網(wǎng)絡(luò)仿真與建模

1、南陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)仿真與建模題目： 基于OPNET校園網(wǎng)仿真設(shè)計完成人：張 曉 旭班級：09通信四班學(xué)號： 09006510455專業(yè)：通信工程摘 要：網(wǎng)絡(luò)仿真是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò) 行為，從而獲取特定的網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的技術(shù)。探討OPNET的關(guān)鍵 仿真技術(shù)，并介紹使用OPNET進行網(wǎng)絡(luò)仿真的工作流程，以及對 某高校校園網(wǎng)進行了仿真設(shè)計，對仿真結(jié)果進行了分析。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真，OPNET，校園網(wǎng)1緒論對于園區(qū)網(wǎng)，在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)、開展網(wǎng)上業(yè)務(wù)之前，需要對配置的網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備、所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、承載的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等方面的投資進行綜合 分析和評估，提出性價比最優(yōu)的解決方案。無論是

2、構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)，還是 升級改造現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，或者測試新協(xié)議，都需要對網(wǎng)絡(luò)的可靠性和有效 性進行客觀的評估，從而降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。網(wǎng)絡(luò)仿真是一種有效的網(wǎng)絡(luò)研究工具，它以系統(tǒng)理論、形式化理 論、隨機過程和統(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 和工作負荷的分析比較，來優(yōu)化系統(tǒng)的性能。隨著網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的不斷 出現(xiàn)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的日趨復(fù)雜，對網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的需求必將越來越迫切， 網(wǎng)絡(luò)仿真的應(yīng)用也越來越廣泛，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)已成為研究、規(guī)劃、設(shè) 計網(wǎng)絡(luò)不可缺少的工具。目前在計算機網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中，較為突出的 是OPNET系列仿真平臺。

3、作為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、仿真及分析工具的高端產(chǎn)品， OPNET在通信、國防及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛認可和采用。目前OPNET的應(yīng)用在國內(nèi)還處于起步階段，因此OPNET具有很重 要的研究、應(yīng)用價值。2網(wǎng)絡(luò)仿真概述系統(tǒng)仿真技術(shù)是以相似原理、數(shù)學(xué)建模、統(tǒng)計分析記憶仿真應(yīng)用 領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)為基礎(chǔ)，以計算機系統(tǒng)及仿真器為工具，利用模型對 已有的或攝像的系統(tǒng)改進研究、分析、實驗與運行的一門多學(xué)科的綜 合性技術(shù)。在各類應(yīng)用的需求及有關(guān)學(xué)科技術(shù)的推動下，系統(tǒng)仿真技 術(shù)已經(jīng)構(gòu)成一個綜合性的專業(yè)技術(shù)體系。系統(tǒng)仿真本質(zhì)上是一種知識 處理過程，典型的系統(tǒng)仿真過程包括OPNET仿真系統(tǒng)核心技術(shù)3.1離散事件仿真機制OPNET采用

4、基于離散事件驅(qū)動的模擬機理（其中事件是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) 的變化）。只有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化，模擬機才工作，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不發(fā)生 變化的時間段不執(zhí)行任何模擬計算，即被跳過。因此，與時間驅(qū)動相 比，離散時間驅(qū)動的模擬計算效率得到很大提高。仿真核心實際上為 離散時間驅(qū)動的事件調(diào)度器，它對所有進程模塊希望完成的時間和計 劃該事件發(fā)生的時間進行維護。事件調(diào)度器主要維護一個具有優(yōu)先級的隊列，它按照時間發(fā)生的 事件對其的工作進行排序，并遵循先進先出順序執(zhí)行時間。而仿真中 的各模塊之間的通信主要依靠傳遞包的方式來實現(xiàn)。3.2仿真調(diào)度機制在OPNET中使用基于事件列表的調(diào)度機制，合理安排調(diào)度事件， 以便執(zhí)行合理的進程來仿真網(wǎng)絡(luò)系

5、統(tǒng)行為。調(diào)度的完成通過仿真軟件 的仿真核和仿真工具模塊以及模塊來實現(xiàn)。3.3建模通信機制在OPNET仿真軟件中，大部分的模型都可以歸結(jié)為一個若干相互 通信組成的分布式子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間的交互依賴于通信資源，以支 持命令、質(zhì)詢和一般信息的交換。這些方式包括數(shù)據(jù)報的通信機制、 通信鏈路機制、應(yīng)用接口控制信息1通信機制和統(tǒng)計線通信機制。OPNET在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的步驟及應(yīng)用流程OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的流程見圖1-1。4.1收集和消化網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計文檔網(wǎng)絡(luò)仿真必須基于對仿真網(wǎng)絡(luò)全面和深入的了解，主要包括：網(wǎng) 絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及流 量特性。4.2建立

