【導讀】展，利用一種新的QoS路由算法建立網(wǎng)絡模型提高網(wǎng)絡的生存期。傳感器網(wǎng)絡流量模型的方法。利用OPNET平臺對仿真模型進行仿真實驗，驗證模型的有效性。總結前面的工作，展望以后需要進一步展開的工作。整理論文，完成論文答辯。王文博，張金文.OPNETModeler與網(wǎng)絡仿真，人民郵電出版社，孫屹，孟晨.OPNET通信仿真開發(fā)手冊，國防工業(yè)出版社，大量的傳感器節(jié)點通過自組織的方式構成了網(wǎng)絡，每個節(jié)點集成了傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊。無線傳感器網(wǎng)絡具有硬件。數(shù)量眾多切分布密集等特點。無線傳感器網(wǎng)絡憑借其潛在的優(yōu)勢得到了廣泛的應。段來反映和預測網(wǎng)絡的性能，OPNET網(wǎng)絡仿真技術應運而生。下，可以很好地支持不同業(yè)務的資源需求分配，達到全網(wǎng)能耗均衡。通過仿真，我們可以有效地提

　　

【正文】 業(yè)務，出來的結果也就不精確的。在 OPNET 的仿真建模中，對網(wǎng)絡流量的建模主要分為背景路由流量 (Background Routed Traffic)建模、背景利用率流量 (Background Utilization Traffic)建模和前景業(yè)務流量 (Application Traffic)建模三種方式 。選擇哪種流量建模方式用于建立流量模型取決于仿真研究的目的。前景業(yè)務流量精確度高，但效率低，配置時間長。背景路由流量缺乏對特定業(yè)務的針對性。背景利用率流量可用來考察一些難以顯性定義也不需要顯性定義的流量。通常情況下，是綜合運用幾種流量建模方式，從而在精確性和效率之間取得平衡。表 31 是常用的仿真研究問題和一般需要選擇的流量建模方式。在本章接下來的三節(jié)中將依次地詳細介紹這三種流量建模方式。 流量方式 仿真目的 前景業(yè)務流量 背景路由流量 背景利用率流量 網(wǎng)絡吞吐量和帶寬 一般需要 需要 網(wǎng)絡的瓶 頸 需要 需要 網(wǎng)絡協(xié)議的性能 需要 一般需要 節(jié)點鏈路的失效分析 需要 話音、視頻業(yè)務分析 需要 需要 一般需要 數(shù)據(jù)業(yè)務分析 需要 一般需要 需要 表 31河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 17 背景路由流量 是 定義在一個源節(jié)點到一個或多個目的節(jié)點之間的流量 ，它 有兩種定義方法 ，一種是 從 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)如 HP Openview 的 Netmetrix 讀入 ，另一種是 手工建立 。通過網(wǎng)管系統(tǒng)的工具讀入流量時可以設置讀入流量數(shù)據(jù)的起始、終止時間等參數(shù)。圖 31 就是利用 Netmetrix 讀入的網(wǎng)絡中的某一流量的情況。 圖 31 通過網(wǎng)絡工具讀入流量 由于網(wǎng)絡規(guī)模龐大 ， HP Openiew 的 RMON 流量探頭比較昂貴等客觀因素 ，往往不能同時讀入整個網(wǎng)絡的 背景路由流量 ，并且這種流量輸入的方法也不靈活，為此， OPNET 提供了手工建立 背景路由流量 的方法 ,即可通過設置不同時間段流量的不同參數(shù)來定義流量 ，如圖 32 所示。 圖 32 手工建立流量矩陣 河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 18 與圖 31 相比，圖 32 中多出了兩行，其中第一行編輯欄是流量存在的時間，這個時間既可以是整個仿真的時間，也可以是仿真時間的一部分，第二行是數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)比特的編輯欄，在這里可以指定某個時 刻或者整個時段的數(shù)據(jù)包的數(shù)量和數(shù)據(jù)比特的數(shù)目。如果指定整個數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)包和比特數(shù)目為恒定的話，只要簡單地在第二行輸入數(shù)字即可；如果需要指定某個時刻的數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)比特的數(shù)目則需要用鼠標先單擊上面圖形的某一個時間點，當顯示的時間段在所要設定的時間段以后，就可以在第二行里編輯數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)比特的數(shù)目了。在圖 32 中，指定 15m30s 到 16m0s 時段的數(shù)據(jù)包為 220pkt/s，數(shù)據(jù)比特數(shù)目為 30000bps，修改后單擊 Apply 應用修改。仔細比較可以發(fā)現(xiàn)在 15m30s 到 16m0s 時段圖 32 與圖 31 存在明顯的區(qū)別。 背景利用率流量是 定義在鏈路上 或者節(jié)點上 的流量 ， 通常用百分比 對應時間的形式來表現(xiàn) ， 表示網(wǎng)絡中的流量占整條鏈路可承受的最大負載的比例 或消耗網(wǎng)絡節(jié)點處理能力的比例。