（通信与信息系统专业论文）windows操作系统下对实时通信系统的仿真研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着通信系统和计算机技术的发展，通信系统仿真在系统设计、优化和评估中将 会占有越来越重要的地位。目前市场上提供的诸多仿真工具软件对于通信系统而言 具有极强的普适性，但是却要求仿真软件的使用者掌握一定的先验知识。 为了提供一种价格低廉、使用要求低和可观测性强的通信仿真软件，本文提出一 种新的通信系统仿真机制w i n d o w s 软件仿真机制。在该机制中通过利用单线程 消息处理机制来仿真f s m 通信系统。本文从理论上分析了用计算机局域网来仿真通 信系统低层硬件平台的可行性。此外，本文还提出了一个高精确度的计费算法 分段优惠间接扣除算法，同时提供了w i n d o w s 下的消息跟踪机制来仿真信令跟踪系 统i 、 本文首先介绍了国内外通信系统仿真研究的相关状况和各种通信系统描述语言。 其次针对上述通信系统仿真软件高价位和高使用要求的缺陷，提出了应用于通信系 统仿真低端市场的仿真机制w i n d o w s 软件仿真机制，同时阐述了该机制是如何 从通信网络、呼叫处理、信令跟踪和计费系统等方面对实际通信系统进行仿真。紧 接着本文从系统角度阐述了该仿真机制的系统模型，并详细研究了该仿真模型的相 关关键技术。随后，本文介绍了在程控交换教学实验系统中对该仿真机制的应用。 最后简述了该软件实验系统的测试结果，并针对该仿真机制作出了相关总结。 关键词：通信仿真，程控交换教学实验，有限状态机，计费算法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a o t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d c o m p u t e r t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nd e s i g n i n g ，o p t i m i z i n g a n de v a l u a t i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t o d a y , i nt h em a r k e tt h e r ea r es e v e r a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ew h i c hh a v eh i g hu n i v e r s a l i t yf o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b u tt h e s et o o l sr e q u i r e t h eu s e r st og r a s ps o m ep r e - k n o w l e d g e i no r d e rt o p r o v i d e al o w - p r i c e ，l o w r e q u i r e m e n ta n d h a v i n gh i g h o b s e r v a t i o n c h a r a c t e r sc o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o n s o f t w a r e ，a n e wm e c h a n i s mt o s i m u l a t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e di nt h et h e s i s i ti sc a l l e dw i n d o w ss o f t w a r es i m u l a t i o n m e c h a n i s m i nt h i sm e c h a n i s m ，s i n g l e t h r e a dm e s s a g ep r o c e s s i n gi su s e dt os i m u l a t ef s m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gl a n t os i m u l a t et h el o w - l a y e rh a r d w a r e n e to fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i sa l s oa n a l y z e di nt h e o r y m o r e o v e r ，i nt h et h e s i s ，a nc h a r g e a l g o r i t h mw i t hh i g ha c c u r a c y c a l l e dp a r t i t i o nr e b a t ei n d i r e c ts u b t r a c t i