基于OPNET的油田混合传输网络仿真

基于OPNET的油田混合传输网络仿真
王秀芳;王亚鹏;姜晶
【摘要】此项研究主要针对大庆油田某作业区的实际网络现状,对该作业区进行网络分析和规划,在该作业区现有的有线网络基础上扩充无线网络,实现有线网与无线网的综合,构成一个完整的油田传输信息体系.同时利用OPNET MODEL-ER仿真平台为该作业区新建混合网络建立仿真模型(网络模型、节点模型和进程模型),分析相关模型中主要模块的作用和工作机理,对已建立的网络模型进行仿真,在不同的参数设置下,通过对比分析时间延迟、丢包率等统计特性,得出数据包分组、数据率和拆分门限对网络性能的影响,最终决定改进网络的最佳组网方案.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2009(032)003
【总页数】5页(P122-126)
【关键词】传输网络;混合网络;建模;CPNET
【作者】王秀芳;王亚鹏;姜晶
【作者单位】大庆石油学院电气信息工程学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院电气信息工程学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院电气信息工程学院,黑龙江,大庆,163318
【正文语种】中文
【中图分类】TP393.1
0 引言
随着信息产业的飞速发展，数字化已经成为现代网络的发展趋势。

尤其是在油田企业，通过信息化建设，构建信息传输速度快、数据资源丰富、网络覆盖面广的信息运行模式，可以全面提升油田管理水平，有效地帮助石油和天然气企业以信息化打造全球化市场竞争优势。

本文为了配合大庆油田“实现二次创业、创建百年油田”，提高大庆油田信息化建设水平，充分发挥信息技术的后发优势，特从实际出发，为大庆某作业区的有线网络扩充无线网络，实现网络的综合。

并在OPNET仿真平台上构建有线与无线相结合的混合网络模型，通过仿真来对改进的网络进行测试，获得数据包分组、数据率和拆分门限等网络参数对网络性能的影响，进而决定最佳组网方案。

1 网络模型介绍
该网络源于大庆某作业区的实际网络结构，网络覆盖面积约8 100 m×4 500 m，中心交换机位于某路交叉口处，下分三条支路，每条支路总体上为总线型拓扑结构。

第一条支路包括3个站点，第二条支路包括6个站点，第三条支路主要是维修队
和测试队的位置，以上各支路中各站点以下均由小队组成。

现出于实际需要为其中的6个站点建立无线网络，对有线进行扩充，进而实现有线网和无线网的结合。

这种改进灵活性高，充分利用了现有的有线资源，降低了油田的建网成本和费用。

下面将根据该拓扑结构，利用OPNET仿真软件建立各种模型。

2 仿真模型的建立与分析
2.1 网络模型
OPNET是目前网络仿真及优化领域性能较好的软件，它为解决通信网络的仿真和优化，以及高效的网络管理提供了整套的解决方案。

OPNET采用的是三层建模机制：最上层为网络模型，反映了网络的拓扑结构特点；其次为节点模型，由相应的
协议模块构成，反映了设备的特性；最底层为进程模型，以状态机的形式来描述协议，反映了协议的具体功能是如何实现的[1]。

结合实际，根据改进方案，在OPNET仿真平台上建立该作业区的混合网络模型。

具体模型如图1所示。

该模型覆盖面积为9 000 m×5 000 m，其中使用的设备有2个应用模块[2]，即Application Config(应用配置，定义了8种最常用的业务应用)和Profile Config(业务配置，描述一类用户所涉及的应用)、11个交换机Switch与各个小区相连、22个有线子网10BaseT_LAN，分别表示各配置站及各个采油大队的有线局域网、6个无线子网模块WLAN_1～6分别由6个无线接入点AP接入有线骨干网、48个无线终端设备。

图1 混合网络模型
图2为混合网络中的一个无线子网模型，该模型采用中心协调方式(PCF)，即基于由接入点控制的轮询方式[3]，传输方式为直接序列扩频(DSSS)，并采用
IEEE802.11b协议标准，其工作频段为2.4～2.483 5 GHz[4]，网络覆盖面积为300 m×300 m。

在图2中，WLAN1_router为这个子网的接入点AP[5]，通过它将无线网接入有线骨干网，moble_node_0～7表示该小区范围内的各个无线移动终端设备，主要模拟各队各站的采油单井及数据采集设备等。

其余5个无线子网内部结构与之相似。

图2 无线子网模型
2.2 节点模型
2.2.1 有线终端节点模型
该网络模型中主要采用的有线终端模型为10BaseT_LAN，它支持TCP/IP协议，具有四层结构，分别为应用层、传输层、网络层和物理层。

