網絡性能仿真軟件綜述

郭宇瑩，徐展琦，李允博，杜 爽

(1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071；2.中國移動通信研究院，北京 100053)

0 引言

隨著網絡技術的高速發展，網絡規模日益增大，網絡業務逐漸多元化，不斷提出新型網絡架構、協議及算法,并得到應用。專業人員需要靈活地規劃或優化網絡，從而實現降低資本支出與運營成本、提高網絡服務質量、減小資源消耗等目標。

傳統網絡性能仿真主要采用經驗分析、數學計算及實驗設計等方法。經驗分析方法需要專業人員全面細致地掌控全網狀況；數學計算方法以一定的假設和限制條件為基礎，將研究對象抽象為數學模型，以此來分析網絡性能；實驗設計方法通過軟硬件結合來搭建測試平臺，配置實驗環境，再研究網絡協議評估網絡性能。然而，由于網絡的異構性、網絡數據傳輸過程的復雜性和網絡業務屬性的多變性，采用經驗分析和數學計算方法來設計和規劃網絡已變得十分困難，使用實驗設計方法搭建測試平臺所需要的成本也日益昂貴。同時，傳統網絡性能仿真方法難以確保所獲取仿真結果的準確性，也很難客觀地衡量諸如可靠性、有效性以及用戶服務質量等網絡性能。為彌補上述方法的缺陷，網絡性能仿真軟件應運而生。

網絡性能仿真軟件通過搭建網絡模型，模擬網絡資源分配、業務處理與傳輸及交換等過程，使專業人員根據仿真結果來驗證算法性能，或以較低的成本獲取網絡性能的影響因素和可優化參數，從而最大程度地提高網絡設計、運營與優化的效能，實現風險最小化、收益最大化及資源利用合理化等目標[1-2]。

目前，國內外已經研究并開發出多種網絡性能仿真軟件。按照適用范圍可以將它們分為兩類：一類是通用型網絡性能仿真軟件，可支持多種網絡場景的仿真需求，主流軟件有NS2[3]、NS3[4]、OMNeT++[5]、OPNET[6]及QualNet[7-9]等；另一類是側重于某個特定研究方向的專用型網絡性能仿真軟件，如主要應用于光網絡場景的VPItransportMaker[10]、Net2Plan[11-12]、ElasticO++[13]及SimEON[14]等。這些網絡性能仿真軟件可極大地方便網絡研究，得到廣泛應用。

本文首先簡述主流通用型和光網絡專用型網絡性能仿真軟件的基本功能、主要特點和適用范圍，然后根據總結的網絡性能仿真軟件性能評價指標對其進行多屬性對比分析，最后提出網絡性能仿真軟件的未來發展設想。

1 通用型網絡性能仿真軟件

通用型網絡性能仿真軟件適用于大多數網絡場景，兼具穩定性、集成性和高效性等特點，主要介紹其中主流的NS2、NS3、OMNeT++、OPNET和QualNeT。

1.1 NS2

NS2 (Network Simulator-Version 2)[3]是UC Berkeley大學開發的離散事件網絡性能仿真軟件，在學術界應用廣泛，適用于有線網絡、無線網絡、局域網以及衛星網絡等多種網絡場景。

NS2主要運行于UNIX/LINUX操作系統，采用Otcl和C++兩種開發語言，分別用于網絡環境的配置和仿真程序的編寫，方便用戶修改環境參數、高效執行仿真程序。

NS2封裝的功能模塊數目多且易于擴展，但模塊間互操作性與耦合性較差，版本更新時容易產生模塊不兼容等問題。此外，NS2不支持圖形用戶界面(Graphical User Interface,GUI)，仿真操作不直觀，用戶只能借助XGraph和NAM(Network AniMator)等數據分析工具來觀察仿真結果。由于NS2不支持分布式仿真，仿真速度比其他通用型仿真軟件慢。

