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摘要：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。网络仿真作以其独有的方法为网络规划设计提供客观、可靠的定量依据, 从而缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。本文介绍了一种强有力的网络仿真工具－OPNET，分析了其主要特点、三层建模机制以及仿真方法和步骤，最后通过一个实例来讨论了OPNET技术在具体网络规划和设计中的应用。
关健词：OPNET；网络仿真；网络规划设计
中图分类号：TN915文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21583-02
Applications of OPNET Simulation Technology in the Network Project and Design
GAO Jin-yu1,JIA Shi-jie2
(1.Shandong Information College,Weifang 261307,China;2.Electronic and Information College of Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)
Abstract:Network simulation is a technology that simulates network actions through mathematics modeling and statistical analyzing, consequently achieves the specific network performance parameters, objectively provides the reliable basis for the network planning design, reduces the network construction cycle, makes the policy more scientific in the network construction, and reduces the investment risk of network construction. A network simulator –OPNET is introduced, which has powerful function in the field of network project and design. The OPNET technology is analyzed from three aspects, the key characteristics, the three-layer model mechanism and the simulation ways and procedures. Finally, a practical case is presented illustrating OPNET simulation in the network project and design
Key words:OPNET;network simulation;network project and design
1 网络仿真与传统的网络设计方法
随着网络规模的日趋扩大和网络技术的日趋复杂，基于经验、试验和理论计算的传统网络设计方法越来越暴露出其不足[1]。网络仿真是一种介于试验和计算之间的技术，它通过建立实际的数学模型并按照相同的运行机制模拟物理系统的动态行为，为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据。从可靠性、成本、可实现性方面比较，网络仿真是经验方法、试验方法、理论计算三种方法的比较理想的折中，特别在大型网络的规划和设计方面有比较明显的优势。将网络仿真与传统的网络设计方法相结合，可以弥补传统设计方法的不足，从而缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。在实际的网络设计中，可以遵循以下的基本原则综合使用这几种设计方法[2]：
(1)依据经验和计算进行初步的网络规划和设计；
(2)对于经验和计算难以确定的问题，建立网络的仿真模型，通过仿真获取必要的设计依据；
(3)如果需要且条件许可的话，可以搭建小型试验网进行试验，对设计和仿真结果作进一步的验证；
(4)对多个不同的设计方案，建立各自的网络模型进行必要的仿真，为方案的比较和选择提供依据；
(5)最后还可以利用网络仿真手段对完整的设计方案进行验证，检查是否达到预定的技术指标和实际目的。
2 OPNET网络仿真技术
目前最常用的两大网络仿真工具是ns2和OPNET，前者是由伯克利大学开发的源代码公开的共享工具，用户可以直接从网上免费下载；ns2由于是共享工具，存在很多不足，可靠性得不到保证，用户需要从头建模，适用于小规模模拟。后者是美国Mil3公司生产的，主要用于各大学和大型通信公司。OPNET具有丰富的技术、协议、设备模型库和适合各个层次的建模工具以及灵活强大的仿真分析工具，特别适合各种网络仿真研究[2],目前它是世界上最先进的网络仿真和应用平台。
2.1 OPNET的主要特点:
