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1、基于 OPNET 的网络仿真设计摘摘 要：要：网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获取特定的网络特性参数的技术。探讨了 OPNET 的关键仿真技术，并介绍使用OPNET 进行网络仿真的工作流程，以及对某高校校园网进行了仿真设计，对仿真结果进行了分析。关键词：关键词：网络仿真，OPNET，校园网Network Based on OPNET SimulationAbstractNetwork simulation is a mathematical modeling and statistical analysis of the simulation of network
2、behavior to obtain the characteristic parameters of specific network technologies. Discusses the key OPNET simulation technology, and describes the network using the OPNET simulation workflow, as well as a campus network conducted a simulation design, simulation results are analyzed.Keywords: Networ
3、k simulation, OPNET, campus network目录1 引言.12 网络仿真概述.13 OPNET 仿真系统核心技术.23.1 离散事件仿真机制 .23.2 仿真调度机制 .33.3 建模通信机制 .34 OPNET 在网络规划设计的步骤及应用流程.34.1 收集网络工程设计文档 .44.2 建立网元模型 .44.3 建立网络模型 .44.4 建立网络流量模型 .44.5 仿真设计和仿真计算 .44.6 查看、结果分析并提交仿真报告 .45 OPNET 在某校园网的仿真应用.55.1 网络拓扑 .55.2 业务配置 .65.3 仿真结果的分析总结 .75.3.1 收集统计
4、量.75.3.2 仿真设置.75.3.3 运行仿真.76 结束语.11参考文献.12- 1 -1 引言对于园区网络，在建设网络、开展网上业务之前，需要对配置的网络设备、所采用的网络技术、承载的网络业务等方面的投资进行综合分析和评估，提出性价比最优的解决方案。无论是构建新网络，还是升级改造现有网络，或者测试新协议，都需要对网络的可靠性和有效性进行客观的评估，从而降低网络建设的投资风险，提高网络的性能。网络仿真是一种有效的网络研究工具，它以系统理论、形式化理论、随机过程和统计学理论、优化理论为基础，在设计阶段，仿真方法提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，通过对不同环境和工作负荷的分析和比较
5、，来优化系统的性能。随着网络新技术的不断出现和数据网络的日趋复杂，对网络仿真技术的需求必将越来越迫切，网络仿真的应用也将越来越广泛，网络仿真技术已成为研究、规划、设计网络不可缺少的工具。目前在计算机网络仿真软件中，较为突出的是 OPNET 系列仿真平台。作为网络规划、仿真及分析工具的高端产品，OPNET 在通信、国防及数据网络领域已经被广泛认可和采用。目前 OPNET 的应用在国内还处于起步阶段，因此 OPNTE 具有很重要的研究、应用价值。2 网络仿真概述系统仿真技术是以相似原理、数学模型、统计分析以及仿真应用领域的有关专业为基础，以计算机系统及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行
6、研究、分析、实验与运行的一门多学科的综合性技术。在各类应用的需求及有关学科技术的推动下，系统仿真技术己经构成一个综合性的专业技术体系。系统仿真本质上是一种知识处理过程，典型的系统仿真过程包括系统模型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真实验和数据分析处理等，它涉及多学科领域的知识和经验。网络仿真的主要应用于新的网络协议和设备的开发、评价和网络规划设计。网络仿真能迅速建立起网络模型，方便地修改模型，适用于预测网络性能、容量规划、故障分析、端到端性能分析、指导新网络建设等。系统仿真的基本流程如图 2.1 所示。- 2 -图 2.1 系统仿真的基本过程3 OPNET 仿真系统核心技术3.1 离散事件