6、網(wǎng)元模型對于基本模型庫中已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口配置對 現(xiàn)有模型進行修改，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型；對于基本模型庫中沒有的網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備，需要開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型，有時還需要針對不同的仿真需 要，建立一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多個不同的模型版本。4.3建立網(wǎng)絡(luò)模型建立網(wǎng)絡(luò)模型就是在所需要的網(wǎng)元模型建立好后，依據(jù)仿真網(wǎng)絡(luò) 建立起網(wǎng)元模型之間的有機連接，從而將整個仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)映射為 OPNET網(wǎng)絡(luò)模型。對于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)曾POpenview的NNM讀入網(wǎng) 絡(luò)IP拓撲，然后在叩拓撲中手工加入第二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如交換機等。 對于升級后的網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，手工修改網(wǎng)絡(luò)拓撲或 添加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。對于新建網(wǎng)絡(luò)，完

7、全手工建立網(wǎng)絡(luò)模型。4.4建立網(wǎng)絡(luò)流量模型OPNET中，網(wǎng)絡(luò)流量分為背景路由流量背景利用率流量和前景業(yè) 務(wù)流量。4.5仿真設(shè)計和仿真計算選擇仿真過程中要收集的網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計參數(shù)。4.6查看、分析結(jié)果并提交仿真報告對于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可直接通過菜單欄中的“view results”來查看。 以上是網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用中的典型流程，在實際操作 中，一般不可能經(jīng)過一個仿真流程就達到仿真的目的，而彳主彳主需要多 次的反復(fù)。因此，上述步驟或其中的部分步驟會多次重復(fù)，具體的網(wǎng)絡(luò)仿真流程需要根據(jù)具體的仿真需要和其他具體視情況決定。OPNET在某校園網(wǎng)的仿真應(yīng)用5.1網(wǎng)絡(luò)拓撲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)

8、系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。設(shè)備通過 鏈路相互連接，實行了信息的傳送。同時，這些通信設(shè)備的連接組合 構(gòu)成了子網(wǎng)，而子網(wǎng)可以進一步包含更低層的子網(wǎng)，從而構(gòu)成多層子 網(wǎng)。OPNET通過子網(wǎng)來表示實際網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，為建模提供了極大 的自由度和便捷性。OPNET軟件中提供了許多網(wǎng)絡(luò)元素，按照實際網(wǎng) 絡(luò)組成部分進行建模。某高校校園網(wǎng)采取核心、匯聚、接入層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，4臺點對 點鏈接的高端交換機組成的核心層，有路由器和交換機構(gòu)成匯聚層， 通過用以連接用戶的低端交換機和接入點構(gòu)成接入層;網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 如圖5-1所示。0.375ProfilesApplkationsLibrary&oEi 切 ryWEcpyri gh

9、ApplicationPru + ocole NH + D&ctor Flow AnalysCajiyr i g n t 匚； li z 1 n rmazil-l-l .=1 Profllle Definition圖5-1在OPNET上實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖圖4-2為子網(wǎng)dormitory的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，匯聚switch通過千兆光 纖連接到核心交換機switch3和switch4上。接入交換機和匯聚交換 機之間采用千兆雙絞線，再通過百兆雙絞線連接到終端，即連接到學(xué) 生所用的端口。在OPNET仿真中，由于本次設(shè)計主要為測試核心交換 機性能，對子網(wǎng)工作站的表現(xiàn)要求不高，因此采用LAN節(jié)點代替終端，減少了仿真

10、事件，縮減仿真時間。圖4-2主機server的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過圖4-2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)我們可以看出到主機控制其他的子網(wǎng)，而 且我們從里面結(jié)構(gòu)知道建立子網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖4-3就是子網(wǎng)內(nèi)部結(jié) 構(gòu)如圖所示：10Bas*T心序岫邑&理謎劍色拿罕翠亨J命 S3普丈賺室勵風(fēng)困0.0r25*您*).03750.CC25。.沏ET芨Switch.3625|D.2Q D.i)。.0875Inpyrigh t c) 22111 Map Info Ca-rpzra-iafl , T ro-y, b-a York. Imae rejide rec using Map Inf 2 Fraf-BssianaT :Zi -y i n