o na l g o r i t h mi s p r e s e n t e d ，a n d a l s ot h em e s s a g et r a c km e c h a n i s mi nw i n d o w si s p r o v i d e dt o s i m u l a t e t r a c k i n gm e s s a g e ss y s t e m f i r s t l y , t h eg e n e r a l i n f o r m a t i o no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e s e a r c h ，a n dd e s c r i b i n g l a n g u a g e so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s s e c o n d l y , t os o l v et h e p r o b l e mt h a t m o s ts i m u l a t i o ns o f t w a r eh a s h i g hp r i c e a n dh i g h r e q u i r e m e n t ，a n e w s i m u l a t i o nm e c h a n i s mn a m e dw i n d o w ss o f t w a r es i m u l a t i o nm e c h a n i s mi sp r e s e n t e df o r l o wp r i c em a r k e to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n a n di n t r o d u c e st h a th o wt h e m e c h a n i s mt os i m u l a t et h er e a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， m a n a g i n gc a l l s ，t r a c k i n gm e s s a g e s a n dc h a r g e s y s t e m t h i r d l y , t h e t h e s i s e x p o u n d s w i n d o w ss o f t w a r e s i m u l a t i o n m o d e l ，a n ds t u d y t h er e l a t e d k e yt e c h n o l o g i e s t h e n i n t r o d u c e st h et e a c h i n ge x p e r i m e n t ss y s t e mo fp r o g r a m m i n gs w i t c h i n gm a k e su s eo ft h e s i m u l a t i o nm e c h a n i s m a tl a s t ，i t b r i e f l y i l l u s t r a t e st h et e s t i n gr e s u l to ft h es o f t w a r e e x p e r i m e n t ss y s t e m ，a n ds o m e c o n c l u s i o n so f t h es i m u l a t i o nm e c h a n i s m k e y w o r d s ：c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o n , t e a c h i n ge x p e r i m e n t so fp r o g r a m m i n gs 训t c h i n g ， f s m ，c h a r g e a r i t h m e t i c 厂 华中科技大学硕士学位论文 前言 实践性教学对巩固理论知识，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及开发 创造力都有重要的作用。因此，在深化教育改革时，必须重视对实践性教学环节尤 其是实验教学的改革。华中科技大学电信系针对这一目的，准备建设现代通信实验 室，在原有通信原理实验系统的基础上，增加数字程控交换实验系统、光纤通信实 验系统和移动通信实验系统等，让学生深入了解当今各种通信技术的原理及其实现， 以适应当今通信技术的迅猛发展。于是，开发数字程控交换教学实验系统被当作建 立华中科技大学电信系现代通信实验室的一个子项目。 本文的相关技术应用部分是该课题的一个核心组成部分，主要包括通信网络、 呼叫处理、信令跟踪以及计费等模块的仿真方案研究、设计和编程实现。