基于OPNET的地域通信網網絡仿真研究

劉 敏，高明霞，陸思羽，喬會東

（1.63880部隊 河南 洛陽 471003；2.信息工程大學 河南 鄭州 450001；3.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083）

基于OPNET的地域通信網網絡仿真研究

劉 敏1，高明霞2，陸思羽3，喬會東1

（1.63880部隊 河南 洛陽 471003；2.信息工程大學 河南 鄭州 450001；3.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083）

針對無線通信情況下地域通信網中心交換機節點間的通信質量，采用模塊化的方法描述節點對象的行為并對節點進行建模，通過OPNET網絡仿真工具對地域通信網各網絡節點的仿真模型以及組成各節點的進程模塊進行設計實現，結合地域通信網的一個實例，得出了節點受不同干擾情況下的全局數據業務丟包率和話音業務呼損率。

地域通信網；OPNET；網絡仿真；進程模型

地域通信網是由柵格狀干線節點、入口節點和傳輸系統組成的覆蓋戰術戰役區域的通信網，是公認的戰術通信網的主要發展方向[1-2]。

地域通信網是保證作戰部隊與司令部之間相互聯絡的主要手段。在軍或師的整個作戰地域開設若干個通信中心節點，節點之間用無線電中繼線路連接起來，固定或移動用戶分別通過有線電路或無線電臺與通信中心的有無線入口連接，形成一個到所屬各部隊既有直接路由又有迂回路由的統一通信網。

與傳統通信裝備組成的野戰通信系統相比，地域通信網具有生存能力強、時效性高、綜合互通程度高、機動性好、保密性好和抗干擾能力強的優勢，因此成為目前陸軍中軍、師（含師與團之間）的主要通信手段。地域通信網的出現，使野戰通信在通信裝備、通信體制、通信戰術等諸多方面都發生了根本性的變化，因而成為通信對抗的重點目標[3]。

1 仿真工具介紹

網絡仿真技術是一種通過建立網絡設備、網絡鏈路和協議模型，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[4]。網絡模型不僅可以在實施之前預測拓撲和設備規劃，還有助于在網絡的運行中保持其有效性。

OPNET Modeler[5]是一種優秀的網絡仿真和建模工具，支持面向對象的建模方式，并提供圖形化的編輯界面，更便于用戶使用。它將通信網絡仿真的各個階段合并在一起，包括模型的設計、仿真、數據的收集和分析等階段。除了能模擬固定通信模型外，OPNET Modeler的無線建模器還可用于建立分組無線網和衛星通信網的模型[6]。OPNET為通信協議和路由算法的研究提供與真實網絡相同的環境。其結果分析器為網絡性能的分析提供了直觀有效的工具。

2 網絡仿真模型研究

基于OPNET仿真軟件對地域通信網中各網絡節點的仿真模型進行設計實現，在節點模型中使用不同的模塊來描述節點對象的不同行為，展示網絡設備和系統的體系結構。模塊一般代表應用業務、協議層和物理資源，如緩沖區、端口和總線。每個模塊都擁有相應的進程模型，因此稱為進程模塊。每個進程模塊模擬節點行為的一個或幾個方面，如節點的數據創建、數據采集、數據存儲等。進程模塊之間通過數據包流線或統計線進行連接。一個網絡節點模型由多個進程模塊組成。

對節點按層建模，如圖1所示。

圖1 建模層次示意圖Fig.1 Modeling level sketch chart

2.1 節點模型

地域通信網中主要的節點有3類：交換機節點、終端節點和干擾節點。交換機主要用以對報文進行轉送，包含有路由功能，根據位置不同，分為中心交換機和本地交換機。終端節點包括話音終端和數據終端，分別用于提供話音和數據業務。以中心交換機為例對節點模型的設計進行說明。

地域通信網中，往往有多個子網，它們相互之間間隔較遠，一般通過中心交換機實現交互通信。中心交換機之間采用無線通信，組成地域通信網的骨干網絡。其節點模型如圖2所示。

圖2 中心交換機節點模型Fig.2 Central switch node model

從圖2可以看出，中心交換機節點模型中主要有ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發模塊、無線mac模塊、無線收發信機以及天線模塊等。圖中實線代表數據流線，虛線代表統計線。

