計算機網絡仿真技術及仿真工具＊

張賢軍 李 鶴

（1.北京海淀區復興路20號網管中心 北京 100840）（2.91917部隊20分隊 北京 100841）

1 計算機網絡仿真技術概述

目前，隨著Internet的迅猛發展，需要通過網絡傳送的信息越來越多，以及網絡帶寬與網絡規模的不斷擴充，以數學計算為基礎的傳統網絡設計理論己經無法滿足數據網絡的實際需要，所有這些，都對網絡研究人員提出了許多新的挑戰，因此，越來越需要一種新的網絡規劃和設計手段來提高網絡設計的客觀性和設計結果的可靠性，降低網絡建設的投資風險。網絡仿真技術正是在這種需求的推動下而產生的。

網絡仿真是一種利用數學建模和統計分析的方法模擬網絡行為，通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型，模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計及優化所需要的網絡性能數據的技術。網絡仿真作為一種新的網絡規劃和設計技術，以其獨有的方法為網絡規劃設計提供客觀、可靠的定量依據，縮短網絡建設周期、提高網絡建設中決策的科學性、降低網絡建設的投資風險。網絡仿真技術已經成為網絡規劃、設計和開發中的主流技術。

網絡仿真技術具有以下特點：

1）仿真基于統計模型，統計復用的隨機性精確再現；

2）全新的模擬實驗機理使其可以在高度復雜的網絡環境下得到高可信度的結果；

3）其預測功能是其他任何方法都無法比擬的，能夠驗證實際方案或比較多個不同的設計方案；

4）使用范圍廣、既可以用于現有網絡的優化和擴容、也可以用于新網絡的設計，特別適用于大中型網絡的設計和優化，為網絡的規劃設計提供可靠的定量依據；

5）初期應用成本不高，建好的網絡模型可以延續使用、后期投資還會不斷下降。

網絡仿真的應用包括：

·容量規劃和預測服務；

·故障分析；

·端到端的性能分析

·分析新增業務和用戶對網絡的影響；

·使網絡設計達最優的性價比；

·預測業務量的增長；

·指導新網絡建設。

2 計算機網絡仿真工具

在現代通信網絡研究中，網絡模擬技術得到了日趨廣泛的應用，而網絡模擬的有效性和準確性很大程度上依賴于所采用的網絡模擬工具的性能。在研究開發網絡模擬工具的方法和實現方面，國內所做的研究相對較少，但國外已經有許多研究成果，包括商業軟件工具和研究用軟件工具，如 OPNET，QualNet，NS－ 2，NS － 3，GloMoSim，NCTUNS，GTNetS（包括 RT IKit library），OMNET＋＋，SSFNet，JiST和Yans等。在此介紹幾種常用的網絡仿真工具。其中在教育、科研、商業等領域使用最廣泛的是NS2與OPNET。

2.1 OPNET

OPNET[20]（Optimal Network Engineering Tools）仿真軟件是MIL3公司的產品，是由MIT的幾位教師在1986年創建的，OPNET網絡仿真技術以其獨特的方法能夠為網絡的規劃設計提供客觀，可靠的定量依據，能幫助開發人員定位關鍵事務，分析出極限情況下的end－to－end性能，可以確定增加應用和用戶后對網絡的影響，并使用定量的方法，對網絡做出準確的規劃和伸縮性分析，使網絡設計得到最優的性價比。目前用戶范圍廣泛，包括企業、網絡運營商、儀器配備廠商，以及軍事、教育、銀行、保險等領域。