1.2 NS3

NS3 (Network Simulator-Version 3)[4]是將NS2簡化后，結合其他仿真器的優勢與應用經驗所開發出的開源跨平臺離散事件網絡模擬器，主要用于課堂教學和學術研究。

NS3的各功能模塊均通過編寫C++代碼實現，用戶可根據自身需求選用C++或Python語言編寫腳本來配置仿真環境，通過調用各個模塊來實現不同的網絡功能，但NS3內置模塊數量有限，需要對其進行擴展，才能滿足用戶對更多網絡功能的需求。

此外，NS3提供數據跟蹤功能，用戶可以采用可視化界面工具Pyviz和統計作圖工具gnuplot等數據分析工具來處理數據并分析結果。該軟件還支持分布式仿真和并行仿真，運行速度較快。

1.3 OMNeT++

OMNeT++(Objective Modular Network Testbed in C++)[5]是由布達佩斯大學通信工程系的研究團隊開發的離散事件仿真工具，具備開源和跨平臺等特性，可用于硬件體系結構的驗證和復雜軟件系統性能的評估。

它采用混合式建模方法，即采用網絡描述語言配置網絡性能仿真模型，C++語言編寫普通模塊的功能，從而將網絡的數據模型和控制操作分離，結合兩種語言在各自領域運行速度的優勢，可有效提高代碼的執行效率。

OMNeT++兼容Eclipse的集成開發環境(Integrated Development Environment,IDE)，用戶可以利用Eclipse的插件將該軟件與第三方軟件聯合使用。該軟件模塊化的設計方式使得各個模塊的功能調試和擴展互不干擾，具有較高的靈活性和可擴展性。

OMNeT++提供全面的用戶手冊和豐富的說明文檔，并擁有簡單易用的GUI及高效的調試工具，使用戶學習和使用的難度較低。另外，該軟件還擁有并行仿真機制，仿真速度快。

1.4 OPNET

OPNET (Optimized Network Engineering Tool)[6]是1986年由麻省理工學院的研究團隊開發、基于離散事件驅動的網絡性能仿真軟件，是目前世界上最先進的同類軟件之一，廣泛用于學術研究和產業商用。

它有OPNET Modeler、IT Guru、Service Provider Guru和WDM Guru四個系列產品。OPNET Modeler用于協議模型設計和網絡性能分析；IT Guru實現大中型企業網絡的狀態預測和性能評估；Service Provider Guru是面向網絡運營商的智能網絡管理軟件；WDM Guru是針對使用波分復用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)網絡的運營商和設備制造商研發的性能評估軟件。

其中，OPNET Modeler應用最為廣泛，其模型精度高，且內部采用三層建模機制，符合開放系統互連(Open System Interconnection,OSI)分層模型的設計規范，使該軟件可高度模擬實際網絡的數據傳輸過程。該軟件還借助映射概念將實際網絡中的物理設備抽象到軟件中，從而有效提高網絡模型的真實度。由于軟件所提供的模型庫內容陳舊，且模塊多已固化，功能擴展的難度較大，導致用戶難以得到最恰當的網絡設備仿真參數。

作為一款商用軟件，OPNET功能較為齊全，其擁有全面的用戶手冊、豐富的學習資料和簡單易用的GUI，方便用戶構建網絡模型、修改網絡拓撲參數、自定義仿真過程及分析仿真結果等。軟件還支持并行仿真，運行速度較快。

1.5 QualNet

離散事件驅動的QualNet[7-8]是由Scalable Networks Technologies公司開發的跨平臺商業網絡性能仿真軟件，主要用于有線網絡、無線網絡和混合動態網絡的性能分析，也可用于新型協議模型的設計和大規模網絡的構建等。

QualNet遵循OSI分層模型的設計規范，可高度模擬實際網絡的數據傳輸過程。此外，軟件包含移動模型和地理模型等預設模型，可較為真實地模擬預定義節點的實際移動軌跡，還可利用平面地圖還原仿真場景的地理信息。

