【文章內容簡介】 對象的數(shù)學模型，利用數(shù)學分析模型問題進行求解。 （ 2） 實驗方法。設計出研究所需要的合理硬件和軟件配置環(huán)境，建立測試 和實驗室，在現(xiàn)實的網(wǎng)絡上實現(xiàn)對網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡行為和網(wǎng)絡性能的研究。 （ 3） 仿真方法。應用網(wǎng) 絡仿真軟件建立所研究的 網(wǎng)絡系統(tǒng)的 模型，然后在計算機上運行這個模型，并分析運行的輸出結果。 然而，分析方法的有效性和精確性受限制大。當一個系統(tǒng)很復雜時，就無法用一些限制性假設來對系統(tǒng)進行描述。實驗方法的局限性在于成本很高，重新配置或共享資源很難，運用起來不靈活。而仿真方法在很大程度上可以彌補前兩種方法的不足。仿真方法可以根據(jù)需要設計所需的網(wǎng)絡模型，用相對較少的時間和費用了解網(wǎng)絡在不同條件下的各種特性，獲取網(wǎng)絡研究的豐富有效的數(shù)據(jù)。無疑，網(wǎng)絡仿真技術是一種研究網(wǎng)絡規(guī)劃與設計的有效工具。 網(wǎng)絡仿真技術是一 種通過建立網(wǎng)絡設備、鏈路和協(xié)議模型，并模擬網(wǎng)絡流量的運輸，從而獲取網(wǎng)絡設計和優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)的仿真技術。網(wǎng)絡模型不僅可以在實施之前預測拓撲和設備規(guī)劃，還有助于在網(wǎng)絡的運行中保持其有效性。網(wǎng)絡仿真也被稱為網(wǎng)絡模擬，就是用計算機程序對通信網(wǎng)絡進行模型化，通過程序的運行模仿通信網(wǎng)絡的運行過程。因為對各種網(wǎng)絡仿真過程來說，其中也有“模擬”的含義，即，網(wǎng)絡仿真既可以取代真實的應用環(huán)境得出可靠的運行結果和數(shù)據(jù)，也可以模仿一個系統(tǒng)運行過程中的某些行為和特性。網(wǎng)絡仿真提供了一個方便、高效的驗證和分析方法，所以網(wǎng)絡仿 真技術在現(xiàn)代通信 網(wǎng)絡設計和研究中的 作用正變得越來越大。 6 網(wǎng)絡仿真的特點 網(wǎng)絡仿真技術是一種利用數(shù)學建模和統(tǒng)計分析的方法模擬網(wǎng)絡行為，從而獲取特定的網(wǎng)絡特性參數(shù)的技術。 數(shù)學建模包括網(wǎng)絡建模（網(wǎng)絡設備、通信鏈路等）和流量建模兩個部分。模擬網(wǎng)絡行為是指模擬網(wǎng)絡流量在實際應用中傳輸、交換和復用的過程。網(wǎng)絡仿真獲取的網(wǎng)絡特性參數(shù)包括全局性能統(tǒng)計量、網(wǎng)絡節(jié)點的性能統(tǒng)計量、網(wǎng)絡鏈路的流量和 延遲等，由此既可以獲取某些業(yè)務層的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也可以得到協(xié)議內部 某些特殊 參數(shù)的統(tǒng)計結果。 網(wǎng)絡仿真技術有兩個顯著的特點 ： 首先，網(wǎng)絡仿真能夠為網(wǎng)絡的規(guī)劃設計提供可靠的定量依據(jù)。網(wǎng)絡仿真技術能夠迅速地建立現(xiàn)有網(wǎng)絡的模型，并能夠方便地修改模型并進行仿真。這使得網(wǎng)絡仿真非常適用于預測網(wǎng)絡的性能，回能“ WHAT… IF… ”這樣的問題。 其次，網(wǎng)絡仿真能夠驗證實際方案 或比較多個不同的設計方案。在網(wǎng)絡規(guī)劃設計過程中經(jīng)常出現(xiàn)多個不同的設計方案，它們往往是各有特點，僅憑主觀判斷，很難做出正確的選擇，因此如何進行科學的比較和取舍往往是網(wǎng)絡設計者們感到頭疼的事。網(wǎng)絡仿真能夠通過為不同的設計方案建立模型，進行模擬，獲取定量的網(wǎng)絡性能預測數(shù)據(jù)，為方案的 驗證和比較提供可靠的依據(jù)。這里所指的設計方案可以是網(wǎng)絡拓撲結構、路由設計、業(yè)務配置等。 