基于OPNET的网络建模仿真分析

韩立园，于林韬，丛妍，孙铭镭

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

随着网络的迅猛发展，其规模越来越大，网络拓扑日趋复杂，网络设备种类不断增多，网络流量相互交织。由于各种网络特征相继出现，以经验为主的网络规划设计者的经验主义方法弊端越来越明显，其拥有的大型网络设计经验不再适应当下社会的设计要求。在网络通信的研究中，网络的性能因素成为研究的重要方面。在真实环境中，对网络的设计和研发不仅耗资巨大，还在统计数据的收集和分析上存在难度，这样就浪费了资金和时间。因此，在虚拟环境下如何构造出反映实际网络环境和各种网络行为，使计算机中OPNET软件的网络仿真平台成为网络规划设计的不可缺少仿真工具。OPNET的软件协议和设备模型库中各个层次的建模工具和功能使其成为最灵活实用的网络虚拟建模主流软件。通过OPNET Modeler软件的建模仿真可以展示不同的扩展方式对网络性能所产生的各种影响，利用仿真软件进行仿真所涉及的环节，并对该仿真中的网络性能进行测量和分析，从而选出最佳的扩展方式。

1 OPNET仿真软件

OPNET是OptimizedNetworkEngineering Tool的缩写，即优化网络工程工具，最初是OPNET公司最为核心软件系列的产品之一。该公司针对网络服务提供商、网络设备制造商和一般企业或政府部门设计了四个核心的系列产品：OPNENT Modele、rIT Guru、Service Provide Guru和 WDM Guru。其中，OPNENT Modeler为技术人员提供了一个网络开发平台，主要用来设计和分析网络性能及通信协议[1]。它包含了其他产品的所有功能，应用了面向对象的建模方法和图形化的编辑器，能够有效反映实际网络组件的灵活的拓扑结构，以及实际系统场景中能直观映射的所建模型，是当前世界领先的网络技术开发环境。

2 网络建模

OPNET Modeler采用层次化和模块化的方式进行建模，其中网络域、节点域、进程域是构建模型的三个层次[2]。

2.1 网络域建模

网络域建模通过地理位置信息和运行业务方式，采用子网、路由器、服务器及通信连路等建立网络模型，构建现实网络的拓扑，以实现对现实网络的真实映射，因此网络域建模依赖于对网络正确的拓扑描述。在网络模型中，子网（Sub networks）是可封装其他网络层对象的最高级的模块，而通信节点（Communication node）是网络设备及业务配置的模块，通信链路（Communication links）是用来显示网络中的各种链路模块[3]。

2.1.1 原网络模型

了解实际的网络场景环境，搭建虚拟的网元模型和网络的拓扑结构。在OPNET工程编辑器中，选择适当的位置摆放这些网元，并完成网元模型间的相互连接，将仿真网络系统完全映射到网络的模型中，最后根据业务特点来建立和配置网络的业务模型。

在新建的project11工程中，定义一个空的场景Scenario1，并对原网络拓扑进行建模，原网络模型主要由中心地、扩展地和服务器地组成。中心地由100名业务员组成，主要使用网页浏览电子邮件和话音会议作为日常工作。扩展地也由100名业务员组成，主要使用网页搜索、远程登录和电子邮件作为日常任务。服务器地由网站、电子邮件和远程登录应用的三个服务器组成。原网络的拓扑模型如图1所示。在 Internet（ip64_Cloud）下，通过 PPP_DS1_int链路分别连接三个IP路由器（ethrenet4_slip16_gtwy），其中两个路由器分别由1000BaseX链路对象连接1000BaseX_LAN，其中LAN对象中包含100个工作站，扩展地还加一个具有中间节点3Com SSII Switch和20个外围工作站节点Sm_Int_Server_wksten，并由Ethernet 10Gbps作为链路的星型拓扑结构的网络模型组成；另一个路由器由1000BaseX链路对象连接Telnet server、Web server和E-mail server三个服务器。其网络扩展的业务主要实施网页浏览、电子邮件和远程登录业务功能，因此，可以从基本的模型库中选出Sm_Application_Config模块和Sm_Profile_Config模块，在网络中配置所有必要的标准和部署与其业务特点相对应的预定模块。

