基于變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)的OPNET與NS2仿真比較

李成鑫，吳成恩，舒 勤

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的基本手段。在新技術(shù)的研究過程中使用實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)來研究代價(jià)成本太高，于是出現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)仿真分析軟件。網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)在最初局域網(wǎng)技術(shù)開始發(fā)展的時(shí)候就已經(jīng)出現(xiàn)了，其產(chǎn)生是與網(wǎng)絡(luò)自身的發(fā)展息息相關(guān)的，并隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。本課題利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET和NS2變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，并進(jìn)行比較分析。

1 OPNET仿真軟件

1.1 OPNET仿真軟件的特點(diǎn)

1)OPNET仿真軟件提供了三層建模機(jī)制，最底層為Process模型，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議;其次為Node模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性;最頂層為網(wǎng)絡(luò)模型。三層模型全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性，與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng);OPNET本身包含了比較齊全的的網(wǎng)絡(luò)模型庫，包括:交換機(jī)、路由器、客戶機(jī)、服務(wù)器、DSL、ATM、ISDN等設(shè)備;OPNET仿真軟件能夠方便地利用現(xiàn)有的流量數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⒎抡婺Ｐ?，可以對仿真結(jié)果進(jìn)行理論驗(yàn)證。

2)OPNET采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理，比時(shí)間驅(qū)動(dòng)的效率高。OPNET將基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)建模方法和基于包的分析方法結(jié)合起來，這種混合建模機(jī)制既可得到細(xì)節(jié)的模擬結(jié)果，同時(shí)也提高了仿真效率。OPNET可以直接收集常用的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次的性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)，能夠方便地輸出仿真報(bào)告，具有豐富的統(tǒng)計(jì)量收集和分析功能。

2 NS2仿真軟件介紹

NS2是一個(gè)用C++語言和TCL語言編寫，NS2模擬器采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)。NS2模擬器支持C++中類的編譯層次結(jié)構(gòu)，同時(shí)支持OTCL解釋器中的解釋層次結(jié)構(gòu)。

模擬器使用兩種語言來解決兩種不同類型的事情。一方面，有些協(xié)議算法在執(zhí)行的時(shí)候需要快速有效地控制字節(jié)和分組頭，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的算法。這些協(xié)議算法不需要經(jīng)常修改，只需要以模塊形式保存在模擬器中，使用時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模塊就可以了。協(xié)議算法的回轉(zhuǎn)時(shí)間，包括執(zhí)行模擬，找出修正錯(cuò)誤，重新編譯運(yùn)行等過程所需要的時(shí)間相對而言不是那么重要了。C++能夠快速執(zhí)行算法，使其適用于具體協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。另一方面，當(dāng)配置網(wǎng)絡(luò)可變參數(shù)時(shí)，配置過程和場景都沒有太大的變化，只有少量微小變化;當(dāng)配置網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，所需要的迭代時(shí)間即改變模式并重新運(yùn)行的時(shí)間變得更加重要。因?yàn)榕渲镁W(wǎng)絡(luò)只需要設(shè)置一次(在模擬開始的時(shí)候)，C++部分的工作執(zhí)行時(shí)間就不再那么重要了。OTCL執(zhí)行得比較慢卻可以以交互式的方式迅速地變化，使其成為模擬配置的理想對象。

NS2為同時(shí)滿足了這兩種需求使用了C++和OTCL兩種語言。NS2通過TCLCL類提供了兩種語言的對象和變量的紐帶。NS2運(yùn)行流程:TCL類提供了與解釋器訪問及通信的方法和接口，并且封裝的是OTCL解釋器真正的實(shí)例。

3 GOOSE網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)以及OPNET與NS2仿真的不足

GOOSE報(bào)文傳輸?shù)耐ㄐ胚^程與其他網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程不同［8］，GOOSE網(wǎng)絡(luò)沒有網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，直接由應(yīng)用層到數(shù)據(jù)鏈路層，因此沒有主流TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和協(xié)議復(fù)雜。GOOSE網(wǎng)絡(luò)主要由發(fā)布方的GOOSE控制模塊(GoCB)進(jìn)行控制，發(fā)布方在發(fā)送端緩沖區(qū)填入需要發(fā)送的信息，接收方在接收端緩沖區(qū)讀入自己需要的信息。整個(gè)過程由發(fā)布方的通用變電站事件控制類控制。

GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⑹?GOOSE報(bào)文。GOOSE報(bào)文攜帶變電站IED設(shè)備的各種信息，這些信息讓接收設(shè)備知道狀態(tài)什么時(shí)候需要變位，什么時(shí)候需要跳閘，或者自上次狀態(tài)變位以后的時(shí)間等等。接收設(shè)備可以設(shè)置相對于給定事件的當(dāng)?shù)赜?jì)時(shí)器，這是根據(jù)上次狀態(tài)變位以后的時(shí)間確定的，并產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。

GOOSE網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)激活的設(shè)備將發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)(狀態(tài))，這些激活設(shè)備包括合上電源和重新服務(wù)的IED設(shè)備，發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)被當(dāng)作初始值的GOOSE報(bào)文。當(dāng)狀態(tài)沒有發(fā)生變化時(shí)，發(fā)送GOOSE報(bào)文的周期較長，一般為5 s左右，并且發(fā)送連續(xù)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備會(huì)以指數(shù)遞增的方式，快速地發(fā)送GOOSE報(bào)文，指數(shù)增長的周期初始值一般為2 ms;之后會(huì)以指數(shù)遞減的方式，逐漸減慢發(fā)送報(bào)文的周期。

網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET和NS2有以下不同。①OPNET與NS2有免費(fèi)和付費(fèi)之分，NS2相比于OPNET最大的優(yōu)勢是免費(fèi)的自由軟件，因此NS2的普及度較高。②OPNET的界面友好，功能強(qiáng)大，操作方便，只需對節(jié)點(diǎn)的屬性進(jìn)行修改就可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò);但OPNET修改節(jié)點(diǎn)時(shí)不如NS2方便，需要多層編程建模。③NS2雖然功能強(qiáng)大，但用戶有時(shí)不能僅僅通過NS2使用手冊學(xué)習(xí)，還需要通過查看源代碼了解，并自己編寫腳本。由于NS2沒有現(xiàn)成的節(jié)點(diǎn)框架，需要用C++編想要的節(jié)點(diǎn)，操作上不是很方便。

結(jié)合變電站GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，通過OPNET與NS2仿真其網(wǎng)絡(luò)，都存在如下不足，包括:①因?yàn)槠渌峁┑哪Ｐ蛶焓怯邢薜?，現(xiàn)有的OPNET和NS2都沒有 GOOSE中的節(jié)點(diǎn)模型庫。OPNET與NS2軟件對某些特殊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建模必須依靠節(jié)點(diǎn)和過程層次的編程方能實(shí)現(xiàn)。②OPNET和NS2這些網(wǎng)絡(luò)仿真軟件提供的參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，往往和用戶的需要不一致，同時(shí)現(xiàn)有的變電站IED提供商提供的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型與標(biāo)準(zhǔn)存在差異，所以當(dāng)要使用某些特殊參數(shù)時(shí)，必須通過編程來實(shí)現(xiàn)。對于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的仿真，需要涉及底層編程，需要對協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)仿真軟件復(fù)雜的建模機(jī)理掌握十分透徹。③OPNET的編程需要建立在其本身的仿真平臺(tái)上，這是OPNET的一個(gè)局限性。

4 OPNET與NS2仿真比較分析

根據(jù)變電站通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)置NS2和OPNET仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。在變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包大小一般為400字節(jié)左右大小，發(fā)包的速率在一般為300～500 kb。由于變電站通信網(wǎng)絡(luò)不是恒定的，有很多突發(fā)的情況，因此仿真參數(shù)采用相似的設(shè)置。

圖1 NS2仿真拓?fù)鋱D

圖2 OPNET仿真拓?fù)鋱D

4.1 網(wǎng)絡(luò)流量對比分析

(1)在OPNET仿真中，設(shè)置的包產(chǎn)生速率是400 kb，包大小為500字節(jié)，包格式為 uniform_int，此格式對應(yīng)NS2應(yīng)用中的CBR。此時(shí)，每秒產(chǎn)生的包數(shù)目為100個(gè)，包間隔時(shí)間為0.01 s，仿真時(shí)間設(shè)為100 s，下圖為OPNET仿真后得到的流量圖。其中圖3表示通過求時(shí)間平均之后流量圖，圖4表示的是瞬時(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量圖。然后設(shè)置基于指數(shù)分布的包格式，圖5和6分別表示指數(shù)分布時(shí)的平均網(wǎng)絡(luò)流量和瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量。

圖3 OPNET uniform時(shí)間平均流量圖

圖4 OPNET uniform時(shí)間瞬時(shí)流量圖

圖5 OPNET指數(shù)分布時(shí)間平均流量圖

圖6 OPNET指數(shù)分布時(shí)間瞬時(shí)流量圖7表示NS2仿真時(shí)固定比特率平均流量圖，NS2仿真時(shí)的指數(shù)分布比特率平均網(wǎng)絡(luò)流量