2.2 進程模型

主要的進程模塊有應用層進程模塊、ATM信令模塊、ATM呼叫控制模塊、ATM路由模塊、AAL模塊、ATM層模塊、ATM翻譯模塊、ATM分發模塊等。

下面以ATM呼叫控制進程模塊為例說明進程模型的設計實現。

2.2.1 進程模型設計

如圖3所示為ATM呼叫控制進程模型流程圖。

圖3 ATM呼叫控制進程模型流程圖Fig.3 ATM call control process model flow chart

模塊初始化結束后，進行相應的配置。之后進入空閑狀態并等待接收各類信息。對接收到的信息類型進行判斷并執行相應的操作。

若收到應用層發來的連接建立請求，則將此請求信息轉送給AAL模塊以通知其有新連接；若收到AAL模塊發來的連接指示，則將此信息轉送給應用層模塊進行處理；若有連接信息，則建立連接；若收到應用層發來的釋放連接請求，則將此請求信息轉送給AAL模塊；若收到AAL模塊發來的釋放連接指示，則將此信息轉送給應用層模塊處理；若收到釋放連接信息，則釋放當前連接；若收到永久虛通道配置請求，則配置永久虛通道。每條信息處理完成后都恢復到空閑狀態。當仿真結束后，本模塊的操作也相應結束。

2.2.2 進程模型實現

基于OPNET網絡仿真軟件對各進程模塊進行實現，采用有限狀態自動機表示以支持規范、協議、應用、算法以及排隊策略。采用圖形化的狀態和狀態轉移條件來定義事件的邏輯。

下面對ATM呼叫控制進程模塊進行實現，給出其狀態轉移圖，如圖4所示。

圖4 ATM呼叫控制進程模型Fig.4 ATM call control process model

ATM呼叫控制模塊提供了數據面和控制面之間的訪問接口。本模塊的主要狀態有：初始化狀態、配置狀態、獲取ATM狀態信息、空閑狀態、連接建立請求狀態、連接建立指示狀態、永久虛通道配置請求狀態、連接狀態、數據傳輸狀態、連接釋放請求狀態、連接釋放指示狀態、連接釋放狀態等。

3 仿真應用

3.1 網絡仿真模型實例

在OPNET網絡仿真環境下搭建一個骨干網絡為四節點五鏈路的網絡結構仿真模型，如圖5所示。

此模型中有5類節點：中心交換機、本地交換機、話音業務終端、數據業務終端和移動干擾節點。

中心交換機節點間采用無線通信，每對收發信機采用不同的通信頻率，即每個中心交換機與其他不同中心交換機之間通信所采用的收發信機頻率不同。

本地交換機節點之間、本地交換機與終端之間采用有線通信。本地交換機的配置與中心交換機配置基本相同，只是其所有端口均為有線。

數據業務終端類型為ATM工作站和服務器。ATM服務器支持所有的應用層模型。ATM工作站的特色是應用層程序需經由IP層與ATM層通信，而不能直接與ATM層通信。所有從工作站發出的具有相同目的地址的數據經由同一條ATM鏈路發往服務器，而不管這些數據是否來自同一應用程序。

圖5 網絡結構仿真模型實例Fig.5 Network structure simulation model instance

話音業務終端類型為普通客戶端節點。其特征是應用層與ATM層直接連接，而不須經由IP層。普通客戶端節點模型為每個應用層任務建立了一個獨立的ATM連接。

3.2 參數配置

對節點參數、全局參數和主詢參數進行配置，并配置終端節點間的話音和數據業務。話音與數據源終端節點通過本地交換機連接到中心交換機1，然后選擇一條鏈路到達中心交換機3，再通過本地交換機轉至相應的目的終端節點。干擾機以一定的航線飛行，對中心交換機1實施干擾。

相關參數設置情況如表1所示。

表1 仿真參數設置表Tab.1 Simulation parameters setting table

3.3 仿真結果及分析

設置干擾機飛行航線，同時對中心交換機1與中心交換機3、中心交換機1與中心交換機5之間的兩條鏈路實施干擾，運行本仿真場景。

3.3.1 固定干擾機航線

設置干擾機與中心交換機1之間垂直距離為420 km，運行仿真，查看統計分析結果。

1）全局統計量

在全局范圍內，收集話音業務和數據EMAIL業務的收發情況，用收發曲線來描述，以反映整個網絡內數據業務與話音業務的傳送質量。

圖6 全局話音業務收發曲線圖Fig.6 Total voice traffic sent and received graph

全局話音業務收發曲線如圖6所示，可以看出，在本仿真場景和仿真參數設置下，全局話音業務發送與接收之間有較大的差距，即話音業務損耗較大，說明其受干擾機的影響較大。

圖7 全局數據Email業務收發曲線圖Fig.7 Total Email traffic sent and received graph

全局數據EMAIL業務收發曲線如圖7所示，可以看出，在本仿真場景和仿真參數設置下，全局數據Email業務具有較高的實時丟包率，說明在此情況下，全局數據Email業務受干擾機的影響很大，干擾效果比較明顯。

