基于OPNET軟件的數據網絡建模與仿真分析

郭 帥 翟晗升2 董 宏

（1．南京郵電大學三牌樓校區，江蘇 南京 210003；2．南京郵電大學仙林校區，江蘇 南京 210023）

OPNET 是一種優秀的通信協議建模和仿真工具，優勢在于外部接口比較完善，有完備的模型庫。使用OPNET能將通信網絡仿真的各個階段都合并在一起，分別是設計、仿真、收集數據和分析數據。通信傳輸是以數據包為基礎，在仿真模型中通過仿真包的形式，模擬并傳遞實際的物理網絡數據，從而實現數據包的流動，完成對節點設備內部的處理。其運用的機制是三層建模，將進程層的模型放在最底層，在描述協議的環節中，使用的是有限狀態機，上方是節點模型，可以用來反映設備的特征。將網絡拓撲模型放在最上方，所建立的模型的繼承性和可重用性都非常好。

1 基于OPNET軟件的數據網絡安全故障的建模與仿真

1.1 構件功能建模

網絡中的節點設備故障可以分為2 種，也就是硬件故障和軟件故障。其中硬件故障是不可恢復的，也可以將其看做是永久性的故障。可以恢復的是軟件故障，將其稱作臨時故障。從現實情況來看，網絡中的鏈路故障就只有硬件故障這一種形式，也就是永久性故障。不管網絡中的節點設備和鏈路發生了哪種形式的故障，都將造成網絡的中斷，有可能是臨時的中斷，也有可能是永久性的中斷。所以認為網絡中的節點設備只有2 種形態，也就是ON（開）和OFF（關）。所以在建立安全數據網絡構件功能故障仿真模型時，需要將網絡中的節點設備或者是鏈路設置為永久失效或者是臨時失效。

OPNET 在控制網絡中所有節點設備和鏈路的ON 或者是OFF的狀態時，使用的是故障恢復模塊（Failure-Recovery）模塊，其由2 個部分構成，即故障和恢復，分別用來對應節點鏈路中的OFF 和ON 的狀態。設置模塊的屬性，就能使網絡中的節點和鏈路在任意一個仿真時刻轉換為Failed的形式，也就是發生故障。另外該設備還可以在Failed 之后的任意一個時刻Recver，也就是恢復。比如某客運專線安全數據網絡拓撲結構，該結構具有子網，能設置Failure-Recovery 模塊，同時該模塊也能檢測出仿真網絡節點設備和鏈路上的故障。以三層路由器的實際故障為例，在仿真開始的1 000 s 時出現了故障，在1 000 s 之后，故障消除恢復正常。

1.2 信號系統安全數據網的構建

客運專線信號系統安全數據網為一些設備提供安全可靠的信息傳輸服務功能。這些設備組合指的是TCC（分布式事務）和TCC，TCC 和TSRS（臨時限速服務器）。

在網絡構件的性能和網絡構件的功能都正常時，如果使用網絡業務配置和業務部署、業務檔案部署的過程中行為不當，進而導致設備之間不能進行安全可靠的通信，就是安全數據網絡的過程性故障，出現這種故障并不是某個特定的網絡構件所導致的，而是由于網絡中多個物理設備之間存在通信機制配置不合理導致的。就安全數據網絡而言，主要有2 種過程性故障，一種是網絡運行機制故障，例如路由協議不合理，傳輸協議擁塞控制不合理。另外一種是業務配置不合理。在這一層次中，安全數據網絡有可能發生故障時，設備相互之間的業務配置是不合理的。解決上述問題的措施是，以客運專線安全數據網絡的故障分布層次為依據，劃分出三層故障體系，分別是安全數據網絡構件功能故障、構件的性能故障、過程性故障。運用這種分類方法將網絡中的故障按照分布層次進行分類，使傳統模式下故障分類混亂、系統性差的問題得到有效解決[1]。

2 在IP網絡中應用OPNET軟件建模和仿真

2.1 設備的模型構建

以華為系列產品為例，IP 網使用的是國產設備。OPNET 的軟件模型則有所不同，它自帶的設備模型包括3Com（美國設備提供商）、Cisco（思科公司）、Sun（IT 及互聯網技術服務公司）這些廠家設備。這二者之間存在一定差異。

所以將OPNET 應用在IP 網絡中的難點是建立華為系列設備模型庫。就IP 網而言，其中涉及路由器、交換機、網絡終端等多種網絡設備。分別屬于不同的層次，需要在節點域中完成建模工作。每個節點的內部都有多個節點模塊，這些節點模塊共有3 種類型，分別是處理器、數據流和收發機，在進程域中實現處理器類的功能。使用管道階段的模型實現數據流線類和收發機類的功能。例如，對外路由與衛星通信路由相互連接等路由器類的功能。將無線模塊添加在基礎模塊中，衛星通信的上行和下行路由分別與之相互對應。

