（计算机应用技术专业论文）网络仿真技术及其在无线局域网中的应用.pdf

摘要 无线网络的飞速发展，电子教学的广泛推广，对无线网络设计及英协议丌发 方面的仿真已1 缝成为仿真界的个热点。仿真的目的通常是评估系统性能或者研 究对已有系统的影响。对现有湖络进行性能评价是报难的，对于还未存在的丽络 进行研究就更加困难了。因此使用仿真来研究和评价是必需韵。 我们简单介绍了网络系统瀚计算枫仿真策晦，重点讲述了怎么遴行嘲络照务 流量建模、仿真模型验证、仿真实验设计和仿真结果处理，以确保仿真结果的真 实可靠。然后详缩削桥了o p n e t 的仿粪视澍和仿真方法，运遥写c o m n e t 、 n s 等，博他工县的比较我们提出了一些选择专用仿真工具进行刚络研究的方法。 本文对无线局域黼性髓及无线流媒体教室蘩站暴优分京送行了侥粪研究。我 们利用网络仿真指导网络设计。首先通过仿真得到了m a c 层参数( 缓存、分片等) 的最铙设置谴并应爱列以后教避一步筑实验中。我 露对各耱基站分毒方案送行仿 真，结果表明应该尽可能把基站放在无线设备的中间位置，而且一个基站最多能 带动l 令2 0 0 3 0 0 k b p s 豹滚媒体访润。为了支持更多客户，我们撬出了一些释 决方察并对这些方案进行了仿真。最后我们进行了一些测量并同仿真结果进行比 较，实验证甥仿真结果与溪量络象毙较接_ i 乏。 我们在面向对象仿真工具o p n e t 下实现了s n o o p 协议，仿真结果表明s n o o p 协议掇麓了无线嬲终经襞。 本文最后对无线网络仿真技术进行了展望，我们认为并行仿真技术和基于流 载访囊可以提蠢大型无线网鳃懿仿真效率。 关键调：无线羁壤嬲网络仿真o p n e t蹋终设诗基站最优势蠢 s n o o p 协议 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i r e l e s sn e t w o r k sh a v em a d ear a p i dp r o g r e s s i t su s u a lt o e v a l u a t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c eo rs t u d yi t si m p a c to ne x i s t e n ts y s t e m t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k sa n dw i d e l yd e p l o y m e n to fe - l e a r n i n g m a k es i m u l a t i o n ，n e t w o r k d e s i g na n dp r o t o c o ld e v e l o p m e n t a sa h o t s p o t w e s t u d ys o m ek e yc o m p o n e n t so f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks i m u l a t i o n ，s u c ha s ： t r a f f i cm o d e l s b u i l d i n g ，s i m u l a t i o n m o d e l s v a l i d a t i n g ，e x p e r i m e n t sd e s i g n a n d a n a l y s i so f s i m u l a t i o n r e s u l t s t h i st h e s i s m a i n l y d o e ss i m u l a t i o no nw l a np e r f o r m a n c ea n da po p t i m a l d i s t r i b u t i o ni naw i r e l e s sc l a s s r o o m w ed e s c r i b eh o wt ou s en e t w o r ks i m u l 蠢o nt o g u i d en e t w o r kd e s i g n f i r s tw eg e tt h eo p t i m a ls e t t i n go fm a cl a y e rp a r a m e t e r ss u c h 毪sb u f f e ra n df r a g m e n ts i z ef r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds e tt h e mi nt h e f o l l m v i n g e x p e r i m e n t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep e r f o r m a n c ei nt h es c e n ew e p u tt h e a p 遮t h ec e n t e ro fc l i e n t si sb e t t e rt h a nw e p u tt h ea p b e f o r ea l lo ft h ec l i e n t s t h e n w es t u d yh o wm a n yc l i e n t so n ea pc o u l ds u p p o r ti nt r a n s f e r r i n gs t r e a m i n gm e d i a a n dw ef i n do d ea pc a r ls u p p o 难15c l i e n t sw i t h2 0 0 3 0 0 k b p s 。