OPNET支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，以便于用户使用。在网络规划与设计以及对现有网络的分析方面都有很好的表现，同时也为通信协议和路由算法的研究提供了与真实网络相似的环境。OPNET具體有以下主要特点：
(l)有限状态机。在过程层次使用有限状态机来对协议和其他过程进行建模。在有限状态机的状态和转移条件中使用C/C ++语言对任何过程进行模拟。用户可以随心所欲地控制仿真的详细程度。有限状态机加上标准的C/C ++以及OPNET本身提供的400多个库函数构成了Modeler编程的核心[3]。
(2)层次化的网络模型。使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构。
(3)对协议编程的全面支持。OPNFT的核心已经嵌入了众多协议，因此对于很多协议，无需进行额外的编程。OPNET几乎预定义了所有常用的业务模型，如均匀分布、泊松分布、欧兰分布等，同时还集成了Mail, H1TP, FTP、远程终端、电视会议和数据库等常用的客户一服务器应用业务模式。
(4)丰富的集成分析工具。Modeler仿真结果的显示界面十分友好，可以轻松刻画和分析各种类型的曲线，也可将曲线导出到电子表格中，而且可以用曲线和HTML格式显示仿真结果。
(5)动画演示。在仿真中或仿真后显示模型行为的动画，可以形象地表示出系统的特性。
(6)高效的仿真引擎。使用Modeier进行开发的仿真平台，使仿真的效率相当高。
(7)系统的完全开放性。Modeler中源码全部开放，用户可以根据自己的需要添加、修改已有的源码。
2.2 OPNET的建模机制
OPNET提供了一个支持通信网络和离散系统建模的综合开发环境。通过对离散事件的模拟，分析模型的行为和性能。OPNET的建模方法非常简单清晰，Modeler建模过程分为3个层次:过程(process)层次、节点(Node )层次以及网络(Network)层次。在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组成网络。几个不同的网络场景组成“项目”，用以比较不同的设计方案。这也是Model-er建模的重要机制[4]，这种机制有利于项目的管理和分工。OPNET中的建模工作在3种不同的层中完成，这3种层次也称为3个域。这种建模方式与使用单一层次对系统中的所有层面进行建模的方式不同。 OPNET采用基于包的通信机制。通过仿真包在仿真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。在建模中，可以根据需要生成、编辑各种格式的包[5]。
Network模型是最高层次的模型，由网络节点(Node )和连接网络节点的通信链路(link)组成，由该层模型可以直接建立起仿真网络的拓扑结构。
2.3网络设计规划的OPNET仿真步骤
(1)收集和分析网络工程设计的文档。包括仿真网络的网络拓扑结构、网络协议和网络标准、网络设备、网络链路特性、网络应用及其流量特性等。
(2)建立网元模型。对于基本模型库中已有的网络设备，根据网络设备的接口配置对现有模型进行修改，优化网络设备模型。若基本模型库中没有的网络设备，需要编程开发新的网络设备模型。
(3)建立网络模型。建立起网元模型之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统影射为OPNET网络模型。对于新建网络，需要从模型库中选择合适的网络节点、链路来建立网络模型，对于升级后的网络，则需在现有模型的基础上，修改网络拓扑或网络设备。
(4)建立网络流量模型。在OPNET中，网络流量分为背景路由流量、背景利用率流量和前景业务流量。建立网络拓扑结构后，根据实际设计的需要建立好相应的流量模型。
(5)仿真设计和仿真计算。建立拓扑、导入网络数据流量后，可以选择仿真过程中感兴趣和要收集的网络性能统计参数。按照参数的收集范围，可分为全局统计量和对象统计量；按统计量的类型则可分为统计数据与动画数据。统计数据是一对数据的集合，其中一项是自变量，另一项是因变量，通常情况下，自变量是仿真时间，因变量是所要收集结果的统计量。动画数据记载了网络模型在仿真过程中的流动过程。然后选择仿真参数，在不影响仿真结果可用性及可靠性的前提下，尽可能提高仿真计算效率。设计完仿真参数后，就要进行仿真计算，仿真运行的时候，会根据仿真产生的事件和事件发生的时间产生一系列的数据，并将其记录在运行日志文件中。
(6)查看、结果分析并提交仿真报告；对于统计数据，可以直接通过菜单栏的“view result”查看，而动画数据则要利用m3_vuanim程序打开。
(7)比较仿真結果与实验或测试结果，既可使用数据分析的形式，也可使用图象处理的方法。包括两个方面的内容，一个是验证某一设计方法或者网络算法的有效性，另一个是比较不同设计方案的仿真结果，选择合适的方案。
以上是OPNET仿真技术在网络规划设计应用中的典型流程，在实际操作中，往往需要多次的反复，具体的网络仿真流程需要根据具体的仿真需要和其它具体情况决定。
3 OPNET仿真实例
3.1仿真问题提出
某校主校区局域网采用星型拓扑结构，共有32台工作站。拟建设一个覆盖四校区的校园局域网，各分校区内部网络通过电话线路与主校区实现网络互连进行校园网的扩容，各分校区子网内有20台工作站，也采用星型拓扑结构，用来发送负荷较大的FTP服务。主校区子网与各子网之间的连接采用链路LAN_Mod_PPP_DS0。并且要求主校区与分校区之间可以提供稳定的FTP服务。仿真的任务是观察原有的服务器的负荷和网络节点之间的延迟是否可以满足扩容后的要求。
