基于OPNET的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級方案仿真分析

劉 慶，劉開芬

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，重慶 402160)

0 引言

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和各類新應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，企業(yè)原先所建立的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求。為了保護(hù)企業(yè)先前投資，同時又要滿足現(xiàn)代企業(yè)需要，絕大多數(shù)企業(yè)采用在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行擴(kuò)展和升級的策略，使企業(yè)網(wǎng)絡(luò)滿足不斷增長的應(yīng)用需要。在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級前，需要提出相應(yīng)的方案，并采取一定的技術(shù)手段對擴(kuò)展和升級網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行可行性分析。

1 OPNET仿真概述

OPNET的主要用途表現(xiàn)在企業(yè)網(wǎng)的模擬，OPNET Modeler調(diào)用已經(jīng)建好的標(biāo)準(zhǔn)模型組網(wǎng)，仿真分析網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能參數(shù)，為組網(wǎng)提供決策依據(jù)。Modeler采用階層性的模擬方式(Hierarchical Network Modeling)，從協(xié)議間關(guān)系看，節(jié)點模塊建模完全符合OSI標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)務(wù)層→TCP層→IP層→IP封裝層→ARP層→MAC層→物理層。從網(wǎng)絡(luò)物件層次關(guān)系看，提供了3層建模機(jī)制:最底層為進(jìn)程(Process)模型，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議;其次為節(jié)點(Node)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性;最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。三層模型和實際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性[1-5]。因此OPNET在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。

OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件采用基于包的建模機(jī)制和離散事件驅(qū)動的仿真機(jī)理，模擬實際物理網(wǎng)絡(luò)中包的流動和實際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的組包和拆包過程，具有豐富的統(tǒng)計量收集和分析功能，是目前世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺[6]。

2 企業(yè)原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及擴(kuò)展和升級需求

2.1 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

企業(yè)原有網(wǎng)絡(luò)建立于2002年，主要用于關(guān)鍵工作崗位人員訪問企業(yè)Web服務(wù)。企業(yè)人事處、廠辦和財務(wù)處連入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，分別有計算機(jī)終端3臺、4臺和4臺，共計11臺計算機(jī)。3個聯(lián)網(wǎng)的部門處于一層樓，分布距離均未超過100 m，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的速度均為10 Mbps，路由器R1將該企業(yè)網(wǎng)絡(luò)連入Internet。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 企業(yè)原網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)組成

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)通過一臺思科C2500路由器連入Internet，并采用一臺普通10M交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的核心交換設(shè)備將3個部門的集線器相連。整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路均為10 Mbps。

2.3 網(wǎng)絡(luò)中的主要應(yīng)用

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用是基于Web技術(shù)的HTTP和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，用戶可以通過內(nèi)部Web了解企業(yè)動態(tài)，包括基于Web技術(shù)的企業(yè)人事管理、檔案管理、工資管理、各類文件發(fā)布和查詢等。

2.4 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級需求

隨著企業(yè)業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)大，部門增多，計算機(jī)終端數(shù)量不斷增加，網(wǎng)絡(luò)越來越不能滿足用戶需求。企業(yè)決定對原有計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展和升級，其需求:

1)為了保護(hù)原先投資，原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備保持不變。

2)新增開發(fā)部和銷售部2個部門，分別有4臺、5臺終端連入網(wǎng)絡(luò)，新增部門后，網(wǎng)絡(luò)范圍在200 m以內(nèi)。

3)新增FTP、Email業(yè)務(wù)應(yīng)用，以解決企業(yè)內(nèi)部文件和郵件傳輸問題。

3 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級方案設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)新的需求，既保護(hù)先前投資，又要使網(wǎng)絡(luò)具有先進(jìn)性，提出擴(kuò)展與升級后的網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擴(kuò)展與升級后的網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

3.2 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)組成及關(guān)鍵技術(shù)

1)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)組成。

根據(jù)企業(yè)新的需求，新增思科C3500的交換機(jī)作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的核心交換設(shè)備，新增2個C2900交換機(jī)用于連接新增的2個部門，新增設(shè)備均為100 Mbps，鏈路也為100 Mbps。開發(fā)部和銷售部分別有4臺、5臺終端連入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)范圍在200 m以內(nèi)。企業(yè)原先連入網(wǎng)絡(luò)的3個部門的設(shè)備和鏈路保持不變，以保護(hù)企業(yè)原先投資。WEB_Server服務(wù)器的網(wǎng)卡升級為100 Mbps。

擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用:在Web和Database的基礎(chǔ)上增加了FTP、Email應(yīng)用，以解決企業(yè)內(nèi)部文件和郵件傳輸問題。

2)擴(kuò)展和升級的關(guān)鍵技術(shù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的三層結(jié)構(gòu)由接入層、匯聚層、核心層組成，三層結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)確保了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級后具有先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)。

為了確保網(wǎng)絡(luò)帶寬滿足應(yīng)用需要，在網(wǎng)絡(luò)中采用100M快速交換技術(shù)，保證每個客戶獨占100M帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3)預(yù)期效果。

通過以上網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級方案的設(shè)計，希望達(dá)到的預(yù)期效果是:網(wǎng)絡(luò)性能大幅提高，服務(wù)器負(fù)載控制在可接受的范圍。

4 仿真分析

4.1 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真流程

OPNET內(nèi)置了常用應(yīng)用協(xié)議，并采用模塊化的方式封裝應(yīng)用協(xié)議，在進(jìn)行仿真分析時，只需按照一定流程并設(shè)定相關(guān)參數(shù)就可以配置這類標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真流程一般分為4個步驟:

1)定義應(yīng)用。

定義應(yīng)用(Application)用于描述應(yīng)用動作，對于HTTP應(yīng)用規(guī)定每次取得頁面的大小和時間間隔;對于FTP應(yīng)用，設(shè)定上傳和下載流量、文件的大小和產(chǎn)生的事件間隔等。

2)設(shè)定業(yè)務(wù)主詢。

業(yè)務(wù)主詢定義用戶群所涉及的業(yè)務(wù)應(yīng)用，在企業(yè)擴(kuò)展和升級后的網(wǎng)絡(luò)中用戶群所涉及的業(yè)務(wù)HTTP、Database、FTP、Email這4種。業(yè)務(wù)主詢也規(guī)定用戶應(yīng)用的行為，用戶何時開始使用應(yīng)用、持續(xù)多久、是否限制流量等。

3)配置服務(wù)器支持的應(yīng)用。

一臺服務(wù)器可以同時支持多種應(yīng)用業(yè)務(wù)。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級后的WEB_Server同時支持HTTP、Database、FTP和Email這4種應(yīng)用業(yè)務(wù)，OPNET可以對每種應(yīng)用業(yè)務(wù)的處理速度、應(yīng)用業(yè)務(wù)流量、CPU處理開銷等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以仿真服務(wù)器的真實運行環(huán)境。

4)設(shè)定客戶端業(yè)務(wù)主詢。

客戶端業(yè)務(wù)主詢應(yīng)與服務(wù)器配置的業(yè)務(wù)應(yīng)用相一致，客戶端也可以配置多種業(yè)務(wù)主詢，在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級后客戶端支持的業(yè)務(wù)主詢有HTTP、Database、FTP、Email這4種。客戶端配置業(yè)務(wù)主詢后，可以在客戶端設(shè)定從哪些服務(wù)器獲得特定業(yè)務(wù)的服務(wù)。

4.2 關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)和仿真對比方法

影響計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)有帶寬、丟包率、網(wǎng)絡(luò)吞吐率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)利用率等。從企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級方案來看，主要涉及網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)的增加和網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)大這2個關(guān)鍵因素，而終端數(shù)量的增加會增大服務(wù)器的負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)大會影響網(wǎng)絡(luò)的時延。服務(wù)器負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)時延是該網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級方案中影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵參數(shù)。因此，選擇擴(kuò)展和升級前后服務(wù)器的負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)時延這2個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析，通過性能變化的對比分析，即可得出網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級方案前后性能變化情況，并由此驗證方案的可行性[7-8]。

4.3 擴(kuò)展和升級前關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)分析

擴(kuò)展和升級前的網(wǎng)絡(luò)是一個10M交換式和10M共享式混合網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用為輕量級的Database和 Web[9-11]，仿真主要參數(shù)設(shè)置如下:

在以上仿真參數(shù)條件下，選擇網(wǎng)絡(luò)延時(Delay)和服務(wù)器負(fù)載(Load)2個參數(shù)進(jìn)行仿真，得到這2個參數(shù)的變化情況，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)延時和服務(wù)器負(fù)載情況

