第38卷第4期计算机仿真2021年4月文章编号：1006 -9348(2021) 04 -0326 -05
秦轶翬，马涛
(北京联合大学，北京100011)
摘要：由于网络验证测试构建真实环境的代价较大、性价比低、全虚拟化环境所得结果不够真实，存在一定的局限性，为此提 出基于轻量级虚拟化的多尺度网络复现研究方法。利用轻量级虚拟化技术构建开放源代码虚拟机监视器体系，将物理硬件
和操作系统分离，统一物理资源，令资源不受物理限制约束，在一个物理机器上同时运转多个不一样的操作系统，并且各个操作系统能够执行多个应用程序，使硬件与操作系统虚拟化。再通过聚类系数、度的分布、平均路径长度、网络时效以及网络质量等网络复现指标，实现多尺度网络复现。实验通过连通性、透明性、并发性指标验证构建的网络，得出所提方法的仿真规模较大，性价比较高、适用性较强，充分验证了上述方法的有效性。
关键词：轻量级虚拟化；多尺度网络；聚类系数；全虚拟化；网络复现
中图分类号:TP321 文献标识码：B
Research and Simulation of Multiscale Network Replication
Based on Lightweight Virtualization
QIN Yi-hui,M A Tao
(B eijin g U nion U niversity,B eijing 100011,C h in a)
A B S T R A C T：At p re se n t,th e cost of building a real environm ent for network verification tests is h ig h la n d the cost
perform ance is low.H ow ever,the fact that th e results obtained in a fully virtualized environm ent are not en ough.
T h e refo re,a research m ethod on m ulti -scale network replication based on lightw eight virtualization was prop o sed.
F irs t,lightw eight virtualization technology was used to build an open -source virtual m achine m onitor system.This
system separated the physical hardw are from the operating sy stem,so that the resources were not constrained by physical lim itations.Different operating system s w ere run on one physical m achine sim u ltan eo u sly,and each operating system would execute m ultiple ap p lica tio n s,so that the hardw are and operating system w ere v irtualized.T h e n,m ulti - scale network replication was achieved by clustering co efficien t,degree d istrib u tio n,average path le n g th,network effi
c ie n c y,an
d network q u ality.T h
e experim ent verified the constructed network through co n n ectiv ity,tra n sp a re n c y,a n d
concurrency ind ex es.Sim ulation results prove that the proposed m ethod has a large sim ulation s c a le,high -cost perform an ce,and strong ap p licab ility.
K E Y W O R D S：Lightweight v irtu a liza tio n；M ultiscale n etw ork；C lustering co efficien t；F ull v irtu alizatio n；