f i n a l 堍w ep r o p o s e s o m es o l u t i o n st os u p p o r tm o r ec l i e n t sa n dd os i m u l a t i o n so nt h e s es o l u t i o n s w ea l s o b u i l do r es m a l lw l a nc l a s s r o o ma n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c et h r o u g h m e a s u r e m e n t ， a n dw ef i n do u rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r es i m i l a rt ot h em e a s u r e m e n tr e s u l t s t r a d i t i o n a lt c pp r o t o c o ld o e s n tw o r kw e l ti nw l a n 。w ei m p l e m e n ta n d s i m u l a t e s n o o pp r o t o c o l i no p n e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o ws n o o pp r o t o c o l i m p r o v e sp e r f o r m a n c eo f a w i r e l e s sn e t w o r k p a r a l l e ls i m u l a t i o na n ds i m u l a t i o nb a s e do nf l i u dc o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f l a r g ew i r e k s 8n e t w o r k s s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：w l a n ， n e t w o r ks i m u l a t i o n ， o p n e t ,n e t w o r kd e s i g n ， a p o p t i m a ld i s t r i b u t i o n ，s n o o p p r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：未忙蒡签字日期：砌；年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：五煳；年月弓日 导师签名： 签字日期：日；目圾年 延哆 却 第一章绪论 第一章绪论 对于实际运行中的网络应用系统，系统管理员需要对其运行效率进行监控和 性能分析，以有效管理得到最佳服务；对于欲建的网络应用系统，网络设计者需 要验证其设计方案的可行性，以有效投资建立最优网络环境：网络规模越大，网 络性能的计算机仿真和性能分析工作越显重要。本章介绍了网络仿真技术及其发 展动态，当前无线局域网技术、应用及其仿真研究。最后给出了作者所做的工作。 1 1 计算机系统性能评价及网络仿真技术 1 1 1 计算机系统性能评价 计算机网络和计算机系统性能评价的目的主要有三个：选择、改进和设计。 具体而言，是指在众多的系统( 方案) 中选择一个最适合需要的系统( 方案) ， 即在一定的价格范围内选择性能最好的系统，达到较好的性能价格比；对已有 系统的性能缺陷和瓶颈进行改进和提高其运行效率；对未来设计的系统进行性能 预测，在性能成本方面实现最佳设计或配置。 系统性能评价的基本方法有两种：测量方法和模型方法，其中模型方法又包 括分析方法和仿真方法。 1 测量方法 通过一定的测量设备或一定的测量程序可以直接从计算机网络和计算机系 统测得各项性能指标或与之密切相关的度量，然后由他们经过一些简单的运算求 出相应的性能指标。这是最直接也是最基本的方法，其他方法在一定程度上也要 依赖于它。但是这种方法只能使用于已经存在并运行的系统，而且比较费时间。 