图1 原网络模型

2.1.2 扩展后网络模型

根据具体的环境提出节点型扩展和局域型扩展两种扩展方案，节点型扩展是在原有的网络上直接增加拓扑节点数量，即增加20名业务员；局域型扩展是在原有的网络上增加小型的局域网，即增加含20名业务员的星型拓扑。为了对比分析扩展后的两种仿真网络的性能变化情况，在project11工程中，复制Scenario1的场景内容，分别命名为Scenario2和Scenario3，其表示将要扩展后的两个网络模型，如图2所示。

图2 扩展后的网络模型

在Scenario2中，节点型扩展网络模型是在原网络基础上，对扩展地的交换机（Switch0）增加20个拓扑节点，如图2（a）所示。在Scenario3中，局域型扩展模型是在原网络基础上对扩展地的IP router路由器（ethernet4_slip16_gtwy）上，由Ethernet 10Gbps作为链路连接一个新增加的具有中间节点3Com SSII Switch和20个外围工作站节点Sm_Int_Server_wksten的星型拓扑，局域型的扩展网络模型如图2（b）所示。

2.2 节点域模型

节点域的建模将实际的节点分解成为若干个结点的模块，并且如何进行数据的生成、存储、传输和处理是每个节点模块实现节点的某方面重要的行为。用包流线或统计线进行各模块连接，各节点的模块间由服务器、工作站、交换机和路由器组成一个具有完整功能的节点模型。扩建后网络的节点模型，抽象和模拟了实际环境中各设备的工作行为。设备采用标准OSI七层组成关系，各层的进程模型参照OSI定义的协议进行建模。如图3是网络节点模型和属性配置界面。节点模型从上到下依次由应用层（application）、传输层（tcp）、网络层（ip）、链路层（mac）和物理层（hub_rx）组成[4]。

图3 节点模型

图4 传输层进程模型

2.3 进程域模型

进程模型作为方案设计算法的承载体，由若干个处理机制和队列模型组成。在开始状态中，可加载着一个均匀分布的概率函数，其可以实现节点模型的多种行为，转移执行函数可以模拟单个对象的行为，也可以调用概率函数使有限状态机进行建模。在定义转移条件的宏中，各个状态机的上层出入口内可写入C/C++代码或协议编程设计的库函数。定义其符合功能模块的工业标准，各事件节点控制流的状态图是描述节点间功能模块内的状态和状态间的控制流情况[5]。在阻塞和活动两个状态间，其中的进程会一直循环，由阻塞状态进入活动状态，传输层内的状态转移进程模型如图4所示。

3 仿真结果分析

搭建好网络的仿真模型后，对设计方案相应所需的多个仿真参数进行搜集。基于结果收集的范围，矢量统计可以分成本地统计量（local statistics）和全局统计量（global statistics）两种，本地统计量只针对某个模块，其结果只反映单个模块的行为，全局统计量针对整个网络模型，只关注整个网络的行为和性能[6]。为了具体的了解网络性能的特征，仿真实验收集了全局统计量和本地统计量。

3.1 仿真运行

运行仿真前，首要先对探针编辑器（Probe Editor）的参数进行选择，根据设计方案把一些探针选到需要采集统计数据上。仿真的任务就是分析该网络在扩展前后多个性能参数的变化，主要搜集的仿真参数是全局变量下扩展前后的网络延时（Ethernet Delay）及在IP router2和Internet之间，端到端上行的排队延迟（queuing delay）、吞吐量（throughput）和链路利用率（utilization），把以上的多个参数作为结果分析使用；另外，在运行界面前主要设置运行的时间、采集点的个数和采集间隔的参数等。此软件具有高效率的仿真引擎和超大荷的内存管理系统，更好的提高了仿真的运行速度。在仿真运行过程中，可以用OPNET自带的调试工具OPNET Debugger进行调试，也可以使用交互式的与微软的VC环境联合的调试工具，两种调试方法极其方便快捷，而且可以及时中断运行中的仿真程序[7][8]。根据网络情况，设置仿真的运行时间为1hours，数据的采集点为128个，采样间隔为默认方式。其仿真结果如图5和图6所示。

