基于OPNET的地域通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仿真研究

劉 敏，高明霞，陸思羽，喬會(huì)東

（1.63880部隊(duì) 河南 洛陽(yáng) 471003；2.信息工程大學(xué) 河南 鄭州 450001；3.北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083）

基于OPNET的地域通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仿真研究

劉 敏1，高明霞2，陸思羽3，喬會(huì)東1

（1.63880部隊(duì) 河南 洛陽(yáng) 471003；2.信息工程大學(xué) 河南 鄭州 450001；3.北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)無(wú)線通信情況下地域通信網(wǎng)中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)間的通信質(zhì)量，采用模塊化的方法描述節(jié)點(diǎn)對(duì)象的行為并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，通過(guò)OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)地域通信網(wǎng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的仿真模型以及組成各節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合地域通信網(wǎng)的一個(gè)實(shí)例，得出了節(jié)點(diǎn)受不同干擾情況下的全局?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率和話(huà)音業(yè)務(wù)呼損率。

地域通信網(wǎng)；OPNET；網(wǎng)絡(luò)仿真；進(jìn)程模型

地域通信網(wǎng)是由柵格狀干線節(jié)點(diǎn)、入口節(jié)點(diǎn)和傳輸系統(tǒng)組成的覆蓋戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役區(qū)域的通信網(wǎng)，是公認(rèn)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的主要發(fā)展方向[1-2]。

地域通信網(wǎng)是保證作戰(zhàn)部隊(duì)與司令部之間相互聯(lián)絡(luò)的主要手段。在軍或師的整個(gè)作戰(zhàn)地域開(kāi)設(shè)若干個(gè)通信中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間用無(wú)線電中繼線路連接起來(lái)，固定或移動(dòng)用戶(hù)分別通過(guò)有線電路或無(wú)線電臺(tái)與通信中心的有無(wú)線入口連接，形成一個(gè)到所屬各部隊(duì)既有直接路由又有迂回路由的統(tǒng)一通信網(wǎng)。

與傳統(tǒng)通信裝備組成的野戰(zhàn)通信系統(tǒng)相比，地域通信網(wǎng)具有生存能力強(qiáng)、時(shí)效性高、綜合互通程度高、機(jī)動(dòng)性好、保密性好和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此成為目前陸軍中軍、師（含師與團(tuán)之間）的主要通信手段。地域通信網(wǎng)的出現(xiàn)，使野戰(zhàn)通信在通信裝備、通信體制、通信戰(zhàn)術(shù)等諸多方面都發(fā)生了根本性的變化，因而成為通信對(duì)抗的重點(diǎn)目標(biāo)[3]。

1 仿真工具介紹

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路和協(xié)議模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)[4]。網(wǎng)絡(luò)模型不僅可以在實(shí)施之前預(yù)測(cè)拓?fù)浜驮O(shè)備規(guī)劃，還有助于在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中保持其有效性。

OPNET Modeler[5]是一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具，支持面向?qū)ο蟮慕７绞剑⑻峁﹫D形化的編輯界面，更便于用戶(hù)使用。它將通信網(wǎng)絡(luò)仿真的各個(gè)階段合并在一起，包括模型的設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)的收集和分析等階段。除了能模擬固定通信模型外，OPNET Modeler的無(wú)線建模器還可用于建立分組無(wú)線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型[6]。OPNET為通信協(xié)議和路由算法的研究提供與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相同的環(huán)境。其結(jié)果分析器為網(wǎng)絡(luò)性能的分析提供了直觀有效的工具。

2 網(wǎng)絡(luò)仿真模型研究

基于OPNET仿真軟件對(duì)地域通信網(wǎng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的仿真模型進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)模型中使用不同的模塊來(lái)描述節(jié)點(diǎn)對(duì)象的不同行為，展示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。模塊一般代表應(yīng)用業(yè)務(wù)、協(xié)議層和物理資源，如緩沖區(qū)、端口和總線。每個(gè)模塊都擁有相應(yīng)的進(jìn)程模型，因此稱(chēng)為進(jìn)程模塊。每個(gè)進(jìn)程模塊模擬節(jié)點(diǎn)行為的一個(gè)或幾個(gè)方面，如節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。進(jìn)程模塊之間通過(guò)數(shù)據(jù)包流線或統(tǒng)計(jì)線進(jìn)行連接。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型由多個(gè)進(jìn)程模塊組成。

