通信网课程设计--基于OPNET的WLAN的建模仿真与分析.doc

基于OPNET的WLAN的建模仿真与分析摘 要 随着无线通信的迅速发展，越来越多的移动终端需要采用一种方便快捷的方式接入Internet，于是 WLAN 应运而生。本文利用OPNET软件，针对WLAN的各种特性，进行了建模与仿真，并对所得的仿真结果进行理论详细分析。在当今日新月异的信息技术时代，人们对网络通信的需求也随之不断提高。通信网络结构规模日趋庞大复杂，网络的应用越来越多样化，网络的性能也变得愈加难以预测。关键词 OPNET，WLAN,仿真，建模ABSTRACTWith the rapid development of wireless communication, more and more mobile terminal needs to use a convenient and efficient way to access Internet, so WLAN emerge as the times require. In this paper, OPNET software , various features for WLAN , modeling and simulation, and the simulation results obtained theoretical detailed analysis . In todays fast-paced era of information technology , the demand for network communication also continued to increase . The size of the communication network structure has become increasingly large and complex network applications are increasingly diverse , the performance of the network has become increasingly difficult to predict .Key Words OPNET，WLAN，Simulation, Modeling目录1.绪论12. 设计内容12.1 WLAN基本概念12.2 OPNET软件简介22.2.1离散事件仿真机制22.2.2 仿真调度机制22.2.3基于包和接口控制信息的通信32.2.4利用管道阶段仿真32.3 WLAN网络建模32.3.1创建场景32.3.2建模43.仿真结果及结果分析43.1各性能仿真结果53.2仿真结果分析54.心得体会8参考文献91.绪论在当今日新月异的信息技术时代，人们对网络通信的需求也随之不断提高。通信网络结构规模日趋庞大复杂，网络的应用越来越多样化，网络的性能也变得愈加难以预测。无论是构建新网络，还是升级改造现有网络，或者测试新的协议，都需要对网络传输的性能（如网络延时和吞吐量等），以及可靠性和稳定性进行客观的评估，进而降低网络组建的投资风险，使设计的网络有较高的性能和Qos，或者使测试结果能够真实反映新协议的表现。单纯地依靠经验来进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应当前网络的飞速发展。在这种情况下，网络仿真作为一种新的网络规划和设计方法应运而生，它以其独特的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性。目前，网络仿真技术已经逐渐成为网络规划、设计和开发中的主流技术。网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获取特定的网络特性参数的技术。数学建模包括网络建模（网络设备、通信链路等）和流量建模两个部分。模拟网络行为是指模拟网络流量在实际网络中传输、交换和复用的过程。网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络的链路流量和延时等，由此既可以获取某些业务层的统计数据，也可以得到协议内部某些特殊参数的统计结果。首先，网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。其次网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。目前常用的网络仿真软件种类已经比较丰富，主要有Berkeley NS,OMNeT+，SSFNET，OPNET等。