基于OPNET 的網絡協議TCP 仿真實驗平臺的設計與實現

游勝玉，劉琳

（東華理工大學軟件學院，江西 南昌 330013）

隨著經濟的迅猛發展，計算機網絡已經離不開人們的生活。社會需求的日益增加，網絡拓撲結構也不斷復雜化，網絡的應用也不斷多元化，傳統的網絡實驗操作環境已遠遠不能滿足現代實驗操作的要求。在計算機網絡技術中，服務器、交換機、防火墻及路由器是網絡的主流設備[1-2]，即使實際的網絡實驗中采用一定數量的網絡設備，但意味著需要投入更高的成本，且網絡設備維護也比較復雜，特別是對于那些復雜的大型網絡建設，更需要大量的人力物力來建設。另外，對于初學者來說，如果在硬件設備搭建實驗過程中出現故障導致實驗失敗，也不知道問題出現在哪，從而影響實驗效果[3-4]。因此，針對這樣的情況，引入仿真技術來搭建網絡實驗環境，可以減少投資成本，并且對于初學者而言又鍛煉了實踐能力。本文采用OPNET網絡仿真軟件搭建仿真實驗平臺，對傳輸控制協議TCP 的慢啟動算法、擁塞避免算法、快速重傳算法和快速修復算法進行設計與實現。

1 OPNET 介紹

1986 年，麻省理工大學的2 名博士創建了一個公司，名為OPNET。第二年，OPNET 公司的第一個商業化的網絡性能仿真軟件問世，使得具有預測性的網絡性能管理和仿真成為可能。OPNET 網絡仿真軟件是OPNET 公司推出的最早及最具有影響力的網絡仿真軟件，對網絡的建模仿真、提前預測大大提高了網絡環境的質量，起了一個劃時代的作用[5]。

OPNET 網絡仿真軟件主要包括OPNET Modeler、OPNET ITGuru、OPNET SPGuru 和WDM Guru、ODK和NetBizODK 共4 個系列。OPNET Modeler 系列主要用來進行研究，可以用來分析網絡設備、網絡協議和一些通信協議；OPNET ITGuru 系列主要是針對大型企業網絡的管理和分析，查找問題，找出性能瓶頸，提出解決方案等；OPNET SPGuru 和WDM Guru 系列主要面向運營商，面向智能化的網絡管理；ODK 和NetBizODK 是一個更底層的軟件開發平臺，ODK 為開發時的環境，NetBizODK 為運行時的環境，由多種軟件組件庫組成，主要應用于計算機網絡的建模、仿真、優化和分析。OPNET 迅速而穩步地發展，作為高科技網絡規劃、仿真、分析工具，OPNET 在通信、國防及計算機網絡領域已經被廣泛認可和采用[6]。

2 仿真實驗設計與配置

OPNET Modeler 是一款非常優秀的網絡仿真和建模工具，它不僅支持面向對象的建模方式，而且還可以提供圖形化的編輯界面。它的強大功能和全面性，使它可以模擬任何網絡設備、支持各種網絡技術。因此，本文采用OPNET Modeler 網絡仿真軟件作為仿真平臺，對傳輸控制協議TCP 的慢開始算法、擁塞避免算法、快速重傳算法和快速修復算法進行模擬實驗。

2.1 TCP 協議擁塞算法介紹

傳輸控制協議TCP 是一種面向連接可靠的全雙工通信協議，其核心思想是基于共享資源管理下，按照一定的算法來控制傳輸數據，并且合理地利用資源，保證網絡的穩定性。TCP 協議包括4 種擁塞控制算法，即慢開始算法、擁塞避免算法、快速重傳算法和快速恢復算法。這些算法的核心就是通過控制擁塞窗口的大小，發送端可以控制業務量，從而控制網絡擁塞。在傳輸過程中，發送端逐漸增加窗口的大小，一直到出現數據包丟失，窗口值迅速下降，然后開始逐漸增大，從而有效避免了擁塞癱瘓[7]。

慢開始算法：它是一個在TCP 連接上控制數據流發送速度的算法。顧名思義，在開始時就不要發送大量數據，將發送窗口及擁塞窗口初始值設為1，等接收方確認數據之后，擁塞窗口成倍增加，發送窗口也成倍增加；直到窗口大小等于慢開始門限值時，改為每次加1，直至擁塞。慢啟動算法是一個在TCP 連接上控制數據流發送速度的算法。

擁塞避免算法：它是一種處理丟失報文的算法。許多輸入流到路由器，而路由器輸出能力不足的時候，擁塞避免就是為解決這個問題而提出的。數據包的丟失率是非常低的，那么丟失的數據包，將產生一個信號，在源和目的地址之間有堵塞現象，所以在實際情況中，它們在共同的階段相互作用。

快速重傳算法：TCP 協議為了保證數據的可靠性，采用了超時重傳機制，在發送一個數據后開始啟動一個計時器，在一定時間內如果沒有得到發送數據報的確認幀ACK（Acknowledgement，確認字符）報文時，那么就重新發送數據，直到發送成功為止。快速重傳算法是在數據包丟失的情況下給出的一種修補機制。一般來說，重傳發生在超時之后，但如果接收端在一個往返時間里接收到3 個以上的重復確認幀ACK 報文時，這就代表數據丟失了，需要重傳，快速重傳不需要等到重傳定時器溢出時再進行重傳，所以叫快速重傳。

快速恢復算法：它是在快速重傳算法后，當接收端收到3 個確認幀ACK 時，就將慢啟動閾值設置成為當前的擁塞窗口值的1/2，發送重傳的數據報，并采用擁塞避免算法，每收到一個確認幀，擁塞窗口就增加一個報文段，而不啟動慢開始算法。快速重傳和快速恢復算法的作用都是快速恢復丟失的數據包，如果沒有快重傳和快恢復，TCP 將會使用定時器來要求傳輸暫停，在暫停時間內，沒有新的數據包被發送，從而影響通信質量。

