（计算机应用技术专业论文）通用网络应用层信息流仿真与测试平台.pdf

摘要 摘要 计算机的网络时代已经到来，它改变了每个人的观念、生活和工作的方方 面面，未来计算机的应用系统必然自主或不自主地向网络化的应用模式倾斜。 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。随着通信网络系统的日益复 杂，对网络系统的性能分析和仿真都趋于使用专用的网络仿真分析软件。 本论文的总目标是研制一套基于整个系统网络性能的测试平台，即论文的 着眼点是放在整个系统的网络性能测试上，提供实施半物理仿真测试网络性能 的功能，以有效支持系统网络设计师设计和评估网络性能。这里，“整个系统” 是指包括节点在内的组成应用系统的整个网络系统。 关键字：网络性能测试、计算机仿真、信息流 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee r ao f c o m p u t e rn e t w o r kc o m i n g ，p e o p l e sn o t i o n ，l i f e ，w o r ka n da l l o t h e rd i r e c t i o n sh a v eb e e nc h a n g e dd r a s t i c a l l y i nt h ef u t u r e ，t h ea p p l i c a t i o n s y s t e mo fc o m p u t e rm u s tb ei n c l i n e dc o n s e q u e n t i a l l yt oa p p l yt h em o d e lo fn e t w o r k f o rt h es y s t e mo fn e t w o r ka p p l i c a t i o ni nr u n n i n g ，t h ea d m i n i s t r a t o rm u s tm o n i t o ri t s e f f i c i e n c ya n da n a l y s i si t sp e r f o r m a n c e d oi tl i k et h i s ，i tw i l lg e tt h eb e s tg o o d s e r v i c e ；f o rt h es y s t e mo fn e t w o r ka p p l i c a t i o ni np r e p a r i n g ，t h ed e s i g n e rn e e d st o m a k es u r et h ef e a s i b i l i t yo fh i sp r o j e c tt ob u i l dt h eb e s tn e t w o r ke n v i r o n m e n tw i t h l o w e s ti n v e s t m e n t a l o n gw i t ht h es c a l eo fn e t w o r kg e t t i n gl a r g e r , t h ec o m p u t e r e m l u a t o ra b o u tn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n dt h ea n a l y s i st ot h en e t w o r k sc a p a b i l i t y w i l lb em o r ei m p o r t a n t a st h en e t w o r kc o m u n i c a t i o ns y s t e mb e c o m i n gm o r e c o m p l e x ，t h en e t w o r ke m i u a t o rf o rs p e c i a lp u r p o s e ( j u s tl i k es y s t e m sc a p a b i l t y a n a l y s i st on e t w o r ka n de m l u a t o r ) w i l lb eu s e db r o a d l y t h ea i mo ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pas e to ft e s t i n gp l a t f o r mb a s e do nt h e p e r f o r m a n c eo fw h o l en e t w o r ds y s t e m i tm e a n st h ep r o j e c tf o c u so nt h ep e r f o r m a n c e t e