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【中图分类号】TP391.8 【文献标识码】B 【文章编号】1673-8209(2009)6-0136-02
【摘要】“现代通信网”是通信工程专业一门重要的专业课程,为了在学生多、经费少的情况下提高教学效果,根据现有条件和课程特点,提出在该课程教学中引入OPNET软件的方案,使用OPNET软件实现电话网、移动通信网、计算机网等较大规模的网络级计算机仿真。实践证明,这种方法费用低、效果好,具有推广价值。
【关键词】现代通信网;OPNET;网络仿真
“现代通信网”是通信工程专业的一门重要专业课。但是由于该课程实验设备投资巨大,教学内容更新很快,所以该课程的实验在许多高校一直没有很好地解决。由于学生人数多,实验设备少,教学效果也不够理想。随着网络仿真技术的不断成熟与普及,在“现代通信网”课程教学中引入计算机仿真来进行较大规模的网络级仿真已成为可能。
本文对这种方法进行了探讨和评估。
1 网络仿真工具的选择
网络仿真软件种类很多,目前较为流行的四种,具体如表1所示。表中前3种软件功能很强,能够对固定、移动、卫星以及混合等多种网络进行仿真。OPNET提供三层建模机制,以离散事件驱动为模拟机理,提供比较齐全的基本模型库,具有丰富的统计量收集和分析功能,还提供了和网管系统、流量监测系统的接口,方便利用现有拓扑和流量数据建立仿真模型,也可以对仿真结果进行验证;NS的设计使用了两种程序设计语言:c++和Otcl,NS代码使用Otcl语言编写,通过Otcl语言解释器解释,使用NS仿真库进行编译和仿真,输出仿真结果,根据仿真结果记录,可进一步进行相关内容分析,生成网络拓扑图或得到数据的可视化图表。NS仿真最适合于TCP层以上的仿真;QualNet能够模拟最复杂的网络,并且是市场上仿真速度最快、可扩展性最好的网络仿真工具,其具有的大型模型库和强大的开发工具帮助用户最大限度减少编写源码的时间。适用于无线、移动网络的仿真;MATLAB作为国际学术界确认的准确可靠的科学计算标准软件,是一个集数值计算、图形管理、程序开发为一体的强大系统,最适合于点到点系统的系统设计和算法设计。
考虑到“现代通信网”主要讲授各种类型的通信网的网络结构、编址方式、路由算法、服务质量等内容,网络仿真需要形象直观,参数便于设置和修改,又考虑到OPNET的大学计划可以提供免费教学版本,虽然部分模块不全,但完全可以满足教学需要,因此我们选用该公司教学版的OPNET。
2 教学实例
“现代通信网”主要介绍通信网的基本概念、组成,通信网要解决的基本问题;各类业务网的设计目标和工作原理;各类业务网之间的共性和个性差异;导致各类业务网之间产生技术差异的原因;现代通信网为何被设计成今天的样子;什么因素促使了通信网的发展变化;未来的通信网可能怎样发展和变化。下面以电话网的服务质量为例,阐述指导学生使用OPNET软件进行课程实验的基本步骤。
2.1 总体设计:电话通信网采用电路交换技术,由于通信双方独占信道带宽,一旦交换节点接纳此次呼叫,则为该呼叫提供固定的带宽资源。但因为受到交换机处理能力、通信链路带宽等诸多因素的影响,还是会产生呼叫失败的可能。对于电话通信网的服务质量主要分为传输质量和接续质量。传输质量主要有响度、清晰度、逼真度等指标衡量,这些指标基本有主观评定;接续质量主要有接续呼损和接续时延,我们这里以接续呼损为例来进行试验。为简单起见,我们建立一个由两交换局所组成的本地电话网, PBX1、PBX2均可以模拟若干部话机产生话音业务,如图1所示。
图1 两交换局本地电话网
2.2 模块设计:根据PBX和电路交换机的功能,通过逐步细化,按“自底向上”的顺序依次完成各模块的设计,设计好各个模块后,再根据图1所示的总体结构,将各模块组合在一起,可以完成整个网络的设计。下面说明各模块的设计过程。
