一種面向大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真的自適應(yīng)拓?fù)鋭澐謾C(jī)制

戴寧赟 邢長(zhǎng)友 王海濤 陳 鳴

中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué) 南京 210007

引言

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)空間安全技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)空間靶場(chǎng)的建設(shè)得到了廣泛關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)空間靶場(chǎng)有助于全面衡量各種信息系統(tǒng)是否安全、安全防御裝備是否管用好用等，對(duì)創(chuàng)新和發(fā)展網(wǎng)絡(luò)空間防御的理論、技術(shù)和裝備能力具有重要作用[1-2]。在網(wǎng)絡(luò)空間靶場(chǎng)的建設(shè)過(guò)程中，為了避免對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和各種業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，必須要將其獨(dú)立于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行建設(shè)。若采用物理設(shè)備來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)空間靶場(chǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，則存在成本過(guò)高、調(diào)整維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題。在此情況下，構(gòu)建具有高逼真度的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，進(jìn)而為網(wǎng)絡(luò)靶場(chǎng)建設(shè)提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持就成為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的有效手段。

為了反映真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀況，網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)需要能夠支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真、具有良好的擴(kuò)展性、對(duì)上層業(yè)務(wù)透明以及仿真結(jié)果高保真等。由于保真性差等問(wèn)題，諸如NS2、OPNET等傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模擬方法已經(jīng)無(wú)法滿足需要。近年來(lái)，隨著Linux容器(LXC)等輕量級(jí)虛擬化技術(shù)的發(fā)展，建立支持虛實(shí)結(jié)合功能的輕量級(jí)虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)得到了廣泛的關(guān)注。這些仿真平臺(tái)基于虛擬化技術(shù)、在通用的硬件平臺(tái)上仿真各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路，進(jìn)而建立大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景。并且，與傳統(tǒng)的模擬工具不同，這些仿真平臺(tái)上面運(yùn)行的業(yè)務(wù)和協(xié)議都是真實(shí)的，并可以通過(guò)物理接口與平臺(tái)外的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、主機(jī)等)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互聯(lián)。

由于網(wǎng)絡(luò)仿真的本質(zhì)是利用物理主機(jī)的資源模擬大量虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，所占用的CPU和內(nèi)存開(kāi)銷可能成為仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的瓶頸，導(dǎo)致單個(gè)物理設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆抡?，需要通過(guò)引入更多的計(jì)算資源，把單節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)仿真分布到并行計(jì)算環(huán)境中，從而提高網(wǎng)絡(luò)仿真的規(guī)模。然而，分布式仿真所面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是如何進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞指?，從而確定將哪些節(jié)點(diǎn)部署到哪些服務(wù)器上進(jìn)行仿真。該問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)圖的拓?fù)鋭澐謫?wèn)題，即對(duì)一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，并部署到不同的物理服務(wù)器上。在這樣的分布式仿真模型中，不同服務(wù)器之間的負(fù)載均衡程度以及服務(wù)器之間通信量的規(guī)模，均對(duì)仿真效率具有重要影響。如何保持服務(wù)器之間的負(fù)載均衡性，以及降低物理通信量，是提高分布式網(wǎng)絡(luò)仿真效率的關(guān)鍵。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種面向大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真的自適應(yīng)拓?fù)鋭澐謾C(jī)制，該機(jī)制針對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌紫雀鶕?jù)物理服務(wù)器的資源約束估算所需仿真物理機(jī)的數(shù)目，隨后根據(jù)估算結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)的拓?fù)鋭澐郑詈蟾鶕?jù)劃分結(jié)果實(shí)現(xiàn)分布式的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真。

1 相關(guān)工作

網(wǎng)絡(luò)仿真本質(zhì)上是在一個(gè)受控的環(huán)境中構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為進(jìn)行協(xié)議測(cè)試、應(yīng)用性能測(cè)試等提供基礎(chǔ)環(huán)境。相對(duì)于NS2等網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)仿真具有保真度高、支持虛實(shí)互聯(lián)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注。尤其是隨著網(wǎng)絡(luò)靶場(chǎng)等技術(shù)的推進(jìn)，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的高逼真仿真成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前典型的網(wǎng)絡(luò)仿真工具包括CORE[3]、IMUNES[4]、Mininet[5]等，它們均是利用虛擬化技術(shù)，在一臺(tái)或者多臺(tái)物理主機(jī)上仿真出具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，因此仿真規(guī)模取決于物理承載主機(jī)的性能約束。

