基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真與性能測(cè)量

1、收稿日期#2005-07-28基金項(xiàng)目%國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60073059,602730781引言隨著通信技術(shù)的發(fā)展,通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模越來(lái)越復(fù)雜,基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來(lái)越多樣化,單純地依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開(kāi)發(fā),已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要。因而急需一種科學(xué)的手段來(lái)反映和預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能,這導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)仿真是通過(guò)在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造虛擬的環(huán)境來(lái)反映現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,模擬現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)行為,從而可以有效提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性,明顯降低網(wǎng)絡(luò)投資風(fēng)險(xiǎn),減少不必要的投資浪費(fèi)。目前常用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件種類已經(jīng)比較豐富,既有免費(fèi)的開(kāi)放源代碼的網(wǎng)絡(luò)

2、仿真軟件,也有軟件公司開(kāi)發(fā)的商用軟件。其中比較著名免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件Berkeley NS ,OMNeT+,SSFNET 等,而商用軟件最著名的就是OPNET 公司的OPNET 系列仿真軟件,全球有超過(guò)2700家客戶包括CISCO 、AT&T 、Microsoft 、IBM 等都是該公司用戶,其在智能化網(wǎng)絡(luò)仿真、分析和管理解決方案等方面具有突出的表現(xiàn)。但OPNET 一直被美國(guó)政府禁止出口到中國(guó),直至1998年才進(jìn)入中國(guó),目前正處于蓬勃發(fā)展的階段。本文將通過(guò)使用OPNET Modeler 軟件仿真一個(gè)局域網(wǎng)來(lái)展示利用仿真軟件進(jìn)行仿真所涉及的環(huán)節(jié),并對(duì)所仿真網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行測(cè)量。2OPNET

3、建模方法OPNET 的產(chǎn)品線包括Modeler 、IT Guru 、SPGuru 、WDM Guru 、ODK 等,其核心產(chǎn)品為OPNET Modeler 。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹利用OPNET 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的建模和步驟。2.1OPNET 項(xiàng)目的組織與管理在OPNET 中,場(chǎng)景(Scenario 的概念非常重要,它被用來(lái)表達(dá)用戶的網(wǎng)絡(luò)或協(xié)議的設(shè)計(jì)方案,每個(gè)場(chǎng)景代表一種設(shè)計(jì)方案。通過(guò)在一個(gè)項(xiàng)目中組織多個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,可以代表多種不同的設(shè)計(jì)方案,通過(guò)運(yùn)行不同場(chǎng)景的仿真,可以對(duì)不同的方案進(jìn)行綜合的比較,從而可以選擇最優(yōu)方案。OPNET 提供豐富的編輯器來(lái)完成對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)或協(xié)議的細(xì)節(jié)進(jìn)行刻畫。常用的編輯有如下幾個(gè)部分

4、:(1網(wǎng)絡(luò)編輯器(Network Editor :用于編輯網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過(guò)將模型庫(kù)中的各種通信實(shí)體拖放工作區(qū)可以方便地配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并可對(duì)設(shè)備的屬性進(jìn)行設(shè)置。(2節(jié)點(diǎn)編輯器(Node Editor :用于定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)基于OPNET 的網(wǎng)絡(luò)仿真與性能測(cè)量王和興張建波才書訓(xùn)(東北大學(xué)秦皇島分校計(jì)算機(jī)工程系,河北秦皇島066004摘要:網(wǎng)絡(luò)仿真在今天的通信與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域是一個(gè)非常重要的技術(shù)手段。文章介紹了OPNET 的建模層次和建模方法,給出了OPNET 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的步驟,并利用OPNET 對(duì)一個(gè)局域網(wǎng)進(jìn)行了仿真并對(duì)相關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)量,為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)仿真,OPNET ,

5、網(wǎng)絡(luò)建模,性能測(cè)量中圖法分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-7180(200511-025-03Network Simulation and Performance Measure Based on OpnetWANG He-xing ,Zhang Jian-bo ,CAI Shu-xun(Depatment of Computer Engineering,NEU at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004China Abstract:Network simulation is an important technology in communicati

6、on and network research in present.This paperintroduced how to modeling the network in OPNET environment.A simulation instance is given in order to show the steps in network simulation and how to measure the network performance.Key words:Network simulation,OPNET,Network modeling,Performance measure點(diǎn)

7、的結(jié)構(gòu)和描述節(jié)點(diǎn)中模塊間的數(shù)據(jù)流。通過(guò)節(jié)點(diǎn)編輯器可以描述協(xié)議的層次結(jié)構(gòu),并通過(guò)描述功能模塊之間的數(shù)據(jù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)器件或系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。(3進(jìn)程編輯器(Process Editor:用于定義節(jié)點(diǎn)內(nèi)功能模塊中各事件之間的控制流,使用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)圖來(lái)描述功能模塊內(nèi)的狀態(tài)和狀態(tài)間的控制流。(4包格式編輯器(Packet Format Editor:用于創(chuàng)建用戶定義的各種類型的包,減輕了協(xié)議的設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)者的負(fù)擔(dān)。(5探針編輯器(Probe Editor:用于收集內(nèi)置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),可以將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來(lái)。為了能快速仿真或發(fā)現(xiàn)仿真中存在的問(wèn)題,可以使用OPNET自帶的調(diào)試工具OPNET

