【深度】中科院自动化所王飞跃研究员等：网络系统实验平台：发展现状及展望

2019 年 10 月 18 日 中国自动化学会

CAA

智慧起航，共创未来

【导读】网络仿真是指：通过软件计算网络中的实体如节点、路由器、交换机等之间的交互，模拟网络中随机发生的离散事件如丢包、延迟等，进而建模网络行为及其状态的网络设计、分析方法。

杨林瑶, 韩双双, 王晓, 李玉珂, 王飞跃. 网络系统实验平台:发展现状及展望. 自动化学报, 2019, 45(9): 1637-1654.

通信网络系统具有不可控、易变和不可预测等特性，给网络方案的验证、分析和比较带来了极大的困难。网络仿真通过在计算机上建立虚拟的网络平台实现对真实网络环境的模拟，可以实现对新协议的快速实现和验证，能够有效提升网络研究和新协议开发的效率，现已成为通信网络研究必不可少的手段。它具备如下突出的特点：

1）成本低：不需要购买昂贵的网络设备搭建物理实验网络，实现成本低廉；

2）灵活可靠：它的使用、配置更加模块化，修改起来比较方便；

3）可以实现大规模网络的建模研究;

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然而，网络仿真软件多达数十种乃至上百种，选择合适的网络仿真软件对于研究人员特别是初学者的学习和研究十分重要。

要高效地完成网络设计测试的任务，就必须学会选择高效的工具。通常，不同网络仿真软件的内存效率、仿真能力、速度、灵活性、可扩展性和易用性等特性存在显著差异。有的软件对网络物理层的仿真精度不足，用它设计出来的天线可能不具备良好的性能；有的软件仿真能力较低，难以实现大规模网络的模拟；有的软件缺少良好的GUI和说明文档，需要耗费大量的时间学习掌握。因此，用户必须对不同软件的以上特性进行评估对比，首先选择能够满足特殊仿真需求的软件，其次，要尽量选择能够使自己高效完成网络研究工作的工具。

仿真软件性能对比

目前，随着各种网络协议和网络设备的不断涌入，传统网络体系架构已经不堪重负，网络运营维护成本急剧上升，用户服务质量愈发难以保证。为此，Mckeown等学者提出和发展了软件定义网络（SDN）等技术架构，将网络系统中的软件和硬件资源分离，提升了网络的开放性和可编程能力，相应地诞生了许多SDN仿真软件，以简化的架构进行网络设计和验证。但是，SDN无法针对不同场景自适应地调整和优化网络，实现灵活的全局逻辑控制器也是比较困难的。

那么，如何提升网络的自适应控制能力，以较低的成本提升网络的服务能力？王飞跃等基于平行系统ACP方法提出了平行网络的解决方案。平行网络将网络中的实体和资源定义为逻辑独立的智能体，并将其组合成软件定义的人工网络系统，进一步提升了网络的开放性和灵活性。通过设置不同的规则在人工网络系统中构建大量的网络场景，运行产生完备的虚拟网络数据，并基于对数据的深度分析获得针对具体场景的最佳控制方案。通过人工网络与实际网络之间的虚实交互、平行执行，引导实际网络向更优化的人工网络运行，实现对实际网络的自适应优化管控。

平行网络系统架构

平行系统在多个领域中得到验证并取得了良好的效果，例如，平行矿山、平行痛风诊疗等，为解决数据不足、难以在实际系统中开展实验、难以实现自适应最优控制等突出问题提供了有效方案。

平行矿山

平行痛风诊疗

平行驾驶

相应的，平行网络系统的计算实验平台相当于传统网络系统的仿真平台，它主要由实验设计、动态仿真、学习优化、分析评估和数据中心等模块构成，不仅能够推演网络状态的变化，还能够基于数据分析、预测、评估不同的网络控制方案，因此，相比于传统仿真平台更加智能。

目前，关于平行网络系统及其计算实验平台的研究才刚刚起步，相关的实现方法和技术手段还不成熟。鉴于此，本文系统综述网络仿真技术及其主要平台的核心思想、主要特点、优缺点及发展趋势，介绍了平行网络及其计算实验平台的架构和核心思想。在此基础上，对比分析计算实验平台与网络仿真平台的特性，并通过实验验证计算实验方法对于网络优化的突出作用。希望能够为网络设计相关领域研究人员后续进行网络架构升级研究提供借鉴。

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