1、網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)及其應(yīng)用宋毅網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的產(chǎn)生背景 目前，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計一般采用的是經(jīng)驗、試驗及計算等傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法,其中，經(jīng)驗這一方法最為簡便易行，不過其成效在很大程度上依賴于規(guī)劃設(shè)計者具有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計經(jīng)驗，其設(shè)計結(jié)果中的主觀性成分比較突出。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單、網(wǎng)絡(luò)流量不大的時候，以經(jīng)驗為主、輔之以試驗和數(shù)學(xué)計算等手段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計還是可行的，這是因為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者一般都具有比較豐富的中小型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計經(jīng)驗和教訓(xùn)，而且網(wǎng)絡(luò)較小時，網(wǎng)絡(luò)試驗和數(shù)學(xué)估算比較容易進(jìn)行，其結(jié)果也比較可信。因此，以經(jīng)驗為主的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法被廣泛地使用。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的產(chǎn)生背景不過，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大、網(wǎng)元

2、類型不斷增多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙遮厪?fù)雜、網(wǎng)絡(luò)流量紛繁交織時，以經(jīng)驗為主的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的弊端就越來越顯現(xiàn)出來了。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計者相對來說缺乏大型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計經(jīng)驗，因此在設(shè)計過程中主觀的成分更加突出。一般情況下，不可能在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計階段開展與擬建網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？杀鹊木W(wǎng)絡(luò)試驗來獲得設(shè)計所需的依據(jù)，小規(guī)模的試驗是可行的，但是其結(jié)果受試驗規(guī)模的限制，不能充分滿足規(guī)劃設(shè)計的需要。數(shù)學(xué)計算和估算方法對于大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用往往是非常困難的，得到的結(jié)果的可信性也是比較低的,特別是對于包交換、統(tǒng)計復(fù)用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，情況更是如此。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的產(chǎn)生背景因此，隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)充，越來越需要一種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計手段來提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的客觀性和設(shè)

3、計結(jié)果的可靠性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)正是在這種需求拉動下應(yīng)運而生的。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)以其獨有的方法能夠為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的概念 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計模型, 并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸, 從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。由于仿真不是基于數(shù)學(xué)計算, 而是基于統(tǒng)計模型，因此，統(tǒng)計復(fù)用的隨機(jī)性被精確地再現(xiàn)。它以其獨有的方法為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險。 網(wǎng)絡(luò)仿

4、真技術(shù)的特點 首先，網(wǎng)絡(luò)仿真能夠為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)能夠迅速地建立起現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的模型，并能夠方便地修改模型并進(jìn)行仿真，這使得網(wǎng)絡(luò)仿真非常適用于預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的性能，回答“WHATIF”這樣的問題。 其次，網(wǎng)絡(luò)仿真能夠驗證實際方案或比較多個不同的設(shè)計方案。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計過程中經(jīng)常出現(xiàn)多個不同的設(shè)計方案，它們往往是各有優(yōu)缺點，僅憑主觀判斷，很難作出正確的選擇，因此如何進(jìn)行科學(xué)的比較和取舍往往是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者們感到頭疼的事。網(wǎng)絡(luò)仿真能夠通過為不同的設(shè)計方案建立模型，進(jìn)行模擬，獲取定量的網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測數(shù)據(jù)，為方案的驗證和比較提供可靠的依據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù) Vs. 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計經(jīng)驗方法試

5、驗方法計算方法網(wǎng)絡(luò)仿真可靠性不確定高低較高實現(xiàn)成本不確定高低中可實現(xiàn)性高低高中適用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中、小大型困難小大型困難中、小中、大網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù) Vs. 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在實際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，可以遵循以下的基本原則來綜合使用這幾種設(shè)計方法:依據(jù)經(jīng)驗和計算進(jìn)行初步的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計。對于經(jīng)驗和計算難以確定的問題，建立網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，通過仿真獲取必要的設(shè)計依據(jù)。如果需要且條件許可的話，可以搭建小型試驗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行試驗，對設(shè)計或仿真結(jié)果作進(jìn)一步的驗證。對于多個不同的設(shè)計方案，建立各自的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行必要的仿真，為方案的比較和選擇提供依據(jù)。最后還可以利用網(wǎng)絡(luò)仿真手段對完整的設(shè)計方案進(jìn)行驗證，檢查其是否能夠達(dá)到預(yù)定的技

6、術(shù)指標(biāo)和其他實際目的。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的主要應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的主要應(yīng)用從應(yīng)用的層次可以分為以下兩個方面：開發(fā)或評價新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的主要應(yīng)用從網(wǎng)絡(luò)類型來分則包括以下幾個方面：LAN/WANCellular TechnologiesWireless package messaging serviceWireless LAN technologiesTactical battlefield communication networksSatellite communication主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺 目前世界上的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件可以分為高端和低端兩類產(chǎn)品：高端產(chǎn)品一般具有

