通信網(wǎng)絡(luò)仿真

1、目錄1 緒論1.1 設(shè)計的背景目前， 現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的仿真，智能化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化以及管理成為通信領(lǐng)域的熱點問題。OPNET 這一網(wǎng)絡(luò)仿真工具為解決通信網(wǎng)絡(luò)（包括固定網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）仿真和優(yōu)化以及網(wǎng)絡(luò)高效的管理提供了整套解決方案，是網(wǎng)絡(luò)仿真分析領(lǐng)域出類拔萃的軟件。包交換兼有電路交換和報文交換的優(yōu)點，如包交換比電路交換的線路利用率高、 比報文交換的傳輸時延小交互性好等，使得包交換網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國外， 網(wǎng)絡(luò)仿真方面的研究已有二十多年的歷史，覆蓋各個領(lǐng)域。而國內(nèi)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)仿真起步較晚，但近幾年發(fā)展迅猛。在包交換網(wǎng)絡(luò)仿真方面，利用OPNET Modeler 平臺進(jìn)行的仿真測

2、試對包交換網(wǎng)絡(luò)性能的進(jìn)一步提高起到顯著的作用。在復(fù)雜多樣的SME 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，相關(guān)研究缺乏，既使是已解決的部分技術(shù)項目，仍有進(jìn)一步深入研究的必要。因而，研究包交換網(wǎng)絡(luò)中OPNET 的仿真應(yīng)用是一個富有挑戰(zhàn)性的課題。1.2 設(shè)計的目的及意義本課程設(shè)計主要研究SME 包交換網(wǎng)絡(luò)中OPNET 的仿真應(yīng)用，即借助OPNET仿真平臺來研究包交換網(wǎng)絡(luò)的性能。本文中將主要解決如何使用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)仿真工具進(jìn)行SME 包交換網(wǎng)絡(luò)的性能分析，并在分析的基礎(chǔ)處，能找出現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在的不足，從而設(shè)計出更適合SME 包交換網(wǎng)絡(luò)的方案。在學(xué)習(xí)通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)通信網(wǎng)仿真方面的專業(yè)軟件，對進(jìn)一步掌握通信網(wǎng)絡(luò)的性能有實踐意義

3、。掌握使用OPNET 軟件對以后的畢業(yè)設(shè)計及畢業(yè)后從事網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)域的工作有很大的幫助。1.3 設(shè)計的基本思路及文章組織本文在 OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上，首先對一個簡單的SME 包交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析，然后對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級擴(kuò)展、引入新業(yè)務(wù)并進(jìn)行可行性分析。在此基礎(chǔ)上提出適合SME 包交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案。全文共分為6 部分：第一部分緒論，主要介紹了設(shè)計背景、目的、 意義以及設(shè)計的基本思路和文章安排。第二部分是仿真軟件OPNET 的相關(guān)介紹。第三部分是包交換網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念及性能指標(biāo)介紹。第四部分是簡單SME 包交換網(wǎng)絡(luò)的仿真分析。第五部分是設(shè)計總結(jié)。2 仿真軟件OPNET 介紹OPNET是專業(yè)

4、的網(wǎng)絡(luò)建模和仿真軟件提供商，OPNET提供的解決方案已經(jīng) 得到全球數(shù)以千計用戶的實踐驗證，包括政府部門和國防機(jī)構(gòu)、集團(tuán)企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商和網(wǎng)絡(luò)研發(fā)機(jī)構(gòu)等。OPNET Modeler 自 1987 年誕生起一直是防御網(wǎng)絡(luò)的M&S 標(biāo)準(zhǔn)。另外，OPNET 提供網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)最優(yōu)的解決方案，涵蓋業(yè)務(wù)性能排錯、業(yè)務(wù)部署規(guī)劃、 系統(tǒng)處理能力規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)配置審計、網(wǎng)絡(luò)容量和冗余性規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)等。2.1 OPNET Modeler 仿真平臺簡介OPNET Modeler是通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)環(huán)境，它可以靈活性的用于設(shè)計和研究通信網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備及通信協(xié)議。OPNET Modeler 為開發(fā)人員

