【正文】 速以太網(wǎng)最大的相似之處在于采用相同的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)技術(shù)正朝著高速的方向發(fā)展，繼 100M 之后，又提出了千兆和萬兆以太網(wǎng)的概念。 網(wǎng)絡(luò)仿真研究現(xiàn)狀 以太網(wǎng)從最初出現(xiàn)時(shí)的 10Mbps 到現(xiàn)在的 10Gbps， 在速度上有了很大的提升工作模式也從半雙工發(fā)展到了全雙工，在提升速度的同時(shí)也打破了以往對(duì)傳輸距離的限制，從而使得以太網(wǎng)技術(shù)從局域網(wǎng)向廣域網(wǎng)發(fā)展成為了可能。其中 MAC 子層在傳統(tǒng) OSI 七層模型中屬于數(shù)據(jù)鏈路層，負(fù)責(zé)上層數(shù)據(jù)和物理層比特流的封包和解封，流量控制以及差錯(cuò)校驗(yàn)等一系列的功能川。 隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，特別是 Inter 和多媒體技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量迅速增加，原有的 10Mbps 速率 LAN 己難以滿足通信要求，從而對(duì)更高速率的 LAN 產(chǎn)品提出了迫切需求，相繼出現(xiàn)了百兆、千兆以及萬兆速率的高速以太網(wǎng)。其中比較著名的免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 Berkeley NS、 OMNeT++、 SSFNET 等，而商用軟件最著名的就是 OPNET 公司的 OPNET 系列仿真軟件。未來數(shù)年將是網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，今后的網(wǎng)絡(luò)仿真必將成為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)際不可或缺的環(huán)節(jié)。 關(guān)鍵詞 ： OPNET， 仿真軟件， 注：本設(shè)計(jì)（論文）題目來源于教師的 省 級(jí)科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為： 2020A080207008 。 本文首先從理論上對(duì) 協(xié)議作了介紹和分析，然后重點(diǎn)對(duì)協(xié)議各主要功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論，設(shè)計(jì)以及功能的仿真。 OPNET 是目前廣泛使用的可用于網(wǎng)絡(luò)仿真及協(xié)議分析的仿真工具軟件。 本文介紹了 OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，并對(duì)其主要特性、建模機(jī)制以及仿真步驟進(jìn)行了深入的闡述。所有的仿真模型都是建立在有限狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，通過這些模型取得了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)協(xié)議本身及實(shí)施方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出了自己的見解和一些建議。同 時(shí) 說明了利用 OPNET 能夠?qū)Ω倪M(jìn)和提高協(xié)議的可行性，這也為以后開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了一種思路和方法。這種網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展強(qiáng)勁的拉動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用。 如何有效逼真的對(duì)復(fù)雜的通信系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題， 目前常用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件種類非常豐富，既有免費(fèi)的開源網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 ， 也有軟件公司開發(fā)的商用軟件。其在智能化網(wǎng)絡(luò)仿真、分析和管理解決方案等方面都具有突出的表現(xiàn)。以太網(wǎng)技術(shù)主要集中在物理層和 MAC 子層的實(shí)現(xiàn)上。 MAC 層協(xié)議在網(wǎng)橋、交換機(jī)等工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)2 設(shè) 備的設(shè)計(jì)和開發(fā)中也起了重要的作用。對(duì)于 MAC 層來說，半雙工模式下的 CSMA/CD 協(xié)議是 的主要內(nèi)容，然而隨著技術(shù)的發(fā)展， 標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新 ， MAC 層也增添了諸如流量控制， 接口速度的設(shè)定等新功能。碰撞檢測，載波監(jiān)聽和多重訪問己不再重要。所以就其本質(zhì)而言 ， 10G 以太網(wǎng)仍是以太網(wǎng)的一種類型。 