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[摘要]：本文作者根据多年的教学经验，通过对网络仿真技术的概念、特点、应用流程等的论述, 并使用OPNET进行QoS仿真,供参考。
[关键词]：网络仿真 OPNET QoS 设计
中图分类号：TM743 文献标识码：TM 文章编号：1009-914X(2012)26-0260-01
一、网络仿真与OPNET
网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为,从而获取特定的网络特性参数的技术。数学建模包括网络建模(网络设备、通信链路等)和流量建模两个部分。模拟网络行为是指模拟网络流量在实际网络中传输、交换和复用的过程。网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等,由此既可以获取某些业务层的统计数据,也可以得到协议内部某些特殊的参数的统计结果。网络仿真可以帮助客户进行网络结构、设备和应用的设计、建设、分析和管理,其具有以下主要特点:为网络的规划设计提供可靠的定量依据;验证实际方案或比较多个不同的设计方案. 由于网络仿真在网络设计与性能分析方面具有突出的特点,目前来说主要在以下方面获得广泛应用:容量规划和SLA 预测服务;故障分析;端到端的性能分析;使网络设计达最优的性价比;预测业务量的增长;指导新网络建设.
OPNET是一种优秀的网络仿真和建模的工具,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。它强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术,除了能够模拟固定通信模型外, OPNET的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时,OPNET在新网络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又直观的工具。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中提供多种编辑器帮助用户完成网络建模和仿真运行,产品核心包括:
1、Service Provider Guru,面向网络服务提供商的智能化网络管理软件,是OPNET公司的最新产品。
2、OPNETModeler,为技术人员提供一个网络技术和产品开发平台。可以帮助設计和分析网络、网络设备和通信协议。
3、IT Guru:帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用的性能,诊断问题,查找影响系统性能的瓶颈,提出并验证解决方案。
4、WDM Guru,用于波分复用光纤网络的分析、评测。Modeler的面向对象的建模方法和图形化的编辑器反映了实际网络和网络组件的结构,因此实际的系统可以直观地映射到模型中。Modeler具有以往的网络仿真软件不具备的鲜明特点:
4.1 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。
4.2 简单明了的建模方法。在“过程层次”模拟单个对象的行为,在“节点层次”将其互连成设备,在“网络层次”将这些设备互连组成网络。几个不同的网络场景组成“项目”,以比较不同的设计。
4.3 有限状态机。使用有限状态机来对协议和其他过程进行建模。在有限状态机的状态和转移条件中使用C /C ++语言对任何过程进行模拟。对协议编程全面支持。
4.4 400个库函数支持,以及书写风格简洁的协议模型。
二、OPNET的QoS仿真方法
QoS体现了数据网络提供服务的能力。衡量QoS的主要性能指标有:带宽控制、传输延迟、读码特性、流量控制、抖动控制和实时特性等。目前QoS控制研究已有不少成果,需要解决的主要问题是算法复杂性和QoS控制效果之间的权衡。QoS管理、计费和QoS测量的研究则还处于起步阶段,研究成果较少,标准尚未形成,是IP QoS研究的新热点。QoS研究的另一发展趋势是多种技术的结合,即多层次,多平面(数据平面、控制平面和管理平面)的QoS研究相结合,研究各层、各面之间的交互作用,将各种QoS机制综合起来,改善IP网的服务质量。使用OPNET进行QoS仿真步骤为:
1、选择拓扑结构。“构建网络拓扑结构”中共描述了三种:完全结构、部分结构和单通路。完全结构是指包含了网络中的所有设备和链路的拓扑结构。