5、提供了建模及仿真以分析集成環(huán)境，減輕了編程以及數(shù)據(jù)分析的工作量。OPNETModeler的面向?qū)ο蟮慕７椒ê蛨D形化的編輯器反映了實際網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)組件的 結(jié)構(gòu)，實際的系統(tǒng)可以直觀的映射到模型中。OPNET Modeler支持所有網(wǎng)絡(luò)類型 和技術(shù)。作為業(yè)界廣泛應(yīng)用白系統(tǒng)開發(fā)平臺，OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)有以下主要特點：(1) 能夠為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)。(2) 能夠驗證實際方案或比較多個不同的設(shè)計方案。(3) OPNET Modeler能夠準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。(4) OPNET允許用戶使用FSM (有限狀態(tài)機(jī))開發(fā)自己的協(xié)議，并提供了 豐富的C語言庫函數(shù)。OP

6、NET還提供EMA (外部模塊訪問)接口，方便用戶 進(jìn)行二次開發(fā)。(5) OPNET支持面向?qū)ο蟮恼{(diào)試。(6) OPNET可運行在SUN、HP、Windows NT等多種工作站平臺上。2.2 OPNET Modeler 仿真流程OPNET Modeler系統(tǒng)級仿真的基本流程如圖 2.1示圖2.1 OPNET Modeler仿真流程3包交換網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)3.1 包交換和包交換網(wǎng)絡(luò)3.1.1 包交換的概念包交換(Packet Switching)也稱分組交換，它是將用戶傳送的數(shù)據(jù)劃分成一 定的長度，每個部分叫做一個分組，在每個分組的前面加上一個分組頭，用以指明該分組發(fā)往何地址，然后由交換機(jī)根據(jù)每個分

7、組的地址標(biāo)志，將其轉(zhuǎn)發(fā)至目的地，這一過程也稱為分組交換。3.1.2 包交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行包交換的通信網(wǎng)稱為包交換網(wǎng)絡(luò)。IP網(wǎng)絡(luò)就是典型的包交換網(wǎng)絡(luò)，三 層設(shè)備完成的工作就是包交換。包交換(也稱分組交換)實質(zhì)上是在“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它兼 有電路交換和報文交換的優(yōu)點。分組交換網(wǎng)傳送按一定長度分割為許多小段的數(shù) 據(jù)分組。每個分組標(biāo)識后，在一條物理線路上采用動態(tài)復(fù)用的技術(shù)， 同時傳送多 個數(shù)據(jù)分組。把來自用戶發(fā)端的數(shù)據(jù)暫存在交換機(jī)的存儲器內(nèi)， 接著在網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)。到達(dá)接收端，再去掉分組頭將各數(shù)據(jù)字段按順序重新裝配成完整的報文。分組交換比電路交換的電路利用率高，比報文交換的傳輸時延小，交互性好。3.2

8、 包交換網(wǎng)絡(luò)常用性能指標(biāo)3.2.1 網(wǎng)絡(luò)延遲網(wǎng)絡(luò)延遲，在傳輸介質(zhì)中傳輸所用的時間，即從報文開始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)到它開始離開網(wǎng)絡(luò)之間的時間。網(wǎng)絡(luò)延遲的大小影響應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上的運行效率的高低，對一些對實時性敏感的應(yīng)用程序而言其影響更大。如：IP語音系統(tǒng)（VoIP）和視頻點播系統(tǒng)（VOD）。為達(dá)到用戶期望的語音和視頻質(zhì)量，要求盡可能小的端到端延遲時間。3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率，在數(shù)值上等于每秒傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制比特數(shù)，單位為比特/秒（bit/second）,記作bps。在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，人們總是以“帶寬”來表示信道的數(shù)據(jù)傳輸速率， “帶寬”與“速率”幾乎成了同義詞。信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率

