网络仿真概述

网络仿真概述

高级计算机网络实验助教：王国库COCOGAR@BBSGKWANG@MAIL6/14/20231序6/14/20232计算机网络——自主计算机的互联 把处于不同地理位置的、独立的、自治的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现资源共享的系统，称为计算机网络系统。计算机网络的概念6/14/20233宽带网关实验楼办公楼家属区网络中心服务器图书馆典型的网络基础设施6/14/20234神奇的网络60万联众世界在线人数再创新高

腾讯QQ领跑中国即时通信 最高同时在线人数突破700万《泡泡堂》最高同时在线人数突破70万跨越国界的视频电话6/14/20235神奇的网络截至2003年12月31日，我国网民数量已攀升至7950万6/14/20236贴近生活的网络移动通讯智能家电无线网络 联想：闪连 IBM：Futureuserclient6/14/20237一些概念（一）x.25、ATM、FDDI、DDN、ISDN、ASDLEthernet、TokenRingTCP、IP、UDP、HTTP、、POP3、IMAP、SMTP、DNS、DHCP6/14/20238一些概念（二）RIP、BGP、OSPF、MPLSSWITCH、ROUTER、HUBFIREWALL、IDS、VPN、NATGSMGPRSCDMAPAS6/14/20239一些有趣的问题（一）出校IP和非出校IP有什么区别？科大有几个出校接口？网络通为什么可以选择出校接口?为什么非出校IP可以直接连msn(windowsupdate,Nortonupdate)?为什么在外面不能访问宿舍IP开启服务?6/14/202310一些有趣的问题（二）什么叫NAT?什么叫端口映射？为什么UDP可以访问内网？什么叫FTP的被动模式？为什么有的内网IP用户也可以设置校内IP6/14/202311一些有趣的问题（三）为什么用modem上网的速度只有几k？什么是DMZ，有什么作用？MAZEBT等的原理是什么？可不可以把你的IP设成?6/14/202312一些常用命令NetstatIpconfig/ifconfigRouteTracert/tracerouteArp6/14/202313内容简介网络仿真简介OPNET简介OPNET仿真实例OPNET仿真流程仿真中存在的困难6/14/202314传统的网络设计方法经验、物理试验和理论计算 这种方式不容易抓住问题的要害，尤其是对复杂的大型网络。6/14/202315需要引入新技术网络仿真技术

网络仿真作为一种新的网络规划和设计技术，以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。网络仿真技术已经逐渐成为网络规划、设计和开发中的主流技术。6/14/202316什么是网络仿真？通常，网络仿真都是在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的网络环境，通过数学方法和动态蒙特卡罗方法来模拟现实中的网络行为，从而它可以有效地提高网络规划和设计的可靠性和准确性，明显地降低网络投资风险，减少不必要的投资浪费。6/14/202317什么是网络仿真？仿真对象——设计中的网络或协议（尚不存在的或不完全存在的）仿真方法——数学建模（网络建模和流量建模）技术核心——模拟实际网络的行为（协议、设备和链路参数）6/14/202318仿真结果——获取特定的网络特性参数（定量数据）仿真目的——通过对拟建网络或拟建协议的预测，为设计提供定量依据，或验证、比较和完善设计方案什么是网络仿真？6/14/202319网络仿真原理网络仿真是随机离散事件仿真的一种。 按离散事件发生的先后顺序对事件进行排序，并通过事件发生时对系统状态的影响来模拟实际系统的运行特性的。随机离散事件是系统状态发生变化的原因，它们是离散系统仿真中最基本的要素。

