基于opnet的校园网网络规划和性能测试毕业论文.doc

目 录

1 引言 1
2 主流网络仿真软件的介绍和对比 1
2.1 GloMoSim,NS2和OPNET的介绍 1
2.1.1 GloMoSim 1
2.1.2 NS2 2
2.1.3 OPNET 2
2.2 NS2和OPNET的比较 3
3 分析校园网 3
3.1 实例分析 3
3.1.1 重庆工商大学校园网 3
3.1.2 三峡大学校园网 4
3.1.3 兰州大学校园网] 4
3.2 校园网的特点 5
4 仿真设计 6
4.1 需求是规划的基础 6
4.2 设计并建立拓扑 7
4.3 设置各模型属性 9
4.4 设置收集统计量 10
5 运行并调试仿真 10
5.1 运行仿真 10
5.2 查看结果 10
5.3 复制场景并修改网络设计 11
5.4 比较结果 13
6 结论 14
致谢 14
参考文献 15

基于OPNET的校园网网络规划和性能测试
摘 要 校园网是各种类型网络中一大分支，随着技术发展和网上教学等应用不断深入，其网络结构和规模也日趋复杂庞大，传统的以经验为主的新建或升级改造现有网络，无法有效的对网络流量，瓶颈，承载业务等性能进行评估。本文先从了解仿真技术和常用仿真软件开始，在分析了校园网特点后利用OPNET规划并建立了一个校园网络仿真模型，并针对流量特性进行性能测试，得到仿真结果，为校园网的建设提供了有效的参考数据。
关键词 网络仿真；OPNET；校园网规划；性能测试