7、復(fù)雜的建模機(jī)制、比較完備的模型庫、完善的外部接口、強(qiáng)大的功能并能夠得到比較可靠的仿真結(jié)果，價位一般在數(shù)萬美元/每個用戶License左右，其主流產(chǎn)品基本上都來自美國公司，例如MIL3公司的OPNET、CACI公司的COMNET、UC Berkeley ns等。低端產(chǎn)品一般只有簡單的建模機(jī)制、較小的模型庫、簡單的外部接口，功能單一且仿真結(jié)果的可靠性較差，價位在數(shù)百至數(shù)千美元之間，比較知名的產(chǎn)品也大都產(chǎn)自美國，例如SES公司的Strategizer。主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺對于高端產(chǎn)品，不同產(chǎn)品的定位不同、采用的仿真技術(shù)也有很大差異，因此呈現(xiàn)出不同的特點，也有其各自不同的適用領(lǐng)域。COMNET采用數(shù)

8、學(xué)分析模擬方法，仿真效率很高，但是無法得到有關(guān)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議細(xì)節(jié)的結(jié)果。因此，COMNET適用于網(wǎng)絡(luò)高層性能的仿真。MIL3公司的OPNET綜合采用基于包的建模方法和數(shù)學(xué)分析的建模方法，既可以得到非常細(xì)節(jié)的模擬結(jié)果，也可以獲得比較快的仿真計算速度。UC Berkeley ns則特別適用于TCP層以上的模擬。 主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是目前世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺，近兩年被第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)（如NETWORK WORLD等）評選為“世界級網(wǎng)絡(luò)仿真軟件”第一名。下面就重點介紹OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件：OPNET OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是MIL3公司的產(chǎn)品, MIL3公司是由

9、MIT(麻省理工學(xué)院)的幾位教師在1986年創(chuàng)建的,他們把在MIT 的研究成果產(chǎn)品化,開發(fā)出了MIL3公司的第一個產(chǎn)品Modeler,并在隨后將其擴(kuò)充、完善為OPNET產(chǎn)品系列。目前，該產(chǎn)品系列主要包括以下四個產(chǎn)品：OPNETPlanner，亦稱IT DecisionGuru，是一個獨立的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計工具，不具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和協(xié)議建模功能，僅限于基于基本模型庫的網(wǎng)絡(luò)建模和模擬。 Planner 與HP OPENVIEW 中的NNM（Network Node Manager）和Netmetrix（Network Traffic Monitor System）有最緊密的接口，能夠自動地讀入網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)

10、構(gòu)和流量數(shù)據(jù)。而且，在最新的Netmetrix軟件中已經(jīng)將Planner OEM包括進(jìn)來，稱為Service Simulator。OPNETModeler，MIL3公司起家的拳頭產(chǎn)品，是一種功能十分強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)R&D仿真平臺，支持在網(wǎng)絡(luò)各個層次的設(shè)備、鏈路和協(xié)議的精確建模，并提供豐富的外界開發(fā)接口，同時還內(nèi)含Planner的全部功能。OPNETModeler/Radio，在Modeler的基礎(chǔ)上增加對無線和移動網(wǎng)絡(luò)仿真的支持，目前包括移動電話、衛(wèi)星、無線LAN等。OPNETOXD，利用“co-simulation”技術(shù)，在模型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中驗證硬件的設(shè)計。OPNETOPNET模型分為Network、

11、Node和Process三個層次（見后圖），分別在圖形界面的Project Editor、Node Editor和Process Editor工具中建立。OPNETOPNETOPNETOPNETNetwork模型是最高層次的模型，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（Node）和連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信鏈路（link）組成，由該層模型可直接建立起仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Node模型由協(xié)議Module和連接Module的各種connections組成，如物理接口Module、MAC Module、IP Module、Route Module、TCP Module、Application Module、packet stream、s

12、tatistic wires等等。每個Module 對應(yīng)一個或多個Process模型，Process模型由有限狀態(tài)機(jī)來描述，有限狀態(tài)機(jī)用C語言編程。用戶可以在上述三個層次的任何地方切入編程，建立所需的Network、Node或Process模型。OPNETOPNET提供了一個比較齊全的的基本模型庫(包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路)，主要包括：Ethernet, FDDI, TRTCP/IPATMFRPSTNCellular phonewireless networkClient/ServerOPNETOPNET采用基于包的建模機(jī)制（Simulation on packet level），模擬實際物理網(wǎng)絡(luò)中

