基于OPNET仿真實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能對比研究

耿強(qiáng)++黃雪琴++姜文波++程思寧++陳顯軍++焦凱

摘要：如今網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)鏈路雖然越來越好，但隨著國家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的不斷深化實(shí)施，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用會呈幾何級增加，這樣部分單位會新建或改建現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，如何確保新網(wǎng)絡(luò)的性能適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)是個(gè)很實(shí)際的問題。文中首先分析各類網(wǎng)絡(luò)仿真軟件特點(diǎn)，著重介紹OPNET的仿真建模要素，同時(shí)利用OPNET對改建前后的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行比較，確定改造效果及仿真意義。

關(guān)鍵詞：OPNET ； 網(wǎng)絡(luò)仿真 ； 網(wǎng)絡(luò)建模 ； 網(wǎng)絡(luò)性能

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0037-03

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的不斷深入與發(fā)展，所建網(wǎng)絡(luò)的性能能否滿足設(shè)計(jì)需求，單靠軟硬件所標(biāo)注性能參數(shù)衡量及工程師經(jīng)驗(yàn)是不夠準(zhǔn)確的。因此能在節(jié)約設(shè)計(jì)成本的條件下，對所建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行性能前期預(yù)測是很有必要的。

1 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件介紹

網(wǎng)絡(luò)仿真是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，結(jié)合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求，利用仿真軟件構(gòu)建一個(gè)模擬測試平臺，可以針對網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)流、網(wǎng)絡(luò)各類硬件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，還可對網(wǎng)絡(luò)中的帶寬、負(fù)載、CPU利用率、時(shí)延、誤碼率等性能參數(shù)進(jìn)行分析比對，并依據(jù)仿真結(jié)果做出直接有效的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)決策。

下面針對現(xiàn)有主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET和NS2進(jìn)行介紹：

1.1 OPNET介紹

OPNET出自麻省理工學(xué)院，在1987年得以商業(yè)化。它可以利用其各個(gè)功能仿真模塊，模擬諸如以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等各類網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信，并針對網(wǎng)絡(luò)模型中的任意設(shè)備或位置設(shè)置監(jiān)視點(diǎn)，采集該點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)，并加以分析，最終以圖形化的方式展現(xiàn)輸出，供網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員參照使用。該仿真軟件主要支持的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家有HP、Cisco、3Com等。同時(shí)也可在Windows環(huán)境下使用C/C++語言來控制有限狀態(tài)機(jī)的邏輯狀態(tài)和轉(zhuǎn)移細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自定義建模。

1.2 NS2介紹

NS2是一種開源仿真軟件，可以通過C++語言編寫的協(xié)議函數(shù)以及OTCL編寫的配置文件，來實(shí)現(xiàn)針對各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行模擬或修改，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型仿真。

1.3 上述二者對比

在現(xiàn)有針對網(wǎng)絡(luò)仿真的各類軟件中，NS2和OPNET是應(yīng)用較為廣泛的兩種。二者區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：

1）針對安裝和使用時(shí)的系統(tǒng)環(huán)境而言，OPNET適配于Windows系統(tǒng)場合，而NS2更匹配于Linux的開發(fā)環(huán)境；

2）OPNET是商用軟件，因而開發(fā)界面和操作方式更加友好，功能上面也更加全面，但對于復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不如NS2靈活。但NS2從新手學(xué)習(xí)來說更加復(fù)雜；

3）NS2是免費(fèi)開源軟件，這是與OPNET相比最大的優(yōu)勢。另外NS2對于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的場景仿真較為占用系統(tǒng)資源。

2 OPNET的重要結(jié)構(gòu)

OPNET軟件包主要由ITDecisionGuru、Modeler、Modeler/Radio三個(gè)模塊組成。這里重點(diǎn)介紹一下Molder模塊，它既有仿真分析功能，還可以針對不同的網(wǎng)絡(luò)層次建立自定義的通信協(xié)議。

OPNET Modeler主要由針對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯的網(wǎng)絡(luò)編輯器、用于對涉及的網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)流編輯的節(jié)點(diǎn)編輯器、用于控制節(jié)點(diǎn)間事件觸發(fā)控制流的進(jìn)程編輯器、用于創(chuàng)建用戶自定義的各類數(shù)據(jù)包的包格式編輯器、用于搜集仿真結(jié)果的探針編輯器這五部分構(gòu)成。上述五個(gè)部分在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)節(jié)中，按照順序逐一執(zhí)行，從而得到理想的仿真結(jié)果。

