一种全新网络仿真平台的研发

摘 要

　　随着网络技术的飞速发展，人们的生活与网络的联系越来越紧密。而对于选择飞机作为出行工具的乘客而言，他们对于飞机客舱的网络环境要求也越来越高，飞机客舱原有的基础网络设施已经开始无法满足旅客的各种需求，怎样去设计出能解决当前问题的网络架构已经成为了客舱制造商和相应设备供应商的当务之急。然而想要设计出合适的网络架构并不容易，新的网络架构在投入使用之前必须经过充分的评估和检测，同时想要验证方案的可行性就必须知道怎样去挑选适合的工具和网络测试环境。

　　以前的网络评估和检测方式主要是通过经验去分析网络架构的可行性，但对应大型的复杂网络来说，单凭经验去评估将存在很大的问题，会因为很多无法预知的问题而没法找到网络架构设计的要点。网络仿真技术是一种新的网络架构检测技术，其具备特有的关于网络规划和设计的方法，为网络架构的设计带来了客观可靠的定量分析依据，使得网络建设速度有了极大的提升，同时也使得网络建设过程中的决策更具科学性和有效性。本文针对目前现有的三种网络仿真方式（网络仿真、网络模拟和测试床）做了分析，设计出了一种全新的具备真实、底成本、灵活及高扩展性特点的网络仿真平台。

　　本文中先是对 CCS 仿真平台的背景和实现意义做了阐述，分析了相关技术的发展现状，并对本文中使用到的相关技术做了简单介绍，然后从业务功能和非业务功能等方向去完成仿真平台的需求分析，同时也介绍了系统的整体架构，接着根据需求分析完成了仿真平台的基础架构设计和音频服务架构设计，确定了内话系统客户端和服务器的协议并完成了仿真平台的实现，最后基于 Linux 操作系统搭建测试环境，对整个系统进行了测试，测试结果展示出仿真平台对于实际运行环境的模拟十分成功，并且性能方面也能满足预期的需求。

　　关键词： 网络仿真技术，仿真平台，CCS,内话系统

ABSTRACT

　　Network technology is developing rapidly, people's lives are getting closer and closer to the network. For passengers who choose plane as travel tools, they have increasingly higher requirements for the network environment of the aircraft cabin. The original basic network facilities in the aircraft cabin have begun to fail to meet the various needs of passengers. How to design a solution that can solve the current problem of network architecture has become a top priority for cabin manufacturers and corresponding equipment suppliers. However, a suitable network architecture is not so easy to design, the new network architecture must be fully evaluated and tested before it is put into use. At the same time, if you want to verify the feasibility of the solution, you must know how to choose the right tool and the right network test environment.

　　The previous network evaluation and detection methods mainly used experience to analyze the feasibility of the network architecture, but for large complex networks, the experience alone will have a big problem, and it will be impossible to find the key points of network architecture design because of many unpredictable problems. Network simulation technology is a new network architecture detection technology, which has unique methods for network planning and design, which brings objective and reliable quantitative analysis basis to the design of network architecture, and greatly improves the speed of network construction. Meanwhile, it also makes the decision-making in the process of network construction more scientific and effective. This thesis analyzes the three existing network simulation methods （network simulation, network simulation and test bed）， and designs a brand-new network simulation platform with the characteristics of real, low cost, flexibility and high scalability.

　　n this thesis, the background and implementation significance of the CCS simulation platform are first explained, the development status of related technologies is analyzed, and the related technologies used in this article are briefly introduced. Then, demand analysis of the simulation platform is completed from the direction of business functions and non-business functions, and the overall architecture of the system is introduced. Furthermore, according to the need analysis, the basic architecture design and audio service architecture design of the simulation platform were completed, andthe protocol of the client and server of the intercom system was determined and the realization of the simulation platform was completed. Finally, the test environment was built based on the Linux operating system, and the test results show that the simulation of the simulation platform corresponding to the actual operating environment is very successful, and the performance can also meet the expected demand.

