CN114520781B - 基于数字孪生的网络技术和协议测试平台及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及网络技术与协议测试领域，具体涉及一种基于数字孪生的网络技术和协议测试平台及其测试方法，测试平台包括：测试服务***，接收用户输入的试验内容和试验需求，根据试验需求选择性地将试验内容发送至测试验证***或者物理网络***进行试验，接收测试服务***或者物理网络***反馈的试验结果；测试验证***，包括：孪生网络模块，包括能够实时跟踪物理网络信息且用于对试验内容进行试验的孪生网络；数据处理模块，将物理网络信息和试验内容传递至孪生网络模块，将试验需求传递至组织管理模块；组织管理模块，根据试验需求对孪生网络进行配置；物理网络***，包括能够对试验内容进行试验的物理网络。

Description

基于数字孪生的网络技术和协议测试平台及其测试方法

技术领域

本发明涉及网络技术与协议测试领域，具体涉及一种基于数字孪生的网络技术和协议测试平台及其测试方法。

背景技术

在计算机网络中，网络协议（以下简称为协议）架起了服务器（Server）与客户端（Client）之间沟通的桥梁，网络技术的不断革新也不断促进计算机网络的发展。网络新协议与新技术在部署前需要验证，而目前的仿真测试平台采用仿真的方法对网络协议和技术进行试验和验证，存在模型准确度低、参数与实际场景不一致、仿真层次紧密耦合的设计限制高层应用的灵活性等问题，影响了测试验证结果的可信度。如果在构建的真实测试平台上进行试验和验证，则存在规模小、测试周期长、灵活性不够等问题。而如果直接在实际网络应用场景上进行试验和验证，会增加网络风险和提高运营成本。

数字孪生技术（Digital twin, DT）是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与数字空间的实时交互映射。以数字孪生技术为基础，构建物理网络的孪生网络，数字孪生技术保证了物理网络与孪生网络的实时更新，包括但不限于网络的参数、信息（网元、拓扑、数据等）保持实时一致。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于数字孪生的网络技术和协议测试平台。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于数字孪生的网络技术和协议测试平台，包括：

测试服务***，接收用户输入的试验内容和试验需求，根据试验需求选择性地将试验内容发送至测试验证***或者物理网络***进行试验，接收测试服务***或者物理网络***反馈的试验结果，对试验结果进行分析并对分析结果进行可视化展示；

测试验证***，包括：

孪生网络模块，包括能够实时跟踪物理网络信息且用于对试验内容进行试验的孪生网络；

数据处理模块，将物理网络信息和试验内容传递至孪生网络模块，将试验需求传递至组织管理模块；

组织管理模块，根据试验需求对孪生网络进行配置；

物理网络***，包括能够对试验内容进行试验的物理网络。

具体地，所述试验需求包括：

第一种：试验环境为“试验运行在孪生网络上”；网络环境为“孪生网络信息由用户选择”；

第二种：试验环境为“试验运行在孪生网络上”；网络环境为“孪生网络的信息与物理网络始终保持一致”；

第三种：试验环境为“试验运行在物理网络上”；网络环境为“孪生网络的信息与物理网络始终保持一致”。

具体地，在试验进行时，数据处理模块将孪生网络的信息和物理网络的信息传递至测试服务***进行可视化展示。

具体地，组织管理模块对试验内容进行分类，并根据试验需求对试验内容进行优先级排序，针对每一个试验内容，在孪生网络模块中配置相应的孪生网络，试验结束后，组织管理模块控制孪生网络模块结束孪生网络的生命周期并释放资源。

具体地，所述孪生网络包括孪生物理层、孪生链路层、孪生网络层、孪生应用层；试验内容能够在孪生网络的任意一层或多层上进行试验。

一种基于数字孪生的网络技术和协议测试平台的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：测试服务***接收用户输入的试验内容和试验需求；

步骤二：如果试验环境为“试验运行在物理网络上”，则将试验内容传递至物理网络***进行试验，物理网络***将试验结果返回至测试服务***；

步骤三：如果试验环境为“试验运行在孪生网络上”、网络环境为“孪生网络信息由用户选择”，则根据用户选择的孪生网络信息建立孪生网络，进行试验后将试验结果返回至测试服务***；

步骤四：如果试验环境为“试验运行在孪生网络上”、网络环境为“孪生网络的信息与物理网络始终保持一致”，则根据实时跟踪得到的物理网络信息建立孪生网络，试验完成后将试验结果返回至测试服务***；

步骤五：测试服务***对试验结果进行分析，并对分析结果进行可视化展示。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

