基于OPNET的校园网性能测试与优化课程设计(论文)

课程设计(论文)题 目 名 称 基于OPNET的校园网性能测试与优化 课 程 名 称 网络测试课程设计 学 生 姓 名 熊伟强 学 号 1041305053 系 、专 业 信息工程系、网络工程 指 导 教 师 康雄杰 目 录1 前言12 需求分析2 2.1测试环境2 2.2测试工具33 网络性能测试与分析9 3.1网络结构仿真9 3.2仿真测试174 校园网整体优化设计205 课程设计总结21参考文献22致谢231 前言目前，通信网络的仿真，智能化规划优化以及管理成为通信领域的热点问题。而OPNET这一网络仿真工具为解决通信网络（包括固定网移动网络和卫星网络）仿真和优化以及网络高效的管理提供了整套解决方案，是成为网络仿真以及分析领域出类拔萃的软件。网络仿真是一种有效的网络研究工具，它以系统理论、形式化理论、随机过程和计学理论、优化理论为基础，在设计阶段，仿真方法提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，通过对不同环境和工作负荷的分析比较，来优化系统的性能。随着网络新技术的不断出现和数据网络的日趋复杂，对网络仿真技术的需求必将越来越迫切，网络仿真的应用也越来越广泛，网络仿真技术已成为研究、规划、设计网络不可缺少的工具目前在计算机网络仿真软件中，较为突出的是OPNET系列仿真平台。作为网络规划、仿真及分析工具的高端产品，OPNET在通信、国防及数据网络领域已经被广泛认可和采用。2 需求分析2.1测试环境A 校园网功能描述教学方面：利用现代化的技术设备和多媒体的教学手段形象直观地进行教学讲解，能增强学生的学习兴趣和理解水平，从而提高教学质量和学生品质，促进教育水平提高；提供高速、方便的信息交流和资源共享等手段；提供远比书本知识更为广泛的内容，扩大学生与外界的联系，开阔视野，增进交流；发展远程教育，克服地域和学校规模的限制，适宜于有分支的教育机构实现资源共享。管理方面：统一管理学校资源，如学生档案、教学资料、考试成绩、各种器材等；实现办公自动化，增强各部门协调能力，提高工作效率。 其它方面：除上述两方面外，有条件的学校还可以开展其它多种类型的网络应用，如个人接入（通常用拨号上网）、互联网（Internet）连通等，更充分地发挥网络的优势。 校园网拓扑结构B 校园网的出口校园网接入CERNET和CHINANET。C 提供的网络服务基础网络主要提供校内各单位之间的信息共享和通信要有WWW、FTP、E-mail、DNS.等服务，并建立了学校的网站。D 设计要求（1）高性能全交换，千兆主干，满足大负荷网络运行需求； （2）带宽优化技术，降低链路费用;（3）支持多媒体应用包括多媒体教室、电子阅览室、多媒体教学； （4）采用光缆支持较长距离，满足不同用户需求;（5）管理简单，浏览器方式无需专门培训； （6）系统安全，保密性高。2.2测试工具2.2.1.OPNET简介A产品结构 OPNET是一个款通信方面的仿真软件。OPNET软件包主要由三个模块组成： ItDecisionGuru 适合最终用户，它只有仿真、分析功能。 Modeler 在ItDecisionGuru基础上增加了建库功能。 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，这三个模块并非相互独立，而是层层嵌套的，采用同一用户界面。 B显著特点 网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。 网络仿真技术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，回答WHATIF这样的问题。例如： 如果网络扩容，骨干中继链路带宽需要扩大多少？ 如果网络上增设新的业务，对网络性能有什么影响？网络上的哪些链路或网络设备需要 升级和改造？ 如果网络拟采用新的技术升级，网络的性能会有多大幅度的改善？这种改善与投入相比 是否值得？同时新技术的引进是否会带来负面影响？ 网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。 在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案，它们往往是各有优缺点，很难作 出正确的选择，因此如何进行科学的比较和取舍往往是网络设计者们感到头疼的事。网 络仿真能够通过为不同的设计方案建立模型，进行模拟，获取定量的网络性能预测数据 ，为方案的验证和比较提供可靠的依据。这里所指的设计方案可以是网络拓扑结构、路 由设计、业务配置等等。 