基于OPNET的IP試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)性能仿真研究

堯榮恒

IP網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)方式靈活、傳輸帶寬大、傳輸損耗低、技術(shù)成熟、連通性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于IP網(wǎng)絡(luò)采用的是“盡力而為”的傳輸機(jī)制，不能完全保證數(shù)據(jù)分組、傳輸?shù)募皶r(shí)性、正確性。本文根據(jù)實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)，用OPNET通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立任務(wù)IP試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型，通過對試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)信息流的仿真得到有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，可以更準(zhǔn)確地獲取試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)在不同的信息環(huán)境下所表現(xiàn)出的特性。

1網(wǎng)絡(luò)性能研究意義

從網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化看，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，網(wǎng)絡(luò)可能會由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障或業(yè)務(wù)流量激增導(dǎo)致性能下降，可以通過網(wǎng)絡(luò)性能測量來定位故障，確定優(yōu)化方案，改進(jìn)協(xié)議和應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)性能測量對于許多internet應(yīng)用和協(xié)議，特別是涉及大量數(shù)據(jù)傳輸和具有時(shí)延限制媒體流的應(yīng)用至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)以其獨(dú)有的方法能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險(xiǎn)。

2OPNET仿真技術(shù)

2.1 OPNET概述

OPNET是一個大型的通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包,是目前世界上先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺之一。幾乎可以對各種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、無線網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)以及各種混合型網(wǎng)絡(luò)等。OPNET提供兩類仿真模型庫:標(biāo)準(zhǔn)模型庫和特殊模型庫，采用三層建模機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，最底層為進(jìn)程(Process)層模型，其次是節(jié)點(diǎn)(Node)層模型，最上層為網(wǎng)絡(luò)(Network)層模型。三層模型與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，全面反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

2.2 OPNET仿真流程

a)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即建立若干個節(jié)點(diǎn)和鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

b)描述節(jié)點(diǎn)與鏈路特性，節(jié)點(diǎn)與鏈路特性由參數(shù)表示。

c)描述網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，包括業(yè)務(wù)類型、屬性、業(yè)務(wù)量、流向及其概率分布等。

d)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)，包括路由算法、流控方法、鏈路費(fèi)用等。

e)運(yùn)行仿真，在運(yùn)行仿真之前，可根據(jù)需要使用探針編輯器設(shè)置一些探針到需要采集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的點(diǎn)上。另外，還要設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。

f)判斷仿真結(jié)果，仿真結(jié)果的精確性和容錯性需要進(jìn)行驗(yàn)證。一般的做法是對輸出做出一些預(yù)測，再對預(yù)測的結(jié)果和實(shí)際的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

g)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，仿真模型必須達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，才能說明仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定。得出結(jié)論并提交仿真報(bào)告。

3基于OPNET的IP試驗(yàn)網(wǎng)仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 IP試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)是以1000Mbps帶寬為主干的星型以太網(wǎng)。站IP試驗(yàn)網(wǎng)采取匯聚、接入2層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，2臺點(diǎn)對點(diǎn)鏈接的高端交換機(jī)組成匯聚層，由路由器和交換機(jī)通過用以連接用戶的低端交換機(jī)和接入點(diǎn)構(gòu)成接入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

匯聚層交換機(jī)為Catalyst2948G，以星型拓?fù)溥B接到Catalyst3524系列交換機(jī)上。匯聚交換機(jī)Catalyst2948G與接入交換機(jī)Catalyst3524間用1000M光纖交互連接，兩臺核心交換機(jī)Catalyst2948G之間用1000M光纖相連接，Catalyst3524與接入交換設(shè)備之用1000M雙絞線連接。

3.2 仿真建模

利用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能仿真、評估網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵是業(yè)務(wù)建模的準(zhǔn)確性。OPNET精確業(yè)務(wù)建模可以在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層3個協(xié)議階層實(shí)現(xiàn)。采用OPNET Modeler14.5進(jìn)行仿真建模，操作系統(tǒng)為Windows XP。根據(jù)前文OPNET仿真流程和建模過程，利用項(xiàng)目編輯器建立基礎(chǔ)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型并將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到OPNET中，建立如圖2所示的模型。

