OPNET仿真實驗報告--移動IP建模與仿真

1、目錄第一章實驗?zāi)康?第二章實驗原理簡介32.1 移動IP簡介42.2 OPNET仿真技術(shù)52.2.1 OPNET發(fā)展歷史52.2.2 OPNET 仿真步驟6第三章移動 IP的 OPNET建模與仿真73.1 仿真平臺整體設(shè)計83.2 進程模型設(shè)計103.3 節(jié)點模型設(shè)計113.4 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計113.5 仿真結(jié)果及分析12第四章 實驗總結(jié)13一、 實驗?zāi)康?.利用OPNET 工具建立移動 IP 仿真模型，構(gòu)建一個移動 IP 仿真平臺。2.對移動 IP 的功能和性能進行驗證。二、 實驗原理簡介2.1移動IP簡介移動IP的功能實體及相互關(guān)系如圖1所示： 移動IP的實現(xiàn)過程的步驟為： 1）家鄉(xiāng)代理 H

2、A 和外地代理 FA 周期性地在各自的鏈路上廣播代理廣播報文， 移動節(jié)點MN也可以通過發(fā)布代理請求報文來得到代理廣播報文。 2）移動節(jié)點收到廣播報文后，根據(jù)其中的內(nèi)容判斷自己在家鄉(xiāng)鏈路還是外地鏈路上。如果在家鄉(xiāng)鏈路，它和其他固定節(jié)點無任何區(qū)別，不利用移動 IP 的特殊功能。若移動節(jié)點在外地鏈路上，則按以下步驟工作： 3）連在外地鏈路上的移動節(jié)點得到轉(zhuǎn)交地址； 4）移動節(jié)點向家鄉(xiāng)代理注冊轉(zhuǎn)交地址； 5）家鄉(xiāng)代理截取發(fā)往移動節(jié)點的數(shù)據(jù)包，并以轉(zhuǎn)交地址為隧道出口封裝原始數(shù)據(jù)包，通過隧道將包傳出； 6）在轉(zhuǎn)交地址處外地代理本身或移動節(jié)點的一個端口，數(shù)據(jù)包被解封裝然后傳給移動節(jié)點； 7）由移動節(jié)點發(fā)出的

3、數(shù)據(jù)包直接選路到目的節(jié)點，無需通過隧道。此時，外地代理擔(dān)任缺省路由器的功能。 2 OPNET仿真技術(shù) 2.1 OPNET發(fā)展歷史OPNET最早出自麻省理工學(xué)院的兩個博士之手，最終得以商業(yè)化。OPNET被廣泛應(yīng)用于精確模擬領(lǐng)域，例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造領(lǐng)域的企業(yè)商Cisco以及運營商AT&T,都采用OPNET來做各種各樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬和調(diào)試。在OPNET的各類產(chǎn)品中，Modeler幾乎包含其他產(chǎn)品的所有功能，針對不同領(lǐng)域，主要的用途如下：(1)對于企業(yè)網(wǎng)的模擬，Modeler調(diào)用自帶的已經(jīng)建好的標(biāo)準(zhǔn)模型組建網(wǎng)絡(luò)，在某些業(yè)務(wù)應(yīng)用達不到事先預(yù)想結(jié)果或服務(wù)質(zhì)量未及規(guī)定要求，比如說網(wǎng)上電子交易過程中交易

4、延遲、數(shù)據(jù)庫服務(wù)等業(yè)務(wù)響應(yīng)時間慢于正常情況時，Modeler捕捉重要的流量進行分析，從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器三方面來找出瓶頸。(2)對于比企業(yè)網(wǎng)更復(fù)雜的運行商(ISP)網(wǎng)絡(luò)的模擬，Modeler把焦點放在整個業(yè)務(wù)層、流量的模擬，使得運營商可以有效地查出業(yè)務(wù)配置中產(chǎn)生的錯誤，例如網(wǎng)絡(luò)中的哪些服務(wù)器配置不夠妥善，讓黑客容易攻擊，有哪些業(yè)務(wù)的參數(shù)配置不合適等情形。(3)針對研發(fā)的需要，Modeler提供了一個開放的環(huán)境，使用戶能夠建立新的協(xié)議和配備，并且能夠?qū)⒓?xì)節(jié)定義并模擬出來。為使讀者有一個生動、形象、更明確的理解，我們再進行如下說明解釋：Modeler所能應(yīng)用的各種領(lǐng)域主要包括三個方面即端到端結(jié)構(gòu)、

