基于ＯＰＮＥＴ的網絡模型仿真

摘 要：網絡仿真是一種全新的網絡規劃、設計和分析技術，它能夠驗證實際方案的有效性和比較多個不同的設計方案，為網絡的規劃設計提供可靠的定量依據。介紹OPNET的特點、建模機制及仿真方法，并利用OPNET對一個局域網進行仿真，結合實例給出在OPNET環境下進行網絡仿真的步驟，針對不同設置，仿真實驗將獲得各種情況下的網絡性能參數指標，有效指導網絡設計和優化。

關鍵詞：OPNET；網絡仿真；網絡建模；性能測量

Network Model Simulation Based on OPNET

GONG Lining1，MOU Xiaoguang2

(1.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，030024，China;2.Qingdao Agriculture University，Qingdao，266109，China

Abstract：Network simulation is a new technology of network plan，design and analysis，which verifies the validity ofpractical scheme and compares multiple different network design schemes.So in the network plan and design，the credible quantificational basis is provided.In this paper，the characteristic and method of network simulation based on OPNET are given.This paper introduces how to modeling the network in OPNET environment.A simulation instance is given in order to show the steps in network simulation.From this platform，the performance of the network are got，which is used as a guide for network′s design and optimization.

eywords：OPNET;network simulation;network Modeling;performance measurement

1 引 言

計算機仿真已經成為研究計算機網絡的一種非常有效的評估工具。隨著通信技術的發展，通信網絡的結構和規模越來越復雜，基于網絡的應用也越來越多樣化，單純地依靠經驗進行網絡的規劃和設計、網絡設備的研發以及網絡協議的開發，已經不能適應網絡的發展需要。因而急需一種科學的手段反映和預測網絡的性能，這導致網絡仿真技術的應運而生。

網絡仿真技術是一種通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型，并模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計或優化所需要的網絡性能數據的仿真技術。它以其獨有的特點能為網絡的規劃設計提供客觀可靠的定量依據。它能為網絡提供接近真實環境下的模擬試驗環境和輔助測試手段，驗證網絡的基本使用效能、網絡可靠性以及提供各種新技術體制的試驗環境。

網絡仿真的優點使其一出現就得到迅速的發展，目前世界上的一些主流仿真軟件均采用面向對象的智能化分布式并行仿真技術，如美國OPNET Technology 公司的網絡仿真產品OPNET。

2 OPNET特點和仿真方法

OPNET Modeler作為一種主流網絡仿真軟件，為通信網絡和分布式系統的建模提供全面的模擬仿真開發環境。OPNET通過執行離散事件仿真來分析各種模擬系統的行為和性能。OPNET Modeler將各個仿真研究階段所需要的工具相結合，組成一個由模型設計工具、仿真核心、數據收集工具和數據分析工具有機結合起來的大型仿真系統。2.1 特點

作為廣泛應用的系統開發平臺，OPNET Modeler的主要特點如下：

（1） 層次化、模塊化的建模機制。在OPNET Modeler中，采用與實際系統相類似的層次化結構建模。最下層是進程域模型，用有限狀態機、C或C⁺⁺以及OPNET自帶的核心函數實現各種協議算法。第二層是節點域，由能實現不同功能的模塊組成，反映設備的硬件和軟件特性。最上層利用各種網絡設備模型、映射現實網絡。

（2） 面向對象的建模方式。OPNET Modeler采用面向對象的方式建模。每類節點用相同的節點模型，再針對不同的對象設置特定的參數。

（3） 豐富的模型庫。OPNET Modeler提供標準模型庫，包括x.25，ATM，Ethernet，TCP/IP等現有設備的標準模型庫，同時還有3COM，Cisco，Sun等多個廠家的現有設備。

（4） 圖形化的建模方式。不論是網絡域、節點域和進程域，還是傳輸鏈路、網絡中流動的包等，OPNET Modeler均采用圖形化的編輯器完成模型的構建。

（5） 靈活的建模機制。在進程域中，采用有限狀態機和C/C⁺⁺以及OPNET Modeler自身所提供的400多個核心函數可以實現自定義設備，或者根據協議、算法，開展協議研究等。OPNET Modeler中的源代碼完全開放，用戶可以根據需要添加、修改源代碼。

（6） 統計數據的生成。仿真期間，用戶能夠自定義要收集的統計數據。

（7） 綜合分析工具。在OPNET Modeler中，包括如ACE、網絡醫生、流分析等多個數據分析工具。這些工具為網絡仿真設計的準確性、可信性提供網絡診斷。同時還可以進行詳細的網絡性能分析。

