【正文】 進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)評(píng)估[17]。為此利用OPNTE網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)校園網(wǎng)進(jìn)行仿真，以傳統(tǒng)大學(xué)校園網(wǎng)結(jié)構(gòu)為依托，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中主交換機(jī)的性能情況作為研究校園網(wǎng)的切入點(diǎn)，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，根據(jù)分析結(jié)果提出對(duì)網(wǎng)絡(luò)改造方案，再次應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件測(cè)試改造后交換機(jī)的數(shù)據(jù)，判斷改造后的網(wǎng)絡(luò)性能是否優(yōu)于原有網(wǎng)絡(luò)。在國外，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)有十多年的歷史。以前主要用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開發(fā)和研究，使用者大都是大學(xué)和研究所的研究人員和開發(fā)人員，近年來網(wǎng)絡(luò)仿真軟件生產(chǎn)商紛紛把應(yīng)用和開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)方面，將用戶由原來的研究開發(fā)人員轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)人員。另一方面網(wǎng)絡(luò)仿真規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件的使用和操作相當(dāng)復(fù)雜，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到一般網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員經(jīng)過短時(shí)間的培訓(xùn)就能熟練使用的目標(biāo)，因此國外網(wǎng)絡(luò)仿真軟件廠家正致力于簡化軟件操作界面和操作流程，強(qiáng)化軟件的項(xiàng)目應(yīng)用能力，特別是加強(qiáng)了與網(wǎng)絡(luò)管理軟件廠商的合作，開發(fā)與網(wǎng)管軟件的接口，使得網(wǎng)絡(luò)模型的建立逐步自動(dòng)化，加快網(wǎng)絡(luò)建模的速度[2]。我國的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的研究從1999年起步，這主要有兩個(gè)原因，一個(gè)是我國數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展較晚，對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的需求相對(duì)不是十分迫切。另一個(gè)原因是主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件基本上產(chǎn)自美國，而其高端產(chǎn)品在1998年以前一直是對(duì)包括中國在內(nèi)的社會(huì)主義國家禁運(yùn)。自1998年以來，由于我國數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展的拉動(dòng)和美國解除高端網(wǎng)絡(luò)仿真軟件出口限制的刺激，我國的網(wǎng)絡(luò)仿真研究和應(yīng)用逐步起步。1997年，CERNET網(wǎng)絡(luò)中心開始開發(fā)自己的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。1998年，北京郵電大學(xué)、廣東省郵電科學(xué)技術(shù)研究院、原電子部電科院、郵電部規(guī)劃設(shè)計(jì)院等單位先后引進(jìn)了先進(jìn)的OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，開展網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用等方面的研究工作[8]。 本文以O(shè)PNET仿真軟件為平臺(tái)，介紹校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)，涉及硬件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主要性能指標(biāo)、業(yè)務(wù)需求等，對(duì)現(xiàn)有校園網(wǎng)從增加節(jié)點(diǎn)和增設(shè)業(yè)務(wù)等方面進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)性能仿真分析，利用OPNET對(duì)校園網(wǎng)進(jìn)行了建模并運(yùn)行仿真，分析仿真結(jié)果，增加應(yīng)用業(yè)務(wù)及結(jié)點(diǎn)，再進(jìn)行仿真、分析。全文分為五章，章節(jié)安排如下：第一章是緒論，概述了本論文研究的背景及其意義，介紹了國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與水平以及教育信息化和校園網(wǎng)的建設(shè)的使用情況。 第二章是仿真軟件OPNET，探討了仿真技術(shù)理論，對(duì)OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行了研究，主要介紹了OPNET軟件的三層建模機(jī)制以及OPNET仿真工作流程。第三章是校園網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要介紹了常用的網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及這些指標(biāo)的分析方法以及可能影響這些指標(biāo)的因素。第四章是校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，主要介紹了校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要拓?fù)漕愋?，用到的關(guān)鍵設(shè)備以及主要技術(shù)。第五章是校園網(wǎng)建模及仿真分析，通過需求分析，網(wǎng)絡(luò)建模，業(yè)務(wù)配置完成校園網(wǎng)的建模，運(yùn)行仿真并分析數(shù)據(jù)。對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增加節(jié)點(diǎn)后，在運(yùn)行仿真并分析數(shù)據(jù)，通過兩次對(duì)比，找出影響校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能的因素。