其中，OPNET近几年赢得的大量奖项是人们对其在网络仿真中所采用的精确模拟方式及仿真结果的充分肯定。本文主要是在OPNET环境下建立WLAN，并进行仿真调试，测试WLAN的网络性能，包括网络时延、网络吞吐量和网络丢包率，并对其进行了分析与比较。2. 设计内容2.1 WLAN简述通信网络随着INTERNET的飞速发展, 从传统的布线网络发展到了无线网络，作为无线网络之一的无线局域网WLAN（Wireless Local Area Network），满足了人们实现移动办公的梦想，为我们创造了一个丰富多彩的自由天空。WLAN是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网LAN（Local Area Network）的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。WLAN(Wireless Local Area Networks)无线局域网是一种数据传输系统。它是利用射频PF(Radio Frequency)技术取代旧式双绞铜线(Coaxial)所构成的局域网络。无线局域网络一般不是用来取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络之不足，以延伸网络，作为有线局域网络的备用系统。各团体、企事业单位广泛地采用了WLAN技术来构建其办公网络。但随着应用的进一步发展，WLAN正逐渐从传统意义上的局域网技术发展成为“公共无线局域网”，成为国际互联网INTERNET宽带接入手段。WLAN具有易安装、易扩展、易管理、易维护、高移动性、保密性强、抗干扰等特点。WLAN网络产品的多种使用方法可以组合出适合各种情况的无线联网设计，可以方便地解决许多以线缆方式难以联网的用户需求。例如，数十公里远的两个局域网相联：其间或有河流、湖泊相隔，拉线困难且线缆安全难保障，或在城市中敷设专线要涉及审批复杂，周期很长的市政施工问题，WLAN能以比线缆低几倍的费用在几天内实现，WLAN也可方便地实现不经过大的施工改建而使旧式建筑具有智能大厦的功能。2.2 OPNET软件简介优化网络工程工具(Optimized Network Engineering Tool，简称OPNET)是OPNET公司开发的商用仿真平台，支持各类通信网络和分发系统的模拟与仿真，可通过离散事件仿真分析模型化系统的行为和性能，是目前较为流行的网络建模仿真工具。它涉及到仿真研究的各阶段，如模型设计、仿真、数据搜集和数据分析。OPNET Modeler仿真模型分为网络、节点和进程3个层次，分别在界面的Projeet Editor、Node Editor和Process Editor工具中建立。2.2.1离散事件仿真机制OPNET采用离散事件驱动的仿真机制。其中事件是指网络状态的变化。只有网络状态变化时，模拟机才进行仿真；状态不发生变化的时间段不进行仿真，即被跳过。仿真中的各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。每当出现一个事件中断时都会触发一个描述通信网络系统行为或者系统处理的进程模型的运行。OPNET采用的离散事件驱动的仿真机制决定了其时间的推进机制，即时间是跳跃着前进的。离散事件驱动使模拟机计算效率有很大提高，使仿真通信网络中的任何情况下的网络状态和行为成为可能。2.2.2 仿真调度机制在OPNET中使用基于事件列表的调度机制，合理安排调度事件，以便执行合理的进程来仿真网络系统的行为。调度的完成通过仿真软件的仿真核和仿真工具模块以及模型模块来实现，事件列表的调度机制具体描述如下：(1)每个OPNET仿真都维持一个单独的全局时间表，其中的每个项目和执行都受到全局仿真时钟的控制，仿真中以时间顺序调度事件列表中的事件，需要先执行的事件位于表的头部。当一个事件执行后将从事件列表中删除该事件。(2)仿真核作为仿真的核心管理机构，采用高效的办法管理维护事件列表，按顺序通过中断将在队列头的事件交给指定模块，同时接收各个模块送来的中断，并把相应事件插入事件列表中间。仿真控制权伴随中断不断地在仿真核与模块之间转移。(3)当事件同时发生时，仿真核按照下面两种办法来安排事件在事件列表中的位置：按照事件到达仿真核的时间先后顺序，先到达先处理;按照事件的重要程度，为事件设置不同的优先权，优先权高的先处理。2.2.3基于包和接口控制信息的通信OPNET采用基于包的建模机制来仿真实际物理网络中包的流动,包括在网络设备间的流动和网络设备内部的处理过程,仿真实际网络协议中的组包和拆包的过程。