對(duì)節(jié)點(diǎn)按層建模，如圖1所示。

圖1 建模層次示意圖Fig.1 Modeling level sketch chart

2.1 節(jié)點(diǎn)模型

地域通信網(wǎng)中主要的節(jié)點(diǎn)有3類(lèi)：交換機(jī)節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和干擾節(jié)點(diǎn)。交換機(jī)主要用以對(duì)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)送，包含有路由功能，根據(jù)位置不同，分為中心交換機(jī)和本地交換機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)包括話(huà)音終端和數(shù)據(jù)終端，分別用于提供話(huà)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。以中心交換機(jī)為例對(duì)節(jié)點(diǎn)模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

地域通信網(wǎng)中，往往有多個(gè)子網(wǎng)，它們相互之間間隔較遠(yuǎn)，一般通過(guò)中心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)交互通信。中心交換機(jī)之間采用無(wú)線通信，組成地域通信網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)。其節(jié)點(diǎn)模型如圖2所示。

圖2 中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型Fig.2 Central switch node model

從圖2可以看出，中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型中主要有ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發(fā)模塊、無(wú)線mac模塊、無(wú)線收發(fā)信機(jī)以及天線模塊等。圖中實(shí)線代表數(shù)據(jù)流線，虛線代表統(tǒng)計(jì)線。

2.2 進(jìn)程模型

主要的進(jìn)程模塊有應(yīng)用層進(jìn)程模塊、ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發(fā)模塊等。

下面以ATM呼叫控制進(jìn)程模塊為例說(shuō)明進(jìn)程模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 進(jìn)程模型設(shè)計(jì)

如圖3所示為ATM呼叫控制進(jìn)程模型流程圖。

圖3 ATM呼叫控制進(jìn)程模型流程圖Fig.3 ATM call control process model flow chart

模塊初始化結(jié)束后，進(jìn)行相應(yīng)的配置。之后進(jìn)入空閑狀態(tài)并等待接收各類(lèi)信息。對(duì)接收到的信息類(lèi)型進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

若收到應(yīng)用層發(fā)來(lái)的連接建立請(qǐng)求，則將此請(qǐng)求信息轉(zhuǎn)送給AAL模塊以通知其有新連接；若收到AAL模塊發(fā)來(lái)的連接指示，則將此信息轉(zhuǎn)送給應(yīng)用層模塊進(jìn)行處理；若有連接信息，則建立連接；若收到應(yīng)用層發(fā)來(lái)的釋放連接請(qǐng)求，則將此請(qǐng)求信息轉(zhuǎn)送給AAL模塊；若收到AAL模塊發(fā)來(lái)的釋放連接指示，則將此信息轉(zhuǎn)送給應(yīng)用層模塊處理；若收到釋放連接信息，則釋放當(dāng)前連接；若收到永久虛通道配置請(qǐng)求，則配置永久虛通道。每條信息處理完成后都恢復(fù)到空閑狀態(tài)。當(dāng)仿真結(jié)束后，本模塊的操作也相應(yīng)結(jié)束。

2.2.2 進(jìn)程模型實(shí)現(xiàn)

基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)各進(jìn)程模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，采用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)表示以支持規(guī)范、協(xié)議、應(yīng)用、算法以及排隊(duì)策略。采用圖形化的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件來(lái)定義事件的邏輯。

下面對(duì)ATM呼叫控制進(jìn)程模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，給出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖4所示。

圖4 ATM呼叫控制進(jìn)程模型Fig.4 ATM call control process model

ATM呼叫控制模塊提供了數(shù)據(jù)面和控制面之間的訪問(wèn)接口。本模塊的主要狀態(tài)有：初始化狀態(tài)、配置狀態(tài)、獲取ATM狀態(tài)信息、空閑狀態(tài)、連接建立請(qǐng)求狀態(tài)、連接建立指示狀態(tài)、永久虛通道配置請(qǐng)求狀態(tài)、連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、連接釋放請(qǐng)求狀態(tài)、連接釋放指示狀態(tài)、連接釋放狀態(tài)等。

3 仿真應(yīng)用

3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真模型實(shí)例

在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下搭建一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)為四節(jié)點(diǎn)五鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖5所示。

此模型中有5類(lèi)節(jié)點(diǎn)：中心交換機(jī)、本地交換機(jī)、話(huà)音業(yè)務(wù)終端、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終端和移動(dòng)干擾節(jié)點(diǎn)。

