计算机仿真第2章仿真技术ppt课件

《计算机仿真第2章仿真技术ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机仿真第2章仿真技术ppt课件（97页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 第第2章章 仿真技术仿真技术 仿真技术是高科技发展的前沿，是可对各种问题仿真技术是高科技发展的前沿，是可对各种问题进行多学科综合研究的边缘科学。进行多学科综合研究的边缘科学。“仿真仿真”研究具有投资少、周期短、见效快、可研究具有投资

2、少、周期短、见效快、可控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于考虑多种因素的综合作用等优点。考虑多种因素的综合作用等优点。它可以避免一般研究方法由于难于考虑各种因素它可以避免一般研究方法由于难于考虑各种因素相互间的动态影响，使研究结果与实际情况相距相互间的动态影响，使研究结果与实际情况相距甚远的缺点，而且可以减少投资风险和避免造成甚远的缺点，而且可以减少投资风险和避免造成人力、资金的浪费。人力、资金的浪费。为此，发达国家在众多领域中广泛采用了仿真技为此，发达国家在众多领域中广泛采用了仿真技术。术。本资料由-校园大学生创业网-提供http:/ SCIE

3、NCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.1 定性仿真定性仿真定性仿真定性仿真(Qualitative Simulation)：以非数字手以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。述。定性仿真是系

4、统仿真的一个分支，是系统仿真与定性仿真是系统仿真的一个分支，是系统仿真与人工智能理论交叉产生的新领域。人工智能理论交叉产生的新领域。特点：特点：相对于传统的数字仿真，定性仿真有其独相对于传统的数字仿真，定性仿真有其独到之处：到之处：这种仿真能处理多种形式的信息。这种仿真能处理多种形式的信息。有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方式。式。人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。理解。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER

5、SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 三种理论方法：三种理论方法：模糊仿真方法、基于归纳学习的方模糊仿真方法、基于归纳学习的方法、朴素物理学方法。法、朴素物理学方法。模糊数学方法：模糊数学方法：可以解决模型信息与测量数据的不可以解决模型信息与测量数据的不确定性，所以在定性理论中一般用来作为一种描述确定性，所以在定性理论中一般用来作为一种描述手段。手段。归纳推理法：归纳推理法：定性仿真的一

6、个新方向，起源于通用定性仿真的一个新方向，起源于通用系统理论，主要利用其中的通用系统问题求解技术。系统理论，主要利用其中的通用系统问题求解技术。输入尽可能多的行为，通过归纳学习的方式，构造输入尽可能多的行为，通过归纳学习的方式，构造系统的定性模型，进行仿真研究。归纳推理法最突系统的定性模型，进行仿真研究。归纳推理法最突出的优势在于它完全不需要对象系统的结构信息，出的优势在于它完全不需要对象系统的结构信息，不需要预先提供任何模型。但是，这种方法需要采不需要预先提供任何模型。但是，这种方法需要采集大量的数据并处理和维护；而且，由于现实条件集大量的数据并处理和维护；而且，由于现实条件的限制，不能保证

7、归纳的完备性。的限制，不能保证归纳的完备性。朴素物理方法：朴素物理方法：在理论和应用上发展得最为成熟，在理论和应用上发展得最为成熟，它兴起于一些人工智能专家对朴素物理系统的定性它兴起于一些人工智能专家对朴素物理系统的定性推理研究。推理研究。定性仿真的三种理论方法定性仿真的三种理论方法 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIE

8、NCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 定性仿真的应用定性仿真的应用 定性仿真技术与物理、化工、生态、生物、社会定性仿真技术与物理、化工、生态、生物、社会等学科相互渗透、结合，在系统监测、故障诊断、等学科相互渗透、结合，在系统监测、故障诊断、系统行为分析、解释以及预测等方面发挥着越来系统行为分析、解释以及预测等方面发挥着越来越大的作用。越大的作用。国外文献报导较多而且应用取得成效比较明显的国外文献报导较多而且应用取得成效比较明显的应用领域主要有：工程和工业过程；电子电路分应用领域主要有：工程和工业过程；电子电路分析和故障诊断；医药和医疗诊断；社会经济领域。析和故障诊断；医药和医疗

