CSMA-CD的OPNET仿真分析

1、CSMA/CD的OPNET仿真分析1實驗?zāi)康耐ㄟ^本次實驗課程，利用OPNET對CSMA這種信道訪問協(xié)議建模。通過在總線型信道上建立CSMA模型，來分析CSMA協(xié)議的共享信道訪問機(jī)制。掌握相關(guān)理論知識與學(xué)習(xí)使用OPNET軟件。2OPNET軟件介紹OPNET是一個網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能夠準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，在網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計。通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察、或者輸出到第三方的軟件包去。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有三個模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在電信、軍事、航天航空、系統(tǒng)集成、咨詢服務(wù)、大學(xué)、行政機(jī)關(guān)等方面

2、被廣泛應(yīng)用。2.1OPNET特點網(wǎng)絡(luò)仿真能夠為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)能夠迅速地建立起現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的模型，并能夠方便地修改模型并進(jìn)行仿真， 這使得網(wǎng)絡(luò)仿真非常適用于預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能，回答WHATIF這樣的問題。例如： 如果網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，骨干中繼鏈路帶寬需要擴(kuò)大多少？ 如果網(wǎng)絡(luò)上增設(shè)新的業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)性能有什么影響？網(wǎng)絡(luò)上的哪些鏈路或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要 升級和改造？ 如果網(wǎng)絡(luò)擬采用新的技術(shù)升級，網(wǎng)絡(luò)的性能會有多大幅度的改善？這種改善與投入相比 是否值得？同時新技術(shù)的引進(jìn)是否會帶來負(fù)面影響？網(wǎng)絡(luò)仿真能夠驗證實際方案或比較多個不同的設(shè)計方案。 在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計過程中經(jīng)常出現(xiàn)多個不同的設(shè)計方案，它們

3、往往是各有優(yōu)缺點，很難作 出正確的選擇，因此如何進(jìn)行科學(xué)的比較和取舍往往是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者們感到頭疼的事。網(wǎng) 絡(luò)仿真能夠通過為不同的設(shè)計方案建立模型，進(jìn)行模擬，獲取定量的網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測數(shù)據(jù) ，為方案的驗證和比較提供可靠的依據(jù)。這里所指的設(shè)計方案可以是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路 由設(shè)計、業(yè)務(wù)配置等等。OPNET 應(yīng)用程序性能管理解決方案可確保應(yīng)用程序在生產(chǎn)中有效執(zhí)行，系統(tǒng)具有充足的容量支持這些應(yīng)用程序，并且網(wǎng)絡(luò)可提供實現(xiàn)服務(wù)水平目標(biāo)的應(yīng)用程序功能。OPNET 解決方案提供了一種用于應(yīng)用程序性能管理的端到端方法。OPNET 用于及時準(zhǔn)確地了解網(wǎng)絡(luò)狀況的一流分析功能的基礎(chǔ)上，OPNET 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、運行和規(guī)劃解決方案又

4、在整個網(wǎng)絡(luò)管理生命周期內(nèi)提供了一組補(bǔ)充性功能，其中包括利用預(yù)測規(guī)劃和優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)審核和更改驗證以及快速故障排除。OPNET 網(wǎng)絡(luò)研發(fā)解決方案將高保真模型與業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的可擴(kuò)展模擬技術(shù)相結(jié)合，可促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新并加快網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備的研發(fā)。2.2OPNET層次建模OPNET中的建模工作在3種不同的環(huán)境中完成，提供了3層建模機(jī)制。最底層為進(jìn)程模型，由狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為節(jié)點模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。3層模型和實際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。2.2.1進(jìn)程建模(processm odeling)模擬單個對象的行為，使用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行建模。每個狀

5、態(tài)內(nèi)寫人任意的C/C+十代碼以及專門為協(xié)議編程設(shè)計的庫函數(shù)，用于定義節(jié)點內(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)圖來描述功能模塊內(nèi)的狀態(tài)和狀態(tài)間的控制流。2.2.2節(jié)點建模(nodem odeling)建立由相應(yīng)協(xié)議模型構(gòu)成的節(jié)點模型，該層建模將進(jìn)程建模中的各個進(jìn)程互限聯(lián)成設(shè)備，可以反映設(shè)備的特性。用于定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)和描述節(jié)點中模塊間的數(shù)據(jù)流。通過節(jié)點編輯器(node editor)可以描述協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)，并通過描述功能模塊之間的數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)器件或系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。2.2.3網(wǎng)絡(luò)建模(network modeling)負(fù)責(zé)將節(jié)點建模中建立起來的設(shè)備互聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，編輯網(wǎng)絡(luò)的

6、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過將模型庫中的各種通信實體拖放工作區(qū)可以方便地配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒖蓪υO(shè)備的屬性進(jìn)行設(shè)置。OPNET通過三層建模機(jī)制建立起來的三層模型和實際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)層次完全對應(yīng)，能全面反映實際網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。2.3OPNET Modeler仿真步驟使用Modele大體可以分為以下6個步驟：1) 配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?) 配置業(yè)務(wù)；3) 收集結(jié)果統(tǒng)計量；4) 運行仿真；5) 調(diào)試模塊再次仿真；6) 發(fā)布結(jié)果和拓?fù)鋱蟾妗?CSMA協(xié)議的基本思想該協(xié)議是在Aloha隨機(jī)信道訪問的基礎(chǔ)上增加了載波監(jiān)聽的功能。當(dāng)站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道；若站點發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽直至發(fā)現(xiàn)信道空閑