3.2仿真模型设计
本仿真的任务是观察在有无背景链路流量（背景链路流量是在网络中对有可能存在的一类负荷的模拟行为）的情况下系统性能的对比。首先要在各分校区内部组建内部网络，可以同主校区一样，内部网络采用星型拓扑结构。分别在地图的五个位置定位，在任意一个建立子网模型。分校区子网模型如图1所示。子网内部模型建立以后，就需要在其他位置分别放置这些子网节点了。对主校区进行的内部网络进行一定的改造，使其支持各个分校区子网的交换和为各个分校区提供一个公共的FTP服务器。如图2所示。主校区被设置成提供FTP服务的交换式内部子网络后，整个的网络拓扑模型就建立起来了。网络拓扑如图3。
图1 主校区节点的内部设置
图2 主校区节点的内部设置
图3 建成后的网络拓扑图
3.3仿真结果
选择观察仿真结果的Compare Results命令，就可以比较有无背景流量的链路利用率和FTP的服务时间。
从图4、图5中看出，运行仿真后，具有背景链路流量的链路利用率要高于没有背景链路流量的链路利用率，这是因为有背景链路流量的链路传送的数据确实要多。在链路重载的情况下，当曲线趋于稳定的时候，有无背景链路流量的文件下载的时间大概相差4s～4.5s的时间。从以上两个所观察到的参数，可以看出扩容后的校园网FTP服务质量仍比较稳定。这样就完成了在有无流量的情况下系统性能的对比。
图4 观测到的随时间平均的链路利用率 图5 观察到的随时间平均FTP下载时间
4 结论
网络仿真技术是一种全新的网络规划设计方法，该技术以其独特的技术手段，成为一种经济有效和其他传统方法不可替代的网络设计的有力工具。而OPNET公司的OPNET Modeler是当前业界最领先的网络技术开发环境，为开发人员提供了建模仿真以及分析的集成环境，大大减轻了编程和数据分析的工作量。OPNET为网络技术开发、网络性能理论测试、网络设计方案评估及网络故障诊断等提供了强有力的工具，必将得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]杨宏宇,王兴隆,谢丽霞.网络仿真软件OPNET的应用与实践[J].计算机工程与应用,2005,(10):118-118.
[2]张金文,王文博.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[3]OPNETModeler9.0onlinedocumentation[EBPOL].www.opnet.com.
[4]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.
[5]伍俊洪,杨洋,李惠杰.等.网络仿真方法和OPNET仿真技术[J].计算机工程,2005,(30):107-107.
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关健词：OPNET；网络仿真；网络规划设计
中图分类号：TN915文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21583-02
Applications of OPNET Simulation Technology in the Network Project and Design
GAO Jin-yu1,JIA Shi-jie2
(1.Shandong Information College,Weifang 261307,China;2.Electronic and Information College of Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)
Abstract:Network simulation is a technology that simulates network actions through mathematics modeling and statistical analyzing, consequently achieves the specific network performance parameters, objectively provides the reliable basis for the network planning design, reduces the network construction cycle, makes the policy more scientific in the network construction, and reduces the investment risk of network construction. A network simulator –OPNET is introduced, which has powerful function in the field of network project and design. The OPNET technology is analyzed from three aspects, the key characteristics, the three-layer model mechanism and the simulation ways and procedures. Finally, a practical case is presented illustrating OPNET simulation in the network project and design
