基于OPNET的网络协议TCP仿真实验平台的设计与实现.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1222023 年 第 17 期文章编号：2095-6835（2023）17-0122-03基于 OPNET 的网络协议 TCP 仿真实验平台的设计与实现游胜玉，刘 琳（东华理工大学软件学院，江西 南昌 330013）摘要：计算机网络是一门实践性非常强的学科，但由于实验实训的环境条件有限，很多网络实验无法开展，仿真软件成为了网络实验的必要选择。网络仿真技术的使用，既可以降低实验成本，又可以培养初学者的创造能力。采用 OPNET网络仿真软件搭建实验平台，对 TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）的慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传算法和快速修复算法 4 种不同算法实验进行设计与实现。关键词：OPNET；TCP；仿真实验；网络中图分类号：TP393.2文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.17.036随着经济的迅猛发展，计算机网络已经离不开人们的生活。社会需求的日益增加，网络拓扑结构也不断复杂化，网络的应用也不断多元化，传统的网络实验操作环境已远远不能满足现代实验操作的要求。在计算机网络技术中，服务器、交换机、防火墙及路由器是网络的主流设备1-2，即使实际的网络实验中采用一定数量的网络设备，但意味着需要投入更高的成本，且网络设备维护也比较复杂，特别是对于那些复杂的大型网络建设，更需要大量的人力物力来建设。另外，对于初学者来说，如果在硬件设备搭建实验过程中出现故障导致实验失败，也不知道问题出现在哪，从而影响实验效果3-4。因此，针对这样的情况，引入仿真技术来搭建网络实验环境，可以减少投资成本，并且对于初学者而言又锻炼了实践能力。本文采用 OPNET网络仿真软件搭建仿真实验平台，对传输控制协议TCP 的慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传算法和快速修复算法进行设计与实现。1OPNET 介绍1986 年，麻省理工大学的 2 名博士创建了一个公司，名为 OPNET。第二年，OPNET 公司的第一个商业化的网络性能仿真软件问世，使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。OPNET 网络仿真软件是OPNET 公司推出的最早及最具有影响力的网络仿真软件，对网络的建模仿真、提前预测大大提高了网络环境的质量，起了一个划时代的作用5。OPNET 网络仿真软件主要包括 OPNET Modeler、OPNET ITGuru、OPNET SPGuru 和 WDM Guru、ODK和 NetBizODK 共 4 个系列。OPNET Modeler 系列主要用来进行研究，可以用来分析网络设备、网络协议和一些通信协议；OPNET ITGuru 系列主要是针对大型企业网络的管理和分析，查找问题，找出性能瓶颈，提出解决方案等；OPNET SPGuru 和 WDM Guru 系列主要面向运营商，面向智能化的网络管理；ODK 和NetBizODK 是一个更底层的软件开发平台，ODK 为开发时的环境，NetBizODK 为运行时的环境，由多种软件组件库组成，主要应用于计算机网络的建模、仿真、优化和分析。OPNET 迅速而稳步地发展，作为高科技网络规划、仿真、分析工具，OPNET 在通信、国防及计算机网络领域已经被广泛认可和采用6。2仿真实验设计与配置OPNET Modeler 是一款非常优秀的网络仿真和建模工具，它不仅支持面向对象的建模方式，而且还可以提供图形化的编辑界面。它的强大功能和全面性，使它可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术。因此，本文采用 OPNET Modeler 网络仿真软件作为仿真平台，对传输控制协议 TCP 的慢开始算法、拥塞避免算法、快速重传算法和快速修复算法进行模拟实验。