2 模型方法 首先对要评价的计算机网络或计算机系统建立一个适当的模型，然后求出模 型的性能指标，以便对系统进行性能评价。模型中一般包括许多参数，这些参数 的确定往往依赖于对实际系统的测量结果或对系统参数的估计。与测量方法相 比，模型方法有两个优点：一是它不仅可以应用于已有的系统的性能评价，而且 也可以应用于尚未存在系统的性能预测；二是它的工作量一般比测量方法要小， 费用比测量手段的要少。模型方法又可以为分析方法和仿真方法两种。仿真结果 与分析结果的相互对照，可以验证性能评价结果的正确性。 ( 1 ) 分析方法 分析方法采用数学分析的方法，对系统进行简化建立相应的分析模型，并求 第一章绪论 出模型的解析解，由此得出系统的性能指标。例如可以应用排队论或其它解析方 法求解模型中的c p u 利用率和平均队长等性能指标，并以此作为实际系统中的 c p u 性能指标。对于某些比较复杂的系统，可以用近似分析方法求解。但是这 种方法理论基础强，可以明显地刻画各种因素之间的关系，而且构造和使用模型 时的费用也较低。 ( 2 ) 仿真方法 如果节点和通信系统的功能间关系简单，使用分析模型进行评价无疑是最好 的方法。今天的通信网络更复杂，而且网络复杂性也不会在将来减小。在通信网 络里加入一个节点或增加一个新的特性都将对系统性能产生一个很大的影响，而 只考虑单独的特征而不把别的节点和特征考虑进去在实际上是不可能的。因此， 当今仿真模型到处都在使用，导致许多仿真软件包是可得的。在仿真中，一个数 学逻辑模型在一段时间里被数字化评价，性能测量可以从基于模型产生的数据 中估计。仿真分析被应用到各种复杂性的系统中，只要仿真资源允许这种复杂性。 仿真主要用于研究系统方案的可行性，调整系统结构参数、提高系统精度、 预测某项目前景等方面。为了对复杂系统进行性能评价，往往需要综合应用测量 方法、分析方法和仿真方法。随着计算机技术的迅速发展，仿真方法在以上三种 方法中占有越来越重要的位置，其应用也最为广泛。 1 1 2 网络仿真技术 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。局域网的仿真，除了可以获得网络工作的特性参数， 还可以分析有关因素对网络工作性能的影响程度，寻求发挥设备最大效益的策 略，以实现对局域网信息量的最佳控制：此外，还可以预测新设计的网络性能； 分析具有容错功能的网络系统在局部发生故障时，工作效率受到影响的程度等。 随着计算机通信网络系统规模越来越大，网络分层协议越来越复杂，组网产品越 来越多，网络协议和组网产品也成为仿真中必须考虑的因素。 局域网是由若干工作站( 节点、终端) 与通信信道组成，用以实现相互通信、 共享资源等功能的通信系统。由于在局域网信息交换系统中，引起系统数据帧的 变化是在数据信息产生与接收的离散时刻出现的，即局域网的信息量存在随机聚 散与流动；系统状态的变化是由于随机事件的发生而引起的，且变化是时间上可 数( 或有限) 的。因此，实际的通信系统( 局域网) 是一个离散系统。离散系统的状 态变化只在离散时刻发生，且往往是随机的，通常即用“事件”来表示这种变化， 所以又称离散事件系统，也可以说，局域网是一种随机服务系统。 “实体”在一般随机服务系统中通称“顾客”，它在系统内是流动的，如计 第一露绪论 算孛晁遴信霹绍系统中匏数据蔽。“设备”在一般疆辊鼹务系统中称为“黻务受”、 “服努窗”等，如计算机通信网络系统中的网络资源、传输信道、内存、c p u 、 磁盘等。“事伟”是据有实藩懿爨这或簿去，零 起实藩慧数瑷躐稔设忙阂，逡 成系统状态发生变化的现象，如计算机通信网络系统中数据帧产生或处理完毕 等。“浚动”楚在系统中豹实体，依照实羝工母霉清漫呈瑗密笺各葶孛凝态，螽敬列 中的实体依次递进，实体由排队等侯进入设备接受服务等。“事件”和“活动” 蠲发生黪露阕及其内容( 翔获态、嚣为等) 寒接述。 1 ，1 3 网络仿真技术的发腥及动态 大约自1 9 6 0 年起，离散事件的计黧机仿真开始广泛应用于新系统的设计和 蠢鑫系统熬牲缝教遂方嚣。典蘩静痘臻骞：工馥誊l 造系统帮交逶系统懿 芟诗、举 用武器系统和计算机系统的性能评估等。但是，直到8 0 年代中期以后，计算机 傍奏才较多琏阕予逶蘩瓣络数分摄积凌计，这憝因为在过去熬1 0 年中，通镲 网络的数量和复杂度迅速增长；计算机性能显蔫提高和通信网络专用仿嶷软件包 趋于或熟，爨爽时润大大缩短；逶壤网络与诗算搬戆缀合目趋紧密“。“。 现在通信嘲络计算机仿真研究的主要内容有： ( 1 ) 相关理论研究 这些理论包括计算机仿真理论和方法、通倍网络基础理论、可靠性及系统工 程、图论、话务工程及勰划论、数理统计、计算方法及最优化理论等。 ( 2 ) 模型的研究与建立 模型包括通信网终拓扑结构以及交换节点、链路、业务量、路由、可靠性、 信息流璧控制、网络管邂、网络效能评估等模溅。 ( 3 ) 仿真工具研究及环境建立 它包括计葬祝仿冀语言研究、专用软件包开发、仿真硬件平台研制、仿真 环境集成等。 ( 唾) 仿真参数研究 它包括仿真参数定义、仿舆参数统计数据的收集及分析、备类模烈仿真参 数的确定。 ( 5 ) 仿真参数报告研究 它包括仿粪输密报告形式、输窭报告数据分耩等。 