基于 拓撲結構的建模與仿真 設計方案 一、實驗目的 拓撲結構的建模與仿真 二、 實驗要求 建網(wǎng)絡拓撲 析網(wǎng)絡的性能 操作系統(tǒng)： 003/機 網(wǎng)絡模擬器： 、實驗內容 述 1）版本： ） i） 史和現(xiàn)狀 省理工學院），成立于 1986年。 1987年 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。 對于網(wǎng)絡的設計和管理，一般分為 3個階段： 第 1階段為設計階段：包括網(wǎng)絡拓撲結構的設計，協(xié)議的設計和配置以及網(wǎng)絡中設備的設計和選擇； 第 2階段為發(fā)布階段：設計出的網(wǎng)絡能夠具有一定性能，如吞吐率、響應時 間等等。 第 3階段為實際運營中的故障診斷、排錯和升級優(yōu)化。 可以作網(wǎng)絡的設計，也可以作為發(fā)布網(wǎng)絡性能的依據(jù)，還可以作為已投入運營的網(wǎng)絡的優(yōu)化和故障診斷工具。 宗旨是為了 &D（加速網(wǎng)絡研發(fā)）。 次化的網(wǎng)絡模型。使用無限嵌套的子網(wǎng)來建立復雜的網(wǎng)絡拓撲結構。 簡單明了的建模方法。 為 3個層次：進程（ 次、節(jié)點（ 次以及網(wǎng)絡（ 次。在進程層次模擬單個對象的行為，在節(jié)點層次中將其互連成設備，在網(wǎng)絡層次中將這些設備互連組成網(wǎng)絡。幾個不同的網(wǎng)絡場景組成 項目 ，用以比較不同的設計方案。這也是 種機制有利于項目的管理和分工。 有限狀態(tài)機。在進程層次使用有限狀態(tài)機來對協(xié)議和其他進程進行建模。在有限狀態(tài)機的狀態(tài)和轉移條件中使用 C/C+語言對任何進程進行模擬。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細程度。有限狀態(tài)機加上標準的 C/C+以及 00多個庫函數(shù)構成了 語言。 對協(xié)議編程的全面支持。支持 400多個庫函數(shù)以及書寫風格簡潔的協(xié)議模型。此對于很多協(xié)議，無需進行額外的編程。 系統(tǒng)的完全開放性。 戶可以根據(jù)自己的需要對源碼進行添加和修改。 高效的仿真引擎。使用 仿真的效率相當高。 集成的分析工具。 可以輕松刻 畫和分析各種類型的曲線，也可將曲線數(shù)據(jù)導出到電子表格中。 動畫。 得仿真平臺具有很好的演示效果。 集成調試器。快速地驗證仿真或發(fā)現(xiàn)仿真中存在的問題， 源代碼調試。方便地調試由 +源代碼。 3) 軟件安裝 4) 軟件使用 i) 啟動軟件 所示： 重要概念： 項目與場景（ 項目 的方法對網(wǎng)絡建模。 項目（ 是一套場景的集合，用來探索網(wǎng)絡設計的不同方面。一個項目至少包含一個場景。 場景（ 是網(wǎng)絡的一個實例。通常一個場景代表網(wǎng)絡的一套配置，例如拓撲、協(xié)議、應用、流量以及仿真設置。 子網(wǎng)（ 網(wǎng)和 P 的子網(wǎng)不是同一個概念。 子網(wǎng)是將網(wǎng)絡中的一些元素抽象到一個對象中去。子網(wǎng)可以是固定子網(wǎng)、移動子網(wǎng)或者衛(wèi)星子網(wǎng)。子網(wǎng)不具備任 何行為，只是為了表示大型網(wǎng)絡而提出的一個邏輯實體。 節(jié)點（ 節(jié)點通常被看作設備或資源，由支持相應處理能力的硬件和軟件共同組成。數(shù)據(jù)在其中生成、傳輸、接收并被處理。 含三種類型的節(jié)點：第一種為固定節(jié)點，例如路由器、交換機、工作站、服務器等都屬于固定節(jié)點；第二種為移動節(jié)點，例如移動臺，車載通信系統(tǒng)等都是移動節(jié)點；第三種為衛(wèi)星節(jié)點，顧名思義是代表衛(wèi)星。 鏈路（ 鏈路有 3種類型，點對點的鏈路、總線鏈路以及無線鏈路。 