網絡仿真技術在校園網絡實驗中的應用

劉文杰, 王善坤

(1. 大連理工大學 軟件學院, 遼寧 大連　116621；2. 大連理工大學 城市學院, 遼寧 大連　116621)

?

網絡仿真技術在校園網絡實驗中的應用

劉文杰1, 王善坤2

(1. 大連理工大學 軟件學院, 遼寧 大連116621；2. 大連理工大學 城市學院, 遼寧 大連116621)

在實驗教學中引入計算機網絡和網絡模擬技術,利用校園網建設的相關理論和網絡模擬技術設計新的網絡實驗,成為實驗教學的新課題。通過建立虛擬網絡環境的基礎通信協議,實現數據傳輸的層次化劃分。同時,通過狀態轉移圖設置網絡中的模塊、節點、通信介質,針對高校學生的基本情況設計理論完善、操作性強的實驗流程。

網絡仿真； 虛擬網絡； 結構拓撲； 數據傳輸； 網絡實驗

隨著高校校園網絡的規模和應用擴大,新型的網絡技術也得到了廣泛的應用。將校園網建設涉及的新技術、新應用與實驗教學相結合,成為網絡實驗課程的新課題。

美國OPNET Technologies Ins公司生產的OPNET Modeler模擬器主要用于大型網絡拓撲建設和實驗。該模型采用離散事件驅動為基礎的網絡狀態模型進行虛擬網絡搭建,依靠離散事件驅動的高效性,使生成的網絡模型及模型內的數據通信能夠達到真實網絡的特征標準,從而能夠應用于專業網絡架構設計和實驗。該平臺已經廣泛應用于網絡設計、結構拓撲、數據傳輸以及網絡壓力實驗[1]。

1　OPNET建模概述

用網絡仿真方式進行網絡建設,是通過虛擬化技術對網絡內節點、介質、協議進行構架,因而無法完全模擬出真實的環境狀況(例如機房內環境等),這就要求在仿真過程中應考慮與真實環境的差異,并在仿真設計過程中盡量彌補這種不足[2]。

OPNET的工作過程保持與軟件工程體系流程一致,主要通過進程驅動實體進行內容的展示和數據流轉。在該過程中,通過進程的協議和算法驅動節點的對象構造,實現C/C++語言的有限狀態機功能,并在此基礎上實現仿真平臺下的數據通信,從而實現網絡仿真[3]。

本文的建模過程嚴格按照OPNET的標準流程進行。

(1) 通過OPNET的網絡模塊建設網絡環境,該環境需定義基礎通信協議、網絡容量以及其他相關參數[4]。

(2) 通過OPNET的節點模塊,對模型中設備節點進行定義。該過程主要實現數據傳輸過程中的層次化劃分和設備屬性定制,對節點設備的主要組建、數據報文、統計信息等參數進行設定和規劃,從整體上進行設計,從而保障整個網絡的穩定性[5]。

(3) 使用狀態轉移圖設置模塊、節點、通信介質之間的通信規則和狀態,使用C/C++驅動主要節點的邏輯狀態,利用連線的方式標識數據傳輸與介質連接關系,這是整個網絡模型設計的最后一步。

精準建模是實現網絡仿真實體化的前提。進行建模前必須嚴格按照真實網絡配置分層,進行設備及數據傳輸的封裝,使節點、連接狀態以及工作協議層次關系得到高效的分配。在設計模型過程中,模型內的節點、連接介質、工作協議、邏輯分層等屬性,均需按照實際網絡屬性進行設計,各組件可以隨意分配和連接,并可按照現有實體設備進行添加、刪除、修改,全面實現整網設備定制化建模。

在數據生成、采集過程中,需依靠離散事件驅動的高效性,使生成的網絡模型及模型內的數據通信達到真實網絡的特征標準,能夠對海量數據進行網絡化處理和仿真,其混合建模機制使網絡的兼容性大大提高,可以實現用戶定制化網絡建模開發應用[6]。