13、packet的流動，包括在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的流動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部的處理過程，模擬實際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的組包和拆包的過程，可以生成、編輯任何標(biāo)準(zhǔn)的或自定義的packet格式，利用DEBUG功能，還可以在模擬過程中察看任何特定的packet的包頭（Header）和凈荷（Payload）的內(nèi)容。OPNETOPNET采用離散事件驅(qū)動的模擬機(jī)理（discrete event driven），其中“事件”是指網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，也就是說，只有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時，模擬機(jī)才工作，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不發(fā)生變化的時間段不執(zhí)行任何模擬計算，即被跳過。因此，與時間驅(qū)動相比，離散事件驅(qū)動的模擬機(jī)計算效率得到很大提高。OPNETOPNET具有豐富的

14、統(tǒng)計量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各個網(wǎng)絡(luò)層次的性能統(tǒng)計參數(shù)，并有多種統(tǒng)計參數(shù)的采集和處理方法，還可以通過底層網(wǎng)絡(luò)模型編程，收集特殊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。OPNET還有豐富的圖表顯示和編輯功能、模擬錯誤提示和告警功能，能夠方便地編制和輸出仿真報告。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟 1、收集和消化網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計文檔網(wǎng)絡(luò)仿真必須基于對仿真網(wǎng)絡(luò)的全面和深入的了解，主要包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)鏈路；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及其流量特性。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟 2、建立網(wǎng)元模型對于基本模型庫中已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口配置對現(xiàn)有模型進(jìn)行修改，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型；對于基本模型庫中沒有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，需要開發(fā)新

15、的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型；有時還需要針對不同的仿真需要，建立一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的多個不同的模型版本。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟 3、建立網(wǎng)絡(luò)模型建立網(wǎng)絡(luò)模型就是在所需的網(wǎng)元模型建立好后，依據(jù)仿真網(wǎng)絡(luò)，建立起網(wǎng)元模型之間的有機(jī)連接，從而將整個仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)映射為OPNET網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟 4、建立網(wǎng)絡(luò)流量模型OPNET中，網(wǎng)絡(luò)流量分為背景路由流量（Background routed traffic）、背景利用率流量（Background utilization traffic）和前景業(yè)務(wù)流量（Application traffic）。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟5、仿真設(shè)計和仿真計算選擇仿真過程中要收集的網(wǎng)

16、絡(luò)性能統(tǒng)計參數(shù)按統(tǒng)計參數(shù)的收集范圍可將其分為全局統(tǒng)計量（global statistics）和對象統(tǒng)計量（object statistics）；按統(tǒng)計量的類型則可分為統(tǒng)計數(shù)據(jù)（statistic data）與動畫數(shù)據(jù)（animation）。統(tǒng)計數(shù)據(jù)是一對數(shù)據(jù)值的集合，其中一項是自變量，另一項是因變量。通常情況下，自變量是仿真時間，因變量就是所要收集結(jié)果的統(tǒng)計量。動畫數(shù)據(jù)記載了網(wǎng)絡(luò)模型在仿真過程中的動態(tài)行為，如數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的流動過程等等。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟設(shè)計仿真序列選擇適當(dāng)?shù)姆抡鎱?shù)，在不影響仿真結(jié)果可用性及可靠性的前提下，盡可能提高仿真計算效率。仿真參數(shù)包括仿真時間（duration）

17、,統(tǒng)計量收集的數(shù)據(jù)個數(shù)，統(tǒng)計量原始數(shù)據(jù)的處理模式等，還可根據(jù)需要設(shè)定sim_efficiency、optimize_simulation等參數(shù)，以提高仿真效率。進(jìn)行仿真計算網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟6、查看、結(jié)果分析并提交仿真報告 比較仿真結(jié)果與實驗或測量結(jié)果，驗證模型和仿真方法的正確性；比較不同設(shè)計方案仿真結(jié)果；如果需要，改變網(wǎng)絡(luò)模型或者仿真參數(shù)，重復(fù)仿真過程；整理仿真結(jié)果，撰寫仿真報告。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的主要步驟以上是網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用中的典型流程，在實際操作中，一般不可能經(jīng)過一個仿真的流程就達(dá)到仿真的目的，而往往需要多次的反復(fù)，因此，上述步驟或其中的部分步驟會多次重復(fù)，具體的網(wǎng)絡(luò)仿真

18、流程需要根據(jù)具體的仿真需要和其他具體情況決定。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢 在國外，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)有10多年的歷史。過去網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)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)和研究院、所的研究和開發(fā)人員。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的操作相當(dāng)復(fù)雜，使用者一般需要半年左右時間的培訓(xùn)和熟悉才能夠熟練地掌握。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢近年來，由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日趨龐大，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計的需求日漸強(qiáng)烈。于是，網(wǎng)絡(luò)仿真軟件廠商今年來紛紛把應(yīng)用和開發(fā)重點轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計方面，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)計人員，簡化軟件界面和操作流程，強(qiáng)化軟件的工程應(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化，加快網(wǎng)絡(luò)建模的速度。OPNET與HP網(wǎng)管緊密結(jié)合就是一個典型的例子。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢不過，應(yīng)該指出，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計方面的應(yīng)用時間還不長，特別是在大型網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面