s to f t h ew h o l en e t w o r ks y s t e m ，a n dp r o v i d e st h ea b i l i t yt oi m p l e m e n th a l f p h y s i c a l s i m u l a t i o nt ot e s tt h e p e r f o r m k e y w o d s ：n e t w o kp e r f o r m a n c et e s t ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；i n f o r m a t i o nf l o w ； i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 如6 年期加日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： ； 学位论文作者签名i 年+ 月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 二十世纪末，人类正进入信息化时代，社会的进步和生产力的发展，在很 大程度上要依赖人类对信息的获得和处理能力，依赖于包括信息技术在内的科 技进步。 信息技术包含的内容很广，既有对信息的收集、处理、存储、传送和分配， 又有表达信息的手段。计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物，是信 息技术进步的象征。近年来，i n t e r n e t ( 因特网) 这个全球化计算机网络的发 展，已经证明了计算机网络对信息时代绝对重要性。 对于什么是计算机网络，以及它的结构这个问题，不同的人群对计算机网 络的含义和理解是不尽相同的。早期，人们将分散的计算机、终端及其附设， 利用通信媒体连接起来，能够实现相互的通信称作网络系统。1 9 7 0 年，在美国 信息处理协会召开的春季计算机联合会议上，计算机网络定义为“以能够共享 资源( 硬件、软件和数据等) 的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算 机系统之集合”。 上述两种描述的主要区别是：后者各节点的计算机必须具备独立的功能， 而且资源( 文件、数据和打印机等) 必须实现共享。随着分布处理技术的发展 和从用户使用角度考虑，对计算机网络的概念也发生了变化，定义为“必须具 有能为用户自动管理各类资源的操作系统，由它调度完成网络用户的请求，使 整个网络资源对用户透明”。 综上所述，所谓计算机网络就是通过通信线路互相连接最小自治的计算机 的集合。它是由计算机及其外部设备、数据通信和终端设备等构成一个群体。 第一章绪论 随着计算机及其应用技术与通信技术的快速发展，网络在应用系统中的作用也 日显突出，对应用系统的设计者也提出了越来越高的要求，系统设计者必须在 应用系统设计的各个阶段对网络的性能进行论证和有效评估，缺少任何必要的 环节，都会加大应用系统研制的风险，甚至导致研制失败，许多从事网络系统 应用的技术人员或从理论上或从实践中都认识到了这一点。 1 2 研究内容 网络测试是进行网络管理的有效辅助手段。按照国际标准化组织的定义， 网络管理是关于规划、监督、设计和控制网络资源的使用和网络的各种活动， 其目标是使网络的性能达到最优。网络管理分为五个方面：配置管理、性能管 理、计费管理、故障管理和安全管理。其中的故障管理是管理和监督非正常的 操作，它提供的功能有维护差错日志、相应差错通知、定位和隔离故障、进行 诊断测试已确定故障类型，以及最终排除故障；性能管理则有助于资源的性能 评估，它收集和分发统计数据，维护系统性能的历史纪录，模拟各种操作的系 统模型；安全管理指对开放系统的访问要实施的各种保护功能，它支持安全服 务、维护安全日志，向其它开放系统分发有关安全方面的信息。 对网络进行有效的测试有利于对网络的综合管理，以充分利用网络资源， 提高网络的运行效率和安全性。网络测试与网络协议的分层有关，网络协议的 分层监护了网络协议内部及外部的关系，也为网络测试提供了方便。对应于网 络协议的t c p i p 模型测试也相应分成了4 层。 t c p i p 模型不包括其基础的硬件，分为4 层：链路接口层、网络层、传输层 和应用层。链路接口层传递贞，在所使用的e t h e r n e t 上，传递的是e t h e r n e t ( 以 太网) 帧；网络层传递的是i p 报；传输层传递的是t c p 报或u d p 报；而应用层传 递的数据就要看应用层对网络的使用方式了。 网络测试：在链路接口层上是测试e t h e r n e t 帧，现常用的设备是e t h e r n e t ， 第一章绪论 网的网络测试仪；在网络层上测试i p 报及内容的i c m p 报：在传输层上是测试t c p 报和u d p 报。 