模塊 (仿真 (對于某 個協(xié)議的仿真，可能因為其涉及的事件及其相互的聯(lián)系非常龐大，造成建模的困難，這時我們把該協(xié)議分解成一系列的協(xié)議行為，對這些行為單獨建模后通過有限狀態(tài)機把它們聯(lián)系起來后便形成一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以稱之為模塊，它將抽象的協(xié)議直觀化。而仿真是基于一系列模塊的一組實驗，它反映模塊和模塊之間的互相作用關系。 對象 用戶 對象識別號系統(tǒng)分配的，全局唯一，整數(shù)。 節(jié)點模型（對象的一種）的一個屬性，由用戶設置，可以不唯一。 目前，公司在辦公樓的第一層有一個星型拓撲的網(wǎng)絡，現(xiàn)在要在第二層增加另一個星型拓撲網(wǎng)絡。這時一個典型的 題，所要解決的是確保增加的網(wǎng)絡不會導致整個網(wǎng)絡的連通失敗，如圖 2所示： ：創(chuàng)建新的項目和場景 1) 打開 2) 從 單中選擇 .。 3) 從彈出的下拉菜單中選擇 單擊 4) 單擊 鈕 , 出現(xiàn)開始向導，創(chuàng)建新的背景拓撲圖，如圖 4所示 : 圖 4. 開始向導：創(chuàng)建新的背景拓撲圖 5) 單擊 定網(wǎng)絡的范圍，如圖 5所示： 圖 5. 開始向導：選擇網(wǎng)絡范圍 6) 單擊 定網(wǎng)絡的大小，如圖 6所示： 圖 6. 開始向導：指定網(wǎng)絡大小 7) 單擊 擇 帶的對象模型家族種類，如圖 7所示 : 圖 7. 開始向導：選擇對象模型家族種類 8) 單擊 次確認環(huán)境變量，如圖 8所示： 圖 8. 設置完畢的開始向導 9) 單擊完成，這時出現(xiàn)大小和規(guī)格如同所指定的工作空間，同時彈出一個對象模板（包含剛剛選定的對象模型家族的所有模型），如圖 9所示： 通過對象模板中的節(jié)點和鏈路模型來創(chuàng)建網(wǎng)絡模型。 節(jié)點模型：代表實際的設備。 鏈路模型：代表連接設備的物理媒質，可以是電纜或者光纜。 可以通過對象模板中的圖標直觀地看出節(jié)點模型和鏈路模型?？梢允褂靡韵氯N方法之一創(chuàng)建網(wǎng)絡拓撲： 導入拓撲圖。 從對象模板中選擇模型并放置在工作空間中。 使用快速拓撲配置工具（ 圖 9. 工作空間和對象模板 驟 2：創(chuàng)建網(wǎng)絡拓撲 配置下拉列表中選擇 擊 .，如圖 11 所示： 圖 11. 接下來需要為網(wǎng)絡指定節(jié)點模型和鏈路模型： 標準模型的命名規(guī)則為： _.模型用到的協(xié)議，可能同時用到幾個協(xié)議 代表模型的大致功能 模型派生類 別。 選擇中心節(jié)點模型為 3是 3司的交換機。 選擇周邊節(jié)點模型為 設置節(jié)點個數(shù)為 30。 選擇鏈路模型為 10指定網(wǎng)絡在工作空間中放置的位置：設置中心的 X 和 Y 軸坐標為 25，設置局域網(wǎng)的半徑范圍為 20。 設置好單擊 鈕，如圖 12所示： 圖 12. 快速拓撲配置對話框 項目編輯器中出現(xiàn)如圖 13所示的網(wǎng)絡拓撲。 圖 13. 快速拓撲配置后的網(wǎng)絡模型 接下來，需要擴展這個網(wǎng)絡，首先增加一個服務器。這時將用到第二種創(chuàng)建網(wǎng)絡模型的方法：在對象模板中選擇模型并放置在工作空間內。 打開對象模板，找到 象，并將它放置在工作空間中。 圖 14. 從對象模板中添加 象 接下來，需要連接服務器和星型網(wǎng)絡： 在對象模板中找到 10路對象。 在服務器上單擊鼠標左鍵，移動光標，再單擊星型網(wǎng)絡的中心節(jié)點。 這時出現(xiàn)連接兩個節(jié)點對象的鏈路。 單擊鼠標右鍵結束鏈路創(chuàng)建。 圖 15. 連接服務器和星型網(wǎng)絡 最后需要為網(wǎng)絡配置業(yè)務，包括應用定義（ 業(yè)務規(guī)格定義（ 設置業(yè)務涉及的內容較復雜，本例程不作要求，因此模板中應用定義對象和業(yè)務規(guī)格定義對象的參數(shù)已經配置好（為 務），只要將他們放置在工作空間中即可。 在對象模板中找到 象并將其放置在工作空間中。 