9、的關(guān)系可以奈奎斯特準(zhǔn)則與香農(nóng)定律描述。3.2.3 吞吐量吞吐量是指在沒有幀丟失的情況下，交換設(shè)備能夠接收的最大速率。端口吞吐量是指端口包轉(zhuǎn)發(fā)能力，通常使用包 /秒（packets/second來衡量，它是路由器在某端口上的包轉(zhuǎn)發(fā)能力。3.2.4 資源利用率資源利用率是指網(wǎng)絡(luò)資源的有效工作時間占整個工作時間的百分比。它是網(wǎng)絡(luò)資源使用頻度的動態(tài)度量，也是衡量網(wǎng)絡(luò)性能價格比的關(guān)鍵參數(shù)。資源利用率包括各種網(wǎng)絡(luò)部件的利用率，如信道利用率、內(nèi)存利用率、CPU利用率、 網(wǎng)絡(luò)利用率等。通過分析各個網(wǎng)絡(luò)部件的利用率就可以知道網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸在哪里。另外， 資源利用率也是預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能變化的最有效途徑。從經(jīng)驗數(shù)據(jù)來看，

10、CPU利用率最好在30%40%,超過這個范圍，網(wǎng)絡(luò)性能會急劇下降；網(wǎng)絡(luò)利用率大約為30%70%時，可保證有突發(fā)業(yè)務(wù)時仍有足夠的帶寬可用。3.2.5 丟包率網(wǎng)絡(luò)丟包率是指在一個特定時間間隔內(nèi)，從客戶機(jī)到服務(wù)器間往返過程中丟失的數(shù)據(jù)包占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的百分比。數(shù)據(jù)包丟失一般是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。丟包率一般在0%15%間變化。丟包率超過15%的可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用。但需要注意的是，少量的丟包率并不一 定表示網(wǎng)絡(luò)故障，因為很多業(yè)務(wù)在少量丟包的情況下也能繼續(xù)進(jìn)行。如一些實時性應(yīng)用或流媒體業(yè)務(wù)，可以忍受一定量的丟包，并且也不需重發(fā)丟失的包；另外， TCP協(xié)議正是通過檢測丟包率以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。3.2.6 可靠性與

11、可用性可靠性是指在一定時間內(nèi)系統(tǒng)能正常工作的概率； 可用性，是指在某特定時 間段內(nèi)，系統(tǒng)能正常工作的時間占總時間的百分比。 與前面所闡述的動態(tài)指標(biāo)不 同，可靠性和可用性是一種靜態(tài)指標(biāo)。可靠性通常用平均無故障時間(MTBF , Mean Time Between Failures)表示。 顯然，MTBF值越大，系統(tǒng)可靠性越高。為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)中對關(guān)鍵 部件往往通過設(shè)置冗余備份。可用性通常用平均修復(fù)時間(MTTR , Mean Time to Recovery)表示。故障次 數(shù)少但出現(xiàn)故障后修復(fù)時間長或故障次數(shù)多每次故障修復(fù)時間短， 這兩種情況都 是用戶所無法接受的。最理想的情況是 MT

12、BF值大，而MTTR值小，即可靠性 高，一般不出現(xiàn)故障，一旦出現(xiàn)故障能快速修復(fù)。4簡單SME包交換網(wǎng)絡(luò)仿真分析4.1建立簡單SME包交換網(wǎng)絡(luò)運行OPNET程序，選才F File一New,在下拉列表框中選擇project,點擊OK 確定；新建項目名稱為 Enterprise,場景名稱SME_Network,如圖4.1示。Frcjject najne： NyFr-JEgxuHo name： SHEPacketsSwi tch4 Ijse Star tup Yfi iard when creating new scenario;QK I el圖4.1創(chuàng)建項目名和場景名4.1.1 啟動向?qū)в脩粜陆ㄒ粋€

13、項目后，ONPET自動彈出啟動向?qū)?Startup Wizard),指導(dǎo)用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)位置、大小等場景信息的設(shè)置在本項目中，可以按照下圖完成對網(wǎng)絡(luò)的配置，完成后單擊Finish按鈕結(jié)束圖4.2創(chuàng)建空場景圖4.3創(chuàng)建SME網(wǎng)絡(luò)圖4.4設(shè)置SME網(wǎng)絡(luò)尺寸接下來可以不選擇任何模塊家族，最后一項檢查確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。在啟動向?qū)е型瓿蓪W(wǎng)絡(luò)背景信息的配置后，ONPET按照啟動向?qū)е械男?息為用戶打開一個項目編輯器，用戶可以在其中放置所需的設(shè)備，為圖形化的方 式配置網(wǎng)絡(luò)。4.1.2 添加設(shè)備及配置設(shè)備點擊圖標(biāo)0打開項目編輯器，同時會彈出一個對象面板，用戶也可以從工具欄中將對象面板打開。放置設(shè)備的步驟如下：(1)