10GBASER 是一種使用 64B/66B 編碼 (不是在千兆 以太網(wǎng)中所用的 8B/10B)的串行接口， 數(shù)據(jù)流為 ，因而產(chǎn)生的時(shí)鐘速 率為 。無源光網(wǎng)絡(luò) (PON)是發(fā)展較快的光纖接入網(wǎng)， 而 EPON 利用 PON 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入，比 APON 提供了更高的帶寬，更低的成本和更廣的服務(wù)能力，成為最新研究以及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的熱點(diǎn)。對(duì)3 層協(xié)議的最大改動(dòng)除了在 MAC 控制子層中添加了 MPCP(多點(diǎn)控制協(xié)議 )功能，還定義 了 MPCP 各個(gè) 任務(wù)的操作代碼。 TCP 協(xié)議主要通過擁塞窗口來控制發(fā)送的速率，以達(dá)到擁塞控制的目的。當(dāng)擁塞窗口增加到慢啟動(dòng)閥值大小時(shí)，就進(jìn)入擁塞避免階段 。 重新進(jìn)入慢啟動(dòng)．這會(huì)導(dǎo)致過大地減小發(fā)送窗口尺寸，降低 TCP 連接的吞吐量。 在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通過交換機(jī)、路由器等數(shù)據(jù)交換設(shè)備到達(dá)目的地，由于線路帶寬等因素的影響，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大的時(shí)候，出現(xiàn)擁塞就不可避免。由此可以清楚的看出它們之間的區(qū)別 [2]。 對(duì)路由協(xié)議的仿真 路由網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)。一方面，節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)運(yùn)行相關(guān)的協(xié)同應(yīng)用程序；另一方面，節(jié)點(diǎn)作為路由器需要運(yùn)行相關(guān)的路由協(xié)議 ，進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等常見的路由操作，對(duì)接收到不是發(fā)向自己的分組要進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。 論文重點(diǎn)及結(jié)構(gòu)安排 本論文的研究重點(diǎn)為 協(xié)議結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和仿真研究，包括 MAC， MAC 控制和 OAM 等協(xié)議。第三章研究了 協(xié)議兼容性和分層結(jié)構(gòu)，從 IEEE 802． 3 以太網(wǎng)協(xié)議出發(fā)引出與功能實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)的 仿真 分層結(jié)構(gòu)。無論是哪一方面都需要對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行驗(yàn)證和分析。分析方法的有效性和精確性受假設(shè)限制很大。仿真方法可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)所需的網(wǎng)絡(luò)模型，用相對(duì)較少的時(shí)間和費(fèi)用了解網(wǎng)絡(luò)在不同條件下的各種特性，獲取網(wǎng)絡(luò)研究的豐富有效的數(shù)據(jù)。此外，一系列仿真運(yùn)行的結(jié)果被自動(dòng)整理到一個(gè)單一的 OPNET 輸出文件中，以便于比較分析（比如相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的端對(duì)端延遲）。 ITDecisionGuru、 Modeler、 Modeler/Radio，這三個(gè)模塊并非相互獨(dú)立，而是層層嵌套的，采用同一用戶界面。 OPNET 還提供 EMA（外部模塊訪問）接口，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)。 OPNET 可運(yùn)行在 SUN、 HP、 Windows NT 等多種工作站平臺(tái)上。 OPNET 仿真模型庫與其網(wǎng)絡(luò)仿真引擎（ OPNET Modeler， ITGuru, Applicat ion DecisionGuru 等）是分離的。OPNET 提供的仿真模型庫分成兩類 [5]： 標(biāo)準(zhǔn)模型庫： 標(biāo)準(zhǔn)模型庫可以滿足大部分客戶的需求。目前，特殊模型庫包括下述幾種模型： （ 1） IP 多目廣播模型 （ 2） 基于電路交換模型 （ 3） 多協(xié)議標(biāo)簽交換模型 （ 4） 通用移動(dòng)電信系統(tǒng)模型 （ 5） 私有網(wǎng)間接口模型 9 OPNET 的優(yōu)缺點(diǎn) OPNET Technology 公司的仿真軟件 OPNET 具有下面的優(yōu)點(diǎn)，使其能夠滿足大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的仿真需要 [6]： 提供三層建模機(jī)制，最底層為 Process 模型 ，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為 Node 模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。