1.本发明将数字孪生技术引入网络技术测试验证，在数字空间构造出物理网络实体的数字孪生网络，用于测试网络技术和协议。数字孪生技术保证了物理网络与孪生网络之间可以实时进行数据和指令的通信、更新和迭代，实现真实的物理网络和对应的虚拟数字孪生网络之间高度动态逼近。孪生网络能够实现物理网络的精确刻画，提高了网络协议和技术测试的真实性和可靠性，比仿真方法的试验结果更可信，比真实网络上测试更快捷、灵活、成本低、规模大。具体来说，本发明能够试验需求的不同，选择将试验运行在孪生网络或物理网络上，并根据试验需求的不同，可以根据用户的选择或者物理网络信息配置孪生网络，即使试验运行在物理网络上，本发明可以通过孪生网络信息与物理网络信息的一致性，来观测试验运行的状态。此外，本发明利用数字孪生技术构建的孪生网络如同物理网络一样分层，包括孪生物理层、孪生链路层、孪生网络层、孪生应用层，可以分别利用各层进行协议、算法和技术的测试验证，进行更加深入全面的网络试验。

2.提供模块化测试，用户只需输入试验内容和试验需求，即可利用测试平台进行技术测试验证。

3.本发明可以根据试验需求，选择性地实现试验内容运行在孪生网络上还是运行在物理网络上，测试方式更加灵活。

附图说明

图1为本发明测试平台的架构图；

图2为本发明测试服务***与测试验证***的通信模型示意图；

图3为本发明测试验证***与物理网络***的通信模型示意图；

图4为本发明的测试流程图；

图5为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

本发明根据数字孪生技术的特点和网络技术的试验需求，设计出如图1所示的基于数字孪生的网络技术和协议测试平台。该平台主要由三个***组成：测试服务***、测试验证***、物理网络***。

1.1测试服务***

测试服务***直接面向测试用户，提供用户与***的接口，用户将待测的网络协议等试验内容通过输入接口输入到测试服务***，测试服务***将这些试验进行意图分解和解释，优化整体试验流程，然后向下传递给测试验证***，指导孪生网络开展网络试验。

测试服务***提供三种可供试验运行的环境：第一种，试验运行在孪生网络上，此时的孪生网络根据物理网络建立，但是孪生网络信息可以由用户选择，包括但不限于链路带宽和丢包率、交换机的缓存与端口数、CPU的核心数与内存等；第二种，试验仍然运行在孪生网络上，但是此时的孪生网络与物理网络保持通信，各项参数保证与物理网络相同并跟随物理网络的变化实时更新；第三种，试验运行在物理网络上，此时的孪生网络仍然保证与物理网络实时更新，用于观测试验运行状态。

试验完成后，测试验证***将结果反馈回测试服务***，测试服务***中的测试结果分析模块可对试验结果进行分析，并将处理后的结果呈现给测试平台用户。试验最终结束后，用户对测试验证***发出结束试验的指令，测试验证***释放资源。

1.2基于孪生网络的测试验证***

测试验证***的基础是根据物理网络建立的孪生网络，数字孪生技术保证孪生网络可以实时跟踪物理网络的结构、参数、状态信息等，并保持自身各项参数与物理网络一致。测试验证***提供各类网络测试服务，是整个平台的核心组成部分。测试验证***由三个模块组成，分别是数据处理模块、孪生网络模块和组织管理模块。数据处理模块负责与物理网络通信，采集、存储、分析和管理各类网络数据，为孪生网络提供数据服务和接口。孪生网络模块基于物理网络的信息，完成孪生网络的构建，为各类网络测试提供实例支撑，是开展网络业务仿真试验的基本单元。数字孪生网络的构建同样细化到四层网络结构，孪生网络包括孪生物理层、孪生链路层、孪生网络层和孪生应用层。组织管理模块是孪生网络模块可提供的服务和功能的模块化呈现，在孪生网络的基础上开展网络测试业务。由于孪生网络的构建是分层的，因此组织管理模块提供的测试场景可以精确到网络中的某一层，可进行更加深入全面的网络试验。

数据处理模块将物理网络的信息、测试服务***下发的试验内容给孪生网络模块，用于建立孪生网络并进行网络试验，也将测试服务***传达的网络环境传递给组织管理模块，便于组织管理模块进行孪生网络的生命周期管理与孪生网络的网络环境配置。

