基于OPNET的网络仿真与性能测量

1、收稿日期#2005-07-28基金项目%国家自然科学基金项目(60073059,602730781引言随着通信技术的发展,通信网络的结构和规模越来越复杂,基于网络的应用也越来越多样化,单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发,已经不能适应网络的发展需要。因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能,这导致了网络仿真技术的应运而生。网络仿真是通过在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的网络环境,模拟现实中的网络行为,从而可以有效提高网络规划和设计的可靠性和准确性,明显降低网络投资风险,减少不必要的投资浪费。目前常用的网络仿真软件种类已经比较丰富,既有免费的开放源代码的网络

2、仿真软件,也有软件公司开发的商用软件。其中比较著名免费网络仿真软件Berkeley NS ,OMNeT+,SSFNET 等,而商用软件最著名的就是OPNET 公司的OPNET 系列仿真软件,全球有超过2700家客户包括CISCO 、AT&T 、Microsoft 、IBM 等都是该公司用户,其在智能化网络仿真、分析和管理解决方案等方面具有突出的表现。但OPNET 一直被美国政府禁止出口到中国,直至1998年才进入中国,目前正处于蓬勃发展的阶段。本文将通过使用OPNET Modeler 软件仿真一个局域网来展示利用仿真软件进行仿真所涉及的环节,并对所仿真网络的性能进行测量。2OPNET

3、建模方法OPNET 的产品线包括Modeler 、IT Guru 、SPGuru 、WDM Guru 、ODK 等,其核心产品为OPNET Modeler 。本节简要介绍利用OPNET 进行网络仿真的建模和步骤。2.1OPNET 项目的组织与管理在OPNET 中,场景(Scenario 的概念非常重要,它被用来表达用户的网络或协议的设计方案,每个场景代表一种设计方案。通过在一个项目中组织多个网络场景,可以代表多种不同的设计方案,通过运行不同场景的仿真,可以对不同的方案进行综合的比较,从而可以选择最优方案。OPNET 提供丰富的编辑器来完成对仿真网络或协议的细节进行刻画。常用的编辑有如下几个部分

4、:(1网络编辑器(Network Editor :用于编辑网络的拓扑结构,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。(2节点编辑器(Node Editor :用于定义网络节基于OPNET 的网络仿真与性能测量王和兴张建波才书训(东北大学秦皇岛分校计算机工程系,河北秦皇岛066004摘要:网络仿真在今天的通信与网络领域是一个非常重要的技术手段。文章介绍了OPNET 的建模层次和建模方法,给出了OPNET 进行网络仿真的步骤,并利用OPNET 对一个局域网进行了仿真并对相关性能进行了测量,为优化网络设计提供了重要的依据。关键词:网络仿真,OPNET ,

5、网络建模,性能测量中图法分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1000-7180(200511-025-03Network Simulation and Performance Measure Based on OpnetWANG He-xing ,Zhang Jian-bo ,CAI Shu-xun(Depatment of Computer Engineering,NEU at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004China Abstract:Network simulation is an important technology in communicati

6、on and network research in present.This paperintroduced how to modeling the network in OPNET environment.A simulation instance is given in order to show the steps in network simulation and how to measure the network performance.Key words:Network simulation,OPNET,Network modeling,Performance measure点

7、的结构和描述节点中模块间的数据流。通过节点编辑器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。(3进程编辑器(Process Editor: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。(4包格式编辑器(Packet Format Editor:用于创建用户定义的各种类型的包,减轻了协议的设计者和开发者的负担。(5探针编辑器(Probe Editor:用于收集内置统计数据,可以将统计数据以动画的形式表现出来。为了能快速仿真或发现仿真中存在的问题,可以使用OPNET自带的调试工具OPNET

8、Debugger,也可以与微软VC环境联合调试。2.2OPNET的建模层次OPNET采用面向对象的建模方法来反映实际的网络和网络组件的结构,实际的系统可以直观地映射到模型中。利用OPNET对网络建模可分为三个层次:(1进程(Process层次:在进程层次中模拟单个对象的行为,使用有限状态机(FSM来对协议进行建模,OPNET内建的400多个库函数可以对各个层次的标准网络协议进行全面的支持,并且Modeler 中源码完全开放,用户可以根据自己的需要添加和修改已有的源码。(2节点(Node层次:建立由相应协议模型构成的节点模型,该层次将进程层次中的各个进程互连成设备,可以反映设备的特性。(3网络(

9、Network层次:网络层次负责将结点层次中建立起来的设备互连成网络,位于三个层次的最上层。通过OPNET的三层建模机制建立起来的三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。2.3利用OPNET仿真的步骤在定义了目标问题后,利用OPNET中对网络仿真大体可以分成6个步骤:(1配置网络拓扑结构(Topology:通过OPNET 提供的向导和各相关编辑器完成建立场景、选择设备和建立网络拓扑结构的工作。(2配置业务量(Traffic:通过选择在该网络上运行的应用程序并配置运行参数,可以为所仿真网络配置业务量,这样就完成了对系统流量的建模工作。(3收集统计量(Statist