為了支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)仿真，消除單臺(tái)主機(jī)的性能約束，近年來(lái)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞纸鈫?wèn)題得到了廣泛的關(guān)注。由于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，求解拓?fù)浞指钭顑?yōu)解屬于NP難問(wèn)題。當(dāng)前，并行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭澐址椒ㄒ话憷脠D論中的算法，采用成熟的圖劃分工具實(shí)現(xiàn)，即將所要模擬的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成帶有點(diǎn)權(quán)值和邊權(quán)值的拓?fù)鋱D，然后采用圖劃分工具(如METIS[6])進(jìn)行劃分。針對(duì)不同的應(yīng)用，以及該算法本身的不足，國(guó)內(nèi)外對(duì)該算法的研究主要分為兩個(gè)方向：算法的應(yīng)用和算法的改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]將拓?fù)鋭澐謫?wèn)題應(yīng)用于電路劃分問(wèn)題當(dāng)中，基于METIS圖劃分算法，提出了改進(jìn)的多權(quán)值約束的劃分算法。在劃分前對(duì)多權(quán)值進(jìn)行融合，并在劃分后評(píng)估劃分效果以改進(jìn)融合參數(shù)，提高各個(gè)部分的平衡度。文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析影響并行網(wǎng)絡(luò)仿真性能的因素，對(duì)METIS進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了并行網(wǎng)絡(luò)模擬拓?fù)涞膬?yōu)化劃分方法。文獻(xiàn)[9]針對(duì)METIS算法的還原過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，以提升網(wǎng)絡(luò)模擬拓?fù)鋭澐值挠行浴?/p>

然而這些方法并沒(méi)有解決METIS劃分時(shí)需要提前指定劃分?jǐn)?shù)目的不足，同時(shí)也沒(méi)有考慮模擬節(jié)點(diǎn)的承載能力限制。因此本文提出了一種面向模擬節(jié)點(diǎn)物理性能約束的自適應(yīng)劃分模型，可以根據(jù)模擬節(jié)點(diǎn)的性能約束估算出仿真整個(gè)拓?fù)渌璧哪M節(jié)點(diǎn)數(shù)目，并得到劃分結(jié)果。

2 面向主機(jī)性能約束的自適應(yīng)拓?fù)鋭澐帜Ｐ?/h2>

2.1 虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)模型

圖1給出了虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的基本體系結(jié)構(gòu)模型，包括兩大部分：虛擬化平臺(tái)功能和定制虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能組件。其中虛擬化平臺(tái)功能包括虛擬化硬件平臺(tái)、虛擬化軟件平臺(tái)、虛擬機(jī)和網(wǎng)絡(luò)功能軟件等部分；定制虛擬化網(wǎng)絡(luò)組件需要運(yùn)行在虛擬化平臺(tái)功能組件之上，包括虛擬化網(wǎng)絡(luò)性能組件、虛擬化終端設(shè)備、虛擬化路由組件、以及虛擬交換機(jī)組件等。其中虛擬化網(wǎng)絡(luò)性能組件主要利用NetEm等工具，模擬各種網(wǎng)絡(luò)鏈路，虛擬化終端設(shè)備則基于LXC技術(shù)構(gòu)建各種主機(jī)、服務(wù)器等終端，虛擬化路由組件則基于LXC技術(shù)和Quagga來(lái)構(gòu)建能夠運(yùn)行各種路由協(xié)議的虛擬化路由器，虛擬交換機(jī)組件則直接基于Linux Bridge等技術(shù)構(gòu)建虛擬交換機(jī)，并用于互聯(lián)不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

圖1 虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)模型

在各種虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中，通用開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)仿真器CORE是非常有代表性的一種[10]。CORE采用了LXC虛擬化技術(shù)，可以在虛擬化容器中運(yùn)行Quagga等各種應(yīng)用程序，從而將其配置為路由器、交換機(jī)、服務(wù)器等各種相應(yīng)的虛擬化組件。這里各個(gè)虛擬化節(jié)點(diǎn)之上所運(yùn)行的協(xié)議均為真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以確保仿真系統(tǒng)的高保真度。

由于CORE中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源都對(duì)應(yīng)一個(gè)或一組虛擬化容器，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，所占用的CPU和內(nèi)存開(kāi)銷可能成為仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的瓶頸。其次，CORE采用內(nèi)存交換的方式仿真分組在不同節(jié)點(diǎn)間的傳輸，隨著仿真流量規(guī)模的增大，必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換速率無(wú)法滿足仿真網(wǎng)絡(luò)帶寬要求的情況。在這種情況下，單個(gè)物理設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆抡?，需要通過(guò)引入更多的計(jì)算資源，把單節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)仿真分布到并行計(jì)算環(huán)境中，從而提高網(wǎng)絡(luò)仿真的規(guī)模。