1.2.1数据处理模块

数据处理模块通过向下接口与物理网络通信，采集并存储物理网络信息。形成网络数据库后，数据处理模块进一步完成数据分析和管理，并对孪生网络模块形成统一的数据接口，为孪生网络的构建提供数据支撑和其他数据服务。

数据处理模块通过向上接口与测试服务***通信，接收测试服务***下发的试验内容、试验需求，对接收到的数据进行加工处理后通过模块间的接口与组织管理模块通信，将试验内容、孪生体的调度、试验需求传递给组织管理模块。在试验进行时，采集孪生网络与物理网络的信息，通过向上接口传递给测试服务***，将正在进行试验的网络的网络信息呈现给用户。在试验结束后，数据处理模块接收返回结果，此结果可能包含来自孪生网络的结果，也可能包含来自物理网络的结果。数据处理模块通过结果分析功能对试验结果进行分析，将试验结果转化为可以被测试服务***阅读的数据，通过向上接口发送给测试服务***。

1.2.2孪生网络模块

孪生网络模块主要是由根据物理网络信息建立的孪生网络组成，本发明中的物理网络信息包括物理网络的网元基本配置信息、环境信息、网络运行状态、链路拓扑信息等，孪生网络模块从数据处理模块获取物理网络信息。孪生网络参照下层物理网络模型的分层结构，抽象建立出孪生物理层、孪生链路层、孪生网络层以及孪生应用层，满足不同层的试验需求。

孪生网络模块同时接收来自组织管理模块的网络环境信息与调度信息。不同层的网络试验启用的孪生体以及孪生体的运行时间均不同，需要的网络环境也不同，需要高效组织、保障、维护网络孪生体，更好地提供网络测试服务。

试验结束后，孪生网络模块接收组织管理模块发出的指令，释放资源。

1.2.3组织管理模块

组织管理模块用于对试验内容和孪生体进行组织管理。本发明中的试验内容包括网络技术、协议、算法等试验对象。对试验内容的组织管理是指对用户输入的各类网络技术、协议、算法等试验对象进行宏观调控，合理安排测试，例如将试验内容分类、排队，根据试验需求判断试验的优先级等。对孪生体的组织管理指对每一个试验内容进行试验时，合理高效地组织数字孪生网元，配置试验执行环境，为测试提供支撑，调度每个试验所需的孪生体及孪生体的生命周期。除此之外，根据用户选择，配置网络环境。最后，试验结束后结束孪生体生命周期，释放资源。孪生体即对试验内容实行测试时，所构建的孪生网络实体。

通过组织管理模块，***提供模块化的测试接口。测试人员通过测试服务***的接口输入想要测试的对象，***就会调度并完成测试。测试的结果不仅可以向上反馈到测试服务***，还可以向下传递给物理网络实体，实现对物理网络的控制。收到控制信息后的物理网络，其更新后的状态信息再次上传给孪生网络，实现虚实交互的同时，网络试验结果更加真实。

1.3接口关系

1.3.1测试服务***与基于孪生网络的测试验证***的接口关系

如图2所示，测试服务***提供可视化界面，测试人员将试验需求与试验内容，如待测的网络技术、协议和算法，试验环境、网络环境等，通过用户界面输入到测试服务***之中。测试服务***将用户输入的内容进行分解和优化，并进一步通过数据接口，向下传递到测试验证***。此外，测试服务***还通过此接口将试验环境、网络环境下发给测试验证***。试验进行时，测试验证***将物理网络信息、孪生网络信息向上传递给试服务***，测试服务***将网络信息可视化呈现给用户。试验结束后，试验结果由测试验证***发送回测试服务***，进行试验结果分析、对比与可视化展示。

1.3.2基于孪生网络的测试验证***内部模块的接口关系

测试验证***内部三个模块间也通过通信接口实现数据通信。数据处理模块与组织管理模块保持通信，将接收到的试验需求和试验内容处理后交付给组织管理模块；组织管理模块与孪生网络模块通信，在接受来自数据处理模块的信息后，根据试验需求，调度配置孪生网络模块。数据处理模块还与孪生网络模块通信，数据处理模块既向孪生网络模块传输建立孪生网络的必要信息，还接受孪生网络模块返回的试验结果。

1.3.3基于孪生网络的测试验证***与物理网络***的接口关系

如图3所示，测试验证***与物理网络***间的数据采集、控制下发，均通过测试验证***的数据处理模块实现。对物理网络的数据采集可以是实时的，此时孪生网络需要全面准确地反映物理网络的状态，但也可以根据用户选择，使孪生网络的信息不进行更新，而且网络运行环境可以由测试服务***指定给出。由孪生网络到物理网络的控制则根据具体的任务需要，由测试验证***选择是否将孪生网络的控制信号发送给物理网络***。即“以虚控实”“虚实结合”是根据具体的试验内容而确定是否实现。