Campus Network Planning and Performance Test Based on OPNET

Abstract Campus network is a major branch of various types network, With technological development and online teaching and so on in-depth applications, campus network structure and scale will be more lager day by day, The tradition by experiences primarily newly built or the promotion transformation existing network, not effectively evaluate on current traffic, bottleneck and performance. In this dissertation, we first start from the understanding simulation technology and the commonly used simulation software. After that we analyzed the campus network characteristic, and then use the OPNET to build the simulation model. Finally, it aims at the traffic load characteristics to carry on the performance test, presents the simulation results, provided the effective reference data for the campus network planning.
Key Words Network Simulation; OPNET; Campus Network Planning; Performance Tes
1 引言
目前，数据网络的规划和设计一般采用的是经验、试验及计算等传统的网络设计方法，其中，经验法最为简便易行，不过其成效在很大程度上依赖于规划设计者具有的网络设计经验，其设计结果中的主观性成分比较突出。当网络规模较小、网络拓扑结构比较简单、网络流量不大的时候，以经验为主、辅之以试验和数学计算等手段进行网络规划设计还是可行的。当网络规模越来越大、网元类型不断增多、网络拓扑日趋复杂、网络流量纷繁交织时，以经验为主的网络设计方法的弊端就越来越显现出来了。首先，网络规划设计者相对来说缺乏大型网络的设计经验，因此在设计过程中主观的成分更加突出；第二，一般情况下，不可能在网络设计阶段开展与拟建网络规模可比的网络试验来获得设计所需的依据，小规模的试验是可行的，但是其结果受试验规模的限制，不能充分满足规划设计的需要；第三，数学计算和估算方法对于大型复杂网络的应用往往是非常困难的，得到的结果可信性也是比较低的，特别是对于包交换、统计复用的数据网络，情况更是如此[1]。
随着学校教学和学生网上应用的增长，要规划和设计一个性能完善的校园网络，光靠理论计算或凭个人的组网经验是无法完成的。如果在真实的网络环境中进行性能研究、网络规划、设计和开发，不仅耗资大，而且在统计数据的收集和分析上也有一定困难。在实际工作中，往往通过网络仿真软件来模拟和估算其性能，通过模拟和仿真来调整一些网络参数以期达到最佳的使用效果[2]。
网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获取特定的网络特性参数的技术。数学建模包括网络建模(网络设备、通信链路等)和流量建模两个部分。模拟网络行为是指模拟网络流量在实际网络中传输、交换和复用的过程。网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等，由此既可以获取某些业务层的统计数据，也可以得到协议内部某些特殊的参数的统计结果。仿真软件所提供的仿真运行和结果分析功能使开发人员能快速、直观的得到网络性能参数，为优化设计或做出决策提供更便捷、有效的手段[3]。
2 主流网络仿真软件的介绍和对比
2.1 GloMoSim,NS2和OPNET的介绍
2.1.1 GloMoSim
GloMoSim仿真软件是由美国UCLA大学计算机系为DARPA开发的专门用于AdHoc网络仿真的一个仿真系统[4]。它是用基于C语言的并行仿真语言Parsec设计的，可以实现并行离散时间驱动仿真。新版本的GloMoSim 支持应用于单纯的无线网络协议，并采用了分层的方法，不同层之间使用标准的API进行通信，这样实现了AdHoc组网终端所需的基本协议栈层次。仿真的结果数据既可以用文本，也可用图形表述。目前GloMoSim提供了许多应用协议(包括CBR、FTP、Telnet等)、传输协议(TCP、UDP)、路由协议(AODV、flooding、DSR等)以及多种移动策略模型(random waypoint、random drunken等)。
GloMoSim的缺点在于其分层结构太严格，要实现跨层信息的应用就显得很困难。另外，其应用范围有限，主要应用于AdHoc网络。
2.1.2 NS2
NS2产生于1989年，由REAL网络仿真器发展而来，它是一种开放源代码的网络仿真软件，采用离散事件驱动机理的仿真平台。NS2开始只是应用于有线网络，后来卡耐基梅隆大学的Monarch项目组改进了NS2，使其可以用于MANET 和无线局域网。NS2的内核源码是用C语言来完成的，并通过OTCL语言编写仿真配置和脚本。模拟器可以实现两方面的工作：具体协议的模拟和实现；短时间内快速地开发和模拟出所需要的网络环境(scenarios)，并能方便地修改、发现、修复程序中的bug。在NS2中，应用一个新协议主要是通过添加用C++语言编写的协议函数和用OTCL编写的配置文件，然后用OTCL script来实现协议。由于使用了两种编程语言，使得对NS2的学习显得困难一些，其调试工作也有一定的难度[2]。
NS2的缺点在于：相对于不断更新的仿真器，提供的文档显得过时，而且帮助有限；其次，由于仿真器本身的不断升级，不同版本中模块的兼容性问题也很突出；另外，仿真没有配置网络环境并对仿真结果的数据进行图形化分析的工具；最后，当仿真节点数很多时(几百到几千个)，NS2就需要更多的内存资源，使得运行速度明显变慢。
2.1.3 OPNET
OPNET是美国OPNET Technologies Ins公司的商业软件。它采用基于包的建模机制（Simulationon Packet Level）和离散事件驱动的模拟机理（Discrete Event Driven），提供各种目的的研究工具，包括模型设计、仿真、数据收集和数据分析[3]。
OPNET强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术，除了能够模拟固定通信模型外，OPNET的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。同时，OPNET在新网络的设计以及对现有网络的分析方面都有卓越表现。它为通信协议和路由算法的研究提供与真实网络相同的环境。此外，功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效又直观的工具。OPNET的Modeler是专门用于可视化原型设计的软件，它的使用既方便了网络模型的建立，又减少了编程的工作量。
OPNET的特点[5,6]：
（1） 层次化的网络模型。使用无限嵌套的子网管理复杂的网络拓扑。
（2） 面向对象的建模方式。节点和协议可以通过在被建模时采用特定行为和相似功能的类。
（3） 清晰简单的建模方法。在“处理器层次”模拟单独对象的行为，在“节点层次”将其相互连接成设备，在“网络层次”用链路将这些设备连接组成网络。不同的网络场景组成“项目”以比较不同设计。
（4） 有限状态机建模。在过程层次中使用有限状态机来对协议和过程进行建模，用户可以使用C/C++语言来控制有限状态机的逻辑状态和转移细节。
（5） 全面支持协议编程。超过1000个仿真库可以轻松创建协议模型。
（6） 无线、点对点和多点连接。链路连接行为是开放和可编程的。准确的延时统计、可用性、位错误、吞吐量特性和自定义的链路都可以通过编程进行修改。
（7） 高级仿真平台。以高度优化连续性、完全平行的离散事件分解仿真过程。
（8） 集成的调试器。快速地验证仿真或发现仿真中存在的问题，即可使用自带的调试工具——OPNET Debugger，也可在Windows下和编程语言VC进行联合调试。
2.2 NS2和OPNET的比较
目前在科学研究中用得最多的是NS2和OPNET两个仿真软件，下面对他们进行对比[7]。
（1） OPNET与NS2的关系有点像Windows和Linux的关系，它们分别是在这两个环境下（OPNET在Windows，NS2在Linux）安装使用最匹配。
（2） OPNET是商业软件，所以界面非常好。功能上很强大，界面错落有致，统一严格。操作也很方便，对节点的修改主要就是对其属性的修改。是优点也是其缺点，如果需要特殊的节点或很适合自己的节点就不如NS2方便。同时，由于是商业软件所以版本推出不如NS2快。
（3） NS2是自由软件，免费，这是与OPNET相比最大的优势，因此它的普及度较高，是OPNET强有力的竞争对手。
（4） NS2界面不如OPNET，虽然功能也很强大，但比较零散，初学不容易上手。OPNET操作上比较方便，但由于不是同一公司开发，格式上不统一。
3 分析校园网
3.1 实例分析
3.1.1 重庆工商大学校园网[8]
该校网络设计采用多级星形拓扑结构，从核心交换到数据中心和兰花湖片区的汇聚交换上都采用了两对光纤，并利用Spanning Tree Protocol构成链路上的冗余。此设计中不足在于只有一台核心交换，造成对核心交换的依赖，一旦出现意外故障，将导致整个校园网的中断，如图1所示：

