劉 敏，喬會東，郎 杰，劉旭光

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 河南 洛陽 471003）

隨著通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益龐大，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)上應(yīng)用的日益復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)性能也變得越來越難以預(yù)測。如果在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行性能研究、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和開發(fā)，不僅耗資大，而且在統(tǒng)計(jì)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(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)手段來提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的客觀性和結(jié)果的可靠性，網(wǎng)絡(luò)仿真[1-2]應(yīng)運(yùn)而生。

網(wǎng)絡(luò)仿真是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的一種基本手段，能夠?yàn)椴煌脑O(shè)計(jì)方案建立不同的模型，對這些模型分別進(jìn)行模擬仿真并獲取定量的網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測數(shù)據(jù)，通過對結(jié)果的分析，為方案間的驗(yàn)證和比較提供可靠的定量依據(jù)，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)和決策制定提供更便捷有效的手段。

1 常用網(wǎng)絡(luò)仿真工具介紹

常用的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行簡要介紹。

1.1 NS2

NS2[3]是一種多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，由DARPA支持的項(xiàng)目VINT開發(fā)而成，其源碼是免費(fèi)的、開源的，主要面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究。

NS是一個(gè)離散事件模擬器，核心部分是一個(gè)離散事件模擬引擎。NS是用兩種面向?qū)ο蟮恼Z言O(shè)tcl和C++編寫而成的，稱為分裂對象模型，構(gòu)件主要功能通常在C++程序中實(shí)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(gòu)件庫，包括基礎(chǔ)設(shè)備、鏈路、協(xié)議模型、無線移動模型等，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真功能。但由于采用兩種語言，學(xué)習(xí)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(luò)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都可進(jìn)行建模仿真。

OPNet仿真軟件采用網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點(diǎn)域、進(jìn)程域?qū)哟位＃褂糜邢逘顟B(tài)自動機(jī)對協(xié)議和其他過程進(jìn)行建模。OPNet具有豐富的集成分析工具、詳細(xì)協(xié)議模型的全面模型庫和高效的仿真引擎，功能強(qiáng)大，適用范圍廣。但該軟件費(fèi)用較高，一般面向?qū)I(yè)人士，不適于大多數(shù)用戶的學(xué)習(xí)、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(luò)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(luò)及設(shè)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(luò)的支持（如 WiFi、MANET、WiMAX、傳感器網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)），到進(jìn)行半實(shí)物仿真，再到強(qiáng)大的3D可視化效果，這極大地提高了QualNet Developer的性能?；诖耍琎ualNet越來越受到人們的青睞，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。

2 QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真工具

2.1 QualNet組成

QualNet圖形用戶界面由場景設(shè)計(jì)器、動畫模擬器、分析器、包追蹤器等組成[6-7]。

1）場景設(shè)計(jì)器（Scenario Designer）

場景設(shè)計(jì)器是圖形化的模型設(shè)置工具。在場景設(shè)計(jì)模式下，用戶可以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地理位置、物理連接、各項(xiàng)功能參數(shù)以及地形特征等。通過簡單直觀的點(diǎn)擊和拖放，用戶可以配置單個(gè)或一組節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和業(yè)務(wù)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(yùn)行時(shí)，用戶可以利用動態(tài)可視窗口觀察網(wǎng)絡(luò)中不同層的包流以及關(guān)鍵性能度量的動態(tài)圖表，還可以在高速服務(wù)器上進(jìn)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(gè)統(tǒng)計(jì)圖表工具，通過收集網(wǎng)絡(luò)場景運(yùn)行階段的上百個(gè)度量，對其進(jìn)行篩選，將用戶關(guān)心的統(tǒng)計(jì)特性展示出來。在生成統(tǒng)計(jì)報(bào)告的過程中可隨時(shí)查看，并可對不同試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較。

4）包追蹤器（Packet Tracer）

包追蹤器是一個(gè)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(diǎn)

QualNet的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1）包含大量預(yù)設(shè)的模型、協(xié)議和算法，封裝性較好，便于學(xué)習(xí)。

2）通過高效的調(diào)度、并行算法和高保真模型來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的速度、效率和準(zhǔn)確性?；诮?jīng)過驗(yàn)證的PARSEC并行仿真內(nèi)核，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獨(dú)立地進(jìn)行運(yùn)算，能夠以實(shí)時(shí)速度仿真大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

3）高度模塊化設(shè)計(jì)，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(kuò)展性。4）圖形和算術(shù)工具便于實(shí)驗(yàn)建立、監(jiān)視和后續(xù)數(shù)據(jù)處理。5）可作為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的一部分，參與到網(wǎng)絡(luò)測試中，即可用于半實(shí)物仿真。