6/14/202320网络仿真原理仿真过程中通常都有两类实体:固定实体和流动实体。

固定实体是仿真过程中始终存在的实体(网络设备和协议)，用于接受或拒绝流动实体(数据包)的进入，对于进入的流动实体，需按照特定的逻辑或数学关系，对其做排队、转移、逗留或处理，从而使流动实体按所需的要求在模型中流动。6/14/202321网络仿真原理流动实体(数据包)是仿真所处理的对象，它服从一定的概率分布，从系统外部输入系统，在仿真模型的框架结构中运动，每当到达或离开模型中某一固定实体时，就触发各项离散事件。网络仿真中,典型的固定实体包括网络设备和协议等,流动实体指各种数据包等。6/14/202322为什么需要网络仿真？网络仿真是一个很有用的网络研究工具,它以系统理论、形式化理论、随机过程和统计学理论、优化理论为基础。在设计阶段,仿真方法可提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能运行阶段,通过对不同环境和工作负荷的分析和比较,来优化系统的性能。6/14/202323为什么需要网络仿真？在某些情况下,仿真是唯一可行的方法和技术。仿真方法的抽象化程度比数学分析方法低,耗费的时间比测量技术少,其低成本和有效性是其他传统方法不可替代的。随着网络新技术的不断出现和网络数据的日趋复杂,对网络仿真技术的需求必将越来越迫切,网络仿真的应用也将越来越广泛,网络仿真技术已成为研究、规划、设计网络不可缺少的工具。6/14/202324所以-->网络设计方法的一般原则以理论计算和设计经验指导网络设计，同时利用网络仿真手段为网络设计提供依据；利用网络仿真手段对设计方案进行比较和验证；如果可能的话，可以搭建小型实验网用物理实验方法对设计作进一步的验证。6/14/202325网络仿真技术的应用范围网络仿真技术的应用范围非常广泛，目前应用于各种通信系统的设计、规划以及运营维护。包括 有线网络仿真 地面无线通信系统仿真等 卫星通信系统仿真可以对现有网络的性能进行评估、配置错误验证、优化以及升级前的规划，也可以对下一代网络进行仿真设计。6/14/202326几种主流的网络仿真软件美国MIL3公司的OPNETpacketlevel,R&D,largescalenetwork,partnerwithHP 美国CACI公司的COMNET connectionlevel,middlescalenetwork,partnerwithCA6/14/202327几种主流的网络仿真软件美国UCBerkeleyns

TCPrelatednetworksimulation,R&D美国SES公司的Strategizer low-endsimulationtool6/14/202328网络仿真简介OPNET简介OPNET仿真实例OPNET仿真流程仿真中需要克服的困难6/14/202329OPNET简介（一）OPNET网络仿真软件是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台之一。OPNET网络仿真软件是MIL3公司的产品,MIL3公司是由MIT(麻省理工学院)的几位教师在1986年创建的,他们把在MIT的研究成果产品化,开发出了MIL3公司的第一个产品Modeler,并在随后将其扩充、完善为OPNET产品系列。6/14/202330OPNET简介（二）OPNET产品主要面向专业人士，帮助客户进行网络结构、设备和应用的设计、建设、分析和管理。OPNET的产品主要针对三类客户，分成四个系列。三类客户是指：网络服务提供商；网络设备制造商和一般企业。四个系列产品核心包括：6/14/202331OPNET简介（三）●OPNETModeler 面向研发，其宗旨是为了加速网络研发。●ITGuru： 可以用于大中型企业，作智能化的网络设计、规划和管理●SPGuru 面向网络服务提供商的智能化网络管理软件、规划以及优化的平台。●WDMGuru 面向光纤网络的运营商和设备制造商，为其提供了管理WDM光纤网络，并为测试产品提供了一个虚拟的光网络环境。6/14/202332OPNET特点（一）OPNET能够准确的分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可以以图形化显示、数字方式观察、或者输出到第三方的软件包去。此外，一系列仿真运行的结果被自动整理到一个单一的OPNET输出文件中，以便于比较分析（比如相对于网络负载的端对端延迟）。6/14/202333OPNET特点（二）丰富的标准库模块 OPNET由厂家提供的标准库模块有： x.25、ATM、FDDI、FrameRelay、Ethernet（10M、100M、

1000M）、TokenRing、TCP/IP、UDP、RIP、OSPF、LAPB、TP4、DQDB、HSSB、J1850、STB、CATV、

SNA、AMPS、VSAT、circuitswitching、client-sever等。6/14/202334OPNET特点（三）特殊模型库 特殊模型库是针对客户的特殊需求或新的技术或某个厂商专有技术而提供的模型库。目前，特殊模型库包括下述几种模型：IP多播模型基于电路交换模型多协议标签交换模型通用移动电信系统模型私有网间接口模型6/14/202335OPNET特点（四）OPNET允许用户使用FSM（有限状态机）开发自己的协议，并提供了丰富的C语言库函数。OPNET还提

