通信网络仿真

目录
1 绪论
1.1 设计的背景
目前，现代通信网络的仿真，智能化网络规划、优化以及管理成为通信领域的热点问题。

OPNET这一网络仿真工具为解决通信网络（包括固定网络、移动网络和卫星网络）仿真和优化以及网络高效的管理提供了整套解决方案，是网络仿真分析领域出类拔萃的软件。

包交换兼有电路交换和报文交换的优点，如包交换比电路交换的线路利用率高、比报文交换的传输时延小交互性好等，使得包交换网络在数据通信领域有着广泛的应用。

国外，网络仿真方面的研究已有二十多年的历史，覆盖各个领域。

而国内数据通信网络仿真起步较晚，但近几年发展迅猛。

在包交换网络仿真方面，利用OPNET Modeler平台进行的仿真测试对包交换网络性能的进一步提高起到显著的作用。

在复杂多样的SME网络应用方面，相关研究缺乏，既使是已解决的部分技术项目，仍有进一步深入研究的必要。

因而，研究包交换网络中OPNET的仿真应用是一个富有挑战性的课题。

1.2 设计的目的及意义
本课程设计主要研究SME包交换网络中OPNET的仿真应用，即借助OPNET仿真平台来研究包交换网络的性能。

本文中将主要解决如何使用现代化网络仿真工具进行SME包交换网络的性能分析，并在分析的基础处，能找出现有网络存在的不足，从而设计出更适合SME包交换网络的方案。

在学习通信网的基础上，学习通信网仿真方面的专业软件，对进一步掌握通信网络的性能有实践意义。

掌握使用OPNET软件对以后的毕业设计及毕业后从事网络设计领域的工作有很大的帮助。

1.3 设计的基本思路及文章组织
本文在OPNET网络仿真平台上，首先对一个简单的SME包交换网络进行性能分析，然后对现有的网络进行升级扩展、引入新业务并进行可行性分析。

在此基础上提出适合SME包交换网络的设计方案。

全文共分为6部分：
第一部分绪论，主要介绍了设计背景、目的、意义以及设计的基本思路和文章安排。

第二部分是仿真软件OPNET的相关介绍。

第三部分是包交换网络的相关概念及性能指标介绍。

第四部分是简单SME包交换网络的仿真分析。

第五部分是设计总结。

2 仿真软件OPNET介绍
OPNET是专业的网络建模和仿真软件提供商，OPNET提供的解决方案已经得到全球数以千计用户的实践验证，包括政府部门和国防机构、集团企业、网络服务提供商和网络研发机构等。

OPNET Modeler自1987年诞生起一直是防御网络的M&S标准。

另外，OPNET提供网络领域内最优的解决方案，涵盖业务性能排错、业务部署规划、系统处理能力规划、网络配置审计、网络容量和冗余性规划、网络技术研发等。

2.1 OPNET Modeler仿真平台简介
OPNET Modeler是通信网络领先的网络技术开发环境，它可以灵活性的用于设计和研究通信网络、通信设备及通信协议。

OPNET Modeler 为开发人员提供了建模及仿真以分析集成环境，减轻了编程以及数据分析的工作量。

OPNET Modeler的面向对象的建模方法和图形化的编辑器反映了实际网络和网络组件的结构，实际的系统可以直观的映射到模型中。

OPNET Modeler支持所有网络类型和技术。

作为业界广泛应用的系统开发平台，OPNET Modeler网络仿真技术有以下主要特点：
(1) 能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。

(2) 能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。

(3) OPNET Modeler能够准确的分析复杂网络的性能和行为。

(4) OPNET允许用户使用FSM（有限状态机）开发自己的协议，并提供了丰富的C语言库函数。

OPNET还提供EMA（外部模块访问）接口，方便用户进行二次开发。

(5) OPNET支持面向对象的调试。

(6) OPNET可运行在SUN、HP、Windows NT等多种工作站平台上。

2.2 OPNET Modeler仿真流程
OPNET Modeler系统级仿真的基本流程如图2.1示。

图2.1 OPNET Modeler仿真流程
3 包交换网络性能指标
3.1 包交换和包交换网络
3.1.1 包交换的概念
包交换（Packet Switching）也称分组交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组，在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将其转发至目的地，这一过程也称为分组交换。

3.1.2 包交换网络
进行包交换的通信网称为包交换网络。

IP网络就是典型的包交换网络，三层设备完成的工作就是包交换。

包交换（也称分组交换）实质上是在“存储转发”基础上发展起来的。

它兼有电路交换和报文交换的优点。

分组交换网传送按一定长度分割为许多小段的数据分组。

每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。

把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。

到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。

分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。

3.2 包交换网络常用性能指标
3.2.1 网络延迟
网络延迟，在传输介质中传输所用的时间，即从报文开始进入网络到它开始离开网络之间的时间。

网络延迟的大小影响应用程序在网络上的运行效率的高低，对一些对实时性敏感的应用程序而言其影响更大。

如：IP语音系统(V oIP)和视频点播系统(VOD)。

为达到用户期望的语音和视频质量，要求尽可能小的端到端延迟时间。

3.2.2 数据传输速率
数据传输速率，在数值上等于每秒传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒(bit/second)，记作bps。

