基于QualNet的通信網(wǎng)絡仿真研究

劉 敏，喬會東，郎 杰，劉旭光

（中國洛陽電子裝備試驗中心 河南 洛陽 471003）

隨著通信網(wǎng)絡規(guī)模的日益龐大，新技術的不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)上應用的日益復雜，網(wǎng)絡性能也變得越來越難以預測。如果在真實的網(wǎng)絡環(huán)境中進行性能研究、網(wǎng)絡規(guī)劃、設計和開發(fā)，不僅耗資大，而且在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集和分析上也存在困難。因此，迫切需要一種新的網(wǎng)絡規(guī)劃和設計手段來提高網(wǎng)絡設計的客觀性和結果的可靠性，網(wǎng)絡仿真[1-2]應運而生。

網(wǎng)絡仿真是進行網(wǎng)絡技術研究的一種基本手段，能夠為不同的設計方案建立不同的模型，對這些模型分別進行模擬仿真并獲取定量的網(wǎng)絡性能預測數(shù)據(jù)，通過對結果的分析，為方案間的驗證和比較提供可靠的定量依據(jù)，從而為優(yōu)化設計和決策制定提供更便捷有效的手段。

1 常用網(wǎng)絡仿真工具介紹

常用的網(wǎng)絡仿真工具有 NS2、QualNet、OPNet、GloMosim、OMNet++等。 本節(jié)對NS2、QualNet、OPNet三種仿真工具進行簡要介紹。

1.1 NS2

NS2[3]是一種多協(xié)議網(wǎng)絡仿真軟件，由DARPA支持的項目VINT開發(fā)而成，其源碼是免費的、開源的，主要面向網(wǎng)絡協(xié)議研究。

NS是一個離散事件模擬器，核心部分是一個離散事件模擬引擎。NS是用兩種面向對象的語言Otcl和C++編寫而成的，稱為分裂對象模型，構件主要功能通常在C++程序中實現(xiàn)，Otcl中的類則主要提供C++對象面向用戶的配置接口。

NS中具有豐富的構件庫，包括基礎設備、鏈路、協(xié)議模型、無線移動模型等，具有強大的網(wǎng)絡模擬仿真功能。但由于采用兩種語言，學習起來比較困難，且沒有可視化的操作界面，不夠直觀。

1.2 OPNet

OPNet[4]是由 OPNet Technologies研制和開發(fā)的，對幾乎所有網(wǎng)絡和網(wǎng)絡技術都可進行建模仿真。

OPNet仿真軟件采用網(wǎng)絡域、節(jié)點域、進程域層次化建模，使用有限狀態(tài)自動機對協(xié)議和其他過程進行建模。OPNet具有豐富的集成分析工具、詳細協(xié)議模型的全面模型庫和高效的仿真引擎，功能強大，適用范圍廣。但該軟件費用較高，一般面向專業(yè)人士，不適于大多數(shù)用戶的學習、交流。

1.3 QualNet

QualNet[5]是近年來興起的一種仿真工具，是美國SNT（Scalable Network Technologies）公司的網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)，其前身是GloMoSim。

QualNet采用TCP/IP層次化、模塊化建模，支持無線、有線和混合網(wǎng)絡及設備的仿真分析。QualNet具有豐富的協(xié)議模型庫，從對專用網(wǎng)絡的支持（如 WiFi、MANET、WiMAX、傳感器網(wǎng)絡、蜂窩網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡），到進行半實物仿真，再到強大的3D可視化效果，這極大地提高了QualNet Developer的性能。基于此，QualNet越來越受到人們的青睞，其應用領域也越來越廣泛。

2 QualNet網(wǎng)絡仿真工具

2.1 QualNet組成

QualNet圖形用戶界面由場景設計器、動畫模擬器、分析器、包追蹤器等組成[6-7]。

1）場景設計器（Scenario Designer）

場景設計器是圖形化的模型設置工具。在場景設計模式下，用戶可以設定網(wǎng)絡節(jié)點的地理位置、物理連接、各項功能參數(shù)以及地形特征等。通過簡單直觀的點擊和拖放，用戶可以配置單個或一組節(jié)點的網(wǎng)絡層協(xié)議和業(yè)務流量特征。

2）動畫模擬器（Animator）

動畫模擬器是圖形化的仿真可視工具。在仿真運行時，用戶可以利用動態(tài)可視窗口觀察網(wǎng)絡中不同層的包流以及關鍵性能度量的動態(tài)圖表，還可以在高速服務器上進行批量仿真，并查看動態(tài)數(shù)據(jù)。

