网络仿真软件与技术研究

李楠　瞿建新　杨春庭

摘要：文章指出在通信活动错综复杂的情况下，网络的综合性能分析与评估已成为极为迫切的需求。面对这些技术复杂、规模庞大的通信网系，不可能建立与待建网络规模相当的综合通信试验环境，而需要采用网络仿真技术，建立各通信网系对应的节点模型、协议模型、链路模型以及业务流量模型，不仅可以掌握全面的通信活动规律，还能方便快捷地分析预测网络扩容后所能提高的通信容量，增强网络规划设计的准确性。

关键词：网络仿真；技术；软件

1网络仿真技术及其应用

1.1网络仿真技术特点

网络仿真技术是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，通过建立网络链路和网络设备的统计模型，模拟网络流量的传输过程，获取网络设计及优化所需要的网络性能数据的一种高新技术。网络仿真能够为网络的规划、设计、组织提供可靠依据。网络仿真能够有效地验证实际方案或比较多个不同的仿真设计以及组织方案，以便于对不同的设计方案建立模型，实施模拟，对网络性能预测数据采取顶定量获取，为设计、组织方案的比较和验证提供可靠的依据。

1.2网络仿真技术在通信领域的应用

网络仿真技术在民用领域得到了非常广泛的应用，已经成功地为各类大型通信网络的扩容、升级和改造提供仿真决策支持，归纳起来，主要可以应用于4个方面。

1.2.1体制仿真

网络仿真技术在体制仿真方面的应用主要包括2个方面：（1）使用方面。网络仿真技术可以用来确定军事通信网的装配体制、操作人员的编制、管理指挥体制等。（2）技术方面。网络仿真技术可以用来确定待建的通信网的网络结构、质量要求、干线节点分布、距离要求以及交换体制等方面。

1.2.2系统及设备的辅助设计

网络仿真技术有助于制定通信网的各类规程、协议及信令。利用仿真系统可以对通信系统及设备进行辅助设计，并得出优化的方案，及时发现潜在的问题，对关键技术进行详细分析，减少时间、经济上的损失。辅助设计主要包括系统或设备的标准化、系统化设计；设备装载设计；规约与信令辅助设计等。

1.2.3通信网运用效能评估的仿真

通信网整体运用效能，如服务质量、网络性能等无法利用一般的仪器来测试，也很难按真实条件去试验。通信网整体运用效能仿真包括：网络拓扑结构/配置；电磁兼容性；网络重组性等，假如借助仿真手段来研究通信网作战效能，无论在经济方面，还是时效性方面都是非常可观的。

2进行通信网络的仿真的原因

在信息化日益发展的今天，网络研究人员要超前性地研究和思考网络仿真在新领域的算法和协议，为仿真技术的进一步研究发展打下基础，而且也要研究网络达到最高性能对现有的资源该怎样利用和整合。

对网络技术的分析和验证有3种方法：（1）分析方法，是通过初步分析判断研究对象和所依存的网络系统，在一定的条件和假设情况下，正确地描述研究对象，抽象出它的数学分析模型，参照数学分析模型进行问题求解。（2）实验方法，通过建立测试床和实验室为研究提供合理的硬件和软件配置环境，研究网络行为、网络性能和网络协议在现实网络中的意义和作用。（3）仿真方法，在计算机上运行用仿真软件建立的网络系统的模拟分析模型，分析运行过程中的输出实验结果。

但是，前2种方法也有很多不确定性因素。假设条件影响分析方法的精确性和有效性。对于一个复杂的系统无法用一些限制性假设进行精确而有效的描述。由于实验方法的局限性，会造成资源成本高，并且很难共享和重新配置运用，而仿真方法可以弥补前2种方法的短处。仿真方法设计的网络模型可以用相对较少的费用和时间了解网络在不同条件下的各种特性，为网络研究提供精确有效的数据。网络仿真是一个高效、方便的分析和验证方法，因此网络仿真技术的作用给现代通信网络设计和研究提供有力的支撑。

3网络仿真的基本流程

网络仿真有3个阶段：准备阶段一模型设计一仿真与结果分析。

3.1网络仿真研究准备阶段

网络仿真研究准备阶段需要完成的任务是理解目标网络，明确仿真目标，制定研究计划。网络仿真的基本流程如图1所示。

3.1.1明确仿真目标

在进行通信网仿真之前，必须对通信网要实现的通信服务功能、采用的主要技术体制、系统规模和可能出现的瓶颈等方面进行需求调研和分析，明确仿真的目标。

3.1.2理解目标网络

以目标网络为仿真对象，或是客观存在的网络，或是理想中的网络。通过了解网络协议的制定标准、一定的拓扑结构、合适的链路连接关系、恰当的通信应用类型、主要业务流量特性等信息来理解目标网络。

3.1.3制定研究计划

通过对比和参考研究方案和计划来制定详细的仿真研究计划。

3.2网络仿真模型设计阶段

3.2.1建立模型

建立网络仿真研究的技术、网络、协议的数学模型和概念模型，包括网络和设备以及链路向仿真模型转化过程中的模型模拟原理、实现方式、结构组成、模型模块以及业务和流量的数学描述模型等。

3.2.2搜集数据

在仿真过程中搜集关于仿真模型的实现和验证的相关数据。需要对网络的环境、拓扑、应用特征、流量和负载状况、通信节点技术和结构配置、相应的链路参数等。数据尽量精确。

3.2.3模型代码实现

仿真建模工具可以具体实现网络仿真模型，而仿真软件工具决定具体的使用方法和工具。

3.2.4检查模型

为了使仿真模型与数学模型和概念相符合，需要检查相应的代码。

3.2.5验证模型

为了确保仿真模型的完整性、正确性、一致性、需要对在验证代码实现的仿真模型和相同的条件下实际网络技术协议3方面的性能进行吻合验证。

3.3网络仿真与结果分析阶段

3.3.1仿真设计

通过仿真模型来建立仿真场景，输入恰当的模型参数，仿真运行时间长度、仿真启动条件、仿真统计内容、仿真的准备周期、仿真终止条件等。

3.3.2仿真分析

利用数学方法、分析工具或数据过滤技术来获取仿真结果数据，并且仿真结果是否合理和有效需要对相应的数据进行统计分析处理。

3.3.3仿真运行

利用仿真软件工具做仿真实验。在网络仿真实验过程中要多次调整网络模型来获取不同的实验仿真结果，并且要确保仿真实验的独立运行和正确性。

4主流网络仿真软件平台比较分析

一般而言，评价一个网络仿真平台的优缺点主要从以下几个方面考虑：（1）仿真机制的优劣；（2）细节程度；（3）模型库的大小。

依据上面几个方面的因素，对几种主流网络仿真软件平台进行了对比（见表1）。

5结语

通信网络的组织、规划与优化是一门非常复杂而又必不可少的综合性、系统性学科，也是当前国际网络界非常关注的一个研究热点。它是一种通过建立网络中的链路、设备、协议的统计模型，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。