OPNET通信网课程设计

1绪论随着宽带无线网络的发展和多媒体技术的进步，无线网络的研究越来越引起人们的兴趣。由于其联网方便、移动性和扩展性好以及费用相对低廉等特点，应用越来越广泛。如今，成千上万的人拥有便携式计算机，所以人们越来越渴望能够摆脱有线网络的束缚，可以随时随地进行自由通信。近年来，无线网络通信得到了迅速的发展。网络协议的设计成为其研究的重点。在研究和设计网络协议时通常需要利用仿真软件对其性能进行测试和评价。研究人员使用OPNET可以很容易的进行网络技术的开发，而且发展到今天，它所包含的模块已经非常丰富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。所以，OPNET成了目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件。2 OPNET网络仿真软件介绍OPNET是一种商业软件,是美国OPNET Technologies Ins公司的产品。它是一种优秀的网络仿真和建模的工具。它支持面向对象的建模方式,并提供图形化的编辑界面,更便于用户使用。在新网络项目的设计以及对现有网络的分析方面都有卓越表现,它为通信协议和路由算法的研究提供了与真实网络相同的环境。此外,功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效而又直观的工具。2.1 OPNET软件包主要由3个模块组成：ITDecisionGuru，是领先的网络和应用分析仿真工具，目标是优化网络性能，提高网络可用性；Modeler，在ITDecisionGuru 基础上增加了建库功能，可以帮助用户设计和分析网络网络设备和通信协议；Modeler/radio在Modeler上又增加了对移动通信和卫星通信的支持。ITDecisionGuru、Modeler、Modeler/radio这3个模块并非相互独立。而是层层嵌套的，并采用同一用户界面。本文主要介绍Modeler的性能与无线网络仿真情况。2.2 OPNET的特点（1)采用面向对象的技术:对象的属性可以任意配置,每一对象属于相应行为和功能的类,可以通过定义新的类来满足不同的系统要求。（2)特别适合于通信网络和信息系统的结构化模块:OPNET提供了各种通信网络和信息系统的处理构件和模块,如TCP模块、ATM模块等,用户可以直接调用这些模块。（3)图形化:OPNET采用图形化界面建模,为使用者提供三层(网络层、节点层、进程层)建模机制来描述现实的系统,OPNET Modeler的几个编辑器提供了用户编辑模型及OPNET本身内置模型的直观化模型。并且提供了丰富的编程函数供用户调用。图1 OPNET图形编辑器（4)有限状态机:在过程层次中使用有限状态机来对其它协议和过程进行建模,用户模型及OPNET内置模型将会自动生成用C语言实现可执行的高效、高离散事件的模拟流程。（5)强大的统计性和集成分析功能:OPNET内建了很多性能统计器,它会自动采集模拟过程的结果数据,同时OPNET也允许用户自定义程序来增强这些统计器的性能。并且对这些采集的数据进行大量的分析,同时以文件和图形的方式形成输出。（6)系统的完全开放性及应用程序接口(API):OPNET Molder中的源代码全部开放,用户可根据自己的需要添加、修改已有的源代码。其特有的应用程序接口功能,使它的模型和数据文件可以很容易地被其它工具调用。（7)支持各种业务模型:OPNET几乎预定义了所有常用的业务模型,如均匀分布、泊松分布、欧兰分布等,同时还集成了E-Mail、HTTP、FTP、远程终端、电视会议和数据库等常用的客户-服务器应用业务模式。另外,OPNET还提供了交互式的运行调试工具、功能强大的结果分析器和能够实时观察模型动态行为的动态观察器。用户可以在运行前设定运行中使用的参数,并且能随时中断运行。结果分析器用图形的方式显示仿真软件过程中得到的统计数据,还能将多次仿真的结果进行比较,为用户的决策提供有力的依据。