3）分析器（Analyzer）

分析器是一個統(tǒng)計圖表工具，通過收集網(wǎng)絡場景運行階段的上百個度量，對其進行篩選，將用戶關心的統(tǒng)計特性展示出來。在生成統(tǒng)計報告的過程中可隨時查看，并可對不同試驗的結果進行比較。

4）包追蹤器（Packet Tracer）

包追蹤器是一個包級別的可視化工具，用于查看數(shù)據(jù)包經(jīng)過協(xié)議棧的變化情況。

2.2 QualNet優(yōu)點

QualNet的主要優(yōu)點如下：

1）包含大量預設的模型、協(xié)議和算法，封裝性較好，便于學習。

2）通過高效的調度、并行算法和高保真模型來實現(xiàn)運行的速度、效率和準確性。基于經(jīng)過驗證的PARSEC并行仿真內核，每個節(jié)點都獨立地進行運算，能夠以實時速度仿真大型復雜網(wǎng)絡。

3）高度模塊化設計，便于用戶根據(jù)自己的需要屏蔽、增加或刪除某些協(xié)議模塊，具有良好的可修改性、可擴展性。4）圖形和算術工具便于實驗建立、監(jiān)視和后續(xù)數(shù)據(jù)處理。5）可作為真實網(wǎng)絡的一部分，參與到網(wǎng)絡測試中，即可用于半實物仿真。

6）實現(xiàn)并行分布式仿真，具有速度快、精度高、魯棒性好、實時接口等特點。

2.3 QualNet仿真流程

基于QualNet的網(wǎng)絡仿真一般遵循如圖1所示的仿真流程。

圖1 基于QualNet的網(wǎng)絡仿真流程Fig.1 QualNet based network simulation flow chart

若期望的功能基于QualNet的現(xiàn)有功能模塊就能實現(xiàn)，則不需對其源碼作任何修改，只需根據(jù)需要搭建仿真場景，并配置相當?shù)木W(wǎng)絡參數(shù)、節(jié)點參數(shù)、鏈路參數(shù)或各層業(yè)務即可。然后運行仿真場景，待仿真結束后，采用分析器對結果進行分析，必要時可追蹤數(shù)據(jù)包行為。對統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)量等結果進行分析，得出仿真結論。若結果不符合預期期望，則需對仿真場景或各參數(shù)進行調整，再重新運行仿真，直至得到預期結果。

若期望的功能超出了QualNet的現(xiàn)有功能，則需要在現(xiàn)有基礎上增加或修改源碼，并進行重新編譯以生成可用的QualNet可執(zhí)行程序。若編譯出現(xiàn)問題，則需返回查找問題所在并修改，然后重新編譯。編譯正確后，運行仿真場景，分析仿真結果，得出結論。若結果不符合預期期望，則需修改場景或源碼，并重新運行仿真，直至得出滿意的結論。

于小學生而言，他們的年齡相對較小，語言功底相對成人而言較差，而小學生在學習當中與語文教材接觸得最多。但是語文教材中的文章比較簡短或者是由長篇文章中節(jié)選出來的一部分。于課文內容而言，學生在學習的過程中只是按照原文的順序進行學習。小學語文中的大部分內容都是名著中的節(jié)選部分，教師在引導學生進行教材閱讀時，學生不能對原來的文章有一個全面的認識，這就造成學生難以對閱讀材料中的事件以及人物進行準確把控。

3 仿真實例

本文利用QualNet網(wǎng)絡仿真工具搭建一個簡單的有線網(wǎng)絡，實現(xiàn)特定節(jié)點間的通信，通過在節(jié)點之間配置應用層業(yè)務，運行仿真場景，觀察節(jié)點間各業(yè)務的傳輸情況，并對仿真結果進行分析比較。

3.1 搭建仿真場景

利用QualNet網(wǎng)絡平臺搭建仿真場景如圖2所示。

圖2 仿真場景Fig.2 Network simulation instance

仿真場景中配置12個節(jié)點，呈柵格狀分布，每行4個節(jié)點，共3行，組成一個柵格狀的傳輸網(wǎng)絡。每個節(jié)點均可與其直連節(jié)點直接通信。圖中藍色實線表示節(jié)點間存在直接鏈路。

3.2 業(yè)務配置

QualNet提供了多種應用業(yè)務，如CBR（恒定比特率流量）、FTP （文件傳輸協(xié)議）、TELNET （遠程登錄協(xié)議）、LOOKUP （輪詢）、VoIP（IP網(wǎng)絡傳送話音業(yè)務）、VBR（可變比特率流量）等。

