OPNET扩展网络建模与仿真

王 豪， 王宏志， 吕洪武， 郭嫚嫚

(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

伴随着网络的迅猛发展，规模形式也越来越大，网络拓扑结构[1]变得错综复杂，新的网络性能导致对网络精度的要求也越来越高，传统的结构已无法满足，因此，一种高新的网络仿真技术手段油然而生，网络仿真包含网络设计、网络规划、网络扩展、网络优化等优势，提供一种很好模拟真实网络环境的平台，通过收集统计量来观察网络性能参数的高新技术手段[2]。

关于扩展网络的理论依据可从以下文献看出：文献[3]通过对OPNET软件做开发扩展其功能，使之可以在多台计算机上并行运行，将一个大规模网络分散到两台或者两台以上的计算机上运行，虽然从仿真结果可以看出多台计算机分担了一台计算机的负荷，提高了仿真效率，但同时增加了实际操作的复杂性;文献[4]研究分析了TTE网络在总线拓扑结构和星型拓扑结构的网络性能，总线拓扑结构具有明显的不足，一旦通信介质的某一接口点发生故障，就会导致整个网络瘫痪，限制了系统的局部特性，而星型结构只有一个核心节点，各站点的分布处理能力较低;文献[5]采用OPNET的建模结构，建立了三层模型，并以M/M/1队列进行了一个简单的网络扩展，在基于IPV4和IPV6的校园网中，将扩展后的网络进行了多种状态下数据链路的对比，仿真得出不同的网络环境应采用不同的调度机制，但却造成了更大的网络开销，导致部分性能没有得到提升[6]。

文中主要是针对一个终端系统能够产生多种业务类型的问题，采用总线拓扑结构与星型拓扑结构互联的冗余拓扑结构方式[7]，通过OPNET Modeler仿真软件进行仿真，并进行网络时延、链路负载、吞吐量等指标的对比，选出最佳的扩展方式。

1 OPNET相关介绍

通过节点模型中的应用层、TCP层、IP层、IP封装层,以及MAC层等网络数据的传递顺序来分析最终的网络性能及通信协议[8]，不同的组网方式和拓扑结构为实际的应用场景提供了便捷的组合方式，是当今社会采用最广泛的网络建模软件。

OPNET Modeler进行网络仿真时一般按照以下步骤：

1)建立网络模型；

2)配置网络拓扑；

3)配置业务；

4)收集结果统计量；

5)系统运行仿真；

6)观察分析结果。

（二）为英语的学习奠定坚实的基础。与小学比起来，初中的英语所涉及的内容较多，所以其学习难度也较大。从很多学生的表现中就能够看出，有的学生在小学阶段其英语学习较好，但是到了初中以后就发现自己跟不上班级的队伍，英语的学习成绩欠佳。这是因为小学英语中所涉及的教学内容较少，并且十分有限，但是初中却不一样，初中英语知识内容多而杂，学生无法快速适应这种转变，那么随之而来的就是成绩的下降。想要解决这一问题最好的方法就是将英语学习的基础做好，不断积累英语学习过程中的词汇。只有英语词汇能够达到一定的量以后才能在实践应用的过程中做到信手拈来。

2 扩展网络模型的设计

2.1 网络域模型

2.1.1 原网络模型

在OPNET仿真软件中新建一个project7工程，创建一个空的场景Scenario1，选取网络建模，类型为办公，选取网络规模为X span:100 Meters，Y span:100 Meters；选取网络技术类型为Sm_Int_Mode_List。原网络模型主要有服务器、交换机、IP云以及扩展后的服务器组成。原网络模型主要用于业务人员访问Web服务，原网络构建的总线拓扑结构与星型结构下的模型如图1所示。

图1 原网络模型

在互联网协议ip32下，云采用PPP_DS1链路方式连接3个IP路由器，IP路由器(router1)和IP路由器(router0)分别扩展1个中心节点3Com SSII Switch及4个外围工作节点Sm_Int_wkstn和5个中心节点3com SSII Switch及20个外围工作节点Sm_Int_wkstn，5个交换机是通过冗余型结构进行互联，并以10 M的带宽作为链路传输带宽进行建模组网。其网络扩展的业务主要实施网页浏览业务功能，因此，可以从Sm_Int_Mode_List中选出Sm_Application_Config模块和Sm_Profile_Config模块。