本文運用“端到端”業務和自定義多端業務建模,仿真建模流程見圖1。

圖1　建模流程圖

2　關鍵業務的描述

在真實校園網業務中,主要通信協議是HTTP/FTP/EMAIL[7],業務構成決定了在模擬建模過程中使用端到端模式,采取C/S架構實現,使用OPNET軟件進行針對性的開發。

2.1FTP在OPNET中的詳細描述

該網絡使用TCP協議進行數據通信,使用“Get”、“Put”命令實現數據的上傳和下載。在下載數據過程中,客戶端使用“Get”命令得到遠程服務器的響應,同時接收服務器提供的文件；在上傳數據過程中,客戶端使用“Put”命令得到遠程服務器的響應,同時向服務器發送文件。命令使用的過程,即為數據鏈路建立的過程[8]。表1為FTP應用業務屬性說明。

表1　FTP應用業務屬性說明和屬性值

若發送請求未得到應答,則由客戶端繼續發送請求,直到服務器端返回響應信息。該響應信息在全局對象Application中映射為屬性,即該屬性對應一次會話過程。

2.2EMAIL在OPNET中的詳細描述

該應用同樣依靠TCP協議進行通信,通過SMTP和POP協議實現郵件的發送和接收。在郵件的發送過程中,客戶端使用SMTP得到遠程服務器的響應,同時發送郵件至服務器；在接收過程中,客戶端使用POP協議得到遠程服務器的響應,同時接收郵件。命令使用過程,即為數據鏈路建立的過程。

發送和接收的過程沒有直接聯系,是相互獨立的不同進程。表2為EMAIL應用業務屬性說明。

表2　EMAIL應用業務屬性說明

2.3HTTP在OPNET中的詳細描述

HTTP協議同樣依靠TCP協議作為底層協議支撐。當一個HTTP請求發送至服務器端,服務器端會給瀏覽器端返回一個或一個以上的TCP連接,通過這樣的反饋行為,實現HTTP頁面的多線程顯示,從而實現復雜的B/S系統發布。

3　仿真網絡業務配置和硬件平臺搭建

OPNET Modeler使用3層建模機制進行狀態機模型搭建,通過該模型可以修正網絡內節點配置屬性及相關連接方式。這樣的特點使該軟件能夠建立架構穩定的Node模型系統[9]。

(1) 嚴格按照真實網絡配置分層,進行設備及數據傳輸的封裝,使節點、連接狀態以及工作協議層次關系得到高效的分配[10]。

(2) 模型內的節點、連接介質、工作協議、邏輯分層等屬性,均按照實際網絡屬性進行設計,各組件可以隨意分配和連接,并可按照現有實體設備進行添加、刪除、修改,全面實現整網設備定制化建模[11]。

(3) 依靠離散事件驅動的高效性,使生成的網絡模型及模型內的數據通信能夠達到真實網絡的特征標準,能夠對海量數據進行網絡化處理和仿真,混合建模機制使網絡的兼容性大大提高,可以實現用戶定制化網絡建模開發應用。圖2為應用配置器的業務定義[12]。

圖2　應用配置器的業務定義

網絡的服務器端和客戶端配置會直接影響網絡運行的效果,應該是整個模型設計的重點之一。此網使用Server_Config進行部署,部署過程中會對節點的處理器、內存、RAID和硬盤資源進行具體化的參數寫入。表3為PC服務器配置情況,表4為存儲服務器配置情況。

表3　PC服務器主要參數配置

表4　存儲服務器主要參數配置

根據實際運用仿真網絡模型定義了學生和教師兩類用戶,仿真模擬中將根據不同的業務設置來統計仿真數據,以考察仿真環境中的業務性能和存儲性能(響應時間、服務器CPU利用率以及磁盤利用率等)。

