姚 遙,鄭創(chuàng)明

隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越龐大,學(xué)生和專(zhuān)業(yè)人士在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)動(dòng)手做一些網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)于理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵主題是非常有必要的.仿真方法能夠提供符合各種預(yù)期特征的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,并基于此虛擬環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)在不同場(chǎng)景下的性能進(jìn)行分析.本文將利用優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET演示交換式局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,研究在一個(gè)交換式網(wǎng)絡(luò)中,交換機(jī)和集線器互聯(lián)而成的不同局域網(wǎng)是如何影響吞吐量、數(shù)據(jù)包沖突和時(shí)延的.

1 OPNET概述及技術(shù)特點(diǎn)

OPNET是全球領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,它為網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)人士提供網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計(jì)建設(shè)、分析和管理解決方案.OPENT的產(chǎn)品包括Modeler、OPNET Development Kit等.它的核心產(chǎn)品是OPENT Modeler,它能準(zhǔn)確分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為,可得到圖形化的仿真輸出,幫助用戶(hù)設(shè)計(jì)和分析網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信協(xié)議.

OPNET Modeler具有下面的突出特點(diǎn),使其在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]:

(1)提供三層建模機(jī)制.由上到下三層分別是網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型.三層模型分別和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)應(yīng),全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型庫(kù)比較齊全,包括:客戶(hù)機(jī)、服務(wù)器、路由器、交換機(jī)等設(shè)備.

(2)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能.它可以收集三個(gè)層次各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及一些參數(shù)進(jìn)行分析,以可視化圖形的方式展現(xiàn)出來(lái),輸出仿真報(bào)告.

(3)提供程序調(diào)試功能.在仿真出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),可通過(guò)強(qiáng)大的調(diào)試功能找出錯(cuò)誤進(jìn)行修改,直至仿真出正確結(jié)果.

(4)提供專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)管系統(tǒng)和流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng).能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和流量監(jiān)測(cè),對(duì)分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)提供了方便,同時(shí)還可對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

2 局域網(wǎng)概述

局域網(wǎng)一般為一個(gè)部門(mén)或單位所有,建網(wǎng)、維護(hù)以及擴(kuò)展等較容易,系統(tǒng)靈活性高.其主要特點(diǎn)是[2]:

(1)覆蓋的地理范圍較小,只在一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的局部范圍內(nèi)聯(lián),如一座或集中的建筑群內(nèi).

(2)使用專(zhuān)門(mén)鋪設(shè)的傳輸介質(zhì)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),數(shù)據(jù)傳輸速率高(10 Mb/s～10 Gb/s).

(3)通信延遲時(shí)間短,可靠性較高.

(4)局域網(wǎng)可以支持多種傳輸介質(zhì).

局域網(wǎng)的類(lèi)型很多,若按網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸介質(zhì)分類(lèi),可分為有線網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)[3];若按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類(lèi),可分為總線型、星型、環(huán)型、樹(shù)型、混合型等[4];若按傳輸介質(zhì)所使用的訪問(wèn)控制方法分類(lèi),又可分為以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)等[5].其中,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型或樹(shù)型或混合型的以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù).

3 局域網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

單個(gè)局域網(wǎng)包含的主機(jī)數(shù)量是有限的,而且單個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠服務(wù)的地理區(qū)域也是有限的.通過(guò)使用交換機(jī),可以擴(kuò)展局域網(wǎng)的作用范圍.交換機(jī)是一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)互連的設(shè)備,它有多個(gè)輸入、輸出端口[6].交換機(jī)的核心任務(wù)是從輸入端口獲取數(shù)據(jù)包,然后選擇正確的輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)包.

交換機(jī)必須應(yīng)對(duì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是輸出端口帶寬有限.如果要轉(zhuǎn)發(fā)到某個(gè)輸出端口的數(shù)據(jù)包到達(dá)交換機(jī)的速率超過(guò)了這個(gè)輸出端口的容量,交換機(jī)就會(huì)讓這些數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存排隊(duì)等候,直到端口爭(zhēng)用得到緩解.然而,如果發(fā)生爭(zhēng)用時(shí)間過(guò)長(zhǎng),交換機(jī)將會(huì)因緩沖器耗盡不得不丟棄這些數(shù)據(jù)包.如果丟棄數(shù)據(jù)包過(guò)于頻繁,說(shuō)明在這個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)了擁塞.

在本實(shí)驗(yàn)中將使用兩個(gè)不同的交換設(shè)備——集線器和交換機(jī),來(lái)建立交換式局域網(wǎng).研究由交換機(jī)和集線器互連而成的不同局域網(wǎng)的性能.