2.1.2 扩展后的网络模型

文中所提及的网络扩展模型中，主要对两种状态进行了扩展，分别是单个节点和多个节点的网络扩展。

在原有的交换机基础上增加了节点的数量作为节点型扩展网络，并结合实际应用环境将其视作业务员。而多个节点下的局域型扩展则是在路由器上增加1个中心节点，并将原有业务员的排序方式变更为星型拓扑结构。通过构建2个新的project工程观察相关性能参数，即project8工程和project9工程，打开原来构建的project7工程，复制其中scenario1的场景内容到project8工程和project9工程，并将扩展后的新网络模型分别命名为scenario2和scenario3。

scenario2的场景内容在scenario1基础上，对原网络模型中的交换机(Switch5)增加了4个外围拓扑节点(Sm_Int_wkstn)，即网络节点扩展模型，如图2所示。

图2 网络节点扩展模型

scenario3的场景内容同样也是在scenario1基础上，对原网络模型中的IP路由器(router2)增加了1个具有4个外围节点(Sm_Int_wkstn)的星型拓扑的中心节点(3Com SSII Switch)，即网络局域扩展模型，如图3所示。

图3 网络局域扩展模型

2.2 节点域模型

节点域模型将网络节点分解成多个节点模块，每个节点模块之间通过包流(Packet streams)和状态线连接进行数据通信。原网络的节点模型直观模拟了实际网络环境中各设备的状态行为机制，一个完整的网络功能节点模型应包括服务器、路由器、交换机、工作站四部分。

网络端系统的仿真模型主要基于OSI协议模型[9]。原网络节点模型如图4所示。

图4 原网络节点模型

该节点模型按照数据传输顺序分别为应用层(application)模块、传输适应层(tpal)模块、传输层(tcp)模块、网络层(ip)模块、链路层(mac)模块和物理层(hub_rx)模块。

3 扩展网络的性能验证

到目前为止，一个完整的网络模型已经被搭建完成。根据网络工程的实际环境需要，分别对单个对象统计量(Object statistics)和全局统计量(Global statistics)进行收集[10]，反映不同统计量下的不同网络的行为状态。

3.1 仿真运行

通过OPNET仿真，将网络负载(Ethernet Load)、网络延迟(Ethernet Delay)、端到端排队延迟(queuing delay)和吞吐量(throughput)作为主要参数指标。仿真参数设置完毕，点击运行按钮，设定仿真运行的时间为1 h，数据的采集点为128，统计值为100，更新间隔为500 000。其仿真结果分别如图5～图8所示。

图5 扩展网络的网络负载

图8 扩展网络的排队时延

3.2 实验结果分析

图5中1为网络局域扩展模型，2为网络节点扩展模型。可以看出，在网络模型仿真运行开始时，两种扩展网络的网络负载为0，随着仿真运行开始，两种扩展网络均有一个突变，局域扩展模型瞬间到达峰值120 bit/s，当仿真运行时间到1/60 h时，局域扩展模型的系统较为稳定，在110 bit/s处上下波动，而节点扩展模型到运行时间为1/2 h时才趋于稳定，在90 bit/s处上下波动。仿真结果表明，节点模型的网络负载性能低于局域扩展模型的网路负载。

图6中1为网络局域扩展模型，2为网络节点扩展模型。可以看出，在网络模型仿真运行开始时，两种扩展网络的网络延迟稳定在3.0×10-6s，当仿真运行时间到1/12 h时，节点扩展模型的网络延迟瞬间增大到7.38×10-6s，当仿真时间运行到5/6 h时，整个网络系统趋于稳定，节点扩展模型的网络延迟在6.53×10-6s上下波动，局域扩展模型的网络延迟在5.34×10-6s上下波动。仿真结果表明，局域扩展模型的网络延迟相比于节点扩展模型更低。

图7中1为网络局域扩展模型，2为网络节点扩展模型。可以看出，在网络模型仿真运行开始时，两种扩展网络呈现出同样的指数增长趋势，当仿真运行时间到1/10 h时，两种扩展网络出现了分割点，此时分割点的吞吐量为2.6×10-6s，当仿真运行时间接近1/2 h时，两种扩展网络又出现了闭合点，此时闭合点的吞吐量为2.9×10-6s，随后，整个扩展网络系统趋于稳定。

图8中1为网络局域扩展模型，2为网络节点扩展模型。可以看出，在网络模型仿真运行开始到结束，两种扩展网络都没有出现较大的波动性，当仿真运行时间到1/10 h时，两种扩展网络模型的系统已经趋近平衡，它们的排队延迟在1.56×10-6s处上下波动。

综上分析，在全局变量下，若考虑网络负载较小时，节点扩展模型最佳；若考虑网络延迟较小时，局域扩展模型最佳。

4 结 语

在原网络模型的基础上，改进了两种不同的扩展方式，并在此基础上将外围节点个数相同的模型采用不同的拓扑组网方式，通过对仿真实验结果进行分析，将网络负载、网络延迟、端到端的排队延迟和吞吐量作为性能指标，选择了适合实际环境的最优扩展方案。但是文中却需要多次设置性能参数来提高实验的可信度，实际操作更加复杂。