供EMA（外部模块访问）接口，方便用户进行二次开发。OPNET支持面向对象的调试。对网络拓扑、节点/设备的体系结构、过程逻辑（状态机）、传输等不同层次的、不同类型的模型，都有专门的、符合人们习惯的工具来进行编辑和浏览。6/14/202336全球部分客户

NetworkingTechnology3ComCorporation

AdvancedMicro

Devices

AlcatelAscom

BOEINGCableLabs

CiscoSystemsComsatE-Systems

EricssonForeSystemsFujitsuGECMarconi

GeneralInstrumentsGTE

HewlettPackard

HughesIBMIntel

ITTLockheedMartinLSILogicLucentTechnologiesMagnavoxMatsushitaMicrosoftMotorola

NECNETNewbridge

NokiaNortelOrbitalSciencesPhilipsQualcommRaytheonRockwellScientificAtlantaSiemensTelcordia

Teledesic

Telia

Tellabs

TexasInstruments

ThomsonToshibaTRW6/14/202337全球部分客户

ServiceProvider/CarrierAirTouch

AmeritechAT&T

Belgacom

BellAtlantic

BellCanadaBellSouthBritishTelecomCable

andWirelessCompuserve

DeutscheTelecomEnronCommunicationsFranceTelecomITALTELSpA

Infonet

InmarsatIntelsat

KoreanTelecomMcCawCellularMCIWorldcom

NorwegianTelecomPacificBellSouthwesternBellSprintSWIFT

SwissTelecom

TelstraUSWestUUNETVodafone,Ltd

6/14/202338全球部分客户

EnterpriseAerospatialeAbbottLabsAndersenConsultingBakerHughes

BOEING

CanadianSpaceAgencyChryslerCVSDaimlerBenDellComputers

Deloitte

&Touche

DHLDirectTVErnst&YoungFAAFederalReserveBankIBMInfoworl

InternalRevenueServiceNASA

NationalSemiconductorOracle

PriceWaterhouseCoopers

RRDonnellySAPSeattleTimesSchlumberge

6/14/202339目前在中国应用的情况是：

大唐电信使用Modeler进行第三代路由器的研发华为技术有限公司中兴通讯摩托罗拉（中国）信息产业部电信规划设计院信息产业部电信传输所中国电信广东省邮电规划研究院北京邮电大学国家重点实验室中国电子设备系统工程公司研究所国家邮电科学研究院LinkAir上海贝尔6/14/202340成功用户名录