第二章 仿真軟件OPNET OPNET仿真平臺(tái)簡介 OPNET最早是在1986年由麻省理工大學(xué)的兩個(gè)博士創(chuàng)建的，并發(fā)現(xiàn)其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)模擬非常的有用，因此于1987年建立了商業(yè)化的OPNET。目前共有大概5000個(gè)OPNET用戶，包括企業(yè)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，儀器配備廠商以及軍事，教育，銀行，保險(xiǎn)等領(lǐng)域。成千上萬的組織使用OPNET軟件來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、最大限度地提高通信網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可用性。它的產(chǎn)品線除了Modeler外，還包括IT Guru、SP Guru、OPNET Development Kit 和WDM Guru等[10]。在OPNET的各種產(chǎn)品中，Modeler幾乎包含了其他所有產(chǎn)品的功能，針對(duì)不同的領(lǐng)域它表現(xiàn)出不同的用途：（1）對(duì)于企業(yè)網(wǎng)的模擬。Modeler調(diào)用已經(jīng)建好的標(biāo)準(zhǔn)模擬組網(wǎng)，在某些業(yè)務(wù)達(dá)不到服務(wù)質(zhì)量的時(shí)候，Modeler捕捉重要的流量進(jìn)行分析，從業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器三方面找出瓶頸。（2）對(duì)于運(yùn)營商（ISP）網(wǎng)的模擬。Modeler焦點(diǎn)放在整個(gè)業(yè)務(wù)層流量的模擬，使運(yùn)營商有效的查處業(yè)務(wù)配置中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。（3）針對(duì)研發(fā)的需求，Modeler提供了一個(gè)開放的環(huán)境，使用戶能夠建立新的協(xié)議和配置，并且能夠?qū)⒓?xì)節(jié)定義并模擬出來[7]。OPNET支持面向?qū)ο蟮慕７绞剑⑻峁﹫D形化的編輯界面，更便于用戶使用；采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理，使計(jì)算效率得到了很大提高；將基于包的分析方法和基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)建模方法結(jié)合起來，大大加快了仿真效率，而且可以得到非常細(xì)節(jié)化的模擬結(jié)果；在物件拼盤中，包含了詳盡的模型庫，包括：路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、客戶機(jī)、ATM設(shè)備、DSL設(shè)備等，還有其它廠商提供的配備，隨著OPNET版本的提高模型庫也不斷增加。此外，功能完善的結(jié)果分析器為網(wǎng)絡(luò)性能的分析提供了有效而又直觀的工具；提供了多種業(yè)務(wù)模擬方式；具有豐富的收集分析統(tǒng)計(jì)量，查看動(dòng)畫和調(diào)試等功能；它可以直接收集常用的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次的性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)，能夠方便地編制和輸出仿真報(bào)告。 OPNET仿真關(guān)鍵技術(shù) 三層建模機(jī)制網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜的系統(tǒng)，OPNET Modeler建模采用層次化和模塊化的方式，將復(fù)雜的體系分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，每層完成一定的功能，一層內(nèi)又由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊完成更小的任務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)物件層次關(guān)系看，提供三層建模機(jī)制，底層為進(jìn)程模型，以有限狀態(tài)機(jī)(FSM)來描述各個(gè)狀態(tài)和狀態(tài)間轉(zhuǎn)移關(guān)系。其次為節(jié)點(diǎn)模型，其用來定義結(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由發(fā)信機(jī)模塊，接收機(jī)模塊，處理機(jī)模塊，隊(duì)列模塊及包流，統(tǒng)計(jì)線等連接組成，反映服務(wù)特性。最上層為網(wǎng)絡(luò)模型，與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)，反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。三層模型與實(shí)際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)三層完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性[6]。另外，還增加了外部系統(tǒng)模型，OPNET提供了與外部程序或系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的機(jī)制，提供協(xié)同仿真功能。 圖21 層次化的建模網(wǎng)絡(luò)模型、結(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型分別在相應(yīng)的項(xiàng)目編輯器、結(jié)點(diǎn)編輯器和進(jìn)程編輯器中完成。 圖22 進(jìn)程模型圖23 網(wǎng)絡(luò)模型圖24 節(jié)點(diǎn)模型 離散事件仿真機(jī)制OPNET采用離散時(shí)間驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理，其中“事件”是指網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，也就是說，只有在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)模擬機(jī)才工作，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不發(fā)生變化的時(shí)間段不執(zhí)行任何模擬計(jì)算，即被跳過，因而仿真時(shí)間是離散的。每個(gè)仿真時(shí)間點(diǎn)上可以同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)事件，事件的發(fā)生可以有疏密的區(qū)別。與時(shí)間驅(qū)動(dòng)相比，離散時(shí)間驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)效率得到很大的提高[16]。仿真中的各個(gè)模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息。