7、仿真机制OPNET 采用基于离散事件驱动的模拟机理（其中事件是网络状态的变化） 。只有网络状态发生变化，模拟机才工作，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。因此，与时间驱动相比，离散时间驱动的模拟机计算效率得到很大提高。仿真核心实际上为离散时间驱动的事件调度器，它对所有进程模块希望完成的时间和计划该事件发生的时间进行列表和维护。事件调度器主要维护一个具有优先级的队列，它按照时间发生的事件对其的工作进行排序，并遵循先进先出顺序执行时间。而仿真中的各个模块之间的通信主要依靠传递包的方式来实现。- 3 -3.2 仿真调度机制在 OPNET 中使用基于事件列表的调度机制，合理安排调度
8、事件，以便执行合理的进程来仿真网络系统行为。调度的完成通过仿真软件的仿真核和仿真工具模块以及模型模块来实现。3.3 建模通信机制在 OPNET 仿真软件中，大部分的模型都可以归结为一个由若干相互通信组成的分布式子系统。子系统之间的交互依赖于通信资源，以支持命令、质询和一般信息的交换。这些方式包括数据报的通信机制、通信链路机制、应用接口控制信息（IC）I 通信机制和统计线通信机制。4 OPNET 在网络规划设计的步骤及应用流程OPNET 网络仿真软件应用于网络规划设计的流程见图 4.1。图 4.1 网络仿真流程- 4 -4.1 收集网络工程设计文档网络仿真必须基于对仿真网络全面和深入的了解，主要
9、包括：网络拓扑结构、网络协议和标准、网络设备、网络链路、网络应用及其流量特性。4.2 建立网元模型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，有时还需要针对不同的仿真需要，建立一个网络设备多个不同的模型版本。4.3 建立网络模型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之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统映射为 OPNET 网络模型。对于现有网络，通过网管 HP Open view 的 NNM 读入网络 IP 拓扑，然后在 IP 拓扑中手工加入第二层网络设备，例
10、如交换机等。对于升级后的网络，在现有网络模型的基础上，手工修改网络拓扑或添加网络设备。对于新建网络，完全手工建立网络模型。4.4 建立网络流量模型OPNET 中，网络流量分为背景路由流量（Background rout-ed traffic） 、背景利用率流量（Background utilization traffic）和前景业务流量（Application traffic） 。4.5 仿真设计和仿真计算选择仿真过程中要收集的网络性能统计参数。4.6 查看、结果分析并提交仿真报告对于统计数据，可直接通过菜单栏中的“view results”来查看。以上是网络仿真技术在网络规划设计应用中的典型
11、流程，在实际操作中，- 5 -一般不可能经过一个仿真的流程就达到仿真的目的，而往往需要多次的反复。因此，上述步骤或其中的部分步骤会多次重复，具体的网络仿真流程需要根据具体的仿真需要和其它具体视情况决定。5 OPNET 在某校园网的仿真应用5.1 网络拓扑网络设备和网络链路共同构成了网络系统的拓扑结构。设备通过链路相互连接，实行了信息的传送。同时，这些通信设备的连接组合构成了子网，而子网可以进一步包含更低层的子网，从而构成多层子网。OPNET 通过子网来表示实际网络的拓扑结构，为建模提供了极大的自由度和便捷性。OPNET 软件中提供了许多网络元素，按照实际网络组成部分进行建模。某高校校园网采取核
12、心、汇聚、接入 3 层网络结构网络，4 台点对点链接的高端交换机组成的核心层，由路由器和交换机构成汇集层，通过用以连接用户的低端交换机和接入点构成接入层；网络拓扑结构如图 5.1。- 6 -图 5.1 在 OPNET 上实现的网络拓扑结构图 5.2 为子网东区宿舍和西区宿舍的内部结构，汇聚 switch 通过千兆光纤连接到核心交换机 switch3 和 switch4 上。接入交换机和汇聚交换机之间采用千兆双绞线连接，再通过百兆双绞线连接到终端，即连接到学生所用的端口。在OPNET 中仿真中，由于本次设计主要为测试核心交换机性能，对子网工作站的表现要求不高，因此采用 LAN 节点代替终端，减少
