基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真——辦公樓網(wǎng)絡(luò)

1、目錄1 緒論2 關(guān)鍵技術(shù)2.1 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)2.2 OPNET仿真流程3 辦公樓網(wǎng)絡(luò)需求分析3.1 性能評價指標(biāo)3.2 主要拓?fù)漕愋?.3 關(guān)鍵設(shè)備4 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建模及仿真分析4.1 原有網(wǎng)絡(luò)建模4.1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.1.2 服務(wù)配置4.1.3 仿真分析4.2 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)建模4.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2 服務(wù)規(guī)劃4.2.3 仿真分析4.3 分析總結(jié)5 小結(jié)參考文獻(xiàn)OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計課設(shè)說明書1 緒論網(wǎng)絡(luò)仿真是一個很有用的網(wǎng)絡(luò)研究工具，它以系統(tǒng)理論、形式化理論、隨機(jī)過程和統(tǒng)計學(xué)理論、優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，在設(shè)計階段，仿真方法提供一個虛擬模型來預(yù)測并比較各種方案的性能，通過對不同環(huán)境和工作負(fù)荷的分

2、析和比較，來優(yōu)化系統(tǒng)的性能。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的層出不窮，新的應(yīng)用逐步普及，各單位的業(yè)務(wù)需求逐步增長，其對信息化的需求與日俱增，網(wǎng)絡(luò)性能因此受到相應(yīng)的影響，因此，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造是勢在必行。經(jīng)過規(guī)劃設(shè)計出來的網(wǎng)絡(luò)，不能保證其可行性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能降低的因素是多方面的，而網(wǎng)絡(luò)測試正是一種可以有效提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及運(yùn)行質(zhì)量的方法，在測試的基礎(chǔ)上，建立網(wǎng)絡(luò)行為模型，并用模擬仿真的方法建立理論到實際的橋梁，是了解網(wǎng)絡(luò)性能的有效方法。本文以O(shè)PNET仿真軟件為平臺，對辦公樓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，介紹校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)，涉及硬件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主要性能指標(biāo)、業(yè)務(wù)需求等，利用OPNET對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模并運(yùn)行仿真，分析仿真

3、結(jié)果，增加結(jié)點，再進(jìn)行仿真、分析。通過對仿真結(jié)果的分析，根據(jù)分析結(jié)果提出對網(wǎng)絡(luò)改造方案，再次應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件測試改造后交換機(jī)的數(shù)據(jù)，判斷改造后的網(wǎng)絡(luò)性能是否優(yōu)于原有網(wǎng)絡(luò)。2 原理分析2.1 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路和協(xié)議模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的運(yùn)輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)模型不僅可以在實施之前預(yù)測拓?fù)浜驮O(shè)備規(guī)劃，還有助于在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中保持其有效性。網(wǎng)絡(luò)仿真也被稱為網(wǎng)絡(luò)模擬，就是用計算機(jī)程序?qū)νㄐ啪W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型化，通過程序的運(yùn)行模仿通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程。因為對各種網(wǎng)絡(luò)仿真過程來說，其中也有“模擬”的含義，即，網(wǎng)絡(luò)仿真既可以取代真實的應(yīng)用環(huán)

4、境得出可靠的運(yùn)行結(jié)果和數(shù)據(jù)，也可以模仿一個系統(tǒng)運(yùn)行過程中的某些行為和特性。網(wǎng)絡(luò)仿真提供了一個方便、高效的驗證和分析方法，所以網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和研究中的作用正變得越來越大。2.2 OPNET仿真流程利用OPNET仿真，一般遵循以下工作流程：1、 定義目標(biāo)問題：明確和規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)仿真所要研究的問題和目標(biāo)，提出明確的網(wǎng)絡(luò)仿真描述性能參數(shù)。如網(wǎng)絡(luò)通信吞吐量、鏈路利用率、設(shè)備利用率、端到端延遲、丟包率、隊列長度等。2、 建立仿真模型：根據(jù)研究的問題和目標(biāo)，建立所需的網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)程或協(xié)議模型（包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、協(xié)議類型、包格式等），配置相關(guān)業(yè)務(wù)。3、 收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)：收集要用于仿真模型實現(xiàn)和驗證的相關(guān)統(tǒng)