　　Keywords: network simulation technology, The simulation platform, CCS, intercom system

目 录

　　第一章 绪 论

　　1.1 研究背景和意义

　　在飞机的组成中有一个很重要的部分，那就是客舱系统，客舱系统主要是为飞机乘客提供服务的，乘客乘机的舒适程度受飞机客舱系统的质量与性能情况的影响比较大，对于现代的先进飞机就竞争力方面来说，其也是一个重要的因素。

　　在大型客机中，客舱系统的运用除了能给乘务员机组提供一个集中的服务和客舱管理平台，也能方便乘客在飞行途中进行各种娱乐活动，比如 WIFI 上网、飞机上内部通信及观看各种音视频资源等。在飞机长途飞行过程中，怎样才能让乘客的乘机体验更加轻松愉悦且多样化，已经成为了各个飞机制造商和相应的系统设备供应商的共同追求，都花费了大量资源在客舱系统的建设上，以便能提供更加便捷且先进的客舱服务系统。同时，飞机客舱相关的电子技术也在迅猛发展，因其而产生的多元化、自动化的设计能使得客舱系统环境变得更加轻松、舒适。

　　随着小康社会的不断建设，全面小康社会的即将实现，人们对于生活质量的追求越来越严格，大家已经开始把飞机当作了自己出行的首选交通工具，因此，给中国民航带来了两位数的年旅客客运量的持续增长，也给中国民航带来了严厉的挑战。客舱系统作为客机的核心组成部分，其原有的基础网络设施已经开始无法满足旅客的各种需求，怎样去设计出新的能解决当前存在问题的网络架构已经成为了客舱制造商和相应设备供应商的当务之急。

　　新的被构建出来的网络架构在被实际运用之前，必须经过检测和分析，而如果要验证方案的可行性就得知道怎么去选择适合的工具和合适的网络测试环境。

　　因此，网络检测和评估方法受到了相关网络研究者的密切关注。在网络仿真技术出现以前，主要是通过经验去分析网络架构的可行性，但对于大型的复杂网络来说，单凭经验去评估将存在很大的问题，会因为很多无法预知因的问题而没法找到网络架构设计的要点。在此背景下，一种新的网络设计和规划手段--网络仿真技术出现了，因其独特的网络规划和设计方法，为网络架构的设计带来了客观可靠的定量分析依据，使得网络建设速度有了极大的提升，同时也使得网络建设过程中的决策更具科学性和有效性。

　　网络仿真技术由于网络的快速发展的到了广阔的应用前景，慢慢成为仿真领域使用的主流技术，同时复杂的大型网络仿真技术也因网络在传输速度上的突破而有了实现的可能。网络仿真是一种快速有效的网络研究方式，其理论基础主要有随机过程、系统、统计学和形式化理论这几种，与其他传统与非传统方法（试验方法、理论计算、经验方法）的比较过程中，网络仿真方法在可实现性、实现成本、可靠性以及适用的网络规模方便吸收了其他三个方法的部分优点，是一种比较折中的方法。在网络架构的设计过程中，网络仿真主要是使用仿真的模型去预测和比较不同设计方式之间的性能高低，然后对不同环境和强度的网络系统的运行情况进行分析和比较，以此来完成系统性能的优化。仿真技术较数学分析方法在抽象化方面程度更低，费时较测量技术方面也更少，所以其在低成本和有效性方面具有传统方法不可替代的优势，在许多情况中，仿真技术是唯一可行的分方法。

　　本文将借助计算机网络仿真技术完成客舱核心系统仿真平台的设计及实现，帮助构建出满足旅客需求的客舱核心系统的网络架构。

　　1.2 国内外研究现状

　　目前，主流的网络架构仿真测试使用的方式有网络模拟、测试床和网络仿真。

　　国内对于相关的研究并不多，大多数是对国外研究的一些改进。文献[1]设计了一种基于虚拟化流量的网络测试床，虽然增加了一定的灵活性，但改进程度有限，且增加了测试床环境部署的成本；文献[2]设计了一种基于 Mininet 仿真平台扩展而来的针对基于软件定义网络（SDN）的机动通信仿真场景的仿真系统，充分发挥了网络仿真动态、灵活的特点，但缺乏真实性仍是其最大的痛点。国外在这方面的研究主要集中在网络仿真，当前已经存在许多成功的软件（如 NS、OPENET、OMNeT 等）， 最近日本东京工业大学准教授首藤一幸的研究小组及服务器安全研究中心开发了区块链网络模拟器 SimBlock[3],SimBlock 特点在于可以轻松更改节点的行为，从而可以调查节点行为对区块链的影响。下面将对目前主流的 3 中网络环境模拟方式进行分析。