QualNet可配置包含上萬個網絡節點的網絡模型[7]，運行在多核和多處理器系統上，支持并行仿真與分布式仿真。因此與其他仿真軟件相比，其仿真速度在小規模網絡中可提高幾倍，而在大規模網絡中可提高十幾倍到近千倍[9]。

此外，QualNet界面友好，使用方便，可用內置數據分析工具處理仿真結果，并通過外接第三方軟件擴展軟件功能。

1.6 通用型網絡性能仿真軟件在光網絡的應用

NS2、NS3、OMNeT++和OPNET同樣適用于光網絡場景，例如段靖遠等擴展NS2的功能，使其支持IEEE-1394b光網絡的模型優化與性能評估，從而獲取該網絡的帶寬利用率等性能參數[15]；Arokkiam等在NS3基礎上擴展XG-PON (10G-capable Passive Optical Network)模塊，用于研究XG-PON技術的部署策略[16]；梁兵采用OMNeT++搭建網絡環境，可仿真多層多域光網絡中的路由和保護算法[17]；郭珊宜采用OPNET搭建時分波分復用無源光網絡(Time and Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network,TWDM-PON)場景，仿真驗證所提出的基于長短期記憶網絡(Long Short-Term Memory,LSTM)的提前休眠喚醒節能算法的性能[18]。

2 光網絡專用型網絡性能仿真軟件

光纖具有傳輸帶寬大、信息保密性強及價格低廉等優點，已經成為接入網、城域網和核心網的最重要傳輸介質，因此有關光網絡規劃與優化的研究也日益成為人們的關注重點。光網絡專用型網絡性能仿真軟件可用于研究多層多域光網絡中的聯合規劃以及各類算法在其他復雜網絡環境下的性能，主要介紹其中常見的4種仿真軟件VPItransportMaker、Net2Plan、ElasticO++和SimEON。

2.1 VPItransportMaker

VPItransportMaker[10]是由VPIsystemsTM公司開發的網絡設計和優化工具，用于準同步數字序列 (Plesiochronous Digital Hierarchy,PDH)、同步數字序列 (Synchronous Digital Hierarchy,SDH)、波分復用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)以及光傳送網 (Optical Transport Network,OTN)等光網絡的設計與優化。

VPItransportMaker主要特點有：

① 可以通過GUI對網絡進行多形態設計，包括鏈狀、環形及網狀等網絡構型，也可借助網絡構型設計引擎以更改網絡布局。

② 提供多層網絡建模功能，覆蓋客戶層、網絡層、拓撲約束層和多樣性約束層，支持光層、SDH/SONET、PDH及以太網等多種業務類型。

③ 擁有Plug-In伸縮擴展結構和Scripting腳本引擎功能，便于用戶進行有關故障模擬和業務恢復的網絡可靠性分析。

④ 擁有專用的路由和波長分配設計引擎，方便用戶進行路由和波長分配問題的研究。

⑤ 提供算法接口，使用戶可以繼承該接口以添加自定義算法。

⑥ 支持豐富的數據報表和圖形報表，可以將結果以XML、TXT及XLSX等格式進行存儲。

2.2 Net2Plan

Net2Plan[11]是由西班牙卡塔赫納理工大學的研究人員于2011年開發的開源網絡性能仿真軟件，主要用于WDM網絡、IP路由網絡、軟件定義網絡(Software Defined Networking,SDN)以及網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization,NFV)網絡等的性能分析、評估和優化。

其主要特點有：

① 提供用戶交互界面(Graphical User Interface,GUI)和命令行界面(Command Line Interface,CLI)。其中，GUI較為直觀，CLI支持多批次實驗，可節約計算機資源。