本人在该 项目中承担的主要任务有：系统相关数据的设计和相应数据管理功能的实现，呼叫 处理模块的s d l 流程图设计以及在w i n d o w s 下的方案设计和编程实现，信令跟踪模 块的方案设计和编程实现，计费模型的建立和具体编程实现，仿真通信网络的建立 方案和编程实现，程控交换教学软件实验系统的测试。 本文的研究内容主要是讨论如何在w i n d o w s 这一分时操作系统下对实时通信系 统进行仿真。为了完成通信系统中信令实时传输的目的，针对实时通信网络和计算 机网络的相关特性，本文提出了用计算机网络来仿真小容量电信网络的方案。鉴于 在大容量实时通信系统中采用复杂的多线程并行处理机制来实现呼叫处理功能，对 其中的数据管理和资源调度要求很高，本文提出了一种单线程的基于w i n d o w s 消息 处理的f s m 实现机制，给出了通信系统在w i n d o w s 下的一种简单实现方法。同时， 在以上呼叫处理模块实现的基础上，充分利用w i n d o w s 的消息发送和接收机制，完 成了消息跟踪功能的方案设计。此外，在考察现有市场一般通信系统计费实例的基 础上，本文给出了种通用计费模型，并详细研究了计费算法中的精确度问题。上 述即是本文中提出的w i n d o w s 软件仿真机制。 基于以上研究，我们在数字程控交换教学实验系统中采用了w i n d o w s 软件仿真 机制，并获得了成功，充分印证了该仿真机制的可行性。 华中科技大学硕士学位论文 1通信系统仿真概述 设计、优化以及评估通信系统，都可以通过对通信系统的仿真分析来实现。在仿 真分析中，计算机可追踪系统设计方案中的每一个细节，显示各细节变动所带来的 结果。同其他形式的分析相比，仿真分析更加方便快捷，仿真结果也更直观和易于 理解。随着通信系统的日益复杂和计算机硬件能力的提高，通信系统仿真1 - 2 1 分析 在系统设计、优化和评估中将会占有越来越重要的地位。 以经验知识为基础的传统计算机通信网络设计方法已被淘汰，取而代之的是基于 性能分析的计算机仿真方法。通信系统仿真的关键是建模，建模的核心是描述语言。 好的描述语言可将实际系统的抽象概念模型自动转换成计算模型，既减少了仿真建 模的工作量，又提高了仿真结果的可靠性。通信系统仿真最终还要给出相关仿真软 件，在条件许可下，仿真软件不仅要能模拟实际通信系统的基本运行，而且要能尽 可能提供各种通信的相关附加功能，如信令跟踪、相应计费系统和性能分析等。下 面就将介绍通信系统仿真软件和描述语言的相关情况。 1 1 通信系统仿真软件研究状况 随着计算机网络技术的发展，各国分别在通信系统的设计、模拟与性能分析方面 作了大量研究，也就是为了给通信系统的建设提供有效的工具，以便在通信系统工 程实施前就能对整个网络的运行情况、响应时间以及资源利用率等通信系统重要性 能指标作出预测，从而帮助设计者优化通信系统设计，达到提高通信系统性能、节 约通信网络建设成本的目的。 从事通信系统仿真研究“6 的公司主要集中在美国，如c a d e n c ed e s i g ns y s t e m s 公司、c a c i 公司、m i l 3 公司、r a d c o m 公司、n d a 公司、n e t s y s 公司、p r o p h e s y 公司和c r e a t e a s o f t 公司等都有相应产品。其中比较优秀的、常用的仿真软件有如下 三个：m i l 3 公司的o p n e t 、c a d e n c ed e s i g ns y s t e m s 公司下属a k a 小组开发的 b o n e s ( b l o c ko r i e n t e dn e t w o r ks i m u l a t i o n ) 矛t lc a c i 公司的c o m n e ti i i 。下面将简 单介绍相关产品。 + o p n e t 6 1 是目前业界公认的最优秀的通信网络、设施、协议的仿真及建模工具。 华中科技大学硕士学位论文 其面向对象的建模方式和图形化的编辑器能够真实地反映实际网络及各网络成分的 结构，系统可以直接映射到模型上。同时，其无与伦比的灵活性使得o p n e t 几乎能 够支持所有类型的网络和网络技术，被广泛地用作网络的决策支持工具，用来对现 有的或设计中的网络、系统或进程的性能和行为进行细致洞察和分析。o p n e t 提供 了一些有效的工具帮助用户完成建模和仿真过程，从整体上可以分为模型建立和配 置、仿真运行和结果分析三部分。o p n e t 具有良好的兼容性，能够通过流行的工具 输入数据，如h p 公司的o p e n v i e w 和n e t w o r ka s s o c i a t e s 公司的s n i f f e r 软件等等。 同时，o p n e t 支持多种平台，可以运行在s o l a r i s ，w i n d o w sn t ，及h p u x 环境下， 并且具有跨平台使用的透明性。 b o n e sd e s i g n e r 17 1 是一个交互式的通信系统体系结构和协议的设计、仿真及分 析软件，功能强大并且十分灵活，适用于无线通信、多媒体、网络、计算机体系结 构以及其他电子系统。d e s i g n e r 通过模仿系统的协议消息层来仿真，因此，用户可 以使用d e s i g n e r 来定义系统的体系结构抽象模型，并将其处理成个共享资源 ( c p u ，总线，存储器，数据库服务器等等) 、队列和延迟的集合。