基于OPNET的校园网建模与仿真v

1、基于opnet的校园网建模与仿真 于庆坡 10041086 信息学院摘 要近年来，随着计算机科学技术的发展，特别是网络技术的发展，高校规模的扩大和人数的增多字体改为小四，对网络的需求越来越大，对上网速度的要求越来越高，对业务的需求迅速增长，如语音、图像、视频等多媒体数字业务。需入网的结点迅速增加，因此网络的结构更复杂，对设备性能的要求更高，链路速度更快。建设一个基于多业务、复杂的校园网络系统，其投资规模是非常庞大的，需要一种有效的手段对校园网进行规划、设计、并实现。通过数学建模的方法过于复杂，根据经验进行规划设计的方法不可靠，不适应日益增长的网络需求，利用网络仿真软件来对网络模型进行建模并仿真

2、便成了必然的选择。本文的主要研究任务，是通过opnet仿真软件，对我国一般大学校园网的网络结构进行建模，模拟网络行为，对关键参数进行收集，分析，并在原有模型上添加网络结点及应用，再进行仿真，分析，对比，得出改进设计方案。本文的研究对校园网的规划、设计、网络建模都具有一定的指导意义，可以提高网络设计的科学性，缩短网络设计周期，降低校园网网络的投资风险。最后，对本文进行了总结，同时对未来的工作进行设想和展望。关键词：校园网；网络仿真；opnet；网络性能分修改过析第一章 基于第1章下同opnet校园网建模仿真的目的与意义随着网络技术的发展，传统的只传输文本信息的网络已不能满足人们对更为丰富的数据、

3、语音、图像、视频等多媒体业务的需求，而且网络的使用也越来越广泛，用户也随之增加，这必然给网络原有设备带来冲击，因此需要加以改造以适应网络需求的发展。校园网是现代化教学的基础性设施，作为实施教育信息化有效载体，对保障学校教育和科研管理等工作的正常有序进行，实现校际交流和资源共享方面，起着至关重要的作用，并将直接影响到教育信息化建设的质量。目前，世界上大部分发达国家和部分发展中国家都建立了本国的校园网体系。美国在1999年就已有95的中小学上网，瑞典也有90以上的公立高中和绝大部分的九年制义务教育学校联网，教育信息化已成为世界发展的大趋势。随着网络技术的层出不穷，新的应用逐步普及，高校的业务需求逐

4、步增长，另外，随着高校扩招工作的不断深入，学生及教师人数的增加，其对信息化的需求与日俱增，学生宿舍用户及教师用户数急速增长，校园网网络性能因此受到相应的影响，因此，网络升级，扩容问题被提到了重要的议事日程，对大学校园网进行改造是势在必行。然而，随着用户对网络的依赖程度的增加，网络的正常运行变得越来越重要，用户对网络可用性、稳定性、响应性等提出了越来越高的要求。网络应用系统越多，网络的功能系统越复杂，出现问题所带来的损失也就越大，网络性能的问题最终会影响到用户的工作效率。经过规划设计出来的网络，不能保证其可行性，导致网络应用性能降低的因素是多方面的，而网络测试正是一种可以有效提高网络系统及运行质

5、量的方法，在测试的基础上，建立网络行为模型，并用模拟仿真的方法建立理论到实际的桥梁，是了解网络性能的有效方法。随着网络结构日趋复杂，网络规模日趋庞大，新的网络技术层出不穷，网络的应用也越来越多样化。其中的网络规划设计以及网络升级等问题尽管在实验室中的小规模评价和真实的环境下进行实验都很有价值，但每一种都有很大的局限性，缺乏灵活、扩展性，并且成本太高。因此，网络仿真作为一种新的网络研究和网络规划设计技术应运而生，无论对于网络规划设计，还是网络升级，网络的仿真研究日益显示出其重要意义。为此利用opnte网络仿真软件对校园网进行仿真，以传统大学校园网结构为依托，针对网络中主交换机的性能情况作为研究校

6、园网的切入点，通过对仿真结果的分析，根据分析结果提出对网络改造方案，再次应用网络仿真软件测试改造后交换机的数据，判断改造后的网络性能是否优于原有网络。从校园网的应用出发，分析其业务主要有：ftp、http、email、视频等。利用各个工作点，通过主交换机对服务器进行业务访问来测试交换机的能力，分析结果并从中提出改进方案以解决设备与新网络业务配套的问题，减少在实际系统中试验所需要的巨大投入，减少成本并避免所谓的“牛与马”不配套的问题。第二2章opnet基本介绍不用一般性地结束opnet改为：基于opnet的网络需校园网建模方法研究1.1opnet概述opnet公司起源于麻省理工学院，成立于198