各层之间的模块采用数据包线进行连接。

它的节点模型如图3所示。

图3 有线终端节点模型
该有线节点模型的工作流程为：在物理层(LAN Layer)，每对接收模块和发送模块与逻辑链路控制模块相连，来控制每次每个模块的接入链接，当发送模块要发送数据时，首先通过逻辑链路控制模块接入到地址解析模块(arp)进行地址解析，之后
通过IP模块送入ip_encap进行IP封装，在通过UDP检错或者TCP流量控制后
传送到适配层，最后到达中央处理器的应用模块得到应用业务，之后再沿这一流程返回到逻辑链路控制模块，通过它控制哪个接收模块进行接收，这样就完成了一次业务的应用。

该模型中各模块的具体功能：
application模块可以实现站点多个用户之间在所有页面中共享信息，以及控制访问应用层数据，在应用程序的用户之间传递信息。

tpal：位于应用层和传输层之间的一个适配层。

udp：用户数据报协议，它提供错误检测。

tcp：提供一种面向连接的、可靠的字节流服务和流量控制。

ip_encap：IP封装，即把上层的包封装成IP包。

arp：地址解析协议，它负责将某个IP地址解析成对应的MAC地址。

llm_mac：媒体接入控制的逻辑链路管理，它向高层提供一个或多个访问点LSAP，用于同网络层通信的逻辑接口[6]。

2.2.2 无线终端节点模型
本文侧重分析整个通信网络的性能指标，只考虑各通信节点MAC层的接入和传输问题，用一个源模块(source)和一个接收模块(sink)来模拟高层的通信情况，并且
认为网络中各节点具有相同的模型结构，如图4所示。

节点模型的工作流程如下：source模块产生数据分流后通过无线网mac接口模块接入到mac模块，再根据mac模块的多址协议传送给接收模块，完成无线终端的数据分流的传输。

source模块用于产生不同时间间隔分布及不同大小的数据分组流。

sink模块用于处理接收过服务的分组。

图4 无线终端节点模型
wlan_mac_intf模块作为MAC层与高层的接口。

wire_lan_mac模块完成各种MAC多址接入协议下分组的接入和传输。

wlan_port_rx0和wlan_port_tx0模块完成物理层模型上无线信道的分组收发过程[7]。

2.3 进程模型
作为OPNET三层建模机制的最底层，进程模型主要用于细化节点模型中各个功能模块的实现。

每个进程都是采用VC++编程来实现的有限状态机。

本文主要关注的进程模型是MAC进程模型。

具体的进程模型如图5所示。

图5 进程模型
工作流程如下：在进行数据传输时，工作站先监听信道，如果信道被占用，则不传输数据包。

如果有2个或2个以上的移动站同时传输包，则产生冲突，为了避免冲突，自动进入基于二进制指数退避算法的退避阶段，等退避后转入到等待传输状态，若不需要退避则进行帧传输，传输完成后等待响应帧[8]。

3 仿真参数设置
在进行参数设置之前，首先了解一下基本参数的含义：
数据传输速率：此WLAN在802.11b协议下支持的数据传输率有：1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s和11 Mb/s。

这些数据率将模拟传输机和接收机处理分组的速率[9]。

拆分门限：该门限决定高层数据分组(MSDU)是否需要拆分。

拆分后帧的数量是由MSDU的大小和拆分门限决定的[10]。

有线部分参数配置：
(1) 应用配置，即对所要进行仿真的对象进行定义。

操作流程为：
Application Configure/Edit Attributes/Application Definitions/default，即提供的应用为默认的8种应用。

(2) 业务配置，即配置一类用户所涉及的应用，本例为文件传输。

操作流程为：Profile Configure/Edit Attributes/Profile
Configuration/Edit/Application/File Transfer(heavy)。

(3) 配置服务器，即对服务器所需支持的服务和应用进行设定，在Application Configure中定义的应用都可以选择。

操作流程为：server/Edit
Attributes/Application/Application/Supported Service/All。

(4) 配置工作站，即配置工作站所支持的业务，在Profile Configure中定义的业务都可以选择。

根据一般的通信业务都是两个工作站通信的特点，本文中工作站的配置既支持服务，又支持业务，还需要配置目的节点。

操作流程为：wkstn/Edit Attributes/Application/Application Supported Profile/File Transfer(heavy)。