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。 仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量很大時(shí) , 仿真的效率會(huì)降低。因此，一般需要經(jīng)過專門培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)人員才能完成。例如有用戶試了把 pipeline stage 中 radio 的 propagation delay model 的傳輸速度（ default 值是光速）改為聲波在海水中的速度 1500m/s，但是仿真出來的propagation delay 結(jié)果居然沒太大的改變?？梢哉f， OPNET 就是一個(gè)巨大的軟件包，其中包含了大量餓工具，每種工具在建模仿真工程的各個(gè)階段中負(fù)責(zé)特定的任務(wù)。 函數(shù)名稱的第二部分代表所屬函數(shù)集，通常由操作對(duì)象的名稱縮寫所表示，如包括數(shù)集用 pk 表示、事件函數(shù)集用 ev 表示等等。 函數(shù)名稱中的各部分通過“ _”連接。而在完全使用庫中節(jié)點(diǎn)模型時(shí)，在利用庫中節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行修改但不需要修改進(jìn)程時(shí)或者庫中有替代進(jìn)程模型存在時(shí)，不需要進(jìn)行這一步。建模中，可能有 3 種情況：完全使用模型庫中的節(jié)點(diǎn)模型，基于模型庫進(jìn)行修改，完全新開發(fā)模型。 建立流量模型可以使用三種流量建模技術(shù)，分別用于不同的場合。一般用于 研究容量規(guī)劃，網(wǎng)絡(luò)失效分析，協(xié)議性能；背景利用率流量建模指描述網(wǎng)絡(luò)中背景的利用率，仿真中不必進(jìn)行仿真包的傳送。 根據(jù)問題和對(duì)象建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，能夠回 答要處理的問題。另外，還要設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)的核心思想是在共享的公共傳輸媒體上以半雙工傳輸模式工作，網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)在同一時(shí)刻要么發(fā)送數(shù)據(jù)，要么接收數(shù)據(jù) ,而不能同發(fā)送和接收。 60 年代未，該校的 Norman Abramson 及其同事研制了一個(gè)名為 ALOHA 系統(tǒng)的無線電網(wǎng)絡(luò)。出境無線電信道 （ 從主機(jī)到遠(yuǎn)方的島嶼 ） 相當(dāng)簡中明了，只要把終點(diǎn)地址放在傳輸?shù)奈碾姌?biāo)題，然后由相應(yīng)的接收站譯碼。 14 使用該頻道的站越多，發(fā)生碰撞的機(jī)率越高，從而導(dǎo)致傳輸延遲增加和信息流通量降低。 Abramson 及其同事的研制成果已成為當(dāng)前使用的大多數(shù)信息包廣播系統(tǒng) (其中包括以太網(wǎng)和多種衛(wèi)星傳輸系統(tǒng) )的基礎(chǔ)。使以太網(wǎng)最終坐上局域網(wǎng)寶座的不是她的技術(shù)優(yōu)勢和速度，而是 Metcalfe 版的以太網(wǎng)已變成產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 使 DEC 和 Xerox 在產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上合作的障礙之一是反托拉斯法。 1979 年 7 月， DEC、英特爾和 Xerox15 籌備召開三方會(huì)議， 1979 年正式舉行首次三方會(huì)議。 在 DIX 開展以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作的同時(shí)，世界性專業(yè)組織 IEEE 組成一個(gè)定義與促進(jìn)工 業(yè) LAN 標(biāo)準(zhǔn)的委員會(huì)，并以辦公室環(huán)境為主要目標(biāo)，該委員會(huì)名叫 802 工程 。） 今天的以太網(wǎng)和 可以 認(rèn)為是同義詞。 交換式和全雙工以太網(wǎng) 80 年代末，若干市場因素促使對(duì)快速網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的需求：獨(dú)立的 PC 連接到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致較高信息流量。由于較多的用戶爭用有限的同一帶寬，因而將這些不同的局域網(wǎng)連接在一起導(dǎo)致了信息流量的猛增。 EtherSwitch 由于以下幾個(gè)理由而與當(dāng)時(shí)的絕大多數(shù)網(wǎng)橋有很大的不同： 網(wǎng)絡(luò)開關(guān) （ Switch） 是一種提供同時(shí)多條數(shù)據(jù)傳輸路徑的體系結(jié)構(gòu)，和電話交換機(jī)很 相似，使整體吞吐量顯著提高。 EtherSwitch 是以提高 LAN 性能的網(wǎng)絡(luò)開關(guān)來銷 售的，而不是以互連不同 LAN 的網(wǎng)橋來銷售。對(duì)所有的用戶，共享以太網(wǎng)都依賴單條共享介質(zhì)，因此在技術(shù)上不可能同時(shí)發(fā)送和接收。