基于OPNET的CSMA/CD仿真與性能研究

李宏杰，徐行

(中國傳媒大學 動畫與數字藝術學院，北京 100024)

基于OPNET的CSMA/CD仿真與性能研究

李宏杰，徐行

(中國傳媒大學 動畫與數字藝術學院，北京 100024)

本文針對應用了CSMA/CD協議的總線型局域網進行仿真，研究數據包大小對網絡性能的影響。首先介紹了OPNET[1]仿真平臺，隨后概括說明使用CSMA/CD協議的以太網的碰撞窗口的計算方法，由計算公式推導出發送的數據包越大、使用CSMA/CD協議的以太網性能越高的推論，并使用 OPNET 軟件進行了仿真實驗證明了推論。

OPNET；CSMA/CD；網絡仿真

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，即載波監聽多路訪問/沖突檢測方法，是一種爭用型的介質訪問控制協議。其工作機制為：多臺計算機以多點接入的方式連接到總線上，不管是在發送前還是發送中，每個站都必須不停的檢測信道，以獲得發送權和進行碰撞檢測。CSMA/CD采用IEEE 802.3[2]標準，主要用于總線式以太網。

關于CSMA/CD的研究主要圍繞其在不同情景下的建模方法與性能分析進行。為了改善以太網的性能，研究人員通常采用提出設想——理論分析——建立模型的理論分析方法，這樣的分析方法在面對復雜的網絡系統時會遇到一定的困難，這時使用準確真實的仿真手段進行研究就成了必選項，而國內關于通過仿真手段對網絡性能的研究的資料還比較匱乏。本文給出一種通過仿真手段研究網絡性能的方法：采用OPNET軟件對總線型網絡進行仿真，通過仿真手段對CSMA/CD的性能進行研究，探究爭用期與網絡流量的關系，并對推論予以仿真實驗證明，進而歸納出相應結論。

1 OPNET仿真平臺

隨著網絡的擴充與復雜化，越來越需要一種合適的仿真技術來提高網絡設計的客觀性和結果的可靠性[3]。OPNET作為一個網絡仿真平臺，正是在這種需求下應運而生。

1.1 OPNET產品

OPNET Modeler 是當前業界領先的網絡技術開發環境，可以靈活應用于通信網絡、設備、協議和應用設計與研發。Modeler為通信網絡研發人員提供了建模、仿真以及分析的集成環境，大大減輕了編程以及數據分析的工作量。

Modeler 的面向對象的建模方法和圖形化的編輯器反映了實際網絡和網絡組件的結構，因此實際的系統可以直觀的映射到模型中。Modeler 支持所有通信網絡類型和技術，可以解決復雜的網絡通信問題。

1.2 OPNET仿真流程

本文采用OPNET Modeler Academic Edition 17.5針對總線型網絡中的CSMA/CD的性能進行仿真實驗，仿真實驗遵循一定的步驟[4，5]。歸納得出仿真流程如圖1所示。

圖1 基于OPNET的CSMA/CD性能仿真研究流程

2 CSMA/CD網絡建模

2.1 爭用期的計算

爭用期(Contention Period)，又稱為碰撞窗口(Collision Window)[6]。由于有網絡傳輸延遲的存在，每一個站在自己發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性，需要經過至多兩倍端到端的時間并在這段時間內沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會產生碰撞。因此，以太網的端到端的往返時間稱為爭用期。在IEEE 802.3中，對于10Mbps以太網規定了一個統一的爭用期時間標準，為51.2μs。

在具體的網絡上，爭用期的計算如公式1所示。

w=b×c

(1)

其中，w為爭用期，b為帶寬(bandwidth)，c為爭用期時間。

爭用期時間為兩倍端到端的延遲時間，計算如公式2所示。

c=2×d×l

(2)

其中，d為總線單位長度延遲(delay)，l為總線長度(long)。

電磁波在1km電纜的傳播時延約為5μs，由于局域網上任意兩個站之間的傳播時延有長有短，因此局域網必須按照最壞情況設計，取總線兩端的兩個站(這兩個站距離最遠)之間的傳播時延為端到端傳播時延。以太網上最大的端到端傳輸時延必須小于爭用期的一半，由公式1和2知，以太網的最大端到端長度約為5km。