图 1 重庆工商大学校园网拓扑

3.1.2 三峡大学校园网[9]
该校网络骨干采用千兆以太网技术，核心采用两台3Com Switch 4007高性能千兆交换机，之间通过两条千兆光纤链路相连，不但互为备份，提高可靠性，还通过Trunk技术增加两台核心交换机之间的带宽。在网络结构上又采用了双链路、双核心交换设备、双路由备份等可靠有效的措施，使网络具有了极高的可用性，其拓扑如图2所示。

3.1.3 兰州大学校园网[10]
该设计方案充分利用了整个平台的核心交换和汇聚交换，强调组合路由和交换，不仅实现校园网内所有教学楼、行政办公、学生宿舍等全部联网，还可保证整个校园网内部网络用户高速、安全接入，对一些非法用户进行拒绝。在路由策略中采用静态路由设置、支持RIP协议，并采用开放最短路经优先（OSPF）动态路由协议构成路由上的冗余。四台核心交换机之间采用环状连接构成校园网络核心交换层，保证了网络的健壮性。其拓扑如图3所示。

图 2 三峡大学校园网拓扑

图 3 兰州大学校园网拓扑

3.2 校园网的特点
从上面的例子我们可以看到，校园网不仅是一个满足数字、语音、图形图象等多媒体信息，以及综合科研信息传输和处理需要的综合数字网，还要能符合多种网络协议，体系结构符合国际标准(如TCP/IP)，同时能兼容已有的网络环境[11]。其特点有：
（1） 网络负荷大、数据类型多：网络教学的视频点播，软件及资料下载，BT等点对点技术的大量应用，以及OA、MIS等各种要求一定响应速度的数据服务，使网络带宽的利用率很高，并且要能保证很高的服务质量。
（2） 管理和维护工作量大：校园网建成，在教学、办公和学生区的网络利用率都会不断提升，瓶颈问题将凸现，尤其还容易出现IP地址盗用等管理难题，维护任务将十分艰巨。
安全问题突出：在校园网内和公共网络中将可能传输一些相当重要的信息或数据。而黑客、木马、病毒等危险因素也时时潜伏在校园网中，或造成重要数据的窃取；或造成病毒泛滥堵塞网络。另外，在学生中出于学习和好奇的心理，还容易出现扫描、探测等行为，需要建立一系列安全防范措施，以保证网络安全。

因此，校园网的规划设计要满足以下几个方面[11,12,13,14]：
（1） 可靠性。网络必须能保证长期稳定连续的运行，需要有骨干线路的冗余备份、核心设备的冗余备份和电源冗余备份等。确保在发生网络故障后能迅速恢复。否则所带来的后果不仅是教学时间上的损失，还可能会影响学院的声誉和形象。
（2） 先进性。技术上的先进性将保证处理数据的高效率、系统工作的灵活性、网络的可靠性，同时也使系统的扩充和维护变得十分简单。支持线速转发，具备高密度的千兆或万兆端口，硬件实现ACL、QoS、组播等功能。
（3） 开放性和可扩展性。包括背板带宽、交换容量、转发能力、管理软件和网络整体结构，以及技术的开放性和对相关协议的支持等方面，来保证未来3～5年的发展需要。
（4） 可管理性。具备拓扑发现，网络管理基于SNMP，并支持RMON和RMON2，以及标准的 MIB。利用图形化的管理界面和简洁的操作方式。
（5） 安全性。严格控制内部网络、内部网络与外部网络之间的互连，通过VLAN划分及三层交换策略、防火墙实现对访问资源的控制，利用网络版反病毒软件进行统一的病毒监测和查杀。
4 仿真设计
本文将使用OPNET Modeler创建一个符合一般特点的校园网络，收集反映网络性能的统计结果，运行仿真，并分析这些结果解决网络中存在的问题。
4.1 需求是规划的基础
按照功能，整个校园网被划分成办公网、教学网和宿舍网三大部分，每一部分又被划分到一个或几个虚拟网中。办公网包含了行政及各系科办公室的大部分信息点；教学网由教学楼、电子图书馆、多媒体教室、实验室机房等组成；宿舍网占据了网络信息点的相当一部分，覆盖全校每间学生宿舍，按寝室大小布置两至五个信息点。考虑到技术的发展和技术的可行性，结合设备的性能特点和应用优势，通过对校园网网络整体结构的分析，将整个校园网划分成3个层次：校园网核心层、楼栋汇聚层、楼栋接入层。再通过对FTP、HTTP和MAIL这三种较为常见的服务的流量进行仿真，观察链路上的负载和各设备的吞吐能力，得出本次网络规划是否可行依据。初始设计拓扑如图4所示：