2.3 OPNET Molder的开发环境OPNET的Molder是专门用于可视化原型设计的软件,它的使用既方便了网络模型的建立,又减少了编程的工作量。Molder中提供多种编辑器来帮助用户完成网络建模和仿真运行,OPNET的Molder包括以下几个部分:（1)网络编辑器(Network Editor):网络编辑器用于编辑网络的拓扑结构,它具有图形化的编辑界面,并且提供由各种通信实体组成的模型库,如hub、路由器等。用户可以通过简单的拖放操作在网络编辑器的工作区中快速、方便的配置起自己的网络拓扑,也可以对网络中各种设备的属性进行设置。用户还可以建立新的模型或在已有模型的基础上进行修改。OPNET引入了子网的概念,这里的子网被视为一个独立的对象,子网内节点的数目和子网中的设备可由用户自行设定。同时,OP-NET还支持子网的无限层嵌套。（2)节点编辑器(Node Editor):节点编辑器用于定义网络中节点的结构和描述节点中(软件或硬件)模块间的数据流。节点编辑器描述了协议的层次结构,并通过描述功能模块之间的数据流来实现一个网络器件或系统的体系结构。其MAC层与收发信机之间有4个信道连接,它为链路的多信道特定提供支持。（3)进程编辑器(Prcess Editor):进程编辑器定义了节点内功能模块中各事件之间的控制流,使用符合工业标准的状态图来描述功能模块内的状态和状态间的控制流。进程模型在进程编辑器中用Proto C语言描述,Proto C语言是OPNET为协议和算法的开发而设计的,它基于状态转换图(STD)的组合,是一个类似于内核程序(Kernel Procedures)的高级命令库,同时具有C+程序语言的基本功能。另外,OPNET自带400多个内核程序(Kernel Procedure),方便了用户对协议和算法开发与实现。（4)包格式编辑器(Packet Format Editor):包格式编辑器用于创建用户定义的各种类型的包。（5)探针编辑器(Probe Editor):探针编辑器可以收集内置的统计数据,也可以根据用户的要求收集数据,还可以将统计数据以动画的形式表现出来。3 OPNET网络仿真软件的使用使用OPNET进行网络仿真可分为如下几步:（1)确定你要处理的对象和问题;（2)根据你确定的对象和问题建立相应的网络拓扑结构,包括网络拓扑类型、设定的网络的范围和大小、设定网络拓背景及选择对象模型家族;（3)收集和确定统计量,如网络服务器的负载(Server Load)、流量(Load bits/sec)、延时(Delay sec)等等;（4)保存选好的项目;（5)运行仿真;（6)察看仿真结果;（7)复制场景并扩展网络,比如增加额外的负载、或修改网络参数;（8)再次运行仿真;（9)比较两次仿真的结果,得出结论。如图2是OPNET Molder仿真流程图。图2 OPNET Molder 仿真流程图4 无线型网络模型无线型网络模型本质上是由移动节点（Mobile Node）作为核心，并附加各种支持特性而构成，以实现对多跳ad-hoc网络和无线局域网的模拟。Mobile Node是由Node类派生出来的，因此一个基本的Node对象附加上无线和移动节点的功能就构成了Mobile Node。其移动特征包括：节点移动，周期性位置更新，维护拓扑边缘等。而设定Mobile Node 的各个网络构建包括链路层（LL），连接到LL上的ARP模块接口队列（IFq）MAC，Channel是在OTclnsmobilenode.tcl实现的.5 无线网络仿真实现5.1OPNET的建模机制OPNET Modeler建模采用层次化和模块化方式,将复杂的系统分解为不同的层次结构,OPNET采用3层建模机制:(1)最底层为进程(Process)模型,进程行为(协议、算法、应用)用有限状态机和可扩展高级语言进行定义;(2)其次为节点(Node)模型,由协议模块和连接模块的各种连接线组成,反映设备特性,每个模块对应1个或多个进程模型;(3)最上层为网络模型,用子网、节点、链路和地理背景描述网络拓扑,由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。