陳海紅

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真及分析

陳海紅

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是研究人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)時(shí)的重要工具.本文首先介紹了OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真性能和特點(diǎn)，接著分析了OPNET的建模過(guò)程，最后通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)討論了OPNET技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.

仿真；OPNET；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速膨脹，網(wǎng)絡(luò)研究員一方面要不斷思考新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法，為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展做前瞻性的研究；另一方面也要研究如何利用和整合現(xiàn)有的資源，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最高效能.無(wú)論是哪一方面都需要對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行驗(yàn)證和分析.然而，分析方法的有效性和精確性受假設(shè)限制很大.當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)很復(fù)雜時(shí)，就無(wú)法用一些限制性假設(shè)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述.實(shí)驗(yàn)方法的局限性在于成本很高，重新配置或共享資源很難，運(yùn)用起來(lái)不靈活.而仿真方法在很大程序上彌補(bǔ)了這種不足.無(wú)疑，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)的有效工具.

OPNET作為當(dāng)前業(yè)界著名的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，得到了廣泛的應(yīng)用.OPNET Modeler可以從不同的層面完成各種通信系統(tǒng)的仿真工作，諸如：網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)性能分析、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析和無(wú)線(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)仿真等.針對(duì)仿真的不同層面，OPNET提供了網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點(diǎn)層和進(jìn)程層的三層建模機(jī)制，采用離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真方案，利用包通信方式進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)建模仿真工作.目前，OPNET主要用于網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作中，但在網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)中同樣可以得到應(yīng)用，基于其精確仿真的特點(diǎn)可以加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程和原理的理解，輔助網(wǎng)絡(luò)課程的理論教學(xué).

2 OPNET的建模過(guò)程

OPNET采用層次化的建模技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)物件層次關(guān)系看，提供了三個(gè)層次的模型，分別為進(jìn)程模型、節(jié)點(diǎn)模型、網(wǎng)絡(luò)模型.OPNET基于面向?qū)ο筌浖夹g(shù)將設(shè)計(jì)域分為進(jìn)程域、節(jié)點(diǎn)域和網(wǎng)絡(luò)域，分別完成上述3個(gè)方面的模型.

(1)進(jìn)程域中完成網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)模型中每個(gè)模塊的進(jìn)程模型的設(shè)計(jì).用狀態(tài)機(jī)描述協(xié)議[1].

(2)節(jié)點(diǎn)域中完成網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流模型的設(shè)計(jì).節(jié)點(diǎn)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性.節(jié)點(diǎn)模型可以有：固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn).

(3)網(wǎng)絡(luò)域中定義通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中可以有多個(gè)節(jié)點(diǎn).

基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)建模需要經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)過(guò)程：

（1）確定問(wèn)題：首先確定所要解決的問(wèn)題是什么.

（2）模型設(shè)計(jì)：主要包括

①建立進(jìn)程模型

主要使用Process Editor完成.在完全自己開(kāi)發(fā)新技術(shù)時(shí)，使用庫(kù)中節(jié)點(diǎn)模型但是需要進(jìn)行底層進(jìn)程修改時(shí)，需要進(jìn)行這一步來(lái)建立進(jìn)程模型.而在完全使用庫(kù)中節(jié)點(diǎn)模型時(shí)，利用庫(kù)中節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修改但不需要修改進(jìn)程時(shí)或者庫(kù)中有替代進(jìn)程模型存在時(shí)，不需要進(jìn)行這一步.

②建立節(jié)點(diǎn)模型

主要使用Node Editor完成，必要時(shí)可以使用Device Creator快速建立模型.使用進(jìn)程模型做為它的底層模型.建模中，可能有3種情況：完全使用模型庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)模型，基于模型庫(kù)進(jìn)行修改，完全新開(kāi)發(fā)模型.

③建立網(wǎng)絡(luò)模型

主要使用Network Editor完成.使用鏈路、節(jié)點(diǎn)模型為它的底層模型.如果針對(duì)已有的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究還可以使用HPNMM(HP)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理器自動(dòng)導(dǎo)入.

④建立流量模型

通過(guò)選擇在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的應(yīng)用業(yè)務(wù)類(lèi)型，為所仿真的網(wǎng)絡(luò)配置業(yè)務(wù)量，完成對(duì)系統(tǒng)流量的建模工作.