6/14/202341OPNET软件仿真特点

手工建模，半自动建模的建模方法

层次化的建模机制 用基于事件列表的调度机制 基于数据包的通信机制 基于离散事件驱动的仿真机制 丰富的统计量收集和分析功能

6/14/202342网络层建模的两种方法手工建模适用于新建网络的建模;半自动网络建模适用于现有网络的建模;提供HPOpenviewNNM网管平台接口;某些网络设备的建模需要人工干预;仅仅限于IP网络拓扑,第二层网络设备需要手工添加;设计中对现有网络改进的部分需要手工添加.6/14/202343层次化建模机制计算机和通信网络一般包括个方面的模型：网络拓扑，节点内部结构和通信行为。OPNET基于面向对象软件技术将设计域分为网络域、节点域和进程域分别实现为网络模型、节点模型、进程模型。6/14/202344层次化建模机制网络域中完成网络拓扑和配置模型的设计。 网络模型支持无限多重的子网模型。节点域中完成网元节点结构和数据流模型的设计。6/14/202345层次化建模机制进程域完成网元节点模型中每个模块的进程模型的设计。进程模型通过Proto-C语言实现，它是一种基于有限状态机(FSM)的语言。通过在不同状态执行不同的描述通信行为的程序来实现。6/14/202346基于数据包的通信机制通过仿真包在仿真OPNET模型中的传递来模拟实际物理网络中数据包的流动和节点设备内部的处理过程。仿真包还可以用作模型中各个模块之间控制接口信息的描述方法。6/14/202347基于数据包的通信机制在建模中，可以根据需要生成、编辑各种格式的包。利用DEBUG功能，可以察看任何特定的packet内容。6/14/202348基于离散事件驱动的模拟机制仿真中的各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。通过离散事件驱动的仿真机制实现了在进程级通信的并发性和顺序性，再加上事件发生时刻的任意性，决定了可以仿真计算机和通信网络中的任何情况下的网络状态和行为。与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。6/14/202349丰富的统计量收集和分析功能可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，多种统计参数的采集和处理方法，还可以通过底层网络模型编程，收集特殊的网络参数丰富的图表显示和编辑功能，模拟错误提示和告警功能，6/14/202350小结网络仿真是一种通过建立网络模型来模拟实际网络行为从而获取网络特定性能参数的一种仿真技术，主要用于为网络设计提供定量依据或者比较和验证网络设计方案。网络仿真是一种经济、有效和不可替代的网络开发和设计的辅助工具，利用网络仿真技术，可以显著地提高网络设计效率、降低网络建设的投资风险。6/14/202351小结OPNET网络仿真软件采用灵活的分层建模方法和便于细节模拟的基于包的模拟技术，离散事件驱动的模拟机极大地提高了仿真计算效率，使其成为一个先进的高端网络仿真开发和应用平台。6/14/202352网络仿真简介OPNET简介OPNET仿真实例OPNET仿真流程仿真中存在的困难6/14/202353OPNET编辑器项目编辑器（网络层）节点编辑器（节点层）进程编辑器（进程层）链路编辑器包编辑器天线模式编辑器接口控制信息编辑器6/14/202354OPNET仿真实验

包交换网络端到端时延的仿真 拓扑结构（比较简单）

通过几台工作站连接到一个集线器上。 测量两个工作站之间的时延6/14/202355OPNET建模的过程确定模型需要解决的问题创建原始模型验证模型增强模型设置仿真参数以及条件，运行仿真，查看并分析结果发布结果6/14/202356OPNET系统层面层次化拓扑结构通信链路地理布局设备的移动性设备故障通信时延通信错误资源管理和竞争数据包和事务的产生数据包和事务的处理远程监听和控制中断处理应用行为建模普通信息存储6/14/202357需要考虑的地方拓扑结构通信链路集线器节点和工作站节点集线器进程和工作节点进程数据包6/14/202358拓扑结构6/14/202359通讯线路全双工线路速度6/14/202360networktopologyandthephysical communicationmedium.thefunctionsofthedifferentnodetypes.Themethodtheprocessmodelusesto determinewhichpoint-to-pointtransmitter addressesaparticularperipheralnode.Theroleofperipheralnodes.6/14/202361communicationsmedium6/14/202362FunctionsofthedifferentnodetypesThepurposeofthemodelistosimulatepacketstravelingfromoneperipheralnodetoanotherperipheralnodethroughthepacketswitchinghubnode.Inthehubnode,youcanassumethatpackets

ontainingdestinationaddresseswillarriverandomlyonthefourincominglinksfromthefourperipheralnodes.6/14/202363FunctionsofthedifferentnodetypesThedestinationaddressisaninteger

valuespecifyingadestination peripheralnode.Thehubnodemustcontainaprocessmodelthatcanretrievetheincomingpackets,readthedestinationaddress,and

sendthepacketstotheappropriatepoint-to-pointtransmitter.6/14/202364TheroleofthehubnodemodelPacketstreamseachhaveauniqueindex.Theeasiestmethodistosetupadirectassociationbetweenthehubprocessoutgoingpacketstreamindicesandtheperipheraldestinationaddressvalues.adirectcorrespondencebetweendesignatingaddressesandpacketstreamindicesisappropriate.6/14/202365FunctionsofthedifferentnodetypesInsummary， thehubnodemodelwillconsistofapoint-to-point

transmitter/receiverpairforeachperipheralnode,andaprocessmodelusedtorelaypacketsfromareceivertotheappropriatetransmitter.6/14/202366hubnodemodel6/14/202367TheroleofperipheralnodesTheperipheralnodemodelmustgeneratepackets,assigndestinationaddresses,andprocessreceivedpackets.6/14/202368TheroleofperipheralnodesTheperipheralnodemodelwillcreatepackets.Itwillassigndestinationaddressestopacketsandsendthemtothenode’spoint-to-pointtransmitter.