5、新的協(xié)議開發(fā)和優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)層配合如何達到最好的性能。舉例來說明一下吧，假設(shè)我們要將現(xiàn)有的IPv4的網(wǎng)絡(luò)升級到IPv6的網(wǎng)絡(luò)，需要確定采用哪種技術(shù)方式對轉(zhuǎn)移效果來說比較好，這就屬于端到端結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用;新協(xié)議的開發(fā)，比如說目前流行的3G無線協(xié)議的開發(fā)，在系統(tǒng)級的仿真中，可以分析一種新的路由或調(diào)度算法如果使路由器或交換機達到QoS;在網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)之間如何優(yōu)化方面，可以分析新引進的業(yè)務(wù)對整個網(wǎng)絡(luò)的影響、網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)的要求，實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)是對矛盾，通過Modeler模擬來查找網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)之間所能達到的最好的指標(biāo)。OPNET 是一種通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)環(huán)境， 它采用離散事件驅(qū)動的模擬機理

6、仿真分析模型的功能和性能。它涉及仿真研究的各階段：模型設(shè)計、仿真、數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析。 OPNET 通過多層子網(wǎng)嵌套來實現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼?它提供了三層建模機制， 分別為進程層 （Process Level） 、節(jié)點層(Node Level)和網(wǎng)絡(luò)層(Network Level)。 在進程層對每個對象的行為進行仿真， 在節(jié)點層對進程級對象互連形成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)級通過鏈路將設(shè)備互聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，將多個網(wǎng)絡(luò)場景組織在一起形成工程，即仿真平臺。 協(xié)議和其他進程通過有限狀態(tài)機（Finite state machine- FSM）來建立模型，F(xiàn)SM 的狀態(tài)和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換用 C/C+描述。OPNET 提供了 4

7、00 多個標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，利用這些基礎(chǔ)庫函數(shù)可簡化對移動IP協(xié)議的建模， 利用OPNET的集成調(diào)試環(huán)境和分析工具，對移動 IP 模型的各種性能進行測試和分析。 本文的仿真模型是利用OPNET 8.0建立的， OPNET 8.0提供了一些基本的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，但不包括移動IP。本文建立的移動IP仿真平臺提供了OPNET標(biāo)準(zhǔn)接口， 可供研究移動IP及相關(guān)方面的人員直接調(diào)用。2.2 OPNET仿真步驟我們在使用OPNET進行網(wǎng)絡(luò)仿真時，大體可以分成簡單地概述為六個步驟：配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?topology)、配置業(yè)務(wù)(traffic)、收集結(jié)果統(tǒng)計量(statistics)、運行仿真(simulation)、調(diào)

8、試模塊再次仿真(re-simulation)、最后發(fā)布結(jié)果和拓?fù)鋱蟾?report)?，F(xiàn)在我們將用實際例子來說明一下OPNET的應(yīng)用，本例程將使用OPNET Modeler快速創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)，然后收集反映網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計結(jié)果，運行仿真，并且通過分析這些結(jié)果來解決網(wǎng)絡(luò)中存在的問題。本例側(cè)重于項目編輯器(Project Editor)的使用，展示Modeler建模和分析的功能，學(xué)會用OPNET來仿真模擬的基本過程。重要概念： 項目與場景（Project & Scenario）：OPNET Modeler采用“項目-場景”的方法對網(wǎng)絡(luò)建模。 項目（Project）：是一套場景的集合，用來探索網(wǎng)絡(luò)

9、設(shè)計的不同方面。一個項目至少包含一個場景。場景（Scenario）：是網(wǎng)絡(luò)的一個實例。通常一個場景代表網(wǎng)絡(luò)的一套配置，例如拓?fù)?、協(xié)議、應(yīng)用、流量以及仿真設(shè)置。 子網(wǎng)（Subnet）：OPNET 子網(wǎng)和TCP/IP 的子網(wǎng)不是同一個概念。OPNET 的子網(wǎng)是將網(wǎng)絡(luò)中的一些元素抽象到一個對象中去。子網(wǎng)可以是固定子網(wǎng)、移動子網(wǎng)或者衛(wèi)星子網(wǎng)。子網(wǎng)不具備任何行為，只是為了表示大型網(wǎng)絡(luò)而提出的一個邏輯實體。 節(jié)點（Node）：節(jié)點通常被看作設(shè)備或資源，由支持相應(yīng)處理能力的硬件和軟件共同組成。數(shù)據(jù)在其中生成、傳輸、接收并被處理。Modeler 包含三種類型的節(jié)點：第一種為固定節(jié)點，例如路由器、交換機、工作站