2.2 數據包大小與網絡性能

在實際應用中，網絡鋪設好之后，由于總線單位長度延遲、帶寬、總線長度都已確定，由爭用期的計算公式可知爭用期也是已經確定好的。因此，在CSMA/CD機制作用下，數據包的大小直接決定了數據包的碰撞次數和網絡性能。

我們作一個簡單的計算。假設現有兩個數據包，其大小分別為m字節和n字節(m，n∈[64，1500]，m>n)。由于發送每個數據包都要進行一次碰撞檢測，設長度為m字節和n字節的單個數據包發生碰撞的概率為pm和pn，令pm=x，則在相同的網絡環境下我們可以得出pn如公式3所示。

(3)

2.3 仿真網絡的構建

我們在場景中建立一個總線型拓撲結構的以太網，該網絡由30個節點通過同軸電纜連接而成，其中同軸電纜的數據傳輸速率是10Mbps。網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 總線型網絡拓撲結構

在圖2所示的網絡上，我們構建了四個相同的場景，四個場景中除了數據包大小不一樣以外，其它參數都是一樣的。由于以太網的單數據幀大小最小為64bytes，最大為 1500 bytes，為了更好的衡量網絡性能，我們設定數據包不會分片發送

為了保證在每個場景中鏈路利用率都能接近100%，我們需要計算出發包頻率，即發包的時間間隔。發包頻率的計算如公式4所示。

(4)

其中，M為帶寬(單位：bps)，S為單個數據包大小(單位：bytes)，N為連入總線型局域網的計算機節點數，t為發包時間間隔，其倒數即為發包頻率。

由公式4可知，當單個數據包大小越大，發包時間間隔也就越大。為了取一個恰當的發包時間間隔，使得四個場景中發送的數據包在沒有碰撞的理想狀況下鏈路利用率都能接近100%，令S=64 bytes，其余參數依照場景設定代入公式3，計算得出t>0.0014。因此，我們設定場景中的發包時間間隔為0.001，這樣就能保證所有場景中的鏈路利用率都能接近100%。

隨后我們按照表1所示參數配置所有場景中的網絡。由于表1中四個場景只有數據包的大小是不同的，因此下文的表格中將使用數據包大小來代表場景編號。

表1 網絡配置參數

根據表1與公式1和公式2，我們可以計算出實驗場景中的爭用期時間為1.74×10-6s，爭用期為17.4比特時間。即爭用期內能夠發送17.4比特數據，若未產生碰撞，則之后發送的數據一定不會產生沖突。

3 仿真和實驗

3.1 統計量選取

要對網絡性能進行定量的研究，必須選定適當的性能指標[7]。根據前面的仿真需求，擬對下述網絡性能指標統計量進行收集。需要指出的是，OPNET在統計數據時，統計的時間間隔為0.15秒，OPNET對0.15秒之內的數據量進行統計，然后換算成平均每秒的數據量，并給出數據點。

發送流量：全局統計量，單位為bits/sec，其含義為整個網絡上所有節點每秒發送的流量。需要特別說明的是，這個統計量統計的是節點所發出的流量，節點發出的數據包到達MAC層(Media Access Control，媒體訪問控制，為數據鏈路層的下層)后，一旦通過CSMA/CD協議檢測到鏈路正忙，就會將該數據包丟棄。選擇該統計量的意義就在于確定我們發出的流量在無碰撞檢測的理想情況下鏈路利用率能接近100%。

發送數據包量：全局統計量，單位為packets/sec，其含義為整個網絡上所有節點每秒發送的數據包數量；

接收流量：全局統計量，單位為bits/sec，其含義為整個網絡上所有節點每秒接收的流量；

沖突數：節點統計量，單位為數量，其含義為每秒所選節點發送的所有數據包中發生沖突的數量；

鏈路利用率：全局統計量，單位為百分比，其含義為當前時刻鏈路的利用率。

設定仿真持續時間為15秒，其中啟動時間為5秒，并收集相應的統計結果。

3.2 仿真與分析

在OPNET中分別運行四個場景，打開結果面板，選擇相應統計量并導出數據。

首先我們對流量進行處理，結果如表2和圖3及圖4所示。

表2 流量統計

圖3 接收流量統計

圖4 鏈路利用率統計

實驗所用的帶寬為10Mbps，由表3中的平均發送流量可知，四個場景的鏈路利用率都能接近100%。由每秒平均發送數據包量可知，四個場景發送的數據包量基本相同，證明了四個場景中都在以相同頻率發送數據包。

