（通信与信息系统专业论文）tcpip计算机网络仿真系统的研究与实现(1).pdf

北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 摘要 t c p i p 计算机网络技术是构成我们今天的互联网络的基础架构技术，具有 举足轻重的地位。因此，为t c p i p 计算机网络技术的教学和工程师培训而设计 的交互式实验环境和仿真工具就具有非常重要的意义和作用。本论文在对 t c p i p 计算机网络的建模和仿真技术进行了深入研究的基础上，分析和讨论了 实现t c p i p 计算机网络仿真的两种不同方法，然后详细阐述了一个供教学和工 程师培训用的交互式t c p i p 计算机网络仿真系统n e t s i m 的设计和实现，并对 部分关键问题进行了深入讨论。内容如下： 首先简要介绍了计算机仿真，尤其是离散事件系统仿真的基本理论和基本的 建模、仿真方法，这些理论和方法是t c p i p 计算机网络仿真的基础。然后具体 分析和讨论了t c p i p 计算机网络仿真的两种不同实现方法：在现有仿真平台上 进行二次开发和自己编写整个仿真系统。其中介绍了网络仿真系统n s 的使用和 二次开发，并对n e t s i m 编写时使用的实现技术，包括面向对象技术，u m l 建 模技术和设计模式进行了介绍。接下来详细阐述了交互式t c p i p 计算机网络仿 真系统n e t s i m 的系统分析和系统设计( 包括仿真器设计和g u i 设计) ，对其中 的一些关键问题，如仿真与演示的关系处理，仿真器设计，协议堆栈设计等做了 较详细的分析和讨论。 n e t s i m 项目是德国“高等教育中的网络多媒体教学体系研究及实现” ( 2 m n - m o d u l e s f o rt h em u l t i m e d i an e t w o r kb a s e d h i g h e r e d u c a t i o n ) 课题的子课题，由德国d a r m s t a d t 应用科学大学( u n i v e r s i t yo f a p p l i e ds c i e n c e s ，d a r m s t a d t ，g e r m a n y ) 和北京邮电大学多媒体技术中心 联合进行研究和开发，德囡联邦教育和研究委员会提供资助。n e t s i m 系统不同 于一般的计算机网络c a i 课件。作为一个交互式t c p i p 计算机网络实验环境 和仿真工具，n e t s i m 项目的研究成果将对电子化计算机网络教学和工程师培训 做出较大贡献。 苎堡墅皇奎兰塑主笙塞 ! 里! ! ! ! 生簦垫塑丝堕塞蔓竺塑婴塑兰壅翌 4b s t r a c t 弋c p | i p c o m p u t e r n e t w o r k s t e c h n o l o g y i sa ni n f r a s t r u c t u r e t e c h n o l o g yf o rt o d a y si n t e r n e t ，a n di th a sv i t a li m p o r t a n c e 。h e n c e ， a ni n t e r a c t i v et e s te n v i r o n m e n ta n ds i m u l a t i o nt o o l d e s i g n e d f o r c o m p u t e r 。b a s e d 弋c | i pc o m p u t e rn e t w o r k st e a c h i n ga n dt r a i n i n gi s i m p o r t a n t t h i sp a p e rf i r s tr e s e a r c h e sd e e p l yo nt c p i pc o m p u t e r n e t w o r k s m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g i e s ，t a l k sa b o u tt w o d i f f e r e n tm e t h o d so ft c p i p c o m p u t e rn e t w o r k ss i m u l a t i o n i m p l e m e n t a t i o n ，t h e nt a l k sd e e p l yo nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f n e t s i m t a ni n t e r a c t i v e 弋c p | i pc o m p u t e rn e t w o r k ss i m u l a t i o ns y s t e m u s e df o rt e a c h i n ga n d t r a i n i n g c o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： f i r s ti t b r i e f l y i n t r o d u c e sb a s i c t h e o r y a n d m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o nm e t h o d so fs y s t e ms i m u l a t i o n ，e s p e c i a l l yd i s c r e t ee v e n t s y s t e ms i m u l a t i o n t h e s et h e o r i e sa r eb a s i so ft c p ，i pc o m p u t e r n e t w o r k ss i m u l a t i o n n e x ti tt a i k sa b o u tt w od i f f e r e n tm e t h o d so f t c p i pc o m p u t e rn e t w o r k ss i m u l a t i o n i m p l e m e n t a t i o n ：d e v e l o p i n g b a s e do na n e x i s t i n g s i m u l a t i o n s y s t e ma n dw r i t i n g t h ew h o l e s i m u l a t i o ns y s t e ms e l f i ti n t r o d u c e su s a g ea n dd e v e l o p m e n to fn s ， an e t w o r ks i m u l a t i o nt o o l ，a n dm a i ni m d l e m e n t a t i o n t e c h n o l o g i e s u s e dw h e n w r i t i n g t h es i m u l a t i o n s y s t e m n e x t i tt a l k sa b o u t n e t s i ms y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n ( i n c l u d i n gs i m u l a t o rd e s i g na n d g u id e s i g n ) i nd e t a i l ，a n dd i s c u s s e ss o m e k e yp r o b l e m sa m p l y n e t s i mi sas u b - p r o j e c to fag e r m a np r o j e c t2 m n ( m o d u l e s f o r t h em u l t i m e d i an e t w o r k - b a s e dh i g h e re d u c a t i o n ) ，a n di s c o n d u c t e d u n d e rj o i n tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f u n i v e r s i t y o f a p p l i e d s c i e n c e s ，d a r m s t a d t , g e r m a n ya n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g yc e n t e r , u n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o no fb e i j i n g ，b e i j i n g t h e 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 p r o j e c t i sf u n d e d b yf e d e r a lm i n i s t r y o fe d u c a t i o na n dr e s e a r c h ， g e r m a n y 北京邮电大学硕士论文 t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 第一章系统仿真概论 1 1 系统、模型与仿真 第一节系统仿真理论 系统 系统概述 系统仿真的研究对象是具有独立行为规律的系统。所谓系统是指按照某些规 律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。根据系统研究的对 象及目的不同，系统可大可小。例如，一个局域网可以定义为一个系统，实体是 所有的主机、网卡和h u b 等，它们按照一定的规律发送和接收数据包并处理它 们。同样，一个城域网也可以定义为一个系统。 对于一个系统来说，不论它是大是小，都必然存在三个要素，即实体、属性 和活动。所谓实体是指系统内存在的确定的对象，如主机、网卡等。所谓属性是 指系统内每一对象的有效特性，如网络带宽、协议类型等。所谓活动是指随着时 间的推移，在系统内部由于各种原因而发生的变化过程。如网卡发送和接收数据 包等。 系统是在不断的运动、发展和变化的。由于组成系统的实体之闻相互作用而 引起实体属性的变化，使得在不同的时刻，系统中的实体和实体属性都可能会有 所不同。这种变化通常用状态的概念来描述。在任意给定时刻，系统中实体、属 性以及活动的信息总和称为系统在该时刻的状态；用于表示系统状态的变量称为 状态变量。 系统不是孤立存在的。自然界中的切事物都存在着相互联系和相互影响。 任何一卜系统都将经常由于系统之外出现的变化而受到影响。这种对系统的活动 结果产生影响的外界因素称为系统的环境。每个系统都置于一定的环境中，系统 与环境之间的分界称为边界。边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称 为莠统崩7 输 ，系统对边界以外环境的作用称为秀纺的输出。 在系统三要素中，实体确定了系统的构成，也确定了系统的边界；属性也称 为描述变量，描述每一个实体的特征；活动定义了系统内部实体之间的相互作用， 从而确定了系统内部发生的变化过程。 另方面，系统在某些条件下是可以分解的。也就是说，构成系统的某个实 体本身也可以看成为一个单独的系统来进行分析研究，这个系统称为原系统的一 个子系统或分系统。 第l 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机f 5 l 络仿真系统的研究与实现 系统研究包括系统分析、系统综合和系统预测等方面。研究系统首先需要描 述清楚所研究系统的实体、属性、活动及环境。因为系统的概念不仅与实体有关， 而且与研究者的目的有关。只有在对实体、属性、活动、环境做了明确的描述之 后，系统才是确定的。 模型 研究一个系统以便了解系统中各组成部分之间的关系或预测系统在新的策 略下的运行规律是很有意义的。为了深入研究系统，有时可能需要对系统本身进 行实验。但通常有许多原因使得不能采用直接在真实系统上做实验的方案，这些 原因通常有系统不存在( 如仍处于设计阶段) ，在原系统上进行实验会造成巨大 的破坏和损失，系统无法恢复，实验条件无法保证等等。鉴于这些原因，构造一 个真实系统的模型，在模型上进行实验成为对系统进行分析、研究十分有效的手 段。 系统模型可以定义为：为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系统有关 信息的实体。 模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的 抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的相 关信息。模型描述可视为是对真实世晃中的物体或过程的相关信息进行形式化的 结果。模型在所研究系统的某一个侧面具有与系统相似的数学描述或物理描述。 从某种意义上说，模型是系统的代表，同时也是对系统的简化。另一方面，模型 应足够详细和准确，以便从模型的实验中取得关于实际系统的有效结论。 模型通常可分为物理模型和数学模型。物理模型是采用一定的比例按真实系 统的“样子”制作的，而数学模型是用数学表达式的形式来描述系统的内在规律。 由一个实际系统构造一个模型的任务一般包括两方面的内容：第一是建立模 型结构，第二是提供数据。在建立模型结构时，要确立系统的边界，还要鉴别系 统的实体、属性和活动。而提供数据则要求能够使包含在活动中的各个属性之间 有确定的关系。在选择模型结构时，要满足两个前提条件。一是要细化模型研究 的目的，二是要了解有关特定的建模目标与系统结构性质之问的关系。 仿真 仿真是一种基于模型的活动，仿真的基本过程是建模一实验一分析。仿真技 术即是指以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为 基础，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对 系统( 已有的或设想的) 进行研究的一门多学科的综合性的技术。 第2 页 北京邮电大学硕士论文 t c p i i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 与应用数学分析方法求解问题相比较，仿真方法求解问题的主要缺点是很明 显的，即它只能绘出问题的特解丽不能绘出问题的通解。然丽，能用数学分析法 求解的问题的范围毕竟是有限的。用数学分析法求解问题时，要对系统加以抽象 和近似处理，以使模型适于用数学分析方法求解。在许多方面。理想情况下是把 仿真方法的应用作为已经褥到的、因过于简化的数学分析解答的一种补充。 系统、模型和仿真三者之间有着密切的关系，系统是研究对象，模型是系统 特性的描述，仿真则包含建立模型以及对模型进行试验两个过程。 计算机仿真 现代仿真技术均是在计算机支持下进行的因此系统仿真也称为计算机仿 真。计算枫仿真，是在研究系统过程中，根据相似原理，利用计算枫来逼真模仿 研究对象。研究对象可以是真实的系统，也可以是设想中的系统。计算机仿真方 法主要解决下述两个问题： 1 。提供计算机能接受的仿真模型： 2 提供在计算机上运行计算和进行仿真研究的方法。 在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的，又称物 理仿真。物理仿真的优点是直接、形象、易信，但模型受限、易破坏且难以重用。 丽计算机仿真则是将研究对象进行数学描述，建模编程，并在计算机中运行实现。 它不怕破坏、易修改、可重用。计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过 程中，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训 练、故障处理等各个阶段。 计算机仿真三要素及三个基本活动 计算机仿真包括三个要素。即系统、模型和计算机。联系这三个要素的有三 个基本活动：系统模型建立、仿真模型建立和仿真实验。下图描述了计算机仿真 三要素及三个基本活动的关系。 图l 。l 计算机仿真三要素及其关系 建模活动是通过对实际系统的观测和检测。在忽略次要因素及不可检测变量 的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从丽获得实际系统的简化近似模型。 仿真模型反映了系统模型同仿真器或计算机之间的关系，能为仿真器及计算机所 接受并在其上运行。仿真实验就是将系统的仿真模型置于计算机上运行的过程。 第3 页 北京邮电大学硕士论文 t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 系统仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真活动可以弄清楚系统 内在结构变量和环境条件的影响。 1 2 系统仿真的类型 根据模型的不同，系统仿真可分为物理仿真、数学仿真和半实物仿真。根据 仿真计算机的类型，可分为模拟计算机仿真、数字计算机仿真和数字模拟混合仿 真。根据仿真时钟与实际时钟的比例关系，可分为实时仿真，亚实时仿真( 离线 仿真) 和超实时仿真。根据系统模型的特性可分为连续时间系统仿真和离散事件 系统仿真。按用途可分为工程仿真和训练仿真等。 1 3 系统仿真的一般步骤 系统仿真是通过实验来分析求解问题的技术，通过仿真实验，可以了解系统 的内在联系和系统状态变化的全过程。系统仿真并不是一个从模型到计算的简单 过程，为了能够得到准确的仿真模型或者是利用仿真进行系统特性的统计和优 化，就必须经过对模型的深入研究，反复修改、多次运行才能最终解决问题。图 1 2 给出了系统仿真的一般过程，其中的主要步骤包括如下几个方面。 ( 1 ) 问题的阐述 问题的提出是系统分析研究的第一步，所提出的问题必须是清楚明白的，必 要时可以对问题进行重复陈述。问题一般由决策者提出，或者是在获得决策者对 问题的同意的情况下由系统分析人员提出。 ( 2 ) 系统分析与描述 在这一步中首先要给出系统的详细定义，明确系统的构成、边界、环境和约 束。其次是根据问题确定系统的目标，以及目标能否实现的衡量标准。同时对解 决问题的途径，可能的花费、预期的效益进行分析。 ( 3 ) 建立系统的数学模型 根据系统分析的结果，确定系统中的变量，依据变量问的相互关系以及约束 条件，将它们用数学的形式描述出来，并确定其中的参数，即构成系统的数学模 型。所建立的数学模型必须是对系统的那些与研究目的有关的基本特征的抽象， 即利用数学模型所描述的变量及作用关系必须接近与真实系统。同时，数学模型 的复杂度应当适中。模型过于简单，可能无法真实完整的反映系统的内在机制； 而模型过于复杂，可能会降低模型的效率同时又增加了不必要的计算过程。 ( 4 ) 数据收集 构造数学模型和收集所需数据之间是相互影响的，当模型的复杂度改变时， 所需的数据元素也将改变。数据收集包括收集与系统的输入输出有关的数据以及 反映系统各部分之间关系的数据。 ( 5 ) 建立系统的仿真模型 第4 页 北京邮电大学硕士论文t c p i i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 仿真模型是指能够在计算机上实现并运行的模型。建立系统的仿真模型过程 包括根据系统的数学模型，确定仿真模型的模块结构，确定各个模块的输入输出 接口，确定模型和数据的存储方式，选择编制模型的程序设计语言等。程序设计 语言包括通用语言和专用仿真语言。专用仿真语言的优点是使用方便，建模仿真 功能强，有良好的诊断措施等，缺点是模型格式确定，缺乏灵活性。 图1 2 系统仿真的一般步骤 ( 6 ) 模型验证 模型的验证需要回答下述问题，即系统模型( 包括对系统组成成分、系统结 构以及参数值的假设、抽象和简化) 是否准确的由仿真模型或计算机程序表示出 来。验证与仿真模型及计算机程序有关，将复杂的系统模型转换为- j - 执行的计算 第5 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 机程序并不是容易的事，必须经过一定工作量的调试，若输入参数以及模型的逻 辑结构在程序中是正确表达的，则模型验证通过。 ( 7 ) 模型确认 模型确认是确定模型是否精确的代表实际系统，是把模型及其特性进行比较 的全过程。对模型的确认工作往往是通过对模型的校正来完成的，比较模型和实 际系统的特性是一个迭代过程，同时应用两者之间的差异，以对系统和模型获得 透彻的理解，从而达到改进模型的目的。这个过程重复进行直到认为模型足够准 确为止。 ( 8 ) 实验设计 仿真实验设计就是要确定需要进行的仿真实验的方案。方案的选择与系统分 析设计的目的以及模型可能的执行情况有关，同时也与计算机的计算能力及对仿 真结果的分析能力有关。通常仿真实验设计涉及到的内容包括初始化周期的长 度、仿真运行时间、每次运行的重复次数等。 ( 9 ) 仿真运行研究 仿真运行就是将系统的仿真模型放在计算机上执行计算。在运行过程中了解 模型对各种不同的输入数据及各种不同的仿真机制的输出响应情况，通过观察获 得所需要的实验数据，从而预测系统的实际运行规律。模型的仿真运行是一个动 态过程，需要进行反复的运行实验。 ( 1 0 ) 仿真结果分析 对仿真结果进行分析的目的是确定仿真实验中所得到的信息是否合理和充 分，是否满足系统的目标要求，同时将仿真结果分析整理成报告，确定比较系统 不同方案的准则、实验结果和数据的评价标准及问题可能的解，为系统方案的最 终决策提供辅助支持。 对仿真技术上可以将上述步骤分为3 个阶段： ( 1 ) 模型建立阶段 ( 2 ) 模型变换阶段 ( 3 ) 模型实验阶段 模型建立阶段的主要研究内容是根据研究目的、系统的原理和数据建立系统 模型，这一阶段的关键技术是建模方法学。 模型变换阶段的主要研究内容是根据模型的形式、计算机的类型及仿真目的 将模型转换成适合计算机处理的形式，这一阶段的关键技术是仿真算法。 模型实验阶段的主要任务是设计好仿真实验方案，将模型装载到计算机上运 行，按规定的规则输入数据，观察模型中变量的变化情况，对输出结果进行整理、 分析并形成报告，这一阶段的关键技术是仿真软件技术。以上述3 个阶段划分 的仿真过程如下图所示： 第6 页 北京邮电大学硕士论文 t c p i i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 实际系统 撇学 i塑竺堡型 算法 j 仿真模型 软件1 仿真实验结果 模型建立阶段 模型变换阶段 仿真实验阶段 图1 3 计算机仿真的三个阶段 1 4 计算机仿真技术的发展方向 计算机仿真技术经过几十年的发展，不论是在理论上还是在实践上都已经取 得了丰硕的成果，积累了大量的系统仿真模型和行之有效的仿真算法。但仿真技 术目前仍然存在一些缺陷，例如建模方法尚不完善，研究同一个系统的同一个问 题可以建出不同的模型，等等。同时，决策者必须通过建模者和仿真实验人员才 能介入到对系统的仿真分析中。随着建模与仿真的理论和方法的研究不断深入， 以及作为其支撑技术之一的计算机技术的不断发展和进步，计算机仿真技术在应 用过程中出现的问题将逐步得到解决。上个世纪末的1 0 年间，计算机技术的各 个方面都取得了异乎寻常的进展。微处理器性能的增长使得利用微型计算机和工 作站进行复杂系统的仿真分析成为可能。在软件设计中广泛采用了面向对象的思 想和方法，再加上计算机图形技术的进步，仿真过程中的人机交互越来越方便直 观。总之，计算机仿真技术正朝着一体化的建模与仿真环境的方向稳步发展。 ( 1 ) 建模方法学( m o d e l i n gm e t h o d o l o g y ) 在早期的仿真技术中，重点是如何利用数学模型求解问题，侧重于研究建模 过程中数学模型的结构特征以及操作数学模型所利用的数学工具和手段。如今计 算机的功能已经有了很大的提高，仿真技术的研究领域有了拓展。从建模方法学 角度讲，除了继续研究如何利用抽象的数学模型描述系统外，还要研究能够充分 利用计算机功能的新的建模方法。例如目前研究较多的面向对象的建模方法和图 形建模技术都是利用计算机的软件技术设法提供一种直观可视化的建模环境，使 复杂的建模过程得到简化。 ( 2 ) 面向对象仿真( o b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o n ) 面向对象的思想就是使所分析和研究系统的建模方式与对客观世界的认识 过程尽可能一致。在面向对象的仿真中，系统被看成是由对象组成的，对象是一 个独立的实体，对象的属性和属性的变化规律即对对象的操作完全封装在对象内 部，外部的作用必须通过对象的接口来实现。面向对象的仿真系统的运行是通过 对象之间互相发送消息来执行的。面向对象的仿真在理论上突破了传统仿真方法 观念，使建模过程接近人的自然思维方式，所建立的模型具有内在的可扩充性和 第7 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 可重用性，有利于可视化建模仿真环境的建立，从而为大型复杂系统的仿真分析 提供了方便的手段。 ( 3 ) 分布交互仿真( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 分布交互仿真是通过电子手段把分散在不同地点的软硬件设备及有关人员 联系起来，在人工合成的电子环境中交互的进行仿真实验的一种综合的仿真环 境。计算机网络技术是分布交互仿真的重要支撑。分布交互仿真的分布性和交互 性特点可使处在不同地理位置的各个部门利用网络连接起来，实现资源共享，达 到节省人力、物力、财力的目的。分布交互仿真环境可用于系统规划、论证、研 制、生产、实验、使用训练等诸多过程，是一种经济、安全、可靠的有效工具。 分布交互仿真所表现出的优越性及其潜在的效益已经引起广泛的重视，并已经成 为计算机仿真技术的一个重要的发展方向。 ( 4 ) 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 与计算机仿真 近年来，人工智能在知识获取、知识表示、问题解答、定理证明、程序自动 设计、自然语言理解、计算机视觉、机器人学、机器学习和专家系统等方面，取 得了令人鼓舞的成果和进展。人工智能技术在仿真中的应用已经引起仿真领域的 普遍关注。人工智能与计算机仿真在学科上的交叉主要涉及以下几个方面。 1 知识库用于建模与仿真，包括利用知识库和专家系统为仿真模型的建立 和综合提供咨询服务，以及专家系统用于仿真结果的检验和可信度分析。 2 仿真技术与人工智能技术的结合，包括人工智能技术用于大系统特别是 决策系统的计算机仿真，以及利用仿真技术评估一个知识库系统，实现所谓的智 能化仿真。 3 仿真模型中知识的表达，需要解决的问题包含表达式模型结构的灵活性， 扩展程序设计的能力，面向批处理的建模，以及作用在系统上的外部影响关系的 表达等。 ( 5 ) 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 虚拟现实也称为灵境技术，它是综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传 感技术、显示技术等多种学科的基础上发展起来的，是9 0 年代计算机领域的最 新技术之一。虚拟现实技术以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化 与相互作用的三维图形世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，提 供用户一个观察并与虚拟世界交互的多维用户界面，使用户可以直接参与和探索 仿真在所处环境中的作用与变化，并产生沉浸感。而沉浸感、多维交互、实时三 维图像是虚拟现实系统的三个基本特性。 虚拟现实技术采用当前计算机及相关领域发展的最新技术，描述事物内部及 其相互间真实的作用与变化，使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中，从而不仅拉 近了用户与计算机之间的距离，改变了人机交流方式，更重要的是使用户可以进 入虚拟世界内部直接观察或感受事物内在的变化，并可以直接参与到事物的相互 作用之中去，成为虚拟世界中的一部分。虚拟现实系统与现有的计算机环境相比， 有着不可比拟的优越性，在仿真中具有十分广阔的应用前景。 第8 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 第二节系统仿真的应用和重要意义 2 1 系统仿真的意义和特点 现代仿真技术的发展是与控制系统、系统工程和计算机技术的发展密切相关 的。控制工程是仿真技术较早应用的领域之一，控制工程技术的发展为现代仿真 技术的形成和发展奠定了良好的基础。系统工程的发展进一步完善了系统建模与 仿真的理论体系，同时使系统仿真广泛应用于非工程系统的研究和预测。计算机 技术的发展则为仿真技术提供了强有力的手段和工具。 仿真技术得以发展的主要原因是它的应用带来了重大的社会和经济效益。系 统仿真在系统分析与设计中的重要意义体现在以下几个方面： ( i ) 优化设计 现代工业技术的发展和计算机仿真在政治、经济等社会科学领域的广泛应用 使得研究大型复杂系统成为可能。在系统设计过程中，必须进行系统的性能预测 和参数优化，以使所设计的系统达到最优指标。而系统设计经常是一个反复的过 程，因此需要采用仿真技术来辅助设计。在系统的设计和分析阶段，计算机仿真 可以提供修改或更换模型的灵活性和经济性，可以对多种不间的设计方案和系统 参数进行分析比较。在系统研制阶段，可以将已研制出来的实际部件或子系统与 计算机模型结合，也也就是说用已研制出来的实际部件或子系统替代部分计算机 模型进行仿真实验，以便对实际部件或子系统进行测试。 ( 2 ) 安全性和经济性 对于某些系统来说，直接利用真实系统进行实验时，如果出现故障而实验失 败，将会付出巨大的代价甚至造成灾难性的后果，例如载人航天飞行器、核电站 控制系统等，出于安全性考虑，这类系统是很少直接进行实验的。另外，对于某 些大系统来说，虽然直接实验没有很大的危险性，但实验的成本却十分昂贵。采 用仿真技术则可以使成本大为降低，且设备可以重复使用。 ( 3 ) 预测 当研究对象是社会、经济、生态等非工程系统时，直接进行实验是几乎不可 能的，因为在实验过程中即使发现决策上的失误也不可能将系统完全复原到实验 前的状态。利用计算机仿真则可以避免直接实验，同时可以预测系统的特性和外 在环境的影响，从而进一步研究对系统实施控制的策略。 ( 4 ) 完善系统模型 对于某些非工程系统( 如社会、经济系统) 来说，往往只知道该类系统的“输 入”和“输出”，而不知道该类系统的内部结构和结构参数。实际上，由于已经 具有的某些经验知识，可以构造一个简化的含有假定系统概念模型，然后利用这 个概念模型进行仿真实验，并在实验中按照一定的方法修正模型的参数和结构， 使之最后满足已知的所研究系统的“输入”和“输出”关系，从而建立起与系统 特征相似的数学模型。 第9 页 北京邮电大学硕士论文t c p b p 计算机网络仿真系统的研究与实现 ( 5 ) 重复实验 重复实验是系统分析和设计中的一个非常自然的要求。要使一个真实系统在 完全相同的环境条件( 例如完全相同的温度、湿度、气压、风速等条件) 下重复 进行二次实验是很难甚至不可能办到的。这就为那些对环境因素异常敏感的系统 的实验、或者是进行系统对环境条件的敏感度实验带来很大的麻烦，因为细微的 环境因素的变化可能会导致实验结果相当大的差异。而利用计算机仿真则可以避 免这样的麻烦。环境条件可以在仿真模型中精确设定，保证每次实验过程中完全 一致，这样也就保证了系统在完全相同的环境条件下进行重复实验，提高实验结 果的可信度。 2 2 系统仿真的应用 系统仿真的特点是它可以为各种不同的实际系统提供方便的灵活多变的数 学模型，而且在这个活的数学模型上进行实验，经济、安全、周期短同时见效快。 这种特点使得系统仿真技术作为系统分析设计的一种手段和工具，已经广泛的应 用于几乎是所有的工程与非工程领域。下面讨论系统仿真在工程领域中的应用。 计算机仿真在工程系统中的应用效果是非常显著的。其应用领域包括机械、 电子、化工、冶金、通信、运输、核能、航空、航天、建筑、交通等，这里仅举 几个典型的例子。 在航天工业中，系统仿真是运载火箭、卫星、飞船等复杂大系统分析、设计、 验证和操作训练的重要手段。例如在美国的阿波罗登月计划中成功的运用了系统 仿真手段，对飞船的空间飞行、月球登录等过程进行了仿真分析和训练模拟，为 系统的成功实现提供了重要的保证。 机械制造工业经历了从手工业到大机器再到大规模流水生产线的发展历程。 随着数控机床的出现，计算机在机械制造工业中起着越来越重要的作用。柔性制 造系统和计算机集成制造系统使得机械制造工业的自动化程度有t i e 大的提高。 在这种自动化生产线上，加工产品的生产工艺流程安排都是通过计算机仿真完成 的。 在工业控制系统中，也大量应用了系统仿真技术，例如仿真技术辅助控制系 统设计，对控制器的性能进行验证。尤其是非线性控制系统的设计必须依赖仿真。 仿真不受非线性的限制，它可以将各种实际存在的非线性因素都考虑进去。另一 方面，系统仿真还可以应用于控制系统的理论研究中，通过仿真验证理论的正确 性a 例如在最佳控制系统，自适应控制。大系统的分解协调等理论问题的研究中 都应用了系统仿真技术。 第1 0 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 第二章离散事件系统的仿真理论 t c p i p 计算机网络是一个包交换网络，对于计算机仿真来讲属于离散事件 系统，因此可以使用离散事件系统仿真的理论和方法对计算机网络进行仿真。本 章将对离散事件系统的仿真理论进行简要介绍。 第一节离散事件系统仿真概述 1 1 离散事件系统仿真的基本概念和特点 离散事件系统的特点是状态只在离散的点上发生变化，而且这些离散的时间 点是不确定的。例如，计算机网络、理发馆系统、定票系统、交通控制系统等都 是离散事件系统。 对于离散事件系统来说，系统的内部状态变化是随机的，同一个内部状态可 以向多种状态转变，因此很难用函数形式来描述系统内部状态的变化，通常所关 心的是系统内部状态变化的统计规律。另一方面，系统的内部状态只在离散的随 机时间点上发生变化，且状态在一段时间内保持不变。因此在建立离散事件系统 模型时，只需考虑系统内部状态发生变化的时间点以及产生这些状态变化的原 因，而不用描述系统内部状态发生变化的过程。下面介绍离散事件系统建模过程 中的一些基本概念。 ( 1 ) 实体( e n t i t y ) 实体是被仿真系统中可单独辨识和刻划的构成要素。实体是系统的组成部 分，是系统的三个基本要素之一。在仿真建模人员看来，实际系统就是由相互间 存在一定关系的实体集合组成的，实体间的相互联系和作用产生系统特定的行 为。在离散事件系统中的实体可分为两类，即临时实体和永久实体。临时实体是 系统中活动的部分，它在某时刻达到并进入系统，在系统中停留一段时间并与其 它实体发生作用后离开系统。永久实体是系统中固定的部分，它永久停留在系统 中。例如在计算机网络中，数据包不断被发送、接收和处理，属于临时实体，而 主机则属于永久实体。系统中临时实体的到达和离开及实体之间的相互作用促使 系统的内部状态发生变化。 属性和行为相同或相近的实体可以用类来描述，这样做可以简化系统的组成 和关系。例如，计算机网络可以看作是由“主机”、“路由器”、“网卡”等实体类 组成的。 ( 2 ) 属性( a t t r i b u t e ) 属性是实体特征的描述，一般是实体所拥有的全部特征的一个子集，用特征 参数或变量表示。选用哪些特征参数作为实体的属性与建模目的有关，可参照下 述原则选取： 第l 】页 北京邮电大学硕士论文t c p i i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 1 便于实体的分类 例如将理发店顾客的性别( “男”或“女”) 作为属性考虑，可将“顾客”实 体分为二类，每类顾客占用不同的服务台。 2 便于实体行为的描述 例如将飞机的飞行速度作为属性考虑，便于对“飞机”实体的行为( 如两地 间的飞行时间) 进行描述。 3 便于排队规则的确定 例如生产线上待处理工件的优先级水平有时考虑为“工件”实体的一个属性， 以便于“按优先级排队”规则的建立和实现。 ( 3 ) 活动( a c t i v i t y ) 活动指实体在一段时间内持续进行的操作或过程。活动所占用的时间区段称 为忙期( d u r a t i o n ) ，忙期可以是定时的或随机的。在离散事件建模中，一般要 给出忙期的计算公式或概率分布函数，保证实体在一进入某一活动时其忙期就可 计算，或从某一概率分布函数中抽取得到。很多情况下活动是由几个实体协同完 成的。 ( 4 ) 状态( s t a t e ) 状态是对实体活动的特征状况或形态的划分，其表征量称为状态变量。在理 发店服务系统模型中，“顾客”有“等待服务”、“接受服务”等状态，“服务员” 有“忙”和“闲”等状态。活动总是与一个或几个实体的状态相对应。状态可作 为动态属性进行描述。 ( 5 ) 事件( e v e n t ) 事件就是引起系统状态发生变化的瞬间操作或行为。只有在事件的作用下， 系统状态才会发生变化。从某种意义上说，离散事件系统是由事件驱动的。事件 发生的时刻称为事件点。不关心事件所代表的操作和行为意义时，事件与事件点 是同义语。若事件的发生是有前提的，则称为条件事件。 为实现对系统中事件的管理，在仿真模型中必须建立事件表，以记录发生的 事件或将要发生的事件以及与该事件相关联的实体的有关属性。系统中固有的事 件称为系统事件，用于控制仿真进程的事件称为程序事件。 考察活动、状态和事件三者间的联系。由于事件的发生会导致状态的变化， 而实体的活动可以与一定的状态相对应，因此可以用事件来标示活动的开始和结 束。 ( 6 ) 进程( p r o c e s s ) 一组按发生时间排列的事件活动序列称为一个进程。 ( 7 ) 队列( q u e u e ) 队列是处于等待状态的实体序列。一般按新到的实体排在队尾的次序组成队 列。在离散事件建模中，队列可作为一种状态或特殊实体对待。 第1 2 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 如排队系统中的事件、活动、进程 进程 排队活动服务活动 顾客到达事件服务开始事件服务结束事件 图2 1 排队系统中的事件、活动、进程 ( 8 ) 仿真钟( t i m e r ) 仿真钟表示仿真时间的变化。对于离散事件系统仿真来说，仿真钟的推进步 长是随机的。 1 。2 离散事件系统仿真的一般步骤 离散事件系统仿真的一般步骤如下 1 系统建模 一般可用流程图或网格图的方式描述，反映临时实体在系统内部历经的过 程、永久实体对临时实体的作用以及它们相互之间的逻辑关系。具体建模方法将 在下一节讲述。 2 确定仿真算法 分为两个方面的内容：如何产生所需求的随机变量( 视系统所需的概率模型 而定) ；采用什么方法对离散事件系统仿真( 即仿真策略) 。 3 建立仿真模型 根据仿真算法建立被仿真系统的计算机模型( 变量定义及程序流程) 。这一 步即是从系统仿真模型到计算机编程模型的映射。 4 设计仿真程序 使用通用程序设计语言，如c c + + ，或使用专用计算机仿真语言开发和实 现仿真模型。如果是基于现有仿真平台进行二次开发，则可以充分利用仿真平台 提供的模型和函数。 第1 3 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 5 仿真结果分析 在仿真程序调试通过后，即可输入给定数据得到仿真结果。对仿真结果要进 行相应的分析和处理，以确定仿真实验中所得到的信息是否合理和充分，是否满 足系统的目标要求等。 2 1 实体流图法 第二节离散事件系统仿真建模方法 实体流图法与计算机程序流程图的画法类似，可以描述临时实体产生、流动、 消亡及其被永久实体加工、处理的过程和逻辑关系，应用比较广泛；所建立的实 体流图模型易于转换为面向事件的仿真模型。借助实体流程图，可以表示事件、 状态变化及实体间相互作用的逻辑关系。由于计算机程序框图的思想和编制方法 已广为人们所接受，加上实体流程图编制方法虽然简单，但对离散事件系统的描 述却比较全面等特点，使得实体流图法的应用比较普遍。 建立实际系统的实体流图模型没有什么特别的技巧和理论可言，一是要对实 际系统的工作过程有深刻的理解和认识，二是要将事件、状态变化、活动和队列 等概念贯穿于建模过程中。常用的图示符号只有菱形框( 表示判断) 、矩形框( 表 示事件、状态、活动等中间过程) 、圆端矩形框( 表示开始和结束) 及剪头线( 表 示逻辑关系) 等。建模时可以按照以下思路进行： ( 1 ) 辨识组成系统的实体及属性。其中，将队列作为一种特殊的实体考虑。 ( 2 ) 分析各种实体的状态和活动，及其相互间的影响。队列实体的状态是队 列的长度。 ( 3 ) 考察有哪些事情导致了活动的开始或结束，或者可以作为活动开始或结 束的标志，以确定引起实体状态变化的事件，并合并条件事件。 ( 4 ) 分析各种事件发生时，实体状态的变化规律。 ( 5 ) 在一定的服务流程下，分析与队列实体有关的特殊操作( 如换队等) 。 ( 6 ) 通过以上分析，以临时实体的流动为主线，用约定的图示符号画出被仿 真系统的实体流程图。 ( 7 ) 给出模型参数的取值、参变量的计算方法及属性描述变量的取值方法。 属性描述变量，例如顾客到达时间、服务时间等，可以取一组固定值，可以由某 一计算公式取值，还可以是一个随机变量。属性描述变量是随机变量时，应给出 其分布函数。 ( 8 ) 给出队列的排队规则。有多个队列存在时，还应给出其服务规则，包括 队列的优先序、换队规则等。 需要指出的是，实体流图是为描述实体流动和相互间逻辑关系而绘制的，它 和计算机程序框图不同，与计算机编程实现的要求还有较大距离。 第1 4 页 北京邮电大学硕士论文t c p i p 计算机网络仿真系统的研究与实现 2 2 活动周期图法 活动周期图法针对实体的行为模式进行建模，可以直观的表示出某类实体生 命周期中的活动和状况，具有规范化的特点，对不同实体之间的协同关系的描述 十分清晰、明确。而且，应用活动周期图法建立的系统模型，转换为面向活动的 仿真模型比较方便。 活动周期图以直观的方式显示了实体的状态变化历程和各实体之间的交互 作用关系，便于理解和分析。活动周期图可以充分反映各类实体的行为模式，并 将系统的状态变化以“个体”状态变化的集合方式表示出来，因此可以较好的表 达众多实体的并发活动和实体之间的协同。但是，它只描述了系统的稳态，而没 有表示系统的瞬态，即活动的开始和结束事件。 活动周期图建模方法将实体的状态分为静寂( d e a d ) 和激活( a c t i v e ) 两 种，并分别用不同的符号予以表示。状态之间用剪头线相连，不同的实体用不同 的线型，表示各种实体的状态变化历程。激活状态通常是实体的活动，模型中活 动的忙期可采用随机抽样等方法事先加以确定。相反，静寂状态通常表示无活动 发生，是实体等待参加某一活动时的状态，其持续时间在模型中无法事先确定， 取决于有关活动的发生时刻和忙期。每一类实体的生命周期都由一系列状态组 成。随着时间的推移和实体间的相互作用，各个实体从一个状态变化到另一个状 态，形成一个动态变化过程。 ( 卜静寂状态 活动周期图建模过程如下 激活状态 图2 2a c d