節(jié)點(diǎn)FireWall_1和FireWall_2為Cisco PIX_506E_2ae防火墻兩臺，使用1000BaseX與兩臺核心交換機(jī)交互連接；節(jié)點(diǎn)route_1和route_2為Sm_Int_server服務(wù)器兩臺，使用服務(wù)器作為設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)來接收數(shù)據(jù)，使用1000BaseX與防火墻連接。各種仿真節(jié)點(diǎn)模型均基于TCP/IP模板來建立，站級設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一使用Sm_Int_wkstn節(jié)點(diǎn)。

在仿真數(shù)據(jù)流設(shè)置上，當(dāng)前采用仿真種子數(shù)的隨機(jī)均勻分布函數(shù)來模擬IP試驗(yàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的發(fā)送間隔和數(shù)據(jù)帶寬；由于在實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，站內(nèi)每一個設(shè)備終端的傳送數(shù)據(jù)帶寬不一樣，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間間隔不同等傳輸機(jī)制的不一致性，因此在下一步的研究中將重點(diǎn)研究設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和進(jìn)程狀態(tài)模型建模，使應(yīng)用層更加符合實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)的運(yùn)行情況。

3.3 設(shè)置仿真參數(shù)

試驗(yàn)網(wǎng)仿真目的是為實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)運(yùn)行管理以及升級改造提供參考依據(jù)，因此仿真關(guān)注的是匯聚交換機(jī)的性能指標(biāo)、整個站內(nèi)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行性能。收集的統(tǒng)計(jì)量主要有交換機(jī)和局域網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。運(yùn)行仿真模塊，選擇優(yōu)化仿真核心。設(shè)定運(yùn)行仿真時(shí)間選擇0.5小時(shí)，隨機(jī)種子數(shù)選擇為128(隨機(jī)數(shù)種子決定了均勻分布的偽隨機(jī)序列，均勻分布隨機(jī)數(shù)又決定了其他隨機(jī)變量的生成)。

3.4 仿真結(jié)果分析

完成上述各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊“Run simulation”,可以看到仿真結(jié)果。

3.4.1 以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包率

以太網(wǎng)絡(luò)延遲，初始化后由于大量突發(fā)數(shù)據(jù)的涌入，網(wǎng)絡(luò)延遲上升至14×10-6s，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定后，時(shí)延基本穩(wěn)定在13×10-6s左右，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延非常小，說明實(shí)時(shí)性好。丟包率在網(wǎng)絡(luò)初始化初期較大，最高達(dá)到0.66packets/sec，隨著設(shè)備運(yùn)行趨于穩(wěn)定后逐漸減小，最后降至零。說明網(wǎng)絡(luò)初始化后存在丟包率，但是運(yùn)行穩(wěn)定后丟包率非常小，對網(wǎng)絡(luò)傳輸影響不大。

3.4.2 匯聚交換機(jī)的數(shù)據(jù)包接收率和丟包率

匯聚交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)候有一個網(wǎng)絡(luò)延遲來使設(shè)備初始化，然后匯聚交換機(jī)1(HX_1)接收數(shù)據(jù)速率沖到17000(bits/sec),匯聚交換機(jī)2(HX_2)接收數(shù)據(jù)速率達(dá)到19000(bits/sec)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定后兩臺核心交換機(jī)數(shù)據(jù)接收率逐漸趨于穩(wěn)定5000(bits/sec)左右，兩臺匯聚交換機(jī)的數(shù)據(jù)包丟棄率很低，基本趨于零。從現(xiàn)有試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)來分析，現(xiàn)有匯聚交換機(jī)性能運(yùn)行高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)交換傳輸需求。對于整個局域網(wǎng)而言，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失率產(chǎn)生在防火墻輸入輸出端口。