涵盖功能 OPNET能够准确的分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标 准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可以以图形 化显示、数字方式观察、或者输出到第三方的软件包去。此外，一系列仿真运行的结果 被自动整理到一个单一的OPNET输出文件中，以便于比较分析（比如相对于网络负载的端 对端延迟）。 OPNET由厂家提供的标准库模块有：x.25、ATM、FDDI、Frame Relay、Ethernet（10M 、100M、1000M）、Token Ring、TCP/IP、UDP、RIP、OSPF、LAPB、TP4、DQDB、HSSB、 J1850、STB、CATV、SNA、AMPS、VSAT、circuit switching、client-sever等。 第三方提供的库模块有：地形仿真库、大气仿真库、SUN网管接口、HP网管接口等。 OPNET允许用户使用FSM（有限状态机）开发自己的协议，并提供了丰富的C语言库函数 。OPNET还提供EMA（外部模块访问）接口，方便用户进行二次开发。 OPNET支持面向对象的调试。对网络拓扑、节点/设备的体系结构、过程逻辑（状态机 ）、传输等不同层次的、不同类型的模型，都有专门的、符合人们习惯的工具来进行编 辑和浏览，而不象某些软件那样从上到下全部用框图表示。 网络设备厂家（HP、Cisco、3Com、Xylan等）提供的模型参数全部基于哈佛测试实验室（Harvard test lab）的测试结果。 OPNET可运行在SUN、HP、Windows NT等多种工作站平台上。 到目前为止，全球已有多个单位采用OPNET技术，用于通信网络研究开发以及网络规划， 市场分布包括电信、军事、航天航空、系统集成、咨询服务、大学、行政机关等。 C OPNET仿真模型库 OPNET 仿真模型库为客户提供了一系列的仿真模型。在这些仿真模型的基础上，实现对网络的仿真。OPNET仿真模型库与其网络仿真引擎（OPNET Modeler，ITGuru, Applicat ion DecisionGuru等）是分离的。这种设计方式方便了模型的修改、升级。OPNET的专业 部门负责对模型库进行及时更新。同时，客户还可以根据自己的要求定制模型。OPNET提供的仿真模型库分成两类： D标准模型库：标准模型库可以满足大部分客户的需求。通常，在OPNET的核心产品（Mod eler, ITGuru, Application DecidisionGuru）中，已经包括了标准模型库。因此，购买了OPNET和新产品的客户不需要额外付费就可以得到它们。标准模型库分成下述几类： 数据链路层 网络层 路由协议 传输层协议 物理层 实用程序 综合仿真目标 应用层 无线模型 厂商设备模型 特殊模型库：特殊模型库是针对客户的特殊需求或新的技术或某个厂商专有技术而提供 的模型库。特殊模型库必须额外收费。目前，特殊模型库包括下述几种模型： IP多目广播模型 基于电路交换模型 多协议标签交换模型 通用移动电信系统模型 私有网间接口模型 E OPNET分析环境 客户-服务器 客户/服务器模型带有多种应用类型（电子邮件、数据库、文件传输、超文本传输协议、远程登陆、视频会议等），统计分析包括处理器、磁盘使用情况、对等协议延迟、事件响应时间、吞吐量、服务器储备等。 电路交换 电路交换网络（最低费用路由）统计分析由活动呼叫次数、分组呼叫次数、服务等级、业务运载量、业务流（厄朗）。 SimFusion 该技术直接使用从HP OpenView、HP NetMetrix、Network General Sniffer等工具捕获 的外部数据自动生成OPNET网络模型。当网络设备和应用增减时，你的OPNET网络模型也自动随之改变。 应用特定模型 设备模型 网桥、集成器、路由器/网关、工作站/服务器、交换机 。