由于这几层的协议已经非常标准和规范，因此，对这几层的测试已经有许 多商品化的工具。但是，在应用层上的应用成千上万、千差万别，也就不可能 有一种测试工具能够覆盖所有的应用。应用层测试分为功能测试和性能测试。 ( 1 ) 功能测试： 监测网络中传输的每一个报文；并能在网络中注入任意一个报文，以 观察网络应用的变化；监测接入网络中每一台工作站的开机运行情 况。 ( 2 ) 性能测试 性能测试采取极限测试的方法，不用等待处理报文，它分为：网络流 量，网络吞吐量，网络利用率和网络延迟。 本文的重点就是应用层的性能测试方法。 1 3 论文组织 第一章绪论主要介绍本论文当前的背景以及研究方向；第二章是网络信息 流，主要介绍与网络信息流相关的知识；第三章是仿真方法概论，介绍当前的 一些仿真方法；第四章是对于本论文的概要设计说明；第五章是详细设计：第 六章主要说明本论文的最后实现；第七章是总结及展望。 第二章网络信息流 第二章网络信息流 2 1 计算机网络简介 网络软件和网络硬件是网络赖以存在的基础。网络硬件和网络软件协同工 作，完成各个独立计算机之间的通信和资源共享。 l 、网络软件 在网络系统中，网络上的每个用户，都可享有系统中的各种资源，系 统必须对用户进行控制。否则，就会造成系统混乱、信息数据的破坏和丢 失。为了协调系统资源，系统需要通过软件工具对网络资源进行全面的管 理、调度和分配，并采取一系列的安全保密措施，防止用户不合理的对数 据和信息的访问，以防数据和信息的破坏与丢失。网络软件是实现网络功 能不可缺少的软件环境。 1 、通常网络软件包括： 网络协议和协议软件：它是通过协议程序实现网络协议功能。 网络通信软件：通过网络通信软件实现网络工作站之间的通信。 网络操作系统：网络操作系统是用以实现系统资源共享、管理用户对 不同资源访问的应用程序，它是最主要的网络软件。 网络管理及网络应用软件：网络管理软件是用来对网络资源进行管理 和对网络进行维护的软件。网络应用软件是为网络用户提供服务并为网络 用户解决实际问题的软件。 网络软件最重要的特征是：网络管理软件所研究的重点不是在网络中 互连的各个独立的计算机本身的功能，而是在如何实现网络特有的功能。 2 、网络硬件 网络硬件是计算机网络系统的物质基础。要构成一个计算机网络系统， 4 第二章网络信息流 首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其它计算机系统连接起来。 不同的计算机网络系统，在硬件方面是有差别的。随着计算机技术和网络 技术的发展，网络硬件日趋多样化，功能更加强大，更加复杂。主要包括 如下部分： ( 1 ) 线路控制器l c ( l i n ec o n t r o l l e r ) ：l c 是主计算机或终端设备与 线路上调制解调器的接口设备。 ( 2 ) 通信控制器c c ( c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r ) ：c c 是用以对数据 信息各个阶段进行控制的设备。 ( 3 ) 通信处理机c p ( c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o r ) ：c p 是作为数据交换 的开关，负责通信处理工作。 ( 4 ) 前端处理机f e p ( f r o n te n dp r o c e s s o r ) ：f e p 也是负责通信处理 工作的设备。 ( 5 ) 集中器c ( c o n c e n t r a t o r ) 、多路选择器m u x ( m u l t i p l e x o r ) ：是 通过通信线路分别和多个远程终端相连接的设备。 ( 6 ) 主机h o s t ( h o s tc o m p u t e r ) 。 ( 7 ) 终端t ( t e r m i n a l ) 。 2 2 网络端端延迟 为了解决不同厂家、不同型号计算机组成计算机网络问题，国际标准化组 织i s o 于1 9 7 8 年提出了开放系统互连o s i 模型，在1 9 8 3 年形成了互连基本参 考模型的正式文件，简称为o s i 参考模型。它采用了7 个层次描述体系结构， 表2 1 给出了7 个层次的定义和完成的功能。 第二章网络信息流 层号层的名称功能 7 应用层与用户应用进程的接口 6表示层数据格式的转换 5会话层会话的管理与数据传输的同步 4 运输层从端到端经网络透明地传输报文 3 网络层分组传送、路由选择和流量控制 2 数据链路层在链路上无差错地传送帧 1 物理层 将比特流送到物理媒体上传送 表2 1o s i 网络七层结构 o s i 参考模型中非常清晰地描述了数据在o s i 层次范围内的流入和流出顺 序。如图2 2 所示，计算机a 中从7 层到1 层；计算机b 中从1 层到7 层；中 间通过通讯线路。 图2 2 网络数据传输示意图 从网络体系结构的角度分析，在一台计算机中，包括“o s i 环境”和“本 第二章网络信息流 地系统”两部分。