OPNET擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)建模與仿真

王 豪， 王宏志， 呂洪武， 郭嫚嫚

(長春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

伴隨著網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，規(guī)模形式也越來越大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]變得錯綜復(fù)雜，新的網(wǎng)絡(luò)性能導(dǎo)致對網(wǎng)絡(luò)精度的要求也越來越高，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已無法滿足，因此，一種高新的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)手段油然而生，網(wǎng)絡(luò)仿真包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等優(yōu)勢，提供一種很好模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的平臺，通過收集統(tǒng)計(jì)量來觀察網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的高新技術(shù)手段[2]。

關(guān)于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的理論依據(jù)可從以下文獻(xiàn)看出：文獻(xiàn)[3]通過對OPNET軟件做開發(fā)擴(kuò)展其功能，使之可以在多臺計(jì)算機(jī)上并行運(yùn)行，將一個大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分散到兩臺或者兩臺以上的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，雖然從仿真結(jié)果可以看出多臺計(jì)算機(jī)分擔(dān)了一臺計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，提高了仿真效率，但同時增加了實(shí)際操作的復(fù)雜性;文獻(xiàn)[4]研究分析了TTE網(wǎng)絡(luò)在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有明顯的不足，一旦通信介質(zhì)的某一接口點(diǎn)發(fā)生故障，就會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，限制了系統(tǒng)的局部特性，而星型結(jié)構(gòu)只有一個核心節(jié)點(diǎn)，各站點(diǎn)的分布處理能力較低;文獻(xiàn)[5]采用OPNET的建模結(jié)構(gòu)，建立了三層模型，并以M/M/1隊(duì)列進(jìn)行了一個簡單的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，在基于IPV4和IPV6的校園網(wǎng)中，將擴(kuò)展后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多種狀態(tài)下數(shù)據(jù)鏈路的對比，仿真得出不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)采用不同的調(diào)度機(jī)制，但卻造成了更大的網(wǎng)絡(luò)開銷，導(dǎo)致部分性能沒有得到提升[6]。

文中主要是針對一個終端系統(tǒng)能夠產(chǎn)生多種業(yè)務(wù)類型的問題，采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互聯(lián)的冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式[7]，通過OPNET Modeler仿真軟件進(jìn)行仿真，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時延、鏈路負(fù)載、吞吐量等指標(biāo)的對比，選出最佳的擴(kuò)展方式。

1 OPNET相關(guān)介紹

通過節(jié)點(diǎn)模型中的應(yīng)用層、TCP層、IP層、IP封裝層,以及MAC層等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞順序來分析最終的網(wǎng)絡(luò)性能及通信協(xié)議[8]，不同的組網(wǎng)方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為實(shí)際的應(yīng)用場景提供了便捷的組合方式，是當(dāng)今社會采用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)建模軟件。

OPNET Modeler進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真時一般按照以下步驟：

1)建立網(wǎng)絡(luò)模型；

2)配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

3)配置業(yè)務(wù)；

4)收集結(jié)果統(tǒng)計(jì)量；

5)系統(tǒng)運(yùn)行仿真；

6)觀察分析結(jié)果。

（二）為英語的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。與小學(xué)比起來，初中的英語所涉及的內(nèi)容較多，所以其學(xué)習(xí)難度也較大。從很多學(xué)生的表現(xiàn)中就能夠看出，有的學(xué)生在小學(xué)階段其英語學(xué)習(xí)較好，但是到了初中以后就發(fā)現(xiàn)自己跟不上班級的隊(duì)伍，英語的學(xué)習(xí)成績欠佳。這是因?yàn)樾W(xué)英語中所涉及的教學(xué)內(nèi)容較少，并且十分有限，但是初中卻不一樣，初中英語知識內(nèi)容多而雜，學(xué)生無法快速適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變，那么隨之而來的就是成績的下降。想要解決這一問題最好的方法就是將英語學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)做好，不斷積累英語學(xué)習(xí)過程中的詞匯。只有英語詞匯能夠達(dá)到一定的量以后才能在實(shí)踐應(yīng)用的過程中做到信手拈來。