通信网络的计算机仿真系统语言大体经历了三个阶段。第一阶段，大约在 6 0 7 0 年彳弋。一般采瘸遴焉诗冀猊语言，舞汇编语言，b a s i c ，f o r t r a n 等编镬 仿真程序。其编程工作照极大，建模困难，只能针对某种特定圈标进行建模、编 翟帮蘩爨，无法餐到逶羯。第二除段，丈终在7 g 年钱程麓至年代，开发出一 第一章绪论 憋专门用于离散时间仿真的计算成语言，如g p s s ，s l a m s y s t e m 、a r e n a 等。 裁悉这些逶粼赞囊逶言送萼亍暹售麓终仿真，建摸、缡程效率 喾至l 掩离，毽楚嚣为 这些语言大多没有针对通信网络仿真的特点进行设计，应用越来很不方便。第三 睑段，太镌鑫豁每饯中瑟繁开始，鼹续爨褒了一赎专门瘸予遥绩鼹络蕊粪戆语 言如o p n e tm o d e l e r 和些专用的软件包如b o n e sp l a n n e t 、c o m n e t 等。利 鼷专耀仿凑添富建攘方溪、胃大大_ 萤省编裰越淘。露筏用专鼹较传包嬲司以省去 编程过程，只需根据特定网络仿真要求，选择软件包提供的建模组件构筑网络模 墅即可避行傍囊。圆l 毙，开发帮应怒专用较搏包楚遥信圃终诗冀移t 位粪弱发震方 国。进入9 0 年代以采，避一发展趋辩愈加明髭，专用软件包目臻宪蒋。 霹裁歼发太徽的仿真软穆通鬻窍两个魄鞍滚行瓣方素：蘧赶对象翡软 譬工程 攀和并行离散事件仿真。 从第个面向对象静仿冀系统s i m u l a6 7 的爨瑷开始，嚣向对象懿傍i 粪戚为 瑟海对象投术酌个重要瀚威用领域。许多磅究人员掇密了多种谣向对象仿真工 矮设计豹滋次结约和方法8 1 8 ”。西囱辩象的技零为较静静拇逡提 蓝了很大便秘， 毽拯模块纯静设计、数舞摘蒙、鑫瀚内存警璃、类、继承、多态和韵悉连编等橇 铡。这些枫制霹予获褥软传憋一些关键霞蘩特性 鬻羹要。筏倪零谍勰采麓盼藏 囊王英o p n e t 菰燕溪爨瑟氡对象技零翡。 并萼亍臻冀豹檄念最早密r 。e b r y a n t 霸装，m + c h a n d y 分嬲独立遗摄蒎， 龟 | 、l 在 【s 鞫 7 中诱述了游行爨冀熬基零凝念，珏及并嚣薅宾麓些关穗按零，叙摄琵 锁及惩锁船预防、检测和恢复等。筏粕将势行离数攀 牛镑爨熬策赡分为弱大娄； 爨守滤( c o n s e r v a t i v e ) 黎汞躐麓( o p t i m i s t i c ；这整方法簸簸予一些綮醛来确定处理 巢个褰件魁孬安垒。乐观的方法使用检测秘恢复方法：每当发现因裂错误对郯会 缕凝个鞠卷氍枣l 遴行滚囊。 甄向对象的仿真设计方法可以疲用于弗镗仿真中，j e a n - p i e r r eb r i o t 等总继了 褥露疯对象豹愚憋藏翅子并嚣罄囊熬方法，舞将箕分受羞予粪，这黧方法褒稻嚣 向对象的概念，综合运用对象、行为、消息传递和处理等恩想来构造并行仿真系 统。 j a v a 语言的出现为面向对象仿真和并行仿真提供了个近乎毙荧的实现机 裁。f i s h w i c k 杰 8 】中讨论了美予蘩予w e b 熬镌囊戆一些强念，提爨了该领域爵 能的些发展方向。e n v e r y u c e s a n 等在 9 中讲述丁j a v a 语亩对于分布式仿真的 羹熬及在t n t e m e t 上遴行分奄蕊嫠粪试验黪方法。l a r r y 等东 1 0 孛奔绍了麓于 w e b 的仿真系统的设计实现的几种繁本结构。 返几年基于滚懿仿真瞧藏为薅囊爨的一个热点，d a v i d c o l 等慰基予滚戆 仿粪已经有了冀研究成聚”。“。 第一章绪论 过去网络仿真技术主要用于网络协议和网络设备的开发和研究，近年来，由 于数据网络同趋复杂、网络规模日趋庞大，网络仿真技术应用于网络规划和设计 的需求日渐强烈。 1 2无线局域网技术及仿真 1 无线局域网技术 无线局域网是9 0 年代计算机网络和无线通信技术相结合的产物，它主要涉 及o s i 参考模型的物理层和m a c 层规范。无线局域网是指以无线信道作传输媒 介的计算机局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) ，无线网络是有线连网 方式的重要补充和延伸，并逐渐成为计算机网络中一个至关重要的组成部分。它 是在有线网络的基础上发展起来的，使网上的计算机具有可移动性，快速方便解 决有线方式难以实现的网络信道的连通问题。因而广泛适用于需要可移动数据处 理或无法进行物理传输介质布线的领域。随着i e e e 8 0 2 1 1 无线网络标准的制定 与发展，使无线网络技术更加成熟与完善。 无线局域网有两种类型：对等网络和基础结构网络。最简单的无线局域网结 构是对等网络。一个对等网络由一组有无线接口的计算机组成。这些计算机要有 相同的工作组名、e s s i d 和密码( 如果适用的话) 。任何时间，只要两个或更多 的无线接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。在基础 结构网络中，无线中继站( 如无线接入访问点、无线h u b 和无线网桥等设备) 把无线局域网与有线网连接起来，并允许用户有效地共享网络资源。