OMNeT++仿真工具的研究與應(yīng)用

朱 曉 姝

( 玉林師范學(xué)院 教務(wù)處， 廣西 玉林 537000 )

0 引 言

仿真比實(shí)地實(shí)驗(yàn)在節(jié)約時(shí)間成本、資金成本、人力成本以及可適用性等方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此仿真工具在許多不同的研究領(lǐng)域中起著非常重要的作用[1]。比如，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)模型的日趨復(fù)雜[2]，網(wǎng)絡(luò)仿真工具在網(wǎng)絡(luò)模型改進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試、數(shù)據(jù)分析等方面的研究中都起到了非常重要的作用。

目前，國內(nèi)還沒有真正自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具得到大范圍的應(yīng)用，研究人員主要使用的仿真工具是國外的一些主流網(wǎng)絡(luò)仿真工具。因此，對(duì)于從事網(wǎng)絡(luò)研究工作的研究者來說，使用和掌握國外的一些網(wǎng)絡(luò)仿真工具是非常必要的。而具有代表性的網(wǎng)絡(luò)仿真工具主要有：OPNET、NS-2、OMNeT++等[3-4]，其中，OPNET屬于商業(yè)軟件，NS-2和OMNeT++則屬于免費(fèi)的非商業(yè)軟件。NS-2的推出時(shí)間較長(zhǎng)，功能全面，能夠應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)的仿真模擬，因此一直以來大量的研究人員使用它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)，但是它只能在基于LINUX環(huán)境下使用。

在免費(fèi)的非商業(yè)仿真軟件中，OMNeT++具有更好的靈活性和可適用性，本文深入研究OMNeT++仿真工具的特性和工作原理，并設(shè)計(jì)仿真實(shí)例，應(yīng)用它對(duì)當(dāng)前新型的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，分析仿真結(jié)果和仿真性能，為研究人員掌握OMNeT++的使用，了解OMNeT++的仿真性能起到重要作用。

1 OMNeT++仿真工具

1.1 OMNeT++簡(jiǎn)介

OMNeT++(Objective Modular Network Testbed in C++)[5]是面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真工具，它是由布達(dá)佩斯大學(xué)通信工程系開發(fā)的一個(gè)開源的、基于組件的、模塊化的開放仿真平臺(tái)，具有強(qiáng)大的圖形用戶界面接口和嵌入式仿真內(nèi)核。OMNeT++可以用來仿真任何離散事件的系統(tǒng)，包括仿真通信協(xié)議、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、并行系統(tǒng)、多處理器系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)。它能夠建立目前幾乎所有網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的基本模型之間的互聯(lián)，并且使復(fù)雜的網(wǎng)信通信和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到容易而正確的仿真。

1.2 OMNeT++特性

OMNeT++在描述模型、定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shí)現(xiàn)模型、跟蹤支持、調(diào)試、性能等多方面都顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。與同屬于非商業(yè)軟件的NS-2[6]相比，OMNET++具有更加突出的特性。①編程仿真能力和可移植性。OMNeT++和NS-2在編程能力方面的功能都很強(qiáng)大。OMNeT++可以在Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)等多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行，它生成的仿真程序是可攜帶的，可以獨(dú)立運(yùn)行于多種操作平臺(tái)之上。OMNeT++提供NED(Network Description)和C++兩種語言來建模仿真。其中，OMNeT++用NED來描述仿真模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它非常簡(jiǎn)單，但是具有非常強(qiáng)大的拓?fù)涠x功能，可以定義模塊、鏈路和網(wǎng)絡(luò)。NED還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，便于更新仿真模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；C++用來實(shí)現(xiàn)模型的仿真和消息的處理等功能。而且NED文件可以編譯為C++代碼，連接到仿真程序中。可以說，OMNeT++仿真環(huán)境是用C++實(shí)現(xiàn)的。NS-2只能運(yùn)行在Linux環(huán)境中，它使用OTc1和C++兩種建模仿真語言，它生成的仿真程序不具備可攜帶性。②可仿真模型的范圍。OMNeT++可以支持TCP/IP、SCSI和FDDI等多種協(xié)議模型，而NS-2只能支持基于TCP/IP的協(xié)議模型。③仿真效率。OMNeT++支持模塊化仿真模型，模塊可以靈活地組合，還可以多次使用。它還支持使用參量，可以在不修改源代碼和不重新編譯的情況下，直接設(shè)置參量，對(duì)不同條件下的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行仿真，因此比NS-2具有更好的仿真效率。④仿真結(jié)果輸出的性能。OMNeT++提供強(qiáng)大完善的圖形用戶界面，具有模塊輸出窗口、監(jiān)測(cè)器和自動(dòng)生成動(dòng)畫3個(gè)輸出工具，可以動(dòng)態(tài)地觀察仿真程序的運(yùn)行情況，而且內(nèi)存消耗小、速度快。NS-2也具有自動(dòng)生成動(dòng)畫效果的功能，但沒有模塊輸出窗口和監(jiān)測(cè)器。

