基于OPNET的网络建模与仿真设计

韦良芬

摘要：该文在介绍OPNET技术特点、仿真流程的基础上，通过实验室扩建案例的OPNET网络建模、收集统计量、运行仿真、查看并分析仿真结果等过程，说明OPNET仿真软件是网络建模及性能分析的有效工具。

关键词：OPNET；网络仿真；网络建模；仿真流程

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）33-8073-03

随着网络应用的不断扩大，网络新技术及其性能的开发与应用已经是网络通信的重要研究方面。而网络仿真是网络规划、设计及分析的有效工具，可以为网络规划和设计提供客观、可靠的定量依据，可以构建接近真实的网络环境和业务并测试网络性能，从而起到缩短网络建设周期，降低网络投资风险的目的。cisco、华为、电信等各运营商通常就是采用网络仿真的方法来解决网络规划、测试、应用等问题[1]。当前应用最为广泛的网络仿真软件有OPNET和NS2。NS2是一种可以作为网络建模和仿真研究的免费共享资源，但其功能不是很完善。OPNET以其完善的技术、协议及设备模型库而成为网络虚拟建模的主流工具。

1OPNET技术特点

OPNET最早出自麻省理工学院，1987年发布为商业化软件并得以迅速而稳健的发展，逐渐成为计算机网络、通信、国防等领域广泛认可的网络仿真软件。OPNET的以下特点使其能够进行各种层次的网络建模仿真需求[2-3]：

1）使用网络模型、节点模型、进程模型三层建模机制，与实际通信网络的分级结构自然对应，全面反映了通信网络的相关特征，通过多层次嵌套子网还可以构建复杂的网络拓扑结构。

2）拥有较为丰富的模型库。OPNET模型库提供了路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备、ISDN设备等，可以满足各种网络仿真需求。

3）可以灵活的开发自定义模型。OPNET支持灵活的高级编程语言，为通信和分布式系统提供了广泛的支持，允许对所有已知的通信协议、算法和传输技术实施真实模拟。

4）拥有综合统计量收集和分析工具。OPNET拥有一系列综合分析和仿真工具，可以收集各个网络层次的性能统计参数并输出图形化仿真报告，通过仿真报告对网络进行性能评估和对比分析，并提出改进方案。

另外OPNET还具有面向对象、图形化编辑、交互式分析、协同仿真、动画、应用编程接口等特点。因此，OPNET不仅支持一般意义上的网络建模与仿真，还为各种特殊网络提供支持。

2OPNET网络仿真基本流程

网络仿真工作复杂而又细致，在使用OPNET进行网络仿真之前，需要准确的理解整个系统及其仿真目的，明确仿真系统的结构及各模块间的关系，然后在复杂的网络模型中选择能够反映问题的模型进行建模。OPNET的仿真过程通常包括创建模型、收集统计量、运行仿真、查看和分析结果几个步骤[4]。

1）创建模型。创建模型是指根据研究的问题及其目标，建立网络、节点、进程及其协议模型并配置相关业务。OPNET采用网络、节点和进程三层建模机制，基本覆盖了系统模型的各个层次。这三层建模机制是以层次化的方式进行组合的，首先在网络编辑器进行网络建模，然后双击网络模型中的节点即可进入节点编辑器进行该网络中节点的建模，最后双击节点中的功能模块即可进入进程编辑器进行进程建模，添加网络协议。

2）收集统计量。收集统计量是指将统计量写入输出文库的过程。OPNET中包含反映网络动态特性的矢量统计量（Vector）和捕捉网络非动态行为特征的标量统计量（Scalar）两种。

3）运行仿真。运行仿真前需要设置运行参数，还可利用ProbeEditor探针编辑器在需要采集统计数据的点上设置探针。

4）查看和分析结果。OPNET中的仿真结果是以参数曲线的形式显示的，可以在结果中加入一些算法用于完成不同算法间结果的比较。

3OPNET网络仿真案例

这是一个实验室扩建的案例：设某实验大楼目前拥有一个星型拓扑网络实验室，由于教学需要，现准备在隔壁教室扩建一间同样规模的星型拓扑网络实验室，并将两个实验室用路由器连接起来。实例要求选择合适的统计量对其进行离散事件仿真，并分析仿真结果，检测实验室网络扩展以后是否能够成功通信以及扩展后所产生的额外负载对网络性能的影响程度。仿真分以下几个步骤进行：

1）创建项目。创建一个工程名为lab，场景名为lab_room的项目，并进行相应的参数设置，其中网络所需的模型族选择Sm_Int_Model_List模型族。

2）创建lab_room网络。通过快速配置（ImportTopology）的方法创建如图1所示的包含25个外围节点的星型网络拓扑实验室lab_room。

3）收集统计量并运行仿真。因为该案例关注是扩建网络后给服务器带来的额外负载和网络总延时两个问题，所以需要收集的统计量为服务器负载（ServerLoad）和以太网延时（EthernetDelay）。

4）查看仿真结果。服务器负载仿真结果图和全局以太网延时仿真结果图这里省略，因为扩建后可以通过比较结果仿真，将扩展前后的仿真结果在同一窗口比较显示。

5）扩展网络。用前面同样的方法创建扩建网络expansion，并通过路由器将两个网络连接起来，如图2所示为扩建后的网络拓扑结构。

6）扩建前后两个网络的仿真比较结果与分析。图3为服务器平均负载比较仿真结果。与预料的结果一样，扩建以后最大负载和平均负载都有所增加，但整体上看负载变化是平稳的，没有出现单调递增的现象，因此扩展后的网络是可以稳定运行的。图4所示为全局延时对比仿真结果，网络进入稳定状态后，最大延时均在0.4μs左右，虽然网络扩建以后，增加了服务器的负载，但网络延时并没有发生明显变化，所以扩建以后的网络仍然能够维持较好的性能。

4结束语

随着网络规模的扩大，协议也变得更为复杂，OPNET仿真软件为网络技术开发、性能分析、设计方案、故障诊断等研究提供了有力的虚拟环境支持。而且OPNET网络仿真软件具有丰富的模型库，灵活的系统架构，并且支持多种编程接口，利用OPNET进行网络建模和仿真，可以大大缩短网络开发周期，降低开发成本并提高网络研究效率。

参考文献：

[1]L.Zhao，C.Fan.EnhancementofQoSdifferentiationoverIEEE802.11WLAN[J].IEEECommun.Lett，2004（8）：492-496.

[2]张博，姚琳.基于OPNET的广域网仿真实验设计[J].渤海大学学报，2012，33（1）：52-57.

[3]李馨.OPNETModeler网络建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[4]周慧.OPNET网络仿真及其应用研究[D].武汉：武汉科技大学，2009.