連接到以太網(wǎng)的所有工作站都接入共享信令系統(tǒng)，又稱為介質(zhì)。該機(jī)制建立在載波監(jiān)聽多路訪問、沖突檢測（ CSMA/CD）基礎(chǔ)上。17 把依賴于媒體的 特性從物理層中分離出來的目的，是要使得 LLC 子層和 MAC 子層能適應(yīng)于各類不同的媒體。 MAC 子層和 LLC 子層之間和接口提供每個(gè)操作的狀態(tài)信息，以供高一層差錯(cuò)恢復(fù)規(guī)程所用。 一種 CSMA 的改進(jìn)方案是使發(fā)送站點(diǎn)傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽媒體，以檢測是否存在沖突。這種方案稱為“載波監(jiān)聽多路訪問 /沖突檢測協(xié)議”（ Carrier 高層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 高層 邏輯鏈路控制 LLC 介質(zhì)訪問控制 MAC 介質(zhì)訪問控制 MAC PMA MDI 18 Sense Multiple Access with Collision Detection， CSMA/CD），這種協(xié)議已廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)中。 如果信道忙，則等待，直到信道空閑；如果信道閑，站點(diǎn) 就傳輸數(shù)據(jù)。 當(dāng)一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)識(shí)別出一個(gè)沖突，它就發(fā)送一個(gè)擁塞信號(hào)，這個(gè)信號(hào)使得沖突的時(shí)間足夠長，讓其他的節(jié)點(diǎn)都能發(fā)現(xiàn)。發(fā)生沖突后， B 站點(diǎn)立即可檢測到該沖突，而 A 站點(diǎn)需再經(jīng)過一份最大傳播時(shí)延 tp 后，才能檢測出沖突。如果在 PAN 網(wǎng)絡(luò)中使用信標(biāo)，在超幀 CAP 期間傳輸信息時(shí)，MAC 子層采用時(shí)隙 CSMA/CD 算法。對(duì)非時(shí)隙的 CSMA/CD 沒有這個(gè)限制。 CW 這個(gè)變量僅在時(shí)隙 CSMA/CD 中使用，在非時(shí)隙的 CSMA/CD 機(jī)制中檢測到信道空閑后立即發(fā)送。值得注意的是如果 macMinBE 設(shè)置為 0，則在算法的第一 次迭代時(shí)間，沖突避免將失效。 圖 顯示了 CSMA/CD 算法的步驟。在時(shí)隙 CSMA/CD 系統(tǒng)中， CCA 在退避周期界線處開始 。如果退避周期數(shù)小于或等于 CAP 中余一下的退避周期數(shù)，則 MAC 子層將應(yīng)用它的退避延遲，并評(píng)估能否繼續(xù)進(jìn)行。 如果信道忙 (步驟 (4))，則 MAC 子層使 NB 和 BE 都增加 1，但要確保 BE 不大于aMaxBE。如果信道空閑（步驟 (5)），則在時(shí)隙 CSMA/CD 系統(tǒng)中， MAC 子層應(yīng)確保在開始傳輸之前，競爭窗口關(guān)閉。幾個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)（ ， 和 ）和一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)（ ）已經(jīng)被制定了。 以太網(wǎng)物理層和 的物理層在所 有的實(shí)際應(yīng)用上是兼容的，然而，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層和。以太網(wǎng)兼容模式 網(wǎng)絡(luò)為了達(dá)到和以太網(wǎng)兼容必須使用 48bit 的物理地址和 10M/s 的帶寬。為了區(qū)分各種可選用的實(shí)現(xiàn)方案，該委員會(huì)給出了一種簡明的表示方法，即： 〈數(shù)據(jù)傳輸速率（ Mpbs） 信號(hào)方式 最大段長度（百米） 如 10BASE 10BASE 10BROAD36 中前面的 10 表示“數(shù)據(jù)傳輸速率”， BASE表示信號(hào)方式 基帶方式，最后面的 36 則分別表示這幾種網(wǎng)絡(luò)的最大網(wǎng)段長度為500m、 200m和 。兩者的區(qū)別在于10BASE5 使用粗纜（線徑為 50mm）， 10BASE2 使用細(xì)纜（線徑為 5mm）。由于任意一個(gè)站點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)都能被其他所有站點(diǎn)接收，若有兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)要求傳輸，沖突就必然發(fā)生。從端出發(fā)的段的最大長度為 1800m。每一位數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后，轉(zhuǎn)換為一對(duì)光信號(hào)元素（有光表示高、無光表示低），所以，一個(gè) 10Mbps的數(shù)據(jù)流實(shí)際上需要 20Mbps 的信號(hào)流。 發(fā)送媒體訪問管理 借助于監(jiān)視物理層收發(fā)信號(hào)（ PLS）部分提供的載波監(jiān)聽信號(hào)，發(fā)送媒體訪問管理設(shè)法避 免發(fā)送信號(hào)與媒體上其他信息發(fā)生沖突。完成發(fā)送后， MAC 子層通過 LLC 與 MAC 間的接口通知 LLC 子層，等待下一個(gè)發(fā)