通过运行仿真，能 够评估出系统的性能，例如：响应时间、吞吐量、利用率以及误码率等等。在仿真 结果的基础上，可以调整系统参数，以最小的代价达到最优的性能。同时，d e s i g n e r 还提供了完善和精确的手段来揭示事务传输过程中的资源竞争与冲突。由于相关的 事务和资源是由用户定义的，所以d e s i g n e r 几乎适用于从视频会议到全球卫星的所 有网络。d e s i g n e r 中一个典型的仿真方案包括：创建数据结构、构造性能模型、运 行仿真和仿真结果评估。此外，通过选购一些附加的工具，d e s i g n e r 的功能还能 够进一步增强，如有限状态机编辑器、交互式仿真管理器、项目编辑器和网络模块 库等，这些都将极大地增强b o n e sd e s i g n e r 的功能。 c o m n e ti i i1 8 1 具有图形化的界面，使用非常方便，适用于从简单的局域网到 复杂的企业级网络系统的性能分析和评估。c o m n e t 支持一种构筑模块的方法， 模块是用户所熟悉的真实的对象。对象的参数可以很容易地调整，使其更好地和实 际对象相符合。其面向对象的框架结构给用户带来很大的灵活性，使用户可以尝试 更多的设想。用户的设想以一种易于理解的图形方式的网络配置方案展示出来，而 不需要任何编程工作。通过使用其涵盖广泛、并能够不断扩充的对象库，用户只需 通过简单的脱放操作就能构建出自己的网络。仿真运行期间可以看见仿真的实时显 示和动态的图表。用户能够中断仿真并改变参数或者在运行中撤销一些连接和节点， 这些改变产生的结果将被立即显示出来。由于采用图形和动画显示结果，比数字更 2 华中科技大学硕士学位论文 易于理解，结论将更直观和易于被接受。c o m n e t i 能够分析诸如连接和节点利用 率、消息延迟以及大型网络中的拥塞点等问题：能够分析或预计现有网络拓扑结构 的平均流量；能够对网络的性能评估。c o m n e ti i i 进行网络仿真时，用户需要确定 网络拓扑结构，工作负载和协议。c o m n e ti i i 还包括一系列集成的统计分析工具， 可以进行输入和输出分析。输出分析工具能够计算置信区间，能够进行多次重复的 方差分析，还能让指定的参数在重复仿真中自动按步长增长。附带的一些工具使得 表1 1 、3 种常用仿真软件的比较9 1 特性仿真软件 0 p n e tb o n e sc o m n e t 网络、节点和进 通过数据结构编 层次性程，支持无限嵌套 辑器和模块编辑 通过子网实现 器实现结构化的 的子网 层次性 面向对象的建模是是是 c c + + 语言编制，在已有模型上修 模型库的扩展用进程编辑器编辑c c + + 语言编制改，或购买扩展 全新的进程模型库 对象被创建成类的 继承性和重用性形式，有很好的继较好较好 承性和重用性 几乎适用于各种网 很广，配合s p w 适用范围络，包括卫星通信 功能迸一步扩一般局域网和各 展，几乎适用于种复杂的企业网 和无线网络 各种网络 动态观察支持支持支持 统计分析功能全面而强大较强较强 并发性进程级模块级对象级 时间事件预定 事件预定延时语句 同步共有事件共有事件共有事件 进程间通信数据流函数调用方法调用 算法结构复杂复杂简单 w i l l d o w s9 5 ， s o l a r i s ， h p u x ， w i n d o w sn t4 0 ， 使用平台w i n d o w sn t 4 0 ， s u n o s s o l a r i s ， h p ：u x s u n o s ， h p u x 华中科技大学硕士学位论文 概率分布能够自动地适应经验数据。c o m n e t i i 还包括许多可选附件，如扩展库， 应用工具等等，极大地增强这套开发工具的功能和实用性。 表1 1 是上述三种常用仿真软件的在面向对象的建模方式、模型库的扩展、继承 性和可重用性、动态监视和统计分析等各方面的比较。 1 2 用于通信系统建模的各种描述语言 描述通信系统的直接目的有三个。是给出某种系统或协议标准的定义语言，它 能清楚地、无歧义地给出目标的行为特性，并不关心系统的实现甚至仿真：二是给 出仿真器的输入，它对系统进行基于仿真性能的分析预测；三是提供综合器的输入， 综合器完成高层次描述向低层次描述的自动转换。 描述通信系统的最终用途有两个，是作为设计自动化的一部分，为系统设计服 务；二是面向系统分析，如组网方案的优化、网络管理等。无论是何种目的，一种 描述语言，它的抽象层次越高，建模者越不必关心实现的具体细节，这正是系统级 描述语言的最大优点。 下面将简单介绍几种系统级描述语言“”： 有限状态机( f s m ，f i n i t es t a t em a c h i n e ) 是最简单的系统级描述语言。在这个 模型中，系统具有有限的状态，在一定的前提下发生一系列的输入事件，这些事件 使得系统采取相应的动作，并从一个状态转换成另一个状态，称之为状态的迁移。 整个系统状态是协议机和资源状态的组合。系统开始处于初始状态，然后事件开始 发生，如用户请求到达或定时器激活。