CSMA-CD的OPNET仿真分析

1、CSMA/CD的OPNET仿真分析1实验目的通过本次实验课程，利用OPNET对CSMA这种信道访问协议建模。通过在总线型信道上建立CSMA模型，来分析CSMA协议的共享信道访问机制。掌握相关理论知识与学习使用OPNET软件。2OPNET软件介绍OPNET是一个网络仿真技术软件包，它能够准确的分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可以以图形化显示、数字方式观察、或者输出到第三方的软件包去。其产品结构有三个模块组成，能为用户提供一系列的仿真模型库，在电信、军事、航天航空、系统集成、咨询服务、大学、行政机关等方面

2、被广泛应用。2.1OPNET特点网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真技术能够迅速地建立起现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真， 这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能，回答WHATIF这样的问题。例如： 如果网络扩容，骨干中继链路带宽需要扩大多少？ 如果网络上增设新的业务，对网络性能有什么影响？网络上的哪些链路或网络设备需要 升级和改造？ 如果网络拟采用新的技术升级，网络的性能会有多大幅度的改善？这种改善与投入相比 是否值得？同时新技术的引进是否会带来负面影响？网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。 在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案，它们

3、往往是各有优缺点，很难作 出正确的选择，因此如何进行科学的比较和取舍往往是网络设计者们感到头疼的事。网 络仿真能够通过为不同的设计方案建立模型，进行模拟，获取定量的网络性能预测数据 ，为方案的验证和比较提供可靠的依据。这里所指的设计方案可以是网络拓扑结构、路 由设计、业务配置等等。OPNET 应用程序性能管理解决方案可确保应用程序在生产中有效执行，系统具有充足的容量支持这些应用程序，并且网络可提供实现服务水平目标的应用程序功能。OPNET 解决方案提供了一种用于应用程序性能管理的端到端方法。OPNET 用于及时准确地了解网络状况的一流分析功能的基础上，OPNET 网络设计、运行和规划解决方案又

4、在整个网络管理生命周期内提供了一组补充性功能，其中包括利用预测规划和优化、网络审核和更改验证以及快速故障排除。OPNET 网络研发解决方案将高保真模型与业内领先的可扩展模拟技术相结合，可促进技术创新并加快网络协议和设备的研发。2.2OPNET层次建模OPNET中的建模工作在3种不同的环境中完成，提供了3层建模机制。最底层为进程模型，由状态机来描述协议；其次为节点模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。3层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。2.2.1进程建模(processm odeling)模拟单个对象的行为，使用有限状态机进行建模。每个状

5、态内写人任意的C/C+十代码以及专门为协议编程设计的库函数，用于定义节点内功能模块中各事件之间的控制流，使用符合工业标准的状态图来描述功能模块内的状态和状态间的控制流。2.2.2节点建模(nodem odeling)建立由相应协议模型构成的节点模型，该层建模将进程建模中的各个进程互限联成设备，可以反映设备的特性。用于定义网络节点的结构和描述节点中模块间的数据流。通过节点编辑器(node editor)可以描述协议的层次结构，并通过描述功能模块之间的数据流来实现一个网络器件或系统的体系结构。2.2.3网络建模(network modeling)负责将节点建模中建立起来的设备互联成网络，编辑网络的

6、拓扑结构，通过将模型库中的各种通信实体拖放工作区可以方便地配置网络拓扑，并可对设备的属性进行设置。OPNET通过三层建模机制建立起来的三层模型和实际的协议、设备、网络层次完全对应，能全面反映实际网络的相关特性。2.3OPNET Modeler仿真步骤使用Modele大体可以分为以下6个步骤：1) 配置网络拓扑；2) 配置业务；3) 收集结果统计量；4) 运行仿真；5) 调试模块再次仿真；6) 发布结果和拓扑报告。3CSMA协议的基本思想该协议是在Aloha随机信道访问的基础上增加了载波监听的功能。当站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送数据；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲

7、，然后完成发送；若产生冲突，该站等待一段随机的时间，然后重新开始发送过程。在本协议中，当一个站发现信道空闲时，它传输数据成功的概率为1。Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问。采用分布式控制方法，附接总线的各个结点通过竞争的方式，获得总线的使用权。只有获得使用权的结点才可以向总线发送信息帧，该信息帧将被附接总线的所有结点感知。包括以下三个要点：载波侦听发送结点在发送信息帧之前，必须侦听媒体是否处于空闲状态；多路访问具有两种含义，既表示多个结点可以同时访问媒体，也表示一个结点发送的信息帧可以被多个结点所接收；冲突检测发送结点在发出信息帧的同时，还必须监听媒体

8、，判断是否发生冲突（同一时刻，有无其他结点也在发送信息帧）。IEEE 802.3或者ISO 8802/3定义了CSMA/CD的标准。CSMA是载波检测(侦听)多路访问，它检测其他站的活动情况，据此调整自己的行为分为以下几类：1)1-持续CSMA（1-persistent CSMA)：当信道忙或发生冲突时，要发送帧的站,不断持续侦听，一有空闲便可发。其中，长的传播延迟和同时发送帧，会导致多次冲突，降低系统性能。基本思想：该协议是在Aloha随机信道访问的基础上增加了载波监听的功能。当站点有数据发送，先监听信道；若站点发现信道空闲，则发送数据；若信道忙，则继续监听直至发现信道空闲，然后完成发送；若

