網絡仿真軟件與技術研究

李楠　瞿建新　楊春庭

摘要：文章指出在通信活動錯綜復雜的情況下，網絡的綜合性能分析與評估已成為極為迫切的需求。面對這些技術復雜、規模龐大的通信網系，不可能建立與待建網絡規模相當的綜合通信試驗環境，而需要采用網絡仿真技術，建立各通信網系對應的節點模型、協議模型、鏈路模型以及業務流量模型，不僅可以掌握全面的通信活動規律，還能方便快捷地分析預測網絡擴容后所能提高的通信容量，增強網絡規劃設計的準確性。

關鍵詞：網絡仿真；技術；軟件

1網絡仿真技術及其應用

1.1網絡仿真技術特點

網絡仿真技術是一種利用數學建模和統計分析的方法模擬網絡行為，通過建立網絡鏈路和網絡設備的統計模型，模擬網絡流量的傳輸過程，獲取網絡設計及優化所需要的網絡性能數據的一種高新技術。網絡仿真能夠為網絡的規劃、設計、組織提供可靠依據。網絡仿真能夠有效地驗證實際方案或比較多個不同的仿真設計以及組織方案，以便于對不同的設計方案建立模型，實施模擬，對網絡性能預測數據采取頂定量獲取，為設計、組織方案的比較和驗證提供可靠的依據。

1.2網絡仿真技術在通信領域的應用

網絡仿真技術在民用領域得到了非常廣泛的應用，已經成功地為各類大型通信網絡的擴容、升級和改造提供仿真決策支持，歸納起來，主要可以應用于4個方面。

1.2.1體制仿真

網絡仿真技術在體制仿真方面的應用主要包括2個方面：（1）使用方面。網絡仿真技術可以用來確定軍事通信網的裝配體制、操作人員的編制、管理指揮體制等。（2）技術方面。網絡仿真技術可以用來確定待建的通信網的網絡結構、質量要求、干線節點分布、距離要求以及交換體制等方面。

1.2.2系統及設備的輔助設計

網絡仿真技術有助于制定通信網的各類規程、協議及信令。利用仿真系統可以對通信系統及設備進行輔助設計，并得出優化的方案，及時發現潛在的問題，對關鍵技術進行詳細分析，減少時間、經濟上的損失。輔助設計主要包括系統或設備的標準化、系統化設計；設備裝載設計；規約與信令輔助設計等。

1.2.3通信網運用效能評估的仿真

通信網整體運用效能，如服務質量、網絡性能等無法利用一般的儀器來測試，也很難按真實條件去試驗。通信網整體運用效能仿真包括：網絡拓撲結構/配置；電磁兼容性；網絡重組性等，假如借助仿真手段來研究通信網作戰效能，無論在經濟方面，還是時效性方面都是非常可觀的。

2進行通信網絡的仿真的原因

在信息化日益發展的今天，網絡研究人員要超前性地研究和思考網絡仿真在新領域的算法和協議，為仿真技術的進一步研究發展打下基礎，而且也要研究網絡達到最高性能對現有的資源該怎樣利用和整合。

對網絡技術的分析和驗證有3種方法：（1）分析方法，是通過初步分析判斷研究對象和所依存的網絡系統，在一定的條件和假設情況下，正確地描述研究對象，抽象出它的數學分析模型，參照數學分析模型進行問題求解。（2）實驗方法，通過建立測試床和實驗室為研究提供合理的硬件和軟件配置環境，研究網絡行為、網絡性能和網絡協議在現實網絡中的意義和作用。（3）仿真方法，在計算機上運行用仿真軟件建立的網絡系統的模擬分析模型，分析運行過程中的輸出實驗結果。

但是，前2種方法也有很多不確定性因素。假設條件影響分析方法的精確性和有效性。對于一個復雜的系統無法用一些限制性假設進行精確而有效的描述。由于實驗方法的局限性，會造成資源成本高，并且很難共享和重新配置運用，而仿真方法可以彌補前2種方法的短處。仿真方法設計的網絡模型可以用相對較少的費用和時間了解網絡在不同條件下的各種特性，為網絡研究提供精確有效的數據。網絡仿真是一個高效、方便的分析和驗證方法，因此網絡仿真技術的作用給現代通信網絡設計和研究提供有力的支撐。

3網絡仿真的基本流程

網絡仿真有3個階段：準備階段一模型設計一仿真與結果分析。

3.1網絡仿真研究準備階段

網絡仿真研究準備階段需要完成的任務是理解目標網絡，明確仿真目標，制定研究計劃。網絡仿真的基本流程如圖1所示。

3.1.1明確仿真目標

在進行通信網仿真之前，必須對通信網要實現的通信服務功能、采用的主要技術體制、系統規模和可能出現的瓶頸等方面進行需求調研和分析，明確仿真的目標。

3.1.2理解目標網絡

以目標網絡為仿真對象，或是客觀存在的網絡，或是理想中的網絡。通過了解網絡協議的制定標準、一定的拓撲結構、合適的鏈路連接關系、恰當的通信應用類型、主要業務流量特性等信息來理解目標網絡。

3.1.3制定研究計劃

通過對比和參考研究方案和計劃來制定詳細的仿真研究計劃。

3.2網絡仿真模型設計階段

3.2.1建立模型

建立網絡仿真研究的技術、網絡、協議的數學模型和概念模型，包括網絡和設備以及鏈路向仿真模型轉化過程中的模型模擬原理、實現方式、結構組成、模型模塊以及業務和流量的數學描述模型等。

3.2.2搜集數據

在仿真過程中搜集關于仿真模型的實現和驗證的相關數據。需要對網絡的環境、拓撲、應用特征、流量和負載狀況、通信節點技術和結構配置、相應的鏈路參數等。數據盡量精確。

3.2.3模型代碼實現

仿真建模工具可以具體實現網絡仿真模型，而仿真軟件工具決定具體的使用方法和工具。

3.2.4檢查模型

為了使仿真模型與數學模型和概念相符合，需要檢查相應的代碼。

3.2.5驗證模型

為了確保仿真模型的完整性、正確性、一致性、需要對在驗證代碼實現的仿真模型和相同的條件下實際網絡技術協議3方面的性能進行吻合驗證。

3.3網絡仿真與結果分析階段

3.3.1仿真設計

通過仿真模型來建立仿真場景，輸入恰當的模型參數，仿真運行時間長度、仿真啟動條件、仿真統計內容、仿真的準備周期、仿真終止條件等。

3.3.2仿真分析

利用數學方法、分析工具或數據過濾技術來獲取仿真結果數據，并且仿真結果是否合理和有效需要對相應的數據進行統計分析處理。

3.3.3仿真運行

利用仿真軟件工具做仿真實驗。在網絡仿真實驗過程中要多次調整網絡模型來獲取不同的實驗仿真結果，并且要確保仿真實驗的獨立運行和正確性。

4主流網絡仿真軟件平臺比較分析

一般而言，評價一個網絡仿真平臺的優缺點主要從以下幾個方面考慮：（1）仿真機制的優劣；（2）細節程度；（3）模型庫的大小。

依據上面幾個方面的因素，對幾種主流網絡仿真軟件平臺進行了對比（見表1）。

5結語

通信網絡的組織、規劃與優化是一門非常復雜而又必不可少的綜合性、系統性學科，也是當前國際網絡界非常關注的一個研究熱點。它是一種通過建立網絡中的鏈路、設備、協議的統計模型，并模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計或優化所需要的網絡性能數據的仿真技術。