每个事件都可能引起一个迁移，系统因此转 移到新的状态。有限状态机的优点是通过可达性分析确定通信协议的正确性，即利 用形式分析技术，确定哪些状态是可以到达的，哪些状态是不可到达的，从而发现 协议描述中的各种错误。从性能仿真的观点来看，利用有限状态机描述模型的好处 是容易验证模型和真实系统的一致性以及不同模型之间的一致性。有限状态机的最 致命弱点是：对于复杂系统，往往需要非常多的状态和事件才能细致地描述，即“状 态爆炸”。按照状态机期待的事件以及事件发生后将要进行的变迁来区分，其许多状 态是相似的。 为了压缩有限状态机的状态数，又产生了一些有限状态机的扩展形式。s t a t e c h a r t 就是这样一种系统描述方法。它首先引入层次的概念，一个宏状态可分解成很多状 态，这些状态构成了一个小的有限状态机，分解的过程可以不断反复进行。当一个 4 华中科技大学硕士学位论文 宏状态被激活，必须指定它的子状态作为内部初始状态。这个子初始状态与前一次 离开宏状态时的内部状态有关。其次引入并发性的概念，不同的内部有限状态机可 以并行运行。例如，可以有多个宏状态同时被激活时，这时每个宏状态所对应的内 部有限状态机同时运行。 s p e c c h a r t 语言是在s t a t e c h a r t 和v h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言的基础上发展起来的。作为i e e e 标准的v h d l 在电路设计自动化领域得到了 广泛的应用，但是它不支持系统级的描述。s p e c c h a r t 正是为克服这一缺点而设计的。 s p e c c h a r t 语言的基本单元是行为。行为又分为并发子行为、顺序子行为和源行为。 每个行为都可以使用v h d l 语法定义的信号、变量、端口等等。宏行为中定义的作 用范围包括其所包含的任意层次的子行为。在任意时刻，一个行为只能是活动的或 非活动的。如果一个活动的行为是源行为，它的代码将被执行，否则就激活相应的 子行为。并发行为中的通讯是通过信道和协议实现的。 p e t r i 网是由德国学者c a p e t r i 在1 9 6 2 年提出的一种系统级的形式描述语言。 它本质上也是一种有限状态机模型，但它允许多种状态变迁同时交叉发生，这对于 异步并发过程的描述更为方便。p e t r i 网的描述中有四种基本元素：位置、标记( t o k e n ) 、 变迁和有方向的弧线。在p e t r i 网图中，位置是一个圆圈，表示可能进入的状态。标 记则是放在位置中的小圆黑点。某个位置中有标记就表示已处于该状态，一个位置 中允许有多个标记。变迁用一段直线来表示，在该直线的两边分别有从输入位置来 的指向它的孤线以及由它本身出发指向输出位置的弧线，它们分别指明该变迁发生 的条件和变迁产生的结果。只有所有输入位置中都有标记时，变迁才是就绪的，可 以被触发。触发以后发生状态的变迁，即标记的重新分布。标记移动的规则是从该 变迁的每个输入位置处取出一个标记，并在该变迁的每个输出位置处放入一个标记。 p e t r i 网能方便地表示成类似于语法的代数形式，每个变迁提供一条语法规则，每条 规则指明变迁的输入、输出位置。当前状态表示成无序的位置组合，每个位置有多 少个标记，该位置在组合中就出现多少次。一条规则的输入位置如果全部在当前状 态的位置组合中出现，相应的变迁就被触发，结果是将输入位置从当前状态位置组 合中移出，而将输出位置加到位置组合中。这种规则表示法有很大的灵活性，也便 于理论推导、计算机处理和分析，对模型进行验证也比有限状态机模型更为方便。 s d l ( s p e c m c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) i l l 是一种系统级的形式描述语言标 准。由c c i t t 在1 9 7 2 年开始研究，并于1 9 7 6 年提出了第一个版本，以后每四年发 表一个新的版本，不断地对s d l 进行扩充和完善。虽然s d l 语言主要用于电信领域， 华中科技大学硕士学位论文 但它也适合于各种实时和交互的系统。s d l 是一种形式语言，因此它能对系统的描 述作形式验证，如进行完整性和正确性检验，对同一个系统的不同描述或者是描述 的不同实现作一致性检查。s d l 有两种语法表示形式，即图形表示的 s d l g r ( g r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o n ) 和文字表示的s d l t p r ( t e x t u a l p h r a s e r e p r e s e n t a t i o n ) 。前者是一种类似于程序框图的图形短语；后者采用了语法形式定义， 可用来定义具体的语法结构。s d l 的基本单元称为进程，它是一种基于通讯的扩展 有限状态机模型( c e f s m ，c o m m u n i c a t i o ne x t e n d e df i n i t es t a t em a c h i n e ) 。