9、诊断；社会经济领域。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.2 分布交互仿真分布交互仿真分布交互仿真分布交互仿真(DIS,distributed interactive simulation)：“采用协调一致的结构、标准、协采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过

10、局域网、广域网将分散在各地议和数据库，通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互联交互作用，并可人参与交互作用的仿真设备互联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环境。的一种综合环境。”作为仿真器联网的发展，分布交互仿真以网络为作为仿真器联网的发展，分布交互仿真以网络为基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿真器以及其他仿真设备连接为一个整体，形成一真器以及其他仿真设备连接为一个整体，形成一个在个在时间和空间时间和空间上一致的综合环境，实现平台与上一致的综合环境，实现平台与环境之间、平台与平台之间、环境与环境之间的环境之间、平台与平台之间、环境与环境

11、之间的交互作用和相互影响。交互作用和相互影响。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 分布。分布。地域上分布在各地或一个地区的不同单元，地域上分布在各地或一个地区的不同单元，各个单元之间通过网络连接，以达到共享一个综各个单元之间通过网络连接，以达到共享一个综合系统。合系统

12、。交互。交互。首先是人在回路仿真的互操作性，交互性还首先是人在回路仿真的互操作性，交互性还表现在各个平台之间、平台与环境之间的交互作表现在各个平台之间、平台与环境之间的交互作用，并有协调一致的结构标准和协议。用，并有协调一致的结构标准和协议。仿真。仿真。包括构造仿真、虚拟仿真和实况仿真。包括构造仿真、虚拟仿真和实况仿真。分布交互仿真的特点分布交互仿真的特点 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTE

13、R SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 分布式仿真的系统结构分布式仿真的系统结构 视景视景运动运动音响音响仿真器仿真器仿真器仿真器计算机计算机策略数据库策略数据库生成环境生成环境仿真器仿真器网络接口单元（网络接口单元（NIU）NIUNIU网桥、网关网桥、网关网关网关网关网关NIUNIUNIUNIULANLAN1LAN2LAN3WAN接口接口计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOM

14、PUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 （1）网络结构的选定：一般采用多个局域网、广）网络结构的选定：一般采用多个局域网、广域网互连，利用现有的网关、网桥、路由器域网互连，利用现有的网关、网桥、路由器，主主干网选择光纤分布数据接口（干网选择光纤分布数据接口（FDDI）（2）数据交换标准化）数据交换标准化（3）满足实时性要求）满足实时性要求（4）建立分布式数据库）建立分布式数据库（5）面向对象的建模与工具开发）面向对象的建模与工具开发（6）

15、动态场景的实时生成与显示）动态场景的实时生成与显示（7）控制策略与建模）控制策略与建模（8）模型的验证、确认、认可）模型的验证、确认、认可（9）实验控制与反馈）实验控制与反馈分布式仿真的技术关键分布式仿真的技术关键 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.3 虚拟仿真

16、虚拟仿真虚拟现实（虚拟现实（virtual reality）是一种由计算机全部）是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息。感官信息。如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物。物。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLO

17、GYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 虚拟现实系统框架虚拟现实系统框架（1）领域领域知识知识库库领域领域数据数据库库建模建模推理推理学习学习规划规划计算计算三维动画三维动画情感机制情感机制音响制作音响制作机械控制机械控制显示头盔显示头盔触觉手套触觉手套音效卡音效卡传动装置传动装置主机控制主机控制计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE

18、 AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 虚拟现实系统框架虚拟现实系统框架（2）计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 高性能计算机系统；高性

19、能计算机系统；三维视觉图像生成和立体显示系统；三维视觉图像生成和立体显示系统；立体音响生成与扬声系统；立体音响生成与扬声系统；力反馈触觉系统；力反馈触觉系统；人体姿态、头、手的位置测量跟踪系统，典型设人体姿态、头、手的位置测量跟踪系统，典型设备有头盔式跟踪显示器、数据手套等。备有头盔式跟踪显示器、数据手套等。虚拟现实系统的构成部分虚拟现实系统的构成部分计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER S