OPNEST的產品核心包括：

1）Service Provider Guru：面向網絡服務提供商的智能化網絡管理軟件；

2）OPNET Modeler：為技術人員提供一個網絡技術和產品開發的平臺；

3）IT Guru：幫助網絡專業人士預測和分析網絡和網絡應用性能，診斷問題。查找影響系統性能的瓶頸；

4）WDM Guru：用于波分復用光纖網絡的分析，評測。OPNET主要特點包括：

1）有限狀態機；2）對協議編程的全面支持；3）層次化的網絡模型；4）高效的仿真引擎；5）集成的分析工具；6）系統的完全開放性；7）集成調試器；8）動畫。

2.2 QualNet

QualNet[3]是一種應用于無線、有線以及混合動態網絡的快速而且精確的開發、仿真系統。Scalable Network Technologies Inc.公司將美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）開發的開放源代碼的GloMoSim成功地轉化為了商業版本——QualNet。目前已經在世界范圍內50多個國家和地區得到了推廣應用。主要對無線移動通信網絡進行了優化處理，從仿真速度上得到了很大的提升，同時通過對無線信道和射頻技術的建模也保證了較高的仿真精度。允許用戶在真正的并行仿真環境當中優化并行仿真性能。對小規模同種復雜度的網絡模型仿真，QualNet仿真速度是其它仿真器的幾倍，對于大規模網絡，QualNet仿真速度是其它仿真器的幾十倍，如果QualNet采用并行仿真機制，能達到比其它仿真器快千倍的速度。QualNet的協議模塊更加獨立，更加模塊化，可以方便屏蔽、增加、刪除某些協議模塊。支持TCP／IP協議棧的標準層間接口，用戶無需自己開發這種類型。

QualNet模型庫組件包括：

1）Developer Library：用于建模多種網絡，包括 WAN，LAN，IPv6，衛星庫與STK／Connect接口；

2）Wireless Library：包含802.lla／b／g和移動 AdHoc網絡；

3）Multimedia and Enterprise Library：用于 WAN建模，VOIP，排隊，調度，MPLS和其它QoS功能；

4）Advanced Wireless Library：用于802.16和802.16e，即所謂的 WIMAX；

5）Cellular Library：用于GSM蜂窩網建模；

6）Standard Interfaces Library：用于把軍用仿真器通過HLA或DIS接口集成到QualNet中；

7）Network Emulation Interface Library：用于 hardware，software，和human－in－the－loop的仿真模擬；

8）Military Radios Library：用于 Link11，Link－16，EPLRS和SINCGARS網絡建模；

9）Propagation Library：TIREM，用于基于 Terrain的地形及傳播效果建模；

10）Propagation Library：Urban，用于城市路徑缺失和地形建模；

2.3 NS－2

NS[4]起源于1986年的Real Network Simulator項目，1995年在施樂公司（Xerox）的支持下加入美國DARPA支持的項目VINT（the Virtual InterNet Tested），是 VINT項目的基礎和核心部分。在不斷吸收世界各地研究者的成果過程中，NS從原始版本進化到較成熟版本NS－2。NS－2是面向對象的、離散事件驅動的網絡模擬器，由C＋＋和Otcl語言編寫而成。它是一個完全免費的軟件，具有開放的體系結構，并帶有大量協議庫支持，尤其適合于對基于TCP／IP的網絡進行模擬，是進行網絡模擬最流行的軟件之一，享有很高的學術聲譽。NS－2有多種平臺下的版本，包括UNIX，LINUX和Windows等。

NS－2仿真軟件是一個軟件包，包括Tcl／Tk、Otel、NS、Tclcl等組件，NS－2的特點包括：1）支持各種業務模型和多種通信協議；2）采用面向對象技術；3）有很強的結果處理能力。

2.4 NS－3

NS－3全稱是Network Simulator Version 3，它是一個極具特色的新型網絡模擬器，與其他網絡模擬器相比，NS－3在完備性、開源性、易用性和可擴展性等方面的特色使得它優于現有的大多數主流網絡模擬器。NS－3的功能極其強大，可以對各種網絡、各種協議、各個層次進行模擬和研究，由于提供了靈活的擴展支持，研究者可以根據自己的需要進行任意的擴展[5～7]。NS－3目前只提供了一些基本的功能模塊。

NS－3是一種面向對象的網絡模擬器，它本質是一個離散事件模擬器，其本身有一個虛擬時鐘，所有的模擬都有離散事件驅動。NS－3不是NS－2的擴展，不支持NS－2的APIs。它使用C＋＋模組化元件并直接用C＋＋描述拓撲。目前的NS－3與NS－2相比，模塊還少很多，但是將NS－2模塊移植過來的工作一直在穩步進行。另外，NS－3自身也有很多模塊正在開發中，主要有：仿真與實時調度模塊，同步Posix－like API，網絡模擬之源NSC的整合，可視化模塊，IPv6，實用應用程序整合，并行模擬，統計分析模塊，Wimax模塊，水下聲學模塊等等[10]。

