基于ＯＰＮＥＴ的網(wǎng)絡(luò)模型仿真

摘 要：網(wǎng)絡(luò)仿真是一種全新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計和分析技術(shù)，它能夠驗證實際方案的有效性和比較多個不同的設(shè)計方案，為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)。介紹OPNET的特點、建模機制及仿真方法，并利用OPNET對一個局域網(wǎng)進行仿真，結(jié)合實例給出在OPNET環(huán)境下進行網(wǎng)絡(luò)仿真的步驟，針對不同設(shè)置，仿真實驗將獲得各種情況下的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)指標(biāo)，有效指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：OPNET；網(wǎng)絡(luò)仿真；網(wǎng)絡(luò)建模；性能測量

Network Model Simulation Based on OPNET

GONG Lining1，MOU Xiaoguang2

(1.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，030024，China;2.Qingdao Agriculture University，Qingdao，266109，China

Abstract：Network simulation is a new technology of network plan，design and analysis，which verifies the validity ofpractical scheme and compares multiple different network design schemes.So in the network plan and design，the credible quantificational basis is provided.In this paper，the characteristic and method of network simulation based on OPNET are given.This paper introduces how to modeling the network in OPNET environment.A simulation instance is given in order to show the steps in network simulation.From this platform，the performance of the network are got，which is used as a guide for network′s design and optimization.

eywords：OPNET;network simulation;network Modeling;performance measurement

1 引 言

計算機仿真已經(jīng)成為研究計算機網(wǎng)絡(luò)的一種非常有效的評估工具。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模越來越復(fù)雜，基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來越多樣化，單純地依靠經(jīng)驗進行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要。因而急需一種科學(xué)的手段反映和預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的應(yīng)運而生。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。它以其獨有的特點能為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供客觀可靠的定量依據(jù)。它能為網(wǎng)絡(luò)提供接近真實環(huán)境下的模擬試驗環(huán)境和輔助測試手段，驗證網(wǎng)絡(luò)的基本使用效能、網(wǎng)絡(luò)可靠性以及提供各種新技術(shù)體制的試驗環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)仿真的優(yōu)點使其一出現(xiàn)就得到迅速的發(fā)展，目前世界上的一些主流仿真軟件均采用面向?qū)ο蟮闹悄芑植际讲⑿蟹抡婕夹g(shù)，如美國OPNET Technology 公司的網(wǎng)絡(luò)仿真產(chǎn)品OPNET。

2 OPNET特點和仿真方法

OPNET Modeler作為一種主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，為通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的建模提供全面的模擬仿真開發(fā)環(huán)境。OPNET通過執(zhí)行離散事件仿真來分析各種模擬系統(tǒng)的行為和性能。OPNET Modeler將各個仿真研究階段所需要的工具相結(jié)合，組成一個由模型設(shè)計工具、仿真核心、數(shù)據(jù)收集工具和數(shù)據(jù)分析工具有機結(jié)合起來的大型仿真系統(tǒng)。2.1 特點

作為廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)平臺，OPNET Modeler的主要特點如下：

（1） 層次化、模塊化的建模機制。在OPNET Modeler中，采用與實際系統(tǒng)相類似的層次化結(jié)構(gòu)建模。最下層是進程域模型，用有限狀態(tài)機、C或C⁺⁺以及OPNET自帶的核心函數(shù)實現(xiàn)各種協(xié)議算法。第二層是節(jié)點域，由能實現(xiàn)不同功能的模塊組成，反映設(shè)備的硬件和軟件特性。最上層利用各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型、映射現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)。

（2） 面向?qū)ο蟮慕７绞健PNET Modeler采用面向?qū)ο蟮姆绞浇！Ｃ款惞?jié)點用相同的節(jié)點模型，再針對不同的對象設(shè)置特定的參數(shù)。

（3） 豐富的模型庫。OPNET Modeler提供標(biāo)準(zhǔn)模型庫，包括x.25，ATM，Ethernet，TCP/IP等現(xiàn)有設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)模型庫，同時還有3COM，Cisco，Sun等多個廠家的現(xiàn)有設(shè)備。

（4） 圖形化的建模方式。不論是網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點域和進程域，還是傳輸鏈路、網(wǎng)絡(luò)中流動的包等，OPNET Modeler均采用圖形化的編輯器完成模型的構(gòu)建。

（5） 靈活的建模機制。在進程域中，采用有限狀態(tài)機和C/C⁺⁺以及OPNET Modeler自身所提供的400多個核心函數(shù)可以實現(xiàn)自定義設(shè)備，或者根據(jù)協(xié)議、算法，開展協(xié)議研究等。OPNET Modeler中的源代碼完全開放，用戶可以根據(jù)需要添加、修改源代碼。

（6） 統(tǒng)計數(shù)據(jù)的生成。仿真期間，用戶能夠自定義要收集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（7） 綜合分析工具。在OPNET Modeler中，包括如ACE、網(wǎng)絡(luò)醫(yī)生、流分析等多個數(shù)據(jù)分析工具。這些工具為網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計的準(zhǔn)確性、可信性提供網(wǎng)絡(luò)診斷。同時還可以進行詳細的網(wǎng)絡(luò)性能分析。

（8） 動畫。OPNET Modeler可以在仿真中或仿真后對諸如網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流的傳輸過程進行生動的演示，生動地展示模型的動態(tài)過程。

2.2 OPNET的建模機制

OPNET Modeler建模采用層次化和模塊化方式，將復(fù)雜的系統(tǒng)分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，OPNET采用3層建模機制：