11、fcrmai吞ji i 5 pyrighz. cj 2212 E混Feh -s-s.1 zers gn .mE 二-gazex-bs. tom.File Edi + Vi ew ScerL：=Q_ioE Tupologjr Tr：fi c Services ProtocolE Ne + Doctor Flow ArL：=ilyEi e DES3DNV DesiiL Windows Help*-| Pro j ed : Z_NetDesign Scenario: SiMpleHetvork Subnet: top. Cap.回區(qū)I圖4-3子網(wǎng)dormitory的內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.2業(yè)務(wù)配置校園網(wǎng)主要以

12、教學(xué)科研為主要目的，所以主要涉及的業(yè)務(wù)主要有:FTP文件下載業(yè)務(wù)，HTTP網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)，Email電子郵件業(yè)務(wù)等。這些 業(yè)務(wù)主要都是端對端的業(yè)務(wù)。都是以工作點訪問服務(wù)器從而獲得某種 服務(wù)的方式完成的，所以需要配置端對端業(yè)務(wù)。由于網(wǎng)絡(luò)接入了大量 的用戶群，對于不同的用戶，其業(yè)務(wù)也是不同的，例如對于學(xué)生宿舍 的用戶來說，主要的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)為http和ftp。對辦公樓，實驗樓分別進行http，Database設(shè)置對圖書館進行http，Database設(shè)置對教學(xué)樓進行http，Telnet Session設(shè)置對宿舍區(qū)進行http和ftp設(shè)置5.3仿真結(jié)構(gòu)的分析總結(jié)對所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖進行運行仿真。5.3.

13、1收集統(tǒng)計量收集的統(tǒng)計量主要有交換機和局域網(wǎng)的參數(shù)：其中交換機的參數(shù)有：Traffic Received （bits/sec）（弋表交換機的數(shù)據(jù)接收速率;Traffic Dropped （packets）代表交換機對數(shù)據(jù)包的丟棄 率;局域網(wǎng)的參數(shù)有：http 的Traffic Received （bits/sec）5.3.2仿真設(shè)置（1）選擇優(yōu)化仿真核心：優(yōu)化仿真核心有development和optimized 兩種，調(diào)試的仿真核心收集仿真信息，這些信息可以用來調(diào)試模塊。 而優(yōu)化仿真核心使運行速度加快。我們在這里選擇的是調(diào)試仿真核心。（2）選擇運行仿真的時間：運行仿真時間這里設(shè)置成1ho即模擬

14、執(zhí) 行一小時的仿真。5.3.3運行仿真運行仿真，等仿真結(jié)束后點擊Close關(guān)閉對話框。在網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié) 束后，下面對仿真的結(jié)果進行說明和分析：網(wǎng)絡(luò)在1min40s趨向平穩(wěn)，穩(wěn)定在0.046秒左右。說明網(wǎng)絡(luò)延時100 多秒以后穩(wěn)定。（1）核心交換機的包接收率結(jié)果分析：圖5-4所示為交換機在剛開始的時候有一個100秒的延時用 來使設(shè)備初始化，在網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定后逐漸趨于一個定值之間波動。（2）核心交換機的包丟失率分析說明：圖5-4為交換機對數(shù)據(jù)包的丟失率。從圖形可以看出交換機的丟失率很低，趨近于零，說明交換機的性能很好。（3）匯聚層交換機的包接收率結(jié)果分析：圖5-5下圖為交換機在剛開始的時候有一個100秒的延時用來使設(shè)備初始化，然后接收數(shù)據(jù)速率就達到一個穩(wěn)定的速度，在網(wǎng)絡(luò) 運行穩(wěn)定后逐漸上升。（4）網(wǎng)絡(luò)HTTP頁面響應(yīng)時間結(jié)果分析：圖5-6第三圖所示為網(wǎng)絡(luò)在剛開始的時候有一個00秒的延 時，然后響應(yīng)時間沖到0.02s以上，之后趨向平穩(wěn)。6結(jié)論本文研究描述了一種科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)仿真方法，探討了OPNET仿真技 術(shù)，敘述了基于網(wǎng)絡(luò)仿真方法和OPNET軟件技術(shù)，測試了網(wǎng)絡(luò)仿真相 關(guān)流程和方法，并以某高校校園網(wǎng)為藍