2.2 網絡拓撲模型的構建

在完成設備模型的建立以后，就要建立網絡拓撲模型。在網絡上添加一些業務，用以模擬IP 網的運行情況。將OPNET 應用在IP 網中要面臨的難點就是在網絡拓撲添加應用業務。IP 網有很多標準應用業務，包括HTTP 和FTP。另外還需要一些自定義的特殊業務，要使用工具節點來完成對業務的定義。定義業務要經過以下一些過程，首先，要使用TaskCongfig（腳本文件）實現對每一個業務任務的定制和配置。其次，要用Application（申請）工具完成對應用的定制和配置。再次，是要收集仿真過程中的統計量。最后，由于作用的對象是用戶概要，其指定出其中某個被配置的定制應用，完成這一活動用到的工具對象是Profile Congfig（概述腳本），定義用戶概要需要在被仿真的系統中進行。

2.3 模擬特定故障

搭建網絡架構并完成業務的配置，通過合理的假設場景來模擬一些特定的故障，其既能用來查看故障現象，也能實現對特定故障的有效模擬。這些故障包括丟包故障、誤碼故障以及網絡延遲故障[2]。對相應的網絡參數進行修改，需要以預案為根據去驗證故障是否已經得到良好的解決，在這個過程中，不會影響設備的正常使用。按照實際的需求來勾選節點的仿真量和全局的仿真量，能夠實現對故障現象的全面解析。節點的仿真量只能反映出單一設備的統計結果，能反映整個網絡統計結果的是全局仿真量。

通常情況下，首先要觀察全局統計量發現的故障情況，然后再觀察節點的統計量，實現對故障的準確定位。在設置仿真時間時，要按照需求進行，之后再進行仿真。如果軟件的安裝存在問題或者模型庫文件存在匹配不當的問題，在運行面板上就會出現紅色的報警信息，導致所建立的網絡模型不能良好運行。如果系統沒有報警，就說明所建立的網絡模型是可以運行的，但是這其中也有可能會出現運行結果不正確的現象，查看DES 日志就能驗證結果。一般情況下，運行產生的日志數量在3 條或者3 條以下時，就說明得到的仿真結果是正確的，同時也說明OPNET 并沒有識別出異常情況。

3 基于OPNET軟件的數據網絡建模與仿真的結果分析

3.1 搜集相關網絡性能參數

在分析研究網絡的性能時，要選取適當的性能指標。搜集相關網絡性能的參數時，要以仿真需求為依據。網絡性能參數主要包括在應用層端到端的延遲情況、以太網的延遲情況、網絡層中的平均流量、系統的吞吐量以及鏈路的利用率，最后還要以交換機端口配置為基礎，建立虛擬的網隔離廣播包的數量統計。將仿真運行的時間設置為30 min，使得網絡能夠在綜合的外部條件下運行，將統計的結果收集起來。

3.2 在數據網絡中應用IP組播技術是可行的

網絡設計用到的技術是虛擬局域網，單播、廣播和組播的數據包只會向VLAN（虛擬局域網）內的網絡節點轉發，正是因為如此，每一個VLAN 其實都是一個邏輯網絡。如果數據包不屬于VLAN 網絡，在轉發時就要使用路由器和網橋實現對交換機端口各個路由器位置的良好配置，使每一個VLAN 都能設置一個網關地址，實現不同VLAN 相互之間的信息互通模式。

從實際情況來看，在任何一個網絡控制協議上都會有廣播數據的產生，這會影響網絡的性能和帶寬。系統內部的廣播報文由于受到VLAN 的阻隔作用不會傳播到主干網上，與此同時數據的傳輸效率會明顯提高，實時性和安全性也會有所增強。組播屬于一種一點對多點的通信活動，能起到節省網絡帶寬的作用[3]。從實際的流量統計情況來看，交換機A 轉發包信息的數量明顯高于接收包，是接收包信息的4 倍。另外還有4 個交換機，這些交換機轉發包的數量明顯低于接收包，相比其他交換機而言，這些交換機不能完成復制和分發數據。所接收到的廣播包還有一部分會被其他的虛擬網絡屏蔽掉，正是因為如此，轉發包的數量要少于接收包。由此可見，在數據網絡中應用IP 組播技術是可行的，對組播組的劃分也是科學合理的。這時數據傳輸的效率不僅會有所提高，也會降低主干網出現阻塞的可能性。

4 結語

綜上所述，基于OPNET 軟件的數據網絡安全故障的建模與仿真需要，完成設備的模型構建、網絡拓撲模型的構建、特定故障的模擬和建立信號安全數據網。該文分析了OPNET 軟件數據網絡建模與仿真的結果，結果表明，在數據網絡中應用IP 組播技術是可行的。應用OPNET 網絡設計驗證達到了業內的領先水平，所設計的數據網絡體系結構可靠性高，也能滿足實際的應用需求。