Key words:OPNET;network simulation;network project and design
1 网络仿真与传统的网络设计方法
随着网络规模的日趋扩大和网络技术的日趋复杂，基于经验、试验和理论计算的传统网络设计方法越来越暴露出其不足[1]。网络仿真是一种介于试验和计算之间的技术，它通过建立实际的数学模型并按照相同的运行机制模拟物理系统的动态行为，为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据。从可靠性、成本、可实现性方面比较，网络仿真是经验方法、试验方法、理论计算三种方法的比较理想的折中，特别在大型网络的规划和设计方面有比较明显的优势。将网络仿真与传统的网络设计方法相结合，可以弥补传统设计方法的不足，从而缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。在实际的网络设计中，可以遵循以下的基本原则综合使用这几种设计方法[2]：
(1)依据经验和计算进行初步的网络规划和设计；
(2)对于经验和计算难以确定的问题，建立网络的仿真模型，通过仿真获取必要的设计依据；
(3)如果需要且条件许可的话，可以搭建小型试验网进行试验，对设计和仿真结果作进一步的验证；
(4)对多个不同的设计方案，建立各自的网络模型进行必要的仿真，为方案的比较和选择提供依据；
(5)最后还可以利用网络仿真手段对完整的设计方案进行验证，检查是否达到预定的技术指标和实际目的。
2 OPNET网络仿真技术
目前最常用的两大网络仿真工具是ns2和OPNET，前者是由伯克利大学开发的源代码公开的共享工具，用户可以直接从网上免费下载；ns2由于是共享工具，存在很多不足，可靠性得不到保证，用户需要从头建模，适用于小规模模拟。后者是美国Mil3公司生产的，主要用于各大学和大型通信公司。OPNET具有丰富的技术、协议、设备模型库和适合各个层次的建模工具以及灵活强大的仿真分析工具，特别适合各种网络仿真研究[2],目前它是世界上最先进的网络仿真和应用平台。
2.1 OPNET的主要特点:
OPNET支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，以便于用户使用。在网络规划与设计以及对现有网络的分析方面都有很好的表现，同时也为通信协议和路由算法的研究提供了与真实网络相似的环境。OPNET具體有以下主要特点：
(l)有限状态机。在过程层次使用有限状态机来对协议和其他过程进行建模。在有限状态机的状态和转移条件中使用C/C ++语言对任何过程进行模拟。用户可以随心所欲地控制仿真的详细程度。有限状态机加上标准的C/C ++以及OPNET本身提供的400多个库函数构成了Modeler编程的核心[3]。
(2)层次化的网络模型。使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构。
(3)对协议编程的全面支持。OPNFT的核心已经嵌入了众多协议，因此对于很多协议，无需进行额外的编程。OPNET几乎预定义了所有常用的业务模型，如均匀分布、泊松分布、欧兰分布等，同时还集成了Mail, H1TP, FTP、远程终端、电视会议和数据库等常用的客户一服务器应用业务模式。
(4)丰富的集成分析工具。Modeler仿真结果的显示界面十分友好，可以轻松刻画和分析各种类型的曲线，也可将曲线导出到电子表格中，而且可以用曲线和HTML格式显示仿真结果。
(5)动画演示。在仿真中或仿真后显示模型行为的动画，可以形象地表示出系统的特性。
(6)高效的仿真引擎。使用Modeier进行开发的仿真平台，使仿真的效率相当高。
(7)系统的完全开放性。Modeler中源码全部开放，用户可以根据自己的需要添加、修改已有的源码。
2.2 OPNET的建模机制
OPNET提供了一个支持通信网络和离散系统建模的综合开发环境。通过对离散事件的模拟，分析模型的行为和性能。OPNET的建模方法非常简单清晰，Modeler建模过程分为3个层次:过程(process)层次、节点(Node )层次以及网络(Network)层次。在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组成网络。几个不同的网络场景组成“项目”，用以比较不同的设计方案。这也是Model-er建模的重要机制[4]，这种机制有利于项目的管理和分工。OPNET中的建模工作在3种不同的层中完成，这3种层次也称为3个域。这种建模方式与使用单一层次对系统中的所有层面进行建模的方式不同。 OPNET采用基于包的通信机制。通过仿真包在仿真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。在建模中，可以根据需要生成、编辑各种格式的包[5]。
Network模型是最高层次的模型，由网络节点(Node )和连接网络节点的通信链路(link)组成，由该层模型可以直接建立起仿真网络的拓扑结构。
2.3网络设计规划的OPNET仿真步骤
