期中答辩

基于opent的网络规划和性能分析

1 引言

目前，数据网络的规划和设计一般采用的是经验、试验及计算机等传统的网络设计方法，其中，经验法最为简单易行，不过其成效在很大程度上依赖于规划设计者就具有的网络设计经验，其设计结果中的主观成分比较突出。当网络规模较小、网络拓扑结构比较简单、网络流量不大的时候，一经验为主、辅助以试验和数学计算等手段进行网络规划和设计还是可行的。当网络规模越来越大、网元类型不断增多、网络拓扑日趋复杂、网络流量纷繁交织是，以经验为主的网络设计方法的弊端就越来越显现出来了。首先，网络规划设计者相对来说缺乏大型网络的设计经验，因此在设计过程中主观成分更加突出；第二，一般情况下，不能能在网络设计阶段开展与似建网络规模可比的网络试验来获得设计所需要的依据，小规模的试验是可行的，但是其试验结果收到规模的限制，不能充分满足规划设计的需要；第三，数学计算和估算的方法对于大型复杂网络的应用往往是非常困难的，得到的结果可信性也是比较低的，特别是对于包交换、统计复用的数据网络，情况更是如此。

随着学校教学和学生网上应用的增长，要规划和设计一个性能完善的校园网络，光靠理论计算或凭个人的组网经验是无法完成的。如果在真实的网络环境中进行性能研究、网络规划、设计和开发、不仅耗资大，而且在统计数据的收集和分析上也有一定的困难。在实际工作中，往往通过网络仿真软件来模拟和估算其性能，通过模拟和仿真来调整一些网络参数以达到最佳使用效果。

网络仿真技术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。数学建模包括网络建模（网络设备、通信链路等）和流量建模两个部分。

模拟网络行为时指模拟网络流量在实际网络中传输、交换和服用的过程。网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等，

由此既可以获取某些业务层的统计数据，也可以得到协议内部某些特殊的参数的统计结果。仿真软件所提供的仿真运行和结果分析能使开发人员快速、直观的得到网络性能参数，为优化设计或作出决策提供更快捷、有效的手段。

为此利用OPNET网络仿真软件对校园网进行仿真，针对校园网络中主交换机的性能情况作为主要切入点，通过对仿真结果的分析，来判断校园中原来的交换机是否可以满足新要求，从而对其提出改造方案。

针对校园网的主要情况出发，其主要业务有：Ftp、HTTP、Email、视频等。利用各个工

作点通过主交换机对服务器进行业务访问来测试交换机的能力，分析结果并从中提出改进方案以实现设备和新网络业务配套的问题。

2技术支持

2.1理论技术

网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。

网络仿真的技术的特点：

全新的模拟试验机理，使其具有在高度复杂的网络环境下

3主流网络仿真软件的介绍和对比

3.1 NS2和OPNET的介绍

3.1.1 NS2

NS2产生于1989年，有REAL网络仿真器发展而来，它是一种开放源代码的网络仿真软件，采用离散事件驱动机理的仿真平台。NS2开始只是应用于有线网络，后来卡耐基梅隆大学的Monarch项目组改进了NS2，让其可以用于MANET和无线局域网。NS2的内核源码是用C语言来完成的，并通过OTCL语言编写仿真配置和脚本。模拟器可以实现两方面的工作：具体协议的模拟和实现:短时间内快速地开发和模拟出所需要的网络环境，并能方便地修改、发现、修复程序中的BUG。在NS2中，应用一个新协议主要是通过添加用C++语言编写的协议函数和用OTCL 编写的配置文件，然后用OTCL script来实现协议。由于使用了两种变成语言，使得对NS2的学习显得困难一些，其工作也是有一定难度的。

NS2的缺点在于：相对于不断更新的仿真器，提供的文档显得过时，而且帮助有限；其次，由于仿真器本身的不断升级，不同版本中的模块的兼容性问题也很突出；另外，仿真没有配置网络环境并对仿真结果的数据进行图形化的分析工具；最后，当仿真节点很多时（几百到几千个），NS2就需要更多的内存资源，使得运行速度明显变慢。