中继站不仅 仅提供与有线网络的通讯，也为网上邻居解决了无线网络拥挤的状况。复合中继 站能够有效扩大无线网络的覆盖范围，实现漫游功能。本论文主要讨论的是有基 站无线局域网情况。 目前的w l a n 产品所采用的技术标准主要包括：i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 1 l b , h o m e r f 、i r d a 和蓝牙“1 。“”。“。“3 。 1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第代无线局域网标准- - i e e e 8 0 2 1 1 。该标准定 义了物理层和介质访问控制子层( m a c ) 的协议规范，允许无线局域网及无线设 备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。任何l a n 应用、网络操作系统或 协议( 包括t c p i p 、n o v e l ln e t w a r e ) 在遵守i e e e8 0 2 1 1 标准的无线l a n 上运 行时，就像它们运行在以太网上一样容易。 i e e e 8 0 2 1 1m a c 层负责客户端与无线访问接入点之间的通信。当一个 8 0 2 1 1 客户端进入一个或多个无线访问接入点的覆盖范围时，它将根据信号强度 和监测到的包错误率，选择其中性能最好的一个无线访问接入点并与之联系。一 旦被该无线访问接入点接受，客户端会将无线信道调整到设置无线访问接入点的 第一章绪论 无线信道。 为了支持更高的数据传输速率，i e e e 于1 9 9 9 年9 月批准了i e e e 8 0 2 1 1 b 标 准。i e e e 8 0 2 1 l b 的基本结构、特性和服务仍然由最初的i e e e 8 0 2 1 l 标准定义。 i e e e 8 0 2 1 l b 规范只影响i e e e 8 0 2 1 1 标准的物理层，它增加了更高的数据传输速 率和更健全的连接性，其中最重要的改进就是在i e e e 8 0 2 1 1 的基础上增加了两 种更高的通信速率5 5 m b p s 和11 m b p s 。 无线传输除了链路层和物理层与有线网络不同外，网络层、传输层等上层协 议均与有线相同。 3 无线网络仿真研究动态 随着计算机技术、数字图象处理技术、存储和数据压缩等技术的发展，各种 技术交汇产生了多媒体技术。多媒体网络教室是先进的计算机技术、网络技术、 多媒体技术和现代教学方法相结合的产物。现在几乎所有的学校在建设校园网 时，首先考虑到的就是通过网络实现多媒体教学。无线网络因为其具有不需要烦 琐电缆的优点，在多媒体教学建设上得到了越来越广泛的使用，无线l a n 在个 人电脑及外设网络连接上的应用越来越普遍。 b i n g 等人对无线性能进行了测量研究“”，但是对于无线局域网下基站最优摆 放方厩好像没有太多的研究资料。 可靠的传输协议象t c p 已经转向有有线链路和固定主机组成的传统网络。 t c p 在这种网络中通过改变端到端延迟和丢包率执行的很好。t c p 通过维护一 个估计的r o u n d t r i p 运行平均延迟合方差来提供可靠性。通过重传两次以内没有 回应的包。因为有线网络低的误码率，包丢失都被认为是发生了拥塞。不幸的是， 无线链路的高误码率，这种假设导致了t c p 性能更明显得下降，在无线环境中 出现了低吞吐率和高的交互延迟。这种结果是因为无线链路出错和转接延迟都被 发送端的t c p 误解为拥塞。因此，t c p 在重传包之前降低发送窗口大小，开始 发动拥塞控制机制( 慢启动) ，重设重传超时为前一值得指数b a c ko f f 计算( k a r n s 算法) ，从而不必要的减少了带宽利用率“7 ”唧。c h o w 等人对s n o o p 协议进行了 相关工作。 但是网络带宽一直为无线网络的一个瓶颈，无线网络的实际使用带宽远远不 如有线网络。无线性能受网络节点位置和距离影响，加上无线依靠空气传输，网 络性能还容易受人为干扰，如人员走动等，因此我们怎么搭建和布局个无线教 室，使之性能达到最优最近成为无线流媒体网络研究的一个主题。随着近几年网 络仿真技术在网络设计方面应用的发展，本课题采用o p n e t 仿真工具对无线流 媒体教室基站最优分布进行了方案设计和仿真并重点对s n o o p 协议进行了仿真 研究。 第一牵绪论 1 3谍题骜蒹藕论文王终 3 。 项磊鬻景 本课题组从事网终仿真工作多年，在网络仿真方面肖大量缀验。本课题是在 两项基金项目下完成的。与加拿大渥太华大学的o l i v e ry a n g 教授合作开展了 c i s c o 大学基盒项目一“无线通讯研究( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h ) ” 。该项瞄包含圈大部分：( a ) 业务特性描述( b ) 路由器的q o s 研究( c ) 蕊于q o s 的准入控制( d ) a dh o c 网络中的q o s 路由。