图 4 初始设计拓扑图

4.2 设计并建立拓扑
本次仿真将忽略各工作组及接入计算机的细节，使用相同的工作组模型作为最终接入端。仿真的注意力主要集中在流量在通过各层设备时的影响和吞吐能力。
首先在OPNET中创建一个新的项目和一个新的场景，在向导中设置网络拓扑类型为校园网，添加所有对象模型。通过对象模板中的节点和链路模型创建如图5所示拓扑，四个子网区域分别为核心区（Core），2个学生区（StuArea1，StuArea2）和教学行政区（Teaching&Office）。
在核心区子网，核心交换机作为整个校园网的“心脏”，直接决定了整个园区网络的性能和功能水平[15]。如图6所示，使用Cisco6506做核心交换机，不仅具有每秒数亿个数据包处理能力，还能借助冗余路由与转发引擎之间的故障切换功能提高网络正常运行时间[16]。再分别使用标准服务器模型，UNIX服务器和WinNT服务模型做邮件、web和FTP服务，在属性中分别设为Heavy负载。各服务器与核心交换机之间使用百兆线路直接连接（由于使用OPNET版本及模型授权的限制，此服务器模型不支持千兆）。

图 5 整体网络拓扑

图 6 核心区子网拓扑

再进入学生区子网，创建以Cisco4006为汇聚层，Cisco3550为接入层的拓扑，之间采用千兆线路。各接入层下分别用百兆线路连接100个客户端和200个客户端的工作组模型。如图7所示：

图 7 学生区子网拓扑

一般情况下，办公区和教学区流量远小于学生区的流量，且分散在各教学楼中，不如学生区那么集中。而在本次仿真主要观察的是流量特性，故仅使用Cisco3550直接做接入层上连核心交换机，并使用有限的几个局域网，如图8所示：

图 8 教学及办公区子网拓扑

建立完所有拓扑和连接，使用Verify Links工具进行链路连通性检查。
4.3 设置各模型属性[17,18,19]
编辑应用定义（Application definition）属性为默认；业务规格定义（Profile definition）设置为同时并发FTP、HTTP和MAIL三种业务，如图9所示：

图 9 设置业务规格定义属性

选中14个千兆链路，定义其背景流量（Background Load），如图10所示：

图 10 设置背景流量

最后再定义各局域网业务，使各局域网模型能运行在前面Profiles中设置的3个业务，如图11所示：

图 11 定义各局域网模型应用服务

4.4 设置收集统计量
根据不同的用途，可以对网络的多种参数进行测量，包括时延、丢包率、链路的容量和带宽、流量、连接的平均持续时间、网络拓扑等等[20]。结合作者在学校网络技术中心一年多实习的经验，下面就要定义收集哪些统计量。
在OPNET中使用Probe Model探针模型来收集统计量，并自动从进程模块中衍生出需要被统计的节点状态（Node Statistics）名称[21]，所以这里勾选以下的统计功能键。
在三个服务器模型上选择IP Interface、Server和TCP三个统计量；
在Cisco6506和Cisco4006上分别选择CPU和IP Interface两个统计量；
在局域网模型上选择Client、IP Interface、LAN、TCP、TCP Connection共五个统计量；
最后还有全局统计量，选择EMAIL、FTP、HTTP、Ethernet、IP、TCP、throughput、utilization共8个统计量。
5 运行并调试仿真
5.1 运行仿真
至此仿真设计部分就全部完成，保存仿真项目。接下来就要运行仿真。打开仿真运行配置（Configure/Run Discrete Event Simulation）。仿真运行时间Duration设置为2000秒；仿真随机种子数Seed反映的是仿真随机过程的状态，这里设置为500，其他参数默认，开始运行仿真。
5.2 查看结果
仿真经过近1个小时的运行，完成后查看仿真结果。如图12所示。
整个以太网的延时在初期随着流量增长而迅速上升，并迅速趋于稳定；TCP的延时在整个网络趋于稳定后，也呈指数平稳下降。
再看到MAIL和FTP在链路上的的速率，如图13所示，发送和接受的速率均趋于稳定。HTTP服务的响应时间也仅呈微小的上升趋势。