如上图所示，只有阴影矩形内的是o s i 描述的环境；计算机 中的其他一些和o s i 无关的部分，包括应用系统进程在内，都不属于o s i 互连 环境，它们都处在“本地系统”之中。 在构成网络的计算机节点中，每台机器相同的层称为“对等层”，各个层的 协议实际上就是在各个对等层之间传递数据的各项规定。目前，体系结构7 个 层次的许多协议标准都已经制定出来了，其中应用层( 7 层) 最复杂，是为网 络用户之间的通信提供专用的程序，包括的应用层协议也最多，内容主要取决 于用户各自的需要，本层在国际上几乎没有完整的标准。 从图2 2 可以看出，计算机网络进行数据交换时，数据从“本地系统”流 入“o s i 环境”。在o s i 环境内，发送方计算机的每个层按照本层的协议解析数 据内容，并向下一层交出；接收方每个层按照本层的协议解析数据内容，并向 上一层交出。 数据从a 机用户操作发出到b 机应用程序接收，之间的延时包括以下环节： a 发送节点本地系统：用户应用程序数据处理，发到网络操作进程； b 发送节点本地系统：操作系统进程调度，排队等候； c 发送节点o s i 环境：7 层接收用户进程数据： d 发送节点o s i 环境：7 层到l 层： e 网络通讯线路； f 接收节点o s i 环境：l 层到7 层； g 接收节点o s i 环境：7 层数据发送到用户进程； h 接收节点本地系统：操作系统进程调度，排队等候； i 接收节点本地系统：用户进程完成最终数据操作； 实际上，7 层模型并不是强制执行标准，不同网络的层次数不尽相同，如 1 5 5 3 b 总线就是5 层。但无论几层，最低层是物理层，最高层是应用层，网络 端端延时就是反应网络应用系统中，两节点间从用户层到用户层之间信息( 即 第二章网络信息流 报文) 传输的延时，具体的是指发报节点和收报节点上两进程( 任务) 之间报 文传输的延时，包括应用进程( 任务) 提交报文并放入队列引起的延时t l ( 生 成延时) 、队列中报文移至网卡并由网卡获得传输介质存取控制的延时t 2 ( 排 队延时) 、报文在网上传输的延时t 3 ( 传输延时) 和报文到达目的节点至提交 给应用进程的延时t 4 ( 提交延时) 四部分。t 1 主要与主机节点性能、操作 系统的进程调度和系统资源使用有关，a t 2 与网卡特性和操作系统有关，a t 3 与使用介质访问存取协议和介质有关，t 4 与主机节点性能和操作系统的进程 调度有关，即t 1 、t 2 和a t 4 都与应用系统密切相关，可见，只有从应用层 来测试网络的延时，才能真实、全面地反映实际应用子系统的实时性到底如何， 若能测量出它的定量数据，则将对保证系统的实时性能起到相当重要的作用。 实际上，包括“本地系统”在内，在计算机每一个环节的处理上都将产生 传输延时，但都反映在用户最终的数据处理进程的发送和接收中。把数据从a 机用户操作发出到b 机应用程序接收到数据之间的延时就是“网络端端延时”。 2 3 网络性能分析 要对网络性能进行定量的研究，必须指定适当的性能标准。网络性能的描 述可以按照网络协议分层的原则，分别从链路级、网络级、用户级讨论，也可 以从网络资源利用、网络管理和网络服务的角度来讨论。由于着重于对实际或 设计的网络本身的总体性能指标，以及网络对各种应用的支持性能的研究，因 此从后者的角度来讨论。 对于网络管理者和用户来说，评价信息网络性能好坏的技术指标包括网络 吞吐量、信道容量、链路利用率、节点利用率、系统的平均响应时间、包延迟 时间、延迟抖动、丢包率和可靠性等。各技术指标定义、描述如下： 1 、吞吐量单位时间内( 通常为秒) 节点之间成功传送的无差错的数量。 包括网络总吞吐量、节点吞吐量和特定连接或会话吞吐量。 r 第二章网络信息流 2 、容量( 信道容量或带宽)电路和网络传输数据的能力，通常以每秒传 输比特数来度量。 3 、利用率在特定时间段内所使用容量占全部可用容量的百分比。 4 、最优利用率网络饱和之前的最大平均利用率。例如，共享以太网的 最大利用率一般不超过3 7 ；令牌环和光纤分布式数据接口 ( f d d i ) ，典型的最优平均网络利用率目标是7 0 ；广域网的最 优平均利用率与令牌环相近，也为7 0 左右。 5 、可提供负载在某一特定时间，准备发送的所有网络节点的所有数据 的数量。 6 、有效率相对于全部通信量，正确传送的有用的通信数量的比例。 7 、延迟从报文开始进入网络节点链路到它开始离开网络节点 链路之间的时间，分别称为网络延迟、节点延迟或链路延迟。 8 、延迟变化量也称为延迟抖动，指平均延迟变化的时间量。 9 、响应时间网络服务请求和响应该请求之间的时间。 2 4 网络性能指标的选取 在网络性能评价时，由于评估的网络对象不同，网络承载的业务有所差别 网络提供服务的偏重也有差异，评价网络性能最优的主要指标是不同的。例如 企业网中支持的服务主要是数据库查询、文件传输业务服务，最敏感的性能指 标是响应时间和吞吐量；i p 电话提供商的业务网络支持的服务主要是话音传 输，最敏感的性能指标是延迟和延迟抖动。 