2 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)域模型

2.1.1 原網(wǎng)絡(luò)模型

在OPNET仿真軟件中新建一個project7工程，創(chuàng)建一個空的場景Scenario1，選取網(wǎng)絡(luò)建模，類型為辦公，選取網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為X span:100 Meters，Y span:100 Meters；選取網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類型為Sm_Int_Mode_List。原網(wǎng)絡(luò)模型主要有服務(wù)器、交換機(jī)、IP云以及擴(kuò)展后的服務(wù)器組成。原網(wǎng)絡(luò)模型主要用于業(yè)務(wù)人員訪問Web服務(wù)，原網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與星型結(jié)構(gòu)下的模型如圖1所示。

圖1 原網(wǎng)絡(luò)模型

在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議ip32下，云采用PPP_DS1鏈路方式連接3個IP路由器，IP路由器(router1)和IP路由器(router0)分別擴(kuò)展1個中心節(jié)點(diǎn)3Com SSII Switch及4個外圍工作節(jié)點(diǎn)Sm_Int_wkstn和5個中心節(jié)點(diǎn)3com SSII Switch及20個外圍工作節(jié)點(diǎn)Sm_Int_wkstn，5個交換機(jī)是通過冗余型結(jié)構(gòu)進(jìn)行互聯(lián)，并以10 M的帶寬作為鏈路傳輸帶寬進(jìn)行建模組網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的業(yè)務(wù)主要實(shí)施網(wǎng)頁瀏覽業(yè)務(wù)功能，因此，可以從Sm_Int_Mode_List中選出Sm_Application_Config模塊和Sm_Profile_Config模塊。

2.1.2 擴(kuò)展后的網(wǎng)絡(luò)模型

文中所提及的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模型中，主要對兩種狀態(tài)進(jìn)行了擴(kuò)展，分別是單個節(jié)點(diǎn)和多個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

在原有的交換機(jī)基礎(chǔ)上增加了節(jié)點(diǎn)的數(shù)量作為節(jié)點(diǎn)型擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境將其視作業(yè)務(wù)員。而多個節(jié)點(diǎn)下的局域型擴(kuò)展則是在路由器上增加1個中心節(jié)點(diǎn)，并將原有業(yè)務(wù)員的排序方式變更為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過構(gòu)建2個新的project工程觀察相關(guān)性能參數(shù)，即project8工程和project9工程，打開原來構(gòu)建的project7工程，復(fù)制其中scenario1的場景內(nèi)容到project8工程和project9工程，并將擴(kuò)展后的新網(wǎng)絡(luò)模型分別命名為scenario2和scenario3。

scenario2的場景內(nèi)容在scenario1基礎(chǔ)上，對原網(wǎng)絡(luò)模型中的交換機(jī)(Switch5)增加了4個外圍拓?fù)涔?jié)點(diǎn)(Sm_Int_wkstn)，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型

scenario3的場景內(nèi)容同樣也是在scenario1基礎(chǔ)上，對原網(wǎng)絡(luò)模型中的IP路由器(router2)增加了1個具有4個外圍節(jié)點(diǎn)(Sm_Int_wkstn)的星型拓?fù)涞闹行墓?jié)點(diǎn)(3Com SSII Switch)，即網(wǎng)絡(luò)局域擴(kuò)展模型，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)局域擴(kuò)展模型

2.2 節(jié)點(diǎn)域模型

節(jié)點(diǎn)域模型將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分解成多個節(jié)點(diǎn)模塊，每個節(jié)點(diǎn)模塊之間通過包流(Packet streams)和狀態(tài)線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。原網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)模型直觀模擬了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各設(shè)備的狀態(tài)行為機(jī)制，一個完整的網(wǎng)絡(luò)功能節(jié)點(diǎn)模型應(yīng)包括服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、工作站四部分。

網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的仿真模型主要基于OSI協(xié)議模型[9]。原網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型如圖4所示。

圖4 原網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

該節(jié)點(diǎn)模型按照數(shù)據(jù)傳輸順序分別為應(yīng)用層(application)模塊、傳輸適應(yīng)層(tpal)模塊、傳輸層(tcp)模塊、網(wǎng)絡(luò)層(ip)模塊、鏈路層(mac)模塊和物理層(hub_rx)模塊。

