基于OPNET的网络仿真——办公楼网络

目录

1 绪论

2 关键技术

2.1 网络仿真技术

2.2 OPNET仿真流程

3 办公楼网络需求分析

3.1 性能评价指标

3.2 主要拓扑类型

3.3 关键设备

4 网络规划建模及仿真分析

4.1 原有网络建模

4.1.1拓扑结构

4.1.2 服务配置

4.1.3 仿真分析

4.2 扩展网络建模

4.2.1 拓扑结构

4.2.2 服务规划

4.2.3 仿真分析

4.3 分析总结

5 小结

参考文献

OPNET仿真网络规划设计课设说明书

1 绪论

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，仿真方法提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，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。随着网络技术的层出不穷，新的应用逐步普及，各单位的业务需求逐步增长，其对信息化的需求与日俱增，网络性能因此受到相应的影响，因此，，对网络进行改造是势在必行。

经过规划设计出来的网络，不能保证其可行性，导致网络应用性能降低的因素是多方面的，而网络测试正是一种可以有效提高网络系统及运行质量的方法，在测试的基础上，建立网络行为模型，并用模拟仿真的方法建立理论到实际的桥梁，是了解网络性能的有效方法。

本文以OPNET仿真软件为平台，对办公楼网络进行仿真分析，介绍校园网网络设计技术，涉及硬件、拓扑结构、主要性能指标、业务需求等，利用OPNET 对原有网络进行了建模并运行仿真，分析仿真结果，增加结点，再进行仿真、分析。通过对仿真结果的分析，根据分析结果提出对网络改造方案，再次应用网络仿真软件测试改造后交换机的数据，判断改造后的网络性能是否优于原有网络。

2 原理分析

2.1 网络仿真技术

网络仿真技术是一种通过建立网络设备、链路和协议模型，并模拟网络流量的运输，从而获取网络设计和优化所需要的网络性能数据的仿真技术。网络模型不仅可以在实施之前预测拓扑和设备规划，还有助于在网络的运行中保持其有效性。网络仿真也被称为网络模拟，就是用计算机程序对通信网络进行模型化，通过程序的运行模仿通信网络的运行过程。因为对各种网络仿真过程来说，其中也

有“模拟”的含义，即，网络仿真既可以取代真实的应用环境得出可靠的运行结果和数据，也可以模仿一个系统运行过程中的某些行为和特性。网络仿真提供了一个方便、高效的验证和分析方法，所以网络仿真技术在现代通信网络设计和研究中的作用正变得越来越大。

2.2 OPNET仿真流程

利用OPNET仿真，一般遵循以下工作流程：

1、定义目标问题：明确和规范化网络仿真所要研究的问题和目标，提出明

确的网络仿真描述性能参数。如网络通信吞吐量、链路利用率、设备利用率、端到端延迟、丢包率、队列长度等。

2、建立仿真模型：根据研究的问题和目标，建立所需的网络、进程或协议

模型（包括网络拓扑、协议类型、包格式等），配置相关业务。

3、收集统计数据：收集要用于仿真模型实现和验证的相关统计数据。如网

络流量、端到端延迟、丢包率等。

4、运行仿真：利用仿真工具进行仿真实验，以得到所需要的数据。

5、查看并分析结果：查看结果并利用相关分析工具和数学知识对仿真结果

进行统计分析。

6、调试再仿真：分析仿真数据，找出网络的性能瓶颈，然后通过修改拓扑、

更新设备、调整业务量、修改协议等方法得到新的仿真场景，再次运行仿真。

7、生成仿真报告：生成网络仿真的研究报告。

图1 OPNET仿真流程

3 办公楼网络分析

3.1 性能评价指标

（1）响应时间

响应时间是反映网络性能的重要指标之一，它是指客户机从对服务器提出请求开始到收到响应所需要的时间，常用于评价交互式终端从一个主机请求信息的情况，这是一个应用层的指标。

（2）网络延迟

网络延迟是指将数据从一端发送到另一端的时间，是一个广泛使用的性能指标。延迟时间的大小影响应用程序在网络上的运行效率的高低，对于那些对时间敏感的应用程序而言其影响更大。

网络延迟的确定常测量往返时间，即一个数据包自客户机到服务器间往返所需的时间间隔，它不是固定不变的，而是随着网络状态变化而变化。在服务器端，如果服务器闲，则响应快，忙则响应慢：在网络设备上，如果网络路径无拥塞，

