劉 慶，劉開芬

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學院，重慶 402160)

0 引言

隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展和各類新應用的不斷出現(xiàn)，企業(yè)原先所建立的網(wǎng)絡已經(jīng)不能適應現(xiàn)有網(wǎng)絡應用業(yè)務的需求。為了保護企業(yè)先前投資，同時又要滿足現(xiàn)代企業(yè)需要，絕大多數(shù)企業(yè)采用在原有網(wǎng)絡的基礎之上進行擴展和升級的策略，使企業(yè)網(wǎng)絡滿足不斷增長的應用需要。在企業(yè)網(wǎng)絡擴展和升級前，需要提出相應的方案，并采取一定的技術(shù)手段對擴展和升級網(wǎng)絡方案進行可行性分析。

1 OPNET仿真概述

OPNET的主要用途表現(xiàn)在企業(yè)網(wǎng)的模擬，OPNET Modeler調(diào)用已經(jīng)建好的標準模型組網(wǎng)，仿真分析網(wǎng)絡的關(guān)鍵性能參數(shù)，為組網(wǎng)提供決策依據(jù)。Modeler采用階層性的模擬方式(Hierarchical Network Modeling)，從協(xié)議間關(guān)系看，節(jié)點模塊建模完全符合OSI標準，業(yè)務層→TCP層→IP層→IP封裝層→ARP層→MAC層→物理層。從網(wǎng)絡物件層次關(guān)系看，提供了3層建模機制:最底層為進程(Process)模型，以狀態(tài)機來描述協(xié)議;其次為節(jié)點(Node)模型，由相應的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設備特性;最上層為網(wǎng)絡模型。三層模型和實際的協(xié)議、設備、網(wǎng)絡完全對應，全面反映了網(wǎng)絡的相關(guān)特性[1-5]。因此OPNET在網(wǎng)絡擴展和升級、網(wǎng)絡建設和開發(fā)中得到了廣泛應用。

OPNET網(wǎng)絡仿真軟件采用基于包的建模機制和離散事件驅(qū)動的仿真機理，模擬實際物理網(wǎng)絡中包的流動和實際網(wǎng)絡協(xié)議中的組包和拆包過程，具有豐富的統(tǒng)計量收集和分析功能，是目前世界上最先進的網(wǎng)絡仿真開發(fā)和應用平臺[6]。

2 企業(yè)原網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及擴展和升級需求

2.1 企業(yè)網(wǎng)絡總體結(jié)構(gòu)

企業(yè)原有網(wǎng)絡建立于2002年，主要用于關(guān)鍵工作崗位人員訪問企業(yè)Web服務。企業(yè)人事處、廠辦和財務處連入企業(yè)網(wǎng)絡，分別有計算機終端3臺、4臺和4臺，共計11臺計算機。3個聯(lián)網(wǎng)的部門處于一層樓，分布距離均未超過100 m，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡設備的速度均為10 Mbps，路由器R1將該企業(yè)網(wǎng)絡連入Internet。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 企業(yè)原網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 企業(yè)網(wǎng)絡組成

企業(yè)網(wǎng)絡通過一臺思科C2500路由器連入Internet，并采用一臺普通10M交換機作為網(wǎng)絡的核心交換設備將3個部門的集線器相連。整個網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡鏈路均為10 Mbps。

2.3 網(wǎng)絡中的主要應用

企業(yè)網(wǎng)絡主要應用是基于Web技術(shù)的HTTP和數(shù)據(jù)庫應用，用戶可以通過內(nèi)部Web了解企業(yè)動態(tài)，包括基于Web技術(shù)的企業(yè)人事管理、檔案管理、工資管理、各類文件發(fā)布和查詢等。

2.4 網(wǎng)絡擴展和升級需求

隨著企業(yè)業(yè)務不斷擴大，部門增多，計算機終端數(shù)量不斷增加，網(wǎng)絡越來越不能滿足用戶需求。企業(yè)決定對原有計算機網(wǎng)絡進行擴展和升級，其需求:

1)為了保護原先投資，原網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和設備保持不變。

2)新增開發(fā)部和銷售部2個部門，分別有4臺、5臺終端連入網(wǎng)絡，新增部門后，網(wǎng)絡范圍在200 m以內(nèi)。

3)新增FTP、Email業(yè)務應用，以解決企業(yè)內(nèi)部文件和郵件傳輸問題。

3 企業(yè)網(wǎng)絡擴展和升級方案設計

3.1 網(wǎng)絡擴展和升級總體結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)企業(yè)網(wǎng)絡新的需求，既保護先前投資，又要使網(wǎng)絡具有先進性，提出擴展與升級后的網(wǎng)絡總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擴展與升級后的網(wǎng)絡總體結(jié)構(gòu)