1.4平台功能描述

本测试平台面向用户的试验需求，主要提供四类网络技术测试验证功能，分别是：协议和算法测试、网络仿真***测试、网络优化试验以及网络服务应用试验。

1.4.1协议与算法测试

本测试平台提供的网络协议与算法测试功能，以模块化的形成呈现，并提供测试的接入接口。测试人员在可视化界面输入试验内容，***通过接口导入待测试的协议、算法等试验内容，并进行仿真验证。同时***提供对试验结果的分析，以便及时发现问题，实现协议与算法的改进优化。

1.4.2网络仿真***测试

本测试平台提供的网络仿真***测试功能，使得用户可以通过可视化界面搭建网络***，进行网元选择及链路设计，开展仿真网络的相关测试试验。同时本平台提供的该项功能，可实现与实际物理网络的交互协同，使得仿真测试更加真实可信。

1.4.3网络优化试验

本测试平台提供的网络优化功能，可针对现实世界物理网络难以更改变动的特点，在数字空间基于孪生网络开展优化试验，实时分析物理网络的状态信息，优化网络性能。

1.4.4网络服务应用试验

本测试平台提供的网络服务应用试验，是指用户可以基于本平台，进一步开展各类实际应用方面的试验。如通过构建无人机孪生蜂群，进行无人机蜂群协同调度测试。

1.5测试流程描述

1.5.1如图4所示，本测试平台的工作流程主要分为以下三个部分：

1）仅在孪生网络进行试验，孪生网络信息由用户输入：

在本过程中，由测试服务***接收用户输入的试验需求和试验内容。同时，测试验证***根据物理网络***建立孪生网络，孪生网络建立后，由测试服务***提供虚拟的网络环境，测试验证***在接收到的网络环境条件下运行试验内容，并将试验结果返回测试服务***。用户根据返回结果对试验内容进一步调整，为下一步试验准备。

2）仅在孪生网络进行试验，孪生网络根据物理网络实时更新：

用户通过输入接口将待测的网络协议、方案等输入到测试服务***，选择此时试验需要的网络环境，测试验证***将实时接收物理网络的信息，并保证孪生网络的更新，在孪生网络根据物理网络不断变化的条件下，对试验内容进行试验，将结果反馈到测试服务***。

3）在物理网络进行试验，孪生网络进行预测：

在这一步过程中，测试平台将试验内容部署到物理网络***，与此同时，孪生网络不断收集物理网络的信息，在保证实时更新的条件下，通过孪生网络对物理网络进行预测。通过预测物理网络可能的状态，与真实的物理网络进行对比，出现偏差时可以对比发现问题，当预测的结果可能产生比较严重的后果时，也可以及时暂停试验，降低损失。孪生网络的各项参数、运行状态向上传递给测试服务***，通过可视化向用户展示。

1.5.2测试数据

在试验过程中和试验结束后，均会根据用户需要产生测试数据并提交给用户。测试数据的主要作用有以下几方面：首先可以观察试验过程中网络参数以及运行状态；其次可以利用测试数据对接下来试验可能的结果进行预测并与预期结果比对；最后，利用测试数据可以及时发现并阻止可能出现的比较严重的后果。

实施例

如图5所示，用户想要测试一个网络层的协议，用户将待测协议通过输入接口输入测试服务***，并为该待测协议选择试验需求（试验环境、网络环境）。

测试服务***接收到待测协议后，进行意图分解和解释，将待测协议、试验需求（试验环境、网络环境）通过向下接口转发给测试验证***。

测试验证***接收到来自测试服务***的待测协议、试验需求后，根据物理网络建立孪生网络，根据用户选择配置网络环境，例如此时用户选择试验仅在孪生网络进行，网络环境自己选择，由组织管理模块对孪生网络进行配置。试验环境准备完成后，运行用户的试验。试验进行的过程中，将孪生网络中的各项参数与运行状态向上传递给测试服务***用以用户观测。试验结束后，用户选择是否继续进行试验或结束试验。

如果用户选择继续试验，并且选择试验运行在孪生网络上，孪生网络的信息与物理网络始终保持一致，此时建立的孪生网络将根据物理网络实时更新，并在孪生网络层运行试验。用户通过测试服务***输入待测协议（如果用户进行过修改）。试验过程中，依然将孪生网络中的各项参数与运行状态向上传递给测试服务***用以用户观测。试验完成后，如果用户选择结束试验，则结束孪生网络的生命周期，释放资源。