6/14/202369TheroleofperipheralnodesUponreceivingapacket,theprocessmodelwillcalculatethepacket’send-to-enddelayandwritethevaluetoaglobalstatistic(aglobalstatisticisaccessibletomultipleprocessesthroughoutthesystem).6/14/202370peripheralnodes6/14/202371Flowchartforbuildingpacket

switchingnetwork6/14/202372Creatinganewpacketformat6/14/202373CreatingalinkmodelNowcreatealinkmodelthatwillconnectthehubandperipheralnodes.Thislinkmodelshouldbeduplex,andsupportthepacketformatyoujustdefined.6/14/202374CreatingthehubnodeNowthatyouhavedefinedapacketformatandlinkmodeltobeusedinthemodel,youcancreatethehubandperipheralnodes.Thisprocessrequirestwostepsforeachnodetype:definingthenodemodelanddefiningtheprocessmodel.

6/14/202375CreatingthehubnodeStartbydefiningthenodemodelforthehub.Thehubneedsfoursetsoftransmittersandreceiversforincomingandoutgoingpackets(onesetperperipheralnode),aswellasacentralprocessortodistributethepacketsappropriately.6/14/202376thehubnodemodel6/14/202377Thelistofstreamsconnectingtothehubmoduleappears.6/14/202378needtosetthechanneldatarateandsupportedpacketformatforeachreceiverandtransmitter:Configuringthehubnode6/14/202379Creatingthehubnode’sprocessmodelInthismodel,thehubreceivesapacketand,basedonthedestinationaddress,forwardsittothecorrecttransmitter,whichsendsittothedestinationnode.6/14/202380Creatingthehubnode’sprocessmodelInnodemodel,thehubprocessormoduleisconnectedtothetransmittersandreceiversviapacketstreams.Becauseeachpacketisassociatedwithaninterrupt,thehubprocessmodelreceivesaninterruptwheneverapacketarrivesfromareceiver.

6/14/202381hubprocessFSMBecausethisistheonlyexpectedtypeofinterrupt,thehubprocessFSM(FiniteStateMachine)canbedefinedusingtwostates:anunforcedidlestatetorestbetweenevents,andaforcedstatecontainingthecodeforprocessingpackets.6/14/202382thehubnode’sprocessmodel6/14/202383Programmingthehubnode’sprocessmodelEditHeaderBlock #definePK_ARRVL(op_intrpt_type()==OPC_INTRPT_STRM)EditTemporaryVariables Packet*pkptr; intdest_address;6/14/202384Programmingthehubnode’sprocessmodelroute_pkstate’senterexecutivesblock.

pkptr=op_pk_get(op_intrpt_strm()); op_pk_nfd_get(pkptr,“dest_address”,&dest_address); op_pk_send(pkptr,dest_address);6/14/2023856/14/202386CreatingtheperipheralnodemodelWhenaperipheralnodegeneratesapacket,itmustassignadestinationaddresstothepacket,thentransmitittothehub.Whenitreceivesapacket,thenodemustrecordthepacket’send-to-enddelay.6/14/202387CreatingtheperipheralnodemodelToaccomplishthesetasks,aperipheralnodemodelmustconsistofageneratormodule,aprocessormodule,andapoint-to-pointtransmitterandreceiver.6/14/202388theperipheralnodemodel6/14/202389Configuringthenodemodeltochangethedatarateandsupportedpacketformatsforthereceiverandtransmitter.dothissameoperationearlier,inthehubmodule.6/14/202390Creatingtheperipheralnode’sprocessmodelTheperipheralnode’sprocessmodelneedsfourstates:aninitialstate,andidlestate,astateforprocessingpackettobetransmitted,andastateforprocessingreceived