CBR（Constant Bit Rate）即固定比特率，CBR流量產生器以一個固定的速率產生流量，這是通過以固定速率傳輸固定大小的包來實現(xiàn)的。通常用于提供影響其他應用業(yè)務性能的背景流量，或者用來仿真產生多媒體流量。

CBR是固定采樣率的壓縮方式，是一個理想的業(yè)務形式。其優(yōu)點是壓縮快，能被大多數(shù)軟件和設備支持，缺點是占用空間比較大。本文主要目的是對QualNet網(wǎng)絡仿真工具進行簡要分析，因此，采用理想化的CBR業(yè)務。

如圖2所示，CBR業(yè)務用深綠色帶箭頭上標注“CBR”的實線表示，箭尾為業(yè)務流源節(jié)點，箭頭為業(yè)務流目的節(jié)點。分別建立由節(jié)點 1到節(jié)點 2、節(jié)點 5、節(jié)點 8、節(jié)點 11、節(jié)點 10的CBR業(yè)務。分別建立由節(jié)點10到節(jié)點3、節(jié)點6、節(jié)點9、節(jié)點12的CBR業(yè)務。

3.3 參數(shù)設定

表1 網(wǎng)絡協(xié)議參數(shù)設定表Tab.1 Network protocol param eters setting table

圖3 仿真過程演示Fig.3 Demonstrate of network simulation process

3.4 仿真過程演示

QualNet動畫模擬器向用戶提供了可視化及分析功能，實現(xiàn)了各個層次的動畫演示。仿真和動畫演示可同步進行，并且可以查看單個事件所對應的動畫效果。

在搭建好仿真場景并配置完成各業(yè)務及各協(xié)議參數(shù)后，運行仿真，觀察仿真過程，仿真過程演示圖如圖3所示。圖中淺綠色的箭頭代表數(shù)據(jù)包的成功接受：當數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點傳輸至另一個接受節(jié)點，一個淺綠色的箭頭會從源節(jié)點拉向目標節(jié)點。

3.5 仿真結果分析比較

在仿真完成時，點擊Analyze Results按鈕切換到分析界面。QualNet仿真結果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析包支持參數(shù)逐一比較、直方圖和基于文本的統(tǒng)計存儲。本文主要的統(tǒng)計結果如圖4～圖8所示。其中不同顏色的柱狀圖表示節(jié)點不同接口的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖4 客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)柱狀圖Fig.4 Histogram of packet transmitting by CBR client

圖4所示為CBR客戶端即源節(jié)點（本例中即為節(jié)點1與節(jié)點10）成功發(fā)送包的數(shù)目。圖5所示為CBR服務器端即目的節(jié)點（本例中即為節(jié)點 2、3、5、6、8、9、10、11、12）成功接收包的數(shù)目。從圖中可以看出，所有從源節(jié)點發(fā)出的包都被目的節(jié)點成功接收了。

圖6所示為CBR服務器端統(tǒng)計得出的平均端到端延時。從圖中可以看出，各節(jié)點的端到端延時都比較小，在10-3數(shù)量級，完全在可接受范圍內。其中，節(jié)點10到節(jié)點3的業(yè)務流延時最大，這是因為二者之間需要經(jīng)過最多跳數(shù)，這里為5跳。節(jié)點1到節(jié)點2的業(yè)務流延時最小，這是因為二者之間有直連鏈路，可直接通信，而無需經(jīng)過其他節(jié)點中轉。

圖5 服務器接收數(shù)據(jù)包數(shù)柱狀圖Fig.5 Histogram of packet receiving by CBR server

圖6 服務器端的平均端到端延時Fig.6 Histogram of end-to-end average delay by CBR client

圖7、圖8所示為CBR客戶端與服務器端的吞吐量柱狀圖。從圖中可以看出，客戶端與服務器端的吞吐量是對應的，即客戶端發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包流都被服務器端正確接收到。

4 結束語

文中介紹了 3種常用的網(wǎng)絡仿真工具 NS2、QualNet、OPNet，權衡各自的優(yōu)缺點，選擇QualNet網(wǎng)絡仿真工具。對QualNet的組成、優(yōu)點進行了詳細介紹，并給出了對源碼無操作和對源碼有操作兩種情況下的仿真流程圖。在此基礎上，利用QualNet仿真平臺搭建了一個有線網(wǎng)絡示例，詳細闡述了QualNet的仿真步驟和網(wǎng)絡性能的分析。

圖7 客戶端吞吐量柱狀圖Fig.7 Histogram of throughput by CBR client

圖8 服務器端吞吐量柱狀圖Fig.8 Histogram of throughput by CBR server

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