6）實(shí)現(xiàn)并行分布式仿真，具有速度快、精度高、魯棒性好、實(shí)時(shí)接口等特點(diǎn)。

2.3 QualNet仿真流程

基于QualNet的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shí)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(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)參數(shù)、鏈路參數(shù)或各層業(yè)務(wù)即可。然后運(yùn)行仿真場景，待仿真結(jié)束后，采用分析器對結(jié)果進(jìn)行分析，必要時(shí)可追蹤數(shù)據(jù)包行為。對統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)量等結(jié)果進(jìn)行分析，得出仿真結(jié)論。若結(jié)果不符合預(yù)期期望，則需對仿真場景或各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再重新運(yùn)行仿真，直至得到預(yù)期結(jié)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(chǔ)上增加或修改源碼，并進(jìn)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(yùn)行仿真場景，分析仿真結(jié)果，得出結(jié)論。若結(jié)果不符合預(yù)期期望，則需修改場景或源碼，并重新運(yùn)行仿真，直至得出滿意的結(jié)論。

于小學(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)當(dāng)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(nèi)容而言，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中只是按照原文的順序進(jìn)行學(xué)習(xí)。小學(xué)語文中的大部分內(nèi)容都是名著中的節(jié)選部分，教師在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行教材閱讀時(shí)，學(xué)生不能對原來的文章有一個(gè)全面的認(rèn)識，這就造成學(xué)生難以對閱讀材料中的事件以及人物進(jìn)行準(zhǔn)確把控。

3 仿真實(shí)例

本文利用QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真工具搭建一個(gè)簡單的有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)特定節(jié)點(diǎn)間的通信，通過在節(jié)點(diǎn)之間配置應(yīng)用層業(yè)務(wù)，運(yùn)行仿真場景，觀察節(jié)點(diǎn)間各業(yè)務(wù)的傳輸情況，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。

3.1 搭建仿真場景

利用QualNet網(wǎng)絡(luò)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(gè)節(jié)點(diǎn)，呈柵格狀分布，每行4個(gè)節(jié)點(diǎn)，共3行，組成一個(gè)柵格狀的傳輸網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可與其直連節(jié)點(diǎn)直接通信。圖中藍(lán)色實(shí)線表示節(jié)點(diǎn)間存在直接鏈路。

3.2 業(yè)務(wù)配置

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

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

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

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

3.3 參數(shù)設(shè)定

表1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參數(shù)設(shè)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(shí)現(xiàn)了各個(gè)層次的動畫演示。仿真和動畫演示可同步進(jìn)行，并且可以查看單個(gè)事件所對應(yīng)的動畫效果。

在搭建好仿真場景并配置完成各業(yè)務(wù)及各協(xié)議參數(shù)后，運(yùn)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(dāng)數(shù)據(jù)包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸至另一個(gè)接受節(jié)點(diǎn)，一個(gè)淺綠色的箭頭會從源節(jié)點(diǎn)拉向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

3.5 仿真結(jié)果分析比較

在仿真完成時(shí)，點(diǎn)擊Analyze Results按鈕切換到分析界面。QualNet仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)存儲。本文主要的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4～圖8所示。其中不同顏色的柱狀圖表示節(jié)點(diǎn)不同接口的統(tǒng)計(jì)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(diǎn)（本例中即為節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)10）成功發(fā)送包的數(shù)目。圖5所示為CBR服務(wù)器端即目的節(jié)點(diǎn)（本例中即為節(jié)點(diǎn) 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(diǎn)發(fā)出的包都被目的節(jié)點(diǎn)成功接收了。

圖6所示為CBR服務(wù)器端統(tǒng)計(jì)得出的平均端到端延時(shí)。從圖中可以看出，各節(jié)點(diǎn)的端到端延時(shí)都比較小，在10-3數(shù)量級，完全在可接受范圍內(nèi)。其中，節(jié)點(diǎn)10到節(jié)點(diǎn)3的業(yè)務(wù)流延時(shí)最大，這是因?yàn)槎咧g需要經(jīng)過最多跳數(shù)，這里為5跳。節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2的業(yè)務(wù)流延時(shí)最小，這是因?yàn)槎咧g有直連鏈路，可直接通信，而無需經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)。

圖5 服務(wù)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(wù)器端的平均端到端延時(shí)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(wù)器端的吞吐量柱狀圖。從圖中可以看出，客戶端與服務(wù)器端的吞吐量是對應(yīng)的，即客戶端發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包流都被服務(wù)器端正確接收到。

4 結(jié)束語

文中介紹了 3種常用的網(wǎng)絡(luò)仿真工具 NS2、QualNet、OPNet，權(quán)衡各自的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真工具。對QualNet的組成、優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)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(chǔ)上，利用QualNet仿真平臺搭建了一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)示例，詳細(xì)闡述了QualNet的仿真步驟和網(wǎng)絡(luò)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(wù)器端吞吐量柱狀圖Fig.8 Histogram of throughput by CBR server

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