② 將節點、鏈路及路由等組件抽象化，便于網絡拓撲的構建和網絡參數的修改。

③ 采用綜合容量模型(Integrated Capacity Model,ICM)[12]開發多層網絡規劃與設計工具，可進行多層網絡拓撲的構建；

④ 可通過GUI自定義網絡拓撲或業務請求，能夠驗證離線網絡和在線網絡算法的性能；通過GUI添加專用的.n2p文件實現新增網絡拓撲或業務請求的功能。

⑤ 自動生成軟件內置的或用戶自定義的仿真報告，提供豐富的API接口以集成自定義算法，支持代碼復用，可按需功能擴展。

⑥ 擁有大量視頻教程和學習資料。

2.3 ElasticO++

ElasticO++[13]是基于OMNeT++的彈性光網絡(Elastic Optical Network,EON)仿真工具，是第一個用于研究動態EON場景下頻譜碎片問題的軟件。

ElasticO++完全兼容OMNet++的GUI，能夠可視化地查看網絡模型、修改網絡參數、觀察仿真過程、輸出仿真結果。仿真時可以配置諸如轉發器、可重構光分插復用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,ROADM)及光纖等光網絡設備以提高網絡模型的精度。該軟件還支持批量仿真，仿真結束后可分別采用Excel和Origin軟件統計并分析仿真結果中的阻塞率、碎片數目及運行時間等參數。

ElasticO++注重算法重用，可借助C++的模板和繼承概念將軟件內置的十個算法重新組合，用于求解EON場景下的路由與頻譜分配問題，具有較好的靈活性。同時，該軟件可以使用多線程和并行運算等技術以加快仿真速度。

2.4 SimEON

SimEON (Simulator for Elastic Optical Networks)[14]是基于C++語言開發的開源網絡性能仿真軟件，主要用于在EON場景下設計再生器的放置算法和路由算法，也可用于評估網絡參數對網絡性能的影響。

SimEON的開發遵循軟件工程基本原理，因此軟件質量較高，可支持并行仿真以加快仿真速度。此外，其采用模塊化的設計思想，使各功能模塊層次分明，用戶可以繼承接口修改完善現有功能或添加新功能。同時，該軟件還可以與其他網絡性能仿真軟件結合使用以進行功能擴展。

2.5 其他軟件

隨著網絡的發展，國內也涌現了一批針對于光網絡場景的網絡性能仿真軟件。烽火通信研發出面向于智能波分網絡設計與優化的網絡規劃系統OTN Planner，它支持同步數字體系(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)、多業務傳送平臺(Multi-Service Transport Platform,MSTP)、自動交換光網絡(Automatically Switched Optical Network,ASON)及光傳送網OTN等光網絡技術的仿真。中興公司推出ZXTOP系列軟件，可提供網絡設計、設備配置、性能評估、網絡優化及故障模擬等功能。

此外，北京郵電大學黃善國等采用Java語言開發“network spider傳送網絡優化規劃系統軟件”[19-20]，使該軟件具備網絡拓撲管理、業務預測及網絡評估等基本功能；該團隊還在OPNET的基礎上開發ASON網絡性能仿真軟件，目前該軟件已具備ASON的大部分網絡功能[21]。西安電子科技大學徐展琦等開發“基于PCE的多層多域光網絡資源優化性能仿真軟件”[22]，可解決業務聯合疏導與選路問題。電子科技大學李興民和歐雪剛等開發“NetNumen-TOP”光網絡規劃與優化軟件等系統[23-24]，主要用于研究WDM網絡場景下的路由與波長分配問題。華盛頓州立大學BOWen等開發基于NS的WDM光網絡性能仿真軟件OWns。浙江工業大學余建軍等人開發基于OWns的WDM光網絡性能仿真軟件RwaOWns，使其支持多種路由與波長分配算法性能的研究[25]。