事實(shí)上，很多網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)都提供了搭建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的功能，但對(duì)于分布式部署方案并未涉及。如何合理利用METIS劃分算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的合理劃分，是需要解決的問(wèn)題。不同于傳統(tǒng)的拓?fù)鋭澐?，網(wǎng)絡(luò)的分布式部署受到物理主機(jī)性能、拓?fù)湟?guī)模、物理主機(jī)之間連通性等多種因素的制約。同時(shí)，采用多少臺(tái)物理主機(jī)進(jìn)行搭建，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)較好仿真效果的同時(shí)，節(jié)約主機(jī)資源，是我們?cè)谶M(jìn)行拓?fù)鋭澐种靶枰紤]的問(wèn)題。因此本文根據(jù)物理主機(jī)性能，提出了一種自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐帜Ｐ停撃Ｐ透鶕?jù)物理主機(jī)的資源對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行劃分?jǐn)?shù)目的估算，獲得較為合理的劃分方案。

2.2 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐帜Ｐ?/h3>

如前所述，分布式仿真的關(guān)鍵在于確定哪些仿真節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)運(yùn)行在哪些物理仿真服務(wù)器上，其本質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐謫?wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建中，拓?fù)鋭澐中枰ＷC物理服務(wù)器間的負(fù)載均衡和跨區(qū)域通信量最小化兩個(gè)基本目標(biāo)。前者保證每臺(tái)物理主機(jī)不能承擔(dān)過(guò)多的運(yùn)算任務(wù)，也要確保仿真物理環(huán)境中所有的運(yùn)算資源都能得到充分利用。后者盡量降低跨服務(wù)器的通信量，以盡可能減少使用有限的物理通信設(shè)施。

假設(shè)需將一個(gè)規(guī)模為m的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG(N，E)劃分為n個(gè)子網(wǎng)，分別對(duì)應(yīng)模擬節(jié)點(diǎn)1,2,...,n。如上節(jié)所述，點(diǎn)權(quán)wi表示節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，邊權(quán)uj表示鏈路的權(quán)重。令表示兩個(gè)不同的劃分和之間切邊之和，代表兩個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)之間的總流量。

因此，第j個(gè)劃分中節(jié)點(diǎn)的總權(quán)重則為

為了滿足劃分后各個(gè)塊之間的負(fù)載均衡性、以及不同塊之間通信量最小化的原則，我們可以將優(yōu)化目標(biāo)表示如下。

其中，存在的約束為

公式(1)表示最小化不同劃分塊之間的通信量，公式(2)表示最小化不同物理仿真主機(jī)的歸一化負(fù)載偏差情況，即盡可能按照各個(gè)物理仿真主機(jī)的承載能力進(jìn)行仿真拓?fù)涞膭澐?。約束條件中，公式(3)表示每臺(tái)物理仿真主機(jī)所分配的負(fù)載應(yīng)當(dāng)小于其承載能力，公式(4)表示不同劃分塊之間的通信量需要小于物理主機(jī)之間相應(yīng)的帶寬約束，公式(5)表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能夠被分配到1個(gè)塊中。

上述問(wèn)題是一個(gè)NP完全問(wèn)題，無(wú)法在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確求解。目前，圍繞圖劃分問(wèn)題有多種求解工具，其中METIS是一種功能強(qiáng)大的圖劃分工具，但必須在進(jìn)行劃分之前指定需要將該拓?fù)鋭澐譃槎嗌賯€(gè)部分，無(wú)法根據(jù)待劃分的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)估。在實(shí)際仿真過(guò)程中，由于物理設(shè)備具有一定的容量限制，難以預(yù)先指明將其劃分為多少個(gè)部分，若劃分塊數(shù)偏小，則可能超出物理設(shè)備承載能力范圍；偏大，則不能有效利用設(shè)備資源，造成資源浪費(fèi)。針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)贛ETIS拓?fù)鋭澐值幕A(chǔ)上，結(jié)合物理仿真主機(jī)的性能約束提出了一種面向主機(jī)性能約束的自適應(yīng)拓?fù)鋭澐帜Ｐ?，通過(guò)“預(yù)估—?jiǎng)澐帧{(diào)整”動(dòng)態(tài)迭代的方式確定大規(guī)模仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖顑?yōu)劃分方案。