排队服务规范 先进先出FIFO 后进先出LIFO 优先的非抢先排队 最短作业优先 单服务器的抢先与恢复 多服务器的抢先与恢复 并行包服务（不分先后的）使用工具/接口 DTED地图转换程序 STK卫星轨道转换程序 用户报告生成程序 业务源 突发的、正本、固定位率、可变位率 连接模型 点对点、总线、射频（广播）、用户定义（比如：光学的） 网络结构例子 ATM主干网上的TCP/IP 超过AAL5的带突发源的ATM WAN 带失败/恢复分析的动态路由 带管道总线的ATM WAN 动态分布的路由（贝尔曼-福特适应） 线性光波网络中的错误定位 射频例子 军队20000个移动节点的网络 低轨卫星与地球站的连接 子网之间的TDMA卫星连接 海事卫星通信网络 子网请求访问（DA）-TDMA通信连接 时间分片的Aloha网络 射频以太网：802.3的射频连接 RF干扰器 侦察卫星网络 射频连接比较（Aloha、siotted Aloha、CSMA） 无线ATM 提供设备模型的厂家有 3COM ACC Bay Networks Bytex Cisco CrossComm Grand Junction HP Lannet Novell Proteon Retix UB Networks xylan 2.2.2 OPNET建模对于网络的设计和管理，一般分为3 个阶段：第1 阶段为设计阶段，包括网络拓扑结构的设计，协议的设计和配置以及网络中设备的设计和选择；第2 阶段为发布阶段，设计出的网络能够具有一定性能，如吞吐率、响应时间等等；第3阶段为实际运营中的故障诊断、排错和升级优化。而OPNET公司的整个产品线正好能面向网络研发的不同阶段，即可以作网络的设计，也可以作为发布网络性能的依据，还可以作为已投入运营的网络的优化和故障诊断工具。OPNET公司也是当前业界智能化网络管理分析解决方案的主要提供商。OPNET公司的第一个商用化产品为Modeler，在此基础上又开发出了其他产品，使得其产品得种类更加丰富。目前OPNET公司得产品线除了Modeler外，还包括ITGuru、SPGuru、OPNET Development Kit以及WDMGuru。不同的产品面向的客户群也不一样。 Modeler主要面向研发，其宗旨是为了“Accelerating Network R&D （加速网络研发） ITGuru可以用于大中型企业，做智能化的网络设计、规划和管理； SPGuru相对ITGuru在功能上更加强大，内嵌了更多的OPNET附加功能模块，包括流分析模块、网络医生模块、多提供商导入模块、MPLS模块，使得SPGuru成为电信运营商量身定做的智能化网络管理、规划以及优化的平台；WDMGuru是面向光纤网络的运营商和设备制造商，为其提供了管理WDM光纤网络，并为测试产品提供了一个虚拟的光网络环境。OPNET开发包（ODK ，OPNET Development Kit）和NetBizODK 是一个更底层的开发平台，其中ODK 为开发时环境，NetBiz 为运行时环境，可以用于设计用户自定制的解决方案，定制用户的界面，并且ODK 提供了大量的函数，用于网络优化和规划。OPNET主要被大型通信设备制造商（如3Com、Cisco、Nortel Network、Lucent ）、大中型企业（如BOEING、Daimler、Benz等）、电信运营商（如AT&T、NTT DoCoMo 、France Telecom 等）、军方和政府方的研发机构、大专院校等客户应用。OPNET Modeler 采用层次化的网络模型。使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构。简单明了的建模方法。Modeler建模过程分为3 个层次：过程（process）层次、节点（Node）层次以及网络（Network ）层次。在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组成网络。几个不同的网络场景组成“项目”，用以比较不同的设计方案。这也是Modeler建模的重要机制，这种机制有利于项目的管理和分工。Opnet的建模方法：（1）确定模型需要解决的问题，创建原始模型。验证模型，以获得一定的“ 等同性。（2）增强模型，修改模型，以解答未来的问题。设置仿真参数，运行仿真，查看分析。3 网络性能测试与分析3.1网络结构仿真第一步：建立网络拓扑结构 （1）建立一个新的项目，选择菜单File/New/project，单击OK。项目名称为Project_sunlei；场景名称为scenariol_sunlei，单击OK。如图1-1图1-1 建立新项目（2）依照设置向导中的提示： 在Initial Topology（初始拓扑结构）对话框中，点击Create EmptyScenario（建立空场景），如图1-2所示。在点击next，弹出Startup Winzard：Choose NetwordScale对话框，如图1-3所示。 图1-2 设置Initial Topology对话框 图1-3 设置Choose NetwordScale对话框(3)在Choose NetwordScale对话框中，点击Choose From Maps，在点击next,弹出Startup Wizard：Choose maps对话框，如图1-4所示。