7、，然后完成發(fā)送；若產(chǎn)生沖突，該站等待一段隨機(jī)的時間，然后重新開始發(fā)送過程。在本協(xié)議中，當(dāng)一個站發(fā)現(xiàn)信道空閑時，它傳輸數(shù)據(jù)成功的概率為1。Carrier Sense Multiple Access，載波偵聽多路訪問。采用分布式控制方法，附接總線的各個結(jié)點通過競爭的方式，獲得總線的使用權(quán)。只有獲得使用權(quán)的結(jié)點才可以向總線發(fā)送信息幀，該信息幀將被附接總線的所有結(jié)點感知。包括以下三個要點：載波偵聽發(fā)送結(jié)點在發(fā)送信息幀之前，必須偵聽媒體是否處于空閑狀態(tài)；多路訪問具有兩種含義，既表示多個結(jié)點可以同時訪問媒體，也表示一個結(jié)點發(fā)送的信息幀可以被多個結(jié)點所接收；沖突檢測發(fā)送結(jié)點在發(fā)出信息幀的同時，還必須監(jiān)聽媒體

8、，判斷是否發(fā)生沖突（同一時刻，有無其他結(jié)點也在發(fā)送信息幀）。IEEE 802.3或者ISO 8802/3定義了CSMA/CD的標(biāo)準(zhǔn)。CSMA是載波檢測(偵聽)多路訪問，它檢測其他站的活動情況，據(jù)此調(diào)整自己的行為分為以下幾類：1)1-持續(xù)CSMA（1-persistent CSMA)：當(dāng)信道忙或發(fā)生沖突時，要發(fā)送幀的站,不斷持續(xù)偵聽，一有空閑便可發(fā)。其中，長的傳播延遲和同時發(fā)送幀，會導(dǎo)致多次沖突，降低系統(tǒng)性能?；舅枷耄涸搮f(xié)議是在Aloha隨機(jī)信道訪問的基礎(chǔ)上增加了載波監(jiān)聽的功能。當(dāng)站點有數(shù)據(jù)發(fā)送，先監(jiān)聽信道；若站點發(fā)現(xiàn)信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽直至發(fā)現(xiàn)信道空閑，然后完成發(fā)送；若

9、產(chǎn)生沖突，該站等待一段隨機(jī)的時間，然后重新開始發(fā)送過程。在本協(xié)議中，當(dāng)一個站發(fā)現(xiàn)信道空閑時，它傳輸數(shù)據(jù)成功的概率為1。2)非持續(xù)CSMA： 它并不持續(xù)偵聽信道,而是在沖突時：等待隨機(jī)的一段時間.它有更好的信道利用率，但導(dǎo)致更長延遲?；舅枷耄寒?dāng)一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先監(jiān)聽信道；如果信道空閑就立即發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙則放棄監(jiān)聽，隨機(jī)等待一段時間，再開始監(jiān)聽信道。非持續(xù)CSMA會減少發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致沖突的概率，但會使得數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的平均延時時間增加。3) p-持續(xù)CSMA：它應(yīng)用于分槽信道，按照P概率發(fā)送幀。即信道空閑時，這個時槽，欲發(fā)送的站P概率發(fā)送，Q=1-P概率不發(fā)送.若不發(fā)送，下一時槽仍空閑

10、,同理進(jìn)行發(fā)送。若信道忙則等待下一時槽，若沖動則等待隨機(jī)的一段時間，重新開始。p-持續(xù)CSMA用于時分信道，其基本思想是：當(dāng)一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先監(jiān)聽信道；如果信道忙則堅持監(jiān)聽到下一個時隙；如果信道空閑，便以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率1-p推遲到下一個時隙；如果下一個時隙信道仍然空閑，則仍以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率1-p推遲到下一個時隙；這樣一直持續(xù)下去，直到數(shù)據(jù)被發(fā)送出去，或因其他節(jié)點發(fā)送而檢測到信道貌岸然忙為止，若是后者，則等待一段隨機(jī)的時間后重新開始監(jiān)聽。p-持續(xù)CSMA的性能依賴于概率p的選取。以上都是對ALOHA的改進(jìn)，當(dāng)信道忙時，所有站都不傳輸幀。4)帶沖突檢測的CSMA(CSMA/