2）鏈路統計量

本仿真模式下，同時對中心交換機1與3、中心交換機1與5之間的兩條鏈路實施干擾，這里用受干擾的兩條鏈路的吞吐量來衡量其被干擾的程度。

圖8 中心交換機1與3之間鏈路吞吐量曲線圖Fig.8 Graph of the link throughput between central switch 1 and central switch 3

中心交換機1與3之間鏈路吞吐量曲線如圖8所示，可以看出，中心交換機1與3之間具有一定的鏈路吞吐量，說明即使是在受干擾的情況下，也有相當一部分數據或話音業務是經由此鏈路到達目的端的。

中心交換機1與5之間鏈路吞吐量曲線如圖9所示，可以看出，中心交換機1與5之間鏈路吞吐量幾乎為零，這是因為，數據與話音業務的交互都需經由中心交換機1到達3，而它們之間存在直接路由1->3，以及間接路由：1->4->3、1->5->3，在同時受干擾且直接路由仍有可用帶寬的情況下，數據及話音業務仍選擇直接路由。

3.3.2 多條干擾機航線

保持干擾機發射功率與信號功率不變，設置八條不同的干擾機飛行航線，（干擾機與中心交換機1之間的垂直距離從480 km到340 km），運行仿真，根據統計結果繪制全局話音業務呼損率與數據業務丟包率曲線，分別如圖10、圖11所示。

圖9 中心交換機節點1與5之間鏈路吞吐量曲線圖Fig.9 Graph of the link throughput between central switch 1 and central switch 5

圖10 全局話音業務呼損率曲線圖Fig.10 Graph of total voice traffic call loss ratio

圖11 全局數據Email業務丟包率曲線圖Fig.11 Graph of total Email traffic packet loss rate

從圖10、圖11可以看出，在干擾功率不變的情況下，隨著干擾機與被干擾節點間垂直距離的增加，全局話音業務呼損率、全局數據Email業務丟包率呈降低趨勢。在垂直距離為340 km時，話音業務呼損率達到37%，數據業務丟包率達到70%，此時，干擾效果已經相當明顯，收發信方基本上已不能正常通信。

4 結束語

本文基于OPNET網絡仿真工具對地域通信網網絡仿真模型進行了深入研究，對網絡中各類節點如交換機、終端、干擾機等進行了節點級和進程級模型的設計和實現。然后給出了一個四節點五鏈路的典型地域通信網應用實例，搭建了網絡模型，并就仿真相關的各項參數進行了設置[7]。設定干擾機飛行航線，同時干擾兩條鏈路，對此場景進行仿真，繪制全局話音業務和數據業務的收發曲線和被干擾鏈路的吞吐量曲線。在航線改變的情況下，進行多次仿真，根據仿真統計結果繪制全局數據業務丟包率曲線和話音業務呼損率曲線。仿真結果表明，隨著干擾機與被干擾節點間垂直距離的增加，全局數據業務丟包率和話音業務呼損率均呈降低趨勢，且在垂直距離340 km時，話音呼損率達到37%，數據丟包率達到70%，基本達到了干擾收發信雙方通信的目的。

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Research on OPNET-based simulation of field communication network

LIU Min1， GAO Ming-xia2， LU Si-yu3， QIAO Hui-dong1
（1.63880Unit，Luoyang471003，China； 2.Information Engineering University，Zhengzhou450001，China；3.School of Computer&Communication Engineering，Beijing Universtiy of Science and Techology，Beijing100083，China）

With communication quality of the center switch nodes of field communication network under wireless communication， using a modular approach to describe the behavior of nodes and node object modeling， through the OPNET network simulation tool， various nodes used in the field communication network were modeled， as well as thread modules which consist of the nodes， with a field communication network instance， arriving at a conclusion about total data traffic packet loss rate and voice traffic call loss rate on condition of different interferences.

field communication network；OPNET；network simulation；thread model

TN915.02

A

1674－6236（2012）04-0120-05

2011-11-10 稿件編號：201111061

劉 敏（1986—），女，山東青州人，碩士，研究實習員。研究方向：計算機網絡安全，電子對抗。