网络仿真技术文献综述

成绩：毕业设计（论文）文献综述第1页共9页网络仿真文献综述摘要: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。网络仿真技术以其独有的方法能够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。由于仿真不是基于数学计算,而是基于统计模型，因此，统计复用的随机性被精确地再现。关键词：网络仿真；统计模型；仿真技术毕业设计（论文）文献综述第2页共9页1.前言目前，数据网络的规划和设计一般采用的是经验、试验及计算等传统的网络设计方法。不过，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、网络流量纷繁交织时，以经验为主的网络设计方法的弊端就越来越显现出来了。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的成分更加突出。数学计算和估算方法对于大型复杂网络的应用往往是非常困难的，得到的结果的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。因此，随着网络的不断扩充，越来越需要一种新的网络规划和设计手段来提高网络设计的客观性和设计结果的可靠性，降低网络建设的投资风险。网络仿真技术正是在这种需求拉动下应运而生的。网络仿真技术以其独有的方法能够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。由于仿真不是基于数学计算,而是基于统计模型，因此，统计复用的随机性被精确地再现。它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。2.网络仿真软件比较分析网络仿真软件通过在计算机上建立一个虚拟的网络平台，来实现真实网络环境的模拟，网络技术开发人员在这个平台上不仅能对网络通信、网络设备、协议、以及网络应用进行设计研究，还能对网络的性能进行分析和评价。另外，仿真软件所提供的仿真运行和结果分析功能使开发人员能快速、直观的得到网络性能参数，为优化设计或做出决策提供更便捷、有效的手段。因此运用网络仿真软件对网络协议、算法等进行仿真已经成为计算机网络通信研究中必不可少的一部分。2.1OPNET仿真软件介绍毕业设计（论文）文献综述第3页共9页Technology公司的OPNET仿真软件能够满足大型复杂网络的仿真需要。2.1.1OPNET具有的突出特点1.提供三层建模机制，最底层为Process模型，以状态机来描述协议；其次为Node模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。2.提供了一个比较齐全的的基本模型库，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备、ISDN设备等等。3.采用离散事件驱动的模拟机理（discreteeventdriven），与时间驱动相比，计算效率得到很大提高。4.采用混合建模机制，把基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来，既可得到非常细节的模拟结果，也大大提高了仿真效率。5.OPNET具有丰富的统计量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。6.提供了和网管系统、流量监测系统的接口，能够方便的利用现有的拓扑和流量数据建立仿真模型，同时还可对仿真结果进行验证。2.1.2OPNET的缺点1.价钱昂贵，OPNET的单使用者授权费超过2万5千美金。价格的因素使得盗版猖獗。2.学习的进入障碍很高，通过专门培训而达到较为熟练程度至少需一个多月的时间。3.仿真网络规模和流量很大时，仿真的效率会降低。目前解决方法：采用分层的建模方法，汇聚网络流量，简化网络模型；背景流量和前景流量相配合；流量比例压缩方法；优化调整仿真参数设计；路由流量的简化；结果分析；如何针对不同的统计参数，选择合适的结果收集和处理方法。来源：（广东省电信科学技术研究院）4.软件所提供的模型库是有限的，因此某些特殊网络设备的建模必须依靠节点和过程层次的编程方能实现。涉及底层编程的网元建模具有较高的技术难度，因为需要对协议和标准及其实现的细节有深入的了解、并掌握网络仿真软件复杂的建模机理。因此，一般需要经过专门培训的专业技术人员才能完成。编程的难度限制了OPNET的普及与推广。此外，建立在OPNET上的仿真平台当前无法脱离OPNET环境，也毕业设计（论文）文献综述第4页共9页是OPNET的一个局限性。5.OPNET对路由协议的仿真比较适合，但是对链路的仿真好想就只能通过Pipelinestage来做。例如有用户试了把pipelinestage中radio的propagationdelaymodel的传输速度（default值是光速）改为声波在海水中的速度1500m/s，但是仿真出来的propagationdelay结果居然没太大的改变。而根据使用经验matlab或者spw就比较合适做链路层的仿真。2.2NS(NETWORKSIMULATOR)简介NS是一个由UCBerkeley开发的用于仿真各种IP网络的为主的优秀的仿真软件。该软件的开发最初是针对基于UNIX系统下的网络设计和仿真而进行的。NS的设计实现了使用两种程序设计语言，C++和Otcl。这两种程序设计语言都是面向对象的。C++程序模块的运行速度非常快，是强制类型的程序设计语言，容易实现精确的，复杂的算法，但是修改和发现，修正bug所花费的时间较长，因为它比较复杂。Otcl是脚本程序编写语言，是无强制类型的，比较简单，容易实现和修改，容易发现的修正bug，虽然它的运行速度和C++的模块相比要慢很多。NS设计的出发点是基于网络仿真，它集成了多种网络协议，业务类型，路由排队管理机制，路由算法。