圖圖8表圖，由于NS2中只取了其中時(shí)間平均流量，故只有兩個(gè)仿真結(jié)果圖。

圖7 NS2 CBR平均流量圖

圖8 NS2指數(shù)分布平均流量圖

由以上兩幅圖可以看出，OPNET仿真算法和結(jié)果更接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)流量，例如指數(shù)分布，NS2也提供了4種流量發(fā)生器，NS2中流量發(fā)生器產(chǎn)生包比較單一，不能仿真現(xiàn)行的數(shù)字化變電站中的GOOSE報(bào)文，需要自行添加協(xié)議模塊和包。OPNET在仿真網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)，各種網(wǎng)絡(luò)流量可以任意選擇。其中，OPNET中提供了 ON/OFF的建模機(jī)制，它比較逼近真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，并作為一種數(shù)學(xué)上的分析模型。在OPNET中，還可以配置一般應(yīng)用模型，這些模型已經(jīng)被模塊化到特殊物件拼盤(utilities)中，可以隨時(shí)使用，作為圖形化得界面使用十分方便，這點(diǎn)現(xiàn)行NS2無法做到。

4.2 網(wǎng)絡(luò)延遲對比分析

在比較OPNET和NS2仿真局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)，由于NS2中沒有交換機(jī)，只能設(shè)置為總線型局域網(wǎng)，而OPNET通過交換機(jī)設(shè)置局域網(wǎng)。在OPNET中，設(shè)置鏈路的長度為100 m，鏈路延遲設(shè)為0.002 s，仿真時(shí)間設(shè)為100 s。圖9表示的是瞬時(shí)的網(wǎng)絡(luò)延遲，從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)延遲略大于0.002 s，為0.0022 s左右;其中的0.002 s為鏈路延遲，多出的0.0002 s為交換機(jī)處理延遲，符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的情況。

圖9 OPNET時(shí)間瞬時(shí)延遲圖

圖10為設(shè)置同樣的參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2仿真后，得到的網(wǎng)絡(luò)延遲圖。從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)延遲的大小同樣為0.0022 s左右。其中，0.0002 s是網(wǎng)絡(luò)鏈路延遲，是在仿真時(shí)自行設(shè)立的，同樣，0.00022 s是交換機(jī)處理延遲，同樣符合真實(shí)網(wǎng)絡(luò)情況。

圖10 NS2時(shí)間平均延遲圖

通過以上OPNET和NS2仿真軟件，對同樣拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的仿真比較。得出OPNET和NS2仿真同樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌O(shè)置相同的鏈路延遲的時(shí)候，得到的網(wǎng)絡(luò)延遲是相同的。不同的是，當(dāng)仿真的時(shí)候，OPNET的交換機(jī)延遲是通過交換機(jī)設(shè)置參數(shù)得到的，在OPNET中，除了可以設(shè)置交換機(jī)處理延遲外，還可以通過交換機(jī)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)設(shè)置發(fā)送延遲和排隊(duì)延遲，同時(shí)，OPNET可以通過設(shè)置，同時(shí)顯示時(shí)間平均延遲和瞬時(shí)延遲，給仿真帶來了方便，這在NS2中是不能做到的，需要重新編寫分析程序才能得到;在NS2中，由于沒有交換機(jī)裝置，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代替交換機(jī)，設(shè)置的參數(shù)也是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置的，當(dāng)設(shè)置交換機(jī)處理延遲時(shí)候，是通過設(shè)置鏈路帶寬得到的交換機(jī)處理延遲，這與仿真不相符，于是，需要給NS2增加交換機(jī)模塊，同時(shí)可以設(shè)置交換機(jī)的處理延遲等。

5 結(jié)語

綜上通過NS2和OPNET仿真對比分析，由于OPNET結(jié)合了眾多廠家的設(shè)備和參數(shù)，OPNET內(nèi)部仿真算法比較接近網(wǎng)絡(luò)真實(shí)情況，且界面上十分工整，修改屬性和搭建網(wǎng)絡(luò)過程比較簡單。而NS2由于源代碼公開，內(nèi)部算法和邏輯節(jié)點(diǎn)可以自行修改。由于NS2和OPNET都沒有現(xiàn)成的處理基于IEC 61850協(xié)議的智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)模塊，故都不能直接用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)的仿真。課題采用修改NS2源代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部算法和邏輯結(jié)構(gòu)，采用了OPNET相似的界面設(shè)計(jì)。這是后期的研究方向。

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