则在路由器上排队时间短，否则时间延长；在网络传输中，由链路故障引起的路由变化也可能导致数据包往返路径不一致，从而影响传输时间。

（3）吞吐量

网络的吞吐量是衡量网络性能的一个重要参数，指单位时间内传输的无差错的数据量，通常以bps(位/秒)、Bps(字节/秒)或pps(包/秒)表示。

（4）资源利用率

资源利用率是指网络资源的有效工作时间占整个时间的百分比。它是网络资源使用频度的动态度量，也是衡量网络性能价格比的关键参数。资源利用率包括各种网络部件的利用率：如信道利用率、内存利用率、CPU利用率、网络利用率等。分析各个部分的利用率就可以知道网络中的瓶颈在哪里。另外，资源利用率也是预测网络性能变化的最有效途径，从经验来看，CPU利用率最好在30%-40%，超过这个界限，网络性能会急剧下降，而网络利用率大约为30%-70%时，可保证有突发业务时仍有足够的带宽可用。

3.2 主要拓扑类型

现在的办公网络多使用星型或树型的拓扑结构，总线局域网已基本被星型所代替。

（1）星型拓扑结构

星型拓扑是由中央结点为中心与各结点连接组成的，多结点与中央结点通过点到点的方式连接。它的优点是：网络结构简单，便于管理；控制简单，建网容易；网络延迟时间较短，误码率较低。缺点是：网络共享能力较差；通信线路利用率不高；中央结点负荷太重；网络可靠性低。

（2）树型拓扑结构

树型网络是将多级星形网络按层次方式排列得到的网络，它的特点是结构简单，成本低；每个链路都支持双向传输；结点扩充方便灵活；除叶结点及其相连的链路外，任何一个结点或链路产生的故障都会影响整个网络。

3.3 关键设备

（1）交换机

交换机是基于硬件的设备，它工作在数据链路层，交换机每个端口所有桥接功能，它能够在任意一对端口间转发帧，每一个端口属于一个冲突域，按照CSMA/CD协议工作，交换机中的电路可以把任意端口的网段与别的端口的网段在数据链路层上连接起来。交换机可以连接不同的局域网和局域网网段，并划分局域网的冲突域为多个，使每个端口连接的每个网段为一个冲突域，从而使每个网段之间获得更大的带宽，比传统使用集线器的共享式网络有更高的效率。

在进行数据帧的转发时，交换机基于MAC地址识别的发送者和接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。交换机根据每一个数据包中的目的MAC地址作简单的转发，转发决策并不需要判断数据包深层的其它信息。具体原理如图4.1所示:

图2 交换机工作原理

（2）路由器

路由器是实现异种网络连接的互连设备，工作在OSI的第三层。路由器是用于连接多个逻辑上分开的网络，对用户提供最佳的通信路径。路由器在转发分组时，依据的是网络层分组头部的路由信息。路由器利用路由表为数据传输选择路径，路由表包含网络地址以及各地址之间距离的清单，路由器利用路由表查找数据包从当前位置到目的地址的正确路径。路由器可进行数据格式的转换，成为不同协议之间网络互连的必要设备。路由器是网络中进行网间连接的关键设备。

路由器的工作流程如下图:

图3 路由器工作流程

4 网络规划建模及仿真分析

4.1 原有网络建模

4.1.1拓扑结构

以核心交换机为中心，用1000BaseX链路连接各个局域网及服务器组，各个局域网图标分别为一楼一分部、一楼二分部和服务器组。其拓扑结构如图4所示：

图4 原有网络拓扑图

其中服务器组局域网的拓扑如图5所示：

图5 服务器组局域网拓扑图

以一楼一分部网络拓扑为例，其它局域网拓扑结构一样，如图6所示：

图6 一楼一分部局域网拓扑图

4.1.2 服务配置

首先在服务器局域网中，对三个服务器分别命名为file server、web server、database，为第个服务器支持的服务进行配置，使其提供上网、电子邮件、远程登陆、数据库、文件传输、打印的服务。

回到主拓扑，从对象面板中拖入一个业务配置器，和一个主询配置器。为主询配置器配置六个业务主询，分别对应各个局域网所需求的业务，再分别进入各个局域网，为局域网中的主机配置应用到的业务主询。其各个局域网的节点数及需求业务如下表：

表1 各个局域网需求表

其各个局域网的服务配置如图7：

图7 局域网服务配置图

4.1.3 仿真分析

对原有网络进行建模及业务配置完之后，就要对仿真过程中所需要的参数进行提取，以对仿真结果进行分析。要进行考察的参数有网络延迟、链路使用率、页面响应时间、核心交换机CPU利用率。如图8所示：