14、在對象面板中單擊固定子網(wǎng)subnet,設(shè)置子網(wǎng)的名稱為research!(2)雙擊research子網(wǎng)圖標(biāo)。打開它的子網(wǎng)絡(luò)，此時子網(wǎng)絡(luò)為空。research子網(wǎng)內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計如下圖。圖4.5 research子網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(3)在工具欄中單擊按鈕 °回到上一級網(wǎng)絡(luò)，選擇research子網(wǎng)復(fù)制這 個子網(wǎng)的三個副本，并命名為 test、sales administration0之后從對象面板中拖 入一個固定子網(wǎng)，命名為server。(4)雙擊server子網(wǎng)圖標(biāo)，進(jìn)入它的子網(wǎng)絡(luò)。接著設(shè)置file server的屬性，在file server圖標(biāo)上右擊，選擇 Edit Attributes

15、, 展開 Application 項，在 Application : Supported Service子項的 Value 區(qū)域單擊， 選才? Edit子選項，添加相關(guān)應(yīng)用如下圖示。圖4.6添加file server所支持的應(yīng)用同樣的方法，進(jìn)行 web server > database serve的屬性設(shè)置，添加相關(guān)應(yīng)用依次如下圖示圖4.7添加web server所支持的應(yīng)用圖4.8添加database server所支持的應(yīng)用(5)在工具欄中單擊0 回到上一級網(wǎng)絡(luò)，使用10BaseT鏈路連接research test、sales administration子網(wǎng)到server子網(wǎng)上，

16、連線的時候確認(rèn)鏈路 的兩端都連接在switch上。(6)從對象面板中拖入一個 Application Configure 和一個 profile Configure 到工作區(qū)，分別命名為 applications和profiles0添加applications ft profiles后，組建的簡單 SME包交換網(wǎng)絡(luò)模型如圖4.9 所示。打開 profiles 屬性對話框在其中添力口 research test、 sales administration ® 4個子網(wǎng)的應(yīng)用配置。然后再profiles屬性對話框中單擊 Profile Configuration的Value域，從下拉列表

17、中選擇Edit,配置應(yīng)用如圖4.10所示apiplicatkns3乎回ApplKHlinn kfinlEcjri |圖4.9簡單SME網(wǎng)絡(luò)模型圖4.10配置應(yīng)用接下來，在圖4.10中researche布目的Applications區(qū)域添加應(yīng)用配置。圖4.11 research子網(wǎng)應(yīng)用配置同樣的方法，為test、sales administration條目的 Applications區(qū)域添加應(yīng)用配置依次如圖4.12、圖4.13、圖4.14所示圖4.12 research子網(wǎng)應(yīng)用配置圖4.13sales子網(wǎng)應(yīng)用配置圖4.14 administration子網(wǎng)應(yīng)用配置(7)雙擊research子網(wǎng)，

18、在LAN圖標(biāo)上右擊打開它的屬性對話框，展開Application 相在 Application ： Supported Servers 的 Value 區(qū)域單擊，選擇 Edit如圖4.15所示圖 4.15 LAN Attributes接下來，在彈出的(Application :supported profiles) Table對話框中添加下條目如圖4.16所示圖4.16為子網(wǎng)添加應(yīng)用配置用同樣的方式分別為test、sales administration子網(wǎng)添加各自的應(yīng)用配置在工作區(qū)雙擊server圖標(biāo)，如圖4.17所示圖4.17 Server子網(wǎng)結(jié)構(gòu)(8)完成上述操作后，按默認(rèn)名稱和路徑保存

19、項目4.2搜集變量網(wǎng)絡(luò)中包含多種應(yīng)用和參數(shù)，我們通常只想查看其中影響網(wǎng)絡(luò)性能的幾個關(guān) 鍵統(tǒng)計量。因此，在運行仿真之前應(yīng)對關(guān)鍵的若干統(tǒng)計量進(jìn)行收集，不但能對繁冗的多種統(tǒng)計量進(jìn)行簡化，而且能使結(jié)果的查看更加清楚。在項目編輯器工作區(qū)的空白處右擊， 選擇Choose Individual DES Statistics選 項，打開變量收集對話框，設(shè)置如圖 4.18所示。 I Choo se Results¥:.;廠目之:.-:.-.廠3二：二：+:r:+ +:+-DE EntryEu號jofile Time (s-ec.)日/c. K0_-hi*0J 1七/娛馮/3«_， Recei