如果用户选择在物理网络进行试验，则测试服务***将用户输入的试验内容下发到物理网络***，此时测试服务***的孪生网络将根据物理网络实时更新，用户可以在测试服务***同时观察物理网络、孪生网统的参数和运行状态。试验结束后，用户选择结束试验，结束孪生网络的生命周期并释放资源。

在试验过程中和试验结束后，***都会根据用户需要，产生测试数据并提交给用户。

在孪生网络中对网络协议与技术进行试验验证，不但可以保证网络环境与物理网络实时相同，而且在数字空间中进行试验，可以增加灵活性、缩短验证所需要的时间，并且与传统基于真实测试平台的方法相比，在降低风险的同时增加了测试验证的灵活性；与传统的基于方针的验证方法相比，增加了可信性。除此之外，在孪生网络的试验结果较为满意后，可以直接将协议或技术部署到物理网络中，与传统的测试方法相比，用户通过下发指令，由测试验证***将待测协议或技术下发到物理网络***，而无需用户在物理网络***中进行操作，减轻了工作负担。最后，在实际物理网络上进行试验的同时，利用其孪生网络可以更加直接地观测到网络运行状态，更准确、及时地发现问题，并支持通过在孪生网络的调试和优化，对所测试协议或技术进行改进。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于数字孪生的网络技术和协议测试平台，其特征在于，包括：

测试服务***，接收用户输入的试验内容和试验需求，根据试验需求选择性地将试验内容发送至测试验证***或者物理网络***进行试验，接收测试服务***或者物理网络***反馈的试验结果，对试验结果进行分析并对分析结果进行可视化展示；

测试验证***，包括：

孪生网络模块，包括能够实时跟踪物理网络信息且用于对试验内容进行试验的孪生网络；

数据处理模块，将物理网络信息和试验内容传递至孪生网络模块，将试验需求传递至组织管理模块；

组织管理模块，根据试验需求对孪生网络进行配置；

物理网络***，包括能够对试验内容进行试验的物理网络；

所述试验需求包括：

第一种：试验环境为“试验运行在孪生网络上”；网络环境为“孪生网络信息由用户选择”；此时的孪生网络根据物理网络建立，孪生网络信息由用户选择；

第二种：试验环境为“试验运行在孪生网络上”；网络环境为“孪生网络的信息与物理网络始终保持一致”；此时的孪生网络与物理网络保持通信，孪生网络信息与物理网络信息相同并跟随物理网络信息的变化实时更新；

第三种：试验环境为“试验运行在物理网络上”；网络环境为“孪生网络的信息与物理网络始终保持一致”；此时的孪生网络信息仍然与物理网络信息实时更新，用于观测试验运行状态；

孪生网络模块根据物理网络信息建立孪生网络；物理网络信息包括物理网络的网元基本配置信息、环境信息、网络运行状态、链路拓扑信息；参照物理网络模型，所述孪生网络包括孪生物理层、孪生链路层、孪生网络层、孪生应用层；试验内容能够在孪生网络的任意一层或多层上进行试验。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网络技术和协议测试平台，其特征在于，在试验进行时，数据处理模块将孪生网络的信息和物理网络的信息传递至测试服务***进行可视化展示。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网络技术和协议测试平台，其特征在于：组织管理模块对试验内容进行分类，并根据试验需求对试验内容进行优先级排序，针对每一个试验内容，在孪生网络模块中配置相应的孪生网络，试验结束后，组织管理模块控制孪生网络模块结束孪生网络的生命周期并释放资源。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述基于数字孪生的网络技术和协议测试平台的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：测试服务***接收用户输入的试验内容和试验需求；

步骤二：如果试验环境为“试验运行在物理网络上”，则将试验内容传递至物理网络***进行试验，物理网络***将试验结果返回至测试服务***；

步骤三：如果试验环境为“试验运行在孪生网络上”、网络环境为“孪生网络信息由用户选择”，则根据用户选择的孪生网络信息建立孪生网络，进行试验后将试验结果返回至测试服务***；

步骤四：如果试验环境为“试验运行在孪生网络上”、网络环境为“孪生网络的信息与物理网络始终保持一致”，则根据实时跟踪得到的物理网络信息建立孪生网络，试验完成后将试验结果返回至测试服务***；

步骤五：测试服务***对试验结果进行分析，并对分析结果进行可视化展示。

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