3.4.3 服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和CPU利用率

網(wǎng)絡(luò)初始化階段，數(shù)據(jù)負(fù)載量較大。隨著網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，負(fù)載量基本穩(wěn)定在900～1000(bits/s)左右，沒有較大波動。說明網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，整體運(yùn)行狀態(tài)良好，符合實(shí)際運(yùn)行要求。網(wǎng)絡(luò)初始化后，利用率分別逐步上升至0.0006%和0.0007%，隨著網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，CPU利用率趨于穩(wěn)定，說明設(shè)備性能良好，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

4結(jié)束語

本文應(yīng)用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，探討了OPNET仿真技術(shù)，敘述了網(wǎng)絡(luò)仿真流程和方法。針對現(xiàn)有試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對試驗(yàn)網(wǎng)的性能從網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、匯聚交換機(jī)數(shù)據(jù)丟棄率和數(shù)據(jù)包接收率以及服務(wù)器CPU利用率等多個方面進(jìn)行了仿真分析。通過仿真結(jié)果比較分析，性能指標(biāo)達(dá)到實(shí)際通信保障任務(wù)要求；同時(shí)為下一步改善試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多種設(shè)備不同傳輸機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)性能研究做好基礎(chǔ)工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1]McGregor T,Braun H w,Brown J.The NLANR Network Analysis Infrastructure.IEEE Communication Magazine,2000,38(5):122～128.

[2]陳敏.OPENT網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:2～5.

[3]張銘,常春藤.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].人民郵電出版社,2007.

IP網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)方式靈活、傳輸帶寬大、傳輸損耗低、技術(shù)成熟、連通性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于IP網(wǎng)絡(luò)采用的是“盡力而為”的傳輸機(jī)制，不能完全保證數(shù)據(jù)分組、傳輸?shù)募皶r(shí)性、正確性。本文根據(jù)實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)，用OPNET通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立任務(wù)IP試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型，通過對試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)信息流的仿真得到有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，可以更準(zhǔn)確地獲取試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)在不同的信息環(huán)境下所表現(xiàn)出的特性。

1網(wǎng)絡(luò)性能研究意義

從網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化看，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，網(wǎng)絡(luò)可能會由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障或業(yè)務(wù)流量激增導(dǎo)致性能下降，可以通過網(wǎng)絡(luò)性能測量來定位故障，確定優(yōu)化方案，改進(jìn)協(xié)議和應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)性能測量對于許多internet應(yīng)用和協(xié)議，特別是涉及大量數(shù)據(jù)傳輸和具有時(shí)延限制媒體流的應(yīng)用至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)以其獨(dú)有的方法能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險(xiǎn)。

2OPNET仿真技術(shù)

2.1 OPNET概述

OPNET是一個大型的通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包,是目前世界上先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺之一。幾乎可以對各種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、無線網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)以及各種混合型網(wǎng)絡(luò)等。OPNET提供兩類仿真模型庫:標(biāo)準(zhǔn)模型庫和特殊模型庫，采用三層建模機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，最底層為進(jìn)程(Process)層模型，其次是節(jié)點(diǎn)(Node)層模型，最上層為網(wǎng)絡(luò)(Network)層模型。三層模型與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，全面反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

2.2 OPNET仿真流程

a)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即建立若干個節(jié)點(diǎn)和鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

b)描述節(jié)點(diǎn)與鏈路特性，節(jié)點(diǎn)與鏈路特性由參數(shù)表示。

c)描述網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，包括業(yè)務(wù)類型、屬性、業(yè)務(wù)量、流向及其概率分布等。

d)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)，包括路由算法、流控方法、鏈路費(fèi)用等。

e)運(yùn)行仿真，在運(yùn)行仿真之前，可根據(jù)需要使用探針編輯器設(shè)置一些探針到需要采集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的點(diǎn)上。另外，還要設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。

f)判斷仿真結(jié)果，仿真結(jié)果的精確性和容錯性需要進(jìn)行驗(yàn)證。一般的做法是對輸出做出一些預(yù)測，再對預(yù)測的結(jié)果和實(shí)際的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

g)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，仿真模型必須達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，才能說明仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定。得出結(jié)論并提交仿真報(bào)告。