20、CIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 虚拟现实系统的特点虚拟现实系统的特点（1）多感知性：多感知性：感知视、听、触、嗅、味等多种感知视、听、触、嗅、味等多种信息能力信息能力（2）沉浸感：沉浸感：使用户与现实暂时脱离使用户与现实暂时脱离（3）交互性：交互性：用户可通过三维交互设备与系统实用户可通过三维交互设备与系统实时对话时对话（4）自主性：自主性：系统中的仿真体可以按照各种模型系统中的仿真体可以按照各种模型和规则自主运动和规则自主运动 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE A

21、ND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 （1）动态环境建模技术：动态环境建模技术：虚拟环境的建立，动态环虚拟环境的建立，动态环境的建立，视觉建模技术，行为特征建模境的建立，视觉建模技术，行为特征建模（2）快速三维图形生成技术：快速三维图形生成技术：提高刷新效率提高刷新效率（3）立体显示和传感器技术：立体显示和传感器技术：头盔重量，分辩率，头盔重量

22、，分辩率，延迟时间，跟踪精度，力觉、触觉传感器延迟时间，跟踪精度，力觉、触觉传感器（4）人机交互技术：人机交互技术：三维手势识别，语言识别与合三维手势识别，语言识别与合成，用户视线跟踪技术，表情识别与合成（智能成，用户视线跟踪技术，表情识别与合成（智能技术）技术）（5）系统集成与开发工具：系统集成与开发工具：虚拟世界数据库，三维虚拟世界数据库，三维人机交互界面人机交互界面虚拟现实的关键技术虚拟现实的关键技术 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCI

23、ENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 虚拟现实三要素虚拟现实三要素 虚拟现实三要素：虚拟现实三要素：沉浸、交互、构想沉浸、交互、构想 以虚拟现实技术创建的虚拟环境，以虚拟现实技术创建的虚拟环境，强调人参与其中强调人参与其中的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用，参与者从定性和定量综进行多维信息的交互作用，参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事合集成的虚拟环境

24、中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识，从而深化概念和建造新的物的感性和理性的认识，从而深化概念和建造新的构想和创意。构想和创意。虚拟技术是客观事物在计算机上的本质实现。客观虚拟技术是客观事物在计算机上的本质实现。客观事物包括人、物、环境以及它们之间的关系。例如，事物包括人、物、环境以及它们之间的关系。例如，人的决策行为和响应特性，物体的几何形状与物理人的决策行为和响应特性，物体的几何形状与物理特性（动力学、反射特性、声学特性、光照模型、特性（动力学、反射特性、声学特性、光照模型、物理约束）以及地形地貌、气象条件、背景干扰等物理约束）以及地形地貌、气象条件、背景干扰等环境。环境。计算

25、机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 虚拟技术应用虚拟技术应用 传统上，新型号、新产品的研制，都要先制造出几传统上，新型号、新产品的研制，都要先制造出几台样机，进行性能试验或试飞，周期长、耗资大。台样机，进行性能试验或试飞，周期长、耗资大。采用虚拟样机的概念，可以在虚拟环境

26、中进行设计、采用虚拟样机的概念，可以在虚拟环境中进行设计、性能测试与检验。性能测试与检验。传统上，部队的训练依靠实弹演习和打靶，成本高传统上，部队的训练依靠实弹演习和打靶，成本高.采用虚拟战场的概念，可以将分布在各地的部队通采用虚拟战场的概念，可以将分布在各地的部队通过联网仿真，构成同一时间同一地点的多武器平台过联网仿真，构成同一时间同一地点的多武器平台作战环境，用于训练部队。作战环境，用于训练部队。虚拟制造通过计算机虚拟模型对产品的设计、工艺虚拟制造通过计算机虚拟模型对产品的设计、工艺规程、加工制造、装配、调试以及生产过程的管理规程、加工制造、装配、调试以及生产过程的管理等进行仿真。等进行仿