(5) 信道采用10Base_T的默认设置，即：10Base_T/Edit Attributes/Back ground Load/Average packet Size/Default。

无线部分参数配置：start time为logistic(0.01,1)；ON平均持续时间为constant(80)；OFF平均持续时间为constant(0)；时间间隔为exp(0.02)；信道带宽1 Mb/s；信道特性DSSS。

4 网络性能测试与分析
设置仿真时间为3 min，仿真种子为128，运行仿真得：
(1) 数据包分组对网络性能的影响：固定数据率为1 Mb/s，拆分门限为none，分别设置包分组为exp(256)，exp(512)，exp(1 024)，仿真结果如图6,图7所示。

图6 无线网丢包率(一)
图7 混合网时间延迟(一)
从图6可以看出，以上三种参数设置下，网络都能在几秒钟后达到稳定状态，但
是当数据包为exp(256)时，无线网丢包率最小，约为2.5 Mb/s，当数据包为
exp(512)时，丢包率最大，无线网络性能最差。

从图7可以看出，以上三种参数
设置下，时间延迟均随着时间的增加而递增，仿真在115 s左右时开始稳定，最
后达到稳定状态，这说明网络性能稳定。

但是具体来看，数据包为exp(1 024)时
网络时间延迟最小，约为0.001 5 s。

说明在这种设置下，设备能更快的进行数据
包交换和传输。

网络性能次之的设置是数据包exp(256)，它的时间延迟为0.002
0 s，稍逊于exp(1 024)时的情况。

而数据包设置为exp(512)时网络的性能有明
显的不足之处，接入到网络的延迟时间很大。

综合来看，设置数据包为exp(256)
时丢包率最低，时间延迟也足以满足现场的实际数据传输的需要，混合网络性能较好。

(2) 数据率对网络性能的影响：固定数据包分组为exp(256)，拆分门限为none，分别设置数据率为1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s,11 Mb/s，仿真结果如图8，图9所示。

由图8可以看出，4种设置均能使网络得到稳定的性能，但是通过比较，数据率为1 Mb/s时，无线网丢包率最小，随着数据率的增加，丢包率逐渐增大。

可见在组网时可以考虑较小的数据传输速率以降低丢包率。

在图9中，当数据率设置为5.5 Mb/s时，总体时间延迟最小，约为0.001 5 s;次之的是数据率为1 Mb/s的设置，时间延迟略大于0.001 5 s;数据率为2 Mb/s时间延迟最大，平稳时略高于0.002 5 s。

综合来看，当设置数据率为1 Mb/s时丢包率最低，时间延迟也足以满足现
场的实际数据传输的需要，可以得到较好的网络性能。

图8 无线网丢包率(二)
图9 混合网时间延迟(二)
(3) 拆分门限对网络性能的影响：固定数据包分组为exp(256)，数据率为1 Mb/s，
分别设置拆分门限为none，256，1 024，仿真结果如图10，图11所示。

图10 无线网丢包率(三)
由图10可以看出，3条仿真曲线几乎重合，说明三种拆分门限对无线网的丢包率没有太大的影响，都能在几秒钟后使网络达到稳定状态，丢包率稳定值在2.5 Mb/s左右。

然而由图11可知，当拆分门限为none时，时间延迟最小，接近0.002 0 s，随着拆分门限的增加，混合网络时间延迟逐渐增大。

可见在组网时可以不设置拆分门限或者设置256，来减小混合网络的时间延迟，使网络获得更佳性能。

图11 混合网时间延迟(三)
5 结语
该文利用OPNET通信仿真平台构建了一个有线与无线相结合的混合局域网模型，并且在直接序列物理层特征参数下得到了网络性能的统计特性(时间延迟、丢包率等)。

通过对以上统计特性的对比分析，可以得到以下结论：
(1) 在混合网络中，当数据包分组为exp(256)时，网络丢包率和时间延迟都比较理想，网络性能优越。

(2) 通过对比可知，数据率的增大会导致丢包率也逐渐增大。

综合考虑丢包率与时间延迟对混合网络的影响，可以考虑在实际的组网设计中设置无线网数据率为1 Mb/s，使整体网络性能更优越。

(3) 此外，通过分析可得，拆分门限对无线部分的丢包率没有太大影响，但是影响混合网络总体时间延迟，因此可以在实际的组网设计中考虑不设置拆分门限或者设置256，此时混合网络性能更优。

综上所述，建议在改进的混合网络中设置数据包分组为exp(256)，数据率为1 Mb/s，不设置拆分门限。

参考文献
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