2.2 網絡拓撲結構圖的建立

首先，創建網絡模型，模擬現實中的網絡環境，在實驗環境中仿真搭建一個從Paris 地區到Sthlm 地區的網絡，在Paris 地區的子網上設置服務器和路由器，接著在Sthlm 地區的子網上也設置服務器和路由器，用來建立雙方網絡的連接，通過通信模擬TCP 協議。

其次，在OPNET 網絡仿真軟件的界面下打開opnet→File→Project，新建一個工程，接著選擇場景，向場景里面添加所需的設備及物件，如一個應用配置物件（Application Definition）、一個業務主詢配置物件（Profile Definition）、路由器，服務器等，并且對2 個地區的服務器及路由器進行配置，設置相應服務器和路由器設備的名稱、IP 地址、子網掩碼網關地址等，在應用配置物件上配置TCP 協議的各種參數值，包括數據包大小、接收緩沖區大小、擁塞窗口值大小等，其拓撲結構圖如圖1 所示。

圖1 Paris 到Sthlm 的網絡

2.3 TCP 協議仿真結果與分析

2.3.1 慢開始與擁塞避免算法同時使用的仿真

慢開始與擁塞避免算法同時使用的仿真結果如圖2 所示。從圖中可以看出，TCP 協議在執行緩慢開始和擁塞避免算法時，初始窗口很小，但是呈指數型增長；如果一旦超過規定的最大窗口閾值（ssthresh）的話，其窗口大小增長曲線將呈線性增長，這就是擁塞避免算法的實現。從圖中還可以看出，在一個1 s 時間窗口內，窗口閾值從1 200 字節成倍增長到67 000 個字節，這是慢開始算法。當閾值達到大約67 000 字節時，開始“加法增大”，這就是擁塞避免算法。

圖2 慢開始與擁塞避免算法同時使用的仿真結果

2.3.2 慢開始、擁塞避免和快速重傳算法同時使用的仿真

慢開始、擁塞避免和快速重傳算法同時使用的仿真結果如圖3 所示。從圖中可以看出，在1 min 54 s時間窗口內，窗口閾值從1 440 字節成倍增長到近65 535 個字節，這是慢開始算法。當閾值達到大約65 535 字節，開始“加大算法”，這就是擁塞避免算法。

圖3 慢開始、擁塞避免和快速重傳算法同時使用的仿真結果

窗口大小達到大約72 725 字節時，應該得到3 個連續的ACK，根據3 個重復來確定響應包丟失，立即重新發送數據包丟失，然后設置最大窗口閾值ssthresh作為當前擁塞窗口72 725 字節的1/2，這是快速重傳（Tahoe）算法，然后轉移到一個緩慢的開始。

2.3.3 慢開始、擁塞避免、快速重傳和快速修復算法同時使用的仿真

慢開始、擁塞避免、快速重傳和快速修復算法同時使用的仿真結如圖4 所示。從圖中可以看出，與同時使用慢開始、擁塞避免和快重傳算法類似，TCP 協議在執行緩慢開始和擁塞避免算法時，它的初始窗口的值比較小，但呈指數級增長，但是到了最大窗口閾值（ssthresh）的時候，窗口大小就會增長并且呈線性增長。

圖4 慢開始、擁塞避免、快速重傳和快速修復算法同時使用的仿真結果

從圖4 的仿真結果中可以看出，在1 min 54 s 時，窗口左右值近65 535 個字節從近1 460 字節成倍增長，這就是慢開始。當閾值達到大約65 535 字節時，開始“增大加法”，這就是擁塞避免算法。窗口大小達到大約72 638 字節時，應該得到3 個連續的確認幀ACK，如果基于3 個重復來確定響應包丟失和重傳丟失的數據包，如果收到non-duplicate ACK，擁塞窗口值cwnd=最大窗口閾值ssthresh，進入擁塞避免階段，這是快速重新傳輸/快速恢復算法（Reno）。

3 結束語

計算機網絡結構的越發復雜化及應用的越發多元化，使網絡更加需要一個可靠的規劃與設計的方法，可是傳統的計算機網絡規劃主要是靠經驗而來，這樣就會導致花費大量的人力物力來規劃、設計及建立更加完善的網絡，這對于目前這些復雜的大型網絡的建設非常不利。網絡仿真軟件的出現，大大方便了網絡工程師們建設一個優秀的網絡，其中OPNET 仿真軟件，不僅在設計上非常規則，而且在網絡規劃及建設方面也很大程度縮短了周期，從而進一步提高了網絡建設的科學性，降低網絡建設的投資成本及風險，讓網絡工程師們看到了重要的、客觀的及可信的定量依據，并完美呈現出一個美好的網絡前景。網絡仿真技術的使用，在協議開發、標準開發、網絡規劃和網絡運營管理等方面，可以極大地提高效率，為網絡技術的發展提供強有力的支持。

因此，利用網絡仿真軟件來構建計算機網絡課程的實驗環境，既可以減低實驗設備的投資成本，又可以提高初學者動手實踐能力和創造能力，提高做實驗的效率。本文介紹了采用OPNET 網絡仿真軟件對TCP協議的4 種算法進行模擬仿真實驗，通過實驗得出OPNENT 仿真軟件能夠很好地仿真設計與分析網絡協議。初學者還可以利用OPNET 仿真軟件仿真計算機網絡的基礎類、設計類、綜合類及創新類實驗等，通過實驗把理論與實踐更好地結合起來，把實踐知識應用到實際環境中，為后續的學習打好基礎。

參考文獻：