图 12 局域网和TCP延时的统计

图 13 MAIL、FTP和HTTP统计结果

5.3 复制场景并修改网络设计
虽然各项统计分析结果都趋于稳定，但此设计可能并不是最佳的。为了保留刚才的场景，以便和改进后的仿真结果相比较，复制场景并命名为Scenarios2。
编辑新场景，在核心区添加一台Cisco6509做为第二个核心，与Cisco6506之间用两条千兆线路互连，设置这两条链路仅使用OSPF协议，区域ID为40，如图14所示：

图 14 改进后的核心区

将接至Cisco6506上的两条学生区千兆线路接到Cisco6509上，设置为RIP静态路由；在两个学生区的汇聚层交换机上添加两条PPP链路互连，使用OSPF协议，区域ID为10；选中Cisco6506到2个Cisco4006的链路和两个Cisco4006互连的PPP链路中的一条，设置区域ID为20，使用OSPF协议。至此就设置好了三个OSPF区域，增强了网络冗余和骨干链路上的带宽；修改业务定义（Profiles）中http为同时并发500个连接，ftp为同时并发200个连接，使http和ftp连接数进一步加大；在StuArea1区域里，再添加4个有150个终端的局域网模型分别接到四个Cisco3550上，同样也设置为前面三种业务，用以模仿增加网络用户数规模；选中除核心区互连的两条千兆链路之外的所有千兆链路，增加背景流量值，用以替代网络中其他未被仿真的业务产生的流量，如图15所示：

图 15 增加背景流量

再次运行仿真，为同上次仿真进行比较，这里随机种子数仍设为500，仿真时间Duration为2000秒。
5.4 比较结果
仿真完成后，选择比较状态（Compare Statistics），可以看到scenario2因为增加了背景流量和接入用户数量，使整个网络的TCP延时要大于scenario1；整个以太网络的延时则相对减少，如图16所示：

图 16 两次仿真在延时上的比较

Open Shortest Path First（OSPF）是一种典型的链路状态路由协议，它不保存当前全部节点的路由表，而是通过最短路优先算法计算得到最短路[22]，这样可以降低网络通信量。scenario2中学生区两台Cisco4006之间的PPP链路利用率不断升高，而StuArea1的Cisco4006与核心交换之间的使用率大幅度减小，说明两台汇聚层之间的PPP链路不仅分担了网络负载，还对HTTP、FTP和MAIL三个服务器的请求选取了最短路由。如图17所示：

图 17 PPP链路的使用率和StuArea1中汇聚层到核心层的链路使用率

6 结论
本文研究描述了一种科学的网络规划设计方法，探讨了OPNET仿真技术，并利用OPNET Modeler完成了校园网的规划。通过运行仿真，修改了网络设计，以实现对网络规划可行性的科学的分析和比较。
由于OPNET是商业软件，对于Alcatel、华为、神州数码的网络设备和GBIC这样的光纤链路等作者熟悉的设备模型，需要单独购买授权，没能用到本次仿真中。并且由于本人水平有限，诸如OSPF中链路中断后的自动路由，对VLAN进行划分，QoS，P2P流量模拟，流媒体应用等等未能付诸实现。这些方面有待进一步探索和完善。
致谢
对于感兴趣的研究题目，时间总是不够用，从开题到现在定稿，历经数月，我觉得还有好多资料没能看完，还有一些网络功能没能在仿真上实现。在对照OPNET在线文档学习OPNET和广泛搜索校园网规划设计资料的过程中，不仅使我又熟悉了众多的网络设备类型，还更进一步了解了一些网络协议以及它们的工作原理。更重要的是，在设计和仿真自己设计的校园网时，从老师那里学到了独立分析问题，解决问题的方法，对我今后的工作也是受益无穷的。
本文在选题及研究过程中得到了唐菀老师细致耐心的指导。唐老师经常询问我的研究进度并为我指点迷津，引导我尝试一些新的思路。老师的严谨治学和认真负责也一直影响着我完成本次论文，在此由衷的感谢唐老师的指导。本次设计能够顺利完成，还要感谢网络技术中心的张淼老师对我的帮助。

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