中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)間采用無(wú)線通信，每對(duì)收發(fā)信機(jī)采用不同的通信頻率，即每個(gè)中心交換機(jī)與其他不同中心交換機(jī)之間通信所采用的收發(fā)信機(jī)頻率不同。

本地交換機(jī)節(jié)點(diǎn)之間、本地交換機(jī)與終端之間采用有線通信。本地交換機(jī)的配置與中心交換機(jī)配置基本相同，只是其所有端口均為有線。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終端類(lèi)型為ATM工作站和服務(wù)器。ATM服務(wù)器支持所有的應(yīng)用層模型。ATM工作站的特色是應(yīng)用層程序需經(jīng)由IP層與ATM層通信，而不能直接與ATM層通信。所有從工作站發(fā)出的具有相同目的地址的數(shù)據(jù)經(jīng)由同一條ATM鏈路發(fā)往服務(wù)器，而不管這些數(shù)據(jù)是否來(lái)自同一應(yīng)用程序。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真模型實(shí)例Fig.5 Network structure simulation model instance

話(huà)音業(yè)務(wù)終端類(lèi)型為普通客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)。其特征是應(yīng)用層與ATM層直接連接，而不須經(jīng)由IP層。普通客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)模型為每個(gè)應(yīng)用層任務(wù)建立了一個(gè)獨(dú)立的ATM連接。

3.2 參數(shù)配置

對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)、全局參數(shù)和主詢(xún)參數(shù)進(jìn)行配置，并配置終端節(jié)點(diǎn)間的話(huà)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。話(huà)音與數(shù)據(jù)源終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)本地交換機(jī)連接到中心交換機(jī)1，然后選擇一條鏈路到達(dá)中心交換機(jī)3，再通過(guò)本地交換機(jī)轉(zhuǎn)至相應(yīng)的目的終端節(jié)點(diǎn)。干擾機(jī)以一定的航線飛行，對(duì)中心交換機(jī)1實(shí)施干擾。

相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置表Tab.1 Simulation parameters setting table

3.3 仿真結(jié)果及分析

設(shè)置干擾機(jī)飛行航線，同時(shí)對(duì)中心交換機(jī)1與中心交換機(jī)3、中心交換機(jī)1與中心交換機(jī)5之間的兩條鏈路實(shí)施干擾，運(yùn)行本仿真場(chǎng)景。

3.3.1 固定干擾機(jī)航線

設(shè)置干擾機(jī)與中心交換機(jī)1之間垂直距離為420 km，運(yùn)行仿真，查看統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

1）全局統(tǒng)計(jì)量

在全局范圍內(nèi)，收集話(huà)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)EMAIL業(yè)務(wù)的收發(fā)情況，用收發(fā)曲線來(lái)描述，以反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與話(huà)音業(yè)務(wù)的傳送質(zhì)量。

圖6 全局話(huà)音業(yè)務(wù)收發(fā)曲線圖Fig.6 Total voice traffic sent and received graph

全局話(huà)音業(yè)務(wù)收發(fā)曲線如圖6所示，可以看出，在本仿真場(chǎng)景和仿真參數(shù)設(shè)置下，全局話(huà)音業(yè)務(wù)發(fā)送與接收之間有較大的差距，即話(huà)音業(yè)務(wù)損耗較大，說(shuō)明其受干擾機(jī)的影響較大。

圖7 全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)收發(fā)曲線圖Fig.7 Total Email traffic sent and received graph

全局?jǐn)?shù)據(jù)EMAIL業(yè)務(wù)收發(fā)曲線如圖7所示，可以看出，在本仿真場(chǎng)景和仿真參數(shù)設(shè)置下，全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)具有較高的實(shí)時(shí)丟包率，說(shuō)明在此情況下，全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)受干擾機(jī)的影響很大，干擾效果比較明顯。

2）鏈路統(tǒng)計(jì)量

本仿真模式下，同時(shí)對(duì)中心交換機(jī)1與3、中心交換機(jī)1與5之間的兩條鏈路實(shí)施干擾，這里用受干擾的兩條鏈路的吞吐量來(lái)衡量其被干擾的程度。

圖8 中心交換機(jī)1與3之間鏈路吞吐量曲線圖Fig.8 Graph of the link throughput between central switch 1 and central switch 3

中心交換機(jī)1與3之間鏈路吞吐量曲線如圖8所示，可以看出，中心交換機(jī)1與3之間具有一定的鏈路吞吐量，說(shuō)明即使是在受干擾的情況下，也有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)或話(huà)音業(yè)務(wù)是經(jīng)由此鏈路到達(dá)目的端的。