5、計數(shù)據(jù)。如網(wǎng)絡(luò)流量、端到端延遲、丟包率等。4、 運(yùn)行仿真：利用仿真工具進(jìn)行仿真實驗，以得到所需要的數(shù)據(jù)。5、 查看并分析結(jié)果：查看結(jié)果并利用相關(guān)分析工具和數(shù)學(xué)知識對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。6、 調(diào)試再仿真：分析仿真數(shù)據(jù)，找出網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸，然后通過修改拓?fù)?、更新設(shè)備、調(diào)整業(yè)務(wù)量、修改協(xié)議等方法得到新的仿真場景，再次運(yùn)行仿真。7、 生成仿真報告：生成網(wǎng)絡(luò)仿真的研究報告。圖1 OPNET仿真流程3 辦公樓網(wǎng)絡(luò)分析3.1 性能評價指標(biāo)（1）響應(yīng)時間響應(yīng)時間是反映網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)之一，它是指客戶機(jī)從對服務(wù)器提出請求開始到收到響應(yīng)所需要的時間，常用于評價交互式終端從一個主機(jī)請求信息的情況，這是一個應(yīng)用層

6、的指標(biāo)。（2） 網(wǎng)絡(luò)延遲網(wǎng)絡(luò)延遲是指將數(shù)據(jù)從一端發(fā)送到另一端的時間，是一個廣泛使用的性能指標(biāo)。延遲時間的大小影響應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上的運(yùn)行效率的高低，對于那些對時間敏感的應(yīng)用程序而言其影響更大。網(wǎng)絡(luò)延遲的確定常測量往返時間，即一個數(shù)據(jù)包自客戶機(jī)到服務(wù)器間往返所需的時間間隔，它不是固定不變的，而是隨著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化而變化。在服務(wù)器端，如果服務(wù)器閑，則響應(yīng)快，忙則響應(yīng)慢：在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，如果網(wǎng)絡(luò)路徑無擁塞，則在路由器上排隊時間短，否則時間延長；在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，由鏈路故障引起的路由變化也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包往返路徑不一致，從而影響傳輸時間。（3） 吞吐量網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要參數(shù)，指單位時間內(nèi)傳輸?shù)臒o

7、差錯的數(shù)據(jù)量，通常以bps(位/秒)、Bps(字節(jié)/秒)或pps(包/秒)表示。（4）資源利用率資源利用率是指網(wǎng)絡(luò)資源的有效工作時間占整個時間的百分比。它是網(wǎng)絡(luò)資源使用頻度的動態(tài)度量，也是衡量網(wǎng)絡(luò)性能價格比的關(guān)鍵參數(shù)。資源利用率包括各種網(wǎng)絡(luò)部件的利用率：如信道利用率、內(nèi)存利用率、CPU利用率、網(wǎng)絡(luò)利用率等。分析各個部分的利用率就可以知道網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸在哪里。另外，資源利用率也是預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能變化的最有效途徑，從經(jīng)驗來看，CPU利用率最好在30%-40%，超過這個界限，網(wǎng)絡(luò)性能會急劇下降，而網(wǎng)絡(luò)利用率大約為30%-70%時，可保證有突發(fā)業(yè)務(wù)時仍有足夠的帶寬可用。3.2 主要拓?fù)漕愋同F(xiàn)在的辦公網(wǎng)絡(luò)多使

8、用星型或樹型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線局域網(wǎng)已基本被星型所代替。（1）星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型拓?fù)涫怯芍醒虢Y(jié)點為中心與各結(jié)點連接組成的，多結(jié)點與中央結(jié)點通過點到點的方式連接。它的優(yōu)點是：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，便于管理；控制簡單，建網(wǎng)容易；網(wǎng)絡(luò)延遲時間較短，誤碼率較低。缺點是：網(wǎng)絡(luò)共享能力較差；通信線路利用率不高；中央結(jié)點負(fù)荷太重；網(wǎng)絡(luò)可靠性低。（2） 樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型網(wǎng)絡(luò)是將多級星形網(wǎng)絡(luò)按層次方式排列得到的網(wǎng)絡(luò)，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低；每個鏈路都支持雙向傳輸；結(jié)點擴(kuò)充方便靈活；除葉結(jié)點及其相連的鏈路外，任何一個結(jié)點或鏈路產(chǎn)生的故障都會影響整個網(wǎng)絡(luò)。3.3 關(guān)鍵設(shè)備（1） 交換機(jī)交換機(jī)是基于硬件的設(shè)備，它工作在數(shù)據(jù)鏈

