基于變電站GOOSE網絡的OPNET與NS2仿真比較

李成鑫，吳成恩，舒 勤

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

網絡仿真技術是進行網絡技術研究的基本手段。在新技術的研究過程中使用實際的網絡來研究代價成本太高，于是出現了各種網絡仿真分析軟件。網絡分析技術在最初局域網技術開始發展的時候就已經出現了，其產生是與網絡自身的發展息息相關的，并隨著網絡技術的發展而發展。本課題利用網絡仿真軟件OPNET和NS2變電站GOOSE網絡進行仿真，并進行比較分析。

1 OPNET仿真軟件

1.1 OPNET仿真軟件的特點

1)OPNET仿真軟件提供了三層建模機制，最底層為Process模型，以狀態機來描述協議;其次為Node模型，由相應的協議模型構成，反映設備特性;最頂層為網絡模型。三層模型全面反映了網絡的相關特性，與實際的網絡、設備、協議層次完全對應;OPNET本身包含了比較齊全的的網絡模型庫，包括:交換機、路由器、客戶機、服務器、DSL、ATM、ISDN等設備;OPNET仿真軟件能夠方便地利用現有的流量數據和網絡拓撲建立仿真模型，可以對仿真結果進行理論驗證。

2)OPNET采用離散事件驅動的模擬機理，比時間驅動的效率高。OPNET將基于統計的數學建模方法和基于包的分析方法結合起來，這種混合建模機制既可得到細節的模擬結果，同時也提高了仿真效率。OPNET可以直接收集常用的各個網絡層次的性能統計參數，能夠方便地輸出仿真報告，具有豐富的統計量收集和分析功能。

2 NS2仿真軟件介紹

NS2是一個用C++語言和TCL語言編寫，NS2模擬器采用了面向對象的技術。NS2模擬器支持C++中類的編譯層次結構，同時支持OTCL解釋器中的解釋層次結構。

模擬器使用兩種語言來解決兩種不同類型的事情。一方面，有些協議算法在執行的時候需要快速有效地控制字節和分組頭，實現大規模數據的算法。這些協議算法不需要經常修改，只需要以模塊形式保存在模擬器中，使用時調用相應的模塊就可以了。協議算法的回轉時間，包括執行模擬，找出修正錯誤，重新編譯運行等過程所需要的時間相對而言不是那么重要了。C++能夠快速執行算法，使其適用于具體協議的實現。另一方面，當配置網絡可變參數時，配置過程和場景都沒有太大的變化，只有少量微小變化;當配置網絡的時候，所需要的迭代時間即改變模式并重新運行的時間變得更加重要。因為配置網絡只需要設置一次(在模擬開始的時候)，C++部分的工作執行時間就不再那么重要了。OTCL執行得比較慢卻可以以交互式的方式迅速地變化，使其成為模擬配置的理想對象。

NS2為同時滿足了這兩種需求使用了C++和OTCL兩種語言。NS2通過TCLCL類提供了兩種語言的對象和變量的紐帶。NS2運行流程:TCL類提供了與解釋器訪問及通信的方法和接口，并且封裝的是OTCL解釋器真正的實例。

3 GOOSE網絡的特點以及OPNET與NS2仿真的不足

GOOSE報文傳輸的通信過程與其他網絡傳輸的過程不同［8］，GOOSE網絡沒有網絡層和傳輸層，直接由應用層到數據鏈路層，因此沒有主流TCP/IP網絡的結構和協議復雜。GOOSE網絡主要由發布方的GOOSE控制模塊(GoCB)進行控制，發布方在發送端緩沖區填入需要發送的信息，接收方在接收端緩沖區讀入自己需要的信息。整個過程由發布方的通用變電站事件控制類控制。

GOOSE網絡傳輸的信息是 GOOSE報文。GOOSE報文攜帶變電站IED設備的各種信息，這些信息讓接收設備知道狀態什么時候需要變位，什么時候需要跳閘，或者自上次狀態變位以后的時間等等。接收設備可以設置相對于給定事件的當地計時器，這是根據上次狀態變位以后的時間確定的，并產生相應的狀態變化。

