基于OPNET的企业网络扩展和升级方案仿真分析

刘 庆，刘开芬

(重庆科创职业学院，重庆 402160)

0 引言

随着计算机网络技术的飞速发展和各类新应用的不断出现，企业原先所建立的网络已经不能适应现有网络应用业务的需求。为了保护企业先前投资，同时又要满足现代企业需要，绝大多数企业采用在原有网络的基础之上进行扩展和升级的策略，使企业网络满足不断增长的应用需要。在企业网络扩展和升级前，需要提出相应的方案，并采取一定的技术手段对扩展和升级网络方案进行可行性分析。

1 OPNET仿真概述

OPNET的主要用途表现在企业网的模拟，OPNET Modeler调用已经建好的标准模型组网，仿真分析网络的关键性能参数，为组网提供决策依据。Modeler采用阶层性的模拟方式(Hierarchical Network Modeling)，从协议间关系看，节点模块建模完全符合OSI标准，业务层→TCP层→IP层→IP封装层→ARP层→MAC层→物理层。从网络物件层次关系看，提供了3层建模机制:最底层为进程(Process)模型，以状态机来描述协议;其次为节点(Node)模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性;最上层为网络模型。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[1-5]。因此OPNET在网络扩展和升级、网络建设和开发中得到了广泛应用。

OPNET网络仿真软件采用基于包的建模机制和离散事件驱动的仿真机理，模拟实际物理网络中包的流动和实际网络协议中的组包和拆包过程，具有丰富的统计量收集和分析功能，是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台[6]。

2 企业原网络结构及扩展和升级需求

2.1 企业网络总体结构

企业原有网络建立于2002年，主要用于关键工作岗位人员访问企业Web服务。企业人事处、厂办和财务处连入企业网络，分别有计算机终端3台、4台和4台，共计11台计算机。3个联网的部门处于一层楼，分布距离均未超过100 m，采用星型拓扑结构，整个网络设备的速度均为10 Mbps，路由器R1将该企业网络连入Internet。网络拓扑结构如图1所示。

图1 企业原网络拓扑结构

2.2 企业网络组成

企业网络通过一台思科C2500路由器连入Internet，并采用一台普通10M交换机作为网络的核心交换设备将3个部门的集线器相连。整个网络设备和网络链路均为10 Mbps。

2.3 网络中的主要应用

企业网络主要应用是基于Web技术的HTTP和数据库应用，用户可以通过内部Web了解企业动态，包括基于Web技术的企业人事管理、档案管理、工资管理、各类文件发布和查询等。

2.4 网络扩展和升级需求

随着企业业务不断扩大，部门增多，计算机终端数量不断增加，网络越来越不能满足用户需求。企业决定对原有计算机网络进行扩展和升级，其需求:

1)为了保护原先投资，原网络结构和设备保持不变。

2)新增开发部和销售部2个部门，分别有4台、5台终端连入网络，新增部门后，网络范围在200 m以内。

3)新增FTP、Email业务应用，以解决企业内部文件和邮件传输问题。

3 企业网络扩展和升级方案设计

3.1 网络扩展和升级总体结构设计

根据企业网络新的需求，既保护先前投资，又要使网络具有先进性，提出扩展与升级后的网络总体结构如图2所示。

图2 扩展与升级后的网络总体结构

3.2 网络扩展和升级后网络组成及关键技术

1)网络扩展和升级后网络组成。

根据企业新的需求，新增思科C3500的交换机作为企业网络的核心交换设备，新增2个C2900交换机用于连接新增的2个部门，新增设备均为100 Mbps，链路也为100 Mbps。开发部和销售部分别有4台、5台终端连入网络。网络范围在200 m以内。企业原先连入网络的3个部门的设备和链路保持不变，以保护企业原先投资。WEB_Server服务器的网卡升级为100 Mbps。