在网络设计和管理时，希望通过设置和调整把网络的各项性能指标都调整 到最佳。但这只是一种理想的情况，现实情况中有许多限制，例如成本、链路 状态、传输服务商的技术支持、网络协议的相互影响等，但是在权衡各方面因 素后，选取主要的敏感性能指标参数作为评价特定网络性能好坏的标准，把其 9 第二章网络信息流 他的性能指标作为参考。而且对于特定的网络来说，各项性能指标都折衷的方 案并不一定能为用户提供最好的服务。因此在网络性能研究中，是否选取了合 理的性能指标参数，是评价与实际是否相符的一个关键因素。 从应用系统角度分析，网络的总体性能不仅和网络自身性能有关，而且和 用户设计的应用系统信息流方案有关。不同的网络信息流方案，反映出的网络 应用系统性能不同。以下讨论的网络性能均指网络应用系统的性能。本次研究 所选取的是延迟和丢包率。本文模拟的网络信息流是基于系统的应用层，即应 用层“看到”的网络信息流。以下讨论的网络信息流均指应用层网络信息流。 2 5 影响网络- 陛能的因素 影响局域网性能的主要因素是数据率、传播延迟、帧长、局域网协议、节 点数和信道误码率。 1 、数据率、传播延迟和帧长对性能的影响 从局域网与广域网及多处理器系统的主要区别是所采用的信道数据传输率 b 及传输距离d 的不同这点来看，正是信道数据传输率与传输距离的乘积确定 了局域网的性能。如在其它条件相同的情况下，一个5 0 m b ! o s 、i k m 总线的网络与 一个l o r o p s 、5 k m 总线的网络，两者的网络特性将是一样的，即若b 和d 的乘积保 持常数，则度量局域网性能的其它常用参数( 如介质利用率) 也将会保持某个常 数。在一般常用的介质中，介质传播速度都近于恒定，一般取光在真空中速度的 2 3 。传播延迟a 等于传输介质位长与帧长之比( 传输介质位长是任一瞬间在 距离d 的两个站间正在传送中的位数) ，亦即传播时间与发送时间之比。也就是 说，利用率随传播延迟的增大而降低，这自然就影响了吞吐量：另外，帧长中包含 地址位和同步位，即各种介质访问协议都有各自的开销，因此，协议的开销因要 浪费带宽( 或数据速率) ，从而也就降低了有效利用率和有效吞吐量。 2 、局域网协议、节点数和信道误码率对性能的影响 】0 第二章网络信息流 局域网协议在物理层影响不大，通常它能支持几乎没有延迟的发送和接收： 链路层会增加某些开销位到每个帧上，所以有一定的影响，介质访问控制对网 络性能有较大的影响。节点数太少，不能产生足够的负载来利用全部系统容量 节点数太多且每个站提供的负载也多，则有可能使信息量超过网络容量，造成信 息积压、延迟增加。报文在传送中若出错、有误码势必要重发，故将影响网络 性能。 第三章仿真方法概论 第三章仿真方法概论 国外自7 0 年代以来，一直非常重视网络性能分析工作，在设计和建设网络 系统时都要进行网络性能分析与评价工作，所采用的方法也随着计算机技术的 发展而不断变化和发展，从最初的人工计算方法发展到了数学仿真和物理仿真 与测试方法。 3 1人工计算和数学仿真方法 人工计算方法的具体做法是，将排队论的数学模型框架结构作为常用的网 络分析的重要数学模型，根据模型列出的一系列公式进行计算，得到网络的延 时、效率、吞吐量等网络性能的主要指标。 从8 0 年代起，国外开始采用性能模拟的方式，即编写一个程序在计算机上 运行，使它的行为和所描述的模型系统一样( 或者至少很接近) ，通过观察这个 程序的运行来评价被模拟系统的性能。与人工计算方法相比，性能模拟方式更 加实用和接近真实情况。随着计算机仿真技术的发展，网络性能评价的模拟方 式已发展为采用数学仿真方式和研制通用网络性能仿真软件，建模的手段也更 加多样和有效，许多从事网络性能分析研究的公司推出了相应的产品，如用于 美军标m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线的网络信息流仿真软件m u t a s ( m u x b u st r a n s f e r a v i on i cs i m u l a t o r ) 就是最早出现的供网络性能分析使用的成功的仿真软件 包，它可以对1 5 5 3 b 总线构成的通讯系统进行仿真与评价，它在一定的系统结 构和接口控制文件( i c d ) 情况下，对i c d 规定的信息流进行仿真，得到总线负 载、平均延时率和子地址利用情况等结论，帮助设计人员进行设计与评价。2 0 多年来，m u t a s 已成功应用于国外多个工程，并己在国内工程中得到很好的应 用。除此而外，网络性能分析仿真的商用软件还有： 第三章仿真方法概论 a n l y t i c a le n g i n e 公司的n e t r l e 2 o ； c a o n c e 公司的b o n e s ； m i l 3 公司的o p n e t ； n e t c r a c k e rt e c h n o l o g y 司的n e t c r a c k e r ； c a c i 公司的c o m n e tp r e d i c t o r 、b a s e l i n e r l 1 和c o m n e t i 。 上述数学仿真软件都提供了比较完备的工具，并具有丰富的模型库，支持 多种协议，功能和通用性较强，将它们安装在一台计算机上就能对网络信息流 进行仿真与评价，但是它们都是针对一般的网络应用系统来设计的，对于采用 网络的实时系统的仿真评价存在着天生的不足，主要表现在信息输入不够完善， 用户不能任意选取和修改所采集到的重要参数，开放性不够，无法与现已开发 的以太网i c d 数据库进行衔接，特别是不能分别对给定的每一条消息报文一一 定量评价，而且操作复杂，要求用户具有很高的网络背景知识，不利于一般人 员使用。 国内在网络性能分析研究方面起步较晚，目前基本上还停留在使用国外成 熟产品阶段。 总之，网络性能分析数学仿真方法的优点是只需要一台计算机和相应的仿 真软件就能进行网络性能分析与评价工作，且能方便地进行多次迭代。但是， 它以仿真模型为基础，因此仿真结果的逼真度与仿真模型的建模水平息息相关， 同时，它毕竟是纯数学的，与实际物理设备的性能存在着一定差距。 3 2 物理仿真与测试 现有的物理仿真与测试分为利用商用测试仪进行测试和搭建网络物理平台 的半物理仿真与测试两种，二者的作用各不相同。 3 2 1 商用测试仪 国外有专门从事网络测试仪研究的公司，其中著名的公司和产品有： 13 第三章仿真方法概论 f l u k e 公司 美国f l u k e 网络公司生产2 0 0 多种测试仪，其中最新的o p v l a 链路分析 仪、o p v p e 协议专家系统，以及o p v i n a 集成式协议分析仪等，能够分别实 现交换网全双工链路层线速捕包、数据解码和过滤等功能，能够测试网络流量、 误码率等，还能够自动搜索网络设备，监视交换机路由器的内部。 h p 公司( a g i l e n td e p a r t m e n t ) 美国h p 公司提供多种型号的网络测试仪和协议分析仪，如h p j 2 3 0 2 b 网络 协议分析仪、a g i l e n t j 6 8 0 0 系列网络分析仪等，能实现在线截获和分析网络层 协议，对网络进行监测和智能分析与统计，测试网络流量、误码率等，还能进 行协议统计及协议栈信息显示等。 到目前为止，商用测试仪基本采用在网络低层“看”数据的方式来对线路 上的帧( 包) 进行解释，从中判断网络的故障和测量网络的流量等，它们主要 用于网络维护、管理和流量测量等方面。 3 2 2 半物理仿真与测试 1 9 8 0 年s h o o h 和h a p p 两位科学家在实验室将1 2 0 台计算机连接到一个以 太网上构成一个原型系统，在各节点上编写应用系统的通讯程序，并进行了网 络半物理仿真和测试工作。 这里所指的网络半物理仿真通常称作网络信息流半物理仿真( 以下简称网 络信息流仿真) ，由于它采用了真实的网络设备，编制了与应用系统相近的通讯 程序，因此仿真的结果比数学仿真结果的逼真度高，如果要想提高逼真度，还 可以将仿真环境尽量与真实环境一致，包括硬件、操作系统和通讯协议等。同 时，这种方法还提供了一个测试网络端端延时的最佳环境，因此，至今仍在采 用这种方法，但这种方法不能多次迭代。 美国d d c 公司则是采用p c 机加专用仿真测试设备i d e a ( i n t e g r a t i o n d e v e l o p m e n te m u l a t i o n a n a l y s i s ) 卡以及1 5 5 3 b 总线设备，共同仿真一个1 5 5 3 b 14 第三章仿真方法概论 总线的应用系统的方式，i d e a 卡上配有很强的仿真和测试软件，1 个i d e a 卡可 以同时仿真控制器b c 和3 2 个远程终端r t ，仿真全系统的信息传输，验证通讯 协议的完整性，分析网络性能。这种方法在国外使用已较广泛，国内在9 0 年代 也开始使用，主要的用户有中国科学院空间科学与应用研究中心但这种方式仅 适用于1 5 5 3 b 总线。 3 3 第三方测试 现在国内外已有面向社会开放的独立的第三方网络测试实验室，提供客观、 公正、权威的网络性能评价和网络测试的技术支持和技术服务。中国科学院计 算技术研究所网络测试实验室就是这样的第三方测试单位，他们采用先进的商 用测试工具( 如h p 、f l u k e 等) ，测试网卡、交换机、路由器、接入设备、防火 墙等全线网络产品，但不提供测试网络端端延时的服务。 3 4 进一步阐述 需要指出的是，上面提到的数学仿真和半物理仿真与测试产品都是在应用 层以下进行的，它们只反映了网络自身的性能，而不能直接全面反映采用网络 的应用系统最终呈现在用户面前的性能。随着网络技术应用的逐步深入，从网 络应用层来仿真应用系统的信息流和测试网络端端延时可以加快设计周期，避 免返工，可以提前预测出现的问题，节省资源和资金等等，这些重要性、紧迫 性已为众多网络工作者和系统设计者认同，但至今为止，国内外仍无这方面的 商用产品可提供使用。 第四章总体设计概述 4 1 设计理论依据 第四章总体设计概述 4 1 1 网络系统的计算机仿真原理 网络系统的计算机仿真是利用计算机对所研究的系统结构、系统功能和系 统行为进行动态模仿，即是通过计算机程序的运行来模拟网络的动态工作过程。 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。 无论是连续系统还是离散系统，都可以运用计算机仿真的方法来进行系统 性能评价和系统分析。计算机仿真需要建立与原型( 应用系统) 相似的仿真模 型。描述离散系统的模型称为离散时间模型。离散事件系统主要由四种因素组 第四章总体设计概述 成，即实体、设备、事件和活动。 “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 算机通信网络系统中的数据帧。“设备”在一般随机服务系统中称为“服务员”、 “服务窗”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。“事件”是指有实体的到达或离去，引起实体总数增减和设备忙闲，造 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。“活动”是在系统中的实体，依照实际工作情况呈现出的各种状态，如队列 中的实体依次递进，实体由排队等候进入设备接受服务等。“事件”和“活动” 用发生的时间及其内容( 如状态、行为等) 来描述。 通常通信网络系统在仿真时的系统描述是采用方框图，每个方框代表一个 信号处理的操作。，通信系统的一般方框流程图见图4 1 所示。 实际的通信系统可能是图4 1 中的一部分。仿真时，一个方框必须提供一个 描述方框功能的仿真模型，如方程式或算法。一个方框可以是一个系统，可以细 化为多个方框，分别进行仿真描述建模。 图4 1 通信系统的一般方框流程图 第四章总体设计概述 4 1 2 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 e c 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。 通信网络系统的建模与一般离散事件系统仿真过程有所不同。通信网络系 统主要由信息流、网络资源和通信协议组成。信息流和网络资源与其它离散事 件系统没有本质的差别，通用的离散事件仿真方法可以较容易地对它们进行描 述，复杂的通信协议是一般离散事件仿真没有解决的。所以，针对信息流模型、 网络资源模型和网络协议模型各自的特点，需要分别建模。 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，开放系统互连) 网络参考模型对网络 的分层含义实际上是把“数据从网络上的某一点传送到网络上的另一点”这个 任务分解成七个不同的任务；任务分层处理；各层完成各自对数据的封装和分 配。 抽象地来看通信网络的实际运作，可以认为通信网络的过程实际上就是用 户随机产生对网络资源的请求，由网络协议控制其网络资源的分配以满足用户 需求的过程。为了仿真通信网络系统，就必须对构成系统的各个组成部分进行建 模。 对通信网络系统进行计算机仿真是参照o s i 模型的分层概念，建立相应子 各层功能性能描述的仿真模型，再用计算机语言代码编制成对应仿真模型的 计算机程序模块：通过运行这些计算机程序来模拟通信网络系统的动态工作过 程。 第四章总体设计概述 一个完整的通信网络系统，不仅包括数据帧、发收两端的各种设备，还包 括通信协议和传输信道等。要使计算机仿真通信网络系统的结果精确地与实际 情况一致，仿真的模型就应尽可能详细。这样，仿真占用的资源和耗费的时间与 精力也会随之增加。如何在模型复杂性与仿真的准确性之间找到合适的平衡和 折衷，是实现仿真时的中心问题。 4 。2 设计概述 网络系统的计算机仿真是利用计算机对所研究的系统结构、系统功能和系 统行为进行动态模仿，即是通过计算机程序的运行来模拟网络的动态工作过程。 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。 实时仿真是指仿真模型的时间比例尺与真实系统的时间比例尺完全相同的 仿真。当仿真系统有实物介入或有人在试验回路时，由于实物和人是按真实时间 变化和运行的，因此就需要进行实时仿真。这种有实物介入的系统就称为半物理 仿真系统，半物理仿真要求仿真系统实时接收动态输入，并产生实时动态输出 3 。即在与真实系统相同或相似的物理设备上，模拟与真实系统相同的网络信 息流，并使信息流在网络上流动，在配合专用的设备，监控和测试网络的性能 以达到评估网络设计的目的。 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 1g 第四章总体设计概述 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间的相互关系。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。例如：报文大小、流向、频率等，不必再关心黑匣 子后面的系统状况和信息流的具体含义。 本论文采取的是行为描述。这样简化的应用系统完全可以体现真实应用系 统的网络特性，它由一个与真实系统相同的网络结构和简化了的信息流组成的 应用系统。信息流平台要描述这样的应用系统，就必须能够确切、完整地描述 它的网络环境和网络信息流，做到这一点的前提是：找出网络构成和网络信息 流的特征要素，把它们抽象化、规范化，最终设计相应的数据结构保存。仿真 运行时，读取这些数据，做运行参数的设置，即可以使信息流在网络上流动起 来。这就是信息流模型的概念。使用“通用软件生成法”进行信息流仿真，就 必须具有一个科学的信息流模型。 4 3 仿真模型划分 根据模拟应用系统的特征要素分析，得出计算机数学语言描述的数字化仿 真、运行和数据存储模型。包括： 设计应用系统描述模型 给出完整表现系统网络特性的描述模型，设计模型的数据结构和存储结构。 设计数据分析模型 结合网络性能的分析方法和特殊用户的特殊分析要求，本着全面、方便、 灵活的原则，给出仿真数据的分析模型，并设计模型的数据结构和存储结构。 设计仿真数据存储模型 网络性能研究需要使用大量测试数据，通过统计方法分析。仿真数据必是 海量数据，数据存储模型的合理设计关系到整个系统的使用效率。模型的设计 包括以下关键内容：数据利用效率、存储效率、操作方便性等。 2n 第四章总体设计概述 设计运行控制模型 根据运行特征要素，设计运行控制模型，满足：全自动、直观、方便灵活 和有效控制的功能要求。 图4 2 信息流生成工具系统组成示意图 4 4 模块系统功能说明 这是一个通用的程序，无论应用系统有几个节点，都运行本程序，由本程 序读取数据库中用户设计的参数，生成本节点特有的信息流，完成仿真目的。 一般的模拟环境逻辑上如图4 2 所示，图中各个软件模块或计算机节点的 主要功能说明如下： 1 、 控制台：同节点进行联系，可以控制个节点运行情况。 2 、数据存储服务器：保存模型数据和仿真结果数据；设计模拟数据，将 其存放入数据存取服务器中。不同的应用系统，应模拟不同的数据类 第四章总体设计概述 型。模拟数据的准确程度是本实验成功与否的关键。 3 、户仿真终端( 应用系统) ：模拟类型操作系统的用户节点的网络信息流； 与数据服务器建立接口，在用户终端有效读取数据库内容，从数据库中 读入所有与本节点有关的报文，加以分析，做相应的初始化设定，例如： 做报文发送的定时处理；例如：做好响应条件的预处理等；能够按照要 求，完成本节点信息流的网上流动，支持报文使用u d p 和t c p 传输。能 接收网络信息流。统计发送和接收报文信息。 4 、打印系统：打印网络信息流信息，形成统计数据。 4 5 网络信息流平台流程图 信息流生成工具是半物理仿真环境下使用的工具，半物理环境建立后，在 每个用户节点将采用一套针对一种操作系统运行的通用软件，完成该操作系统 下生成不同的网络信息流的功能。操作系统类型包括：w i n d o w s 、l i n u x 和 v x w o r k s 三种。 系统将建立一套完整的模型，通过模型描述不同的应用系统构成和信息流 方案。这些模型数据就是软件运行的配置参数，运行在每个用户终端的节点程 序，不论是那种操作系统都按照各自操作系统的任务调度方式，生成本机的任 务流，并自动运行。如下图所示。 第四章总体设计概述 4 6 应用系统设计要求 图4 3 网络信息流平台示意图 等待控制命令 分析应用系统网络信息流的特点，研究系统构成通用特性和表现系统网络 性能的通用特征要素，研究在半物理环境上快速逼真模拟应用系统网络信息流 和使系统动态表现网络特性的方法。包括： 应用系统网络特征要素研究 研究网络构成特征、网络信息流特征、并提出各种特征的通用描述方法。 包括：网络规模特征、节点通用特性、网络结构特征、网络属性特征、信息流 通讯特征、信息流报文特征等。 第四章总体设计概述 应用系统网络信息流仿真运行控制要素研究 研究网络信息流流动的控制模式，提取运行控制的特征要素，给出通用的 描述方法。 网络信息流的生成方法研究 研究自动生成与应用系统对应的网络信息流方案，并使其在逼真硬件环境 中流动起来的实现方法。 应用系统网络性能的测试方法研究 研究模拟的应用系统为专用测试设备提供测试接口的通用描述方法，结合 控制运行方式达到任意设置测试点的目的。 4 7 应用系统功能说明 这是一个通用的程序，无论应用系统有几个节点，都运行本程序，由本程 序读取数据库中用户设计的参数，生成本节点特有的信息流，完成仿真目的。 总体上设计有以下主要功能： a 与数据服务器建立接口，在用户终端有效读取数据库内容； b 能配置本节点运行的