2.5 OMNET＋＋與 OMNEST[8]

OMNET＋＋（Objective Modular Network Testbed in C＋＋的縮寫）是一個專門為大型網絡提供開源的、基于組件的、模塊化的開放網絡仿真平臺。OMNET＋＋作為離散事件仿真器，具備強大完善的圖形界面接口和可嵌入式仿真內核，可運行于多個操作系統平臺，簡便定義網絡拓撲結構，具備方便快捷的編程、調試和跟蹤支持等功能。

OMNEST是OMNET＋＋的一個商業版本。目前業內唯一一款開放性最好的、運算速度最快的基于離散事件仿真的商業軟件，能夠完全滿足客戶定制化需求，進行任意的封裝、擴展、集成和模塊化，內核源碼和開發的代碼全部基于C＋＋，面向對象的思想使用戶輕松上手。

OMNEST可以廣泛的應用于各種離散事件仿真：通信網絡通信協議、排隊網絡、電信網絡、衛星通信網絡、海軍空軍數據鏈、傳感器網絡、陸軍的戰術通信網、電子對抗系統、硬件系統、……、任何其它適合應用離散事件處理的仿真系統的建模和仿真。

2.6 GTNetS

GTNetS[9]全稱是 The Georgia Tech Network Simulator，是美國喬治亞工學院的Dr.George Riley領導的MANIACS研究小組開發的一款網絡模擬器，主要用于大中型網絡研究，包括對分布式模擬的支持（需要RTI Kit library）。

GTNetS是一個全特性的網絡模擬環境，其設計理念是創造一個完全近似于實際網路的模擬環境，使得模擬能夠準確地反映真實網絡狀況并且方便代碼在模擬環境和實際環境間移植。在GTNetS中，協議棧各層之間有明確的界限。數據包Packets中包含一系列的協議數據單元PDUs，這些PDUs會隨著Packets在協議棧中的上下流動而被剝離或者添加。節點對象Node可以綁定多個網絡接口，每個接口又可以綁定一個IP地址和物理鏈路，這與現實環境中電腦＋網卡的結構十分相似。傳輸層協議對象采用一種與真實網絡協議（TCP）類似的方式與端口綁定，在傳輸層協議對象間通過源IP、源端口、目的IP、目的端口進行連接。應用層和傳輸層協議間的接口使用大家所熟悉的類UNIX sockets API進行連接，應用層可以承載多種協議對象，包括模擬的和真實的數據。

3 結語

網絡仿真是分析、研究、設計和改善網絡性能必不可少的工具，它能幫助人們更確切、更詳細地分析網絡模型的功能。文章主要介紹了網絡仿真技術及仿真工具的基本情況，對了解、選擇網絡仿真系統具有實際參考價值。

[1]王波，周志偉.網絡模擬軟件NS2與OPNET的剖析比較[J].計算機系統應用，2010，19（6）.

[2]石懷偉，李明生，王少華.網絡仿真技術與OPNET應用實踐[J].計算機系統應用，2006.3.

[3]QualNet 4.5User’s Guide[EB／OL].http：／／www.qualnet.com／publications／documentation／.

[4]Varadhan K，Fall K.The ns Manual[EB／OL].http：／／www.isi.edu／nsnam／ns／.

[5]Henderson T R，Lacage M，Riley G F.Network Simulations with the ns－3Simulator[C]／／Proceedings of the ACM SIG COMM 08.Seattle，Washington：[s.n.]，2008.

[6]Ns－3developers.ns－3Tutorial[EB／OL].2008－10－07.http：／／www.nsnam.org／docs／tutorial／index.html.

[7]Ns－3developers.ns－3Reference Manual[EB／OL].2008－10－07.http：／／www.nsnam.org／docs／manual.html.

[8]石為人，黃河，鮮曉東，等.OMNET＋＋與NS2在無線傳感器網絡仿真中的比較研究[J].計算機科學，2008，35（10）.

[9]Riley G F.The Georgia Tech Network Simulator[C]／／Proceedings of the ACM SIGCOMM 2003Workshops.NewYork，NY，USA：[s.n.]，2003.

[10]Henderson T.ns－3tutorial slides[C]／／Proceedings of the International Conference on Simulation Tools and Techniques 2008（Simutools 2008）.Mercure Marseille，France：[s.n.]，2008.