8、Debugger,也可以與微軟VC環(huán)境聯(lián)合調(diào)試。2.2OPNET的建模層次OPNET采用面向?qū)ο蟮慕７椒▉?lái)反映實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)組件的結(jié)構(gòu),實(shí)際的系統(tǒng)可以直觀地映射到模型中。利用OPNET對(duì)網(wǎng)絡(luò)建?？煞譃槿齻€(gè)層次:(1進(jìn)程(Process層次:在進(jìn)程層次中模擬單個(gè)對(duì)象的行為,使用有限狀態(tài)機(jī)(FSM來(lái)對(duì)協(xié)議進(jìn)行建模,OPNET內(nèi)建的400多個(gè)庫(kù)函數(shù)可以對(duì)各個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行全面的支持,并且Modeler 中源碼完全開(kāi)放,用戶可以根據(jù)自己的需要添加和修改已有的源碼。(2節(jié)點(diǎn)(Node層次:建立由相應(yīng)協(xié)議模型構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)模型,該層次將進(jìn)程層次中的各個(gè)進(jìn)程互連成設(shè)備,可以反映設(shè)備的特性。(3網(wǎng)絡(luò)(

9、Network層次:網(wǎng)絡(luò)層次負(fù)責(zé)將結(jié)點(diǎn)層次中建立起來(lái)的設(shè)備互連成網(wǎng)絡(luò),位于三個(gè)層次的最上層。通過(guò)OPNET的三層建模機(jī)制建立起來(lái)的三層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對(duì)應(yīng),全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。2.3利用OPNET仿真的步驟在定義了目標(biāo)問(wèn)題后,利用OPNET中對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真大體可以分成6個(gè)步驟:(1配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Topology:通過(guò)OPNET 提供的向?qū)Ш透飨嚓P(guān)編輯器完成建立場(chǎng)景、選擇設(shè)備和建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作。(2配置業(yè)務(wù)量(Traffic:通過(guò)選擇在該網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的應(yīng)用程序并配置運(yùn)行參數(shù),可以為所仿真網(wǎng)絡(luò)配置業(yè)務(wù)量,這樣就完成了對(duì)系統(tǒng)流量的建模工作。(3收集統(tǒng)計(jì)量(Statist

10、ics:統(tǒng)計(jì)量是是用于對(duì)所仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能測(cè)量和評(píng)價(jià)的依據(jù),通過(guò)選擇OPNET提供的各種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)完成配置和收集統(tǒng)計(jì)量的工作。(4運(yùn)行仿真(Simulation:通過(guò)前三步的工作,一個(gè)仿真場(chǎng)景已經(jīng)完全建立,需要通過(guò)運(yùn)行仿真來(lái)得到仿真運(yùn)行的數(shù)據(jù)。(5調(diào)試模塊再仿真(Re-Simulation:通過(guò)分析仿真數(shù)據(jù),可以找出所仿真網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸,此時(shí)可以復(fù)制先前網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,通過(guò)修改拓?fù)洹⒏略O(shè)備、調(diào)整業(yè)務(wù)量而得到新的仿真場(chǎng)景,再次運(yùn)行仿真可得到優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。如果是對(duì)協(xié)議細(xì)節(jié)進(jìn)行仿真,則可修改協(xié)議模塊的相關(guān)細(xì)節(jié)字段,通過(guò)再次仿真可得到修正協(xié)議的運(yùn)行數(shù)據(jù)。(6發(fā)布結(jié)果和拓?fù)鋱?bào)告(Report:通過(guò)對(duì)一

11、個(gè)項(xiàng)目的不同場(chǎng)景(對(duì)應(yīng)著不同的方案的仿真結(jié)果進(jìn)行分析,可以產(chǎn)生研究報(bào)告,可以把相關(guān)圖表從OPNET中導(dǎo)出到文件中,以便于在報(bào)告中引用。3仿真實(shí)例本節(jié)中我們將通過(guò)OPNET Modeler來(lái)仿真一個(gè)小型公司的網(wǎng)絡(luò),并收集部分相關(guān)參數(shù)來(lái)測(cè)量感興趣的網(wǎng)絡(luò)性能。問(wèn)題描述:某公司早期配置有一個(gè)小型局域網(wǎng),業(yè)務(wù)辦公部門通過(guò)10M的共享局域網(wǎng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器完成業(yè)務(wù)處理工作,由于公司業(yè)務(wù)發(fā)展需要,處理業(yè)務(wù)的機(jī)器逐漸增至目前的30臺(tái),業(yè)務(wù)員反映訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。公司決定將現(xiàn)有業(yè)務(wù)處理機(jī)器數(shù)量增加一倍,并希望能通過(guò)有效部署降低訪問(wèn)服務(wù)器的等待時(shí)間。根據(jù)問(wèn)題描述,利用OPNET Modeler建立工程,創(chuàng)