（8） 動畫。OPNET Modeler可以在仿真中或仿真后對諸如網絡中的數據流的傳輸過程進行生動的演示，生動地展示模型的動態過程。

2.2 OPNET的建模機制

OPNET Modeler建模采用層次化和模塊化方式，將復雜的系統分解為不同的層次結構，OPNET采用3層建模機制：

(1 最底層為進程（Process）模型，進程行為（協議、算法、應用）用有限狀態機和可擴展高級語言進行定義；(2 其次為節點（Node）模型，由協議模塊和連接模塊的各種連接線組成，反映設備特性，每個模塊對應1個或多個進程模型；

(3 最上層為網絡模型，用子網、節點、鏈路和地理背景描述網絡拓撲，由該層模型可直接建立起仿真網絡的拓撲結構。三層模型和實際的協議、設備、網絡完全對應，全面反映了網絡的相關特性。

2.3 OPNET仿真步驟

使用OPNET Modeler 仿真可以大體分成6 個步驟，分別是配置網絡拓撲（Topology）、配置業務（Traffic）、收集結果統計量（Statistics）、運行仿真（Simulation）、調試模塊再次仿真（Re-simulation），最后發布結果和拓撲報告（Report）。

3 仿真實例

OPNET 能夠迅速地建立起現有網絡的模型，并能夠方便地修改模型并進行仿真，這使得網絡仿真非常適用于預測網絡的性能。這里通過OPNET Modeler 來仿真一個小型公司的網絡，并收集部分相關參數來測量感興趣的網絡性能。

某公司擁有1個30臺終端和1臺服務器的星型拓撲網絡，由于業務增長的需要，現在需要增加視頻業務，用OPNET Modeler快速建立所需的公司網絡拓撲，選擇適當的統計量，并進行離散事件仿真，最后分析仿真結果，以便檢測現有的公司網絡能否適應新的業務要求。

根據問題描述，利用OPNET Modeler 建立工程，創建一個場景反映公司早期業務配置的星型網絡， 如圖1所示。

圖1中30臺終端以10BASE-T鏈路通過集線器(Hub連接到服務器，在此場景中配置相應的業務，收集統計量局域網的延遲時間（Ethernet Delay）并進行仿真，得到的仿真結果如圖2 所示。從圖2中看出，原有業務下網絡延遲平均為3.5 ms，網絡延遲時間為毫秒級。

根據公司業務發展需要，要求增加視頻業務，新增一個場景添加新的業務要求并進行仿真，收集到的延遲時間如圖3所示。從圖3中看出，增加視頻業務后網絡延遲時間劇增，最大延遲達到0.47 s，而平均延遲時間也達到0.19 s，但視頻業務對網絡延遲比較敏感，需要較小的延遲，因此需要對現有網絡進行升級。

為了滿足公司新增的業務要求，并能有效降低網絡延遲時間，可在原網絡拓撲結構中將鏈路帶寬升級到100 MHz，再次進行仿真并得到新的網絡延遲時間（如圖4所示）。

為了更好的比較增加視頻業務后原有的網絡和改進后網絡的網絡延遲時間，下面給出改進前后2個網絡的平均網絡延遲時間對比圖，從圖5 中看出改進前網絡延遲較大，延遲時間達到秒級，而將網絡鏈路提升至100 MHz后網絡延遲大幅下降，延遲時間為毫秒級，滿足預期業務要求。

4 結 語

計算機仿真已經成為研究計算機網絡的一種非常有效的評估工具。隨著網絡的日趨復雜、規模日益龐大，利用仿真軟件進行網絡的性能分析就變得尤為重要。網絡仿真技術為網絡技術開發、網絡性能理論測試、網絡設計方案評估及網絡故障診斷等提供強有力的工具，它能夠驗證實際方案的有效性和比較多個不同的設計方案，為網絡的規劃設計提供可靠的定量依據。網絡仿真正以其突出的優越性越來越受到網絡研究人員的關注和重視。因此OPNET網絡仿真軟件必將得到更為廣泛的應用。

參 考 文 獻

［1］OPNET Modeler10.0 在線文檔.OPNET Technologies，Inc.，2003.

［2］謝希仁.計算機網絡［M］.3版.大連:大連理工大學出版社，2000.

［3］龍華.Opnet Modeler 與計算機網絡仿真［M］ .西安: 西安電子科技大學出版社，2006.

［4］龔平，張衛國，顧曉鳴.基于OPNET 的寬帶網流量建模研究及仿真［J］.軍事通信技術，2003，24(1:26-30.

［5］楊宏宇，王興隆，謝麗霞.網絡仿真軟件OPNET的應用與實踐［J］.計算機應用，2004(24:253-255.

［6］王和興，張建波，才書訓.基于OPNET 的網絡仿真與性能測量［J］.微電子學與計算機，2005，22(11:25-27.

［7］洪家平，柯宗武，童鈺，等.OPNET在網絡規劃和設計中的應用［J］．湖北師范學院學報:自然科學版，2004，24(4：42-47.