10、、服務(wù)器等都屬于固定節(jié)點；第二種為移動節(jié)點，例如移動臺，車載通信系統(tǒng)等都是移動節(jié)點；第三種為衛(wèi)星節(jié)點，顧名思義是代表衛(wèi)星。 鏈路（Link）：鏈路有3種類型，點對點的鏈路、總線鏈路以及無線鏈路。 模塊(module)與仿真(simulation)：對于某個協(xié)議的仿真，可能因為其涉及的事件及其相互的聯(lián)系非常龐大，造成建模的困難，這時我們把該協(xié)議分解成一系列的協(xié)議行為，對這些行為單獨建模后通過有限狀態(tài)機把它們聯(lián)系起來后便形成一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以稱之為模塊，它將抽象的協(xié)議直觀化。而仿真是基于一系列模塊的一組實驗，它反映模塊和模塊之間的互相作用關(guān)系。 對象ID（Objid）與用戶ID（user id

11、）：Objid 是對象識別號系統(tǒng)分配的，全局唯一，整數(shù)。user id 是節(jié)點模型（對象的一種）的一個屬性，由用戶設(shè)置，可以不唯一。利用OPNET仿真，一般遵循以下工作流程：1定義目標(biāo)問題：明確和規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)仿真所要研究的問題和目標(biāo)，提出明確的網(wǎng)絡(luò)仿真描述性能參數(shù)。如網(wǎng)絡(luò)通信吞吐量、鏈路利用率、設(shè)備利用率、端到端延遲、丟包率、隊列長度等。2建立仿真模型：根據(jù)研究的問題和目標(biāo)，建立所需的網(wǎng)絡(luò)、進程或協(xié)議模型(包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議類型、包格式等)，配置相關(guān)業(yè)務(wù)。3收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)：收集要用于仿真模型實現(xiàn)和驗證的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。如網(wǎng)絡(luò)流量、端到端延遲、丟包率等。4運行仿真：利用仿真工具進行仿真實驗，以得到

12、所需要的數(shù)據(jù)。5查看并分析結(jié)果：查看結(jié)果并利用相關(guān)分析工具和數(shù)學(xué)知識對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析。6調(diào)試再仿真：分析仿真數(shù)據(jù)，找出網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸，然后通過修改拓?fù)洹⒏略O(shè)備、調(diào)整業(yè)務(wù)量、修改協(xié)議等方法得到新的仿真場景，再次運行仿真。7生成仿真報告：生成網(wǎng)絡(luò)仿真的研究報告。由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，在實際網(wǎng)絡(luò)研究中，一般不可能一次就能達到仿真目的，而往往需要多次重復(fù)其中的部分或全部步驟。另外網(wǎng)絡(luò)仿真過程中仿真參數(shù)盡可能根據(jù)需要合理選取，并不是越詳細(xì)越好，無用的參數(shù)可能使系統(tǒng)的處理效率下降。3 移動 IP的 OPNET建模與仿真 3.1 仿真平臺整體設(shè)計 Modeler現(xiàn)有的模型庫沒有可以直接使用的、 支持鏈路

13、層和網(wǎng)絡(luò)層移動的模型，所以本文在實現(xiàn)的移動 IP 模型將以 Modeler 的標(biāo)準(zhǔn)模型 eth_wkstn_adv 為基礎(chǔ)，對其節(jié)點模型添加新的模塊。在進程建模這一層，修改了現(xiàn)有的 ARP進程， 并設(shè)計了ICMP_bis、 Tunneling、 Moip_reg、 Moip_core四個新的進程，以完成對移動 IPv4 協(xié)議工作機制的支持。新添加的四個新進程模型主要實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點模型eth_wkstn_adv 的 IP 路由邏輯（routing logic）和 IP 封裝層（ip_encap_v4）的修改。 在節(jié)點模型中，HA和FA使用相同的節(jié)點模型MA，根據(jù)屬性設(shè)置的不同，分別擔(dān)任 HA 或

14、 FA 的任務(wù)。如上所述， 節(jié)點模型MA通過對eth_wkstn_adv的修改和添加得到，具體來說，對 eth_wkstn_adv 的 arp 模塊進行了修改，并添加了reg、tunnel、icmp_bis模塊。 MN 使用 MN 節(jié)點模型，它基本上與節(jié)點模型 MA 相同，但擁有8 個接口和多了一個moip_core模塊。該模塊負(fù)責(zé)對接口配置（包括接口地址、每個接口下一跳默認(rèn)網(wǎng)關(guān)列表）的判斷，并且管理整個移動過程。每當(dāng)移動發(fā)生，它激發(fā)ICMP_bis進程發(fā)出代理請求，并且保存 MN接口配置信息，Moip_reg進程從此處獲得轉(zhuǎn)交地址進行注冊。 arp、reg、tunnel、icmp_bis、m