3 網絡性能仿真軟件性能比較

為了選擇合適的網絡性能仿真軟件，目前已有許多研究人員對各網絡性能仿真軟件進行對比[26-30]，主要評價指標有：

① 仿真速度：仿真相同網絡場景或相同規模網絡的模型時，所需仿真時間的長短。

② 計算資源：仿真相同場景或相同規模的網絡模型時，所需計算資源的多少。

③ 易用性：軟件操作難易程度，具體包括軟件的易安裝性、用戶界面的易用性、對第三方軟件(如數據分析工具等)的可支持性、用戶文檔的完備性、仿真模型設計和修改的復雜性，仿真數據收集和分析的直觀性等。

④ 可擴展性：仿真軟件功能是否可以擴展以及功能擴展的復雜程度。

根據上述評價指標，表1給出了本文所述各種網絡性能仿真軟件的主要性能指標對比結果(*越多表明該指標在所對應的屬性上表現越好，+越多表示計算資源消耗越多，-表示目前難以確定)。由表格可知，通用型網絡性能仿真軟件中，NS2與OMNeT++采用雙語言架構，便于用戶修改網絡參數；NS3、OMNeT++與QualNet支持并行仿真和分布式仿真，仿真速度較快；NS3在同類軟件中計算資源消耗較少；商用軟件OPNET與QualNet功能較強，易用性較好；開源軟件NS2、NS3與OMNeT++的可擴展性好，用戶可修改或添加功能模塊以實現不同的網絡功能；NS2、NS3、OMNeT++和OPNET均支持光網絡性能仿真。在光網絡專用型網絡性能仿真軟件中，商用軟件VPItransportMaker易用性較強，但可擴展性較差；開源軟件Net2Plan比ElasticO++和SimEON的易用性好，且三者都具有較優的可擴展性。

表1 網絡性能仿真軟件的主要屬性比較

4 結束語

網絡性能仿真軟件可以幫助研究人員以較低成本綜合評估網絡，有效提高網絡設計與優化的可信度與時效性。本文調研主流通用型與光網絡專用型網絡性能仿真軟件，闡述各軟件的基本功能、主要特點、應用場景和適用范圍，并根據多種評價指標進行評估。在實際工作中，研發人員應綜合考慮軟件需求、應用場景、時間成本和資源消耗等多種因素來選擇合適的軟件開發平臺，完成網絡性能仿真或相關軟件的再開發。

通過對比分析各網絡性能仿真軟件的主要特點及性能，結合新技術發展對網絡性能仿真軟件的迫切需求，在此提出關于網絡性能仿真軟件的未來發展設想：

① 開發軟件應當摒棄專用編程語言，采用C++、Java與Python等通用編程語言，增加易用性；

② 借助并行計算和分布式計算等高效能計算技術，充分考慮算力增強設備的適用性，提高網絡性能仿真軟件執行速度與效能；采用模塊化的設計思想，提高軟件的可擴展性和模塊的復用性，可實現與OPNET和Matlab等現有主流網絡仿真軟件的接口；

③ 遵循OSI和TCP/IP的分層設計思想，模擬真實網絡場景的協議處理與數據傳輸過程，具備半實物仿真能力，提高仿真結果的可信度；

④ 加強軟件與物理設備的交互，確保所獲取數據的實時性和準確性；加強用戶支持，提供良好的GUI及全面的用戶使用文檔；

⑤ 確保仿真軟件適合更復雜的場景，涵蓋用戶駐地網、接入網和核心網，包括諸如軟件定義網絡SDN、網絡虛擬化NV、網絡切片NS以及5G/6G移動網絡等新型網絡體制與架構；

⑥ 結合機器學習和大數據等前沿技術，深度分析網絡數據，并提取該數據的特征，進而對網絡模型進行優化分析，提高軟件內網絡模型的真實度。

網絡技術的不斷演進，推動著網絡性能仿真方法的發展，衍生出數量龐大的網絡性能仿真軟件，對專業人員進行網絡研究提供巨大的幫助。如何開發一款仿真速度快、計算資源消耗少、易用性與通用性強、可擴展性和保真度好的網絡性能仿真軟件，仍然值得深入研究。