可以看出，OMNET++比NS-2具有更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型仿真能力，OMNET++更適用于各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型的仿真。

1.3 OMNeT++工作原理

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋?/p>

與其他仿真工具不同，OMNeT++專門提供了一個(gè)接近自然語言的NED語言和一個(gè)圖形工具GNED(Graphical Network Editor)來描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，專門生成一個(gè).ned網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮募?。而已生成的某個(gè).ned文件還可以被另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)描述文件使用輸入命令(import)導(dǎo)入使用，大大減少重復(fù)編程。.ned文件包括以下組件：①信道定義(channel definition)。信道定義指定某個(gè)特定的連接類型，它包括3個(gè)參數(shù)：傳播延時(shí)(delay)、誤碼率(error)、數(shù)據(jù)傳送速率(data rate)。②簡(jiǎn)單模塊定義(simple module definition)。簡(jiǎn)單模塊是網(wǎng)絡(luò)中最基本的組成部分，是模塊分級(jí)中最小的模塊。③復(fù)合模塊定義(compound module definition)。復(fù)合模塊是由簡(jiǎn)單模塊組合而成，復(fù)合模塊與簡(jiǎn)單模塊或者其他復(fù)合模塊可以組合生成更高一級(jí)的復(fù)合模塊，這種模塊分組沒有限制。通過這種方式，可以將網(wǎng)絡(luò)中的任何實(shí)體，如節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)等，表現(xiàn)為一個(gè)復(fù)合模塊。圖1是包含一層嵌套的復(fù)合模塊圖。④網(wǎng)絡(luò)定義(network definition)。簡(jiǎn)單模塊和復(fù)合模塊僅僅定義了模塊類型，建立一個(gè)仿真模型還需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)定義，網(wǎng)絡(luò)定義是將仿真模型表示為先前定義模塊類型的一個(gè)實(shí)例。一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)或多個(gè)模塊，各模塊之間通過端口(gate)來連接。

圖1 OMNeT++模型結(jié)構(gòu)Fig.1 OMNeT++ model structure diagram

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)消息傳輸

OMNeT++中的消息傳輸主要由簡(jiǎn)單模塊完成，消息傳輸有端口傳輸和直接傳輸兩種方式。端口傳輸是通過模塊之間的端口和連接，按照一定的規(guī)則，將消息逐步傳輸?shù)侥康哪K。而直接傳輸是通過仿真內(nèi)核直接傳輸消息到目的模塊。通過這套機(jī)制，可以靈活地使用C++或者OMNeT++本身定義的幾個(gè)基本類，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目前幾乎所有網(wǎng)絡(luò)模型的仿真。圖2是OMNeT++運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中SIM為嵌入式仿真內(nèi)核，它是處理和運(yùn)行仿真的核心。在SIM和用戶接口之間是一個(gè)通用接口，用戶可以通過替換用戶接口來定義仿真的運(yùn)行環(huán)境。模型元件庫包含所有已經(jīng)編譯好的簡(jiǎn)單模塊和復(fù)合模塊。仿真模型包含一些常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、應(yīng)用和通信模型。

圖2 OMNeT++運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 OMNeT++ inner structure diagram on running

