网络仿真与建模

1、南阳师范学院物理与电子工程学院网络仿真与建模题目： 基于OPNET校园网仿真设计完成人：张 晓 旭班级：09通信四班学号： 09006510455专业：通信工程摘 要：网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络 行为，从而获取特定的网络特性参数的技术。探讨OPNET的关键 仿真技术，并介绍使用OPNET进行网络仿真的工作流程，以及对 某高校校园网进行了仿真设计，对仿真结果进行了分析。关键词：网络仿真，OPNET，校园网1绪论对于园区网，在建设网络、开展网上业务之前，需要对配置的网 络设备、所采用的网络技术、承载的网络业务等方面的投资进行综合 分析和评估，提出性价比最优的解决方案。无论是

2、构建新网络，还是 升级改造现有网络，或者测试新协议，都需要对网络的可靠性和有效 性进行客观的评估，从而降低网络建设的投资风险，提高网络的性能。网络仿真是一种有效的网络研究工具，它以系统理论、形式化理 论、随机过程和统计学理论、优化理论为基础，在设计阶段，仿真方 法提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，通过对不同环境 和工作负荷的分析比较，来优化系统的性能。随着网络新技术的不断 出现和数据网络的日趋复杂，对网络仿真技术的需求必将越来越迫切， 网络仿真的应用也越来越广泛，网络仿真技术已成为研究、规划、设 计网络不可缺少的工具。目前在计算机网络仿真软件中，较为突出的 是OPNET系列仿真平台。

3、作为网络规划、仿真及分析工具的高端产品， OPNET在通信、国防及数据网络领域已经被广泛认可和采用。目前OPNET的应用在国内还处于起步阶段，因此OPNET具有很重 要的研究、应用价值。2网络仿真概述系统仿真技术是以相似原理、数学建模、统计分析记忆仿真应用 领域的有关专业为基础，以计算机系统及仿真器为工具，利用模型对 已有的或摄像的系统改进研究、分析、实验与运行的一门多学科的综 合性技术。在各类应用的需求及有关学科技术的推动下，系统仿真技 术已经构成一个综合性的专业技术体系。系统仿真本质上是一种知识 处理过程，典型的系统仿真过程包括OPNET仿真系统核心技术3.1离散事件仿真机制OPNET采用

4、基于离散事件驱动的模拟机理（其中事件是网络状态 的变化）。只有网络状态发生变化，模拟机才工作，网络状态不发生 变化的时间段不执行任何模拟计算，即被跳过。因此，与时间驱动相 比，离散时间驱动的模拟计算效率得到很大提高。仿真核心实际上为 离散时间驱动的事件调度器，它对所有进程模块希望完成的时间和计 划该事件发生的时间进行维护。事件调度器主要维护一个具有优先级的队列，它按照时间发生的 事件对其的工作进行排序，并遵循先进先出顺序执行时间。而仿真中 的各模块之间的通信主要依靠传递包的方式来实现。3.2仿真调度机制在OPNET中使用基于事件列表的调度机制，合理安排调度事件， 以便执行合理的进程来仿真网络系

5、统行为。调度的完成通过仿真软件 的仿真核和仿真工具模块以及模块来实现。3.3建模通信机制在OPNET仿真软件中，大部分的模型都可以归结为一个若干相互 通信组成的分布式子系统。子系统之间的交互依赖于通信资源，以支 持命令、质询和一般信息的交换。这些方式包括数据报的通信机制、 通信链路机制、应用接口控制信息1通信机制和统计线通信机制。OPNET在网络规划设计的步骤及应用流程OPNET网络仿真软件应用于网络规划设计的流程见图1-1。4.1收集和消化网络工程设计文档网络仿真必须基于对仿真网络全面和深入的了解，主要包括：网 络拓扑结构、网络协议和标准、网络设备、网络链路、网络应用及流 量特性。4.2建立

6、网元模型对于基本模型库中已有的网络设备，根据网络设备的接口配置对 现有模型进行修改，优化网络设备模型；对于基本模型库中没有的网 络设备，需要开发新的网络设备模型，有时还需要针对不同的仿真需 要，建立一个网络设备多个不同的模型版本。4.3建立网络模型建立网络模型就是在所需要的网元模型建立好后，依据仿真网络 建立起网元模型之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统映射为 OPNET网络模型。对于现有网络，通过网曾POpenview的NNM读入网 络IP拓扑，然后在叩拓扑中手工加入第二层网络设备，例如交换机等。 对于升级后的网络，在现有网络模型的基础上，手工修改网络拓扑或 添加网络设备。对于新建网络，完

7、全手工建立网络模型。4.4建立网络流量模型OPNET中，网络流量分为背景路由流量背景利用率流量和前景业 务流量。4.5仿真设计和仿真计算选择仿真过程中要收集的网络性能统计参数。4.6查看、分析结果并提交仿真报告对于统计数据，可直接通过菜单栏中的“view results”来查看。 以上是网络仿真技术在网络规划设计应用中的典型流程，在实际操作 中，一般不可能经过一个仿真流程就达到仿真的目的，而彳主彳主需要多 次的反复。因此，上述步骤或其中的部分步骤会多次重复，具体的网络仿真流程需要根据具体的仿真需要和其他具体视情况决定。OPNET在某校园网的仿真应用5.1网络拓扑网络设备和网络链路共同构成了网络