3.2 網(wǎng)絡擴展和升級后網(wǎng)絡組成及關(guān)鍵技術(shù)

1)網(wǎng)絡擴展和升級后網(wǎng)絡組成。

根據(jù)企業(yè)新的需求，新增思科C3500的交換機作為企業(yè)網(wǎng)絡的核心交換設備，新增2個C2900交換機用于連接新增的2個部門，新增設備均為100 Mbps，鏈路也為100 Mbps。開發(fā)部和銷售部分別有4臺、5臺終端連入網(wǎng)絡。網(wǎng)絡范圍在200 m以內(nèi)。企業(yè)原先連入網(wǎng)絡的3個部門的設備和鏈路保持不變，以保護企業(yè)原先投資。WEB_Server服務器的網(wǎng)卡升級為100 Mbps。

擴展網(wǎng)絡業(yè)務應用:在Web和Database的基礎上增加了FTP、Email應用，以解決企業(yè)內(nèi)部文件和郵件傳輸問題。

2)擴展和升級的關(guān)鍵技術(shù)。

采用標準的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計新的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡的三層結(jié)構(gòu)由接入層、匯聚層、核心層組成，三層結(jié)構(gòu)設計技術(shù)確保了網(wǎng)絡擴展和升級后具有先進的體系結(jié)構(gòu)。

為了確保網(wǎng)絡帶寬滿足應用需要，在網(wǎng)絡中采用100M快速交換技術(shù)，保證每個客戶獨占100M帶寬，提高網(wǎng)絡吞吐量。

3)預期效果。

通過以上網(wǎng)絡擴展和升級方案的設計，希望達到的預期效果是:網(wǎng)絡性能大幅提高，服務器負載控制在可接受的范圍。

4 仿真分析

4.1 OPNET網(wǎng)絡仿真流程

OPNET內(nèi)置了常用應用協(xié)議，并采用模塊化的方式封裝應用協(xié)議，在進行仿真分析時，只需按照一定流程并設定相關(guān)參數(shù)就可以配置這類標準的業(yè)務，OPNET網(wǎng)絡仿真流程一般分為4個步驟:

1)定義應用。

定義應用(Application)用于描述應用動作，對于HTTP應用規(guī)定每次取得頁面的大小和時間間隔;對于FTP應用，設定上傳和下載流量、文件的大小和產(chǎn)生的事件間隔等。

2)設定業(yè)務主詢。

業(yè)務主詢定義用戶群所涉及的業(yè)務應用，在企業(yè)擴展和升級后的網(wǎng)絡中用戶群所涉及的業(yè)務HTTP、Database、FTP、Email這4種。業(yè)務主詢也規(guī)定用戶應用的行為，用戶何時開始使用應用、持續(xù)多久、是否限制流量等。

3)配置服務器支持的應用。

一臺服務器可以同時支持多種應用業(yè)務。企業(yè)網(wǎng)絡擴展和升級后的WEB_Server同時支持HTTP、Database、FTP和Email這4種應用業(yè)務，OPNET可以對每種應用業(yè)務的處理速度、應用業(yè)務流量、CPU處理開銷等參數(shù)進行設定，以仿真服務器的真實運行環(huán)境。

4)設定客戶端業(yè)務主詢。

客戶端業(yè)務主詢應與服務器配置的業(yè)務應用相一致，客戶端也可以配置多種業(yè)務主詢，在企業(yè)網(wǎng)絡擴展和升級后客戶端支持的業(yè)務主詢有HTTP、Database、FTP、Email這4種?？蛻舳伺渲脴I(yè)務主詢后，可以在客戶端設定從哪些服務器獲得特定業(yè)務的服務。

4.2 關(guān)鍵網(wǎng)絡性能參數(shù)和仿真對比方法

影響計算機網(wǎng)絡性能的參數(shù)有帶寬、丟包率、網(wǎng)絡吞吐率、網(wǎng)絡負載、網(wǎng)絡時延、網(wǎng)絡利用率等。從企業(yè)網(wǎng)絡擴展和升級方案來看，主要涉及網(wǎng)絡終端數(shù)的增加和網(wǎng)絡范圍的擴大這2個關(guān)鍵因素，而終端數(shù)量的增加會增大服務器的負載，網(wǎng)絡范圍的擴大會影響網(wǎng)絡的時延。服務器負載和網(wǎng)絡時延是該網(wǎng)絡擴展和升級方案中影響網(wǎng)絡性能的關(guān)鍵參數(shù)。因此，選擇擴展和升級前后服務器的負載和網(wǎng)絡時延這2個關(guān)鍵參數(shù)進行仿真分析，通過性能變化的對比分析，即可得出網(wǎng)絡擴展和升級方案前后性能變化情況，并由此驗證方案的可行性[7-8]。