(1)收集和分析网络工程设计的文档。包括仿真网络的网络拓扑结构、网络协议和网络标准、网络设备、网络链路特性、网络应用及其流量特性等。
(2)建立网元模型。对于基本模型库中已有的网络设备，根据网络设备的接口配置对现有模型进行修改，优化网络设备模型。若基本模型库中没有的网络设备，需要编程开发新的网络设备模型。
(3)建立网络模型。建立起网元模型之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统影射为OPNET网络模型。对于新建网络，需要从模型库中选择合适的网络节点、链路来建立网络模型，对于升级后的网络，则需在现有模型的基础上，修改网络拓扑或网络设备。
(4)建立网络流量模型。在OPNET中，网络流量分为背景路由流量、背景利用率流量和前景业务流量。建立网络拓扑结构后，根据实际设计的需要建立好相应的流量模型。
(5)仿真设计和仿真计算。建立拓扑、导入网络数据流量后，可以选择仿真过程中感兴趣和要收集的网络性能统计参数。按照参数的收集范围，可分为全局统计量和对象统计量；按统计量的类型则可分为统计数据与动画数据。统计数据是一对数据的集合，其中一项是自变量，另一项是因变量，通常情况下，自变量是仿真时间，因变量是所要收集结果的统计量。动画数据记载了网络模型在仿真过程中的流动过程。然后选择仿真参数，在不影响仿真结果可用性及可靠性的前提下，尽可能提高仿真计算效率。设计完仿真参数后，就要进行仿真计算，仿真运行的时候，会根据仿真产生的事件和事件发生的时间产生一系列的数据，并将其记录在运行日志文件中。
(6)查看、结果分析并提交仿真报告；对于统计数据，可以直接通过菜单栏的“view result”查看，而动画数据则要利用m3_vuanim程序打开。
(7)比较仿真結果与实验或测试结果，既可使用数据分析的形式，也可使用图象处理的方法。包括两个方面的内容，一个是验证某一设计方法或者网络算法的有效性，另一个是比较不同设计方案的仿真结果，选择合适的方案。
以上是OPNET仿真技术在网络规划设计应用中的典型流程，在实际操作中，往往需要多次的反复，具体的网络仿真流程需要根据具体的仿真需要和其它具体情况决定。
3 OPNET仿真实例
3.1仿真问题提出
某校主校区局域网采用星型拓扑结构，共有32台工作站。拟建设一个覆盖四校区的校园局域网，各分校区内部网络通过电话线路与主校区实现网络互连进行校园网的扩容，各分校区子网内有20台工作站，也采用星型拓扑结构，用来发送负荷较大的FTP服务。主校区子网与各子网之间的连接采用链路LAN_Mod_PPP_DS0。并且要求主校区与分校区之间可以提供稳定的FTP服务。仿真的任务是观察原有的服务器的负荷和网络节点之间的延迟是否可以满足扩容后的要求。
3.2仿真模型设计
本仿真的任务是观察在有无背景链路流量（背景链路流量是在网络中对有可能存在的一类负荷的模拟行为）的情况下系统性能的对比。首先要在各分校区内部组建内部网络，可以同主校区一样，内部网络采用星型拓扑结构。分别在地图的五个位置定位，在任意一个建立子网模型。分校区子网模型如图1所示。子网内部模型建立以后，就需要在其他位置分别放置这些子网节点了。对主校区进行的内部网络进行一定的改造，使其支持各个分校区子网的交换和为各个分校区提供一个公共的FTP服务器。如图2所示。主校区被设置成提供FTP服务的交换式内部子网络后，整个的网络拓扑模型就建立起来了。网络拓扑如图3。
图1 主校区节点的内部设置
图2 主校区节点的内部设置
图3 建成后的网络拓扑图
3.3仿真结果
选择观察仿真结果的Compare Results命令，就可以比较有无背景流量的链路利用率和FTP的服务时间。
从图4、图5中看出，运行仿真后，具有背景链路流量的链路利用率要高于没有背景链路流量的链路利用率，这是因为有背景链路流量的链路传送的数据确实要多。在链路重载的情况下，当曲线趋于稳定的时候，有无背景链路流量的文件下载的时间大概相差4s～4.5s的时间。从以上两个所观察到的参数，可以看出扩容后的校园网FTP服务质量仍比较稳定。这样就完成了在有无流量的情况下系统性能的对比。
图4 观测到的随时间平均的链路利用率 图5 观察到的随时间平均FTP下载时间
4 结论
网络仿真技术是一种全新的网络规划设计方法，该技术以其独特的技术手段，成为一种经济有效和其他传统方法不可替代的网络设计的有力工具。而OPNET公司的OPNET Modeler是当前业界最领先的网络技术开发环境，为开发人员提供了建模仿真以及分析的集成环境，大大减轻了编程和数据分析的工作量。OPNET为网络技术开发、网络性能理论测试、网络设计方案评估及网络故障诊断等提供了强有力的工具，必将得到更为广泛的应用。
参考文献：
[1]杨宏宇,王兴隆,谢丽霞.网络仿真软件OPNET的应用与实践[J].计算机工程与应用,2005,(10):118-118.
[2]张金文,王文博.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[3]OPNETModeler9.0onlinedocumentation[EBPOL].www.opnet.com.
[4]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.
[5]伍俊洪,杨洋,李惠杰.等.网络仿真方法和OPNET仿真技术[J].计算机工程,2005,(30):107-107.
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”