3.1.2 OPNET

OPNET是美国OPNET Technologies Ins 公司的商业软件。它采用基于包的建模

机制（Simulationon Packet Level）和离散事件驱动的模拟机理（Discrete Event Driven）,提供各种目的的研究工具，包括模拟设计、

仿真、数据收集和数据分析。

OPNET强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术，除了能够模拟通信模型外，OPNET的无线建模器还可以用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时，OPNET在心网络的设计以及对现有网络的分析方面都有卓越表现。它为通信协议和路由算法的研究提供与真实网络相同的环境。此外，功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效又直观的工具。OPNET的Modeler是专门用于可视化原型设计的软件，它的使用既方便了网络模型的建立，又减少了编程的工作量。

OPNET的特点：（1）层次化得网络模型。使用无线嵌套的子网管理复杂的网络拓

扑。

（2）面向对象的建模方式。节点和协议可以通过在被建模时采

用特定行为和相似功能的类。

（3）清晰简单的建模方法。在＂在处理器层次＂模拟单独对象

的行为，在＂节点层次＂将其相互连接成设备,在＂网络层

次＂用链路将这些设备连接成网络．不同的网络场景组成＂

项目＂以比较不同设计。

（4）有限状态机模拟。在过程层次中使用有限状态机来对协议

和过程进行建模，用户可以使用C/C++语言来控制有限状

态机的逻辑状态和转移细节。

（5）全面支持协议编程。超过1000个仿真库可以轻松创建协议

模型。

（6）无线、点对点和多点连接。链路连接行为是开放和可编程

的。准确的延时统计、可用性、位错误、吞吐量特性和自

定义的链路都可以通过编程进行修改。

（7）高级仿真平台。以高度优化连续性、完全平行的离散时间

分解仿真过程。

（8）集成的调试器。快速地验证仿真或发现仿真中存在的问题，

即可使用自带的调试工具——OPNET Debugger ,也可在

Windows下和编程语言VC进行联合调试。

3.2 NS2和OPNET的比较

目前在科学研究中用得最多的NS2和OPNET两个仿真软件，下面对他们进行对比。

（1）OPNET与NS2的关系有点像Windows和Linux的关系，它们分别是在这两个环境下（OPNET在Windows，NS2在Linux）安装使用最匹配。

（2）OPNET是商业软件，所以界面非常好。功能上很强大，界面错落有致，统一严格。

操作也很方便，对节点的修改主要就是对其属性的修改。是优点也是缺点，如果需

要特殊的节点或很适合自己的节点就不如NS2方便。同时，由于是商业软件所以版

本推出不如NS2快。

（3）NS2是自由软件，免费，这是OPNET相比最大的优势，因此它的普及度比较高，是

OPNET 强有力的竞争对手。

（4） NS2界面不如OPNET ，虽然功能也很强大，但比较零散，初学不容易上手。OPNET

操作上比较方便，但由于不是同一公司开发，格式上不统一。

（5） 3 分析校园网

4实例分析

4.1中国矿业大学（徐州）文昌校区校园网络

该校园网络实际采用多级星形拓扑结构，从核心交换到数据中心和各个教学中心的汇聚交换上都采用了两对光纤，并利用Spanning Tree Protocol （生成树协议）构成链路上的冗余。此设计中不足在于只有一台核心交换，造成对核心交换的依赖，一旦出现意外故障，将导致整个校园网的中断，如图1所示：

4.2 校园网的特点

从上面得例子我们可以看到，校园网不仅是一个满足数字、语音、图形图像等多媒体信息，以及综合科研信息传输和处理需要的综合数字网，还要能符合多种网络协议，体系结构符合国际标准（如TCP/IP ），同时能兼容已有的网络环境。其特点有：