Network replication
i引言
虚拟化技术是目前最热门的技术之一，在传统模式中，特定服务器和应用软件与存储设备是绑在一起的，但是虚拟 技术可以使应用软件与数据在一台计算机或者一组计算机 内进行切换，以此来提升系统运行效率和系统可靠性[|]。虚 拟化技术可以令用户使用一台服务器运行多个操作系统，此
收稿日期:2020-08 -13修回日期:2020 -09 - 20运行方式和“多重任务共同处理”的技术相似。但是“多重 任务共同处理”仅允许用户在一台机器中的一个操作系统内 运行多个程序，虽然很便捷，但是缺少灵活性，而虚拟化技术 可以弥补这个缺点，使用户能够灵活髙效地使用计算机资源，并且对于安全性能还有所提升。随着计算机的发展与创 新，虚拟化技术的应用范围得到了极大发展。现阶段的虚拟 化主要包括半虚拟化与容器虚拟化，二者统称为轻量级的虚 拟化技术[2]。
复现大规模网络的主要技术主要集中于实物测试床、网
—326—
络仿真以及网络模拟三个方面。虽然网络模拟存在高度可 扩展性，能够模拟大规模的网络，不过依靠对应的模型只能 够模拟系统的部分功能，很难支撑实际网络应用以及现实用 户操作，同时在逼真度上存在局限性；构建实物测试床的方 式成本需求较高，灵活性差，难以支撑大规模网络的研究[3]。
为此，提出基于轻量级虚拟化的多尺度网络复现研究，将轻量化虚拟技术和网络复现技术相结合，可以对仿真网络 的规模进行扩大，加强效果、提高性价比。
2轻量级虚拟化的多尺度网络复现
2.1轻量级虚拟化技术分析
虚拟化技术就是将物理资源进行统一的逻辑表示，使资 源不再受到物理限制约束，使物理硬件和操作系统分离，可 以在一个物理机器上同时运转多个不一样的操作系统，各个 操作系统能够执行多个应用程序。虚拟化技术能够划分成 硬件虚拟化以及操作系统虚拟化。其中，硬件虚拟化是在基 础硬件与客户操作系统之间添加一个虚拟层，将其称为虚拟 机监视器，虚拟机监视器为每个虚拟机构建一套全仿真实 例，并在上面安装用户的操作系统，使虚拟机运行于虚拟机 监视器上，独立虚拟化的硬件资源与操作系统，使其与其它 虚拟机可以完全隔离。
.虚拟机监视器主要可以分成两种：一种是虚拟机监视器 直接运行于硬件层上，将其称为裸机型，另外一种是虚拟机 监视器运行于已有的操作系统上，将其称为宿主型[4]。硬件 虚拟化能够分成完全虚拟化以及准虚拟两种类型，完全虚拟 化是指利用虚拟机完整的模拟硬件环境，致使用户的操作系 统不需要改动即可安装至虚拟机上，且客户的操作系统不知 道自身运行于虚拟平台上。准虚拟化是指对用户的操作系 统采取内核修改，使用户的操作系统可以与虚拟机监视器进 行工作配合，提升性能。开放源代码虚拟机监视器就是利用 准虚拟化技术提升性能的。
2.2开放源代码虚拟机监视器体系框架
基于轻量级虚拟化技术构建具体的开放源代码虚拟机 监视器体系结构框架，如图1所示。
图1开放源代码虚拟机监视器体系框架
分析图1可知，开放源代码虚拟机监视器虚拟环境主要 是通过三个重要的部分构成:Xen Hypervisor、特权域与非特权域[5]。
Xen Hypervisor是处于操作系统与基础硬件间的一个虚 拟层，是整个虚拟化平台的核心。特权域是能够在虚拟机监 视器上运行的特殊虚拟机，主要是在开放源代码虚拟机监视 器内核启动之后首先进行加载的域，可以负责全部非特殊域 的删除、关闭以及构建等管理工作。非特殊域能够运行不同 的用户操作系统与应用程序虚拟机。
通过在服务器上安装X C P(X E N Cloud Plat - form)来为 开放源代码虚拟机监视器提供虚拟化的环境。X C P是一个 面向开放源代码虚拟机监视器的开放性云平台，其中，包括 平台管理工具、配置较好的特权域以及X E N Hypervisor。X C P是在开放源代码虚拟机监视器的基础上，添加了许多的 管理功能，使用户可以管理以及构建资源池，从而实现监控 功能以及高级的存储策略功能等[6]。
2.3网络复现指标
在开放源代码虚拟机监视器体系的基础上，通过建立网 络复现指标进行多尺度网络复现，具体构建网压铸机料筒的设计
络的标准如下：
1)聚类系数
音箱制作如果网络内随意的一个节点i具有A,.条边，把它和其它 节点直接连接，则与节点有实际联系的边数是£,，那么与；点聚类的系数c，的表达式为 当= 〇或者=1时，使c, = 0，则网络的整体聚类系数C为
其中,/V为网络节点总数。