每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)事件中斷時(shí)都會(huì)觸發(fā)一個(gè)描述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行為或者系統(tǒng)處理的進(jìn)程模型的運(yùn)行，通過離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真機(jī)制實(shí)現(xiàn)了在進(jìn)程級(jí)描述通信的并發(fā)性和順序性，再加上事件發(fā)生時(shí)刻的任意性，決定了可以仿真計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)中的任何情況下的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和行為。 仿真調(diào)度機(jī)制在OPNET中使用基于事件列表的調(diào)度機(jī)制，合理安排調(diào)度事件，以便執(zhí)行合理的進(jìn)程來仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的行為。調(diào)度的完成通過仿真軟件的仿真核和仿真工具模塊以及模型模塊來實(shí)現(xiàn)，事件列表的調(diào)度機(jī)制具體描述如下[1]：每個(gè)OPNET仿真都維持一個(gè)單獨(dú)的全局時(shí)間表，其中的每個(gè)項(xiàng)目和執(zhí)行都受到全局仿真時(shí)鐘的控制，仿真中以時(shí)間順序調(diào)度事件列表中的事件，需要先執(zhí)行的事件位于表的頭部。當(dāng)一個(gè)事件執(zhí)行后將從事件列表中刪除該事件。仿真核作為仿真的核心管理機(jī)構(gòu)，采用高效的辦法管理維護(hù)事件列表，按順序通過中斷將在隊(duì)列頭的事件交給指定模塊，同時(shí)接收各個(gè)模塊送來的中斷，并把相應(yīng)事件插入事件列表中間。仿真控制權(quán)伴隨中斷不斷地在仿真核與模塊之間轉(zhuǎn)移。當(dāng)事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，仿真核按照下面兩種辦法來安排事件在事件列表中的位置：（1）按照事件到達(dá)仿真核的時(shí)間先后順序，先到達(dá)先處理（first e first serve）。（2）按照事件的重要程度，為事件設(shè)置不同的優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先權(quán)高的先處理。 OPNET仿真流程利用OPNET仿真，一般遵循以下工作流程：定義目標(biāo)問題：明確和規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)仿真所要研究的問題和目標(biāo)，提出明確的網(wǎng)絡(luò)仿真描述性能參數(shù)。如網(wǎng)絡(luò)通信吞吐量、鏈路利用率、設(shè)備利用率、端到端延遲等。建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型：根據(jù)研究的問題和目標(biāo)，建立所需要的網(wǎng)絡(luò)模型、進(jìn)程模型或節(jié)點(diǎn)模型，并配置相關(guān)業(yè)務(wù)。收集統(tǒng)計(jì)量：根據(jù)要研究的問題和目標(biāo)，收集要用于仿真模型實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。如網(wǎng)絡(luò)流量、端到端延遲等。保存項(xiàng)目運(yùn)行仿真：利用仿真工具進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以得到所需要的數(shù)據(jù)。查看并分析結(jié)果：查看結(jié)果并利用相關(guān)分析工具和數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。調(diào)試再仿真：分析仿真數(shù)據(jù)，找出瓶頸，然后通過修改拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、更新設(shè)備、修改協(xié)議等方法得到新的仿真場(chǎng)景，再次運(yùn)行仿真。生成仿真報(bào)告：生成網(wǎng)絡(luò)仿真的研究報(bào)告。 第三章 校園網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)校園網(wǎng)性能穩(wěn)定與否關(guān)系到學(xué)校教育、教學(xué)、科研和管理等工作能否正常有序進(jìn)行。及時(shí)了解校園網(wǎng)的性能，對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)速度、克服網(wǎng)絡(luò)瓶頸、保障教育教學(xué)工作的正常進(jìn)行具有十分重要的意義。而要對(duì)校園網(wǎng)性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，必須要有一定的衡量標(biāo)準(zhǔn)，即需要確定一組網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]。不同的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)或應(yīng)用，其涉及的性能指標(biāo)不盡相同，同一種性能指標(biāo)對(duì)于不同的業(yè)務(wù)類型，其影響也有很大區(qū)別，因此對(duì)于具體的業(yè)務(wù)類型或應(yīng)用，還需具體分析。本文將介紹幾個(gè)常用的描述網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)，它同樣適用于校園網(wǎng)。 校園網(wǎng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是反映網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)之一，它是指客戶機(jī)從對(duì)服務(wù)器提出請(qǐng)求開始到收到響應(yīng)所需要的時(shí)間，常用于評(píng)價(jià)交互式終端從一個(gè)主機(jī)請(qǐng)求信息的情況，這是一個(gè)應(yīng)用層的指標(biāo)。如：從用戶點(diǎn)擊一個(gè)URL，到接收到相應(yīng)的頁面所經(jīng)歷的時(shí)間，就是WEB服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。在C/S結(jié)構(gòu)中，響應(yīng)時(shí)間由網(wǎng)卡延遲、物理介質(zhì)延遲、服務(wù)器延遲三種構(gòu)成。在主/從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中響應(yīng)時(shí)間是由輪詢延遲、鏈路延遲、設(shè)備延遲和CPU延遲四部分所需時(shí)間的總和。不同的應(yīng)用對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求不盡相同。如在Email和FTP應(yīng)用中，要求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性