(3)收集結(jié)果統(tǒng)計(jì)量：根據(jù)要解決的問(wèn)題決定收集哪些統(tǒng)計(jì)量，方便結(jié)果的分析和比較.在網(wǎng)絡(luò)模型中可以對(duì)單個(gè)對(duì)象收集統(tǒng)計(jì)量，也可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)收集全局統(tǒng)計(jì)量.

(4)仿真：在運(yùn)行仿真之前,可根據(jù)需要使用探針編輯器(Probe Editor)設(shè)置一些探針到需要采集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的點(diǎn)上，以便在最后的結(jié)果分析中使用.另外，還要設(shè)置運(yùn)行參數(shù).仿真運(yùn)行過(guò)程中還可利用OPNET交互式調(diào)試工具，隨時(shí)中斷正在運(yùn)行的仿真程序.

(5)結(jié)果分析：仿真運(yùn)行結(jié)束后,OPNET結(jié)果分析器將仿真運(yùn)行中收集到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以參數(shù)曲線(xiàn)的形式表現(xiàn)出來(lái).在結(jié)果中加入其它算法的仿真結(jié)果即可完成不同算法間結(jié)果的比較,為進(jìn)一步的算法分析和優(yōu)化提供了有力的依據(jù).

3 OPNET的仿真實(shí)驗(yàn)

下面我們通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，分析一下令牌環(huán)網(wǎng)在不同THT下的網(wǎng)絡(luò)性能.

假設(shè)令牌環(huán)網(wǎng)由16個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，速率為4Mb/s.在環(huán)網(wǎng)當(dāng)中，任何一個(gè)鏈路或節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障都將導(dǎo)致整個(gè)環(huán)無(wú)法工作.所以本實(shí)驗(yàn)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)解決這一問(wèn)題，中心節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為線(xiàn)路中心，使得該網(wǎng)在邏輯上仍保持環(huán)狀，物理上每個(gè)站點(diǎn)通過(guò)（至少）含有兩對(duì)雙絞線(xiàn)的電纜與線(xiàn)路中心相連，一對(duì)用于數(shù)據(jù)進(jìn)站，另一對(duì)用于數(shù)據(jù)出站.

（1）設(shè)16個(gè)節(jié)點(diǎn)的包產(chǎn)生速率相同為0.025s，給THT設(shè)置不同的六個(gè)數(shù)值，測(cè)得網(wǎng)絡(luò)的利用率如圖1所示.

圖1 網(wǎng)絡(luò)性能

圖2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載降低一半前后比較

從圖中可以看出隨著THT值的增加，網(wǎng)絡(luò)的利用率在逐漸增強(qiáng).

（2）將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載降低一半，所測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)的利用率如圖2中②曲線(xiàn)所示，和（1）相比較，從圖中可以看出當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很低的情況下，增加令牌的持有時(shí)間基本上不會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)的利用率.

（3）設(shè)節(jié)點(diǎn)0所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)流量是所有其他節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流量之和，其他節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流量為0，測(cè)得網(wǎng)絡(luò)的利用率如圖3中②曲線(xiàn)所示，和（1）相比較，可以看出，兩種情況下網(wǎng)絡(luò)的利用率基本相同.

4 結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)的日趨復(fù)雜、規(guī)模日益龐大,利用仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的性能分析,為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)性能理論測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案評(píng)估及網(wǎng)絡(luò)故障診斷等提供了強(qiáng)有力的工具.網(wǎng)絡(luò)仿真正以其突出的優(yōu)越性越來(lái)越受到網(wǎng)絡(luò)研究人員的關(guān)注和重視.因此OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件必將得到更為廣泛的應(yīng)用.

〔1〕陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真.清華大學(xué)出版社，2004.

〔2〕陸正福，劉吉慶.基于OPNET Modeler的網(wǎng)絡(luò)性能仿真實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2006（4）.

〔3〕侯宗浩，王秉康，黃泳翔.網(wǎng)絡(luò)仿真的研究.計(jì)算機(jī)仿真，2003，20（10）.

〔4〕王文博，張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真.人民郵電出版社，2003.

〔5〕伍俊洪，等.網(wǎng)絡(luò)仿真方法和OPNET仿真技術(shù).計(jì)算機(jī)工程，2004，30（3）.

〔6〕張銘，等.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真.人民郵電出版社，2007.

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