聚类系数能够反映集内部落的特征，即小团体特 征，网络整体聚类系数较大，说明落的特征较为明显，一方 面，能够表现落个数较多，另一方面，能够表现单个落规 模比较大[7]。
2)度的分布
随意节点i的度能够定义成和此节点进行直接相连的 其它节点个数，而网络内的节点度分布状况能够利用函数P (A0进行描述,P(A〇代表一个任意选定节点度正好为A的概 率，具体公式为
k
P(k)= ^X i(k)x C(3)
1 = 1
其中A)为平均度指标，平均度指标即网络内全部节点度 的平均值。
通过以上分析，得出度的分布均值就是平均度，所以相 对平均度，度的分布能够更好地叙述网络特征，表现集内 部各组织之间的联系程序。
—327
—
3) 平均路径长度
在网络内任意两节点i与y '之间的距离4可以定义成连 接两点最短路径的边数。具体网络平均路径的长度t 能够 定义成任意连接节点间距离的平均值
i = (p(ft) x w T T ))' i
d ^
⑷
平均路径长度能够反映出集每个组织的资源整合效 率，其路径越长，获取的资源成本就会越高，效率就会越低， 相反，路径越短，那么资源所利用的成本就越低，效率就会 越高[8]0
4) 网络时效
网络时效能够利用时效熵进行度量，具体时效熵的定义 公式如下所示
N
N
^
+
d j X j (k ))
i = i ； = I
其中,A(幻为;'(幻为。
则网络最大的时效熵公式为
H
i m
= i 〇g(
结合式(5)和式(6)得出网络i j 寸效fi，公式为
时效能够反映出集中每一个组织间信息的流通速度， 时效越大，那么信息的流通速度就越快[9]。
5)网络质量
网络质量能够利用质量熵进行度量，具体的质量熵定义 公式为
N
N
(8)
i i
则网络最大质量熵的定义公式为
N
屯=
(9)
结合式(8)和式(9)得出网络质量足公式为
= 1 _ 7F ~
(1〇)
质量能够反映出网络信息流通的精确程度，质量越大， 信息传递越准确，综合网络时效与质量能够得出多尺度网络 在信息流通方面的表现[~。
(5)
(6)
(7)
3多尺度网络复现
根据网络复现指标反映多尺度网络在资源整合效率、网
络整体聚类系数、网络特征以及信息流通等方面的表现，以 此为基础，进行多尺度网络复现研究。物理网络是通过物理 主机（即宿主机）和高性能的物理网络等构成的，为了实现宿 主机中仿真网络的跨节点通信，利用虚拟专用网络隧道技 术，在链路层采用虚拟网络节点进行互相连接的功能仿真。
先把位于同一宿主机内的虚拟主网络上的虚拟节点构 成
1
个虚拟集，再为每台宿主机中的V
m n e t l
构建1个虚
—328 —
拟路由转发表，主要用于虚拟网络的数据包互相转发。具体 虚拟路由的转发包括：宿主机的标识号、宿主机的M A C 地 址、虚拟机的标识号、虚拟机的M A C 地址、Vmnet的M A C 地 址。在宿主机的物
电子发声挂图理网卡发送或者接收数据包时，依据虚拟 路由表匹配的结果，完成数据包目标M A C 的地址修改，具体
宿主机的物理网卡在接收数据包时的目标地址修改过程如 图2所示。
图2
发动机散热器虚拟化网络的构造
根据图2可知。首先设宿主机A 内网络节点1，把数据 包发送至主机B 内的网络仿真节点3。接着轻量级虚拟机 利用虚拟路由器1捕捉被发送数据包，把数据包内地址变成 目标主机B 内的M A C 地址，利用物理网络发送至主机B 上， 然后主机B 网卡接收该包，且将其进行还原，并发送至虚拟 路由器2上，最后发送至网络仿真节点3，以此完成网络数据 复现仿真。
4仿真证明
为了验证本文提出的网络复现仿真方法，在OpenStaclc
内建立一个可扩展的轻量级虚拟化、并发、透明的网络环境， 基于此环境获得轻量级虚拟化的节点、数字仿真节点以及全 虚拟节点构建仿真网络。具体的网络拓扑图像，如图3所示。
在此环境下，将连通性、透明性和并发性作为验证指标
分析所提方法的有效性。
4.1连通性实验
具体网络拓扑如图4所示。
图4中，有两个数值仿真节点、两个全虚拟化的节点以 及两个轻量级的虚拟化节点。首先，令两个数字仿真节点相 互执行p in g指令，然后，让数字仿真节点以及轻量级的虚拟 化节点相互执行p in g指令，最后，使两个轻量级虚拟化节点 相互执行p in g指令。具体多尺度节点之间p i n g指令的执行 结果如表1所示。
表1连通性的测试结果
源主机目的主机是否相通
NS3 -1NS3 -2是
NS3 -1Dockerl是
Dockerl Docker2是分析表1可知，各个源主机与目的主机之间全部实现了 连通，说明所提方法的连通性较好。
4.2透明性实验