在现代网络技术中，人们总是以“带宽”来表示信道的数据传输速率，“带宽”与“速率”几乎成了同义词。

信道带宽与数据传输速率的关系可以奈奎斯特准则与香农定律描述。

3.2.3 吞吐量
吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，交换设备能够接收的最大速率。

端口吞吐量是指端口包转发能力，通常使用包/秒（packets/second）来衡量，它是路由器在某端口上的包转发能力。

3.2.4 资源利用率
资源利用率是指网络资源的有效工作时间占整个工作时间的百分比。

它是网络资源使用频度的动态度量，也是衡量网络性能价格比的关键参数。

资源利用率包括各种网络部件的利用率，如信道利用率、内存利用率、CPU 利用率、网络利用率等。

通过分析各个网络部件的利用率就可以知道网络中的瓶颈在哪里。

另外，资源利用率也是预测网络性能变化的最有效途径。

从经验数据来看，CPU利用率最好在30％～40％，超过这个范围，网络性能会急剧下降；网络利用率大约为30％～70％时，可保证有突发业务时仍有足够的带宽可用。

3.2.5 丢包率
网络丢包率是指在一个特定时间间隔内，从客户机到服务器间往返过程中丢失的数据包占所发送数据包的百分比。

数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。

丢包率一般在0％～15％间变化。

丢包率超过15％的可能导致网络不可用。

但需要注意的是，少量的丢包率并不一定表示网络故障，因为很多业务在少量丢包的情况下也能继续进行。

如一些实时性应用或流媒体业务，可以忍受一定量的丢包，并且也不需重发丢失的包；另外，TCP协议正是通过检测丢包率以发现网络拥塞。

3.2.6 可靠性与可用性
可靠性是指在一定时间内系统能正常工作的概率；可用性，是指在某特定时间段内，系统能正常工作的时间占总时间的百分比。

与前面所阐述的动态指标不同，可靠性和可用性是一种静态指标。

可靠性通常用平均无故障时间(MTBF，Mean Time Between Failures)表示。

显然，MTBF值越大，系统可靠性越高。

为了提高网络的可靠性，网络中对关键部件往往通过设置冗余备份。

可用性通常用平均修复时间(MTTR ，Mean Time to Recovery)表示。

故障次数少但出现故障后修复时间长或故障次数多每次故障修复时间短，这两种情况都是用户所无法接受的。

最理想的情况是MTBF值大，而MTTR值小，即可靠性高，一般不出现故障，一旦出现故障能快速修复。

4 简单SME包交换网络仿真分析
4.1 建立简单SME包交换网络
运行OPNET程序，选择，在下拉列表框中选择project，点击OK确定；新建项目名称为Enterprise，场景名称SME_Network，如图4.1示。

图4.1 创建项目名和场景名
4.1.1 启动向导
用户新建一个项目后，ONPET自动弹出启动向导（Startup Wizard），指导用
户进行网络位置、大小等场景信息的设置。

在本项目中，可以按照下图完成对网络的配置，完成后单击Finish按钮结束。

图4.2 创建空场景
图4.3 创建SME网络
图4.4 设置SME网络尺寸
接下来可以不选择任何模块家族，最后一项检查确认网络设置。

在启动向导中完成对网络背景信息的配置后，ONPET 按照启动向导中的信息为用户打开一个项目编辑器，用户可以在其中放置所需的设备，为图形化的方式配置网络。

4.1.2 添加设备及配置设备
点击图标打开项目编辑器，同时会弹出一个对象面板，用户也可以从工具
栏中将对象面板打开。

放置设备的步骤如下：
（1）在对象面板中单击固定子网subnet，设置子网的名称为research。

（2）双击research子网图标。

打开它的子网络，此时子网络为空。

research 子网内部构造设计如下图。

图4.5 research子网内部结构
（3）在工具栏中单击按钮回到上一级网络，选择research子网复制这个子网的三个副本，并命名为test、sales、administration。

之后从对象面板中拖入一个固定子网，命名为server。

（4）双击server子网图标，进入它的子网络。

接着设置的属性，在图标上右击，选择Edit Attributes，展开Application项，在Application：Supported Service子项的Value区域单击，选择Edit子选项，添加相关应用如下图示。

图4.6 添加所支持的应用
同样的方法，进行web server 、database server的属性设置，添加相关应用依次如下图示。

图4.7 添加web server所支持的应用
图4.8 添加database server所支持的应用
（5）在工具栏中单击回到上一级网络，使用10BaseT链路连接research、test、sales、administration子网到server子网上，连线的时候确认链路的两端都连接在switch上。