在仿真規(guī)模預(yù)估階段，其主要目標(biāo)就是在進(jìn)行拓?fù)鋭澐种?，根?jù)網(wǎng)絡(luò)仿真需求和物理主機(jī)性能約束下判斷需要將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐譃槎嗌賶K，以便為后面的劃分提供基礎(chǔ)。該過(guò)程包括權(quán)重分配和規(guī)模預(yù)估兩個(gè)階段。

在權(quán)重分配階段，首先將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑橄鬄橐粋€(gè)帶有權(quán)值的圖G。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，邊e則代表鏈路，其中點(diǎn)權(quán)wi代表節(jié)點(diǎn)vi的權(quán)重，邊權(quán)uj表示鏈路ej的權(quán)重，并根據(jù)物理主機(jī)的性能狀況設(shè)置每臺(tái)主機(jī)的容量C1,C2,C3…。

其次，計(jì)算拓?fù)鋱D中的點(diǎn)權(quán)值和邊權(quán)值。如前所述，保真性是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的一個(gè)主要指標(biāo)，為了滿足這一指標(biāo)的要求，就必須要保證每個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)和每條仿真鏈路均能夠按照設(shè)置的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，即滿足各條仿真鏈路的帶寬要求。我們以鏈路帶寬代表其權(quán)重，而在計(jì)算節(jié)點(diǎn)的權(quán)重時(shí)，采用與該節(jié)點(diǎn)相連接的鏈路帶寬之和代表節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，即

完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)和鏈路的權(quán)重分配之后，我們結(jié)合物理主機(jī)的性能約束，實(shí)現(xiàn)仿真規(guī)模的預(yù)估，算法1給出了基本過(guò)程。

算法1：仿真規(guī)模預(yù)估機(jī)制

輸入：原始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰(V, E)，鏈路權(quán)重ui，物理主機(jī)容量Ci

輸出：劃分子圖數(shù)目k

1：根據(jù)仿真拓?fù)溆?jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，

2：k=1

9：label cand as visited

10：if there exists an unvisited node vj in vi's neighbor

11：cand=vj

12：else

13：vi=an random neighbor ofvi

14：cand= NULL

15：end if

16：end while

17：if there exists unvisited nodes in N

18：k=k+1

19：goto 3

20：end if

21：return k

在算法1中，第1～2行首先根據(jù)所連接的鏈路情況計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，并設(shè)置初始劃分?jǐn)?shù)目為1。隨后第3～5行初始化擬劃分的子圖，并從原始拓?fù)渲羞x擇一個(gè)未被標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)vi作為初始備選節(jié)點(diǎn)。在第6～16行中，當(dāng)子圖Pk的總權(quán)重未超過(guò)物理主機(jī)的容量Ck時(shí)，采用廣度優(yōu)先的機(jī)制不斷向子圖Pk中增加節(jié)點(diǎn)，直至總權(quán)重超過(guò)閾值Ck，則完成本子圖的構(gòu)造。在17～21行中，若原始拓?fù)銷中還有未劃分的節(jié)點(diǎn)，則開(kāi)始生成新的子塊，否則返回當(dāng)前所預(yù)估的劃分結(jié)果。

完成仿真規(guī)模預(yù)估之后，即可在現(xiàn)有拓?fù)鋭澐止ぞ進(jìn)ETIS的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)粒度的拓?fù)鋭澐?。在這一過(guò)程中，為了保證劃分結(jié)果符合物理仿真主機(jī)的性能約束，我們?cè)诂F(xiàn)有METIS拓?fù)鋭澐值幕A(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了性能約束的拓?fù)鋭澐謾C(jī)制，避免為某些主機(jī)分配的仿真節(jié)點(diǎn)權(quán)重超過(guò)其處理能力。

3 性能評(píng)估

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，本文利用拓?fù)渖善鰾RITE按照Waxman模型部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，按指數(shù)分布設(shè)置鏈路帶寬，范圍為10～1024，節(jié)點(diǎn)位置服從重尾分布。通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，生成18種不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

本文將拓?fù)渖善鳙@得的拓?fù)鋽?shù)據(jù)，作為改進(jìn)后METIS的劃分對(duì)象。假設(shè)每臺(tái)物理仿真主機(jī)的容量均為C=20000，首先進(jìn)行預(yù)估操作，按照承載能力限制計(jì)算出該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰奈锢矸抡嬷鳈C(jī)數(shù)量，然后根據(jù)預(yù)估得到的結(jié)果，對(duì)拓?fù)鋱D進(jìn)行物理仿真主機(jī)性能約束下的劃分。