GOOSE網絡中每一個激活的設備將發送當前數據(狀態)，這些激活設備包括合上電源和重新服務的IED設備，發送的當前數據狀態被當作初始值的GOOSE報文。當狀態沒有發生變化時，發送GOOSE報文的周期較長，一般為5 s左右，并且發送連續，當狀態發生變化時，設備會以指數遞增的方式，快速地發送GOOSE報文，指數增長的周期初始值一般為2 ms;之后會以指數遞減的方式，逐漸減慢發送報文的周期。

網絡仿真軟件OPNET和NS2有以下不同。①OPNET與NS2有免費和付費之分，NS2相比于OPNET最大的優勢是免費的自由軟件，因此NS2的普及度較高。②OPNET的界面友好，功能強大，操作方便，只需對節點的屬性進行修改就可以設置網絡;但OPNET修改節點時不如NS2方便，需要多層編程建模。③NS2雖然功能強大，但用戶有時不能僅僅通過NS2使用手冊學習，還需要通過查看源代碼了解，并自己編寫腳本。由于NS2沒有現成的節點框架，需要用C++編想要的節點，操作上不是很方便。

結合變電站GOOSE通信網絡的特點，通過OPNET與NS2仿真其網絡，都存在如下不足，包括:①因為其所提供的模型庫是有限的，現有的OPNET和NS2都沒有 GOOSE中的節點模型庫。OPNET與NS2軟件對某些特殊網絡設備的建模必須依靠節點和過程層次的編程方能實現。②OPNET和NS2這些網絡仿真軟件提供的參數是標準規定的，往往和用戶的需要不一致，同時現有的變電站IED提供商提供的網絡協議模型與標準存在差異，所以當要使用某些特殊參數時，必須通過編程來實現。對于GOOSE網絡的仿真，需要涉及底層編程，需要對協議及網絡仿真軟件復雜的建模機理掌握十分透徹。③OPNET的編程需要建立在其本身的仿真平臺上，這是OPNET的一個局限性。

4 OPNET與NS2仿真比較分析

根據變電站通信網絡的特點，設置NS2和OPNET仿真的拓撲結構如圖1和圖2所示。在變電站GOOSE網絡中，數據包大小一般為400字節左右大小，發包的速率在一般為300～500 kb。由于變電站通信網絡不是恒定的，有很多突發的情況，因此仿真參數采用相似的設置。

圖1 NS2仿真拓撲圖

圖2 OPNET仿真拓撲圖

4.1 網絡流量對比分析

(1)在OPNET仿真中，設置的包產生速率是400 kb，包大小為500字節，包格式為 uniform_int，此格式對應NS2應用中的CBR。此時，每秒產生的包數目為100個，包間隔時間為0.01 s，仿真時間設為100 s，下圖為OPNET仿真后得到的流量圖。其中圖3表示通過求時間平均之后流量圖，圖4表示的是瞬時的網絡流量圖。然后設置基于指數分布的包格式，圖5和6分別表示指數分布時的平均網絡流量和瞬時網絡流量。

圖3 OPNET uniform時間平均流量圖

圖4 OPNET uniform時間瞬時流量圖

圖5 OPNET指數分布時間平均流量圖

圖6 OPNET指數分布時間瞬時流量圖7表示NS2仿真時固定比特率平均流量圖，NS2仿真時的指數分布比特率平均網絡流量

圖圖8表圖，由于NS2中只取了其中時間平均流量，故只有兩個仿真結果圖。

圖7 NS2 CBR平均流量圖

圖8 NS2指數分布平均流量圖

由以上兩幅圖可以看出，OPNET仿真算法和結果更接近真實網絡流量，例如指數分布，NS2也提供了4種流量發生器，NS2中流量發生器產生包比較單一，不能仿真現行的數字化變電站中的GOOSE報文，需要自行添加協議模塊和包。OPNET在仿真網絡流量時，各種網絡流量可以任意選擇。其中，OPNET中提供了 ON/OFF的建模機制，它比較逼近真實的網絡業務，并作為一種數學上的分析模型。在OPNET中，還可以配置一般應用模型，這些模型已經被模塊化到特殊物件拼盤(utilities)中，可以隨時使用，作為圖形化得界面使用十分方便，這點現行NS2無法做到。