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。5.2OPNET仿真步骤使用OPNET Modeler仿真可以大体分成6个步骤,分别是配置网络拓扑(Topology)、配置业务(Traffic)、收集结果统计量(Statistics)、运行仿真(Simulation)、调试模块再次仿真(Re-simulation),最后发布结果和拓扑报告(Report)。5.3仿真实例OPNET能够迅速地建立起现有网络的模型,并能够方便地修改模型并进行仿真,这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能。这里通过OPNET Modeler来仿真一个小型公司的网络,并收集部分相关参数来测量感兴趣的网络性能。某公司拥有1个30台终端和1台服务器的星型拓扑网络,由于业务增长的需要,现在需要增加视频业务,用OPNET Modeler快速建立所需的公司网络拓扑,选择适当的统计量,并进行离散事件仿真,最后分析仿真结果,以便检测现有的公司网络能否适应新的业务要求。根据问题描述,利用OPNET Modeler建立工程,创建一个场景反映公司早期业务配置的星型网络,如图1所示。图1 网络拓扑结构图1中30台终端以10BASE-T链路通过集线器(Hub)连接到服务器,在此场景中配置相应的业务,收集统计量局域网的延迟时间(Ethernet Delay)并进行仿真,得到的仿真结果如图2所示。从图2中看出,原有业务下网络延迟平均为3.5 ms,网络延迟时间为毫秒级。图2 原有业务下网络延迟时间图根据公司业务发展需要,要求增加视频业务,新增一个场景添加新的业务要求并进行仿真,收集到的延迟时间如图3所示。图3 添加视频业务后延迟时间网络从图3中看出,增加视频业务后网络延迟时间剧增,最大延迟达到0.47 s,而平均延迟时间也达到0.19 s,但视频业务对网络延迟比较敏感,需要较小的延迟,因此需要对现有网络进行升级。为了满足公司新增的业务要求,并能有效降低网络延迟时间,可在原网络拓扑结构中将链路带宽升级到100 MHz,再次进行仿真并得到新的网络延迟时间(如图4所示)。图4 升级网络后网络延迟时间为了更好的比较增加视频业务后原有的网络和改进后网络的网络延迟时间,下面给出改进前后2个网络的平均网络延迟时间对比图。图5 网络改进前后网络延迟时间对比图从图5中看出改进前网络延迟较大,延迟时间达到秒级,而将网络链路提升至100 MHz后网络延迟大幅下降,延迟时间为毫秒级,满足预期业务。6 结束语通过使用O P N E T进行仿真分析来逐步改善网络性能,最后设计出了一个具有高性价比的网络仿真模型可以看出O P N E T在网络设计和规划方面与传统的经验法相比,具有高效、准确的优点。本文对如何使用网络仿真技术在网络规划设计方面进行了一些尝试。计算机仿真已经成为研究计算机网络的一种非常有效的评估工具。随着网络的日趋复杂、规模日益庞大,利用仿真软件进行网络的性能分析就变得尤为重要。网络仿真技术为网络技术开发、网络性能理论测试、网络设计方案评估及网络故障诊断等提供强有力的工具,它能够验证实际方案的有效性和比较多个不同的设计方案,为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真正以其突出的优越性越来越受到网络研究人员的关注和重视。因此OPNET网络仿真软件必将得到更为广泛的应用。参考文献【1】陈敏。OPNET网络仿真M。北京：清华读大学出版社，2004。【2】王文博，张金文。OPNET Molder与网络仿真M.北京：人民邮电出版社，2003。【3】龚平，张卫国，顾晓鸣，基于OPNET的宽带网流量建模研究及仿真J.军事通信技术，2003,24（1）26-30.【4】伍春华，蔡自兴，陈文革。前景流量规划模型及其仿真研究J.计算机工程，2001,27（5）：73-75。【5】刘鹰，陈文华。基于流量测试的IP骨干网络优化J.广东通信技术，2003,23（1）：6-9。9