4.3 擴展和升級前關(guān)鍵網(wǎng)絡性能參數(shù)分析

擴展和升級前的網(wǎng)絡是一個10M交換式和10M共享式混合網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的主要應用為輕量級的Database和 Web[9-11]，仿真主要參數(shù)設置如下:

在以上仿真參數(shù)條件下，選擇網(wǎng)絡延時(Delay)和服務器負載(Load)2個參數(shù)進行仿真，得到這2個參數(shù)的變化情況，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡延時和服務器負載情況

通過對網(wǎng)絡延時和服務器負載進行平滑處理后，可以得到直觀圖像，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡延時和服務器負載平滑圖

從圖4可知，此時網(wǎng)絡平均延時穩(wěn)定在0.00035(sec)，而WEB_Server服務器的平均負載在短暫急速上升后，處于130(bits/sec)。

4.4 擴展和升級后網(wǎng)絡仿真和關(guān)鍵網(wǎng)絡性能參數(shù)分析

擴展和升級后的網(wǎng)絡是一個100M交換式和10M共享式混合網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的主要應用為輕量級的Database、Web、FTP、Email，仿真主要參數(shù)設置如下:

在以上仿真參數(shù)條件下，選擇網(wǎng)絡延時和服務器負載2個參數(shù)進行仿真，得到這2個參數(shù)的變化情況，如圖5所示。

圖5 擴展和升級后網(wǎng)絡延時和服務器負載變化

通過對網(wǎng)絡延時和服務器負載進行平滑處理后，可以得到直觀圖像，如圖6所示。

圖6 擴展和升級后網(wǎng)絡延時和服務器負載平滑圖

從圖6可知，在網(wǎng)絡擴展和升級方案中，網(wǎng)絡范圍增加到200 m，終端數(shù)量也增加了9臺，網(wǎng)絡服務和應用范圍擴大，此時，通過OPNET仿真結(jié)果可知，網(wǎng)絡平均延時穩(wěn)定在0.00025(sec)，服務器平均負載穩(wěn)定在1500(bits/sec)。

4.5 擴展和升級前后關(guān)鍵網(wǎng)絡性能參數(shù)對比分析

4.5.1 擴展和升級前后網(wǎng)絡延時對比

將擴展和升級前后網(wǎng)絡延時的曲線經(jīng)過平滑和圖像疊加后，如圖7所示，在圖7中，a曲線表示擴展和升級前的網(wǎng)絡時延，b曲線表示擴展和升級后網(wǎng)絡延時。

圖7 擴展和升級前后網(wǎng)絡延時對比

從圖7可知，擴展和升級后平均網(wǎng)絡時延較擴展和升級前降低0.00010(sec)或28.6%。雖然網(wǎng)絡終端增加，網(wǎng)絡范圍幾乎擴大一倍，但擴展和升級網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡中采用更高速的交換設備和100M鏈路，從而確保了網(wǎng)絡時延有所下降，擴展和升級后，網(wǎng)絡性能得到了提升。

4.5.2 擴展和升級前后服務器負載對比

將擴展和升級前后服務器負載的曲線經(jīng)過平滑和疊加后，如圖8所示，在圖8中，b曲線表示擴展和升級前網(wǎng)絡服務器負載，a曲線表示擴展和升級后網(wǎng)絡服務器負載。

圖8 擴展和升級前后服務器負載對比

從圖8可知，擴展和升級后網(wǎng)絡服務器的負載由之前的130 bits/sec增加到1500 bits/sec，增加了近11倍，這說明在網(wǎng)絡終端數(shù)量增加，網(wǎng)絡服務業(yè)務種類也增加的情況下，服務器負載將大幅增加，但對理論上可以處理100 Mbits/sec的服務器而言，1500 bits/sec的服務器負載在可接受的范圍內(nèi)[12-13]。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過對擴展和升級前后關(guān)鍵網(wǎng)絡性能參數(shù)進行仿真分析后得出結(jié)論:按照企業(yè)網(wǎng)絡擴展和升級的設計方案對網(wǎng)絡進行擴展和升級后，網(wǎng)絡時延有28.6%的下降，服務器負載卻大幅上升了近11倍，但1500 bits/sec的服務器負載遠遠小于 100 Mbits/sec的理論負載，達到預期效果，可以按該方案擴展和升級企業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡，但應該進一步監(jiān)控服務器的實時負載，采取服務器的負載平衡技術(shù)等方式來降低服務器的負載。

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