27、真。采用虚拟技术还可构成采用虚拟技术还可构成“虚拟工厂虚拟工厂”、“虚拟企业虚拟企业”、“虚拟商业网虚拟商业网”等等。等等。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2.4 并发仿真工程并发仿真工程并发仿真工程：并发仿真工程：是为一体化实现物理系统的动态模是为一体化实现物理

28、系统的动态模型而设计的一种系统性工作模式。型而设计的一种系统性工作模式。该模式是在仿真工程的整个生命周期中实现子过程该模式是在仿真工程的整个生命周期中实现子过程与人的并发工作。与人的并发工作。它将经典的串行，交错实现的仿真工程变为有机、它将经典的串行，交错实现的仿真工程变为有机、并发、交叉、优化实现的并发仿真工程，使效率提并发、交叉、优化实现的并发仿真工程，使效率提高，成本降低，质量改善。高，成本降低，质量改善。并发性表现在：并发性表现在：子过程内部并发性（子模型并发建子过程内部并发性（子模型并发建模），子过程并发性。模），子过程并发性。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER

29、 SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 （1）协同作业；突出）协同作业；突出“人人”的作用，强调人的协同的作用，强调人的协同工作，各小组一同工作。工作，各小组一同工作。（2）一体化和并发地工作：一体化、并发地建模和）一体化和并发地工作：一体化、并发地建模和仿真实验，尤其是早期建模。仿真实验，尤其是早期建模。（3）重视用户需求。

30、）重视用户需求。并发仿真工程工作原理并发仿真工程工作原理 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 并发仿真工程实现要素并发仿真工程实现要素（1）一体化、有层次的行政指挥系统：一体化、有层次的行政指挥系统：规划、方规划、方案制定、机构调整、组织、实施、运行、维护案制定、机构

31、调整、组织、实施、运行、维护（2）任务小组群任务小组群（3）信息管理：信息管理：各类信息获取、表示、表现各类信息获取、表示、表现（4）支持环境：支持环境：支持并发运行支持并发运行（5）网络技术：网络技术：协议、网络管理、数据安全、网协议、网络管理、数据安全、网络测试工具络测试工具（6）数据库集成技术：数据库集成技术：工程数据库、面向对象数工程数据库、面向对象数据库技术据库技术（7）知识处理能力：知识处理能力：专家系统、神经网络、符号专家系统、神经网络、符号处理处理计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENC

32、E AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 知识处理中的专家系统结构知识处理中的专家系统结构 黑板：黑板：各模块共享的数据库，可与其他模块交换信息，存放当各模块共享的数据库，可与其他模块交换信息，存放当前问题的解决信息、结果与假设。前问题的解决信息、结果与假设。推理机制：推理机制：调度器启发知识，根据问题与规划求解解题关系，调度器启发知识，根据问题与规划求解解题关系，定义问题优先级，推理器使用知识库规划执

33、行待议事件。定义问题优先级，推理器使用知识库规划执行待议事件。知识库：知识库：记录规划，框架等信息，不同的知识表示方法组成不记录规划，框架等信息，不同的知识表示方法组成不同的知识库。同的知识库。真值维护系统：真值维护系统：维护系统假设与结果的一致性，避免推理过程维护系统假设与结果的一致性，避免推理过程重复和错误。重复和错误。解释器：解释器：向用户解释系统的行为，并记录推理轨道。向用户解释系统的行为，并记录推理轨道。学习机制：学习机制：从黑板中积累的中间结果进行学习，改进知识库和从黑板中积累的中间结果进行学习，改进知识库和数据库。数据库。知识获取知识获取总控总控用户接口用户接口用户用户推推理理机

34、机制制推理器推理器调度器调度器黑板黑板数据库管理数据库管理数据库数据库解解释释器器学学习习机机制制真真值值维维护护系系统统知识库管理知识库管理规划、语义网规划、语义网框架、典例框架、典例（知识库）（知识库）计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 并发仿真工程研究方向并发仿