9、路層，交換機(jī)每個端口所有橋接功能，它能夠在任意一對端口間轉(zhuǎn)發(fā)幀，每一個端口屬于一個沖突域，按照CSMA/CD協(xié)議工作，交換機(jī)中的電路可以把任意端口的網(wǎng)段與別的端口的網(wǎng)段在數(shù)據(jù)鏈路層上連接起來。交換機(jī)可以連接不同的局域網(wǎng)和局域網(wǎng)網(wǎng)段，并劃分局域網(wǎng)的沖突域為多個，使每個端口連接的每個網(wǎng)段為一個沖突域，從而使每個網(wǎng)段之間獲得更大的帶寬，比傳統(tǒng)使用集線器的共享式網(wǎng)絡(luò)有更高的效率。在進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)時，交換機(jī)基于MAC地址識別的發(fā)送者和接收者之間建立臨時的交換路徑，使數(shù)據(jù)幀直接由源地址到達(dá)目的地址。交換機(jī)根據(jù)每一個數(shù)據(jù)包中的目的MAC地址作簡單的轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)決策并不需要判斷數(shù)據(jù)包深層的其它信息。具體原理如

10、圖4.1所示:圖2 交換機(jī)工作原理（2） 路由器路由器是實現(xiàn)異種網(wǎng)絡(luò)連接的互連設(shè)備，工作在OSI的第三層。路由器是用于連接多個邏輯上分開的網(wǎng)絡(luò)，對用戶提供最佳的通信路徑。路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時，依據(jù)的是網(wǎng)絡(luò)層分組頭部的路由信息。路由器利用路由表為數(shù)據(jù)傳輸選擇路徑，路由表包含網(wǎng)絡(luò)地址以及各地址之間距離的清單，路由器利用路由表查找數(shù)據(jù)包從當(dāng)前位置到目的地址的正確路徑。路由器可進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，成為不同協(xié)議之間網(wǎng)絡(luò)互連的必要設(shè)備。路由器是網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行網(wǎng)間連接的關(guān)鍵設(shè)備。路由器的工作流程如下圖:圖3 路由器工作流程4 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建模及仿真分析4.1 原有網(wǎng)絡(luò)建模4.1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以核心交換機(jī)為中心，用100

11、0BaseX鏈路連接各個局域網(wǎng)及服務(wù)器組，各個局域網(wǎng)圖標(biāo)分別為一樓一分部、一樓二分部和服務(wù)器組。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示：圖4 原有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D其中服務(wù)器組局域網(wǎng)的拓?fù)淙鐖D5所示：圖5 服務(wù)器組局域網(wǎng)拓?fù)鋱D以一樓一分部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔?，其它局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣，如圖6所示：圖6 一樓一分部局域網(wǎng)拓?fù)鋱D4.1.2 服務(wù)配置首先在服務(wù)器局域網(wǎng)中，對三個服務(wù)器分別命名為file server、web server、database，為第個服務(wù)器支持的服務(wù)進(jìn)行配置，使其提供上網(wǎng)、電子郵件、遠(yuǎn)程登陸、數(shù)據(jù)庫、文件傳輸、打印的服務(wù)?；氐街魍?fù)?，從對象面板中拖入一個業(yè)務(wù)配置器，和一個主詢配置器。為主詢配置器配置六個業(yè)務(wù)

12、主詢，分別對應(yīng)各個局域網(wǎng)所需求的業(yè)務(wù)，再分別進(jìn)入各個局域網(wǎng)，為局域網(wǎng)中的主機(jī)配置應(yīng)用到的業(yè)務(wù)主詢。其各個局域網(wǎng)的節(jié)點數(shù)及需求業(yè)務(wù)如下表：名稱節(jié)點數(shù)業(yè)務(wù)需求一樓一分部30上網(wǎng)、文件傳輸、數(shù)據(jù)庫一樓二分部30上網(wǎng)、電子郵件、遠(yuǎn)程登錄表1 各個局域網(wǎng)需求表其各個局域網(wǎng)的服務(wù)配置如圖7：圖7 局域網(wǎng)服務(wù)配置圖4.1.3 仿真分析對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模及業(yè)務(wù)配置完之后，就要對仿真過程中所需要的參數(shù)進(jìn)行提取，以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。要進(jìn)行考察的參數(shù)有網(wǎng)絡(luò)延遲、 鏈路使用率、 頁面響應(yīng)時間 、核心交換機(jī)CPU利用率。如圖8所示：圖8 收集仿真參數(shù)對參數(shù)收集配置后，按按鈕運(yùn)行仿真，設(shè)置運(yùn)行時間為30分鐘。查看其中的