（1） 网络负荷大、数据类型多：网络教学的视频点播，软件及资料下载，BT 等点对点技

术的大量应用，以及OA 、MIS 等各种要求一定响应速度的数据服务，使网络带宽的利用率很高，并且要能保证很高的服务质量。

图书馆DDN 主楼计算中心办公楼Cisco2511邮件

服务器

Cisco4500Catalyst1200Catalyst1200

Catalyst1200Catalyst5000

FDDI

Concentrator

WS-C1400

Cisco4500Internet

&CERNET

个人用户科研楼教二楼

教四楼出版社选矿楼成教学院

测试中心

教五楼

教三楼

教一楼

网络管理服务器文件服务器

网络应用

1.网络视频会议

2.中文和多媒体邮件

3.教育管理信息系统

4.音频通信

5.电子新闻和电子论坛

6.无纸公文

7.校内新闻和公告牌K650/30

图书自动化系统

（2）管理和维护工作量大：校园网建成，在教学、办公和学生区得网络利用率都会不断提升，瓶颈问题将凸现，尤其还容易出现IP地址盗用等管理难题，维护任务将十分艰巨。

安全问题突出“在校园网内核公共网络中将可能传输相当重要的信息或数据。而

黑客、木马、病毒等危险因素也时时在校园网中，或造成重要数据的窃取；或造成病毒泛滥堵塞网络。另外，在学生中处于学习和好奇的心理，还容易出现扫描、探测等行为，需要建立一系列安全防范措施，以保证网络安全。

因此，校园网的规划设计要满足一下几个方面：

（1）可靠性。网络必须能保证长期稳定连续的运行，需要有骨干线路的冗余备份、核心设备的冗余备份和电源冗余等。确保在发生网路故障后能迅速恢复。否则所带来的后果不仅是教学时间上的损失，可能还会影响学院的声誉和形象。

（2）先进性。技术上的先进性将保证出力数据的高效率、系统工作的灵活性、网络的可靠性，同时也使系统的扩充的维护变得十分简单。支持限速转发，具备高密度的千兆或万兆端口，硬件实现ACL、Qos、组播等功能。

（3）开放性和可扩展性。包括背板带宽、交换容量、转发能力、管理软件和网络整体结构，以及技术的开放性和对相关协议的支持等方面，来保证未来3～5年得发展需要。（4）课管理性。具备拓扑发现，网络管理基于SNMP，并支持RMON和RMON2，以及标准的MIB。利用图形的管理界面和简洁的操作方式。

（5）安全性。严格控制内部网络、内部网络与外部网络之间的互联，通过VLAN划分及三层交换策略、防火墙实现对访问资源的控制，利用网络版反病毒软件进行统一的病毒检测和查杀。

5原有网络仿真设计

我将使用OPNET Modler创建一个符合一般特点的校园网络，收集反应网络性能的统计结果，运行仿真，并分心这些结果解决网络中存在的问题。

5.1OPNET网络仿真流程

结合学校具体网络结构，具体仿真流程如下：

（1）收集网络工程项目所需要的文档包括：网络拓扑结构、网络设备、网络协议标准、网络链路、网络应用以及流程特征。

（2）利用一个设备的多种版本和设计文档建立网元模型。

（3）利用网元模型和手工建立的新网络建立网络模型。

（4）设置前景流量和网络模型建立网络流量模型。

（5）通过选择仿真参数完成仿真设计与计算机。

（6）根据仿真结果对系统进行分析，提出解决问题的方案。

具体流程图如下：

量模型

5.2需求是规划的基础

按照功能，整个校园网被划分成为办公网、教学网和宿舍网三大部分，每一部分又被划分到一个或几个虚拟网中。办公网包含了行政以及各系办公室信息点；教学网由教学楼、电子图书馆、多媒体教室、实验机房等组成；宿舍网占据了网络信息点的相当一部分，覆盖全校每间学生宿舍，按寝室大小布置两置五个信息点。考虑到技术的发展和技术的可行性，结合设备的性能特点和应用优势，通过对校园网网络整体结构的分析，将整个校园网划分成3个层次：校园网核心层、楼栋汇聚层、楼栋接入层。再通过对FTP、HTTP和MAIL这三种较为常见的服务的流量进行仿真，观察链路上的负载和各设备的吞吐能力，得出本次网络规划是否可行依据。初次设计拓扑图如下图2所示：