35、真工程研究方向（1）体系结构：人的集成、项目功能集成、知识）体系结构：人的集成、项目功能集成、知识集成、工具集成集成、工具集成（2）基础技术：组织机制、决策支持系统、计算）基础技术：组织机制、决策支持系统、计算机辅助建模机辅助建模（3）仿真模型标准化）仿真模型标准化（4）知识处理技术）知识处理技术 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUT

36、ER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 网络仿真是一种新的网络规划和设计技术。网络仿真是一种新的网络规划和设计技术。它以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、它以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。2.5 网络仿真网络仿真计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUT

37、ER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 传统网络设计方法：传统网络设计方法：经验、试验和计算。经验、试验和计算。经验方法最为简便，不过其成效在很大程度上依经验方法最为简便，不过其成效在很大程度上依赖于规划设计者具有的网络设计经验，设计结果赖于规划设计者具有的网络设计经验，设计结果中的主观性成分比较突出。中的主观性成分比较突出。当网络规模较小、网络拓扑结构比较简单、网络当网络规模较小、网络拓扑结构比较简单、网络流量不大的时候，以经验为主、辅之以试

38、验和数流量不大的时候，以经验为主、辅之以试验和数学计算等手段进行网络规划设计是可行的。学计算等手段进行网络规划设计是可行的。这是因为网络设计者一般都具有比较丰富的中小这是因为网络设计者一般都具有比较丰富的中小型网络的设计经验和教训，而且网络较小时，网型网络的设计经验和教训，而且网络较小时，网络试验和数学估算比较容易进行，其结果也比较络试验和数学估算比较容易进行，其结果也比较可信。因此，以经验为主的网络设计方法被广泛可信。因此，以经验为主的网络设计方法被广泛地使用。地使用。1产生背景产生背景计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCO

39、MPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 传统网络设计方法缺点传统网络设计方法缺点 当网络规模越来越大时，网元类型不断增多、网络当网络规模越来越大时，网元类型不断增多、网络拓扑日趋复杂、网络流量也急剧增加，以经验为主拓扑日趋复杂、网络流量也急剧增加，以经验为主的网络设计方法的弊端此时就显现出来了。的网络设计方法的弊端此时就显现出来了。网络规划设计者相对来说网络规划设计者相对来说

40、缺乏大型网络的设计经验缺乏大型网络的设计经验，因此在设计过程中主观的成分更加突出；因此在设计过程中主观的成分更加突出；一般情况下，一般情况下，不可能不可能在网络设计阶段进行在网络设计阶段进行拟建网络拟建网络试验，从而无法获得设计所需的依据；试验，从而无法获得设计所需的依据；数学计算数学计算和估算方法对于大型复杂网络的应用往往和估算方法对于大型复杂网络的应用往往是是非常困难非常困难的，所得结果的可信性比较低的，所得结果的可信性比较低,特别是特别是对于包交换、统计复用的数据网络，情况更是如此。对于包交换、统计复用的数据网络，情况更是如此。因此，随着网络的不断扩充，越来越需要一种新的因此，随着网络的

41、不断扩充，越来越需要一种新的网络规划和设计手段来提高网络设计的客观性和设网络规划和设计手段来提高网络设计的客观性和设计结果的可靠性，降低网络建设的投资风险。网络计结果的可靠性，降低网络建设的投资风险。网络仿真技术正是在这种需求拉动下应运而生的。仿真技术正是在这种需求拉动下应运而生的。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIEN

42、CE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 2网络仿真技术及其特点网络仿真技术及其特点 定义：定义：网络仿真是一种利用网络仿真是一种利用数学建模数学建模和和统计分析统计分析的方法模拟网络的方法模拟网络行为行为，从而获取特定的，从而获取特定的网络特性网络特性参数参数的技术。的技术。数学建模：数学建模：包括网络建模（网络设备、通信链路包括网络建模（网络设备、通信链路等）和流量建模两个部分。等）和流量建模两个部分。模拟网络行为：模拟网络行为：是指模拟网络流量在实际网络中是指模拟网络流量在实际网络中传输、交换和复用的过程。传输、交换和复用的过程。网络特性参数：网络特性参数：包括网络全局性能统计