3 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的性能驗(yàn)證

到目前為止，一個完整的網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)被搭建完成。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程的實(shí)際環(huán)境需要，分別對單個對象統(tǒng)計(jì)量(Object statistics)和全局統(tǒng)計(jì)量(Global statistics)進(jìn)行收集[10]，反映不同統(tǒng)計(jì)量下的不同網(wǎng)絡(luò)的行為狀態(tài)。

3.1 仿真運(yùn)行

通過OPNET仿真，將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載(Ethernet Load)、網(wǎng)絡(luò)延遲(Ethernet Delay)、端到端排隊(duì)延遲(queuing delay)和吞吐量(throughput)作為主要參數(shù)指標(biāo)。仿真參數(shù)設(shè)置完畢，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，設(shè)定仿真運(yùn)行的時間為1 h，數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)為128，統(tǒng)計(jì)值為100，更新間隔為500 000。其仿真結(jié)果分別如圖5～圖8所示。

圖5 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

圖8 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的排隊(duì)時延

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5中1為網(wǎng)絡(luò)局域擴(kuò)展模型，2為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型?？梢钥闯?，在網(wǎng)絡(luò)模型仿真運(yùn)行開始時，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為0，隨著仿真運(yùn)行開始，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)均有一個突變，局域擴(kuò)展模型瞬間到達(dá)峰值120 bit/s，當(dāng)仿真運(yùn)行時間到1/60 h時，局域擴(kuò)展模型的系統(tǒng)較為穩(wěn)定，在110 bit/s處上下波動，而節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型到運(yùn)行時間為1/2 h時才趨于穩(wěn)定，在90 bit/s處上下波動。仿真結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)模型的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載性能低于局域擴(kuò)展模型的網(wǎng)路負(fù)載。

圖6中1為網(wǎng)絡(luò)局域擴(kuò)展模型，2為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型。可以看出，在網(wǎng)絡(luò)模型仿真運(yùn)行開始時，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)延遲穩(wěn)定在3.0×10-6s，當(dāng)仿真運(yùn)行時間到1/12 h時，節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型的網(wǎng)絡(luò)延遲瞬間增大到7.38×10-6s，當(dāng)仿真時間運(yùn)行到5/6 h時，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型的網(wǎng)絡(luò)延遲在6.53×10-6s上下波動，局域擴(kuò)展模型的網(wǎng)絡(luò)延遲在5.34×10-6s上下波動。仿真結(jié)果表明，局域擴(kuò)展模型的網(wǎng)絡(luò)延遲相比于節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型更低。

圖7中1為網(wǎng)絡(luò)局域擴(kuò)展模型，2為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型。可以看出，在網(wǎng)絡(luò)模型仿真運(yùn)行開始時，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出同樣的指數(shù)增長趨勢，當(dāng)仿真運(yùn)行時間到1/10 h時，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了分割點(diǎn)，此時分割點(diǎn)的吞吐量為2.6×10-6s，當(dāng)仿真運(yùn)行時間接近1/2 h時，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)又出現(xiàn)了閉合點(diǎn)，此時閉合點(diǎn)的吞吐量為2.9×10-6s，隨后，整個擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

圖8中1為網(wǎng)絡(luò)局域擴(kuò)展模型，2為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型?？梢钥闯觯诰W(wǎng)絡(luò)模型仿真運(yùn)行開始到結(jié)束，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)都沒有出現(xiàn)較大的波動性，當(dāng)仿真運(yùn)行時間到1/10 h時，兩種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)模型的系統(tǒng)已經(jīng)趨近平衡，它們的排隊(duì)延遲在1.56×10-6s處上下波動。

綜上分析，在全局變量下，若考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時，節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展模型最佳；若考慮網(wǎng)絡(luò)延遲較小時，局域擴(kuò)展模型最佳。

4 結(jié) 語

在原網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了兩種不同的擴(kuò)展方式，并在此基礎(chǔ)上將外圍節(jié)點(diǎn)個數(shù)相同的模型采用不同的拓?fù)浣M網(wǎng)方式，通過對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)延遲、端到端的排隊(duì)延遲和吞吐量作為性能指標(biāo)，選擇了適合實(shí)際環(huán)境的最優(yōu)擴(kuò)展方案。但是文中卻需要多次設(shè)置性能參數(shù)來提高實(shí)驗(yàn)的可信度，實(shí)際操作更加復(fù)雜。