4.2 網絡延遲對比分析

在比較OPNET和NS2仿真局域網網絡延遲時，由于NS2中沒有交換機，只能設置為總線型局域網，而OPNET通過交換機設置局域網。在OPNET中，設置鏈路的長度為100 m，鏈路延遲設為0.002 s，仿真時間設為100 s。圖9表示的是瞬時的網絡延遲，從圖中可以看出，網絡延遲略大于0.002 s，為0.0022 s左右;其中的0.002 s為鏈路延遲，多出的0.0002 s為交換機處理延遲，符合實際網絡中的情況。

圖9 OPNET時間瞬時延遲圖

圖10為設置同樣的參數，通過網絡仿真軟件NS2仿真后，得到的網絡延遲圖。從圖中可以看出，網絡延遲的大小同樣為0.0022 s左右。其中，0.0002 s是網絡鏈路延遲，是在仿真時自行設立的，同樣，0.00022 s是交換機處理延遲，同樣符合真實網絡情況。

圖10 NS2時間平均延遲圖

通過以上OPNET和NS2仿真軟件，對同樣拓撲網絡的仿真比較。得出OPNET和NS2仿真同樣的網絡拓撲，設置相同的鏈路延遲的時候，得到的網絡延遲是相同的。不同的是，當仿真的時候，OPNET的交換機延遲是通過交換機設置參數得到的，在OPNET中，除了可以設置交換機處理延遲外，還可以通過交換機和發送節點設置發送延遲和排隊延遲，同時，OPNET可以通過設置，同時顯示時間平均延遲和瞬時延遲，給仿真帶來了方便，這在NS2中是不能做到的，需要重新編寫分析程序才能得到;在NS2中，由于沒有交換機裝置，通過網絡節點代替交換機，設置的參數也是通過網絡節點設置的，當設置交換機處理延遲時候，是通過設置鏈路帶寬得到的交換機處理延遲，這與仿真不相符，于是，需要給NS2增加交換機模塊，同時可以設置交換機的處理延遲等。

5 結語

綜上通過NS2和OPNET仿真對比分析，由于OPNET結合了眾多廠家的設備和參數，OPNET內部仿真算法比較接近網絡真實情況，且界面上十分工整，修改屬性和搭建網絡過程比較簡單。而NS2由于源代碼公開，內部算法和邏輯節點可以自行修改。由于NS2和OPNET都沒有現成的處理基于IEC 61850協議的智能變電站GOOSE網絡模塊，故都不能直接用于變電站通信網絡的仿真。課題采用修改NS2源代碼實現數字化變電站通信網絡內部算法和邏輯結構，采用了OPNET相似的界面設計。這是后期的研究方向。

［1］徐雷鳴，龐博，趙耀.NS與網絡模擬［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［2］楊路明，李謝華.網絡仿真軟件比較分析及仿真過程探討［J］.2002，21(4):65 －70.

［3］雷擎，王行剛.計算機網絡模擬方法與工具［J］.通信學報，2001(9):84－90.

［4］ReTurner.D等.NS2中文手冊.

［5］Introduction to Modeler［J］.OPNET Simulation Technology，2000.

［6］陳敏.OPNET網絡仿真［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［7］Tor Skeie，Svein Johannessen，Christoph Brunner.Ethernet in substation［J］.2002 IEEE，2002:43 －51.

［8］IEC 61850 － 7.Communication Networks and Systems in Substations Part 7:Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment［S］.FDIS，2003.