与简单的 有限状态机相比，为了减少状态空间的状态数，它允许使用辅助存储区，用以保存 那些不必要出现在状态之中的信息，并定义了判决和任务两种辅助操作。前者用以 检查变迁的输入信息及辅助存贮器中的信息，因而能完成相当于条件语句的操作； 后者则可完成计数器、操作辅助存储器和处理输入及输出等功能。s d l 描述的对象 称为系统，不属于描述范围的称为环境。系统由一个或多个模块构成，模块之间以 及系统与环境之间的通讯由传递信号的信道进行。一个模块可以再分解成多个子模 块，由此形成了s d l 描述的层次性。最低层次的模块是由进程组成的。 c s p 语言的主要目的是为了克服传统程序设计语言在多处理器体系上的障碍。 c s p 语言的基本单元是一系列并发的进程，同时能很方便地描述进程之间的通讯和 同步。c s p 语言不仅可以替代传统的程序设计语言，还可以作为硬件系统的描述语 言。一段c s p 描述由一组按顺序执行的命令组成，命令反映了执行它们的设备的行 为特性，一般分为简单命令和复合命令两类。简单命令的功能包括改变执行设备的 内部状态、通过输出命令影响外部环境和同时改变内部状态和影响外部环境。复合 命令又包括选择命令、并行命令和重复命令等。一个复合命令由一个以上的简单命 令或其它复合命令组成。选择命令实现了判决，并行命令可以生成一个新的进程， 而重复命令则是实现重复的行为。选择命令中包含多条保护命令，一个保护命令又 是由多个条件式和组命令组成的。在选择命令时，有可能出现一条以上的保护命 令都满足条件的情况。此时，将随机地选择一条命令执行。通过这种机制，c s p 语 言提供了描述不确定系统行为特性的能力，这是c s p 与其它语言最显著的区别。另 一个特点是c s p 语言可以通过并行命令来生成新的进程。一个新生成的进程不能使 用进程之间共享的变量，如全局变量。并行命令中的进程是同步执行的，并行命令 的结束是以所有进程都结束为标志的。 表1 2 是五种系统级描述语言的比较。从而可知：s p e c c h a r t 具有最多的特征，却 不支持形式验证；而s d l 则是支持形式验证的系统级描述语言中较为突出的。由于 6 华中科技大学硕士学位论文 形式验证在系统设计和仿真中越来越重要，可以认为s d l 语言是一种有广泛应用前 途的系统级描述语言。 表1 2 、几种系统级描述语言的特点比较 语言s t a t e c h a r t s p e c c h a r t p e t r is d lc s p 行为层次 层次性分层f s m未定义结构层次层次 结构层次 进程级进程级 并发性进程级进程级进程级 语句级语句级 时间未定义延时语句未定义定时器未定义 共有事件 共有事件 同步全局信号共有事件共有事件通讯同步 全局变量 通讯同步 共享存储器 进程间通讯共享存储器未定义消息传递消息传递 消息传递 算法结构简单复杂简单简单复杂 形式验证支持困难支持支持困难 华中科技大学硕士学位论文 2实时通信系统仿真新机制 * in d o w s 软件仿真机制 本章将总结第一章中所介绍仿真软件的相关特点，并针对相应缺陷部分提出一种 新的通信系统仿真机制w i n d o w s 软件仿真机制。 2 1 现有仿真软件的特点 在本文第一章中介绍的相关通信系统仿真软件虽然功能非常强大，可以适用于任 何通信系统，给通信系统设计、优化和评估带来很大方便，但是其价格十分昂贵， 极大影响了这些工具的应用和普及。而且这些通信仿真软件都使用各自特有的系统 描述语言o p n e t 用自定义的p r o t oc 语言提供一种建模方法，实际是c 语言和 有限状态机的结合：b o n e s 的基本单元是执行特定算法的c + + 代码：c o m n e t 采 用自己设计的m o d s i m 仿真语言，不适于系统级描述，其方法类似c + + 中的成员函 数。上述因素造成在使用某一通信仿真软件时，不仅要求操作者熟悉该仿真工具， 还要求操作者掌握一定的网络技术基础和具有熟练的编程技术，从而造成使用这些 仿真工具所获得仿真结果的可靠性，很大程度取决操作者的技术素质，这种对工具 使用的高要求也进一步影响了这些仿真工具在教学实践环节的使用和推广。 综上所述，目前市场上提供的诸多仿真工具软件对于通信系统而言具有极强的普 适性，能仿真许多通信网络，但是这一点是以仿真软件使用者的高素质具有一 定的先验知识为基础的。此外，对于通信系统仿真市场而言，还存在这样一种仿真 软件的需求仿真软件只仿真某一类通信系统，但该仿真软件的使用要求很低， 而且价格便宜。例如在通信系统的演示以及教学实验环节，通信仿真软件不仅要求 价格低、上手快，而且与实际通信系统比较，仿真通信系统在通信功能上的要求没 有降低，同时还要具有可观测性。只要通信仿真软件满足了以上要求，那么在简单 的通信仿真软件使用手册指导下，才能使一般使用者能迅速掌握该通信仿真软件， 同时对原有实际通信系统也有一定认识。相对于第一章说介绍的价格昂贵的通信仿 真软件而言，我们可以称这一类通信仿真软件是应用于通信仿真低端市场的。 华中科技大学硕士学位论文 本人在通信仿真领域所做的研究主要是满足通信仿真低端市场需求。为了提供一 种价格低廉、使用要求低和可观测性强的通信仿真软件，本文将在下面提出一种新 的通信系统仿真机制w i n d o w s 软件仿真机制。 