8、系统的拓扑结构。设备通过 链路相互连接，实行了信息的传送。同时，这些通信设备的连接组合 构成了子网，而子网可以进一步包含更低层的子网，从而构成多层子 网。OPNET通过子网来表示实际网络的拓扑结构，为建模提供了极大 的自由度和便捷性。OPNET软件中提供了许多网络元素，按照实际网 络组成部分进行建模。某高校校园网采取核心、汇聚、接入层网络结构网络，4台点对 点链接的高端交换机组成的核心层，有路由器和交换机构成汇聚层， 通过用以连接用户的低端交换机和接入点构成接入层;网络拓扑结构 如图5-1所示。0.375ProfilesApplkationsLibrary&oEi 切 ryWEcpyri gh

9、ApplicationPru + ocole NH + D&ctor Flow AnalysCajiyr i g n t 匚； li z 1 n rmazil-l-l .=1 Profllle Definition图5-1在OPNET上实现的网络拓扑图图4-2为子网dormitory的内部结构，汇聚switch通过千兆光 纤连接到核心交换机switch3和switch4上。接入交换机和汇聚交换 机之间采用千兆双绞线，再通过百兆双绞线连接到终端，即连接到学 生所用的端口。在OPNET仿真中，由于本次设计主要为测试核心交换 机性能，对子网工作站的表现要求不高，因此采用LAN节点代替终端，减少了仿真

10、事件，缩减仿真时间。图4-2主机server的内部结构通过图4-2的内部结构我们可以看出到主机控制其他的子网，而 且我们从里面结构知道建立子网的内部结构，图4-3就是子网内部结 构如图所示：10Bas*T心序岫邑&理谜剑色拿罕翠亨J命 S3普丈赚室励风困0.0r25*您*).03750.CC25。.沏ET芨Switch.3625|D.2Q D.i)。.0875Inpyrigh t c) 22111 Map Info Ca-rpzra-iafl , T ro-y, b-a York. Imae rejide rec using Map Inf 2 Fraf-BssianaT :Zi -y i n

11、fcrmai吞ji i 5 pyrighz. cj 2212 E混Feh -s-s.1 zers gn .mE 二-gazex-bs. tom.File Edi + Vi ew ScerL：=Q_ioE Tupologjr Tr：fi c Services ProtocolE Ne + Doctor Flow ArL：=ilyEi e DES3DNV DesiiL Windows Help*-| Pro j ed : Z_NetDesign Scenario: SiMpleHetvork Subnet: top. Cap.回区I图4-3子网dormitory的内部结构5.2业务配置校园网主要以

12、教学科研为主要目的，所以主要涉及的业务主要有:FTP文件下载业务，HTTP网页浏览业务，Email电子邮件业务等。这些 业务主要都是端对端的业务。都是以工作点访问服务器从而获得某种 服务的方式完成的，所以需要配置端对端业务。由于网络接入了大量 的用户群，对于不同的用户，其业务也是不同的，例如对于学生宿舍 的用户来说，主要的网络业务为http和ftp。对办公楼，实验楼分别进行http，Database设置对图书馆进行http，Database设置对教学楼进行http，Telnet Session设置对宿舍区进行http和ftp设置5.3仿真结构的分析总结对所设计的网络拓扑图进行运行仿真。5.3.

13、1收集统计量收集的统计量主要有交换机和局域网的参数：其中交换机的参数有：Traffic Received （bits/sec）（弋表交换机的数据接收速率;Traffic Dropped （packets）代表交换机对数据包的丢弃 率;局域网的参数有：http 的Traffic Received （bits/sec）5.3.2仿真设置（1）选择优化仿真核心：优化仿真核心有development和optimized 两种，调试的仿真核心收集仿真信息，这些信息可以用来调试模块。 而优化仿真核心使运行速度加快。我们在这里选择的是调试仿真核心。（2）选择运行仿真的时间：运行仿真时间这里设置成1ho即模拟

14、执 行一小时的仿真。5.3.3运行仿真运行仿真，等仿真结束后点击Close关闭对话框。在网络仿真结 束后，下面对仿真的结果进行说明和分析：网络在1min40s趋向平稳，稳定在0.046秒左右。说明网络延时100 多秒以后稳定。（1）核心交换机的包接收率结果分析：图5-4所示为交换机在刚开始的时候有一个100秒的延时用 来使设备初始化，在网络运行稳定后逐渐趋于一个定值之间波动。（2）核心交换机的包丢失率分析说明：图5-4为交换机对数据包的丢失率。从图形可以看出交换机的丢失率很低，趋近于零，说明交换机的性能很好。（3）汇聚层交换机的包接收率结果分析：图5-5下图为交换机在刚开始的时候有一个100秒的延时用来使设备初始化，然后接收数据速率就达到一个稳定的速度，在网络 运行稳定后逐渐上升。（4）网络HTTP页面响应时间结果分析：图5-6第三图所示为网络在刚开始的时候有一个00秒的延 时，然后响应时间冲到0.02s以上，之后趋向平稳。6结论本文研究描述了一种科学的网络仿真方法，探讨了OPNET仿真技 术，叙述了基于网络仿真方法和OPNET软件技术，测试了网络仿真相 关流程和方法，并以某高校校园网为蓝