總而言之，網(wǎng)絡仿真技術具備全新的模擬實驗機理，使其具有在高度復雜的網(wǎng)絡環(huán)境下得到最高可信度結果的特點 :網(wǎng)絡仿真的預測功能是其他任何方法都無法比擬的 ， 使用范圍廣，既可以用于現(xiàn)有網(wǎng)絡的優(yōu)化和擴容，也可以用于新網(wǎng)絡的設計，而且特別適用于中大型網(wǎng)絡的設計和優(yōu)化 ， 初期應用成本不高，而且建好的網(wǎng)絡模型可以延續(xù)使用，后期投資還會不斷下降。 網(wǎng)絡仿真技術的發(fā)展現(xiàn)狀 網(wǎng)絡仿真軟件通過在計算機上建立一個虛擬的網(wǎng)絡平臺，來實現(xiàn)真實網(wǎng)絡 環(huán)境的模擬，網(wǎng)絡技術開發(fā)人員在這個平臺上不 僅 能對網(wǎng)絡通信、網(wǎng)絡設備、協(xié)議、以及網(wǎng)絡應用進行設計研究，還能對網(wǎng)絡的性能進行分析和評價。另外，仿真軟件所提供的仿真運行和結果分析功能使開發(fā)人員能快速、直觀的得到網(wǎng)絡性能參數(shù)，為優(yōu)化設計或做出決策提供更便捷、有效的手段。因此，運用網(wǎng)絡仿真軟件對網(wǎng)絡協(xié)議、算法等進行仿真已 7 經(jīng)成為計算機網(wǎng)絡通信研究中必不可少的一部分。 最著名的仿真軟件 OPNET 是美國 MIL3 公司的產(chǎn)品。目前 OPNET 是世界上最 先進的網(wǎng)絡仿真開發(fā)和應用平臺，近幾年被第三方權威機構評選為“世界級網(wǎng)絡仿真軟件 ”第一名。 OPNET 采用離散事件驅動的模擬機理，其中“事件”是指網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，也就是說，只有網(wǎng)絡狀態(tài) 發(fā)生變化時，模擬機才能工作，網(wǎng)絡狀態(tài)不發(fā)生變化的時間段內不執(zhí)行任何模擬工作，即被跳過。因此，與時間驅動相比，離散事件驅動的模擬機計算效率更高。 OPNET 采用基于包的建模機制。 OPNET 模型分為網(wǎng)絡，結點和進程 三 個層次。用戶可以在這三個層次的任何地方切入編程，建立所需的模型。 OPNET 提供了一個比較齊全的基本模型庫（包括網(wǎng)絡設備和鏈路），主要包括 :Ether、 FDDI、 TR、TCP/IP、 ATM、 FR、 PSTN、 cellular phone、 wireless work。 OPNET 支持 SUN、 HP、 IBM、 SGI 工作站和一般 PC 等硬件設備，可以運行在Unix、 NT 或 Win95/98 等操作系統(tǒng)上。到目前為止，全球已有多個單位采用 OPNET 技術進行通信網(wǎng)絡研究開發(fā)以及網(wǎng)絡規(guī)劃。但由于 OPNET 是收費的商業(yè)軟件，限制了其在研究領域的應用。 另一知名仿真軟件是 NS2， NS2 于 1995 年由 DARPA 資助的 VINT 工程開發(fā)，目前由 LBL， Xerox PARC， UCB， USC/ISI 等合作開發(fā)。 NS2 是一個完全 免費的軟件， 因 有開放體系結構，并帶有大量協(xié)議庫支持 ， 尤 其適合于對基于 TCP/IP 的網(wǎng)絡進行仿真，在國際上享有很高的學術聲譽，被世界各國的網(wǎng)絡研究者廣泛使用。 NS2 采用離散事件驅動機理進行仿真。它的架構嚴格遵循 OSI 七層網(wǎng)絡模型，其內核源碼用 C 語言完成，編程語言用 C++和 OTcL（面向對象的 TcL）。 C++是一個編譯性語言，通過它可以有效地處理字節(jié)、包頭等數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)各種算法，適用于具體協(xié)議的實現(xiàn)。 OTcL 是一個解釋性語言，用于書寫仿真腳本，只需修改網(wǎng)絡的參數(shù)和配置，就可以對大量的場景進行比較，提高程序的 效率， NS2 中利用 TcL 機制把 OTcL 和 C++結合起來，使得 C++和 OTcL 能夠互相直接操作對方定義的數(shù)據(jù)， C++的類和 OTcL 的類相對應。