5.3设计并建立拓扑

这次仿真将忽略各工作组及接入计算机的细节，使用相同的工作组模型作为最终接入端。仿真的注意力主要集中在流量在通过各层时的影响和吞吐能力。

首先在OPNET上创建一个新的项目和一个新的场景，在向导中设置网络拓扑类型为校园网，添加所有对象模型。通过对象模板中的节点和链路模型创建如图3所示拓扑，四个子网区域分别为核心区（Core），2个学生区（StuArea1，StuArea2）和教学行政区（Teaching&Office）。在核心区子网，核心交换机作为整个校园网的“心脏”，直接决定了整个园区网络的性能和功能水平。如图4所示，使用Cisco6506作为核心交换机，不仅具有每秒数亿个数据包处理能力，还借助冗余路由与转发引擎只加你的故障切换功能提高网络正常运行时间。再分别使用标准服务器模型，Unix服务器和WINNT服务器做邮件、WEB和FTP服务，在属性中分别设为Heavy负载。各个服务器与核心交换机之间使用百兆线路直接连接。

在进入学生区子网，创建以Cisco4006为汇聚层，Cisco3550为接入层得拓扑，之间采用千兆线路。各接入层下分别用百兆线路连接100个客户端和200个客户端的工作模型。

一般情况下，办公区和教学区流量远小于学生区得流量，且分散在各个教学楼中，不如学生区集中。本次仿真主要观察的是流量特性，故仅使用Cisco3550直接做接入层上连核心交换机，并使用有限的几个局域网，如图所示：

建立完所有拓扑和连接，使用Verify Links工具进行链路连通性检查。

5.4设置各个模型属性

编辑应用定义（Application Definition）属性为默认；业务规格定义（Profile Definition）设置为同时并发FTP、HTTP和Mail三种业务，如图所示：

选中14个千兆链路，定义其背景流量（Background Load），如图所示

最后再定义各局域网业务，使各局域网模型能运行在最前面Profiles中设置的3个业务，如图所示：

5.5设置收集统计量

根据不同的用途，可以对网络的多种参数进行测量，包括延时、丢包率、链路的容量和带宽、流量、连接的平均时间、网络拓扑等等。在OPNET中使用Probe Model探针模型来收集统计量，并自动从进程模块中衍生出需要被统计的节点状态（Node Statistical）名称，所以这里勾选以下的统计功能键。

在三个服务器模型上选择IP Interface、Server和TCP三个统计量；

在Cisco6505和Cisco4006上分别选择CPU和IP Interface两个统计量；

在局域网模型上选择Client、IP Interface、LAN、TCP、TCP Connection共五个统计量；

最后还有全局统计量，选择EMAIL、FTP、HTTP、Ethernet、IP、TCP、throughput、utilization 共8个统计量。

6运行并调试仿真

6.1运行仿真

至此仿真设计部分就全部完成，保存仿真项目。接下来就要运行仿真。打开仿真软件运行配置（Configure/Run Discrete Event Simulation）.仿真运行时间Duration设置为2000秒；仿真随即种子数seed反应的是仿真随机过程的状态，这里设置为500，其他参数默认，开始运行仿真。

6.2查看结果

仿真经历近1小时的运行，完成后查看仿真结果。如图所示

整个以太网的演示在初期随着流量增长而迅速上升，并迅速趋于稳定；TCP的延时在整个网络趋于稳定后，也成指数平稳下降。

6.3复制场景并修改网络设计

6.4比较结果

7结论

本文研究描述了一种科学的网络规划设计方法，探讨了OPNET仿真技术，并利用OPNET Modeler完成了校园网的规划。通过运行仿真，修改了网络设计，以实现网络规划可行性的科学的分析和比较