單擊右鍵，光標重新移到對象模板中，單擊 將其放置在工作空間中，單擊鼠標右鍵。 關閉對象模板。 圖 16. 配置完畢的網(wǎng)絡模型 ：收集統(tǒng)計信息 1) 打開節(jié)點模型編輯器和進程模型編輯器。 用三層建模機制，最底層為進程 (型，以狀態(tài)機來描述協(xié)議；其次為節(jié)點 (型，由相應的協(xié)議模型構成，反映設備特性；最上層為網(wǎng)絡模型。三層模型和實際的網(wǎng)絡、設備、協(xié)議層次完全對應，全面反映了網(wǎng)絡的相關特性。 每個網(wǎng)絡對象（鏈路除外）都是一個節(jié)點模型，它由一個或多個模塊 (組成，模塊與模塊之間通過包流 (狀態(tài)線相連。而模塊實際上為進程模型，它通過狀態(tài)轉移圖 (描述模塊的行為。 現(xiàn)在讓我們來看看第一層網(wǎng)絡服務器的結構： 在項目編輯器中鼠標雙擊 務器節(jié)點），這時打開一個新的節(jié)點模型編輯器窗口，如圖 17所示： 圖 17為以太網(wǎng)服務器的內部結構，它由幾個模塊以及連接模塊的包流和狀態(tài)線組成。在仿真過程中，來自客戶端的數(shù)據(jù)包被收信機 收，然后由下至上穿過協(xié)議棧到 塊。經過處理后，又沿原路返回至發(fā)信機后被傳輸?shù)娇蛻舳?，如圖 18 所示： 圖 18. 包的輸入輸出接口模塊收發(fā)機 接下來，我們來看看傳輸適應層 塊的內容。 在節(jié)點模型編輯器中的 塊上雙擊鼠標，打開一個新的進程模型編輯器，如圖 19所示： 圖 19. 在 態(tài)的上半部雙擊鼠標，打開它的入口代碼。 在 態(tài)的下半部雙擊鼠標，打開它的出口代碼。 進程中的每個狀態(tài)（圖中紅色的或綠色的圓圈）都包含一個入口代碼（ 一個出口代碼（ 它們由 C/C+代碼組成。入口代碼在進入狀態(tài)時執(zhí)行，出口代碼在離開狀態(tài)時執(zhí)行，如圖 20所示： 圖 20. 態(tài)的入口執(zhí)行代碼和出口執(zhí)行代碼 關閉這兩個代碼窗口。 狀態(tài)與狀態(tài)之間通過轉移線 連。轉移線可以是帶條件的（必須滿足條件才能轉移）或者無條件的（直接轉移）。圖 21包含兩條轉移線，一條是從態(tài)到 態(tài)的條件轉移線（虛線表示）。虛線中間的 件必須滿足， 態(tài)才能轉移到 態(tài)。然而，從 態(tài)到 態(tài)的轉移（實線表示）是無條件的， 因此當執(zhí)行完 態(tài)的代碼后立即轉移到 態(tài)。 圖 21. 狀態(tài)之間的條件轉移 關閉節(jié)點和進程模型編輯器。 2) 收集統(tǒng)計量 在網(wǎng)絡模型中可以對單個對象收集統(tǒng)計量（ 也可以對整個網(wǎng)絡收集全局統(tǒng)計量（ 到現(xiàn)在為止，已經建好了網(wǎng)絡模型，現(xiàn)在要根據(jù)實例要求解決的問題決定收集哪些統(tǒng)計量： a) 服務器有能力處理擴展網(wǎng)絡的額外業(yè)務負載嗎？ b) 一旦與擴展網(wǎng)絡連接，整個網(wǎng)絡的延時性能還能夠接受嗎？ 為了找到這些問題的答案，需要選擇一個對象統(tǒng)計量： 一個全局統(tǒng)計量： 服務器負載（ 整個網(wǎng)絡的性能瓶頸。下面來收集與服務器負載相關的統(tǒng)計量： a) 在服務器節(jié)點（ 單擊鼠標右鍵，從彈出的菜單中選擇 時出現(xiàn) 選擇統(tǒng)計量對話框，如圖 22所示（統(tǒng)計量對話框以樹型結構顯示統(tǒng)計量，可以清楚地了解它們的隸屬關系）。 b) 單擊 擇 計量，如圖 22。 c) 單擊 閉對話框。 圖 22. 選擇結果統(tǒng)計量 全局統(tǒng)計量可以用來收集整個網(wǎng)絡的信息。下面，我們通過選擇全局 計量來查看整個網(wǎng)絡的延時性能。 d) 在網(wǎng)絡編輯器的工作空間（避免指到對象）上單擊鼠標右鍵，從彈出的菜單中選擇 23。 e) 單擊 型結構，找到并點開 點統(tǒng)計量，圖 24。 f) 選中 計量，圖 24。 g) 單擊 鈕關閉對話框。 圖 23. 設置網(wǎng)絡全局統(tǒng)計量 圖 24. 