7、6年。1987年opnet公司发布了它的第一个商业化的网络性能仿真软件，提供了具有重要意义的网络性能优化工具，使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。至今opnet已经发行到了10.0以上版本。它的产品线除了modeler外，还包括it guru、sp guru、opnet development kit和wdm guru等。 opnet modeler提供了三层建模机制，分别在进程层，节点层和网络层进行由下到上的建模。同时在仿真的过程中它采用了离散事件驱动的模拟机理。 进程模型(process model)的基础是用有限状态机fsm(finite state machine)来描述各种协

8、议。各个状态再分别进行编程实现。 节点模型(node model)由进程模型构成，可以组成完整的协议栈，真实的反映所建模设备的特性。各模块间通过数据包和状态信息的传递来进行各种操作，进而实现设备的功能。 网络模型(net model)由节点模型组成，可以通过不同的拓扑设计来构造出各种不同的网络结构。 2.2opnet 特点 opnet technology公司的仿真软件opnet具有下面的突出特点，使其能够满足大型复杂网络的仿真需要： 1. 提供三层建模机制，最底层为process模型，以状态机来描述协议；其次为node模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际

9、的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性； 2. 提供了一个比较齐全的的基本模型库，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、atm设备、dsl设备、isdn设备等等； 3. 采用离散事件驱动的模拟机理（discrete event driven），与时间驱动相比，计算效率得到很大提高。 4. 采用混合建模机制，把基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来，既可得到非常细节的模拟结果，也大大提高了仿真效率。 5. opnet具有丰富的统计量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。 6. 提供了和网管系统、流量监测系统的接口

10、，能够方便的利用现有的拓扑和流量数据建立仿真模型，同时还可对仿真结果进行验证。 2.3opnet 仿真流程利用opnet仿真，一般遵循以下工作流程：（1）定义目标问题：明确和规范化网络仿真所要研究的问题和目标，提出明确的网络仿真描述性能参数。如网络通信吞吐量、链路利用率、设备利用率、端到端延迟、丢包率、队列长度等。（2）建立仿真模型：根据研究的问题和目标，建立所需的网络、进程或协议模型（包括网络拓扑、协议类型、包格式等），配置相关业务。（3）收集统计数据：收集要用于仿真模型实现和验证的相关统计数据。如网络流量、端到端延迟、丢包率等。（4）运行仿真：利用仿真工具进行仿真实验，以得到所需要的数据。

11、(5)查看并分析结果：查看结果并利用相关分析工具和数学知识对仿真结果进行统计分析。(6)调试再仿真：分析仿真数据，找出网络的性能瓶颈，然后通过修改拓扑、更新设备、调整业务量、修改协议等方法得到新的仿真场景，再次运行仿真。(7)生成仿真报告：生成网络仿真的研究报告。第三3章 校园网建模及仿真3.1校园网的建模3.1.1需求分析以一般工业大学校园网网络基本结构为例，其中每一种功能的大楼抽象为一个局域网，一个服务器组为一个局域网，所有局域网连接着一台核心交换机，为思科系列的cisco5500交换机，各个局域网用一台二级交换机cisco2924连接着所有主机，另一端连接核心交换机cisco5500。所

12、有链路都用100baset以太网双绞线。该学校有图书馆、工学馆、理学馆、实验楼、行政楼、教学楼、学生宿舍、教工宿舍以及服务器组。其各个局域网的节点数及需求业务如下表：表3.1 各个局域网需求表名称节点数业务需求图书馆100上网、文件传输、数据库、打印工学馆400上网、电子邮件、数据库、打印理学馆100上网、电子邮件、数据库、打印实验楼800上网、电子邮件、远程登陆、数据库行政楼250上网、数据库、电子邮件、打印教学楼200上网、电子邮件学生宿舍5000上网、电子邮件教工宿舍300上网、电子邮件服务器3上网、电子邮件、远程登陆、数据库、文件传输、打印3.1.2 网络建模以核心交换机为中心，用10

13、0baset链路连接各个局域网及服务器组，各个局域网图标分别命名为图书馆、工学馆、理学馆、实验楼、行政楼、教学楼、学生宿舍、教工宿舍、服务器组。从对象面板中拖入一个业务配置器，命名为applications，拖入一个主询配置器，命名为profiles，其拓扑结构如图3.1所示：图3.1 网络拓扑图其中服务器组局域网的拓扑如图3.2所示：图3.2 服务器局域网拓扑图以理学馆网络拓扑为例，其它局域网拓扑结构一样，如图3.3所示：图3.3 理学馆拓扑图3.1.3业务配置首先对三台服务器进行服务支持配置，在服务器局域网中，从对象面板中拖入一个业务配置器，和一个主询配置器，application con