43、量、网络包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等，节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等，由此既可以获取某些业务层的统计数据，也可以由此既可以获取某些业务层的统计数据，也可以得到协议内部的某些特殊的参数的统计结果。得到协议内部的某些特殊的参数的统计结果。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIEN

44、CE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。依据。网络仿真技术能够迅速地建立起现有网络的模型，网络仿真技术能够迅速地建立起现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真，这使得网络并能够方便地修改模型并进行仿真，这使得网络仿真非常适合预测网络的性能，回答仿真非常适合预测网络的性能，回答“如果如果那那么么”这样的问题。这样的问题。网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案计方案（网络拓扑结构、路由设计、业务配置等）（网络拓扑结构、路由设计、业务配置等）

45、。在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案，它们往往是各有优缺点，仅凭主观判断，方案，它们往往是各有优缺点，仅凭主观判断，很难作出正确的选择。网络仿真能够通过为不同很难作出正确的选择。网络仿真能够通过为不同的设计方案建立模型，进行模拟，获取定量的网的设计方案建立模型，进行模拟，获取定量的网络性能预测数据，为方案的验证和比较提供可靠络性能预测数据，为方案的验证和比较提供可靠的依据。的依据。网络仿真技术特点网络仿真技术特点 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIE

46、NCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 网络仿真技术与传统网络设计方法关系网络仿真技术与传统网络设计方法关系 经验、试验经验、试验和和计算计算作为三种传统的网络设计方法，作为三种传统的网络设计方法，都具有其局限性。网络仿真技术和这三种方法结都具有其局限性。网络仿真技术和这三种方法结合在一起使用，可以弥补它们的不足。合在一起使用，可以弥补它们的不足。网络仿真是一种介于网络仿真是一种介于试验和计算之间

47、试验和计算之间的技术，它的技术，它通过建立实际系统的数学模型并按照相同的运行通过建立实际系统的数学模型并按照相同的运行机理模拟物理系统的动态行为，可以说网络仿真机理模拟物理系统的动态行为，可以说网络仿真是一种基于统计计算的模拟试验方法。是一种基于统计计算的模拟试验方法。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND

48、TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 四种网络设计方法的比较四种网络设计方法的比较 该表给出了经验方法、试验方法、理论计算和网该表给出了经验方法、试验方法、理论计算和网络仿真四种方法在可靠性、实现成本、可实现性络仿真四种方法在可靠性、实现成本、可实现性和适用的网络规模四个方面的比较。和适用的网络规模四个方面的比较。可以发现，网络仿真在以上四个方面基本上是经可以发现，网络仿真在以上四个方面基本上是经验方法、试验方法、理论计算三种方法的比较理验方法、试验方法、理论计算三种方法的比较理想的折衷，特别是在大型网络的规划和设计方面想的折衷，特别是在大型网络的规划和设计方面有比较明显的优势。有比较明显的优

49、势。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 网络设计基本原则网络设计基本原则 依据经验和计算进行初步的网络规划和设计依据经验和计算进行初步的网络规划和设计;对于经验和计算难以确定的问题，建立网络的仿对于经验和计算难以确定的问题，建立网络的仿真模型，通过仿真获取必要的设计依

50、据真模型，通过仿真获取必要的设计依据;如果需要且条件许可的话，可以搭建小型试验网如果需要且条件许可的话，可以搭建小型试验网络进行试验，对设计或仿真结果作进一步的验证；络进行试验，对设计或仿真结果作进一步的验证；对于多个不同的设计方案，建立各自的网络模型对于多个不同的设计方案，建立各自的网络模型进行必要的仿真，为方案的比较和选择提供依据。进行必要的仿真，为方案的比较和选择提供依据。利用网络仿真手段对完整的设计方案进行验证，利用网络仿真手段对完整的设计方案进行验证，检查是否达到预定的技术指标。检查是否达到预定的技术指标。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AN