作者参与了准入控制中的仿真研究 工作。闻时，本课题组承担了教育部的现代远稷教育关键技术与支撑腋务系统天 地网结合项目，负责无线接入网络学习系统中熬站优化分布工作，和无线t c p 协议仿粪研究。 1 。3 。2 本文薯终 随着无线网络的快速发展，对无线网络的研究已经成为网络界的一个热点。 o p n e t 仿真工其是著名的功能簸全的个仿真工具。 乍者主要研究了网络仿囊 技术及o p n e t 仿真软件的使用，并且利用这些技术得到了无线流媒体教室基站 最优分布方案。我们还在o p n e t 下辩无线网络t c p 敬避版本s n o o p 秀议进行 了仿真分析。 论文静鞋聪部分将始下安撵：第二牵 舞述了掰络落粪关键羧零，重患奔绍了 网络业务流量建模、仿真模型校验、仿真试验设计和仿真结果处理。第三章讲述 了瑟囱辩象静仿真软彳警o p n e t 瓣仿囊梳毒l 帮镬精方法。第器章掰无线流媒薄教 室基站最优分布进行了方案设计和仿真。第五章在o p n e t 环境下实现了s n o o p 秘议并遴行了秘粪。最藩绘壅了结论积装望。 第二章网络仿真关键技术 第二章网络仿真关键技术 用于计算机通信网络性能分析的通信网络仿真方法的四个重要步骤为：业务 流量建模、系统描述、仿真策略和仿真结果分析。系统描述我们将在下章重点讲 述。本章我们主要讲述了业务流量建模、仿真实验设计与分析和仿真结果处理三 个主要方面。 2 1 网络系统的计算机仿真方法 离散事件系统仿真的基本方法是蒙特卡洛法( m o n t ec a r l om e t h o d ) ，它是一 种现代数值方法，其主要思想是把数学、物理、工程技术与生产管理等方面要计 算的带有随机性的问题转化为一个概率模型( 如随机过程) ，使模型的若干数字特 征( 如数学期望) 表示为所需计算的量，然后用抽样试验和统计方法求这些数学特 征的估值，去近似代替所要求的量，并估计其误差或方差。 离散事件系统中的实体到达间隔、服务时间等通常是随机变量，因此，如何 产生随机数、如何获得随机变量的抽样值，是需要考虑的一个重要问题。 通信网络系统的仿真过程如图2 1 所示。 图2 一l通信网络系统的仿真过程 在仿真过程中，最重要的两个环节是真实系统到概念模型的抽象( 建立模型) 和概念模型到仿真模型的转换( 描述模型) 。 建立模型主要包括信息流模型、通信信道模型、网络资源模型和网络协议模 型的建立。描述模型包括对模型进行结构描述和行为描述。结构描述是将整个模 型对象划分成直到不能再划分的一系列最小基本单元模块；每个基本单元模块执 行特定的功能 整个模型( 系统) 的功能取决于构成系统的所有基本单元及其问的 相互关系；行为描述把基本单元模块看成“黑箱“，不关心内部实现细节，只考 虑其输入输出响应。行为描述比较结构描述更加灵活。 离散事件系统仿真研究的另一重点是仿真策略问题。在一个较为复杂的离散 第二章网络仿真关键技术 事件系统中，一般都存在诸多的实体，这些实体之问相互联系，相互影响，然而 其活动的发生却统一在同一时间基上，采用何种方法推动仿真钟，建立起各类实 体之间逻辑联系，是离散事件系统仿真建模方法学的重要内容之一，有时称之为 仿真算法或仿真策略。仿真策略决定仿真模型的结构。根据如何选择“下一事件”， 可将离散事件仿真分成三类： 事件调度法 用事件的观点来分析真实系统，通过定义事件及每个事件发生引起系统状态 的变化，按时间顺序确定并执行每个事件发生时有关的逻辑关系，这就是事件调 度法( e v e n ts c h e d u l i n g ) 的基本思想。 按这种策略建立模型时，所有事件均放在事件表中。模型中设有一个事件控 制成分，该成分从事件表中选择具有最早发生时间的事件，并将时间钟修改到该 事件发生的时间，然后调用与该事件相应的事件处理模块，该事件处理完后返回 时间控制成分。这样，事件的选择与处理不断地进行，直到仿真终止的条件或程 序事件产生为止。 活动扫描法 事件调度法中仿真钟的推进仅仅依据t ( s ) = m i n t a ) 准则，而该事件发生的 任何条件的测试则必须在该事件处理程序内部去处理。如果条件满足，该事件发 生，而如果条件不满足的话，则推迟或取消该事件发生。因此，从本质上来说， 事件调度法是一种“预定事件发生时间”的策略。这样，仿真模型中必须预定系 统中最先发生的事件，以便启动仿真进程。在每一类事件处理子程序中，除了要 修改系统的有关状态外，还要预定本类事件的下一件事件将要发生的时间。该策 略对于活动持续时间确定性较强( 可以使服从某种分布的随机变量) 的系统是比 较方便的。 但是，事件的发生有时不仅与时间有关，而且与其他条件有关，即只有满足 某些条件时才会发生。在这种情况下，由于系统的活动持续时间具有不确定性， 因而无法预定活动的开始或终止时间。 活动扫描法( a c t i v i t ys c a n n i n g ) 是针对具有上述特点的系统产生的。这种策 略的基本思想是：系统由成分组成，而成分包含着活动，这些活动的发生必须满 足某些条件；每一个主动成分均有一个相应的活动子例程；仿真过程中，活动的 发生时间也作为条件之一，而且是较之其他条件具有更高的优先权。 