从一个数字仿真节点传输至另外一个数字仿真节点，不 会在数据表路径上多出两跳。同理可以将全虚拟化节点和 轻量级虚拟化节点二者间之间视为数据包传输，并且轻量级 虚拟化节点的宿主机与全虚拟化的节点透明。具体透明性 测试如图5所示。
全虚拟化节点全虚拟化节点
192.168.1.101 192.168.1.201
图S透明性的测试拓扑图像
在该次实验内选择NS3 - 1与NS3 -2来作为数据包的 传输源节点和目的节点，通过traceroute指令对数据包路径 进行跟踪。路径仅有目的数字仿真节点这一跳，说明数据包 传输对作为宿主机全虚拟化的节点具有透明性。具体如图6所示。
接下来，引人虚拟路由器，令参加实验的两个全虚拟化 节点不在同一个网络，中间需要经过一个虚拟的路由器。具 体拓扑图像如图7所示。
192.168.1.100192.168.1.200
第一跳
图6 tra c e ro u te输出的结果
全虚拟化节点全虚拟化节点
图7引入虚拟路由器透明性的测试拓扑图像
在NS3 - 1上以NS3 - 2作为目的地地址执行traceroute 指令。具体结果如图8所示。
192.168.1.100 172.20.1.30
图8引入虚拟路由以后tra c e ro u te输出的结果
NS3 - 1至NS3 -2二者间路径仅有目的数字仿真节点 以及轻量级虚拟化路由器这两跳，符合期望现象，以此可以 证明透明性。
4.3并发性实验
以图2作为基础，每一个涉及到数字的仿真节点，在轻 量级虚拟网络内都会添加一个新的数字仿真节点，具体拓扑 图像如图9所示。
全虚拟化节点全虚拟化节点
全虚拟化节点
图9网络并发测试的拓扑图像
分析图9可知，每一个虚拟网络内不仅具有一个数字节 点，而同一个虚拟网络内的数字仿真节点都经过虚拟路由器 以及交换机进行相联，对于所有数字仿真节点都会配备固定
—329
—
udiab的M A C地址与IP地址。在发送数据包时，要先指定目的IP 地址与源IP地址，能够实现多对节点之间的并发通信。具体实验结果如表2所示。
表2网络并发性的测试结果
主机主机是/否NS3 -1，NS3 -3NS3 -2,NS3 -4是
NS3 —3 ,Docker2NS3 - 3, Dockerl是
NS3-l,NS3-3D ockerl,Docker2是
通过表2能够看出，各点之间能够同时进行通信，以此 能够证明网络仿真具有并发性。
4.4不同网络复现技术数据复现规模对比
在OpenStack上部署3台服务器，在3台服务器上计算 节点1、2、3，对节点3进行计算是Docker的模式，所以以轻 量级虚拟化节点举例，对计算1、2则利用全虚拟化进行举例。
通过实验证明，采用图9的网络拓扑计算节点1、2，实现 上述节点以及计算节点3内的轻量级虚拟化节
点，实现通信 以及运行，在有限物理资源条件下，完成多尺度的网络复现。具体的实验对比结果如表3所示：
表3网络规模数据对比
ihu网络复现技术数据规模/GB
全虚拟化28
轻量级虚拟化650
通过表3得出的数据能够看出，所提的轻量级虚拟化网 络复现技术比全虚拟化的网络复现技术的数据复现规模大, 说明所提方法的复现效果更好。
5结束语
为了提高多尺度网络复现方法的性价比，提升复现效 果，提出基于轻量级虚拟化的多尺度网络复现方法。经实验 验证，该方法所构建的网络复现技术规模较大，效果较好，不过由于真实的网络规模巨大，还需要继续深人研究，争取进
一步扩大仿真规模。在未来要重点研究大规模网络安全试验，以便在最大程度上提升网络的逼真度与实用性。
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[作者简介]
隸S(關-)，男（賊），北京人，硕士，实验
h师，主要贿加：隨安全、软件工程。
马涛（1978 -)，男（汉族），北京人，硕士，高级实
验师，主要研究方向：网络安全、软件工程。
(上接第248页）
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[作者简介]
孙希延（1973 _)，女（汉族），山东省潍坊市人，博
士，研究员，主要研究方向为卫星导航，卫星通信。
周青（1993 -)，女（汉族），河南省商丘市人，硕
士研究生，主要研究领域为卫星导航。
纪元法（1975 -)，男（汉族），山东人，博士，教授，主要研究方向为卫星导航。
付文涛（1989 -)，男（汉族），河南省信阳市人，硕士生，主要研究领域为卫星导航。
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