络仿真的可信度， 降低了真实实验、测试的成本。本文分析了用VRNET Developer中DSITL模块和以太网接口进行半实物仿真基本原理和实现方式。通过以太网接口模块使仿真主机自带的以太网卡与外部设备、程序进行通信。搭建了一个无线通信网络半实物仿真环境，通过仿真，实现了物理网络与仿真网络的互联互通，有效地提高了通信网络仿真的可信度， 对于在构建军事通信网工作中优化网络设计，设置合理的网络参数有着一定的实际价值。

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