　　测试床是真实的设备组成的，如交换机、路由器等，其通过部署切近于实际的网络环境来执行实现，因此，其实验环境与实际环境最相近，测试出来的结果也与实际情况最符合。不过其也存在比较严重的问题，一是购买硬件设备的成本高，配置工作时间长，导致可扩展性低；二是不能灵活的调节和控制实验环境，再次进行实验时改动比较大。

　　网络仿真经常会把网络中的不同要素和行为抽象出来并建立模型，并用软件来代替，接着借助 PC 来完成对实际网络的仿真操作。在大多数情况下，网络仿真可以在不用额外设备的情况下正常使用，也不使用在实际环境中所用的协议，而是借助软件来推测实际情况。它的特点是不用在硬件设备上花费太多，成本低，测试环境便于构建和控制，网络结构易于重构和整改，在扩展性和重复性方面表现也比较好。但是由于网络仿真的实验环境与实际环境差别较大，导致实验结果不能对真实情况准确的预测，缺乏真实性。

　　网络模拟就前两者而言采用了一些比较折中的方式，一方面在搭建实验环境过程中用了部分实物设备，另一方面借助软件去代替了一些物理设备的功能，如借助网络连接模拟器来仿真网络的连接特点。这样可以综合前两个方法的优势，其提供的实验结果在扩展性和重复性上有一定的保证，同时也比较真实可靠。

　　在网络体系的发展进程中，网络仿真技术对其所起的作用正逐渐变大，在许多网络研究领域都有它的身影。网络仿真技术可以帮助各种网络协议和网络算法在设计和实现的过程中做性能优化，但由于网络架构越来越复杂，变化速度越来越快，导致对仿真测试的要求也变得越来越严格。总的来说，网络仿真技术还是有着良好的发展趋势和广阔的前景，并且正在稳步前进。

　　1.3 本文主要研究内容和特色

　　本文主要叙述了飞机客舱核心系统（Cabin Core System,CCS）仿真平台，基于局域网环境下，利用计算机网络仿真技术实现。

　　在 CCS 仿真平台中，在本文中的主要工作包括了以下几个方面：

　　1） 根据在 CCS 中的不同功能类型，将仿真平台划分为音频控制面板（AudioControl Pannel,ACP）、飞机客舱管理网关（Cabin Management Gateway,CMG）、客舱管理计算机（Cabin Management Computer,CMC）、乘客服务控制单元（Passenger Service Control Unit,PSCU）这几个子模块，然后完成各个子模块的设计与实现，并定义统一的通信协议格式，完成子模块之间的协调工作。

　　2） 完成 ACP 模块程序的编写，其主要负责完成与客舱核心系统的语音通信，使用 JFrame 架构完成 ACP 控制界面、内话控制界面及通信时延统计面板的实现。

　　3） PSCU 模块程序的实现，其主要负责完成乘客行为模拟，提供模拟控制界面、话机模拟等功能。这模块的开发中，将通过 Alsa 框架处理音频数据，借助 SIP 协议注册功能实现内话功能。

　　4） 通过编写 CMG 模块程序模拟网络交换节点，主要用于实现指定客舱区域的客舱服务控制功能，并负责 PSCU 模块的控制管理及 CMC 与 CMG,以及 CMG 之间的数据同步。

　　5） 完成 CMC 模块程序的编写，通过注入 SIP 协议实现音频播放控制、内话逻辑控制，并通过自定义的统一的通信协议实现乘客服务控制，使其成为整个仿真平台的控制中心。