20、ved (packet Tr3ffinc Sent tbytes/sec)TrnfftceiryyrmrOownlo4=MJ Re-s ponse- Time- ( s-e- Traffiic Re-ce-i ve-d b-vtci/a-tc.-) TFiffiic Ret.e-1 ve?ci (ipc»t k.erts-ZZ1 r rfffi<C t?yttf>Traffic Sent Ipc kets/ sec J Upload Re-5ponse Tiinrwe CsecJOeJay (=cc3-3-1-'H333HAIPECty t?ct R_UH

21、7;QHri!M? 丁iimwr (sec.on- P-ctyeTime (smondbTsrfi<(t>xtes/&ec)Trgrffihc Receieci tpxkmsZMH： Trinrf+iHC Scnt ihylfr-/rr5 Trartfikz Se-nt Cip- krt-/sec)IPv!MoElu IP ffvlobite IPv6 PW1-SMI r drt ic KeceriveU t bjrtes/E Trarffi< Receiwed (packet Traifffic Se-nt mMPR/sec)1圖4.18統(tǒng)計量設(shè)置4.3運行仿真單擊

22、項目編輯器工具欄中圖標(biāo)不，仿真配置對話框設(shè)置如圖4.18所示-H Gonligur史/ftiifi DE5: Eflterpris«-Einiterpfis«_NetPr*VJ#W5ttgouts 建L OutBuh ffl ExECUtiori,JNumber d nuns; 1州pStfYwlRian圖4.19運行仿真參數(shù)設(shè)置設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，點擊 Run按鈕，運行仿真。仿真結(jié)束后關(guān)閉該對話框。4.4仿真結(jié)果單擊工具欄中的圖標(biāo) 磴，打開結(jié)果查看仿真結(jié)果對話框，在 GlobalStatistics下層文件中查看仿真結(jié)果，如下圖所示Prrvipw八 mxDB Entrf R

23、Hpcnse Titk-(5k)Preview圖4.20響應(yīng)時間以及包接收發(fā)送速率4.21 Email服務(wù)下載/上傳響應(yīng)時間PrtviaPrwv 皿HTTP TmlReceiMEd6jXWq4JOH- 丁瑪W-1C-圖4.22包交換延遲1mliiOh (Mi OMCtti 僚 2ctti Oh 麗 WHOm Oh 90m. ihDm4.23 Http服務(wù)響應(yīng)時間及包發(fā)送/接收速率OJ0020- 圖4.24網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收速率圖4.28包交換延遲圖4.29 Http服務(wù)響應(yīng)時間及包發(fā)送接收速率4.5 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展后的仿真結(jié)果原有簡單網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展說明：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加一倍，表現(xiàn)為企業(yè)部部門數(shù)增加一倍。擴(kuò)

24、展后的網(wǎng)絡(luò)模型如圖4.25所示圖4.25擴(kuò)展后的網(wǎng)絡(luò)模型 擴(kuò)展后網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果如下圖所示。$0000DO ErtrsFesponse 下口上-5sc)0 0020-0 0010-U&Twin尺他咫呷。甘仁eJF-T TVOhiDmOi；g-Ih'om圖4.26響應(yīng)時間以及包接收發(fā)送速率圖4.27 Email服務(wù)下載/上傳響應(yīng)時間圖4.30網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收速率4.6 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展前后的仿真結(jié)果分析(1)通過對比圖4.20和圖4.26,可知網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展前后響應(yīng)時間沒有明顯變 化，約2.25ms；數(shù)據(jù)包接收、發(fā)送速率基本一致，但擴(kuò)展后包交換速率明顯提 高，約為擴(kuò)展前的3倍。(2)通過對比圖4.21和圖4.27,可知網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展前后Email server下載、上 傳響應(yīng)時間也沒有明顯變化，且下載和上傳速率基本一致。(3)通過對比圖4.22和圖4.28,可知網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展前后包交換延遲基本一致，