2 2w i n d o w s 软件仿真机制 在计算机技术日益发展的今天，计算机局域网的应用已达到普及程度，而且其相 关应用技术也逐步成熟。另一方面，能够组建计算机局域网的诸多操作平台在性能 和价格方面各有所长：各种自由操作系统，如l i n u x 相关系列，价格免费，性能尚 可，但技术难度太大，一般人难以应用；各种高性能操作系统，如0 s 2 和w i n n t 系列，性能方面不用说，但价格高昂，技术要求也相应较高，只有少数人能使用； 的而w i n d o w s 操作系统“2 1 ( 指w i n 9 x 系列产品，不包括w i n n t 系列) 的性能一般， 价格适中，技术要求低，是目前最通用的选择。 考虑通信仿真低端市场的性价比要求以及相关技术难易程度，我们选择基于 w i n d o w s 操作系统的计算机局域网来开发通信仿真产品。因此，w i n d o w s 软件仿真 机制是在w i n d o w s 操作系统下从通信系统的各方面来对其进行全面仿真。下面将从 对通信网络硬件系统、软件系统以及附属通信系统等方面来详细介绍该w i n d o w s 软 件仿真机制是如何仿真实时通信系统的。 2 2 1win d o w s 计算机网络对通信网硬件系统的仿真 计算机局域网内i p 包传输的时延等级为1 0 m s ，而实时通信系统硬件网络的时延 一般为l o o m s 。相对于实时通信系统硬件设备数百个毫秒级的时延，计算机局域网 内i p 包传输数十个毫秒级的时延是具有优势的。因此，局域网内i p 包传输的时延与 程控交换设备的时延相比具有低时延特性。在w i n d o w s 软件仿真机制中，用计算机 局域网来仿真通信网硬件系统在性能方面是具有可行性的。 通信系统按功能分般包括用户和处理机。处理机提供通信服务，用户使用相关 通信功能。在w i n d o w s 软件仿真机制中将改进计算机网络通信中的c l i e n t s e r v e r ( 客 户服务器) 模型“3 。4 1 来仿真通信网硬件系统，客户表示用户，服务器表示处理机。 改进c s 模型将全面模拟实际通信网硬件系统，但仿真系统毕竟与实际系统有细 微差别。下面就将详细介绍该通信网络硬件仿真模型及其和实际通信网硬件系统的 9 华中科技大学硕士学位论文 比较。 一、客户与服务器的通信网络的建立： 在改进c s 模型中，客户与服务器的通信网络连接是由客户主动建立。客户根据 相应配置数据通过w i n d o w s 网络接口来与服务器建立通信网络连接，连接不上服务 器就要退出客户程序的运行。客户与服务器的通信网络连接是如此建立的： 首先，服务器程序启动，先读取配置文件完成所有相关数据( 包括系统数据和用 户数据) 的初始化工作。该步骤与处理机的启动类似。 随后，客户即可通过w i n d o w s 网络接口与服务器建立网络连接。该步骤类似于 通过用户接口将用户与处理机连接。 最后，在客户与与服务器建立网络连接后，客户要报上自己的相关数据，服务器 则要核对相关数据，核实后才记录相应网络连接，否则服务器通知客户相关错误消 息，客户程序退出。在通信网硬件系统中，用户和处理机之间是不存在该步骤的， 而在改进c s 模型中为了仿真通信网络连接的灵活性而添加了该步骤。因为c s 模 型通过w i n d o w s 网络接口来通信时需要提供对端网络地址，而客户和服务器程序也 要能在不同的计算机上模拟用户和处理机，从而造成网络通信时对端网络地址的可 变性，所以从用户数据而言，仿真模型要比实际通信系统多出一项用于表示对端网 络地址的数据。 二、服务器之间的通信网络的建立： 在改进c s 模型中，两个服务器之间的通信网络是由后运行的服务器程序根据相 应配置数据通过w i n d o w s 网络接口而建立的。服务器之间网络连接的建立过程如下： 首先，一服务器程序启动，先读取配置文件完成所有相关数据( 包括系统数据和 用户数据) 的初始化工作。该步骤与处理机的启动类似。 随后，另一服务器程序启动，并通过w i n d o w s 网络接口与前一服务器程序建立 网络连接。该步骤类似于通过接口将两台处理机连接。 最后，在客户与与服务器建立网络连接后，后- - n 务器要报上相关数据，由前一 服务器核对相关数据，核实后记录相应网络连接，否则服务器之间网络连接的建立 失败，要修改相关数据后再次建立相关网络连接。同客户与服务器的网络连接一样， 该步骤是实际通信网络硬件系统所没有的，这正是由于仿真系统的特性造成的。 三、网络连接的拆除： 由上述描述可知：改进c s 模型中有两种类型的网络连接客户与服务器的以 及服务器之间的。而c s 模型中网络连接的拆除是可以由任意一方提出，因此存在 华中科技大学硕士学位论文 以下三种网络连接的拆除： 1 ) 客户程序主动拆除与服务器的网络连接； 2 ) 服务器程序主动拆除与客户的网络连接； 3 ) 服务器程序主动拆除与另- - n 务器的网络连接； 服务器程序接到拆除网络连接的请求后会修改相关数据，而客户程序则将推出运 行。实际通信网络硬件系统中通信网络的拆除是由服务器主动检测出来的，而改进 c s 模型中则是服务器被动接受网络连接的拆除请求。 