　　在本文中要设计的仿真平台是一种能够适应真实环境中复杂性的仿真工具，有能力在低成本的情况下实现与实际情况接近的环境去完成重复的实验，具有较高的可扩展性、方便用户编程，在保证高效的同时能验证仿真过程中所使用的网络协议是否适用于该系统。 由前面一节知道，已经存在的网络仿真方式包括网络模拟、网络仿真、和测试床。其中测试床完全使用实物来进行模拟，可扩展性主要取决于物理设备的数量，很难通过技术上的手段加以改善，且仿真成本太大；网络仿真具有极高的可扩展性，但不使用实际的网络协议且实物和测试数据都是通过软件或者数据建模生成的，缺乏真实性；网络模拟通过使用部分硬件设备和软件仿真来保证一定的可扩展性和真实性，但缺乏灵活性。这三种方式都无法满足本课题所需的同时具备真实、底成本、灵活及高扩展的需求，因此本文通过对网络仿真和软件模拟这两种方式进行分析，综合两者的优点，设计出了全新的网络仿真平台，其主要特点如下：

　　1） 使用真实计算机主机作为载体，通过在载体中编写软件来完成实际设备（如计算机、路由器、交换机等）的模拟，使用软件能比较灵活的完成各个节点的功能且易于扩展。

　　2） 仿真平台中所使用的各种协议都使用真实环境中所采用的协议，为仿真平台的运行结果提供可靠性依据。

　　3） 在测试过程中的所有输入/输出数据不是基于软件或者数学建模生成的，而是基于实际生成，比如仿真平台的内话系统模块中的通话数据来源于真实的通话数据，保证测试结果的真实性。

　　本文设计的仿真平台能够较为真实地还原现实场景，实验过程中所产出的时延、抖动等结果也更为贴近实际情况，具有较高的扩展性、准确性和真实性，使得研究成果比较符合实际并具有较强的实际指导价值。

　　1.4 本文的组织结构

　　本文的主要内容包括：

　　1） 绪论：这章通过论文选题的研究背景、意义与目标这几方面进行了介绍，对仿真技术发展现状做了描述，同时论述了本文的主要工作和创新，最后简要说明了文章的基本书写思路。

　　2） 本文涉及到的相关技术介绍：主要针对本论文中设计到的软件开发技术和网络协议做简要综述。

　　3） 需求分析与系统设计：这一章内容主要包括对 CCS 仿真平台的需求分析，与对系统的应用架构、功能架构及总体架构等模块的设计，最终确定 CCS仿真平台系统的整体架构和核心模块的主要功能。

　　4） CCS 仿真平台的软件实现：完成了平台中所有子模块程序的编写，主要包括系统仿真软件的代码实现和操作流程介绍，并对关键要点做了详细说明。

　　5） 仿真平台内话系统实现过程。

　　6） 完成仿真平台软件的整体测试：对系统的设计目标进行验证，包括编写测试说明，对仿真软件进行功能相关和性能相关的详细测试。

　　7） 总结与对未来的展望：完成全文总结并对创新与不足进行补充说明，最后提出相应解决方案，以及对未来的展望。

　　1.5 本章小结

　　在本章中先是介绍了论文的研究背景和意义，对仿真技术的发展现状做了描述，然后对现有技术进行分析并结合现有技术提出了本文所设计的仿真平台，同时对本课题的目标进行了说明。在本章最后则简述了本文的主要内容和相应的组织结构。

　　第二章 相关技术介绍
　　2.1 JNI 技术
　　2.2 RTP/RTCP 协议
　　2.3 SIP 协议
　　2.4 NTP 协议
　　2.5 本章小结

　　第三章 仿真平台的需求分析和架构设计
　　3.1 仿真平台需求分析
　　3.1.1 系统功能分析
　　3.1.2 功能性需求分析
　　3.1.3 非功能性需求分析
　　3.2 仿真平台架构设计
　　3.2.1 总体系统架构设计
　　3.2.2 基于基础功能的架构设计
　　3.2.3 基于 SIP 的音频服务架构设计
　　3.3 本章小结

　　第四章 CCS 仿真平台基础架构的实现
　　4.1 PSCU 端实现
　　4.1.1 数据传输模块
　　4.1.2 SIP 客户端模块
　　4.1.3 业务逻辑模块
　　4.1.4 UI 模块
　　4.2 CMG 端实现
　　4.3 CMC 端实现
　　4.4 ACP 端实现
　　4.5 菊花链环状网络搭建
　　4.6 本章小结