完成这一步后，将美国地图作为场景的背景。 图1-4 设置Choose maps对话框(4)在Choose maps对话框中，选择USA，点击Next，弹出Startup Wizard：Select Technologies对话框，如图1-5所示。选择ethernet，将其值改为YES。这样就可用在新建的场景中创建ethernet。单击Next，点击OK，就完成了网络结构的新建工作。如图1-6所示。 图 1-5 Select Technologies对话框 图 1-6 完成网络结构新建图（5）完成新建后，点击OK，就进入网络结构的设计界面。如图1-7所示。此时，也从对象面板中点击一个子网的图标，将其拖方至Minneapolis所在的位置，如图1-8所示。用鼠标右键单击界面，结束拖放子网的操作。图 1-7 Minneapolis 子网编辑 图 1-8 对象面板图（6）用鼠标右键单击子网，选择Advanced Edit Attibutes，将 X-span和Y-span设置为0.002。单击OK，就调整好设计画面的显示，便于设计工作。如图1-9所示。 图 1-9 子网Advanced Edit Attibutes设置(7)调整好设计面板后，显示效果如图1-10所示。整体的设计题目了然。 第二步，运行网络仿真图 1-10 设计面板场景一拓扑图场景二拓扑图场景三拓扑图场景一时延情况场景二结果图场景三时延图三场景比较图三个场景对比时延图3.2仿真测试在网络仿真结束后，下面对仿真的结果进行测试说明和分析：（1）核心交换机的包接收率 图2-1核心交换机的包接收和丢失率结果分析：图2-1所示为交换机在刚开始的时候有一个100秒的延时用来使设备初始化，在网络运行稳定后逐渐趋于一个定值之间波动。（2）核心交换机的包丢失率分析说明：图2-1 为交换机对数据包的丢失率。从图形可以看出交换机的丢失率很低，趋近于零，说明交换机的性能很好。（3）汇聚层交换机的包接收率图2-2 汇聚层交换机的接收和丢失率结果分析：图2-2下图为交换机在刚开始的时候有一个100秒的延时用来使设备初始化，然后接收数据速率就达到一个稳定的速度，在网络运行稳定后逐渐上升。（4）网络HTTP页面响应时间图2-3 网络HTTP的页面响应时间和上图的总和结果分析：图2-3第三图所示为网络在刚开始的时候有一个100秒的延时，然后响应时间冲到0.02s以上，之后趋向平稳。4 校园网整体优化设计通过OPNET对校园网存在问题的逐一仿真和对其相应优化方法的的有效性验证，最终确定校园网优化改造拓扑结构根据在交换机负载范围内，节点分布不均不会对网络系统造成严重影响的结论，可以从校园的建筑分布上划分网络节点。教学楼和办公楼是节点分布较密集的区域，校园网中重点要保证教学楼和办公楼的汇聚交换机的稳定性。此外，在汇聚交换机上实现基于端口的分析划分，这样有助于控制流量，简化网络管理，提高网络安全性！5 课程设计总结这次课程设计我和谢帅，张磊，杨铁斌组成小组。我担任组长，通过课本和互联网搜集了解本次课程设计所需材料。组织组员，分配任务。合理完成了此次课程设计。我们组的课程设计题为基于OPNET的校园网性能测试与优化。使用网络仿真技术，利用OPNET网络仿真软件，对大学网络拓扑，业务需求进行了模拟，仿真。在原网络仿真结果基础上，再对其进行增加节点和视频业务的扩容，再次进行仿真后，发现了网络出现延迟及响应时间增加的问题，影响到正常上网业务，对比仿真结果，发现了造成该问题的主要问题和瓶颈所在，根据发现的问题，对网络进行改造后，其网络各项性能满期足了要求，说明改造方案起到了实效。网络仿真技术是一种全新的网络规划设计方法，该技术以其独特的技术手段，成为一种经济、有效和其他传统方法不可替代的网络设计的有力工具，尽管这一技术并未完全成熟，还在不断发展和完善，但是国外众多成功的应用事例和研究队伍的不断扩大的事实充分显示出了她旺盛的生命力。可以预见，随着数据网络的日趋复杂、网络规模的日渐庞大，对网络仿真技术的需求必交越来越迫切，网络仿真的应用也将越来越广泛。参考文献1符浅浅校园网仿真与设计，重庆：重庆大学出版社，20052张曾科，阳宪惠计算机网络，北京：清华大学出版社 20073蒋丽影，惠晓威，章永来OPNET的网络仿真机制及仿真建方法，中国新通信 20064伍俊洪网络仿真方法和OPNET仿真技术计算机工程，2004致 谢在此，感谢我们的各位老师，特别是我们组课程设计老师康雄杰老师对我们的支持与鼓励以及帮助，也要感谢在本次课程设计过程中帮助过我的同学。感谢他们在我遇到困难时的热情帮助，在本次课程设计中，我们积极的交流与探讨也使我受益非浅，希望在以后的学习道路中我们能够共同进步。