packets.6/14/202391theperipheralnode’sprocessmodel6/14/202392Creatingtheperipheralnode’sprocessmodelThexmtstatewillgenerateandassigndestinationaddressestopacketsastheyarrivefromagenerator.Packetswillthenbesentontothepoint-to-pointtransmitter.6/14/202393Creatingtheperipheralnode’sprocessmodelThercvstateisenteredwhenapacketarrives.Inthercvstate,theprocessmodelwilldeterminethepacket’send-to-enddelay,updatetheglobalstatistic,anddestroythepackets.6/14/202394Programmingtheperipheralnode’sprocessmodelheaderblock /*packetstreamdefinitions*/ #defineRCV_IN_STRM0 #defineSRC_IN_STRM1 #defineXMT_OUT_STRM06/14/202395transitionmacros #defineSRC_ARRVL(op_intrpt_type()==\ OPC_INTRPT_STRM&&op_intrpt_strm()==SRC_IN_STRM) #defineRCV_ARRVL(op_intrpt_type()==\ OPC_INTRPT_STRM&&op_intrpt_strm()==RCV_IN_STRM)6/14/202396Definethestateandtemporaryvariables:EditStateVariablesEditTemporaryVariables Packet*pkptr; doubleete_delay;6/14/202397DeclareGlobalStatisticsDeclareGlobalStatistics6/14/202398enterexecsfortheinitstate:

address_dist=op_dist_load("uniform_int",0,3); ete_gsh=op_stat_reg("ETEdelay", OPC_STAT_INDEX_NONE,OPC_STAT_GLOBAL);6/14/202399Intheenterexecforthexmtstate,

pkptr=op_pk_get(SRC_IN_STRM); op_pk_nfd_set(pkptr,"dest_address", (int)op_dist_outcome(address_dist));

op_pk_send(pkptr,XMT_OUT_STRM);6/14/2023100Thefirststatementobtainsapointertothepacketarrivingfromthegenerator.Thenextstatementsetsthevalueofthedest_addressfieldtothevaluereturnedbytheop_dist_outcome()procedure.op_dist_outcome()returnsarandomnumberaccordingtothedistributiongivenasanargument.Inthiscase,address_distisapointertotheuniformintegerdistributionloadedintheinitstate.Thelaststatementsendsthepackettotheoutputstream,whichisconnectedtothepoint-to-pointtransmitter.6/14/2023101Intheenterexecforthercvstate

pkptr=op_pk_get(RCV_IN_STRM); ete_delay=op_sim_time()- op_pk_creation_time_get(pkptr);

op_stat_write(ete_gsh,ete_delay); op_pk_destroy(pkptr);6/14/2023102Thefirststatementinthecodeobtainsapointertothepacketarrivingfromthepoint-to-pointreceiver.Thenextstatementcalculatestheend-to-enddelaybysubtractingthepacket'screationtimefromthecurrentsimulationtime.Thethirdstatement

writes

theend-to-enddelaytoaglobalstatistic,andthefourthstatementdestroysthepacket.6/14/2023103buildthenetwork6/14/2023104CheckLinkConsistency6/14/2023105Specifying,Collecting,andAnalyzingResults6/14/2023106Thetime-averagedgraphofutilizationforthislessonisshown

below.6/14/2023107Thegraphsforend-to-enddelayshouldresembletheonesbelow.6/14/20231086/14/20231096/14/20231106/14/20231116/14/2023112网络仿真简介OPNET简介OPNET仿真实例OPNET仿真流程仿真中存在的困难6/14/2023113OPNET软件的仿真流程6/14/2023114网络仿真在网络设计中的应用流程1.收集和消化网络工程设计文档2.建立网元模型3.建立网络模型4.建立网络流量模型5.仿真设计和仿真计算6.结果分析并提交仿真报告6/14/2023115收集和消化网络工程设计文档 网络仿真必须基于对仿真网络的全面和深入的了解，主要包括以下几个方面：网络拓扑结构；网络协议和标准；网络设备；网络链路；网络应用及其流量特性；6