　　第五章 CCS 仿真平台内话系统实现
　　5.1 内话系统服务器
　　5.1.1 SIP 服务器的整体架构
　　5.1.2 FreeSwitch 服务器通信机制
　　5.2 内话系统客户端
　　5.2.1 客户端的总体架构
　　5.2.2 用户注册
　　5.2.3 用户会话功能的实现
　　5.2.4 音频传输模块的实现
　　5.3 本章小结

　　第六章 CCS 仿真平台测试
　　6.1 测试环境
　　6.2 系统测试
　　6.2.1 灯光、安全带等乘客服务设备状态监听
　　6.2.2 SIP 内话注册
　　6.2.3 SIP 内话发起和接听
　　6.2.4 广播
　　6.3 测试结果分析
　　6.4 本章小结

第七章 总结与展望

　　7.1 论文工作总结

　　本文主要阐述了使用计算机网络仿真技术实现的基于飞机 CCS 系统网络架构的仿真平台。与目前现有网络仿真技术不同，本文通过计算机来借助软件完成实际网络设备的模拟，并在软件研发过程中使用实际场景下所使用到的各种网络协议，不但实现成本低，且能真实的反应出实际环境中的场景，具有较高的扩展性、准确性和真实性。

　　本文做的主要工作如下：对仿真平台的需求进行了分析，包括四大模块的基础功能分析和 SIP 内心系统的功能分析；完成仿真平台的基础架构设计和音频服务架构设计，确定了内话系统客户端和服务器的协议，并对协议的运行机制做了简要分析；在仿真平台实现过程中使用了 Java 平台和 C++平台通过 JNI 协调开发的模式，便于软件移植和更新；完成了各模块的实现，并搭建测试环境，对各模块做了测试，测试过程中内话系统的通信时延也非常低。

　　7.2 问题与展望

　　本仿真平台在基础功能和基于 SIP 的内话系统上的测试效果都达到了预期的效果，不过在以下方面还有更好的处理方式：在使用 RTP 协议进行传输时，虽然通过 RTCP 协议对数据准确性和超时做了处理，但以后还需要学习相关知识，比如通过在应用层添加可靠传输控制，将基于 UDP 的可靠传输做的更好；本文在测试过程中使用的测试主机比较少，没法去模拟复杂的实际场景，需要准备更多的主机去模拟更多的节点，使得测试结果更加具有说服力。

　　随着网络技术的发展，将会出现越来越多的高效方便的工具可以使得网络仿真实验得到更好的执行，各种网络协议也将越来越完善，便于网络工程师们更好的使用，可以以极低的代价得到贴近于实际环境的测试数据。

致 谢

　　日月如梭，三年的硕士生涯转瞬而逝，我也将要脱离学生的身份再次奔赴社会去开始自己新的历程。在这期间，有碰到问题而不可解时的发狂时刻，也有学会新的技能时的欣喜若狂，有和导师、同门师兄弟间的欢乐时光，也有怀才不遇的失落时刻。感谢这三年来陪我一起度过的人和物。

　　感谢我的导师赵继东，经常抽空找我们谈话，对于我们在学习或者生活上遇到的问题都会给我们提出宝贵的意见，同时还帮助学生完善学习计划，指导我们怎样去更好的融入集体。

　　感谢在我的论文完成过程中对我耐心指导的鲁珂老师，因为您的无私帮助才使得我的论文完成的这么顺利。

　　感谢我的女朋友，一直支持我，在我情绪低落的时候帮助我重新发起斗志，鼓励我去积极的面对生活中的各种困难。

　　感谢我的家人，一直都是我的坚强后盾，一直在背后支持我。

　　感谢电子科技大学，给我提供了极好的学习环境和学习氛围，在这学习的几年中，能看的学校一直在为提供更好的环境而不断努力，同时也感谢学校为我们学生提供了丰富的学习资源。

　　最后对在百忙之中抽空为我做论文评审工作的所有专家、教授及老师表示诚挚的感谢。

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