13、網(wǎng)絡(luò)延遲參數(shù)，如圖9：圖9 網(wǎng)絡(luò)延遲參數(shù)從圖中可以看出，一開始網(wǎng)絡(luò)延遲奕化比較大，這是由于所有工作站點開始工作時還未穩(wěn)定造成的，經(jīng)過100多秒的不穩(wěn)定后，網(wǎng)絡(luò)延遲變化逐漸趨于穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)延遲保持在0.00070秒左右，即小于1毫秒，處于毫秒級。頁面響應(yīng)時間如圖10：圖10 HTTP應(yīng)用的平均頁面響應(yīng)時間這里可以看到，HTTP應(yīng)用的平均頁面響應(yīng)時間處在0.016秒水平，即十毫秒級。線路鏈路利用率的參數(shù)如圖11：圖11 鏈路利用率這里可以看到，一樓分部到核心交換機(jī)鏈路的利用率比服務(wù)器的鏈路低，這是由于服務(wù)器接受來自所有主機(jī)的服務(wù)請求，同樣也出現(xiàn)和上面對應(yīng)的小尖峰。服務(wù)器負(fù)載如圖12：圖12 服務(wù)器負(fù)

14、載由圖可見，數(shù)據(jù)庫和文件服務(wù)器的負(fù)載都較低，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)載最高，說明上網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求最大。4.2 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)建模5.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以前的網(wǎng)絡(luò)有三個局域網(wǎng)，60個信息點，現(xiàn)在對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，增加一個有40個信息點的局域網(wǎng)和一臺路由器，所有與核心交換機(jī)和路由器連接的鏈路改為1000BaseX光纖，所有服務(wù)器與二級交換機(jī)的鏈路也改為1000BaseX，改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D12：圖13 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D4.2.2 服務(wù)規(guī)劃為新增的局域網(wǎng)提供兩個業(yè)務(wù)，即上網(wǎng)和電子郵件。4.2.3 仿真分析重新運(yùn)行仿真，改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)延遲如圖14：圖14 改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)延遲從圖可見，網(wǎng)絡(luò)延遲保持在0.00020秒左右，比之前降

15、低了很多。再看頁面響應(yīng)時間如圖15：圖15 改進(jìn)后頁面響應(yīng)時間可以看到HTTP應(yīng)用頁面響應(yīng)時間也比之前降低了一點，約為0.012秒。線路鏈路利用率的參數(shù)如圖16：圖16 改進(jìn)后鏈路利用率可以看出這時鏈路的利用率比之前高了，說明修改鏈路后，其使用效率提高了，使整個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能都提高了。各服務(wù)器負(fù)載如下圖17：圖17 改進(jìn)后各服務(wù)器負(fù)載從圖可見，文件和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負(fù)載無明顯增加，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)載增加了一點，網(wǎng)絡(luò)流量和鏈路利用率增加了，網(wǎng)絡(luò)延遲和頁面相應(yīng)時間反而降低，說明增加節(jié)點和業(yè)務(wù)后，由于采用了光纖網(wǎng)絡(luò)和路由器，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能提高。4.3 分析總結(jié)本章對辦公樓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模，根據(jù)每個功能單位進(jìn)行劃

16、分局域網(wǎng)，中間以一臺核心交換機(jī)進(jìn)行連接，這時由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點比較少和業(yè)務(wù)簡單，網(wǎng)絡(luò)延遲小，網(wǎng)絡(luò)速度快。由于節(jié)點和業(yè)務(wù)的增加，網(wǎng)絡(luò)再現(xiàn)延遲增加及響應(yīng)時間增加，需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級改造，由仿真結(jié)果可以知道，網(wǎng)絡(luò)延遲主要是由于功能單位到核心交換機(jī)的鏈路負(fù)荷太重，以及服務(wù)器到核心交換機(jī)之間的鏈路形成瓶頸，吧原有網(wǎng)絡(luò)某些鏈路升級為光纖，中間增加一個核心交換機(jī)和路由器之后，網(wǎng)絡(luò)延遲及其它主要性能指標(biāo)回到正常水平，說明這個改造方案是可行的，網(wǎng)絡(luò)仿真起到了發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的作用。5 小結(jié)本文應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對某工業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了模擬，仿真，在原網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果基礎(chǔ)上，再對其進(jìn)行增加節(jié)點，再次進(jìn)行仿真后，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)延遲及響應(yīng)時間增加的問題，影響到正常上網(wǎng)業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造后，其網(wǎng)絡(luò)各項性能滿期足了要求，說明改造方案起到了實效。由于時間不足和本人水平有限，本文也存在很多不足及可以改進(jìn)的地方。比如：在校園網(wǎng)中上網(wǎng)業(yè)務(wù)較多，這些業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)量大、帶寬要求高、實時性強(qiáng)、如果能采用組播技術(shù)傳輸，可以有效避免廣播風(fēng)暴，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)性能，但限于本人水平，本文沒有涉及到該技術(shù)；無線局域網(wǎng)技術(shù)也是近年來的一個研究熱點，許多校園網(wǎng)也都采用了無線傳輸技術(shù)，但本文也沒有涉及到無線技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 王玉蘭