(1 最底層為進程（Process）模型，進程行為（協(xié)議、算法、應(yīng)用）用有限狀態(tài)機和可擴展高級語言進行定義；(2 其次為節(jié)點（Node）模型，由協(xié)議模塊和連接模塊的各種連接線組成，反映設(shè)備特性，每個模塊對應(yīng)1個或多個進程模型；

(3 最上層為網(wǎng)絡(luò)模型，用子網(wǎng)、節(jié)點、鏈路和地理背景描述網(wǎng)絡(luò)拓撲，由該層模型可直接建立起仿真網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。三層模型和實際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

2.3 OPNET仿真步驟

使用OPNET Modeler 仿真可以大體分成6 個步驟，分別是配置網(wǎng)絡(luò)拓撲（Topology）、配置業(yè)務(wù)（Traffic）、收集結(jié)果統(tǒng)計量（Statistics）、運行仿真（Simulation）、調(diào)試模塊再次仿真（Re-simulation），最后發(fā)布結(jié)果和拓撲報告（Report）。

3 仿真實例

OPNET 能夠迅速地建立起現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的模型，并能夠方便地修改模型并進行仿真，這使得網(wǎng)絡(luò)仿真非常適用于預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能。這里通過OPNET Modeler 來仿真一個小型公司的網(wǎng)絡(luò)，并收集部分相關(guān)參數(shù)來測量感興趣的網(wǎng)絡(luò)性能。

某公司擁有1個30臺終端和1臺服務(wù)器的星型拓撲網(wǎng)絡(luò)，由于業(yè)務(wù)增長的需要，現(xiàn)在需要增加視頻業(yè)務(wù)，用OPNET Modeler快速建立所需的公司網(wǎng)絡(luò)拓撲，選擇適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計量，并進行離散事件仿真，最后分析仿真結(jié)果，以便檢測現(xiàn)有的公司網(wǎng)絡(luò)能否適應(yīng)新的業(yè)務(wù)要求。

根據(jù)問題描述，利用OPNET Modeler 建立工程，創(chuàng)建一個場景反映公司早期業(yè)務(wù)配置的星型網(wǎng)絡(luò)， 如圖1所示。

圖1中30臺終端以10BASE-T鏈路通過集線器(Hub連接到服務(wù)器，在此場景中配置相應(yīng)的業(yè)務(wù)，收集統(tǒng)計量局域網(wǎng)的延遲時間（Ethernet Delay）并進行仿真，得到的仿真結(jié)果如圖2 所示。從圖2中看出，原有業(yè)務(wù)下網(wǎng)絡(luò)延遲平均為3.5 ms，網(wǎng)絡(luò)延遲時間為毫秒級。

根據(jù)公司業(yè)務(wù)發(fā)展需要，要求增加視頻業(yè)務(wù)，新增一個場景添加新的業(yè)務(wù)要求并進行仿真，收集到的延遲時間如圖3所示。從圖3中看出，增加視頻業(yè)務(wù)后網(wǎng)絡(luò)延遲時間劇增，最大延遲達到0.47 s，而平均延遲時間也達到0.19 s，但視頻業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)延遲比較敏感，需要較小的延遲，因此需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行升級。

為了滿足公司新增的業(yè)務(wù)要求，并能有效降低網(wǎng)絡(luò)延遲時間，可在原網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中將鏈路帶寬升級到100 MHz，再次進行仿真并得到新的網(wǎng)絡(luò)延遲時間（如圖4所示）。

為了更好的比較增加視頻業(yè)務(wù)后原有的網(wǎng)絡(luò)和改進后網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)延遲時間，下面給出改進前后2個網(wǎng)絡(luò)的平均網(wǎng)絡(luò)延遲時間對比圖，從圖5 中看出改進前網(wǎng)絡(luò)延遲較大，延遲時間達到秒級，而將網(wǎng)絡(luò)鏈路提升至100 MHz后網(wǎng)絡(luò)延遲大幅下降，延遲時間為毫秒級，滿足預(yù)期業(yè)務(wù)要求。

4 結(jié) 語

計算機仿真已經(jīng)成為研究計算機網(wǎng)絡(luò)的一種非常有效的評估工具。隨著網(wǎng)絡(luò)的日趨復(fù)雜、規(guī)模日益龐大，利用仿真軟件進行網(wǎng)絡(luò)的性能分析就變得尤為重要。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)性能理論測試、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案評估及網(wǎng)絡(luò)故障診斷等提供強有力的工具，它能夠驗證實際方案的有效性和比較多個不同的設(shè)計方案，為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)仿真正以其突出的優(yōu)越性越來越受到網(wǎng)絡(luò)研究人員的關(guān)注和重視。因此OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

參 考 文 獻

［1］OPNET Modeler10.0 在線文檔.OPNET Technologies，Inc.，2003.

［2］謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)［M］.3版.大連:大連理工大學(xué)出版社，2000.

［3］龍華.Opnet Modeler 與計算機網(wǎng)絡(luò)仿真［M］ .西安: 西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［4］龔平，張衛(wèi)國，顧曉鳴.基于OPNET 的寬帶網(wǎng)流量建模研究及仿真［J］.軍事通信技術(shù)，2003，24(1:26-30.

［5］楊宏宇，王興隆，謝麗霞.網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET的應(yīng)用與實踐［J］.計算機應(yīng)用，2004(24:253-255.

［6］王和興，張建波，才書訓(xùn).基于OPNET 的網(wǎng)絡(luò)仿真與性能測量［J］.微電子學(xué)與計算機，2005，22(11:25-27.

［7］洪家平，柯宗武，童鈺，等.OPNET在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計中的應(yīng)用［J］．湖北師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，24(4：42-47.