由圖3和圖4可知，在四個場景中，平均接收流量隨著單個數據包大小的增加而增加，并逐漸逼近帶寬。因此，增大數據包的大小能夠提高鏈路利用率。

接下來對沖突數進行處理。我們隨機選取4個節點，搜集其沖突數統計量并計算在15s內各節點總的沖突數，結果如表3和圖5所示。

表3 節點的沖突數

圖5 節點的沖突數

由圖5可以明顯看出，單個數據包越大，沖突數就會越小。

綜合前面的分析可知，由于我們的發包間隔是固定的，因此當單個數據包大小越小，網絡性能也就越差。當單個數據包越大，產生的沖突也就越少，實際接收的流量也就越大，鏈路利用率也就越高。

綜上所述，在設計總線式局域網絡的時候，由于數據包大小是根據實際傳輸內容而定，因此應著力于降低爭用期。根據公式1-3可知，提高網絡性能的方式主要有以下幾點：

1)采用延遲更低的網絡傳輸介質；

2)縮短總線長度：過長的總線會導致較高的延遲，應改用更短的總線進行網絡傳輸；

3)采用更大的帶寬：單位時間內能夠發送更多的數據包，能夠有效減少數據包的沖突，提高網絡性能。

4)在單個數據包大小小于1500bytes(即無需分幀)以及鏈路利用率比較低的情況下，可以采用比較大的數據包發送數據以減少沖突；

5)減少總線上連接的計算機節點數量。

4 總結與展望

目前在計算機網絡領域，國內關于使用OPNET進行網絡仿真的文獻很少，而這種仿真技術可以非常有效和簡單的評價網絡性能[7]。本文詳細的介紹了采用CSMA/CD的總線型網絡OPNET建模與仿真的整個過程，通過仿真實驗證明數據包大小越大，網絡性能就越好的猜想，并提出了相應的網絡優化方法。

這些優化方法不僅可以應用于傳統計算機網絡領域，還可以用于優化工業控制系統中的工業局域網。

由于在計算機網絡領域，通過布置實際網絡來進行理論驗證的方式存在著成本高、耗時長、網絡難以搭建的問題，更多的使用仿真手段進行研究將成為一個趨勢。本文提出實現的基于OPNET進行網絡仿真的研究方法能夠加深對CSMA/CD機制的理解，并能夠給其它計算機網絡的研究以方法上一定的啟發。

[1]OPNET，http：//www.opnet.com/university_program/itguru_academic_edition/[OL].

[2]IEEE 802.3，http：//www.ieee802.org/3/[OL].

[3]陳長興，高曉光，張敬偉.基于OPNET的網絡仿真[J].空軍工程大學學報(自然科學版)，2007，8(2)：86-88.

[4]石懷偉，王華，張念軍.OPNET網絡仿真技術及其應用分析[J].計算機工程與設計，2006，27(17)：3309-3311.

[5]伍俊洪，楊洋，李惠杰.網絡仿真方法和OPNET仿真技術[J].計算機工程，2004，30(5)：106-108.

[6]謝希仁.計算機網絡(第六版)[M].電子工業出版社，2013.

[7]李笑歌，宇偉，高尚偉.基于OPNET軟件的數據網絡建模與仿真研究[J].系統仿真學報，2006，18(9)：2653-2656.

(責任編輯：馬玉鳳)

Research of Ethernet Performance Based on CSMA/CD Using OPNET Simulator

LI Hong-jie，XU Xing

(School of Animation and Digital Arts，Communication University of China，Beijing 100024)

In this paper we simulated a Bus Local Area Network which is based on CSMA/CD，and investigated how different sizes of packet affect network performance.We first introduced OPNET simulation software，then explained the calculation of collision window in CSMA/CD and got the deduction that larger packet will bring better network performance.Finally，we conducted a set of experiments using OPNET simulator to prove our deduction.

OPNET；CSMA/CD；network simulation

2015-03-15

李宏杰(1991-)，男(壯族)，廣西南寧人，中國傳媒大學碩士研究生.E-mail：nntt19@163.com

TP393.0

A

1673-4793(2015)06-0067-05