12、建一個(gè)場(chǎng)景反映公司早期的網(wǎng)絡(luò)配置(如圖 1所示,圖中客戶機(jī)與服務(wù)器通過(guò)10M雙絞線通過(guò)集線器(Hub連接成星型結(jié)構(gòu)。在此場(chǎng)景中配置相應(yīng)的業(yè)務(wù),并收集局域網(wǎng)的延遲時(shí)間和服務(wù)器的負(fù)載這兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量。通過(guò)運(yùn)行1小時(shí)的仿真,其相關(guān)性能如圖2所示。從圖2(a中可以看出,以太網(wǎng)的延遲時(shí)間基本在3ms到4ms之間,其延遲時(shí)間較長(zhǎng),分析得知這是由于共享集線器的轉(zhuǎn)發(fā)能力不足造成的,從圖2 (b中可以看出服務(wù)器的負(fù)載情況,達(dá)到200Kbps。為了滿足公司的業(yè)務(wù)要求,需要再增加能訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的30臺(tái)業(yè)務(wù)處理機(jī)器并能有效降低網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間,可將集線器更換為32口的100M交換機(jī),使得鏈路帶寬升級(jí)到100M,再使用一個(gè)

13、同樣的100M交換機(jī)用于擴(kuò)展可以得到其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖3所示,并作為場(chǎng)景加入工程中。再次進(jìn)行60分鐘的仿真,得到擴(kuò)展后網(wǎng)絡(luò)延遲與服務(wù)器負(fù)載情況(如圖4所示?？梢钥闯?改進(jìn)配置并擴(kuò)展后,網(wǎng)絡(luò)的延遲約為0.4ms,服務(wù)器的負(fù)載能力接近400kbps。為了更好地對(duì)比擴(kuò)展前后的網(wǎng)絡(luò)在上述兩個(gè)指標(biāo)上的差異,下面給出了擴(kuò)展前后的平均延遲和和平均負(fù)載情況(如圖5所示。早期的以太網(wǎng)的平均延遲高達(dá)3.5毫秒,而擴(kuò)展后降為0.04毫秒,網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間大大降低。 擴(kuò)展后的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載則較之早(下轉(zhuǎn)第32頁(yè)號(hào),與軟件的結(jié)果相一致,說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的重復(fù)填充在邏輯上是正確的。 4結(jié)束語(yǔ)本文根據(jù)MPEG-4VOP 填充的基本原理,

14、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了VOP 填充處理器的VLSI 硬件結(jié)構(gòu),編寫了相應(yīng)的VHDL 模型,并成功進(jìn)行了仿真和邏輯綜合。該設(shè)計(jì)主要針對(duì)MPEG-4中VOP 填充控制復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)較困難的問(wèn)題,給出了相應(yīng)的解決方案。最后硬件仿真結(jié)果與軟件仿真結(jié)果的對(duì)比表明了本文設(shè)計(jì)的正確性,綜合結(jié)果表明該處理器可以滿足MPEG-4Core Profiles &Level2的實(shí)時(shí)編碼要求,可以用于MPEG-4的VLSI 實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1G Kuzmanov,S Vassiliadis.Reconfigurable RepetitivePadding Unit,GLSVLSI 02,New York,USA,2002.2H

15、C Mo,J S Kim,L S Kim.A High-speed Pattern De-coder in MPEG-4Padding Block Hardware Accelerator,IEEE ISCAS 01,2001,197200.3R Garg,C Y Chung,D L Kim,Y L Kim.Boundary Mac-roblock Padding in MPEG -4Video Decoding Using a Graphics Coprocessor,IEEE Trans.on Circuits and Sys-tems for Video Technology,Augus

16、t 2002,12(8:719723.劉龍男,(1976-,博士研究生生。研究方向?yàn)榛趯?duì)象的視頻編碼與檢索技術(shù)、無(wú)線視頻傳輸技術(shù)、小波分析、視頻分析。韓崇昭男,(1943-,博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榕d趣包括信息融合、目標(biāo)跟蹤與識(shí)別。王占輝男,(1978-,碩士研究生。研究方向?yàn)閳D象處理、視頻分析與傳輸控制技術(shù)、小波分析。白雁女,(1979-,碩士研究生。研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)、小波理論,時(shí)頻分析等。期上升近一倍,符合預(yù)期目標(biāo)。4結(jié)束語(yǔ)本文討論了利用OPNET 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真和性能測(cè)量的步驟和方法,并利用OPNET Modeler 對(duì)一個(gè)局域網(wǎng)進(jìn)行了仿真,并對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)進(jìn)行了有效的測(cè)量,為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。參考文獻(xiàn)Inc.,2003.2陳敏.OPENT 網(wǎng)絡(luò)仿真M.北京:清華大學(xué)出版社,20