基于OPNET 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP 仿真實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

游勝玉，劉琳

（東華理工大學軟件學院，江西 南昌 330013）

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)離不開人們的生活。社會需求的日益增加，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也不斷復雜化，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也不斷多元化，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實驗操作環(huán)境已遠遠不能滿足現(xiàn)代實驗操作的要求。在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，服務(wù)器、交換機、防火墻及路由器是網(wǎng)絡(luò)的主流設(shè)備[1-2]，即使實際的網(wǎng)絡(luò)實驗中采用一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但意味著需要投入更高的成本，且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護也比較復雜，特別是對于那些復雜的大型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，更需要大量的人力物力來建設(shè)。另外，對于初學者來說，如果在硬件設(shè)備搭建實驗過程中出現(xiàn)故障導致實驗失敗，也不知道問題出現(xiàn)在哪，從而影響實驗效果[3-4]。因此，針對這樣的情況，引入仿真技術(shù)來搭建網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，可以減少投資成本，并且對于初學者而言又鍛煉了實踐能力。本文采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件搭建仿真實驗平臺，對傳輸控制協(xié)議TCP 的慢啟動算法、擁塞避免算法、快速重傳算法和快速修復算法進行設(shè)計與實現(xiàn)。

1 OPNET 介紹

1986 年，麻省理工大學的2 名博士創(chuàng)建了一個公司，名為OPNET。第二年，OPNET 公司的第一個商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)性能仿真軟件問世，使得具有預(yù)測性的網(wǎng)絡(luò)性能管理和仿真成為可能。OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是OPNET 公司推出的最早及最具有影響力的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對網(wǎng)絡(luò)的建模仿真、提前預(yù)測大大提高了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的質(zhì)量，起了一個劃時代的作用[5]。

OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件主要包括OPNET Modeler、OPNET ITGuru、OPNET SPGuru 和WDM Guru、ODK和NetBizODK 共4 個系列。OPNET Modeler 系列主要用來進行研究，可以用來分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和一些通信協(xié)議；OPNET ITGuru 系列主要是針對大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的管理和分析，查找問題，找出性能瓶頸，提出解決方案等；OPNET SPGuru 和WDM Guru 系列主要面向運營商，面向智能化的網(wǎng)絡(luò)管理；ODK 和NetBizODK 是一個更底層的軟件開發(fā)平臺，ODK 為開發(fā)時的環(huán)境，NetBizODK 為運行時的環(huán)境，由多種軟件組件庫組成，主要應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)的建模、仿真、優(yōu)化和分析。OPNET 迅速而穩(wěn)步地發(fā)展，作為高科技網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、仿真、分析工具，OPNET 在通信、國防及計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛認可和采用[6]。

2 仿真實驗設(shè)計與配置

OPNET Modeler 是一款非常優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具，它不僅支持面向?qū)ο蟮慕７绞剑疫€可以提供圖形化的編輯界面。它的強大功能和全面性，使它可以模擬任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、支持各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。因此，本文采用OPNET Modeler 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件作為仿真平臺，對傳輸控制協(xié)議TCP 的慢開始算法、擁塞避免算法、快速重傳算法和快速修復算法進行模擬實驗。

2.1 TCP 協(xié)議擁塞算法介紹

傳輸控制協(xié)議TCP 是一種面向連接可靠的全雙工通信協(xié)議，其核心思想是基于共享資源管理下，按照一定的算法來控制傳輸數(shù)據(jù)，并且合理地利用資源，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。TCP 協(xié)議包括4 種擁塞控制算法，即慢開始算法、擁塞避免算法、快速重傳算法和快速恢復算法。這些算法的核心就是通過控制擁塞窗口的大小，發(fā)送端可以控制業(yè)務(wù)量，從而控制網(wǎng)絡(luò)擁塞。在傳輸過程中，發(fā)送端逐漸增加窗口的大小，一直到出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失，窗口值迅速下降，然后開始逐漸增大，從而有效避免了擁塞癱瘓[7]。

慢開始算法：它是一個在TCP 連接上控制數(shù)據(jù)流發(fā)送速度的算法。顧名思義，在開始時就不要發(fā)送大量數(shù)據(jù)，將發(fā)送窗口及擁塞窗口初始值設(shè)為1，等接收方確認數(shù)據(jù)之后，擁塞窗口成倍增加，發(fā)送窗口也成倍增加；直到窗口大小等于慢開始門限值時，改為每次加1，直至擁塞。慢啟動算法是一個在TCP 連接上控制數(shù)據(jù)流發(fā)送速度的算法。