51、D TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 网络仿真软件平台网络仿真软件平台 网络仿真软件可以分为高端和低端两类产品。网络仿真软件可以分为高端和低端两类产品。高端产品：高端产品：一般具有复杂的建模机制、比较完备的一般具有复杂的建模机制、比较完备的模型库、完善的外部接口、强大的功能并能够得到模型库、完善的外部接口、强大的功能并能够得到比较可靠的仿真结果，

52、主流产品基本上都来自美国比较可靠的仿真结果，主流产品基本上都来自美国公司，例如公司，例如OPNET、COMNET等。等。低端产品：低端产品：一般只有简单的建模机制、较小的模型一般只有简单的建模机制、较小的模型库、简单的外部接口，功能单一且仿真结果的可靠库、简单的外部接口，功能单一且仿真结果的可靠性较差，比较知名的产品也大都产自美国。性较差，比较知名的产品也大都产自美国。对于高端产品，不同产品的定位不同、采用的仿真对于高端产品，不同产品的定位不同、采用的仿真技术也有很大差异，因此呈现出不同的特点，也有技术也有很大差异，因此呈现出不同的特点，也有其各自不同的适用领域。主要有其各自不同的适用领域。主

53、要有COMNET和和OPNET。例如，例如，COMNET采用数学分析模拟方法，仿真效率采用数学分析模拟方法，仿真效率很高，但是无法得到有关网络和协议细节的结果。很高，但是无法得到有关网络和协议细节的结果。因此，因此，COMNET适用于网络高层性能的仿真。适用于网络高层性能的仿真。而而OPNET综合采用基于包的建模方法和数学分析的综合采用基于包的建模方法和数学分析的建模方法，既可以得到非常细节的模拟结果，也可建模方法，既可以得到非常细节的模拟结果，也可以获得比较快的仿真计算速度。以获得比较快的仿真计算速度。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECH

54、NOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 OPNET网络仿真软件网络仿真软件 OPNET网络仿真软件是目前世界上最先进的网络仿网络仿真软件是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台，近两年被第三方权威机构（如真开发和应用平台，近两年被第三方权威机构（如NETWORK WORLD等）评选为等）评选为“世界级网络仿真世界级网络仿真软件软件”第一名。第一名。OPNET

55、产品系列：产品系列：OPNET网络仿真软件由麻省理工网络仿真软件由麻省理工学院的几位教师在学院的几位教师在1986年创建，目前，该产品系列年创建，目前，该产品系列主要包括以下主要包括以下四个产品：四个产品：网络规划设计工具。网络规划设计工具。不具有网络节点和协议建模功能，不具有网络节点和协议建模功能，仅限于基于基本模型库的网络建模和模拟。能够自仅限于基于基本模型库的网络建模和模拟。能够自动地读入网络的拓扑结构和流量数据。动地读入网络的拓扑结构和流量数据。网络仿真平台。网络仿真平台。支持在网络各个层次的设备、链路和支持在网络各个层次的设备、链路和协议的精确建模，并提供丰富的外界开发接口。协议的精

56、确建模，并提供丰富的外界开发接口。无线和移动网络仿真支持工具。无线和移动网络仿真支持工具。目前包括移动电话、目前包括移动电话、卫星、无线卫星、无线LAN等。等。辅助仿真工具。辅助仿真工具。在模型网络环境中验证硬件的设计在模型网络环境中验证硬件的设计.计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY

57、吉林大学吉林大学 OPNET模型模型 三个层次：三个层次：Network、Node和和Process。Network模型：模型：是最高层次的模型，由网络节点是最高层次的模型，由网络节点（Node）和连接网络节点的通信链路（）和连接网络节点的通信链路（link）组）组成，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结成，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。构。Node模型：模型：由协议和连接元件组成。由协议和连接元件组成。Process模型：模型：由有限状态机来描述，有限状态由有限状态机来描述，有限状态机用机用C语言编程。语言编程。用户可以在上述三个层次的任何地方切入编程，用户可以在上述三个层次的

58、任何地方切入编程，建立所需的建立所需的Network、Node或或Process模型。模型。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 OPNET建模机制建模机制 OPNET采用采用基于包基于包的建模机制（的建模机制（Simulation on packet level），模