13、了仿真事件，缩减仿真时间。图 5.2 子网东区宿舍和西区宿舍内部结构5.2 业务配置校园网主要以教学科研为主要目的，所以主要涉到的业务主要有：FTP 文件下载业务，HTTP 网页浏览业务，Email 电子邮件业务等。这些业务主要都是端对端的业务，都是以工作点访问服务器从而获得某种服务的方式完成的，所以需要配置端对端业务。由于网络接入了大量的用户群，对于不同的用户，其网络业务也是不同的，例如对于学生宿舍的用户来说，主要的网络业务为Email、http 和 ftp。对办公楼，实验楼分别进行 Email、http，Database 设置。对图书馆进行 http，Database 设置。对教学楼进行
14、http，Telent Session 设置。- 7 -对宿舍区进行 Email、http 和 ftp 设置。对医院进行 http，Database 设置。5.3 仿真结果的分析总结对所设计的网络拓扑图进行运行仿真。5.3.1 收集统计量收集的统计量主要有交换机和局域网的参数：其中交换机的参数有：Traffic Received（bitssec）代表交换机的数据接收速率；Traffic Dropped（pacikets）代表交换机对数据包的丢弃率；局域网的参数有：Ehtemet Delay（sec）代表局域网的延迟时间；http 的 Traffic Received（bitssec）5.3.2
15、 仿真设置（1）选择优化方针核心：优化方针核心有 development（调试）和optimized（优化）两种，调试状态的仿真核心收集方针信息，这些信息可以用来调试模块。而优化仿真核心使运行速度加快。我们在这里选择的是调试仿真核心。（2）选择运行方针的时间：运行仿真时间这里设置成 1h。即模拟执行一小时的仿真。5.3.3 运行仿真运行仿真，等仿真结束后点击 Close 关闭对话框。在网络仿真结束后，下面我们对仿真的结果进行说明和分析：（1） 以太网的网络延迟- 8 -图 5.3 以太网的网络延迟曲线网络在 1min40s 趋向平稳，稳定在 0.00042 秒左右。说明网络延时 100 多秒以
16、后稳定。（2） 核心交换机的包接收率图 5.4 核心交换机的包接收率- 9 -结果分析：交换机在刚开始的时候有一个 100 秒的延迟用来使设备进行初始化，然后接受数据速率冲到 970 000bitsec 以上，在网络运行稳定后逐渐趋于 350 000bitssec 左右。（3） 核心交换机的包丢失率图 5.5 核心交换机的包丢失率曲线分析说明：图 5.5 为交换机对数据包的丢失率。从图形可以看出交换机的丢弃率很低，趋于零，说明交换机的性能很好。（4） 汇聚层交换机的包接收率- 10 -图 5.6 汇聚层交换机的包接收率曲线结果分析：交换机在刚开始的时候有一个 100 秒的延迟用来使设备进行初始
17、化，然后接受数据速率冲到 350 000bitsec 以上，在网络运行稳定后逐渐上升。（5） 网络 HTTP 页面响应时间- 11 -图 5.7 网络 HTTP 页面响应时间结果分析：网络在刚开始的时候有一个 100 秒的延迟，然后响应时间冲到0.053s 以上，之后趋向平稳。6 结束语本文研究描述了一种科学的网络仿真方法，探讨了 OP-NET 仿真技术，叙述了基于上述网络仿真方法和 OPNET 软件技术，测试了网络仿真相关流程和方法，并以某高校校园网为蓝本进行了仿真设计，为网络仿真提供了系统知识。由于校园网络还不是很复杂，网络节点还不是很多，对于怎样将 OPNET 应用于大型网络和复杂网络，
18、特别是如何解决遇到的项目技术问题，仍需要进一步深入研究和探讨。- 12 -参考文献1符浅浅.校园网方案分析与设计D 重庆：重庆大学，2005.2DJOSEPH，HRALPH，RZHI，et al.Modeling and simulation ofading and pathloss in OPNET for range communicationsJ.2007 IEEE Radio and Wireless Symposium，RWS，2007：407410.3张曾科，阳宪惠计算机网络M.北京：清华大学出版社，2007.4蒋丽影，惠晓威，章永来OPNET 的网络仿真机制及仿真建模方法J 中国新通信，2006（15） 5伍俊洪，杨洋，李惠杰，等网络仿真方法和 OPNET 仿真技术J计算机工程，2004（5） 6陈敏OPNET 与网络仿真M 北京：清华大学出版社，2004.
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