擁塞避免算法：它是一種處理丟失報文的算法。許多輸入流到路由器，而路由器輸出能力不足的時候，擁塞避免就是為解決這個問題而提出的。數(shù)據(jù)包的丟失率是非常低的，那么丟失的數(shù)據(jù)包，將產(chǎn)生一個信號，在源和目的地址之間有堵塞現(xiàn)象，所以在實際情況中，它們在共同的階段相互作用。

快速重傳算法：TCP 協(xié)議為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用了超時重傳機制，在發(fā)送一個數(shù)據(jù)后開始啟動一個計時器，在一定時間內(nèi)如果沒有得到發(fā)送數(shù)據(jù)報的確認幀ACK（Acknowledgement，確認字符）報文時，那么就重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送成功為止?？焖僦貍魉惴ㄊ窃跀?shù)據(jù)包丟失的情況下給出的一種修補機制。一般來說，重傳發(fā)生在超時之后，但如果接收端在一個往返時間里接收到3 個以上的重復確認幀ACK 報文時，這就代表數(shù)據(jù)丟失了，需要重傳，快速重傳不需要等到重傳定時器溢出時再進行重傳，所以叫快速重傳。

快速恢復算法：它是在快速重傳算法后，當接收端收到3 個確認幀ACK 時，就將慢啟動閾值設(shè)置成為當前的擁塞窗口值的1/2，發(fā)送重傳的數(shù)據(jù)報，并采用擁塞避免算法，每收到一個確認幀，擁塞窗口就增加一個報文段，而不啟動慢開始算法?？焖僦貍骱涂焖倩謴退惴ǖ淖饔枚际强焖倩謴蛠G失的數(shù)據(jù)包，如果沒有快重傳和快恢復，TCP 將會使用定時器來要求傳輸暫停，在暫停時間內(nèi)，沒有新的數(shù)據(jù)包被發(fā)送，從而影響通信質(zhì)量。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖的建立

首先，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)模型，模擬現(xiàn)實中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在實驗環(huán)境中仿真搭建一個從Paris 地區(qū)到Sthlm 地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，在Paris 地區(qū)的子網(wǎng)上設(shè)置服務(wù)器和路由器，接著在Sthlm 地區(qū)的子網(wǎng)上也設(shè)置服務(wù)器和路由器，用來建立雙方網(wǎng)絡(luò)的連接，通過通信模擬TCP 協(xié)議。

其次，在OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的界面下打開opnet→File→Project，新建一個工程，接著選擇場景，向場景里面添加所需的設(shè)備及物件，如一個應(yīng)用配置物件（Application Definition）、一個業(yè)務(wù)主詢配置物件（Profile Definition）、路由器，服務(wù)器等，并且對2 個地區(qū)的服務(wù)器及路由器進行配置，設(shè)置相應(yīng)服務(wù)器和路由器設(shè)備的名稱、IP 地址、子網(wǎng)掩碼網(wǎng)關(guān)地址等，在應(yīng)用配置物件上配置TCP 協(xié)議的各種參數(shù)值，包括數(shù)據(jù)包大小、接收緩沖區(qū)大小、擁塞窗口值大小等，其拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 Paris 到Sthlm 的網(wǎng)絡(luò)

2.3 TCP 協(xié)議仿真結(jié)果與分析

2.3.1 慢開始與擁塞避免算法同時使用的仿真

慢開始與擁塞避免算法同時使用的仿真結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，TCP 協(xié)議在執(zhí)行緩慢開始和擁塞避免算法時，初始窗口很小，但是呈指數(shù)型增長；如果一旦超過規(guī)定的最大窗口閾值（ssthresh）的話，其窗口大小增長曲線將呈線性增長，這就是擁塞避免算法的實現(xiàn)。從圖中還可以看出，在一個1 s 時間窗口內(nèi)，窗口閾值從1 200 字節(jié)成倍增長到67 000 個字節(jié)，這是慢開始算法。當閾值達到大約67 000 字節(jié)時，開始“加法增大”，這就是擁塞避免算法。