在實(shí)驗(yàn)中，利用本文所提出的機(jī)制對(duì)多種規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行測(cè)試，并利用權(quán)重均值和權(quán)重變異系數(shù)兩個(gè)典型參數(shù)對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。其中權(quán)重均值代表各個(gè)劃分塊中平均負(fù)載情況，若則表明本次劃分結(jié)果符合實(shí)際的物理資源約束。權(quán)重變異系數(shù)表示權(quán)重值的標(biāo)準(zhǔn)差與期望之間的比值，若與分別表示劃分結(jié)果中各個(gè)子塊的標(biāo)準(zhǔn)差與期望，則

圖2 劃分子塊的權(quán)重均值

圖3 劃分子塊的權(quán)重變異系數(shù)

圖2表明對(duì)于不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，劃分結(jié)果中權(quán)重均值都小于物理仿真主機(jī)的容量限制，表明了劃分結(jié)果的有效性。圖3計(jì)算了不同劃分塊之間權(quán)重值的變異系數(shù)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該值在0.1處波動(dòng)，表明不同子塊之間的權(quán)重具有很好的負(fù)載均衡特性。

進(jìn)一步，為驗(yàn)證本文提出的劃分模型對(duì)資源利用的高效性，我們進(jìn)一步將擬劃分的子塊數(shù)目降低1，判斷在這種情況下的劃分結(jié)果是否還能夠滿足物理主機(jī)性能約束，圖4與圖5描述了相應(yīng)的劃分結(jié)果，其中計(jì)算值代表本文算法所得到的劃分結(jié)果，而對(duì)比值則為將本文劃分子塊數(shù)目減小1之后得到的結(jié)果。

圖4 劃分子塊的權(quán)重均值

由圖4可以看出，將拓?fù)鋭澐值淖訅K數(shù)目減小1時(shí)，劃分子塊的權(quán)重均值顯著增加，同時(shí)會(huì)頻繁越過(guò)物理仿真主機(jī)的承載能力，使得劃分結(jié)果無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際的物理仿真環(huán)境中。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本模型所得到的結(jié)果已經(jīng)難以再進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在圖5中，當(dāng)拓?fù)湟?guī)模超1000時(shí)，對(duì)比值的測(cè)量數(shù)據(jù)中劃分子塊的權(quán)重變異系數(shù)明顯高于通過(guò)模型獲得的計(jì)算值。綜上，通過(guò)本文提出的劃分模型，可以得到一個(gè)滿足物理性能約束，且均衡度較好的劃分結(jié)果。

圖5 劃分子塊的權(quán)重變異系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻，網(wǎng)絡(luò)空間靶場(chǎng)等建設(shè)任務(wù)不斷推進(jìn)，對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真的需求越來(lái)越迫切。如何合理地將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真在多臺(tái)主機(jī)上部署，成為影響仿真效率的關(guān)鍵因素。針對(duì)這一問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究了在主機(jī)性能受限情況下的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分布式仿真的問(wèn)題。首先，對(duì)一種典型的虛擬化網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)CORE進(jìn)行了性能測(cè)量，總結(jié)了其仿真規(guī)模瓶頸及影響仿真性能的主要因素。隨后，提出了基于物理仿真主機(jī)性能約束的自適應(yīng)拓?fù)鋭澐帜Ｐ?，并在典型拓?fù)鋭澐止ぞ進(jìn)ETIS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的劃分算法。該算法通過(guò)仿真規(guī)模預(yù)估和拓?fù)鋭澐终{(diào)整兩個(gè)步驟，首先根據(jù)所需仿真的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模和實(shí)際物理主機(jī)資源約束估算出所需的物理主機(jī)數(shù)目，即需要?jiǎng)澐值淖訅K數(shù)目。隨后，據(jù)此根據(jù)物理主機(jī)性能約束進(jìn)行拓?fù)涞膭澐趾驼{(diào)整。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該機(jī)制能夠有效針對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真需求進(jìn)行拓?fù)鋭澐郑⒈ＷC劃分結(jié)果滿足物理主機(jī)性能約束和子塊間負(fù)載均衡等目標(biāo)。在下一步的工作中，我們將依據(jù)劃分結(jié)果，利用CORE平臺(tái)建立分布式的仿真環(huán)境，并在其上部署仿真系統(tǒng)對(duì)其性能做進(jìn)一步的測(cè)試分析，以便優(yōu)化仿真模型。