這種流量定義方法可以指定網(wǎng)絡資源的消耗，如設備CPU 的背景利用率，鏈路所占用帶寬等。背景利用率流量常可用來代表基本的背景流量和不太重要的流量，在仿真過程中，不必有真正的包傳送，但它會對前景業(yè)務流量產生影響，使前景業(yè)務流量中包的傳送產生延遲。 這種流量定義方法的優(yōu)點是縮短了配置仿真網(wǎng)絡流量的時間 ,使仿真運行速度加快 。 業(yè)務流量建模 前景業(yè)務流量是 定義在 Workstation 和 Server 節(jié)點 之間或定義在 Station 和Station 之間的 流量 。 通 過節(jié)點的 屬性 (attribute) 和 應用定義 (Application Configuration)來定義 ， Application 包括 Email， Http， Ftp， Print， Database Access，Tel 和 Video Conference 等業(yè)務 ,每種業(yè)務均可由用戶定義相關參數(shù) ， 如對于Http 業(yè)務 ， 可指定其業(yè)務流量 ， 所用服務器 、 服務類型等等 。 前景業(yè)務流量是網(wǎng)絡流量仿 真建模中最重要的組成部分，因為它影響節(jié)點模型的 CPU 處理速率模型、隊列模型和路由模型等，由此會影響各種業(yè)務的響應時間和處理時間，同時對鏈路的吞吐量和利用率也會產生影響，對它的建模常常出于下面幾種情況。 (1)業(yè)務性能分析。針對某一特定的業(yè)務，測試分析其性能，或者在服務商提供新業(yè)務時，測試新業(yè)務的性能及網(wǎng)絡整體性能的影響。 (2)網(wǎng)絡性能分析。在指定網(wǎng)絡模型輸入一定的背景流量的情況下，再加上河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 19 適當?shù)那熬傲髁窟M行仿真，來測試一些在背景流量下無法得到的網(wǎng)絡性能參數(shù)，如 TCP 連接建立時間等。 (3)網(wǎng)絡規(guī)劃和設計。 在規(guī)劃和設計新的網(wǎng)絡模型，在沒有任何背景流量的情況下，加載一定的前景流量，以獲取這種條件下的網(wǎng)絡的性能參數(shù)，如鏈路的利用率、端到端的響應時間和 TCP 的連接建立時間等，從而可以為多個方案進行優(yōu)缺點比較時提供定量依據(jù)。 建立一個完整的前景流量模型必須先對各業(yè)務分別建模，然后進行組合再進行分析驗證，再修改，再驗證，如此多次直到符合要求為止。 假設在太平洋東海岸線上有一家大的公司，公司總部設立在華盛頓，此外在亞特蘭大、費城、紐約和波士頓四地設有四個辦事處，各個辦事處的網(wǎng)絡均與華盛頓的中心網(wǎng)絡相連。各 辦事處之間是通過電話線路連接的，所以非常容易受到線路上的不相關業(yè)務的影響。我們的任務就是通過仿真來觀察該公司的網(wǎng)絡在有無背景流量情況下的 FTP 業(yè)務響應情況。 首先是要創(chuàng)建仿真模型。因為該公司位于太平洋東海岸，所以在新建一個工程時我們可以從地圖中選擇 usa 作為建模范圍，為了能在范圍內顯示東海岸的那五個城市，我們點擊 zoom in 來放大感興趣的區(qū)域就可以清楚地看到以上提到的五個城市了。為了比較有無背景流量下網(wǎng)絡響應 FTP 業(yè)務的時間，我們將首先建立的場景命名為 no_backload。在所要創(chuàng)建的五個子網(wǎng)中，除了華 盛頓的中心網(wǎng)絡需要特殊配置以外，其他四地的辦事處的網(wǎng)絡是等同的。所以我們只需要創(chuàng)建一個子網(wǎng)，然后將其復制到其他三地就可以了。需要特別注意的是華盛頓子網(wǎng)。通過雙擊華盛頓子網(wǎng)圖標進入其子網(wǎng)編輯器，為了達到仿真的目的，我們需要在這個中心子網(wǎng)中添加一個交換機和一個 FTP 服務器 (用橢圓圈出的部分 )。它的具體模型見下圖 (圖 33)所示。河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 20 圖 33 然后用 10BaseT 鏈路將各個子網(wǎng)連接起來。初步建立起來的網(wǎng)絡拓撲如圖34 所示。 圖 34 對 FTP 服務器進行應用配置，具體配置如下圖 (圖 35)河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 21 圖 35 保存場景和工程。接下來我們將創(chuàng)建一個含有背景流量的場景。具體方式是點擊 Scenarios菜單下的 Duplicate Scenarios命令，然后將其命名為 back_load來區(qū)別之前的 no_back_load 場景。隨便選擇各個子網(wǎng)間的一條鏈路，然后右擊選中所有相似鏈路，并對它們的屬性做如下修改，如圖 36 所示。 圖 36 這樣我們就成功地將背景流量加入到網(wǎng)絡中了。接下來我們要做的就是搜集河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 22 統(tǒng)計量并運行仿真，查看結果。 