圖2 慢開始與擁塞避免算法同時使用的仿真結(jié)果

2.3.2 慢開始、擁塞避免和快速重傳算法同時使用的仿真

慢開始、擁塞避免和快速重傳算法同時使用的仿真結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，在1 min 54 s時間窗口內(nèi)，窗口閾值從1 440 字節(jié)成倍增長到近65 535 個字節(jié)，這是慢開始算法。當閾值達到大約65 535 字節(jié)，開始“加大算法”，這就是擁塞避免算法。

圖3 慢開始、擁塞避免和快速重傳算法同時使用的仿真結(jié)果

窗口大小達到大約72 725 字節(jié)時，應(yīng)該得到3 個連續(xù)的ACK，根據(jù)3 個重復來確定響應(yīng)包丟失，立即重新發(fā)送數(shù)據(jù)包丟失，然后設(shè)置最大窗口閾值ssthresh作為當前擁塞窗口72 725 字節(jié)的1/2，這是快速重傳（Tahoe）算法，然后轉(zhuǎn)移到一個緩慢的開始。

2.3.3 慢開始、擁塞避免、快速重傳和快速修復算法同時使用的仿真

慢開始、擁塞避免、快速重傳和快速修復算法同時使用的仿真結(jié)如圖4 所示。從圖中可以看出，與同時使用慢開始、擁塞避免和快重傳算法類似，TCP 協(xié)議在執(zhí)行緩慢開始和擁塞避免算法時，它的初始窗口的值比較小，但呈指數(shù)級增長，但是到了最大窗口閾值（ssthresh）的時候，窗口大小就會增長并且呈線性增長。

圖4 慢開始、擁塞避免、快速重傳和快速修復算法同時使用的仿真結(jié)果

從圖4 的仿真結(jié)果中可以看出，在1 min 54 s 時，窗口左右值近65 535 個字節(jié)從近1 460 字節(jié)成倍增長，這就是慢開始。當閾值達到大約65 535 字節(jié)時，開始“增大加法”，這就是擁塞避免算法。窗口大小達到大約72 638 字節(jié)時，應(yīng)該得到3 個連續(xù)的確認幀ACK，如果基于3 個重復來確定響應(yīng)包丟失和重傳丟失的數(shù)據(jù)包，如果收到non-duplicate ACK，擁塞窗口值cwnd=最大窗口閾值ssthresh，進入擁塞避免階段，這是快速重新傳輸/快速恢復算法（Reno）。

3 結(jié)束語

計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的越發(fā)復雜化及應(yīng)用的越發(fā)多元化，使網(wǎng)絡(luò)更加需要一個可靠的規(guī)劃與設(shè)計的方法，可是傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要是靠經(jīng)驗而來，這樣就會導致花費大量的人力物力來規(guī)劃、設(shè)計及建立更加完善的網(wǎng)絡(luò)，這對于目前這些復雜的大型網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)非常不利。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的出現(xiàn)，大大方便了網(wǎng)絡(luò)工程師們建設(shè)一個優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)，其中OPNET 仿真軟件，不僅在設(shè)計上非常規(guī)則，而且在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及建設(shè)方面也很大程度縮短了周期，從而進一步提高了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的科學性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資成本及風險，讓網(wǎng)絡(luò)工程師們看到了重要的、客觀的及可信的定量依據(jù)，并完美呈現(xiàn)出一個美好的網(wǎng)絡(luò)前景。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的使用，在協(xié)議開發(fā)、標準開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)運營管理等方面，可以極大地提高效率，為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展提供強有力的支持。

因此，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來構(gòu)建計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗環(huán)境，既可以減低實驗設(shè)備的投資成本，又可以提高初學者動手實踐能力和創(chuàng)造能力，提高做實驗的效率。本文介紹了采用OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對TCP協(xié)議的4 種算法進行模擬仿真實驗，通過實驗得出OPNENT 仿真軟件能夠很好地仿真設(shè)計與分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。初學者還可以利用OPNET 仿真軟件仿真計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)類、設(shè)計類、綜合類及創(chuàng)新類實驗等，通過實驗把理論與實踐更好地結(jié)合起來，把實踐知識應(yīng)用到實際環(huán)境中，為后續(xù)的學習打好基礎(chǔ)。

參考文獻：