14、fig中applications difinitions的value选择default。profile config中profile configuration 的value值选择sample profiles。对三个服务器分别命名为file server、web server、database server，为第1个服务器支持的服务进行配置，使其提供上网、电子邮件、远程登陆、数据库、文件传输、打印的服务。回到主拓扑，为主询配置器配置六个业务主询，分别对应各个局域网所需求的业务，再分别进入各个局域网，为局域网中的主机配置应用到的业务主询。其中配置的业务主询和服务器提供的服务是一致的。3.2 数

15、据收集及仿真分析3.2.1 数据收集对校园网络进行建模及业务配置完之后，就要对仿真过程中所需要的参数进行提取，以对仿真结果进行分析。要进行考察的参数有网络延迟、 链路使用率、 页面响应时间 、核心交换机cpu利用率。如图3.4所示：图3.4 收集仿真参数3.2.2 仿真及分析对参数收集配置后，设置运行时间为30分钟，按按钮运行仿真。查看其中的网络延迟参数，如图3.5：图3.5 网络延迟从图中可以看出，一开始网络延迟奕化比较大，这是由于所有工作站点开始工作时还未稳定造成的，经过100多秒的不稳定后，网络延迟变化逐渐趋于稳定，网络延迟保持在0.00017秒左右，即小于1毫秒，处于毫秒级。服务器交换

16、机到核心交换机双绞线链路利用率的参数如图3.6：图3.6 服务器到核心交换机链路利用率利用率太低了，这样的仿真结果说明不了什么问题一般地，网络利用率最好设定在50%左右与上面网络延迟参数突变的时间段相应，这里链路利用率也出现一个尖峰的不稳定时段，这时链路利用率不高。学生宿舍到核心交换机之间的链路利用率如图3.7：图3.7 学生宿舍到核心交换机链路利用率这里可以看到，学生宿舍到核心交换机链路的利用率比服务器的链路低，这是由于服务器接受来自所有主机的服务请求，同样也出现和上面对应的小尖峰。页面响应时间如图3.8：图3.8 http应用的平均页面响应时间这里可以看到，http应用的平均页面响应时间处

17、在0.0045秒水平，即毫秒级。3.3 增加节点及业务后仿真分析由于该大学办学规模的迅速扩大，学生人数猛增，上网人数由原来的5000增加到20000。学校对网络业务的需求也发生了变化，由原来简单的业务增加了视频业务，在数据库服务器增加视频业务，所有的主机也配置支持视频video业务。配置后，再次运行仿真，这时的网络延迟为如图3.9：图3.9 增加节点及业务后网络延迟可以看出，这时的网络延迟时间为0.27秒，达到了秒级数，这是不能容忍的，而服务器到核心交换机链路的利用率如图2.10：图3.10 增加节点及业务后服务器到核心交换机链路利用率从图知道，在一分十五秒以后，链路利用率开始攀升，远远高于之

18、前的链路利用率。再看一下学生宿舍到核心交换机的链路利用率，如图3.11：图3.11 增加节点及业务后学生宿舍到核心交换机链路利用率可以得出和上图走势一样的结果。再看一组链路的利用率，如图3.12：图3.12 四组链路利用率对比图可以看到，图书馆及教学楼到核心交换机的链路利用率走势一致，而学生宿舍和服务器组的链路利用率走势一致。再看一下这里http应用页面响应时间，如图3.13：图3.13 http应用页面响应时间这时页面响应时间为接近0.3秒，即达到秒级单位。而之前为毫秒级。第四章 改进后校园网的仿真分析4.1 对原有网络的改进由于学生宿舍由原来5000个用户增加到了20000个，而全校网络应

19、用业务增加了视频video业务。致使网络延迟加剧，达到秒级，页面响应时间也达到了秒级单位，而从链路利用率的对比可以看出，学生宿舍到核心交换机的链路可能不堪重负，形成了瓶颈，数据库服务器到核心交换机链路也如此。现在对原有网络进行改进，所有与核心交换机连接的链路改为1000basefx多模光纤，数据库组中database server服务器与二级交换机的链路改为1000basex，而学生宿舍及数据库服务器组用两条多模光纤与核心交换机相连。增加一台核心交换机cisco5500分担原交换机任务，改进后的网络拓扑如图4.1图4.1对网络改进后的拓扑结构4.2 改进后网络的仿真分析对增加节点及业务后的应用配置不作改变，重新运行仿真，改进后的网络延迟如图所示4.2图4.2改进后网络延迟从图可见，虽然只可看到一点显示延迟时间，但总体延迟时间都是同一个数量级，保持平稳的，其数值为不到0.04秒，比改进前延迟时间小了很多，而这个数值是可以接受的。再看服务器组到核心交换机链路利用率，如图4.3：图