基于OPNET的网络模型仿真

　　1 引 言

　　计算机仿真已经成为研究计算机网络的一种非常有效的评估工具。随着通信技术的发展，通信网络的结构和规模越来越复杂，基于网络的应用也越来越多样化，单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应网络的发展需要。因而急需一种科学的手段反映和预测网络的性能，这导致网络仿真技术的应运而生。

　　网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。它以其独有的特点能为网络的规划设计提供客观可靠的定量依据。它能为网络提供接近真实环境下的模拟试验环境和辅助测试手段，验证网络的基本使用效能、网络可靠性以及提供各种新技术体制的试验环境。

　　网络仿真的优点使其一出现就得到迅速的发展，目前世界上的一些主流仿真软件均采用面向对象的智能化分布式并行仿真技术，如美国OPNET Technology公司的网络仿真产品OPNET。

　　2 OPNET特点和仿真方法

　　OPNET Modeler作为一种主流网络仿真软件，为通信网络和分布式系统的建模提供全面的模拟仿真开发环境。OPNET通过执行离散事件仿真来分析各种模拟系统的行为和性能。OPNET Modeler将各个仿真研究阶段所需要的工具相结合，组成一个由模型设计工具、仿真、数据收集工具和数据分析工具有机结合起来的大型仿真系统。

　　2.1 特点

　　作为广泛应用的系统开发平台，OPNET Modeler的主要特点如下：

　　(1)层次化、模块化的建模机制。在OPNET Modeler中，采用与实际系统相类似的层次化结构建模。下层是进程域模型，用有限状态机、C或C++以及OPNET自带的函数实现各种协议算法。第二层是节点域，由能实现不同功能的模块组成，反映设备的硬件和软件特性。上层利用各种网络设备模型、映射现实网络。

　　(2)面向对象的建模方式。OPNET Modeler采用面向对象的方式建模。每类节点用相同的节点模型，再针对不同的对象设置特定的参数。

　　(3)丰富的模型库。OPNET Modeler提供标准模型库，包括x.25，ATM，Ethernet，TCP／IP等现有设备的标准模型库，同时还有3COM，Cisco，Sun等多个厂家的现有设备。

　　(4)图形化的建模方式。不论是网络域、节点域和进程域，还是传输链路、网络中流动的包等，OPNET Modeler均采用图形化的编辑器完成模型的构建。

　　(5)灵活的建模机制。在进程域中，采用有限状态机和C／C++以及OPNET Modeler自身所提供的400多个函数可以实现自定义设备，或者根据协议、算法，开展协议研究等。OPNET Modeler中的源代码完全开放，用户可以根据需要添加、修改源代码。

　　(6)统计数据的生成。仿真期间，用户能够自定义要收集的统计数据。

　　(7)综合分析工具。在OPNET Modeler中，包括如ACE、网络医生、流分析等多个数据分析工具。这些工具为网络仿真设计的准确性、可信性提供网络诊断。同时还可以进行详细的网络性能分析。

　　(8)动画。OPNET Modeler可以在仿真中或仿真后对诸如网络中的数据流的传输过程进行生动的演示，生动地展示模型的动态过程。

　　2.2 OPNET的建模机制

　　OPNET Modeler建模采用层次化和模块化方式，将复杂的系统分解为不同的层次结构，OPNET采用3层建模机制：

　　(1)层为进程(Process)模型，进程行为(协议、算法、应用)用有限状态机和可扩展语言进行定义；

　　(2)其次为节点(Node)模型，由协议模块和连接模块的各种连接线组成，反映设备特性，每个模块对应1个或多个进程模型；

　　(3)上层为网络模型，用子网、节点、链路和地理背景描述网络拓扑，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。三层模型和实际的协议、设备、网络完全对应，全面反映了网络的相关特性。

　　2.3 OPNET仿真步骤

　　使用OPNET Modeler仿真可以大体分成6个步骤，分别是配置网络拓扑(Topology)、配置业务(Traffic)、收集结果统计量(Statistics)、运行仿真(Simulation)、调试模块再次仿真(Re-simulation)，发布结果和拓扑(Repott)。

　　3 仿真实例

　　OPNET能够迅速地建立起现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真，这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能。这里通过OPNET Modeler来仿真一个小型公司的网络，并收集部分相关参数来测量感兴趣的网络性能。

　　某公司拥有1个30台终端和1台服务器的星型拓扑网络，由于业务增长的需要，现在需要增加视频业务，用OPNET Modeler快速建立所需的公司网络拓扑，选择适当的统计量，并进行离散事件仿真，分析仿真结果，以便检测现有的公司网络能否适应新的业务要求。

　　根据问题描述，利用OPNET Modeler建立工程，创建一个场景反映公司早期业务配置的星型网络，如图1所示。

　　图1中30台终端以10BASE-T链路通过集线器(Hub)连接到服务器，在此场景中配置相应的业务，收集统计量局域网的延迟时间(Ethernet Delay)并进行仿真，得到的仿真结果如图2所示。从图2中看出，原有业务下网络延迟平均为3.5 ms，网络延迟时间为毫秒级。

　　根据公司业务发展需要，要求增加视频业务，新增一个场景添加新的业务要求并进行仿真，收集到的延迟时间如图3所示。从图3中看出，增加视频业务后网络延迟时间剧增，延迟达到0.47 s，而平均延迟时间也达到0.19 s，但视频业务对网络延迟比较敏感，需要较小的延迟，因此需要对现有网络进行升级。

　　为了满足公司新增的业务要求，并能有效降低网络延迟时间，可在原网络拓扑结构中将链路带宽升级到100 MHz，再次进行仿真并得到新的网络延迟时间(如图4所示)。为了更好的比较增加视频业务后原有的网络和改进后网络的网络延迟时间，下面给出改进前后2个网络的平均网络延迟时间对比图，从图5中看出改进前网络延迟较大，延迟时间达到秒级，而将网络链路提升至100 MHz后网络延迟大幅下降，延迟时间为毫秒级，满足预期业务要求。

　　4 结 语

　　计算机仿真已经成为研究计算机网络的一种非常有效的*估工具。随着网络的日趋复杂、规模日益庞大，利用仿真软件进行网络的性能分析就变得尤为重要。网络仿真技术为网络技术开发、网络性能理论测试、网络设计方案*估及网络故障诊断等提供强有力的工具，它能够验证实际方案的有效性和比较多个不同的设计方案，为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真正以其突出的优越性越来越受到网络研究人员的关注和重视。因此OPNET网络仿真软件必将得到更为广泛的应用。