四、通信数据的发送和接收： 在改进c s 模型中，将由w i n d o w s 网络接口中的专用网络消息收发模块来仿真 实际通信网络硬件系统中的电路信号传输系统。 2 2 2win d o w 8 消息处理对软件系统的仿真 不同的通信系统，适合用不同的描述语言来表示。但是，无论是用那一种描述语 言对通信系统进行描述后所建立起来的模型，都可以等效成有限状态机。因此，只 要能在w i n d o w s 下成功完成相关f s m 的功能要求，就能仿真通信系统的软件系统。 由f s m 的协议概念模型可知，f s m 实际上是这样一个过程：在某一状态下收到 某一特定消息后，进行相应某种处理，进入某一状态：在该状态下又收到某一特定 消息后，再进行相应信令处理，再进入某一状态：此外，状态和消息的数目是 有限的，即是可数的。而w i n d o w s 9 x 操作系统中有这样一种基于事件( 消息) 的处 理思想r 1 5 - 1 6 将鼠标、键盘等外设的动作和操作系统运行时产生的事件都当作消息 来处理，相应有一些消息处理函数来响应这些消息。因此，用w i n d o w s 消息来代替 f s m 中的消息，再在w i n d o w s 的消息响应中添加相关状态判断，用于代替f s m 中 处理前的状态。上述改进w i n d o w s 基于事件( 消息) 的处理机制【1 7 。1 盯可用于实现f s m ， 并由此来模拟通信系统的等效f s m 软件系统。改进的w i n d o w s 消息处理机制如图2 1 所示，在消息处理中加入状态判断，并由此转入相应的状态转移处理，然后返回 w i n d o w s 的消息处理机制中。 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 、基于事件( 消息) 的有限状态机实现机制 在实时通信系统中，由于实时性很高或用户量很大，其处理机往往采用多线程来 处理用户的服务请求，如果相关要求进一步提高，甚至会采用多处理器并行处理。 而多线程对开发者的编程技巧有较高要求，并行处理机制则对开发系统的要求更高。 对通信系统仿真的低端需求而言，可以降低其实时性要求，并减少用户数目。因此， 在开发通信系统低端仿真工具时，可考虑采用单线程处理机制。相比较而言，采用 单线程处理机制不仅对开发者的要求降低了开发者不用进行多线程相关的线程 管理和数据管理，而且对开发系统的需求也降低了，从而节约了开发成本。 2 2 3w in d o w s 软件仿真机制对其它附属通信系统的仿真 实用的通信系统除了软件、硬件系统，还包括其它信令跟踪系统和计费系统等附 属通信系统。w i n d o w s 软件仿真机制中也讨论了相关附属通信系统的仿真。 华中科技大学硕士学位论文 在实际通信系统中，信令跟踪系统用于监视通信网络上的信令，从而监控通信系 统的运作，并广泛用于通信系统的故障检查和性能测试等诸多方面。从软件仿真角 度考虑，相应的功能就是提供监视界面来监视用户所设约束条件下的数据流。 在w i n d o w s 软件仿真机制中，所有信令最终都是处理为消息。因此，要完成仿 真信令跟踪功能，只需要对仿真通信系统中的所有消息都能监视即可。 在w i n d o w s 软件仿真机制中，所有涉及到的消息可以分为下面几类： 1 由客户上报到服务器的消息：如请求服务、附加信息和停止服务等； 2 服务器发送给客户的操作消息：如服务通知、服务终止和服务暂停等； 3 服务器内部的处理消息：如申请资源、记录信息等； 4 服务器之间的通信消息：如请求服务、附加信息和停止服务等。 由此可见，客户端涉及的消息没有包括所有消息，而服务器端能对所有消息作相 应处理。因此，在w i n d o w s 软件仿真机制中，只有将消息跟踪功能集成在仿真通信 系统的服务器端。 而从w i n d o w s 消息的角度看，所有消息都只涉及到两类处理： 1 、发送：将消息发送给网络对端程序或自身； 2 、接收并处理：从消息队列中按一定规律取出消息并处理： 由上述通信系统和w i n d o w s 操作系统的消息介绍可知：要仿真通信系统的信令 跟踪系统，即需要完成w i n d o w s 操作系统中的消息跟踪功能。因此，需要对w i n d o w s 的消息处理和发送机制作相应改进，即在w i n d o w s 消息处理和发送模块中添加消息 跟踪判断和监视界面消息显示模块，使其不仅能对单个特殊类别的消息进行跟踪监 视，而且能对某一特定客户的所有消息进行跟踪监视。 计费系统是所有实用通信系统的必备部分，只有通过它才能将通信系统的投资成 本收回，甚至从中获取相应利润。在通信系统的设计和建设中，都必须考虑相应的 计费系统，从而向享用服务的用户收取相应费用。实际通信系统中，计费系统一般 是和处理机联系在一起，处理机可能集成了计费功能，也有可能处理机只管记录计 费数据，由其它设备( 如计算机) 来完成相关计费功能。本文所提出的w i n d o w s 软 件仿真机制恰好是利用计算机局域网系统来仿真实际通信系统，所以可以说其中的 计费系统可以就是实际通信系统中计费系统的真实重现。在本w i n d o w s 软件仿真机 制中，设计由服务器提供计费