通過這種機制， NS2 達到了仿真配置靈活性和運行效率的統(tǒng)一。 NS2 的優(yōu)點在于軟件包可以從網(wǎng)絡上免費下載，所有源代碼公開，是一個開放性的仿真平臺。用戶可以通過繼承 NS2 類來開發(fā)適合自己需要的對象模塊，集成到 NS2 環(huán)境中去。使用 NS2 的另一個好處是使初學網(wǎng)絡者能比較具體地理解網(wǎng)絡技術、協(xié)議、路由、分組轉發(fā)、擁塞控制等。但 NS2 仍有一些缺點。首先，相對于不斷更新的仿真器， 8 所做 的文檔顯得過時而且?guī)椭邢?。其次，由于仿真器本身的不斷升級，不同版本中模塊的兼容性問題比較突出；再次，仿真節(jié)點數(shù)目很多時， NS2 就需要更多的內在資源，運行速度明顯變慢。另外，由于使用兩種編程語言， NS2 的學習曲線太過陡峭，其調試工作也具有相當難度。 GloMoSim(for global mobile system)仿真軟件由美國 UCLA 大學計算機系開發(fā) 。 它用基于 C 語言的并行仿真語言 Parsec 設計 ， 可以實現(xiàn)并行離散時間驅動仿真 ， 具有可擴展性和可編程性 。 新版本的 GloMoSim 支持純無線網(wǎng)絡的協(xié)議并采用分層 的方法 ， 不同層之間使用標準的 API 進行通信 ， 這樣實現(xiàn)了網(wǎng)絡所需的基本協(xié)議棧層次 。 GloMoSim 的優(yōu)點在于使用方便 ， 具有可測量性 ， 可以遠程控制 。 GloMoSim 的缺點在于其分層結構太嚴格 ， 要實現(xiàn)跨層信息的應用就顯得困難 。 在這點上 ， 其它兩種仿真器要相對好一些 。 未來的 GloMoSim 開發(fā)目標是擁有更友好的用戶界面 ， 可以將仿真結果和仿真過程動態(tài)顯示 。 NS2 和 GloMoSim 是免費的 ， 其程序的源代碼也是開放的 ， 因此受到了學術界的歡迎 。 OPNET 是商業(yè)軟件 ， 費用較貴 ， 但其功能強大 ， 仿真準確性也較高 ， 主要為一些大型 網(wǎng)絡研發(fā)部門所使用 。 OPNET 綜合采用基于包的建模方法和數(shù)學分析的建模方法 ，可以獲得較快的仿真速度 。 NS2 則特別適用于 TCP 層以上的仿真 ， 但是當仿真節(jié)點 數(shù)較多時速度較慢 。 對同一種情況 ， 三種網(wǎng)絡仿真軟件的仿真結果也會有一定差別 。 這些差別的產(chǎn)生主要有以下幾個原因 :首先 ， 從物理層的角度來看 ， 現(xiàn)實的環(huán)境和設備很難表述 ， 各仿真軟件的無線傳播模型都很簡單和通用化 。其次 ， 協(xié)議實現(xiàn)的手段各不相同 ， 把這些協(xié)議整合進仿真系統(tǒng)中各不相同 ， 在仿真試驗中必然存在差 異 。 因此仿真時要盡量使得建模符合實際要求 ， 環(huán)境設定和初始參數(shù)的確定符 合真實性原則 。 三種仿真軟件都采用離散事件驅動作為引擎 。 離散事件驅動的模擬機理 ， 使其可以在高度復雜的網(wǎng)絡環(huán)境下得到高可信度的結果 。 但這種機制存在著模型不嚴格和進程能力不夠的缺點 。 目前已有些仿真軟件采用對諸如流量或隊列行為的分析模型來增強事件驅動機制 ， 以提高仿真的準確性和擴展性。另外，并行和分布式網(wǎng)絡仿真軟件也在研究中。 9 網(wǎng)絡仿真流程 網(wǎng)絡仿真研究時，一般經(jīng)過以下 4 個階段的相應仿真工作來完成。 （ 1） 仿真設計：利用仿真模型完成具體仿真場景，同時設計仿真實驗序列：設計適當?shù)哪Ｐ洼斎雲(yún)?shù)，仿真統(tǒng)計內容，仿真運行 時間，仿真隨機種子數(shù)個數(shù)，仿真獨立運行次數(shù)，仿真啟動條件，仿真終止條件，仿真的準備周期等。 （ 2） 仿真運行：利用仿真軟件工具進行仿真實驗。 （ 3） 仿真分析：利用分析工具和數(shù)學知識進行仿真結果分析。利用平均、方差、最大值、最小值等數(shù)學方法和數(shù)據(jù)過濾技術進行仿真數(shù)據(jù)，分析仿真結果，在必要時將多次獨立運行的仿真結果進行統(tǒng)計分析以解決網(wǎng)絡的隨機統(tǒng)計問題。 （ 4） 仿真報告：完成網(wǎng)絡仿真的研究報告 。 10 第三章 網(wǎng)絡仿真軟件 OPNET OPNET 仿真軟件概述 OPNET 公司是全球 領先的決策支持工具提供商，總部在美國華盛頓特區(qū)，主要面向網(wǎng)絡領域的專業(yè)人士，為網(wǎng)絡專業(yè)人士提供基于軟件方面的預測解決方案。 OPNET公司最早是由麻省理工學院（ MIT）信息決策實驗室受美國軍方委托而成立的。 1987 年OPNET 公司發(fā)布了第 1 個商業(yè)化的網(wǎng)絡仿真軟件，提供了具有重要意義的網(wǎng)絡性能優(yōu)化工具，使得具有預測性的網(wǎng)絡性能管理和仿真成為可能。 1987 年以來， OPNET 迅速而穩(wěn)步地發(fā)展，作為高科技網(wǎng)絡規(guī)劃、仿真及分析工具， OPNET 在通信、國防及計算機網(wǎng)絡領域已經(jīng)被廣泛認可和采用。成千上萬的組織使用 OPNET 軟件來優(yōu)化網(wǎng)絡性能、最大限度地提高通信網(wǎng)絡和應用的可用性。至今 OPNET 已經(jīng)升級到了 以上版本。它的產(chǎn)品線除了 Modeler 外，還包括 ITGuru、 SP Guru、 OPNET Development Kit 和 WDM Guru 等。 OPNET 的產(chǎn)品主要針對網(wǎng)絡服務提供商、網(wǎng)絡設備制造商和一般企業(yè)這 3 類客戶。OPNET 目前在全球有超過 5000 個客戶，在全美設立了 4 個辦事處，分別在加州、德州、北卡羅來納州及馬薩諸塞州，另外， OPNET 也在全球設立了 4 個辦事處，分別為法國的巴黎、英國的劍橋、澳大利亞的悉尼以 及比利時的根特。新加坡經(jīng)緯線科技公司是OPNET 產(chǎn)品在亞洲地區(qū)的總代理。 OPNET 的全球部分電信級運營商客戶，如 AT amp。T、NTT DoCoMo、 France Tele 等，這部分客戶相對于中型企業(yè)，具有更復雜的網(wǎng)絡結構和協(xié)議配置，因此管理起來更復雜。 OPNET 利用高網(wǎng)絡智能來輔助運營商的網(wǎng)管人員管理網(wǎng)絡，同時 OPNET 具有很好的開放 性 和互聯(lián)性，可以和當前很多流 行 的網(wǎng)絡管理和監(jiān)控軟件一起協(xié)同工作，如 HP 公司的 OpView、 Tivoli 公司的 NetView、 Cisco的 Netflow 以及 Angilent 公司的 NetMetrix 等 。 目前 OPNET 的應用在國內還處于起步階段，因此 OPNET 具有很大的研究及應用價值。 OPNET 仿真技術 三層建模機制 網(wǎng)絡是復雜的系統(tǒng)， OPNETModeler 建模采用層次化和模塊化的方式，將復雜的體 11 系 分解為不同的層次結構，每層完成一定的功能，一層內又由多個模塊組成，每個模塊完成更小的任務。網(wǎng)絡域、節(jié)點域、進程域是構建 OPNET Model 模型的三個層次。 節(jié)點域建模的方法是基于節(jié)點模塊，每個節(jié)點模塊實現(xiàn)節(jié)點行為的某一方面，諸如數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)的 處理或選路和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。多個節(jié)點模塊的集合構成功能完整的節(jié)點。模塊間用包流線或統(tǒng)計線相連，其中包流線承載了模塊間數(shù)據(jù)包的傳輸，統(tǒng)計線可實現(xiàn)對模塊待定參數(shù)變化的監(jiān)視，通過 modules， paeketstreams 和 statistic wires的聯(lián)合使用，用戶可對節(jié)點的行為進行仿真。節(jié)點模塊根據(jù)功能可以劃分為處理器類、數(shù)據(jù)流線類和收 /發(fā)機類三種。處理器類功能的實現(xiàn)是在進程域中通過 ProC 編程完成的。數(shù)據(jù)流類和收 /發(fā)機類是通過管道階段模型實現(xiàn)的。是通過