9、产生冲突，该站等待一段随机的时间，然后重新开始发送过程。在本协议中，当一个站发现信道空闲时，它传输数据成功的概率为1。2)非持续CSMA： 它并不持续侦听信道,而是在冲突时：等待随机的一段时间.它有更好的信道利用率，但导致更长延迟。基本思想：当一个节点要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲就立即发送数据；如果信道忙则放弃监听，随机等待一段时间，再开始监听信道。非持续CSMA会减少发送数据导致冲突的概率，但会使得数据在网络中的平均延时时间增加。3) p-持续CSMA：它应用于分槽信道，按照P概率发送帧。即信道空闲时，这个时槽，欲发送的站P概率发送，Q=1-P概率不发送.若不发送，下一时槽仍空闲

10、,同理进行发送。若信道忙则等待下一时槽，若冲动则等待随机的一段时间，重新开始。p-持续CSMA用于时分信道，其基本思想是：当一个节点要发送数据时，首先监听信道；如果信道忙则坚持监听到下一个时隙；如果信道空闲，便以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙；如果下一个时隙信道仍然空闲，则仍以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙；这样一直持续下去，直到数据被发送出去，或因其他节点发送而检测到信道貌岸然忙为止，若是后者，则等待一段随机的时间后重新开始监听。p-持续CSMA的性能依赖于概率p的选取。以上都是对ALOHA的改进，当信道忙时，所有站都不传输帧。4)带冲突检测的CSMA(CSMA/

11、CD:CSMA with Collision Detection)：它一旦检测到冲突，立即终止当前传输中的帧，节省时间和带宽，并等待一段时间，重新尝试。它广泛用于LAN中MAC子层，是当前以太网LAN的基础。其概念时间模型分为三个时期：传输周期，竞争周期和空闲周期。值得一提的是，监听的机制：传输数据时，他的硬件进行监听电缆，如果读回来的信息与发送的不一致，便知发送冲突了。这里，当然需要一种特殊的信号编码方案，能够检测出两个OV信号冲突(或者在此冲突下，故意不检测，因信号没有损坏)。 在有线网中，冲突检测的最核心内容是帧碎片（即检测到网络中有小于这个大小的帧就认为是帧碎片，因为传输两端都在传输造

12、成冲突，两端数据在网络中都只有1部分）。在无线网中由于有隐藏结点（即每个结点不知道也不可能知道整个网络的实时情况），因此无法“检测”所以CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）载波侦听多路访问冲突检测就应运而生了，它是利用RTS/CTS（即类似TCP的握手协议）的应答策略来保证在传输中结点不会再接受请求，从而解决了无线网中的冲突。4CSMA/CD模型设计4.1工作站节点模型设计网络采用总线拓扑结构，每一个节点代表一个工作站。节点的模型设计如图1所示。工作站节点模型：工作站节点包含四个处理器模块，一个队列模块和一对收发信模块。工作站节点模型实现了OSI数据链路

13、层的部分功能，即mac子层功能。总线发射机和总线接收机模型作为总线链路的接口。这两个模型用以太网标准的数据速率10Mbit/s发射和接收数据。sink模型表示更高层，它简单的接收从mac传输来的数据包。defer模型独立的监视链路的状态和标记，mac从状态线读取不同值，这个值用来决定是否允许发射机进行发送。bursty_gen模型表示更高层用户，这个用户向发射机提供数据。它通过ON/OFF模拟方式来控制包发送量。图1 工作站节点模型mac模块处理要接收和发送的包。接收到的包被解封并传送到更高一层。要发送的包被封装并且当统计标志从大的数值变为小的数值时，一个包通过发射机发送出去。这个模型也检测是

14、否发生了碰撞，假如发生一次，那么发信机就停止发送,并且稍后再从新发送。4.2进程模型设计4.2.1mac进程模型设计mac模块的进程用来管理发射和接收包。mac进程模型设计如图2所示。它可以分为三个功能：封装并对要发送的包进行排队解封并传送接收到的包决定是否重新进行发送4.2.2eth_mac_intf进程模型设计eth_mac_intf模块把应用数据转换成适合mac处理的格式。它从数据源得到数据，标志一个允许的目标地址(假设是随机的分配地址)，然后把数据送到mac模块。它也同时接收从mac来的包，并把包传送到更高一层的sink模块。进程设计如图3所示。4.2.3defer进程模型设计defe

15、r模块用来判断状态标志值是升高还是降低。标志值被mac模块读取以用来决定发射机是否被允许发送或者信道是否被分配给另外的用户。进程模型设计如图4所示。图2 mac进程模型图3 eth_mac_intf进程模型图4 defer进程模型4.3网络模型建立为了对前面建立的节点进行仿真,需要把它们放在网络模型中，在网络中我们建立一个有十个工作站的总线拓扑结构的网络，连路模型的数据传输速率为10Mbit/s，如图5所示。5仿真结果与分析查看运行结果如图6所示。从图6可知，虽然两个图形的趋势是相同的，但是他们的纵坐标表示是不一样的。上面的统计图是表示接收机在单位时间里成功收到的平均包数。从理论上来说，这种统计值仅仅计算了无碰撞包的比特数和在10Mbits/s信道下能到达的最大值。从图上可以看出，吞吐量在仿真到40秒时开始变得稳定，大约6