（6）从对象面板中拖入一个Application Configure 和一个proure 到工作区，分别命名为applications和profiles。

添加applications和profiles后，组建的简单SME包交换网络模型如图4.9所示。

打开profiles属性对话框在其中添加research、test、sales、administration这4个子网的应用配置。

然后再profiles属性对话框中单击Pro的Value域，从下拉列表中选择Edit，配置应用如图4.10所示。

图4.9 简单SME网络模型
图4.10 配置应用
接下来，在图4.10 中researcher条目的Applications 区域添加应用配置。

图4.11 research子网应用配置
同样的方法，为test、sales、administration 条目的Applications 区域添加应用配置依次如图4.12 、图4.13、图4.14所示。

图4.12 research子网应用配置
图4.13 sales子网应用配置
图4.14 administration子网应用配置
（7）双击research子网，在LAN图标上右击打开它的属性对话框，展开Application相在Application：Supported Servers的Value区域单击，选择Edit…
如图4.15所示。

图4.15 LAN Attributes
接下来，在弹出的（Application :supported profiles）Table 对话框中添加下条目如图4.16所示。

图4.16 为子网添加应用配置
用同样的方式分别为test、sales、administration子网添加各自的应用配置。

在工作区双击server图标，如图4.17所示。

图4.17 Server子网结构
（8）完成上述操作后，按默认名称和路径保存项目。

4.2 搜集变量
网络中包含多种应用和参数，我们通常只想查看其中影响网络性能的几个关键统计量。

因此，在运行仿真之前应对关键的若干统计量进行收集，不但能对繁冗的多种统计量进行简化，而且能使结果的查看更加清楚。

在项目编辑器工作区的空白处右击，选择Choose Individual DES Statistics选项，打开变量收集对话框，设置如图4.18所示。

图4.18 统计量设置
4.3 运行仿真
单击项目编辑器工具栏中图标，仿真配置对话框设置如图4.18所示。

图4.19运行仿真参数设置
设置好相关参数后，点击Run按钮，运行仿真。

仿真结束后关闭该对话框。

4.4 仿真结果
单击工具栏中的图标，打开结果查看仿真结果对话框，在Global Statistics下层文件中查看仿真结果，如下图所示。

图4.20 响应时间以及包接收发送速率 4.21 Email服务下载/上传响应时间
图4.22 包交换延迟 4.23 Http服务响应时间及包发送/接收速率
图4.24 网络数据包发送/接收速率
4.5 网络扩展后的仿真结果
原有简单网络的扩展说明：网络规模增加一倍，表现为企业部部门数增加一倍。

扩展后的网络模型如图4.25所示。

图4.25 扩展后的网络模型
扩展后网络仿真结果如下图所示。

图4.26 响应时间以及包接收发送速率图4.27 Email服务下载/上传响应时间
图4.28 包交换延迟图4.29 Http服务响应时间及包发送接收速率
图4.30 网络数据包发送/接收速率
4.6 网络扩展前后的仿真结果分析
（1）通过对比图4.20和图4.26，可知网络扩展前后响应时间没有明显变化，约 2.25ms；数据包接收、发送速率基本一致，但扩展后包交换速率明显提高，约为扩展前的3倍。

（2）通过对比图4.21和图4.27，可知网络扩展前后Email server下载、上传响应时间也没有明显变化，且下载和上传速率基本一致。

（3）通过对比图4.22和图4.28，可知网络扩展前后包交换延迟基本一致，变化范围在0.9ms到1.3ms之间。

（4）通过对比图4.23和图4.29，可知网络扩展前后Http 服务页面请求响应时间也没有明显变化；但扩展前Http数据包发送速率明显高于接收速率，而扩展后Http数据包发送、接收速率基本一致。

（3）通过对比图4.24和图4.30，可知网络扩展前后Print 服务数据包发送、接收速率基本一致。

5 设计总结与体会
这次的课程设计主要的仿真工具是OPNET。

在仿真的过程中遇到了很多困难，但通过参考网上的一些资料以及和同学们的探讨，才对这个软件的一些基本操作有了一个初步的认识。

因为我们是一个组的形式来做这个题目，所以分配到每个人的任务就相对一个人做整个题目而言就轻松很多，组里每个成员都很负责任。

通过这次仿真，我学到了很多东西。

比如，对网络的配置、仿真分析等。

参考文献
[1] 龙华，《OPNET Modeler与计算机网络仿真》，西安电子科技大学出版社，2006。

[2] 陈敏，OPNET网络仿真(最新版)。

[3] 王玉兰，《基于OPNET的校园性能分析与设计》，[硕士论文]，山东师范大学，2008。

[4] 谢彬，《基于opnet的军用网络性能仿真研究》，[硕士论文]，兰州大学2007。

[5] 罗晴，罗琳，《OPNET在企业组网中的应用》，CNKI文献。

[6] 李宇恒等，《OPNET在计算机网络和通信工程中的应用》，CNKI文献。

[7] 赵毅，《高校校园计算机网络设计与实现》，[硕士论文]，重庆大学，2006
[8] 冷杰，《OPNET网络仿真技术及网络设计》，[硕士论文]，天津大学2006 。

[9] 张剑，《基于OPNET的仿真建模方法研究》，[硕士论文]，武汉理工大学，2005 。