11、CD:CSMA with Collision Detection)：它一旦檢測到?jīng)_突，立即終止當(dāng)前傳輸中的幀，節(jié)省時間和帶寬，并等待一段時間，重新嘗試。它廣泛用于LAN中MAC子層，是當(dāng)前以太網(wǎng)LAN的基礎(chǔ)。其概念時間模型分為三個時期：傳輸周期，競爭周期和空閑周期。值得一提的是，監(jiān)聽的機(jī)制：傳輸數(shù)據(jù)時，他的硬件進(jìn)行監(jiān)聽電纜，如果讀回來的信息與發(fā)送的不一致，便知發(fā)送沖突了。這里，當(dāng)然需要一種特殊的信號編碼方案，能夠檢測出兩個OV信號沖突(或者在此沖突下，故意不檢測，因信號沒有損壞)。 在有線網(wǎng)中，沖突檢測的最核心內(nèi)容是幀碎片（即檢測到網(wǎng)絡(luò)中有小于這個大小的幀就認(rèn)為是幀碎片，因為傳輸兩端都在傳輸造

12、成沖突，兩端數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中都只有1部分）。在無線網(wǎng)中由于有隱藏結(jié)點（即每個結(jié)點不知道也不可能知道整個網(wǎng)絡(luò)的實時情況），因此無法“檢測”所以CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）載波偵聽多路訪問沖突檢測就應(yīng)運而生了，它是利用RTS/CTS（即類似TCP的握手協(xié)議）的應(yīng)答策略來保證在傳輸中結(jié)點不會再接受請求，從而解決了無線網(wǎng)中的沖突。4CSMA/CD模型設(shè)計4.1工作站節(jié)點模型設(shè)計網(wǎng)絡(luò)采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一個節(jié)點代表一個工作站。節(jié)點的模型設(shè)計如圖1所示。工作站節(jié)點模型：工作站節(jié)點包含四個處理器模塊，一個隊列模塊和一對收發(fā)信模塊。工作站節(jié)點模型實現(xiàn)了OSI數(shù)據(jù)鏈路

13、層的部分功能，即mac子層功能?？偩€發(fā)射機(jī)和總線接收機(jī)模型作為總線鏈路的接口。這兩個模型用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率10Mbit/s發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。sink模型表示更高層，它簡單的接收從mac傳輸來的數(shù)據(jù)包。defer模型獨立的監(jiān)視鏈路的狀態(tài)和標(biāo)記，mac從狀態(tài)線讀取不同值，這個值用來決定是否允許發(fā)射機(jī)進(jìn)行發(fā)送。bursty_gen模型表示更高層用戶，這個用戶向發(fā)射機(jī)提供數(shù)據(jù)。它通過ON/OFF模擬方式來控制包發(fā)送量。圖1 工作站節(jié)點模型mac模塊處理要接收和發(fā)送的包。接收到的包被解封并傳送到更高一層。要發(fā)送的包被封裝并且當(dāng)統(tǒng)計標(biāo)志從大的數(shù)值變?yōu)樾〉臄?shù)值時，一個包通過發(fā)射機(jī)發(fā)送出去。這個模型也檢測是

14、否發(fā)生了碰撞，假如發(fā)生一次，那么發(fā)信機(jī)就停止發(fā)送,并且稍后再從新發(fā)送。4.2進(jìn)程模型設(shè)計4.2.1mac進(jìn)程模型設(shè)計mac模塊的進(jìn)程用來管理發(fā)射和接收包。mac進(jìn)程模型設(shè)計如圖2所示。它可以分為三個功能：封裝并對要發(fā)送的包進(jìn)行排隊解封并傳送接收到的包決定是否重新進(jìn)行發(fā)送4.2.2eth_mac_intf進(jìn)程模型設(shè)計eth_mac_intf模塊把應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合mac處理的格式。它從數(shù)據(jù)源得到數(shù)據(jù)，標(biāo)志一個允許的目標(biāo)地址(假設(shè)是隨機(jī)的分配地址)，然后把數(shù)據(jù)送到mac模塊。它也同時接收從mac來的包，并把包傳送到更高一層的sink模塊。進(jìn)程設(shè)計如圖3所示。4.2.3defer進(jìn)程模型設(shè)計defe

15、r模塊用來判斷狀態(tài)標(biāo)志值是升高還是降低。標(biāo)志值被mac模塊讀取以用來決定發(fā)射機(jī)是否被允許發(fā)送或者信道是否被分配給另外的用戶。進(jìn)程模型設(shè)計如圖4所示。圖2 mac進(jìn)程模型圖3 eth_mac_intf進(jìn)程模型圖4 defer進(jìn)程模型4.3網(wǎng)絡(luò)模型建立為了對前面建立的節(jié)點進(jìn)行仿真,需要把它們放在網(wǎng)絡(luò)模型中，在網(wǎng)絡(luò)中我們建立一個有十個工作站的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，連路模型的數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbit/s，如圖5所示。5仿真結(jié)果與分析查看運行結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，雖然兩個圖形的趨勢是相同的，但是他們的縱坐標(biāo)表示是不一樣的。上面的統(tǒng)計圖是表示接收機(jī)在單位時間里成功收到的平均包數(shù)。從理論上來說，這種統(tǒng)計值僅僅計算了無碰撞包的比特數(shù)和在10Mbits/s信道下能到達(dá)的最大值。從圖上可以看出，吞吐量在仿真到40秒時開始變得穩(wěn)定，大約6