(1)PBX的设计:电话网中,每个交换端局都会接入为数众多的终端话机,模拟话机产生电话业务是评价呼损的前提。这里用PBX(用户交换机)处理分机之间的通话,同时再通过主干线与公共交换电话网连接。假设普通用户呼叫的到达时间服从指数分布,每个用户呼叫的持续时间服从正态分布,每个呼叫获得的带宽是64kbps,进入的各种呼叫不区分优先级,对于话音业务不进行压缩处理,PBX允许接入的最大呼叫数为100。PBX1模拟10个电话用户,PBX2模拟一个电话用户。如图2所示。
图2 呼叫相关参数设置
(2)SSP的设计:电话网中,最基础的电话交换中心就是端局,主要负责终端用户的接入和局内呼叫。因为目前电话网的信令系统绝大多数都以采用七号信令系统,而SSP(业务交换节点)就是最先响应电话呼叫的电路交换机。实际运行中,电话交换机都包含七号信令的相关功能。假设电路交换机的交换能力是100Mbps,最大并发呼叫数为1000个,支持SS7信令,连接时延、通话时延都服从常数分布。正是因为有最大并发呼叫的上限,因而随着呼叫数量的增加,必然会导致呼叫损失。具体参数如图3所示。
图3 交换节点参数设置
(3)用户线和中继线的设置:这里,假设PBX与SSP之间、SSP与SSP之间均采用T1线路,即1.544Mbps,因而可以预期,一旦用户发起的呼叫请求超过链路的承载能力,则将会出现呼叫损失。
(4)统计量的收集:因为本试验是为了测试在一定的呼叫强度下,电话交换系统的接续质量,我们主要收集以下参数:交换机之间干路利用率、呼叫建立时间、呼叫阻塞数、呼叫实际连接数、呼叫生成数、交换机的带宽预留等,如图4所示。
图4 统计量收集
2.3 结果分析:因为PBX1有10个用户,每个用户产生呼叫的间隔时间服从指数分布,而呼叫持续时间服从正态分布,随着时间的推移,PBX1产生的呼叫数将超过SSP能够并发处理呼叫数的上限,因而呼损随之产生。图5显示出PBX平均呼叫产生数与呼叫阻塞数,以及链路所达到的服务质量。随着呼叫数的增加,SSP之间链路的利用率也趋近于100%,如图6所示。
3 实践效果
通过实践我们体会到,在“现代通信网”课程教學中引入网络仿真技术,有以下好处:
3.1 使学生加深了对课程内容的理解:因为对于通信网而言,现网的环境非常复杂,实际运行的系统不允许学生在其上进行修改配置,而且用户产生的呼叫需要经历相当长一段时间才能获得。每当讲到服务质量这部分内容时学生都反映理解起来比较困难。通过OPNET软件,学生能亲自上手配置,对于评价服务质量的各项指标有了更深刻的理解。
3.2 提高学生分析问题解决问题能力:众所周知,由于种种原因,近几年来学生的实践能力训练不同程度有所减弱,毕业应聘时往往达不到用人单位的要求。在“现代通信网”专业课程教学中引入网络仿真可以使学生熟悉各种网络结构及其工作原理,提高了他们分析问题解决问题的能力。
图5 呼叫生成数与呼叫阻塞数以及链路平均服务质量
图6 中继线链路利用率
3.3 节省实验经费:传统的硬件实验需要大量专门的交换设备和测量仪器,投资大,费用高。使用教学版OPNET软件辅助硬件实验,只要有足够的计算机即可,不需要额外投资,这对一般院校来说都有这个条件。
4 结语
在信息类专业课程教学中引入OPNET需要精心安排教学内容和教学时间,需要老师的无私奉献。我们在“现代通信网”课程教学中引入OPNET只是一种尝试,虽然取得一定效果,但还有许多问题需要进一步探讨。比如,如何避免个别学生的抄袭问题?如何解决学时少和内容多的矛盾?对此我们愿与兄弟院校同行共同探讨。
参考文献
[1] 王文博,张金文.OPNET Modeler与网络仿真.人民邮电出版社,2003
[2] 孙屹主编,孟晨编著.OPNET通信仿真开发手册.国防工业出版社,2005
[3] 陈敏.OPNET网络仿真.清华大学出版社,2004
[4] NS2.http://www.isi.edu/nsnam/ns/index.html.
[5] OPNET.http://www.opnet.com/.