图8 收集仿真参数

对参数收集配置后，按按钮运行仿真，设置运行时间为30分钟。查看其中的网络延迟参数，如图9：

图9 网络延迟参数

从图中可以看出，一开始网络延迟奕化比较大，这是由于所有工作站点开始工作时还未稳定造成的，经过100多秒的不稳定后，网络延迟变化逐渐趋于稳定，网络延迟保持在0.00070秒左右，即小于1毫秒，处于毫秒级。页面响应时间如图10：

图10 HTTP应用的平均页面响应时间

这里可以看到，HTTP应用的平均页面响应时间处在0.016秒水平，即十毫秒级。线路链路利用率的参数如图11：

图11 链路利用率

这里可以看到，一楼分部到核心交换机链路的利用率比服务器的链路低，这是由于服务器接受来自所有主机的服务请求，同样也出现和上面对应的小尖峰。服务器负载如图12：

图12 服务器负载

由图可见，数据库和文件服务器的负载都较低，网络服务器负载最高，说明上网业务的需求最大。

4.2 扩展网络建模

5.2.1 拓扑结构

以前的网络有三个局域网，60个信息点，现在对原有网络进行改进，增加

一个有40个信息点的局域网和一台路由器，所有与核心交换机和路由器连接的链路改为1000BaseX光纤，所有服务器与二级交换机的链路也改为1000BaseX，改进后的网络拓扑如图12：

图13 扩展网络拓扑图

4.2.2 服务规划

为新增的局域网提供两个业务，即上网和电子邮件。

4.2.3 仿真分析

重新运行仿真，改进后的网络延迟如图14：

图14 改进后网络延迟

从图可见，网络延迟保持在0.00020秒左右，比之前降低了很多。再看页面响应时间如图15：

图15 改进后页面响应时间

可以看到HTTP应用页面响应时间也比之前降低了一点，约为0.012秒。线路链路利用率的参数如图16：

图16 改进后链路利用率

可以看出这时链路的利用率比之前高了，说明修改链路后，其使用效率提高了，使整个网络运行性能都提高了。各服务器负载如下图17：

图17 改进后各服务器负载

从图可见，文件和数据库服务器的负载无明显增加，网络服务器负载增加了一点，网络流量和链路利用率增加了，网络延迟和页面相应时间反而降低，说明增加节点和业务后，由于采用了光纤网络和路由器，网络运行性能提高。

4.3 分析总结

本章对办公楼网络进行了建模，根据每个功能单位进行划分局域网，中间以一台核心交换机进行连接，这时由于网络节点比较少和业务简单，网络延迟小，网络速度快。由于节点和业务的增加，网络再现延迟增加及响应时间增加，，需要对网络进行升级改造，由仿真结果可以知道，网络延迟主要是由于功能单位到核心交换机的链路负荷太重，以及服务器到核心交换机之间的链路形成瓶颈，吧原有网络某些链路升级为光纤，中间增加一个核心交换机和路由器之后，网络延迟及其它主要性能指标回到正常水平，说明这个改造方案是可行的，网络仿真起到了发现问题，解决问题的作用。

5 小结

本文应用网络仿真技术，利用OPNET网络仿真软件，对某工业大学网络拓扑，业务需求进行了模拟，仿真，在原网络仿真结果基础上，再对其进行增加节点，再次进行仿真后，发现了网络出现延迟及响应时间增加的问题，影响到正常上网业务，对网络进行改造后，其网络各项性能满期足了要求，说明改造方案起到了实效。

由于时间不足和本人水平有限，本文也存在很多不足及可以改进的地方。比如：在校园网中上网业务较多，这些业务传输数据量大、带宽要求高、实时性强、如果能采用组播技术传输，可以有效避免广播风暴，减轻网络负担，提高网络性能，但限于本人水平，本文没有涉及到该技术；无线局域网技术也是近年来的一个研究热点，许多校园网也都采用了无线传输技术，但本文也没有涉及到无线技术。

参考文献

[1]王玉兰．基于OPNET的校园网性能分析与设计:[硕士学位论文] ．山东师范

大学，2008．

[2]陈敏．OPNET网络仿真．北京:清华大学出版社．2003-2．

[3]王群，王琳琳．局域网一点通．人民同电出版社．2003-6．

[4]Wumnava，Crosby，Kapasi，Adaptive network modeling scheme，SoutheastCon

2001．Proceedings．IEEE．

[5]Xingjie Chang．Network simulations with OPNET．Simulation Conference

Proceedings．1999．