3 網(wǎng)絡(luò)改建前后性能仿真

單位原有一個(gè)以星型結(jié)構(gòu)布局的有15個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的局域網(wǎng)，并且所有用戶共享一臺服務(wù)器資源?，F(xiàn)增加一個(gè)接入交換機(jī)，并在新增加的交換機(jī)上以星型拓?fù)浣尤胗?個(gè)新用戶節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也能直接訪問原有服務(wù)器資源?？紤]以前服務(wù)器的硬件配置可能性能不足的情況，假設(shè)改建后所有21個(gè)用戶同時(shí)訪問服務(wù)器，整個(gè)辦公網(wǎng)會不會出現(xiàn)訪問失敗或延遲太大的問題？基于此考慮使用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，以確保改造后的網(wǎng)絡(luò)性能能夠滿足業(yè)務(wù)需求。

結(jié)合OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真的一般步驟，進(jìn)行了以下仿真操作：

1）根據(jù)上述需求及問題，明確要仿真的對象和待解決的問題。這里新建一個(gè)名為“HKC”的工程，場景名為“Existing Network”；

2）結(jié)合仿真目的，利用OPNET軟件進(jìn)行仿真建模。其中包括設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的范圍、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)連接核心硬件、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型等?？墒褂谩翱焖偻?fù)渑渲霉ぞ摺睂?shí)現(xiàn)原有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置。

3）完成基本拓?fù)淠Ｐ驮O(shè)置后，可以進(jìn)行相關(guān)結(jié)果搜集的準(zhǔn)備工作。如CPU占用率、負(fù)載、流量、延時(shí)等等。為了更加準(zhǔn)確的自定義搜集網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，也可以打開如圖1和圖2所示關(guān)于服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的模型編輯器和進(jìn)程模型編輯器，在進(jìn)程模型編輯器中，點(diǎn)擊INIT進(jìn)程上部或下部，可對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行入口或出口代碼的按需編程。

4）建立完網(wǎng)絡(luò)模型并設(shè)置好將要采集的狀態(tài)后，現(xiàn)在可以選擇收集哪些參數(shù)值。在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上單擊右鍵，從彈出的菜單中選擇Choose Individual Statistics，選擇監(jiān)視服務(wù)器的CPU占用率和負(fù)載，另外右鍵點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)編輯器工作空間，監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)延遲情況。

5）完成上述操作后，即可進(jìn)行仿真測試。可以設(shè)置仿真執(zhí)行時(shí)長為“0.5 hours”，即30分鐘，點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕后，仿真開始運(yùn)行，直到提示仿真完成。此時(shí)可以在項(xiàng)目編輯器中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇菜單中的“View Results”來查看結(jié)果。

在仿真結(jié)果中，可以看到剛才設(shè)置的監(jiān)視點(diǎn)捕獲的所有性能參數(shù)結(jié)果集。但現(xiàn)在為了能夠掌握改建后網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)變化，需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行修改，以適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。這里通過在OPNET的Scenarios菜單中選擇Duplicate Scenario（復(fù)制場景），實(shí)現(xiàn)保留原場景，并復(fù)制出一個(gè)供修改的新場景“New Network”?？梢栽谛聢鼍爸刑砑有碌木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D3所示。

6）針對改建后新的網(wǎng)絡(luò)場景，再次配置仿真參數(shù)并進(jìn)行仿真，觀察對比結(jié)果，可以對該項(xiàng)目下兩種不同場景的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

圖4是針對整個(gè)系統(tǒng)的訪問延遲進(jìn)行的對比。可見延遲由原來的0.006秒變化為最大0.008秒，但此種變化對于用戶體驗(yàn)來說，幾乎可以忽略不計(jì)；圖5中第1個(gè)和第2個(gè)小圖所示，可見服務(wù)器的CPU利用率維持在0.002%左右，幾乎沒有劇烈變化，可見新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對服務(wù)器CPU資源占用影響不大；再看圖5中第3個(gè)和第4個(gè)小圖，服務(wù)器的負(fù)載均穩(wěn)定在2000 bits/s附近的狀態(tài)，二者變化不大，可見新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對服務(wù)器的負(fù)載影響不大；綜上可知，此次的網(wǎng)絡(luò)改建，對于服務(wù)器和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能來說，所帶來的影響完全在用戶可接受的范圍之內(nèi)，可以進(jìn)行實(shí)際改建。

4 結(jié)束語

由上述可知，在互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的今天，各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)要求不斷變化提升，對于新建和改建的網(wǎng)絡(luò)所面臨的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選型、拓?fù)湟?guī)劃、設(shè)備選擇、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署等實(shí)際問題，利用OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真均可以提供可靠的網(wǎng)絡(luò)模型和性能定量參考依據(jù)，據(jù)此也可以提出性價(jià)比最優(yōu)的解決方案。

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