3基于OPNET的IP試驗(yàn)網(wǎng)仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 IP試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)是以1000Mbps帶寬為主干的星型以太網(wǎng)。站IP試驗(yàn)網(wǎng)采取匯聚、接入2層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，2臺點(diǎn)對點(diǎn)鏈接的高端交換機(jī)組成匯聚層，由路由器和交換機(jī)通過用以連接用戶的低端交換機(jī)和接入點(diǎn)構(gòu)成接入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

匯聚層交換機(jī)為Catalyst2948G，以星型拓?fù)溥B接到Catalyst3524系列交換機(jī)上。匯聚交換機(jī)Catalyst2948G與接入交換機(jī)Catalyst3524間用1000M光纖交互連接，兩臺核心交換機(jī)Catalyst2948G之間用1000M光纖相連接，Catalyst3524與接入交換設(shè)備之用1000M雙絞線連接。

3.2 仿真建模

利用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能仿真、評估網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵是業(yè)務(wù)建模的準(zhǔn)確性。OPNET精確業(yè)務(wù)建模可以在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層3個協(xié)議階層實(shí)現(xiàn)。采用OPNET Modeler14.5進(jìn)行仿真建模，操作系統(tǒng)為Windows XP。根據(jù)前文OPNET仿真流程和建模過程，利用項(xiàng)目編輯器建立基礎(chǔ)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型并將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到OPNET中，建立如圖2所示的模型。

節(jié)點(diǎn)FireWall_1和FireWall_2為Cisco PIX_506E_2ae防火墻兩臺，使用1000BaseX與兩臺核心交換機(jī)交互連接；節(jié)點(diǎn)route_1和route_2為Sm_Int_server服務(wù)器兩臺，使用服務(wù)器作為設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)來接收數(shù)據(jù)，使用1000BaseX與防火墻連接。各種仿真節(jié)點(diǎn)模型均基于TCP/IP模板來建立，站級設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一使用Sm_Int_wkstn節(jié)點(diǎn)。

在仿真數(shù)據(jù)流設(shè)置上，當(dāng)前采用仿真種子數(shù)的隨機(jī)均勻分布函數(shù)來模擬IP試驗(yàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的發(fā)送間隔和數(shù)據(jù)帶寬；由于在實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，站內(nèi)每一個設(shè)備終端的傳送數(shù)據(jù)帶寬不一樣，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間間隔不同等傳輸機(jī)制的不一致性，因此在下一步的研究中將重點(diǎn)研究設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和進(jìn)程狀態(tài)模型建模，使應(yīng)用層更加符合實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)的運(yùn)行情況。

3.3 設(shè)置仿真參數(shù)

試驗(yàn)網(wǎng)仿真目的是為實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)運(yùn)行管理以及升級改造提供參考依據(jù)，因此仿真關(guān)注的是匯聚交換機(jī)的性能指標(biāo)、整個站內(nèi)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行性能。收集的統(tǒng)計(jì)量主要有交換機(jī)和局域網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。運(yùn)行仿真模塊，選擇優(yōu)化仿真核心。設(shè)定運(yùn)行仿真時(shí)間選擇0.5小時(shí)，隨機(jī)種子數(shù)選擇為128(隨機(jī)數(shù)種子決定了均勻分布的偽隨機(jī)序列，均勻分布隨機(jī)數(shù)又決定了其他隨機(jī)變量的生成)。

3.4 仿真結(jié)果分析

完成上述各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊“Run simulation”,可以看到仿真結(jié)果。

3.4.1 以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包率

以太網(wǎng)絡(luò)延遲，初始化后由于大量突發(fā)數(shù)據(jù)的涌入，網(wǎng)絡(luò)延遲上升至14×10-6s，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定后，時(shí)延基本穩(wěn)定在13×10-6s左右，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延非常小，說明實(shí)時(shí)性好。丟包率在網(wǎng)絡(luò)初始化初期較大，最高達(dá)到0.66packets/sec，隨著設(shè)備運(yùn)行趨于穩(wěn)定后逐漸減小，最后降至零。說明網(wǎng)絡(luò)初始化后存在丟包率，但是運(yùn)行穩(wěn)定后丟包率非常小，對網(wǎng)絡(luò)傳輸影響不大。