根據不同的業務需求制定了相關的仿真參數,以HTTP業務為例,仿真參數設置如表5所示。

表5　HTTP仿真參數設置表

對于規模較小的網絡來說,每個以太網中取300個客戶機較為適合。仿真網絡模型定義了5個學生局域網和2個教師局域網，這樣,客戶端總數達到2 000個。實驗表明,網絡運行前期的響應時間可以快速地達到穩定階段,說明網絡系統的響應能力較強。在前100 s時，由于各個設備啟動初始化,訪問并未進行,所以無響應數據。HTTP應用的響應時間應該在100 ms左右,如出現更長的響應時間，將嚴重影響該應用的效果。在光纖仲裁環工作達到穩定時,頁面全局平均響應時間約為67 ms,這個指標較為理想。在隨后的時間里,曲線平滑,波動較小,說明Web服務器處于較為穩定的工作狀態。

4　結語

根據不同的應用需求,選擇HTTP服務、FTP服務以及EMAIL服務對仿真存儲服務器配置進行了定制化配置,并根據SAN存儲架構的設計理念對仿真存儲網絡進行基本配置和定義。在今后的研究工作中,可以對主詢配置進行對應,將客戶端的主詢種類進行配比。網絡服務器端和客戶端配置會直接影響網絡業務的效果,應該成為今后實驗設計的重點。

References)

[1] 劉文杰,惠煌,薛強,等.基于802.1X混合認證體系的無線網絡實驗研究[J].實驗技術與管理,2012,29(10):89-92.

[2] 錢浩,張瑩雪,林志勇.高分子化學實驗課程的網絡教學[J].實驗技術與管理,2007,24(8):78-81.

[3] 宋純強.電信網絡計費系統的設計與實現[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008:63-65.

[4] 劉文杰,丁寧,楊濤.基于XEN的桌面虛擬化實驗設計[J].實驗技術與管理,2013,30(10):93-95.

[5] 李劍華.淺析國外寬帶計費模式[J].信息網絡,2006(7):57-60.

[6] 劉文杰.混合模式存儲系統在網絡實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(7):106-108.

[7] 張登先,何希瓊,唐玉珍.即插即用網絡配置中基于J2EE的可用設備發現方案[J].計算機應用研究,2005,22(4):174-175.

[8] 秦翔.UPnP技術簡介[J].數字社區&智能家居,2007(12):85-88.

[9] 林強.即插即用的IT架構管理器 全面輕松的網絡監控管理[J].電力信息化,2006,4(6):108-109.

[10] 董亮衛,汪文勇.支持單點登錄的統一資源管理體系研究[J].計算機應用,2006(5):1146-1147.

[11] 趙秀文,羅平,陳強,等.基于SSH和LDAP的分布式安全文件系統[J].計算機應用與研究,2006,4(4):101-103.

[12] 于承斌.對基于802.1x協議的認證機制及缺陷的研究[J].信息技術,2006(11):93-96.

Application of network simulation technology in campus network experiments

Liu Wenjie1, Wang Shankun2

(1. School of Software Technology , Dalian University of Technology, Dalian 116621, China；2. City Institute , Dalian University of Technology, Dalian 116621, China)

With the development of computer network and the network simulation technology, the construction of college campus network demand is increased. Introduction of a campus network construction in the process of experiment teaching theory, and using network simulation technology to design the new network experiment become a new subject of experimental teaching. Through the establishment of communication protocol, the virtual network environment realizes the hierarchical partitioning of data transmission. At the same time, through setting the network module, the node state transition diagram, communication medium, aiming at the basic situation of the university students, this article designs the theory perfect experimental process with strong operability.

network simulation； virtual network； structure topology； data transmission； network experiment

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.033

2015- 05- 06

國家自然科學基金項目“超啟發式算法的多視角分析及應用研究”(61175062)

劉文杰(1979—),男,河北保定,碩士,工程師,主要研究方向為網絡安全和無線網絡路由算法.

E-mail：liuwj@dlut.edu.cn

TP393.01

A

1002-4956(2016)1- 0132- 03