在工程的空白區(qū)域單擊鼠標由鍵，從中選擇 Choose Individual DES Statistics，在彈出的選擇框中選擇 Global Statistics Ftp Download Response Time (sec) statistic， Link Statistics pointtopoint throughput (bits/sec) 和 Link Statistics pointtopoint utilization 。 單擊工具欄里的 圖標運行仿真。設置仿真運行的參數(shù)，具體的配置見下圖 (圖 37)。 圖 37 當聽到嘟的一聲時，仿真 結束。右擊工程空白區(qū)，選擇 Compare Result 比較沒有背景流量和存在背景流量情況下網(wǎng)絡的 FTP 下載時間，鏈路的利用率和吞吐量的變化。結果如圖 38， 39， 310 所示。 圖 38 河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 23 圖 39 圖 310 從圖 38 中我們可以看到，當?shù)竭_穩(wěn)定狀態(tài)時，有背景業(yè)務流量的情況下，F(xiàn)TP 下載的響應時間明顯增加了近 5 秒。圖 39 和圖 310 顯示有背景流量的情況下，鏈路的利用率和吞吐量要比沒有背景流量時高。其他的網(wǎng)絡性能參數(shù)也都可以通過搜集統(tǒng)計量和運行仿真來查看，這里就不鰲述了。河海大學工學學士學位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 24 第 4 章 WSN 流量 模型的仿真 流量模型是對網(wǎng)絡模型進行驗證并獲取各種重要參數(shù)的手段。流量模型的實現(xiàn)有一定的規(guī)范和要求，且必須能夠反映實際網(wǎng)絡的業(yè)務流量狀況。在本仿真系統(tǒng)的開發(fā)過程中，如果預先給定一組假定數(shù)據(jù)并通過仿真來驗證、考察該系統(tǒng)的各項性能指標，是無法達到考察并且評估整個網(wǎng)絡系統(tǒng)通信能力的目的的，因為給定的數(shù)據(jù)只是一定條件以及一定環(huán)境下的典型數(shù)值，而且數(shù)目十分有限。流量模型的建立使得通過仿真系統(tǒng)得到的各項參數(shù)數(shù)據(jù)能夠較為全面地反映出網(wǎng)絡的性能。 一個無線傳感器網(wǎng)絡 已經使用 HP Open View 的 Netmetrix軟件建立了網(wǎng)絡拓撲和一定的背景流量文件，現(xiàn)在我們 想在現(xiàn)有的網(wǎng)絡結構的基礎上增加業(yè)務負載，比如將流量負荷增加 50%或增加 75%，那么網(wǎng)絡的性能將呈現(xiàn)怎樣的變化？下面針對這個 whatif 的問題我們將在 OPNET 環(huán)境中對其建模仿真。 (1)首先新建一個工程 。背景流量定義的主要是鏈路上和節(jié)點之間的流量。無線傳感器網(wǎng)絡各節(jié)點間是沒有實際的鏈路連接的，只要兩個節(jié)點間的距離足夠近 (在適于無線通信的范圍 )，那么即使背景流量再大也不會影響節(jié)點間的正常通信；而如果節(jié)點間距離超出了這個范圍時，節(jié)點間將無法進行通信 。所以在研究無線傳感器網(wǎng)絡流量模型時，我們注重的是對它的前景業(yè)務流量進行分析與研究，所以在之前我們已經假設該網(wǎng)絡已經通過使用某種流量控制軟件 Netmetrix加載了一定的背景流量文件，通過下文介紹我們便知道，這個背景流量文件就是。 所以，在這里我們可以近似將此處的網(wǎng)絡看成一個總線型的 10BaseT Lan。 按照以上分析并結合 OPNET 建模機制建立了如圖 41 所示的流量模型。河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 25 圖 41 (2)導入系統(tǒng)的流量文件。單擊工程編輯器里的 Traffic，選擇 Import Conversation Pairs 子菜單，然后選擇 From Agilent NetMetrix 導入 OPNET 自帶的流量文件 ，其中需要注意的地方是流量合并類型選擇Maximum 最大模式，即當 OPNET 遇到對同一對節(jié)點的不同的流量說明的時候，OPNET 將選擇比較大的流量值來指定給這一對節(jié)點，這也是使用中最廣泛的一種模式。 現(xiàn)在網(wǎng)絡的背景路由流量已經導入到網(wǎng)絡中了，這些流量只代表著一段時間的業(yè)務量，它通常是選擇比較典型的時間來測量的，但是有時候會出現(xiàn)暫時的業(yè)務沖擊，對于這種情況下網(wǎng)絡性 能的分析可以采用增加背景流量的百分比來觀察網(wǎng)絡的性能。 在配置完上述基準背景流量后，為了便于分析和觀測，需要配置一些典型的網(wǎng)絡應用，這里以常見的 FTP 業(yè)務為例介紹。在 OPNET 仿真平臺之上 進行流量模型的建模和仿真， 一般 需要經過 應用定義 (Application Definitions)和描述定義 (Profile Definitions)兩個步驟。 下面兩節(jié)中將詳細配置 Application 和Profile 屬性。河海大學工學學士學位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 26 Application Configu