另外，在建模和仿真中,OPNET还可以根据需要生成、编辑或自定义包及查看包头和数据区等。在OPNET中,包被看作是对象，可以创建和对其进行编辑。同时,OPNET还可以用类似于包的通信机制的接口控制信息的描述方法。接口控制信息比包结构简单,它以事件为载体,且适用于任何事件，广泛用在有关事件调度的场合,如同一节点模型的不同模块之间、不同节点模型之间以及同一节点模型的相同模块内。2.2.4利用管道阶段仿真OPNET支持三种链路形式：点对点链路、总线链路和无线链路。为了描述在不同物理特性上的特点,OPNET采用一系列管道阶段去仿真。对于有线点对点链路需4个管道阶段,分别是传输延时、传播延时、错误分配和纠错阶段;而对于总线链路,则需传输延时、链路闭锁、传播延时、冲突检测、错误分配和纠错6个阶段。与点对点链路相比,总线最大的特点是可供多个收信机同时接收信号，而发信机端的传输延时计算一次。2.3 WLAN网络建模要创建一个新的网络模型，首先要创建一个新的项目和一个新的场景。重要应用知识点：采用开始建立向导 (Startup Wizard)来建立一个新的项目和一个新的场景。开始建立向导有以下几个步骤：一、选择网络拓扑类型；二、设定网络的范围和大小；三、设定网络背景图；四、选择对象模型家族。2.3.1创建场景1.新建一个项目，如图1所示；2.输入项目名称和场景名称，每个项目必须至少有一个场景。将新建场景向导打勾；图13.按默认选择创建一个空场景；4.选择办公室网络；5.设置场景大小，这里设置为1000m；6.选择要用的模型库，依次选择3Com、ethernet和wireless_lan；7.确认场景信息无误，完成向导；2.3.2建模从弹出的模型窗口中分别选择交换机、以太网服务器、无线AP、无线终端，并放置在场景中，修改为可理解的名字，并将以太网服务器和交换机，交换机和无线AP之间用10BaseT的链路模型链接。如图2所示。图2完成后的拓扑图如图3所示。图3（1）配置仿真参数，在空白处单击右键，选择Choose Individual DES Statistics，对需要仿真的项目打上勾；（2）配置完成后点击ok，在工具栏里找到下面这个仿真按钮，配置仿真时间为400s，点击运行开始仿真。3仿真结果及结果分析3.1各性能仿真结果1.以太网延时仿真如图3.1所示2.WLAN丢包率、延时、吞吐量仿真3.以太网交换机与WLAN路由器间吞吐量仿真4.以太网交换机与路由器节点间的吞吐量仿真5.以太网平均延时仿真6.WLAN丢包率、延时、吞吐量平均仿真 7.交换机与WLAN路由器间吞吐量平均仿真8.以太网交换机与路由器节点间的吞吐量平均仿真3.2仿真结果分析由仿真结果图可知全局和WLAN的统计量，网络时延（Wlan Delay)、负载量(Wlan load)、吞吐量(Wlan Throughput)的统计量。平均系统延时是衡量网络性能的重要指标。配置的仿真时间均为l小时，其他为默认配置。为方便比较，仿真结果取平均值。在33S时全局的时延为0.00001082；在33S时WLAN的延时为0.000281；当网络的负载量（200，250）、吞吐量（2000,2900）时出现时延。可知道以太网交换机与WLAN路由器间的延时（Delay)、吞吐量(Throughput)和服务器与交换机间的吞吐量(Throughput)。36S时交换机与路由器间时延为0.0000944，吞吐量达到200或接近时节点间出现时延，其他时间节点间数据传输稳定，性能良好。交换机到服务器吞吐量持续为0，服务器到交换机时吞吐量最大可达到200以上。通过OPNET仿真可得下述结论：1 随着业务总负载的加大，网络吞吐量也逐渐加大。当业务总负载达某个数时，网络各种性能指标基本达到最优，随着业务总负载的继续增加，网络丢失率和端对端延时性能开始下降；2无线局域网的吞吐量性能当达到最优时开始趋于稳定(有微 弱下降)，但丢失率和端对端延时等性能开始急剧下降。当负载过 大，而移动站不能及时竞争到有限的信道资源，从而造成高层数据分组队列积压过多分组，导致数据丢失；同时分组的积压使分组在 队列中等待服务的时间增大，造成分组的端对端延时增大。3网络延时方面，所设计拓扑结构性能呈周期性变化，每当网络负载量、吞吐量达到峰值或接近峰值时开始出现时延。4丢包率方面，所设计网络是在理想状态单一数据流下的仿真，所以基本达到丢包率为0的理想状态。不存在丢包率的问题，5吞吐量方面，当网络运行时，吞吐量以周期的形式达到峰值进而出现延时，整个过程中该指标可以达到预先要求。4.心得体会本次课程设计是用OPNE