进程交互法 一个进程包括若干个有序事件及有序活动。目前流行的许多仿真语言中都具 有进程交互法建模的功能，但其软件实现的方法却不尽相同。进程交互法采用进 程( p r o c e s s ) 描述系统，它将模型中的主动成分所发生的事件及活动按时间顺序 第二章网络仿真关键技术 逡行缝合，扶两形痰逡程表，一个痰分一旦遴入逶程，它穆完袋该遗纛戆全部溪 动。 软件实理时，系统债奏镑戆控利疆彦采簿鼯张事 譬表，冀一是当藩事 事袭 c e l ( c u r r e n te v e n t sl i s t ) ，它包含了从当前时间点开始有资格执行的事件的记录， 毽是溶事件是否发生黪条件( 魏有豹诿) 滏寒刿凝，萁二是将来豢 孛表f e l ( f u t u r e e v e n t s t i s t ) ，它包含在将来某个仿真时刘发生的事件的辔件记录。每一个事件记 录中镪戆该事传的羞予媾蛙，其中必套个藩瞧援明该攀謦在避攫中繇始垃置数 指针。 2 2 盐务模型建模 网络仿真中一个菲掌重要静模鍪藏建流量模鍪，纛瓣景流爨模鳌又楚流量禳 型中极其重要的组成部分。 成功静输入模鍪需要在羧入模型翻系统奏安胃馥之阉套一个壤好瓣廷醒。 常见问题是怎么在离散事件仿真中给窟数据收集来建模一个元索( 例如到达避 程，鼹务次数) 。要褥翻一些糖囊穷霞瓣数据，霹鞋是诸妇辐关数据，缝数据袋 统计摘要之类的原始数据。因为用来驱幼仿真模型的输入是成概率分布的随机样 本，困噩乏些蒸本戆羧懑鼗摆或疑毽您诗冀塞采豹性毯溅量遣楚骧穰鹣。飘瑟说 正确的建模随机进程输入和正确的设计分析仿真实验是很重要的“2 2 ”。 1 。收集数据 收集数据有两种方法。一种是经典方法，一个设计好的实验来收集数据，第 二令是攥溅方法，通过已存数撰谨臻趱题。纂秘方法褰易控铡，第二秘方法可 以节省成本。 复杂的，尊变量的，时间独立豹竣入模型将“经验化t r a c e 驱动”作为可能 模型。所有的分支包含这个特定模型。t r a c e 驱动输入模型简单生成进程来收集 数据焉不至于依赖参数模型。 收集影响系统的正确元素数据是成功输入模型最初始也是最重要的一步。例 如当考虑服务爨队列性能时我们应该收集到达时间和服务时间，褥不是阔户的等 待时间，虽然等待时间也存在。 2 输入模型分类 网络仿真渡务源通常与清惫( m e s s a g e ) 有关。总的来说，应该建模消感( 或者 说事务) 而不是包。消息在仿真中被网络协议分成包。注意消息之间不是独立的。 下压是生成业务常魇的方法： 一个节点的消息离开时间和消息大小是基予应用的( 如h t t p ，f t p 等) 。 一个节点的到达时闻和潜惑大小怒独立懿祥本，服鼠各葺静概率分布，监务 第二章网络仿真关键技术 数据从网络分析器中读入仿真模型。 3 o p n e l l 下f t p 业务流量建模 o p n e t 提供了f t p 业务一个固有模型，然而我们发现在实际操作中f t p 业 务流量与设置有所不同，因此我们对o p n e t 下f t p 业务流量进行了研究并得出 了一个比较准确的建模方法。 利用o p n e t 仿真f t p 业务时，它有下表的参数设置： 表2 一lf t p 业务属性参数 值c o m m a n df i l et r a n s f e r a v e r a g e f i l ef i l es e r v e r m i x ( g e t t o t a l )r a t e ( f i l e s h o u r )s i z e ( b y t e s ) l o w l o a d1 0 0 1 5 ，0 0 0 r a n d o m m i d l o a d 1 0 0 5 1 0 ，0 0 0 r a n d o m h i g h l o a d 1 0 0 1 05 0 0 0 0r a n d o m 表中l o wl o a d ，m i dl o a d ，h i 曲l o a d 都是缺省值，f i l et r a n s f e rr a t e 服从泊松分 布( p o i s s o nd i s t r i b u t i o n ) ，a v e r a g ef i l es i z e 服从正态分布( n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) 。我 们可以用其中的任何一组参数来仿真它，如用l o wl o a d 或者m i dl o a d ，等。通 过对多级流量的观察和分析，用其中任何一组参数来仿真都有点不合实际，因此 在数学建模时，最好是采用多组参数的组合。 经过在o p n e t 平台大量的仿真实验得出f t p 的仿真机制如下： 1 ) 在包的大小小于6 4 k 时，发送的包与接收的包的个数相等。 2 ) 每次请求f t p 业务时，发送一个5 1 2 字节的包给s e r v e r ，返回一个所需 大小的包，例如如果以l o w l o a d 这组参数来仿真f t p 业务，c l i e n t 发送一个5 1 2 字节大小的包给s e r v e r 之后，才返回一个5 0 0 0 字节的包，所以说，我们在模型 中也要考虑发送的5 1 2 字节的流量。 