1.原网络仿真结果

图5 原网络仿真曲线

2.扩展后网络仿真结果

图6 扩展后仿真曲线

3.2 结果分析

从图5原网路仿真曲线看出，在仿真开始时，原网络延迟的值为1.2×10-6s，后瞬间增大到3.3×10-6s，在Internet和IP router2之间，端到端的排队延时为2.9×10-3s，峰值为17.5×10-3s，吞吐量为0bits/sec，峰值为578622bits/sec，链路利用率初值为0，峰值为37.48。当系统趋于稳定后，原网络延迟在3.1×10-6s上下波动，原网络端到端的排队延时在9.3×10-3s处波动，吞吐量在361209bits/sec处上下波动，链路利用率为23.4。

从图6（a）看出，在仿真开始时，两种方式扩展后的网络延迟都比较小，初值分别为1.5×10-6s和1.4×10-6s，后扩展的网络延迟瞬间增大到峰值，峰值分别为3.6×10-6s和3.5×10-6s。当系统趋于稳定后，两种方式扩展的网络延迟都趋于稳定，节点扩展方式的网络延迟在3.2×10-6s上下波动，局域扩展方式的网络延迟波动在3.1×10-6s；与原网络相比，节点扩展方式的网络延迟高于原网络延迟，局域扩展方式的网络延迟与原网络延迟几乎没有发生变化。扩展后两种方式相比较下，局域扩展方式的网络延迟小于节点扩展方式的网络延迟。

从图6（b）看出，在仿真开始时，两种扩展方式在Internet和IP router2之间，端到端的排队延时最小值分别为0.67×10-3s和0.55×10-3s，峰值分别为14.9×10-3s和15.1×10-3s。当系统趋于稳定后，端到端的排队延时分别波动在9.95×10-3s和9.44×10-3s。与原网络相比，两种扩展方式对网络的排队延时都增加，局域扩展方式对网络的排队延时影响相对较小。

从图6（c）看出，在仿真开始时，两种扩展方式中在Internet和IP router2之间，端到端的吞吐量值都为0bits/sec，峰值为562170bits/sec和532794bits/sec，节点型方式扩展的端到端的吞吐量瞬间变化大于局域型方式扩展的端到端的吞吐量当，系统趋于稳定后，端到端的吞吐量分别稳定于383803bits/sec和358423bits/sec，两种方式扩展相比，节点型扩展的吞吐量大于局域型扩展的吞吐量，但局域型扩展的端到端吞吐量更接近原网络端到端的吞吐量。

从图6（d）看出，在仿真开始时，两种扩展方式中在Internet和IP router2之间，端到端的利用率都为0，利用率瞬间增大到峰值为36.4和34.5，当系统趋于稳定后，扩展后端到端的利用率分别为24.86和23.23。两者相比较，节点扩展方式端到端的利用率大于局域扩展方式端到端的利用率，与原网络相比两种扩展方式降低了对网络瞬间的影响，局域型扩展的端到端利用率变化较小，而节点型扩展方式的端到端利用率最大。

综上分析，在服务器负载内，若需要网络延迟和端到端排队延时较小的，端到端的吞吐量和利用率变化较小的，选择局域型扩展方式为最佳方案；若不考虑网络延迟和端到端排队延时，要提高端到端的吞吐量和利用率，选择节点型扩展方式为最佳方案。

4 结语

本文对扩展前后的网络进行了仿真，对原网络基础上增加相同节点数的两种方式进行分析。

仿真结果表明，两种方式都对网络性能产生了影响，例如：扩展后的网络延迟、端到端的排队延时、端到端的吞吐量和链路利用率等。根据仿真分析的结果，选出了适合所需情况的最佳扩展方案。在整个网络仿真过程中也存在着很多缺点，如果需要重复某次仿真结果，只需将包括随机种子在内的参数设置为以前取过的值即可。所以，为了取得一个可信的仿真结果，就不能只依靠一次仿真结果，必须多次改变随机数种子，并对多次仿真结果进行统计，才能得到可信的结论。