通過對網(wǎng)絡(luò)延時和服務(wù)器負(fù)載進(jìn)行平滑處理后，可以得到直觀圖像，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)延時和服務(wù)器負(fù)載平滑圖

從圖4可知，此時網(wǎng)絡(luò)平均延時穩(wěn)定在0.00035(sec)，而WEB_Server服務(wù)器的平均負(fù)載在短暫急速上升后，處于130(bits/sec)。

4.4 擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)仿真和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)分析

擴(kuò)展和升級后的網(wǎng)絡(luò)是一個100M交換式和10M共享式混合網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用為輕量級的Database、Web、FTP、Email，仿真主要參數(shù)設(shè)置如下:

在以上仿真參數(shù)條件下，選擇網(wǎng)絡(luò)延時和服務(wù)器負(fù)載2個參數(shù)進(jìn)行仿真，得到這2個參數(shù)的變化情況，如圖5所示。

圖5 擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)延時和服務(wù)器負(fù)載變化

通過對網(wǎng)絡(luò)延時和服務(wù)器負(fù)載進(jìn)行平滑處理后，可以得到直觀圖像，如圖6所示。

圖6 擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)延時和服務(wù)器負(fù)載平滑圖

從圖6可知，在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級方案中，網(wǎng)絡(luò)范圍增加到200 m，終端數(shù)量也增加了9臺，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用范圍擴(kuò)大，此時，通過OPNET仿真結(jié)果可知，網(wǎng)絡(luò)平均延時穩(wěn)定在0.00025(sec)，服務(wù)器平均負(fù)載穩(wěn)定在1500(bits/sec)。

4.5 擴(kuò)展和升級前后關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)對比分析

4.5.1 擴(kuò)展和升級前后網(wǎng)絡(luò)延時對比

將擴(kuò)展和升級前后網(wǎng)絡(luò)延時的曲線經(jīng)過平滑和圖像疊加后，如圖7所示，在圖7中，a曲線表示擴(kuò)展和升級前的網(wǎng)絡(luò)時延，b曲線表示擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)延時。

圖7 擴(kuò)展和升級前后網(wǎng)絡(luò)延時對比

從圖7可知，擴(kuò)展和升級后平均網(wǎng)絡(luò)時延較擴(kuò)展和升級前降低0.00010(sec)或28.6%。雖然網(wǎng)絡(luò)終端增加，網(wǎng)絡(luò)范圍幾乎擴(kuò)大一倍，但擴(kuò)展和升級網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)中采用更高速的交換設(shè)備和100M鏈路，從而確保了網(wǎng)絡(luò)時延有所下降，擴(kuò)展和升級后，網(wǎng)絡(luò)性能得到了提升。

4.5.2 擴(kuò)展和升級前后服務(wù)器負(fù)載對比

將擴(kuò)展和升級前后服務(wù)器負(fù)載的曲線經(jīng)過平滑和疊加后，如圖8所示，在圖8中，b曲線表示擴(kuò)展和升級前網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)載，a曲線表示擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)載。

圖8 擴(kuò)展和升級前后服務(wù)器負(fù)載對比

從圖8可知，擴(kuò)展和升級后網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的負(fù)載由之前的130 bits/sec增加到1500 bits/sec，增加了近11倍，這說明在網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù)種類也增加的情況下，服務(wù)器負(fù)載將大幅增加，但對理論上可以處理100 Mbits/sec的服務(wù)器而言，1500 bits/sec的服務(wù)器負(fù)載在可接受的范圍內(nèi)[12-13]。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過對擴(kuò)展和升級前后關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行仿真分析后得出結(jié)論:按照企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和升級的設(shè)計方案對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展和升級后，網(wǎng)絡(luò)時延有28.6%的下降，服務(wù)器負(fù)載卻大幅上升了近11倍，但1500 bits/sec的服務(wù)器負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 100 Mbits/sec的理論負(fù)載，達(dá)到預(yù)期效果，可以按該方案擴(kuò)展和升級企業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，但應(yīng)該進(jìn)一步監(jiān)控服務(wù)器的實時負(fù)載，采取服務(wù)器的負(fù)載平衡技術(shù)等方式來降低服務(wù)器的負(fù)載。

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