此外，NS还集成了组播业务和应用于局域网仿真有关的部分、MAC层协议。其仿真主要针对路由层，传输层，数据链路层展开，因此NS可以进行对固定，无线，卫星以及混合等多种网络的仿真。但它最适用于TCP层以上的模拟。NS的特点是源代码公开；可扩展性强；速度和效率优势明显。2.2.1NS与OPNET优缺点比较1.OPNET与NS2的关系有点象windows和linux的关系。而它们也分别是在这两个环境下（OPNET在win，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。是优点也是其缺点，如果你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，这是与OPNET相比最大的优势，因此它的普及度较高，是OPNET强有力的竞争对手。毕业设计（论文）文献综述第5页共9页4.NS2界面不如OPNET，虽然功能也很强大，但有很多零散的东西，刚学的时候很麻烦，不容易上手。操作上比较方便，但由于不是同一公司开发的，所以格式上不是很统一，说明手册的条理也不是很好。没有现成的节点什么的你可以自己用C++编，可以按照自己的意图来构造你想要的节点。3.网络仿真一般过程进行仿真之前，首先要对仿真的对象有彻底全面的认识，并对所用仿真软件的编辑运行环境和运用的规范有清楚的了解。之后，有的放矢的选择仿真内容，在内容选择方面要兼顾实现过程中的复杂度和软件提供的功能，这主要考虑到一些仿真软件在某一特定方面提供的支持有限。然后，对仿真的过程进行细致的规划和设计，建立仿真流程框图，定义输入输出。完成前期的规划设计后，就可以在仿真软件提供的编辑器中建立仿真的系统模型，这里包括设计建立网络的拓扑结构，设置网络中各通信实体的属性，编写新的协议、算法或改变已有模型等。另外，为方便结果分析还要设一些统计数据的收集点，这些点在仿真运行过程中可根据用户需要收集数据。最后，在设置完仿真运行时需要的参数后，就可以开始运行仿真了。仿真结束后，收集到的统计结果将通过结果分析器显示给用户。用户根据结果分析器提供分析结果，决定是否对原有计划进行修改。下面，以在OPNET环境下进行路由算法模拟为例具体介绍网络的仿真过程。在OPNET中网络模拟仿真的过程主要分为，网络模型的建立和配置、仿真的运行和结果分析三个阶段。针对每个阶段OPNET都提供了相应的编辑工具。3.1网络模型的建立和配置OPNET使用网络编辑器(NetworkEditor)、节点编辑器(NodeEditor)和进程编辑器(Pro2cessEditor)建立仿真模型。这三者以层次化的方式组合而成。仿真开始，首先要在网络编辑器中建立系统的仿真环境和网络拓扑结构，网络模型的建立可以选用OPNET中提供的各种网络拓扑，也可以根据需要选择或创建的网络设备和拓扑结构，然后定义网络中各通信实体，包括源节点、路由器、目的节点和通信线路等，并分别设置它们的属性，如源节点simplesource模块以间隔为1秒的速度产生数据。模型建立好之后要测试各节点的连接状况，以确定网络是毕业设计（论文）文献综述第6页共9页否通畅。网络结构建立完成后通过双击网络中的某个节点进入该节点的编辑界面，利用节点编辑器提供的处理机模块、排队模块、发送建模等建立起节点内的功能模块和模块间的数据流，在我们的路由算法仿真中要分别为源节点、目的节点和路由器建立不同的功能模块。其中，源节点由数据流产生、发送模块组成；目的节点由接收模块和处理模块组成，分别完成数据流的接收和统计数据的收集、处理工作；路由器由发送、接收模块以及中央处理模块组成，中央处理模块主要实现路由选择以及数据流的转发等功能。网络节点内各功能需要通过在进程编辑器中进行状态描述和编程实现各自的功能。以路由器中中央处理模块的功能实现为例，在模块上双击进入进程编辑界面后，要创建若干状态，并且定义状态间的控制流。所有的状态中都使用C，C++语言实现算法的描述。最后，通过点击工具栏中的图标完成代码的编译，编译通过后就可以在网络中执行仿真了。新协议和算法的编写可以参照OPNET提供的一些常用协议的模型和原代码，如ATM、TCPIP、Frame、Relay、OSPF、RIP等。本例中进行两种算法的比较是将同一网络模型的脚本(Scenatios)多次复制,再利用脚本转换将不同的算法加入各自的脚本中。3.2仿真的运行在运行仿真之前，先使用探针编辑器(ProbeEditor)设置一些探针到需要采集统计数据的点上，以便在最后的结果分析中使用。另外，还要设置运行参数，如运行时间、路由表的导入导出等。OPNET的高效仿真引擎和内存管理系统大大提高了仿真的运行速度。仿真运行过程中还可利用OPNET提供的交互式调试工具，随时中断正在运行的仿真程序。本例中探针设置在路由器、目的节点等的处理模块上，用于统计节点的吞吐量、比特率、阻塞率等，仿真运行的时间设为200秒数据采集点为128个。3.3结果分析仿真运行结束后，利用OPNET提供的结果分析器将仿真运行中收集到的统计结果以参数曲线的形式表现出来。在结果图中加入其它算法的仿真结果就可以完成毕业设计（论文）文献综述第7页共9页不同算法间结果的比较，这为进一步的算法分析和优化提供了有力的依据。4.网络仿真技术分析4.1网络仿真的特点分析首先，网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真技术能够迅速地建立起现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真，这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能。其次，网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案，它们往往是各有优缺点，仅凭主观判断，很难作出正确的选择，因此如何进行科学的比较和取舍往往是