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。