1.3.3 仿真結(jié)果輸出

OMNeT++提供了TKENV和CMDENV兩種用戶界面。TKENV是OMNeT++的GUI(Graphical User Interface，圖形用戶界面)用戶接口，它提供了3種仿真結(jié)果輸出工具：動(dòng)畫自動(dòng)生成、模塊輸出窗口和對(duì)象監(jiān)測(cè)器。CMDENV是純命令行的界面。

2 仿真實(shí)例

P2P(Peer-to-Peer,對(duì)等網(wǎng))[7-8]網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的一種分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)全部處于對(duì)等的地位，其網(wǎng)絡(luò)特性符合OMNeT++仿真工具的仿真范圍。Freenet[9]是當(dāng)前主流使用的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)，因此，本文選擇Freenet模型，分別在查詢成功率和查詢響應(yīng)時(shí)間2個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能方面使用OMNeT++進(jìn)行仿真。

2.1 仿真步驟

在對(duì)Freenet模型進(jìn)行仿真時(shí)，具體的步驟如下：①創(chuàng)建一個(gè)仿真文件的文件夾freenet；②建立freen.ned文件，定義仿真實(shí)例Freenet網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌枋鼍W(wǎng)絡(luò)中各模塊；③使用C++語言實(shí)現(xiàn)各層模塊的功能，建立freen.cpp；④建立一個(gè)omnetpp.ini(文件名不可更改)，通過這個(gè)文件告知仿真工具目前所仿真網(wǎng)絡(luò)的名稱，還可以通過這個(gè)文件改變網(wǎng)絡(luò)模塊中參量的值，而不必重新編譯；⑤編譯、連接這些文件，生成一個(gè)可執(zhí)行文件freen.exe，并運(yùn)行該仿真程序；⑥記錄仿真程序運(yùn)行情況，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果圖中的數(shù)據(jù)分析查詢成功率和查詢響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)方面的網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 仿真環(huán)境設(shè)置

如圖3，建立一個(gè)包含60個(gè)節(jié)點(diǎn)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)范圍為ret[0]～ret[59]，節(jié)點(diǎn)間傳送消息時(shí)的延遲時(shí)間在(0，100)ms間隨機(jī)產(chǎn)生。圖3描述了構(gòu)建Freenet的局部拓?fù)鋱D，根據(jù)Freenet模型非結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，建立一個(gè)分散的、非結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。設(shè)定：由節(jié)點(diǎn)rte[0]發(fā)出查詢，查詢到目標(biāo)文件后，由擁有目標(biāo)文件的節(jié)點(diǎn)再發(fā)起下一次查詢。需查詢的文件關(guān)鍵字隨機(jī)產(chǎn)生，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的文件個(gè)數(shù)和文件關(guān)鍵字個(gè)數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生。

圖3 Freenet局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Freenet part topology diagram

2.3 仿真實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

(1)查詢響應(yīng)時(shí)間。從圖4可以看出，當(dāng)查詢多次后，查詢響應(yīng)時(shí)間會(huì)逐漸減小。由于Freenet查詢成功后，在將目標(biāo)文件沿查詢?cè)窂椒祷亟o發(fā)出查詢的源節(jié)點(diǎn)的過程中，會(huì)拷貝目標(biāo)文件到途經(jīng)的節(jié)點(diǎn)，所以查詢多次后得查詢響應(yīng)時(shí)間會(huì)逐漸減小。

(2)查詢成功率。從圖5可以看出，當(dāng)查詢多次后，查詢成功率會(huì)逐漸增大。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因與經(jīng)多次查詢后，查詢響應(yīng)時(shí)間逐漸減小的一樣。

圖4 Freenet查詢響應(yīng)時(shí)間Fig.4 Freenet query response time diagram

圖5 Freenet查詢成功率Fig.5 Freenet query success rate

3 結(jié) 論

本文研究表明，OMNeT++是一個(gè)十分優(yōu)秀的可視化離散事件仿真工具，從仿真結(jié)果來看，它非常適合于分布式網(wǎng)絡(luò)的仿真。隨著越來越多的研究人員了解、使用和深入研究OMNeT++，OMNeT++的功能必將更加豐富，它也將會(huì)更加適合在P2P網(wǎng)絡(luò)仿真中的應(yīng)用。

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