59、拟实际物理网络中），模拟实际物理网络中packet的流的流动，包括在网络设备间的流动和网络设备内部的动，包括在网络设备间的流动和网络设备内部的处理过程，模拟实际网络协议中的组包和拆包的处理过程，模拟实际网络协议中的组包和拆包的过程，可以生成、编辑任何标准的或自定义的过程，可以生成、编辑任何标准的或自定义的packet格式，利用格式，利用DEBUG功能，还可以在模拟功能，还可以在模拟过程中察看任何特定的过程中察看任何特定的packet的包头（的包头（Header）和净荷（和净荷（Payload）的内容。）的内容。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND T

60、ECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 OPNET模拟机理模拟机理 OPNET采用采用离散事件驱动离散事件驱动的模拟机理（的模拟机理（discrete event driven），其中），其中“事件事件”是指网络状态的是指网络状态的变化，也就是说，只有网络状态发生变化时，模变化，也就是说，只有网络状态发生变化时，模拟机才工作，网络状态不发生变化的时间段不

61、执拟机才工作，网络状态不发生变化的时间段不执行任何模拟计算，即被跳过。行任何模拟计算，即被跳过。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。计算效率得到很大提高。OPNET具有丰富的具有丰富的统计量收集和分析统计量收集和分析功能。它功能。它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，并有多种统计参数的采集和处理方法，还可数，并有多种统计参数的采集和处理方法，还可以通过底层网络模型编程，收集特殊的网络参数。以通过底层网络模型编程，收集特殊的网络参数。OPNET还有丰富的图表显示和编辑功能、模

62、拟还有丰富的图表显示和编辑功能、模拟错误提示和告警功能，能够方便地编制和输出仿错误提示和告警功能，能够方便地编制和输出仿真报告。真报告。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 从应用层次，分两个方面：从应用层次，分两个方面：1）开发或评价新的网络协议和设备）开发或评价新的

63、网络协议和设备2）网络的规划和设计）网络的规划和设计从网络类型，包括：从网络类型，包括：1）LAN/WAN（局域网（局域网/广域网）广域网）2）Cellular Technologies（网元技术）（网元技术）3）Wireless package messaging service（无线包信息服务）（无线包信息服务）4）Wireless LAN technologies（无线局域网技术）（无线局域网技术）5）Tactical battlefield communication networks（战区通信网络）（战区通信网络）6）Satellite communication（卫星通信）（卫星通

64、信）3网络仿真技术的主要应用网络仿真技术的主要应用计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 4OPNET应用的主要步骤应用的主要步骤 收集和消化网络工程设计文档。收集和消化网络工程设计文档。网络仿真必须基网络仿真必须基于对仿真网络的全面和深入的了解。于对仿真网络的全面和深入

65、的了解。主要主要包括：包括：1）网络拓扑结构；）网络拓扑结构；2）网络协议和标准；）网络协议和标准；3）网络设备；）网络设备；4）网络链路；）网络链路；5）网络应用及其流量特性。）网络应用及其流量特性。计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY吉林大学吉林大学 4OPNET应用的主要步骤应用

66、的主要步骤 建立网元模型。建立网元模型。对于基本模型库中已有的网络设对于基本模型库中已有的网络设备，根据网络设备的接口配置对现有模型进行修备，根据网络设备的接口配置对现有模型进行修改，优化网络设备模型；对于基本模型库中没有改，优化网络设备模型；对于基本模型库中没有的网络设备，需要开发新的网络设备模型；有时的网络设备，需要开发新的网络设备模型；有时还需要针对不同的仿真需要，建立一个网络设备还需要针对不同的仿真需要，建立一个网络设备的多个不同的模型版本。的多个不同的模型版本。建立网络模型。建立网络模型。建立网络模型就是在所需的网元建立网络模型就是在所需的网元模型建立好后，依据仿真网络，建立起网元模型模型建立好后，依据仿真网络，建立起网元模型之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统映射之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统映射为为OPNET网络模型网络模型.计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGYCOMPUTE