基于OPNET的通信网络仿真优化方法

1、33基于 opnet 的通信网络仿真优化方法 张文革，马玉祥 （西安电子科技大学计算机学院，西安 710071 ）摘 要 为了有效解决仿真的精度和速度之间存在的矛盾，本文通过对通信网络进行抽象和浓缩，将其映射到 opnet 仿真平台，构建了一个典型的层次型通信网络仿真模型。在opnet 精确模式和背景流模式建模方法的基础上，把多种建模技术进行组合仿真，并通过对仿真实际运行时间及所收集的统计量的分析比较，找到改善仿真精度和速度矛盾的有效方法混合建模。因而实现了可扩展的三层网络结构，实现了实际网络向opnet 仿真平台的映射，实现了几种业务建模方法的综合，实现了改善仿真精度和速度矛盾的混合建模。

2、关键词 通信网络； opnet仿真；业务建模；优化方法 中图分类号 tp393目前，由于多方面因素的制约，通信网络软硬件的配合在许多情况下都未能发挥出最佳效能，直接影响到通信的质量。预测的一个既经济又科学的途径便是仿真。通过仿真找出已有系统的不足，对网络的升级优化提供参考；通过仿真对组建新网提供理论上的论证和技术上的支持。而opnet软件仿真技术成熟，能有效地对复杂的通信系统进行业务建模和仿真分析。1 opnet modeler 的特点和网络的拓扑设计 1.1 opnet 网络仿真软件的特点 opnet网 络 仿 真 软 件是 由 美 国opnet technology 公司开发的一个大型的通

3、信与计算机网络仿真软件包，为通信网和分布式系统的模拟提供了全方位的支持，是目前世界上先进的网络仿真开发和应用平台之一，它以面向研发的opnet modeler 为基础，开发出了面向不同用户群的功能强大的多种产品，广泛应用于大中型企业智能化网络设计、规划、优化和管理等方面。opnet modeler的特点主要有以下3 点：（ 1）采用基于包的建模机制（simulation on packet level） ；（ 2）采用离散事件驱动的模拟机理（discrete event driven） ；（ 3）具有丰富的统计量收集和分析功能。尽管 opnet 有许多优点，但它也有自己的局限性，如仿真速度和仿

4、真精度不能同时满足，需要进行一定的折衷。所以，怎样在速度和精度之间选取一个合理的平衡点，就成了仿真优化研究的主要课题。1.2 网络拓扑设计 1.2.1 网络拓扑设计思路 为了贴近实际，我们对某单位的通信网络系统进行调研之后，经过抽象压缩、去粗取精，在仿真网络的拓扑设计中形成了如下思路：模拟业务： 选取业务量最大、 仿真时最占资源、日常生活中最常用的话音。使用协议：通信协议全部使用udp。采用拓扑：总体树型、局部星型。在网络规模大小上进行了压缩，提取出其中最具代表性的成分，将近距、远距及远程终端等代表性的结构反映出来，涵盖了实际系统的主要类型。使用设备：忠实于实际网络。设备、链路等尽量使用与原物

5、类型相同的模型，保持一定的真实性。从而使仿真网络既不失实际网络的特色，又便于 opnet 进行模拟。1.2.2 设计拓扑 按三层设计， 分为高、 中、低层， 实际的网络，增、减中层的层数及每层的子网个数来实现。突出层次协调，即上层为决策层，只提供服务；下层为执行层， 只提供业务； 中层承上启下， 既提供服务，又提供业务。由于仿真对象是话音，一般是端到端电子科技 2005 年第 9 期（总第 192 期）收稿日期 ：2005-05-08基于 opnet 的通信网络仿真优化方法 it age/ sep. 15, 2005 34的通信，所以采用工作站到工作站的模式。底层工作站均以中层工作站为目的（即

6、底层工作站的目的地址为中层工作站的实名，下同），所有中层工作站均以上层工作站为目的。整个仿真网络除有4 个网络配置物件外，13 个子网中共有17 个交换机、 10 个路由器、 11 个服务器、52 个工作站和3 个 modem， 共 97 个节点模型，网络拓扑如图1 所示。图 1 通信网络拓扑结构 根据各层的业务性质，高层配置了具有防止网络风暴、容错等技术的cisco catalyst 系列的核心交换机、 cisco 路由器、 hp 系列的服务器和有网络接口的工作站。中层承上启下，其功能主要是保持上下通信的畅通，所以，除配置中心交换机、二层交换机、服务器和工作站外，由多个路由器负责高、低层的连

7、接。低层如果与中层相距较近，由低层的三层交换机直接与中层的二层交换机相连；如果与中层相距较远，低层交换机则通过路由器与中层相连。对于低层的远程终端，则通过modem 与中层相连。2 业务建模及仿真 业务建模就是把需要仿真的实际系统，按照仿真软件的要求，映射到软件环境中。映射要能对实际系统特点进行一定程度的反映，使仿真能得出正确的结果。 对仿真软件来说， 只有加载正确的模型，才能得出正确的结论；否则，加载的模型不正确，得出的结论也是错误的。下面，针对建好的网络模型，对同一话音业务，采用不同的建模方法，配置不同的业务参数，分别进行仿真，根据仿真运行结果，以期找到改善速度与精度矛盾和整体效果为最佳的

8、仿真方法。2.1 完全精确建模其建模步骤分为4 步，即配置应用、配置业务主询、配置服务器和配置工作站。（1）配置应用参数，即对所要进行仿真的对象话音进行定义。操作流程为：applicationconfigure/editattributes/applicationdefinitions(value)/v oipapplication(discrete traffic)/(discription)/(voice)value/（voice）table。在 (voice)table 配置时， type of service 要设成interactive v oice(6) ， traffic mix

9、(%)要设置成all discrete,表示此业务是优先级较高的交互话音，模拟方式是全部离散事件模拟。（2）配置业务主询，即配置一类用户所涉及的应用，本例为话音。操作流程为：profile configure/edit attributes/profile config- uration/voip profile confirure(discrete traffic)/ app- lications/v oip application (discrete traffic)。（3）配置服务器，即对服务器所需支持的服务和应用进行设定，对在application configure中定义的应用都可以

10、选择。操作流程为：high_server/edit attributes/application (value)/ application/supported service/all （4） 配置工作站， 即配置工作站所支持的业务，对在 profile configure中定义的业务都可以选。根据一般的话音通信都是两个工作站通信的特点，本文中工作站的配置既支持服务，又支持业务，还需要配置目的节点。操作流程为：high_wkstn/edit attributes/application/application supported profile/ voip profile configure(d

11、iscrete traffic)。同时，也必须指定获取服务的服务器地址。（5）选择统计量根据实验需求，选择反映可靠性和实时性的下列统计量：全局端到端延迟： global statistics/v oice /packet end-to-end delay(sec) ；全局的丢包率： global statistics/ip/traffic drop- ped (packets/sec)；路由器队列延迟：node statistics/ip interface/ queuing delay(sec)。基于 opnet 的通信网络仿真优化方法 电子科技 /2005 年 9 月 15 日352.2

12、ip层背景流的分析建模方法 将应用配置物件中的traffic mix(%) 配置成 all background，将业务主询和所有工作站都配置成支持 all background方式。将低层子网内所有的工作站用ip 流连到其中层子网的某个工作站上，将中层子网内所有的工作站连到高层子网的某一工作站上。对流进行配置时，要对封包的生成速率进行设置，从精确方式下仿真得出的图2 可以看出， traffic（packets/second）应设置为7000（packet/s） ，traffic （bit/s）应设为225（ kbyte/s）即 1.8（mbit/s ） 。同时对路由器及其支持路由器的qos

13、进行配置。路由器的配置步骤为：图 2 精确模式下的业务速率 router/editattributes/ipqosparameters/interfaceinforamation/row0/qos; scheme/row0/type(wfq, name (tos based) 。qos的 配 置 步 骤 为 ： qos configure/edit attributes/wfq profiles/tos based/queues configur- ation/ classification schemes/interactive v oice(6) 。2.3 分析方法与micro-simul

14、ation技术的结合micro-simulation能配置多个队列、采用某些特殊调度算法、支持高优先级的队列和一些敏感的实时业务将获得更多的服务机会。它与分析方式结合，可以提高仿真的精确度，但何时使用分析方法，何 时 启 动micro-simulation， 需 要background configure 来决定。 background configure配置的有关参数意义如下：mean value tolerance(%) 代表队列对队长抖动可容忍的程度，如果队列平均长度抖动小于这个值，则启用分析方式，否则启动micro-simulation 。analytical threshold代表启

15、用分析方式的门限值，如果背景封包到达的平均间隔时间超过这个值，则采用分析方式，否则启动micro-simulation 。micro-simulation interval代表 micro-simulation的持续时间。2.4 混合仿真 将 application configure中的 traffic mix(%) 设置为 75%，表明 75%用于背景流仿真，25%用于精确 业 务 仿 真 。 则application configure、 profile configure 、服务器和所有工作站都配置成支持精确业务和背景业务两种方式。对感兴趣的节点(比如high_wkstn1和 low0

16、_ wkwtn1) 配置成仅支持离散仿真方式。3 仿真结果 3.1 实际运行时间比较 所有模式的仿真指定运行20 分钟，实际运行时间如图3 所示。仿真模式指定仿真时间实际仿真时间完全精确模式20min 98min56s ip 背景流模式20min 17s ip 流+simulation 模式20min 17s 混合模式20min 12min15s 图 3 实际运行时间比较 由上图看出，在指定相同的仿真时间下，完全精确模式花费时间最长，流方式最短，混合模式居中。3.2 全局统计量的端到端延迟比较 全局统计量的端到端延迟结果如图4 所示。图 4 全局统计量的端到端延时 基于 opnet 的通信网络

17、仿真优化方法 it age/ sep. 15, 2005 36 从结果来看，几种建模方式下延时相差无几。也就是说，网络拓扑不变，混合建模方式与其它几种建模方式的实时性基本相同。3.3 全局的丢包率比较（如图5 所示） 几种建模方式下，混合建模的丢包率与micro- simulation 和 ip 流结合的大致相同， 低于 ip 流建模方式，高于精确建模方式。说明混合模式仿真比ip流建模方式精确。图 5 全局的丢包率 3.4 路由器的队列延时比较（见图6） 从路由器队列延时上看，混合建模仿真时的平均队列延时约为2.5ms，ip 流模式仿真时的平均队列延时约为20ms，micro-simulati

18、on与完全分析方式配合仿真时的平均队列延时约为12.5ms， 即混合建模的路由器队列延时是ip 流仿真方式的1/8，是micro-simulation与完全分析方式配合的仿真方式的 1/5。图 6 路由器队列延时比较 3.5 结论 混合建模集成了完全精确建模的精确性、ip 背景流建模和micro-simulation与 ip 背景流建模结合后仿真的快速性等优点，同时又不同程度地克服了完全精确建模仿真速度慢、流建模仿真精确度差等缺点，是完全精确建模和流业务建模的折中。它通过对感兴趣的节点采取完全精确的离散仿真，对其它节点采取micro-simulation与 ip 背景流相结合的快速精确仿真，从

19、而既能提供感兴趣节点离散方式的精确业务，又有流分析方式的高速度和队列的较小延迟，从而使仿真的精度和速度总体上都有较大提升。混合建模在本例中表现出来的优势：仿真速度：是完全精确模式的8 倍；仿真精度：高于ip 流分析方式；路由器队列延时：仅是ip 流仿真的1/8、micro-simulation与完全分析方式配合的1/5；实时性：与其他几种建模方式基本相同；仿真类型：能同时仿真精确业务和流业务，明显优于其他几种建模方法。由此看出， 混合建模比较有效地解决了精度和速度的矛盾。因此，在同时要求仿真精度和速度的情况下，使用混合建模不失为一种有效的建模优化方法。4 结束语 为有效解决仿真的精度和速度之间

20、的矛盾，本文通过对某通信网络进行抽象和浓缩，将其映射到opnet 仿真平台，构建了一个典型的可扩展的层次型通信网络仿真模型，对其用多种opnet 建模技术进行综合后进行仿真比较，找到改善仿真精度和速度矛盾的有效方法混合建模。本文的主要贡献在于实现了可扩展的三层网络结构，实现了实际网络向opnet 仿真平台的映射，实现了几种业务建模技术的综合，实现了改善仿真精度和速度矛盾的混合建模。本文的不足在于混合建模对traffic mix(%) 的比例未能进行多次设置和仿真，也未能实现针对不同的时间段进行精确方式和背景流方式的自动转换，从而导致混合建模的优势表现得不是很明显。今后研究的方向应该是要针对不同

21、的时间段实现精确方式和背景流方式的自动转换，进一步提高混合建模的有效性。（下转第40 页）基于 cpld 的 hdb3 编译码器 it age/ sep. 15, 2005 40元件，提高了系统集成度。参考文献 1 王金明 , 杨吉斌 . 数字系统设计与verilog hdl. 北京 : 电子工业出版社, 2002, 1. 2 曹志刚 , 钱亚生 . 现代通信原理 . 北京 : 清华大学出版社, 1992, 8. 3 altera max 7000 programmable logic device family data sheet, 2003, 6. 作者简介 贾惠彬（1979 ） ，男，

22、河北大学电子信息工程学院通信与信息系统硕士研究生。研究方向：信息处理。王兰勋，男，河北大学电子信息工程学院副教授，硕士研究生导师，研究方向：信道编译码及信息处理。hdb3 encoder and decoder based on cpld jia huibin, wang lanxun (college of electric and information of hebei university, baoding 071002, china) abstractby analyzing the principle of hdb3 encoding and decoding, this pape

23、r gives a novel hdb3 encoding method based on epm7064slc44 and analogy switch 4052, and presents the circuit diagram of hardware design, the flow of software design and the simulated waveform of hdb3 encoder and decoder. the method has the advantages of simple hardware design, high speed and low cos

24、t. in addition, since cpld can be reprogrammed, it can be repaired online, thus making it convenient to debug and run the equipment. testing shows that this encoder and decoder has stable performance and therefore can be applied to circuitry. keywordshdb3 code; cpld; verilog language （上接第 36页） 参考文献

25、1 opnet lab manual, opnet technologies. inc, 2004. 2 陈敏 . opnet 网络仿真 . 北京 , 清华大学出版社, 2004. 3 opnet modeler product documentations, release 10.0, opnet technologies. inc, 2003. 作者简介 张文革（1969 ） ，男，西安电子科技大学计算机学院硕士研究生。研究方向：计算机网络。马玉祥，男，教授。研究方向：计算机网络与应用。methods for simulation optimization of a communication network based on opnet zhang wenge, ma yuxiang (school of computer science and technology, xidian university, xi an 710071, china) abstract in order to overcome effe