2、设定数据流向在OPNET中表示数据流。实现方法有两种:外观法和后台法。当我们想研究网络上的一个数据流向或其他的外观的交通时就应该选用后台法来设定数据流向,因为后台法不影响应用层的统计数据。如果我们是对应用层的统计数据感兴趣,并想研究进程对QoS的灵敏度,就应该选用外观法。
3、进行初始化仿真。当选定了一个拓扑结构并指定了数据流向方式时,就可以选择希望分析的统计数据。我们的QoS研究统计数据包括链路利用率、路由器接口队列延迟、数据包丢弃、进程响应时间和进程的终端之间的延迟。
4、网络性能分析。对于使用了较大结构的拓扑图形,“寻找顶层结果”对于定位负荷过度的和使用更少的链路是非常有用的,它还可以用来找出有最大队列延迟和数据包丢弃的路由器。
5、确定多用户响应时间的构成,确定并消除节点间的竞争。
三、QoS仿真设计
我们利用OPNET对网络队列处理模型共有普通(noQoS) 、先进先出(FIFO) 、优先权队列(Priority Queuing) 、普通队列(Custom Queuing) 、等权队列(WFQ) 、没有指定访问率的网络(Network without CAR ) 和指定访问率的网络(Networkwith CAR)七个进行了仿真。前五个模型是简单网络服务器———客户模型(由4 对影音客户服务组成) 。4 个服务器(Server TOS)和4个客户(Client TOS)通过交换机和两个路由器连接成一个简单网络。每对都使用远距离传输服务来传送数据,网络的瓶颈是两个路由器。客户的服务申请或服务器的服务提供根据网络类型采用了普通、先进先出、优先权队列、普通队列和等权队列五种方式。
仿真开始,首先要在网络编辑器中建立系统的仿真环境和网络拓扑结构,网络模型的建立可以选用OPNET中提供的各种网络拓扑,也可以根据需要选择或创建网络设备和拓扑结构,然后定义网络中各通信实体,包括源节点、路由器、目的节点和通信线路等,并分别设置它们的属性。网络节点内各功能需要通过在进程编辑器中进行状态描述和编程实现各自的功能。
1、队列处理
在进行QoS仿真时要建立的网络模型有两类。第一类是在路由器接口使用不同的处理方式,其模型构建过程如下:从file→new创建一个新的p roject,然后建立emp ty scenarios,选择所需的网元,建立将要模拟的网络模型。
编辑App lication Config的属性,将其中的设置改为所需的,然后编辑Profile config的属性,来设制后台交通。可以看出4种TOS所使用的数据流方式。下一步就是在每个模型中具体设定QoS configuration,其设置应与模型中的路由器的接口设置一致。接下来就是为模型中各个具体的网元设定相应的属性,包括工作站、交换机、路由器等设备。
结束语：
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。而OPNET 公司的QoS是当前业界最领先的网络技术开发环境,为开发人员提供了建模、仿真以及分析的集成环境,大大减轻了编程和数据分析的工作量.
参考文献：
[1]杨宏宇,王兴隆,谢丽霞. 网络仿真软件OPNET的应用与实践[J] . 计算机应用,2004
[2]杨路明,李谢华. 网络仿真软件比较分析及仿真过程探讨[J].计算技术与自动化, 2002
[关键词]：网络仿真 OPNET QoS 设计
中图分类号：TM743 文献标识码：TM 文章编号：1009-914X(2012)26-0260-01
一、网络仿真与OPNET
网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为,从而获取特定的网络特性参数的技术。数学建模包括网络建模(网络设备、通信链路等)和流量建模两个部分。模拟网络行为是指模拟网络流量在实际网络中传输、交换和复用的过程。网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等,由此既可以获取某些业务层的统计数据,也可以得到协议内部某些特殊的参数的统计结果。网络仿真可以帮助客户进行网络结构、设备和应用的设计、建设、分析和管理,其具有以下主要特点:为网络的规划设计提供可靠的定量依据;验证实际方案或比较多个不同的设计方案. 由于网络仿真在网络设计与性能分析方面具有突出的特点,目前来说主要在以下方面获得广泛应用:容量规划和SLA 预测服务;故障分析;端到端的性能分析;使网络设计达最优的性价比;预测业务量的增长;指导新网络建设.