中心交換機(jī)1與5之間鏈路吞吐量曲線如圖9所示，可以看出，中心交換機(jī)1與5之間鏈路吞吐量幾乎為零，這是因?yàn)椋瑪?shù)據(jù)與話(huà)音業(yè)務(wù)的交互都需經(jīng)由中心交換機(jī)1到達(dá)3，而它們之間存在直接路由1->3，以及間接路由：1->4->3、1->5->3，在同時(shí)受干擾且直接路由仍有可用帶寬的情況下，數(shù)據(jù)及話(huà)音業(yè)務(wù)仍選擇直接路由。

3.3.2 多條干擾機(jī)航線

保持干擾機(jī)發(fā)射功率與信號(hào)功率不變，設(shè)置八條不同的干擾機(jī)飛行航線，（干擾機(jī)與中心交換機(jī)1之間的垂直距離從480 km到340 km），運(yùn)行仿真，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制全局話(huà)音業(yè)務(wù)呼損率與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率曲線，分別如圖10、圖11所示。

圖9 中心交換機(jī)節(jié)點(diǎn)1與5之間鏈路吞吐量曲線圖Fig.9 Graph of the link throughput between central switch 1 and central switch 5

圖10 全局話(huà)音業(yè)務(wù)呼損率曲線圖Fig.10 Graph of total voice traffic call loss ratio

圖11 全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)丟包率曲線圖Fig.11 Graph of total Email traffic packet loss rate

從圖10、圖11可以看出，在干擾功率不變的情況下，隨著干擾機(jī)與被干擾節(jié)點(diǎn)間垂直距離的增加，全局話(huà)音業(yè)務(wù)呼損率、全局?jǐn)?shù)據(jù)Email業(yè)務(wù)丟包率呈降低趨勢(shì)。在垂直距離為340 km時(shí)，話(huà)音業(yè)務(wù)呼損率達(dá)到37%，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率達(dá)到70%，此時(shí)，干擾效果已經(jīng)相當(dāng)明顯，收發(fā)信方基本上已不能正常通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)地域通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型進(jìn)行了深入研究，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各類(lèi)節(jié)點(diǎn)如交換機(jī)、終端、干擾機(jī)等進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)級(jí)和進(jìn)程級(jí)模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。然后給出了一個(gè)四節(jié)點(diǎn)五鏈路的典型地域通信網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，搭建了網(wǎng)絡(luò)模型，并就仿真相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置[7]。設(shè)定干擾機(jī)飛行航線，同時(shí)干擾兩條鏈路，對(duì)此場(chǎng)景進(jìn)行仿真，繪制全局話(huà)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的收發(fā)曲線和被干擾鏈路的吞吐量曲線。在航線改變的情況下，進(jìn)行多次仿真，根據(jù)仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制全局?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率曲線和話(huà)音業(yè)務(wù)呼損率曲線。仿真結(jié)果表明，隨著干擾機(jī)與被干擾節(jié)點(diǎn)間垂直距離的增加，全局?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包率和話(huà)音業(yè)務(wù)呼損率均呈降低趨勢(shì)，且在垂直距離340 km時(shí)，話(huà)音呼損率達(dá)到37%，數(shù)據(jù)丟包率達(dá)到70%，基本達(dá)到了干擾收發(fā)信雙方通信的目的。

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Research on OPNET-based simulation of field communication network

LIU Min1， GAO Ming-xia2， LU Si-yu3， QIAO Hui-dong1
（1.63880Unit，Luoyang471003，China； 2.Information Engineering University，Zhengzhou450001，China；3.School of Computer&Communication Engineering，Beijing Universtiy of Science and Techology，Beijing100083，China）

With communication quality of the center switch nodes of field communication network under wireless communication， using a modular approach to describe the behavior of nodes and node object modeling， through the OPNET network simulation tool， various nodes used in the field communication network were modeled， as well as thread modules which consist of the nodes， with a field communication network instance， arriving at a conclusion about total data traffic packet loss rate and voice traffic call loss rate on condition of different interferences.

field communication network；OPNET；network simulation；thread model

TN915.02

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1674－6236（2012）04-0120-05

2011-11-10 稿件編號(hào)：201111061

劉 敏（1986—），女，山東青州人，碩士，研究實(shí)習(xí)員。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全，電子對(duì)抗。