[6] 杨武军等编.现代通信网概论.西安电子科技大学出版社,2004
【摘要】“现代通信网”是通信工程专业一门重要的专业课程,为了在学生多、经费少的情况下提高教学效果,根据现有条件和课程特点,提出在该课程教学中引入OPNET软件的方案,使用OPNET软件实现电话网、移动通信网、计算机网等较大规模的网络级计算机仿真。实践证明,这种方法费用低、效果好,具有推广价值。
【关键词】现代通信网;OPNET;网络仿真
“现代通信网”是通信工程专业的一门重要专业课。但是由于该课程实验设备投资巨大,教学内容更新很快,所以该课程的实验在许多高校一直没有很好地解决。由于学生人数多,实验设备少,教学效果也不够理想。随着网络仿真技术的不断成熟与普及,在“现代通信网”课程教学中引入计算机仿真来进行较大规模的网络级仿真已成为可能。
本文对这种方法进行了探讨和评估。
1 网络仿真工具的选择
网络仿真软件种类很多,目前较为流行的四种,具体如表1所示。表中前3种软件功能很强,能够对固定、移动、卫星以及混合等多种网络进行仿真。OPNET提供三层建模机制,以离散事件驱动为模拟机理,提供比较齐全的基本模型库,具有丰富的统计量收集和分析功能,还提供了和网管系统、流量监测系统的接口,方便利用现有拓扑和流量数据建立仿真模型,也可以对仿真结果进行验证;NS的设计使用了两种程序设计语言:c++和Otcl,NS代码使用Otcl语言编写,通过Otcl语言解释器解释,使用NS仿真库进行编译和仿真,输出仿真结果,根据仿真结果记录,可进一步进行相关内容分析,生成网络拓扑图或得到数据的可视化图表。NS仿真最适合于TCP层以上的仿真;QualNet能够模拟最复杂的网络,并且是市场上仿真速度最快、可扩展性最好的网络仿真工具,其具有的大型模型库和强大的开发工具帮助用户最大限度减少编写源码的时间。适用于无线、移动网络的仿真;MATLAB作为国际学术界确认的准确可靠的科学计算标准软件,是一个集数值计算、图形管理、程序开发为一体的强大系统,最适合于点到点系统的系统设计和算法设计。
考虑到“现代通信网”主要讲授各种类型的通信网的网络结构、编址方式、路由算法、服务质量等内容,网络仿真需要形象直观,参数便于设置和修改,又考虑到OPNET的大学计划可以提供免费教学版本,虽然部分模块不全,但完全可以满足教学需要,因此我们选用该公司教学版的OPNET。
2 教学实例
“现代通信网”主要介绍通信网的基本概念、组成,通信网要解决的基本问题;各类业务网的设计目标和工作原理;各类业务网之间的共性和个性差异;导致各类业务网之间产生技术差异的原因;现代通信网为何被设计成今天的样子;什么因素促使了通信网的发展变化;未来的通信网可能怎样发展和变化。下面以电话网的服务质量为例,阐述指导学生使用OPNET软件进行课程实验的基本步骤。
2.1 总体设计:电话通信网采用电路交换技术,由于通信双方独占信道带宽,一旦交换节点接纳此次呼叫,则为该呼叫提供固定的带宽资源。但因为受到交换机处理能力、通信链路带宽等诸多因素的影响,还是会产生呼叫失败的可能。对于电话通信网的服务质量主要分为传输质量和接续质量。传输质量主要有响度、清晰度、逼真度等指标衡量,这些指标基本有主观评定;接续质量主要有接续呼损和接续时延,我们这里以接续呼损为例来进行试验。为简单起见,我们建立一个由两交换局所组成的本地电话网, PBX1、PBX2均可以模拟若干部话机产生话音业务,如图1所示。
图1 两交换局本地电话网
2.2 模块设计:根据PBX和电路交换机的功能,通过逐步细化,按“自底向上”的顺序依次完成各模块的设计,设计好各个模块后,再根据图1所示的总体结构,将各模块组合在一起,可以完成整个网络的设计。下面说明各模块的设计过程。