3.4.2 匯聚交換機(jī)的數(shù)據(jù)包接收率和丟包率

匯聚交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)候有一個網(wǎng)絡(luò)延遲來使設(shè)備初始化，然后匯聚交換機(jī)1(HX_1)接收數(shù)據(jù)速率沖到17000(bits/sec),匯聚交換機(jī)2(HX_2)接收數(shù)據(jù)速率達(dá)到19000(bits/sec)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定后兩臺核心交換機(jī)數(shù)據(jù)接收率逐漸趨于穩(wěn)定5000(bits/sec)左右，兩臺匯聚交換機(jī)的數(shù)據(jù)包丟棄率很低，基本趨于零。從現(xiàn)有試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)來分析，現(xiàn)有匯聚交換機(jī)性能運(yùn)行高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)交換傳輸需求。對于整個局域網(wǎng)而言，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失率產(chǎn)生在防火墻輸入輸出端口。

3.4.3 服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和CPU利用率

網(wǎng)絡(luò)初始化階段，數(shù)據(jù)負(fù)載量較大。隨著網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，負(fù)載量基本穩(wěn)定在900～1000(bits/s)左右，沒有較大波動。說明網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，整體運(yùn)行狀態(tài)良好，符合實(shí)際運(yùn)行要求。網(wǎng)絡(luò)初始化后，利用率分別逐步上升至0.0006%和0.0007%，隨著網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，CPU利用率趨于穩(wěn)定，說明設(shè)備性能良好，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

4結(jié)束語

本文應(yīng)用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，探討了OPNET仿真技術(shù)，敘述了網(wǎng)絡(luò)仿真流程和方法。針對現(xiàn)有試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對試驗(yàn)網(wǎng)的性能從網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、匯聚交換機(jī)數(shù)據(jù)丟棄率和數(shù)據(jù)包接收率以及服務(wù)器CPU利用率等多個方面進(jìn)行了仿真分析。通過仿真結(jié)果比較分析，性能指標(biāo)達(dá)到實(shí)際通信保障任務(wù)要求；同時(shí)為下一步改善試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多種設(shè)備不同傳輸機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)性能研究做好基礎(chǔ)工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1]McGregor T,Braun H w,Brown J.The NLANR Network Analysis Infrastructure.IEEE Communication Magazine,2000,38(5):122～128.

[2]陳敏.OPENT網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:2～5.

[3]張銘,常春藤.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].人民郵電出版社,2007.

IP網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)方式靈活、傳輸帶寬大、傳輸損耗低、技術(shù)成熟、連通性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于IP網(wǎng)絡(luò)采用的是“盡力而為”的傳輸機(jī)制，不能完全保證數(shù)據(jù)分組、傳輸?shù)募皶r(shí)性、正確性。本文根據(jù)實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)，用OPNET通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立任務(wù)IP試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型，通過對試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)信息流的仿真得到有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，可以更準(zhǔn)確地獲取試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)在不同的信息環(huán)境下所表現(xiàn)出的特性。

1網(wǎng)絡(luò)性能研究意義

從網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化看，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，網(wǎng)絡(luò)可能會由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障或業(yè)務(wù)流量激增導(dǎo)致性能下降，可以通過網(wǎng)絡(luò)性能測量來定位故障，確定優(yōu)化方案，改進(jìn)協(xié)議和應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)性能測量對于許多internet應(yīng)用和協(xié)議，特別是涉及大量數(shù)據(jù)傳輸和具有時(shí)延限制媒體流的應(yīng)用至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)以其獨(dú)有的方法能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險(xiǎn)。

2OPNET仿真技術(shù)