選擇網(wǎng)絡全局延時統(tǒng)計量 ：運行仿真 下面，可以準備運行仿真了。 1) 首先，需要確定 a) 在 單中選擇 b) 在查找文本框中輸入 單擊 鈕 ,圖 25。 c) 在彈出的對話框的左下角單擊 鈕，在文本框中輸入 后回車 ,圖 26、 27。 d) 單擊 閉 話框。 圖 25. 確定 圖 26. 編輯 圖 27. 設置 化仿真核心： 仿真核心有 試）和 化）兩種。調試狀態(tài)的仿真核心會收集仿真信息，這些信息可用來調試模塊。而優(yōu)化仿真核心使運行速度加快。系統(tǒng)缺省為 設置優(yōu)化仿真的方法如下： 在 單中選擇 查找文本框中輸入 擊 鈕。將對應的 置為 2) 接下來運行仿真： a) 在 單中選擇 .，或者在工具欄中選擇運行仿真按鈕。 b) 將仿真時間 置為 模擬執(zhí)行半小時的仿真，如圖 28所示。 圖 28. 配置仿真參數(shù) c) 單擊 鈕運行仿真。 圖 圖 29. 仿真結束 d) 運行完畢后單擊 鈕關閉對話框。 ：查看結果 可以從項目編輯器中彈出的菜單中選擇 看結果。 1) 查看服務器 果： a) 在服務器節(jié)點（ 單擊鼠標右鍵，從彈出的菜單中選擇 時出現(xiàn)查看結果對話框，如圖 30所示。 b) 然后選中 圖 30. 查看結果 c) 單擊 鈕，這時在項目編輯器上出現(xiàn)如圖 31所示的結果。 圖 31. 網(wǎng)絡負載結果 不同的實驗曲線走勢應該是大致相同，當然具體的取值會因為節(jié)點放置的位置和鏈路長度不同而有微弱的差別。 注意到負載最大值為 7,000 個場景是我們想得到的值，用它和后面擴展網(wǎng)絡后的結果進行比較，關閉對話框。 2) 現(xiàn)在來查看 結果，這是一個全局統(tǒng)計量： 在工作空間中單擊鼠標右鍵，從彈出的菜單中選擇 選擇 然后單擊 鈕。 注意到網(wǎng)絡收斂時的延時大約為 秒，如圖 32所示。 圖 32. 網(wǎng)絡延時結果 ：復制場景并擴展網(wǎng)絡 現(xiàn)在已經創(chuàng)建了一個基本的網(wǎng)絡，并且收集了相關結果。現(xiàn)在可以擴展該網(wǎng)絡并且驗證在增加額外負載下，網(wǎng)絡仍然能夠很好地工作。 為了保留剛才的網(wǎng)絡場景，以便和擴展的網(wǎng)絡場景的仿真結果相比較，需要復制場景： 1）在 單中選擇 .。 2）命名新的場景為 3）單擊 鈕。 這時出現(xiàn)和剛才網(wǎng)絡模型一模一樣的場景。 接下來，需要構建網(wǎng)絡的另一部分。 4）從 單中選擇 5）從配置下拉列表中選擇 擊 .。 選擇中心節(jié)點模型為 3 選擇周邊節(jié)點模型為 設置節(jié)點個數(shù)為 15。 選擇鏈路模型為 10 指定網(wǎng)絡在工作空間中放置的位置：中心的 X 軸坐標為 75 和 Y 軸坐標為 域網(wǎng)的半徑范圍為 20。 6）設置好以后單擊 鈕，這時項目編輯器中出現(xiàn)另一個局域網(wǎng)。 連接這兩個局域網(wǎng)： 7）單擊對象模板工具按鈕。 8）選中 514 路由器并將它放置在兩個局域網(wǎng)之間。單擊鼠標右鍵結束放置。 9）在對象模板中選中 10路圖標，在項目編輯器中分別連接 由器），以及 10）單擊鼠標右鍵。 11）關閉對象模板。 12）在 單中選擇 存 項目。 這時整個網(wǎng)絡建好了，如圖 33所示。 圖 33. 擴展后的網(wǎng)絡模型 ：再次運行 現(xiàn)在可以運行仿真了。 1）在 單中選擇 .，或者在工具欄中選擇運行仿真按鈕。 2）將仿真時間 置為 模擬執(zhí)行半小時的仿真。 3）單擊 鈕運行仿真。 4）運行完畢后單擊 鈕關閉對話框。 ：比較結果 為了回答最開始提出的問題，需要將這兩個網(wǎng)絡的仿真結果進行比較： 1）比較服務器負載： i）在服務器節(jié)點（ 單擊鼠標右鍵從彈出的菜單中選擇 中 選中兩個場景， 果統(tǒng)計量，并在比較結果對話框的左下角的下拉列表中選擇 圖 34所示。 圖 34. 比較負載結果 擊 看比較的結果。 圖 35中曲線抖動很厲害，為了更加清楚兩條曲線的走勢，我們可以改變結果的收集模式，從