10、ics:统计量是是用于对所仿真网络进行性能测量和评价的依据,通过选择OPNET提供的各种统计指标完成配置和收集统计量的工作。(4运行仿真(Simulation:通过前三步的工作,一个仿真场景已经完全建立,需要通过运行仿真来得到仿真运行的数据。(5调试模块再仿真(Re-Simulation:通过分析仿真数据,可以找出所仿真网络的性能瓶颈,此时可以复制先前网络场景,通过修改拓扑、更新设备、调整业务量而得到新的仿真场景,再次运行仿真可得到优化后网络的运行数据。如果是对协议细节进行仿真,则可修改协议模块的相关细节字段,通过再次仿真可得到修正协议的运行数据。(6发布结果和拓扑报告(Report:通过对一

11、个项目的不同场景(对应着不同的方案的仿真结果进行分析,可以产生研究报告,可以把相关图表从OPNET中导出到文件中,以便于在报告中引用。3仿真实例本节中我们将通过OPNET Modeler来仿真一个小型公司的网络,并收集部分相关参数来测量感兴趣的网络性能。问题描述:某公司早期配置有一个小型局域网,业务办公部门通过10M的共享局域网访问数据库服务器完成业务处理工作,由于公司业务发展需要,处理业务的机器逐渐增至目前的30台,业务员反映访问服务器时等待时间过长。公司决定将现有业务处理机器数量增加一倍,并希望能通过有效部署降低访问服务器的等待时间。根据问题描述,利用OPNET Modeler建立工程,创

12、建一个场景反映公司早期的网络配置(如图 1所示,图中客户机与服务器通过10M双绞线通过集线器(Hub连接成星型结构。在此场景中配置相应的业务,并收集局域网的延迟时间和服务器的负载这两个统计量。通过运行1小时的仿真,其相关性能如图2所示。从图2(a中可以看出,以太网的延迟时间基本在3ms到4ms之间,其延迟时间较长,分析得知这是由于共享集线器的转发能力不足造成的,从图2 (b中可以看出服务器的负载情况,达到200Kbps。为了满足公司的业务要求,需要再增加能访问数据库服务器的30台业务处理机器并能有效降低网络延迟时间,可将集线器更换为32口的100M交换机,使得链路带宽升级到100M,再使用一个

13、同样的100M交换机用于扩展可以得到其拓扑结构(如图3所示,并作为场景加入工程中。再次进行60分钟的仿真,得到扩展后网络延迟与服务器负载情况(如图4所示。可以看出,改进配置并扩展后,网络的延迟约为0.4ms,服务器的负载能力接近400kbps。为了更好地对比扩展前后的网络在上述两个指标上的差异,下面给出了扩展前后的平均延迟和和平均负载情况(如图5所示。早期的以太网的平均延迟高达3.5毫秒,而扩展后降为0.04毫秒,网络延迟时间大大降低。 扩展后的网络负载则较之早(下转第32页号,与软件的结果相一致,说明了本文设计的重复填充在逻辑上是正确的。 4结束语本文根据MPEG-4VOP 填充的基本原理,

14、设计实现了VOP 填充处理器的VLSI 硬件结构,编写了相应的VHDL 模型,并成功进行了仿真和逻辑综合。该设计主要针对MPEG-4中VOP 填充控制复杂、实现较困难的问题,给出了相应的解决方案。最后硬件仿真结果与软件仿真结果的对比表明了本文设计的正确性,综合结果表明该处理器可以满足MPEG-4Core Profiles &Level2的实时编码要求,可以用于MPEG-4的VLSI 实现。参考文献1G Kuzmanov,S Vassiliadis.Reconfigurable RepetitivePadding Unit,GLSVLSI 02,New York,USA,2002.2H

15、C Mo,J S Kim,L S Kim.A High-speed Pattern De-coder in MPEG-4Padding Block Hardware Accelerator,IEEE ISCAS 01,2001,197200.3R Garg,C Y Chung,D L Kim,Y L Kim.Boundary Mac-roblock Padding in MPEG -4Video Decoding Using a Graphics Coprocessor,IEEE Trans.on Circuits and Sys-tems for Video Technology,Augus

16、t 2002,12(8:719723.刘龙男,(1976-,博士研究生生。研究方向为基于对象的视频编码与检索技术、无线视频传输技术、小波分析、视频分析。韩崇昭男,(1943-,博士生导师。研究方向为兴趣包括信息融合、目标跟踪与识别。王占辉男,(1978-,硕士研究生。研究方向为图象处理、视频分析与传输控制技术、小波分析。白雁女,(1979-,硕士研究生。研究方向为网络技术、小波理论,时频分析等。期上升近一倍,符合预期目标。4结束语本文讨论了利用OPNET 进行网络仿真和性能测量的步骤和方法,并利用OPNET Modeler 对一个局域网进行了仿真,并对网络的性能指标进行了有效的测量,为优化网络设计提供了重要的依据。参考文献Inc.,2003.2陈敏.OPENT 网络仿真M.北京:清华大学出版社,20