2.1 OPNET概述

OPNET是一個大型的通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件包,是目前世界上先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺之一。幾乎可以對各種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、無線網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)以及各種混合型網(wǎng)絡(luò)等。OPNET提供兩類仿真模型庫:標(biāo)準(zhǔn)模型庫和特殊模型庫，采用三層建模機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，最底層為進(jìn)程(Process)層模型，其次是節(jié)點(diǎn)(Node)層模型，最上層為網(wǎng)絡(luò)(Network)層模型。三層模型與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，全面反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

2.2 OPNET仿真流程

a)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即建立若干個節(jié)點(diǎn)和鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

b)描述節(jié)點(diǎn)與鏈路特性，節(jié)點(diǎn)與鏈路特性由參數(shù)表示。

c)描述網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，包括業(yè)務(wù)類型、屬性、業(yè)務(wù)量、流向及其概率分布等。

d)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)，包括路由算法、流控方法、鏈路費(fèi)用等。

e)運(yùn)行仿真，在運(yùn)行仿真之前，可根據(jù)需要使用探針編輯器設(shè)置一些探針到需要采集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的點(diǎn)上。另外，還要設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。

f)判斷仿真結(jié)果，仿真結(jié)果的精確性和容錯性需要進(jìn)行驗(yàn)證。一般的做法是對輸出做出一些預(yù)測，再對預(yù)測的結(jié)果和實(shí)際的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

g)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，仿真模型必須達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，才能說明仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定。得出結(jié)論并提交仿真報(bào)告。

3基于OPNET的IP試驗(yàn)網(wǎng)仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 IP試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)是以1000Mbps帶寬為主干的星型以太網(wǎng)。站IP試驗(yàn)網(wǎng)采取匯聚、接入2層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，2臺點(diǎn)對點(diǎn)鏈接的高端交換機(jī)組成匯聚層，由路由器和交換機(jī)通過用以連接用戶的低端交換機(jī)和接入點(diǎn)構(gòu)成接入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

匯聚層交換機(jī)為Catalyst2948G，以星型拓?fù)溥B接到Catalyst3524系列交換機(jī)上。匯聚交換機(jī)Catalyst2948G與接入交換機(jī)Catalyst3524間用1000M光纖交互連接，兩臺核心交換機(jī)Catalyst2948G之間用1000M光纖相連接，Catalyst3524與接入交換設(shè)備之用1000M雙絞線連接。

3.2 仿真建模

利用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能仿真、評估網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵是業(yè)務(wù)建模的準(zhǔn)確性。OPNET精確業(yè)務(wù)建模可以在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層3個協(xié)議階層實(shí)現(xiàn)。采用OPNET Modeler14.5進(jìn)行仿真建模，操作系統(tǒng)為Windows XP。根據(jù)前文OPNET仿真流程和建模過程，利用項(xiàng)目編輯器建立基礎(chǔ)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型并將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到OPNET中，建立如圖2所示的模型。

節(jié)點(diǎn)FireWall_1和FireWall_2為Cisco PIX_506E_2ae防火墻兩臺，使用1000BaseX與兩臺核心交換機(jī)交互連接；節(jié)點(diǎn)route_1和route_2為Sm_Int_server服務(wù)器兩臺，使用服務(wù)器作為設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)來接收數(shù)據(jù)，使用1000BaseX與防火墻連接。各種仿真節(jié)點(diǎn)模型均基于TCP/IP模板來建立，站級設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一使用Sm_Int_wkstn節(jié)點(diǎn)。

在仿真數(shù)據(jù)流設(shè)置上，當(dāng)前采用仿真種子數(shù)的隨機(jī)均勻分布函數(shù)來模擬IP試驗(yàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的發(fā)送間隔和數(shù)據(jù)帶寬；由于在實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，站內(nèi)每一個設(shè)備終端的傳送數(shù)據(jù)帶寬不一樣，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間間隔不同等傳輸機(jī)制的不一致性，因此在下一步的研究中將重點(diǎn)研究設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和進(jìn)程狀態(tài)模型建模，使應(yīng)用層更加符合實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)的運(yùn)行情況。

3.3 設(shè)置仿真參數(shù)