15、oip_core 模塊分別對應(yīng)ARP、Moip_reg 、Tunneling、ICMP_bis、Moip_core進程。 表1列出了本文的仿真模型移動IP各種功能的支持情況。3.2 進程模型設(shè)計 3.2.1 ARP 進程模型 ARP 進程對標(biāo)準(zhǔn) ip_arp_v4 進程模型的修改體現(xiàn)在增加了一個grat_arp狀態(tài)。圖2 ARP進程該模型實現(xiàn)的是： MN注冊成功時HA在其所連接的所有鏈路上以MN的身份廣播主動ARP并為MN做代理ARP（Proxy ARP） ；MN回到家鄉(xiāng)鏈路時HA不再為節(jié)點作代理ARP，并以 MN 身份進行一次主動 ARP 廣播，宣布 MN 新的IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層地址的綁定

16、。與ARP進程相關(guān)聯(lián)的接口控制信息ICI中設(shè)置了地址信息。 3.2.2 ICMP_bis 進程模型 圖3 ICMP_bis進程該模型實現(xiàn)的是：移動代理的 MA 通過在鏈路上廣播代理廣播報文 ADV_packet 宣告它的存在；MN 通過廣播代理請求報文SOL_packet獲得ADV_packet。 3.2.3 Tunneling 進程模型 Tunneling 進程模型的主要功能是進行 IP 的 IP 封裝、解封裝和確認(rèn)隧道出口。 圖4 Tunneling進程3.2.4 Moip_reg 進程模型 Moip_reg 進程主要完成兩個任務(wù)：管理移動列表和處理注冊報文。圖5 Moip_reg進程3.

17、2.5 Moip_core 進程模型 圖5 Moip_core進程只有 MN 節(jié)點模型有 Moip_core 進程，節(jié)點中的其他進程通過注冊發(fā)現(xiàn)Moip_core的存在。它的主要功能是：分析接口配置；分析并執(zhí)行“移動腳本” 。 3.3 節(jié)點模型設(shè)計 3.3.1 移動節(jié)點 MN 的節(jié)點模型 在 OPNET 的標(biāo)準(zhǔn)模型 ethernet_wkstn_adv 的基礎(chǔ)上，通過修改arp模塊和新增reg、tunnel、icmp_bis、moip_core模塊而形成 MN 節(jié)點模型，這些模塊分別與進程模型Moip_reg、Tunneling、ICMP_bis、Moip_core 和 ARP 相關(guān)聯(lián)。MN節(jié)

18、點使用了8個IEEE802.11b接口，保證它可以連接到不同的接入點，每個接口都有自己的 interface name 和index，本文的仿真用到了其中三個接口。 3.3.2 移動代理 MA 的節(jié)點模型 MA 節(jié)點模型同樣以 OPNET 的標(biāo)準(zhǔn)模型 ethernet_ wkstn_ adv為基礎(chǔ)，對有關(guān)模塊做了修改和添加。3.4 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計 仿真網(wǎng)絡(luò)包括一個家鄉(xiāng)子網(wǎng)絡(luò) LAN_1，兩個外地子網(wǎng)絡(luò) LAN_2、LAN_3，每個子網(wǎng)絡(luò)都有自己的接入點AP_1、 AP_2、 AP_3。 在LAN_1中 home_agent 擔(dān)任家鄉(xiāng)代理，它使用的是 MA 節(jié)點模型，且屬性設(shè)為HA。 foreig

19、n1和foreign2分別在LAN_2、 LAN_3中擔(dān)任外地代理，它們也使用 MA 節(jié)點模型，但屬性設(shè)為FA。Mobile_node是移動節(jié)點，它使用MN 節(jié)點模型，將在LAN_1、LAN_2、LAN_3間移動。 3.5 仿真結(jié)果及分析 運用上文所述仿真平臺，分別對“一般路由” （without route optimization）和“路由優(yōu)化” （with route optimization）情況進行了仿真。 路由優(yōu)化根據(jù)接口配置信息計算了每一跳的最佳路徑， 而一般路由只是根據(jù)接口配置隨機地選擇了可達的路徑。 在業(yè)務(wù)配置上，采用背景流業(yè)務(wù)（background traffic），仿真網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)服務(wù)器 UDP CBR Server 每 0.05s 向mobile_node發(fā)送一個定長UDP包（1024字節(jié)） 。 在運行仿真中測試UDP包的延遲時間。 仿真結(jié)果如圖所示。 可以看到，無論是“一般路由”還是“路由優(yōu)化”UDP Packet delay 都分別在約30s、40s、50s處達到峰值，在其它時間delay 值要小得多。 這是因為，在30s時間處移動