为了达到某个要求，根据给定的某几组参数，确定一个决策向量，得到f t p 的a p p l i c a t i o nc o n f i g u r a t i o n ，然后仿真，最终得到满意结果。如在对v t p 的数学建 模中，不妨设某网段上行链路为l o b a s e t ，站点数为n ，仿真时段为1 小时，网段 上跑f t p ，h t t p 等多种业务，要求该网段的上行链路利用率为a ，而f t p 所占比例 为p ，由此可的，f t p 业务在该时段的总的流量为：m - p , a * 3 6 0 0 * 1 0 0 0 0 0 0 0 8 。 我们的现在的目的是：建立数学模型，得到f t p 的仿真参数，使之用o p n e t 仿真软件生成的f t p 的流量为m ( 字节) 。 我们先讨论一下c o m a n dm i x ( g e f f t o t a l ) 参数的影响。 该参数反映的是g e t 所占的比例，如g e t t o t a l = 0 6 ，则p u t t o t a l = 0 4 。 为便于描述，设x 表示运行f t p 的工作站的台数，r 表示文件传输的速率， z 表示每个传输文件的大小。 第二章网络仿真关键技术 夺当g e t t o t a l = 1 0 0 按理论计算应该产生的流量如下： 发送的流量为：t i = x , r * 5 1 2 接收的流量为：t2 = x r 女z 总的流量为： t = t 1 十t 2 = x r $ ( z + 5 1 2 ) 夺当g e t t o t a l 1 0 0 不妨设g e t t o t a l 2 q ( 0 q 1 ) p 2 x * r 依上面的参数设置，则理论值包的个数为： 现在分别计算发送( s e n d ) 和接收( r e c e i v e ) 的流量： 发送的流量为t r a f f i c ( s e n d ) = ( 1 _ q ) * p * z + q * p * 5 1 2 接收的流量为t r a f f i c ( r e c e i v e ) = q 4 p z + ( 卜q ) * p 5 1 2 总的流量为t r a f f i c = t r a f f i c ( s e n d ) + t r a f f i c ( r e c e i v e ) = ( 1 一q )半p 木z + q 半p 术5 1 2 + q 半p 半z + ( 1 一q ) * p 5 1 2 = p ( 5 1 2 + z ) = x 十r ( z + 5 1 2 ) 这与g e t t o t a l = 1 0 0 相同，说明g e t t o t a l 的值对讨论没有影响，因此在以后 认为g e t t o t a l = 1 0 0 。 下面我们可以搭建模型。 前面说过，最好用多组参数来仿真，首先讨论用任意两组参数来仿真的情 况，不失一般性，设参数组为( x i ，a 1 ) 和( x 2 ，a 2 ) ，其中x l ，x 2 表示f i l et r a n s f e rr a t e ， 都是服从p o i s s o n 分布的随机变量，a l ，a 2 表示a v e r a g ef i l es i z e ，都是服从n o r m a l 分布的随机变量，用决策向量( n - ，n z ) 来仿真f t p 业务( 还可以是其它的决策向量， 这里不做讨论) ，其中n 。为( x l ，a ) 的工作站的数目，n 2 为( x 2 ，a 2 ) 的工作站数目， 且0 托 ，0 m ，z ( n 为该网段的工作站的总数) 。这样，得到仿真参数组如 下： g e t t o t a l t r a n s f e rr a t ea v ef i l es i z en u m b e ro f w k s p r o p o r t i o n 1 0 0 x la ln lp l 1 0 0 x 2a 2n 2 p z 其中x p ( 1 ) ，x 2 p ( 2 ) ，a l n ( p l ，0 1 ) ，a 2 n ( p2 ，02 ) ，p l + m = l 参数组( 1 0 0 ，x 1 ，a l ，n 1 ) 生成的流量为：t i = x i 女n l 十( a l + 5 1 2 ) 参数组( 1 0 0 ，x 2 ，a 2 ，n 2 ) 生成的流量为：t 2 = x z * n 2 ( a 2 + 5 1 2 ) 总流量为：t = t l + t 2 设q = ( t t + t ：) m ，如果q = i 则是最为理想的结果。事实上，由于流量产生的随机性 可知，这是不可能的，因此给出一个置信值o a l 和误差0 a 通常取0 8 5 = a i ，o e = o 1 5 。一般地，对于m 组参数我们可以归结为： 求n t ，n 2 ，玩辨。使得以下各式国时成立# rp r o b ( 1 1 - ql