試驗(yàn)網(wǎng)仿真目的是為實(shí)際試驗(yàn)網(wǎng)運(yùn)行管理以及升級改造提供參考依據(jù)，因此仿真關(guān)注的是匯聚交換機(jī)的性能指標(biāo)、整個站內(nèi)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行性能。收集的統(tǒng)計(jì)量主要有交換機(jī)和局域網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。運(yùn)行仿真模塊，選擇優(yōu)化仿真核心。設(shè)定運(yùn)行仿真時(shí)間選擇0.5小時(shí)，隨機(jī)種子數(shù)選擇為128(隨機(jī)數(shù)種子決定了均勻分布的偽隨機(jī)序列，均勻分布隨機(jī)數(shù)又決定了其他隨機(jī)變量的生成)。

3.4 仿真結(jié)果分析

完成上述各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊“Run simulation”,可以看到仿真結(jié)果。

3.4.1 以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包率

以太網(wǎng)絡(luò)延遲，初始化后由于大量突發(fā)數(shù)據(jù)的涌入，網(wǎng)絡(luò)延遲上升至14×10-6s，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定后，時(shí)延基本穩(wěn)定在13×10-6s左右，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延非常小，說明實(shí)時(shí)性好。丟包率在網(wǎng)絡(luò)初始化初期較大，最高達(dá)到0.66packets/sec，隨著設(shè)備運(yùn)行趨于穩(wěn)定后逐漸減小，最后降至零。說明網(wǎng)絡(luò)初始化后存在丟包率，但是運(yùn)行穩(wěn)定后丟包率非常小，對網(wǎng)絡(luò)傳輸影響不大。

3.4.2 匯聚交換機(jī)的數(shù)據(jù)包接收率和丟包率

匯聚交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)候有一個網(wǎng)絡(luò)延遲來使設(shè)備初始化，然后匯聚交換機(jī)1(HX_1)接收數(shù)據(jù)速率沖到17000(bits/sec),匯聚交換機(jī)2(HX_2)接收數(shù)據(jù)速率達(dá)到19000(bits/sec)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定后兩臺核心交換機(jī)數(shù)據(jù)接收率逐漸趨于穩(wěn)定5000(bits/sec)左右，兩臺匯聚交換機(jī)的數(shù)據(jù)包丟棄率很低，基本趨于零。從現(xiàn)有試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)來分析，現(xiàn)有匯聚交換機(jī)性能運(yùn)行高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)交換傳輸需求。對于整個局域網(wǎng)而言，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失率產(chǎn)生在防火墻輸入輸出端口。

3.4.3 服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和CPU利用率

網(wǎng)絡(luò)初始化階段，數(shù)據(jù)負(fù)載量較大。隨著網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，負(fù)載量基本穩(wěn)定在900～1000(bits/s)左右，沒有較大波動。說明網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，整體運(yùn)行狀態(tài)良好，符合實(shí)際運(yùn)行要求。網(wǎng)絡(luò)初始化后，利用率分別逐步上升至0.0006%和0.0007%，隨著網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，CPU利用率趨于穩(wěn)定，說明設(shè)備性能良好，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

4結(jié)束語

本文應(yīng)用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，探討了OPNET仿真技術(shù)，敘述了網(wǎng)絡(luò)仿真流程和方法。針對現(xiàn)有試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對試驗(yàn)網(wǎng)的性能從網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、匯聚交換機(jī)數(shù)據(jù)丟棄率和數(shù)據(jù)包接收率以及服務(wù)器CPU利用率等多個方面進(jìn)行了仿真分析。通過仿真結(jié)果比較分析，性能指標(biāo)達(dá)到實(shí)際通信保障任務(wù)要求；同時(shí)為下一步改善試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多種設(shè)備不同傳輸機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)性能研究做好基礎(chǔ)工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1]McGregor T,Braun H w,Brown J.The NLANR Network Analysis Infrastructure.IEEE Communication Magazine,2000,38(5):122～128.

[2]陳敏.OPENT網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:2～5.

[3]張銘,常春藤.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].人民郵電出版社,2007.