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟

第一步:啟動(dòng)OPNET Modeler 14.5,新建一個(gè)工程創(chuàng)建“Only Hub”場(chǎng)景,設(shè)置節(jié)點(diǎn)模型和鏈路模型及其他基本參數(shù)如下:

(1)中心節(jié)點(diǎn)模型為16口的以太網(wǎng)集線器(ethernet16_hub);

(2)外圍節(jié)點(diǎn)模型為以太網(wǎng)工作站(ethernet_station),工作站數(shù)目為16;

(3)鏈路模型為10Base T;

(4)X=50,Y=50,半徑為42.

現(xiàn)在,創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)如圖1所示.

第二步:配置工作站屬性生成流量.在任一工作站上右擊,選擇“Select Similar Nodes”,然后編輯屬性,選擇“Apply Change to Selected Objects”.分別 展 開(kāi) “Traffic Generation Parameters”和“Packet Generation Arguments”,設(shè)置屬性“ON State Time”=exponential(100.0),“OFF State Time”=exponential(0.01),“Interarrival Time”=exponential(0.02),“Packet Size”=constant(1 500).

圖1 以Hub為中心的局域網(wǎng)

第三步:在工程工作區(qū)的任何地方右擊,選擇“Choose Individual Statistics”,選擇“Ethernet Delay”“Traffic Received”“Traffic Sent”“Collision Count”4個(gè)統(tǒng)計(jì)量.

第四步:配置仿真的持續(xù)時(shí)間為2分鐘,保存工程.

第五步:復(fù)制場(chǎng)景,命名為“Switch”,將新場(chǎng)景中間的Hub換成“ethernet16_switch”,然后同樣用10BASET連接各工作組和交換機(jī).新的網(wǎng)絡(luò)如圖2所示.

圖2 以Switch為中心的局域網(wǎng)

第六步:對(duì)兩個(gè)場(chǎng)景分別進(jìn)行運(yùn)行仿真,觀察結(jié)果.選擇“Traffic Sent(packets/sec)”統(tǒng)計(jì)量,結(jié)果如圖3所示.

圖3 發(fā)送流量

選擇“Traffic

(packets/sec)”統(tǒng)計(jì)量,結(jié)果如圖4所示.

選擇“Delay(sec)”統(tǒng)計(jì)量,結(jié)果如圖5所示.

圖4 接收流量

圖5 延時(shí)

選擇Hub節(jié)點(diǎn)的“Collision Count”統(tǒng)計(jì)量,結(jié)果如圖6所示.

圖6 沖突數(shù)

3.3 仿真結(jié)論

從圖3可以看到,兩個(gè)場(chǎng)景中的發(fā)送流量幾乎相同.從圖4可以看到,第二個(gè)場(chǎng)景Switch中的接收流量要高于第一個(gè)場(chǎng)景Only Hub中的接收流量.從圖5可以看到,以Hub為中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)明顯高于以Switch為中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí).從圖6可以看到,以Hub為中心的網(wǎng)絡(luò)沖突數(shù)最終穩(wěn)定于2 400,而Switch不發(fā)生沖突.

綜上所述,以Switch為中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能由于以Hub為中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能,在組建局域網(wǎng)絡(luò)時(shí),應(yīng)該優(yōu)先考慮Switch.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)OPNET使用兩個(gè)不同的交換設(shè)備——集線器和交換機(jī),來(lái)建立交換式局域網(wǎng),仿真并分析結(jié)果,給大家一個(gè)真切和深刻的對(duì)局域網(wǎng)理論知識(shí)的理解.使用OPNET,可以避免購(gòu)買(mǎi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及后續(xù)的設(shè)備更新、維護(hù),節(jié)約資金;避免占用新的實(shí)驗(yàn)室,提高實(shí)驗(yàn)室的利用率.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),可以幫助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員、網(wǎng)絡(luò)管理人員更加有效的診斷遇到的棘手問(wèn)題,在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案之前就對(duì)可能的變化和未來(lái)場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證和規(guī)劃.因此,OPNET的應(yīng)用必將日益廣泛.

參考文獻(xiàn):

[1]張博,姚琳.基于OPENT的廣域網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,33(1):52-57.

[2]三聯(lián)教程.局域網(wǎng)是什么[EB/DL].2013.http://www.3lian.com/edu/2013/01-18/54262.html.

[3]王春林.淺析局域網(wǎng)的組建與應(yīng)用[J].電子制作,2012(10):17.

[4]董志遠(yuǎn).基于通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及鏈路的重要性可靠性研究[D].杭州:杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,2012.

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[6]黃曉波.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,2006.