OPNET是一种优秀的网络仿真和建模的工具,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。它强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术,除了能够模拟固定通信模型外, OPNET的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时,OPNET在新网络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又直观的工具。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中提供多种编辑器帮助用户完成网络建模和仿真运行,产品核心包括:
1、Service Provider Guru,面向网络服务提供商的智能化网络管理软件,是OPNET公司的最新产品。
2、OPNETModeler,为技术人员提供一个网络技术和产品开发平台。可以帮助設计和分析网络、网络设备和通信协议。
3、IT Guru:帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用的性能,诊断问题,查找影响系统性能的瓶颈,提出并验证解决方案。
4、WDM Guru,用于波分复用光纤网络的分析、评测。Modeler的面向对象的建模方法和图形化的编辑器反映了实际网络和网络组件的结构,因此实际的系统可以直观地映射到模型中。Modeler具有以往的网络仿真软件不具备的鲜明特点:
4.1 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。
4.2 简单明了的建模方法。在“过程层次”模拟单个对象的行为,在“节点层次”将其互连成设备,在“网络层次”将这些设备互连组成网络。几个不同的网络场景组成“项目”,以比较不同的设计。
4.3 有限状态机。使用有限状态机来对协议和其他过程进行建模。在有限状态机的状态和转移条件中使用C /C ++语言对任何过程进行模拟。对协议编程全面支持。
4.4 400个库函数支持,以及书写风格简洁的协议模型。
二、OPNET的QoS仿真方法
QoS体现了数据网络提供服务的能力。衡量QoS的主要性能指标有:带宽控制、传输延迟、读码特性、流量控制、抖动控制和实时特性等。目前QoS控制研究已有不少成果,需要解决的主要问题是算法复杂性和QoS控制效果之间的权衡。QoS管理、计费和QoS测量的研究则还处于起步阶段,研究成果较少,标准尚未形成,是IP QoS研究的新热点。QoS研究的另一发展趋势是多种技术的结合,即多层次,多平面(数据平面、控制平面和管理平面)的QoS研究相结合,研究各层、各面之间的交互作用,将各种QoS机制综合起来,改善IP网的服务质量。使用OPNET进行QoS仿真步骤为:
1、选择拓扑结构。“构建网络拓扑结构”中共描述了三种:完全结构、部分结构和单通路。完全结构是指包含了网络中的所有设备和链路的拓扑结构。
2、设定数据流向在OPNET中表示数据流。实现方法有两种:外观法和后台法。当我们想研究网络上的一个数据流向或其他的外观的交通时就应该选用后台法来设定数据流向,因为后台法不影响应用层的统计数据。如果我们是对应用层的统计数据感兴趣,并想研究进程对QoS的灵敏度,就应该选用外观法。
3、进行初始化仿真。当选定了一个拓扑结构并指定了数据流向方式时,就可以选择希望分析的统计数据。我们的QoS研究统计数据包括链路利用率、路由器接口队列延迟、数据包丢弃、进程响应时间和进程的终端之间的延迟。
4、网络性能分析。对于使用了较大结构的拓扑图形,“寻找顶层结果”对于定位负荷过度的和使用更少的链路是非常有用的,它还可以用来找出有最大队列延迟和数据包丢弃的路由器。
5、确定多用户响应时间的构成,确定并消除节点间的竞争。
三、QoS仿真设计
我们利用OPNET对网络队列处理模型共有普通(noQoS) 、先进先出(FIFO) 、优先权队列(Priority Queuing) 、普通队列(Custom Queuing) 、等权队列(WFQ) 、没有指定访问率的网络(Network without CAR ) 和指定访问率的网络(Networkwith CAR)七个进行了仿真。前五个模型是简单网络服务器———客户模型(由4 对影音客户服务组成) 。4 个服务器(Server TOS)和4个客户(Client TOS)通过交换机和两个路由器连接成一个简单网络。每对都使用远距离传输服务来传送数据,网络的瓶颈是两个路由器。客户的服务申请或服务器的服务提供根据网络类型采用了普通、先进先出、优先权队列、普通队列和等权队列五种方式。
仿真开始,首先要在网络编辑器中建立系统的仿真环境和网络拓扑结构,网络模型的建立可以选用OPNET中提供的各种网络拓扑,也可以根据需要选择或创建网络设备和拓扑结构,然后定义网络中各通信实体,包括源节点、路由器、目的节点和通信线路等,并分别设置它们的属性。网络节点内各功能需要通过在进程编辑器中进行状态描述和编程实现各自的功能。
1、队列处理
在进行QoS仿真时要建立的网络模型有两类。第一类是在路由器接口使用不同的处理方式,其模型构建过程如下:从file→new创建一个新的p roject,然后建立emp ty scenarios,选择所需的网元,建立将要模拟的网络模型。
编辑App lication Config的属性,将其中的设置改为所需的,然后编辑Profile config的属性,来设制后台交通。可以看出4种TOS所使用的数据流方式。下一步就是在每个模型中具体设定QoS configuration,其设置应与模型中的路由器的接口设置一致。接下来就是为模型中各个具体的网元设定相应的属性,包括工作站、交换机、路由器等设备。
结束语：
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。而OPNET 公司的QoS是当前业界最领先的网络技术开发环境,为开发人员提供了建模、仿真以及分析的集成环境,大大减轻了编程和数据分析的工作量.
参考文献：
[1]杨宏宇,王兴隆,谢丽霞. 网络仿真软件OPNET的应用与实践[J] . 计算机应用,2004
[2]杨路明,李谢华. 网络仿真软件比较分析及仿真过程探讨[J].计算技术与自动化, 2002