扩展网络业务应用:在Web和Database的基础上增加了FTP、Email应用，以解决企业内部文件和邮件传输问题。

2)扩展和升级的关键技术。

采用标准的三层网络结构设计新的网络体系结构，网络的三层结构由接入层、汇聚层、核心层组成，三层结构设计技术确保了网络扩展和升级后具有先进的体系结构。

为了确保网络带宽满足应用需要，在网络中采用100M快速交换技术，保证每个客户独占100M带宽，提高网络吞吐量。

3)预期效果。

通过以上网络扩展和升级方案的设计，希望达到的预期效果是:网络性能大幅提高，服务器负载控制在可接受的范围。

4 仿真分析

4.1 OPNET网络仿真流程

OPNET内置了常用应用协议，并采用模块化的方式封装应用协议，在进行仿真分析时，只需按照一定流程并设定相关参数就可以配置这类标准的业务，OPNET网络仿真流程一般分为4个步骤:

1)定义应用。

定义应用(Application)用于描述应用动作，对于HTTP应用规定每次取得页面的大小和时间间隔;对于FTP应用，设定上传和下载流量、文件的大小和产生的事件间隔等。

2)设定业务主询。

业务主询定义用户群所涉及的业务应用，在企业扩展和升级后的网络中用户群所涉及的业务HTTP、Database、FTP、Email这4种。业务主询也规定用户应用的行为，用户何时开始使用应用、持续多久、是否限制流量等。

3)配置服务器支持的应用。

一台服务器可以同时支持多种应用业务。企业网络扩展和升级后的WEB_Server同时支持HTTP、Database、FTP和Email这4种应用业务，OPNET可以对每种应用业务的处理速度、应用业务流量、CPU处理开销等参数进行设定，以仿真服务器的真实运行环境。

4)设定客户端业务主询。

客户端业务主询应与服务器配置的业务应用相一致，客户端也可以配置多种业务主询，在企业网络扩展和升级后客户端支持的业务主询有HTTP、Database、FTP、Email这4种。客户端配置业务主询后，可以在客户端设定从哪些服务器获得特定业务的服务。

4.2 关键网络性能参数和仿真对比方法

影响计算机网络性能的参数有带宽、丢包率、网络吞吐率、网络负载、网络时延、网络利用率等。从企业网络扩展和升级方案来看，主要涉及网络终端数的增加和网络范围的扩大这2个关键因素，而终端数量的增加会增大服务器的负载，网络范围的扩大会影响网络的时延。服务器负载和网络时延是该网络扩展和升级方案中影响网络性能的关键参数。因此，选择扩展和升级前后服务器的负载和网络时延这2个关键参数进行仿真分析，通过性能变化的对比分析，即可得出网络扩展和升级方案前后性能变化情况，并由此验证方案的可行性[7-8]。

4.3 扩展和升级前关键网络性能参数分析

扩展和升级前的网络是一个10M交换式和10M共享式混合网络，网络的主要应用为轻量级的Database和 Web[9-11]，仿真主要参数设置如下:

在以上仿真参数条件下，选择网络延时(Delay)和服务器负载(Load)2个参数进行仿真，得到这2个参数的变化情况，如图3所示。

图3 网络延时和服务器负载情况

通过对网络延时和服务器负载进行平滑处理后，可以得到直观图像，如图4所示。

图4 网络延时和服务器负载平滑图

从图4可知，此时网络平均延时稳定在0.00035(sec)，而WEB_Server服务器的平均负载在短暂急速上升后，处于130(bits/sec)。

4.4 扩展和升级后网络仿真和关键网络性能参数分析

扩展和升级后的网络是一个100M交换式和10M共享式混合网络，网络的主要应用为轻量级的Database、Web、FTP、Email，仿真主要参数设置如下:

在以上仿真参数条件下，选择网络延时和服务器负载2个参数进行仿真，得到这2个参数的变化情况，如图5所示。

图5 扩展和升级后网络延时和服务器负载变化

通过对网络延时和服务器负载进行平滑处理后，可以得到直观图像，如图6所示。

图6 扩展和升级后网络延时和服务器负载平滑图

从图6可知，在网络扩展和升级方案中，网络范围增加到200 m，终端数量也增加了9台，网络服务和应用范围扩大，此时，通过OPNET仿真结果可知，网络平均延时稳定在0.00025(sec)，服务器平均负载稳定在1500(bits/sec)。

4.5 扩展和升级前后关键网络性能参数对比分析

4.5.1 扩展和升级前后网络延时对比

将扩展和升级前后网络延时的曲线经过平滑和图像叠加后，如图7所示，在图7中，a曲线表示扩展和升级前的网络时延，b曲线表示扩展和升级后网络延时。

图7 扩展和升级前后网络延时对比

从图7可知，扩展和升级后平均网络时延较扩展和升级前降低0.00010(sec)或28.6%。虽然网络终端增加，网络范围几乎扩大一倍，但扩展和升级网络后，网络中采用更高速的交换设备和100M链路，从而确保了网络时延有所下降，扩展和升级后，网络性能得到了提升。

4.5.2 扩展和升级前后服务器负载对比

将扩展和升级前后服务器负载的曲线经过平滑和叠加后，如图8所示，在图8中，b曲线表示扩展和升级前网络服务器负载，a曲线表示扩展和升级后网络服务器负载。

图8 扩展和升级前后服务器负载对比

从图8可知，扩展和升级后网络服务器的负载由之前的130 bits/sec增加到1500 bits/sec，增加了近11倍，这说明在网络终端数量增加，网络服务业务种类也增加的情况下，服务器负载将大幅增加，但对理论上可以处理100 Mbits/sec的服务器而言，1500 bits/sec的服务器负载在可接受的范围内[12-13]。

5 结束语

综上所述，通过对扩展和升级前后关键网络性能参数进行仿真分析后得出结论:按照企业网络扩展和升级的设计方案对网络进行扩展和升级后，网络时延有28.6%的下降，服务器负载却大幅上升了近11倍，但1500 bits/sec的服务器负载远远小于 100 Mbits/sec的理论负载，达到预期效果，可以按该方案扩展和升级企业现有网络，但应该进一步监控服务器的实时负载，采取服务器的负载平衡技术等方式来降低服务器的负载。

[1] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社，2004:10-11.

[2] 王文博，张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社，2003.

[3] 周彦，戴剑伟.HLA仿真程序设计[M].北京:电子工业出版社，2002.

[4] 徐峰，王志芳，王宝圣.AR模型应用于振动信号趋势预测的研究[J].清华大学报(自然科学版)，1999，39(4):57-59.

[5] 杨叔子，吴雅，王治藩.时间序列分析的工程应用[M].武汉:华中理工大学出版社，1991:255-256.

[6] 刘辉，刘玉贵，孟德斌，等.通信系统仿真技术及应用[J].通信世界，2002(16):42-43.

[7] 胡道元.计算机网络[M].北京:清华大学出版社，1999:88-98.

[8] 刘曲明，顾桔.网络性能分析评价方法及其计算机仿真方法讨论[J].计算机仿真，2000，17(1):53-56.

[9] 张新宇，韩超，邱晓刚，等.从 HLA对象到关系数据——HLA仿真中的通用数据库交互[J].系统仿真学报，2007，19(12):2740-2745.

[10] 鞠儒生，乔海泉，邱晓钢，等.HLA仿真结果数据库设计及其应用研究[J].系统仿真学报，2006，18(2):327-330.

[11] 刘斌，张宏军，杨晓恝.基于分布式对象的统一RTI接口设计与实现[J].计算机工程，2008，34(23):71-73.

[12] 李傲雷，李治柱.分布式Web服务器负载均衡策略的仿真与应用[J].上海交通大学学报，2003，37(6):892-896.

[13] 杨仁忠，侯紫峰.移动计算IP协议技术分析[J].计算机工程与应用，2004，21(2):164-167.