(1)PBX的设计:电话网中,每个交换端局都会接入为数众多的终端话机,模拟话机产生电话业务是评价呼损的前提。这里用PBX(用户交换机)处理分机之间的通话,同时再通过主干线与公共交换电话网连接。假设普通用户呼叫的到达时间服从指数分布,每个用户呼叫的持续时间服从正态分布,每个呼叫获得的带宽是64kbps,进入的各种呼叫不区分优先级,对于话音业务不进行压缩处理,PBX允许接入的最大呼叫数为100。PBX1模拟10个电话用户,PBX2模拟一个电话用户。如图2所示。
图2 呼叫相关参数设置
(2)SSP的设计:电话网中,最基础的电话交换中心就是端局,主要负责终端用户的接入和局内呼叫。因为目前电话网的信令系统绝大多数都以采用七号信令系统,而SSP(业务交换节点)就是最先响应电话呼叫的电路交换机。实际运行中,电话交换机都包含七号信令的相关功能。假设电路交换机的交换能力是100Mbps,最大并发呼叫数为1000个,支持SS7信令,连接时延、通话时延都服从常数分布。正是因为有最大并发呼叫的上限,因而随着呼叫数量的增加,必然会导致呼叫损失。具体参数如图3所示。
图3 交换节点参数设置
(3)用户线和中继线的设置:这里,假设PBX与SSP之间、SSP与SSP之间均采用T1线路,即1.544Mbps,因而可以预期,一旦用户发起的呼叫请求超过链路的承载能力,则将会出现呼叫损失。
(4)统计量的收集:因为本试验是为了测试在一定的呼叫强度下,电话交换系统的接续质量,我们主要收集以下参数:交换机之间干路利用率、呼叫建立时间、呼叫阻塞数、呼叫实际连接数、呼叫生成数、交换机的带宽预留等,如图4所示。
图4 统计量收集
2.3 结果分析:因为PBX1有10个用户,每个用户产生呼叫的间隔时间服从指数分布,而呼叫持续时间服从正态分布,随着时间的推移,PBX1产生的呼叫数将超过SSP能够并发处理呼叫数的上限,因而呼损随之产生。图5显示出PBX平均呼叫产生数与呼叫阻塞数,以及链路所达到的服务质量。随着呼叫数的增加,SSP之间链路的利用率也趋近于100%,如图6所示。
3 实践效果
通过实践我们体会到,在“现代通信网”课程教學中引入网络仿真技术,有以下好处:
3.1 使学生加深了对课程内容的理解:因为对于通信网而言,现网的环境非常复杂,实际运行的系统不允许学生在其上进行修改配置,而且用户产生的呼叫需要经历相当长一段时间才能获得。每当讲到服务质量这部分内容时学生都反映理解起来比较困难。通过OPNET软件,学生能亲自上手配置,对于评价服务质量的各项指标有了更深刻的理解。
3.2 提高学生分析问题解决问题能力:众所周知,由于种种原因,近几年来学生的实践能力训练不同程度有所减弱,毕业应聘时往往达不到用人单位的要求。在“现代通信网”专业课程教学中引入网络仿真可以使学生熟悉各种网络结构及其工作原理,提高了他们分析问题解决问题的能力。
图5 呼叫生成数与呼叫阻塞数以及链路平均服务质量
图6 中继线链路利用率
3.3 节省实验经费:传统的硬件实验需要大量专门的交换设备和测量仪器,投资大,费用高。使用教学版OPNET软件辅助硬件实验,只要有足够的计算机即可,不需要额外投资,这对一般院校来说都有这个条件。
4 结语
在信息类专业课程教学中引入OPNET需要精心安排教学内容和教学时间,需要老师的无私奉献。我们在“现代通信网”课程教学中引入OPNET只是一种尝试,虽然取得一定效果,但还有许多问题需要进一步探讨。比如,如何避免个别学生的抄袭问题?如何解决学时少和内容多的矛盾?对此我们愿与兄弟院校同行共同探讨。
参考文献
[1] 王文博,张金文.OPNET Modeler与网络仿真.人民邮电出版社,2003
[2] 孙屹主编,孟晨编著.OPNET通信仿真开发手册.国防工业出版社,2005
[3] 陈敏.OPNET网络仿真.清华大学出版社,2004
[4] NS2.http://www.isi.edu/nsnam/ns/index.html.
[5] OPNET.http://www.opnet.com/.
[6] 杨武军等编.现代通信网概论.西安电子科技大学出版社,2004