2.1TCP 协议拥塞算法介绍传输控制协议 TCP 是一种面向连接可靠的全双工通信协议，其核心思想是基于共享资源管理下，按照一定的算法来控制传输数据，并且合理地利用资源，保证网络的稳定性。TCP 协议包括 4 种拥塞控制算法，即慢开始算法、拥塞避免算法、快速重传算法和快速恢复算法。这些算法的核心就是通过控制拥塞窗口的大小，发送端可以控制业务量，从而控制网络拥塞。在传输过程中，发送端逐渐增加窗口的大小，一直到出现数据包丢失，窗口值迅速下降，然后开始逐渐增大，从而有效避免了拥塞瘫痪7。慢开始算法：它是一个在 TCP 连接上控制数据流发送速度的算法。顾名思义，在开始时就不要发送大Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期123量数据，将发送窗口及拥塞窗口初始值设为 1，等接收方确认数据之后，拥塞窗口成倍增加，发送窗口也成倍增加；直到窗口大小等于慢开始门限值时，改为每次加 1，直至拥塞。慢启动算法是一个在 TCP 连接上控制数据流发送速度的算法。拥塞避免算法：它是一种处理丢失报文的算法。许多输入流到路由器，而路由器输出能力不足的时候，拥塞避免就是为解决这个问题而提出的。数据包的丢失率是非常低的，那么丢失的数据包，将产生一个信号，在源和目的地址之间有堵塞现象，所以在实际情况中，它们在共同的阶段相互作用。快速重传算法：TCP 协议为了保证数据的可靠性，采用了超时重传机制，在发送一个数据后开始启动一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送数据报的确认帧 ACK（Acknowledgement，确认字符）报文时，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。快速重传算法是在数据包丢失的情况下给出的一种修补机制。一般来说，重传发生在超时之后，但如果接收端在一个往返时间里接收到 3 个以上的重复确认帧 ACK 报文时，这就代表数据丢失了，需要重传，快速重传不需要等到重传定时器溢出时再进行重传，所以叫快速重传。快速恢复算法：它是在快速重传算法后，当接收端收到 3 个确认帧 ACK 时，就将慢启动阈值设置成为当前的拥塞窗口值的 1/2，发送重传的数据报，并采用拥塞避免算法，每收到一个确认帧，拥塞窗口就增加一个报文段，而不启动慢开始算法。快速重传和快速恢复算法的作用都是快速恢复丢失的数据包，如果没有快重传和快恢复，TCP 将会使用定时器来要求传输暂停，在暂停时间内，没有新的数据包被发送，从而影响通信质量。2.2网络拓扑结构图的建立首先，创建网络模型，模拟现实中的网络环境，在实验环境中仿真搭建一个从 Paris 地区到 Sthlm 地区的网络，在 Paris 地区的子网上设置服务器和路由器，接着在 Sthlm 地区的子网上也设置服务器和路由器，用来建立双方网络的连接，通过通信模拟 TCP 协议。其次，在 OPNET 网络仿真软件的界面下打开opnetFileProject，新建一个工程，接着选择场景，向场景里面添加所需的设备及物件，如一个应用配置物件（Application Definition）、一个业务主询配置物件（Profile Definition）、路由器，服务器等，并且对2 个地区的服务器及路由器进行配置，设置相应服务器和路由器设备的名称、IP 地址、子网掩码网关地址等，在应用配置物件上配置 TCP 协议的各种参数值，包括数据包大小、接收缓冲区大小、拥塞窗口值大小等，其拓扑结构图如图 1 所示。图 1Paris 到 Sthlm 的网络2.3TCP 协议仿真结果与分析2.3.1慢开始与拥塞避免算法同时使用的仿真慢开始与拥塞避免算法同时使用的仿真结果如图2 所示。从图中可以看出，TCP 协议在执行缓慢开始和拥塞避免算法时，初始窗口很小，但是呈指数型增长；如果一旦超过规定的最大窗口阈值（ssthresh）的话，其窗口大小增长曲线将呈线性增长，这就是拥塞避免算法的实现。从图中还可以看出，在一个 1 s 时间窗口内，窗口阈值从 1 200 字节成倍增长到 67 000 个字节，这是慢开始算法。当阈值达到大约 67 000 字节时，开始“加法增大”，这就是拥塞避免算法。图 2慢开始与拥塞避免算法同时使用的仿真结果2.3.2慢开始、拥塞避免和快速重传算法同时使用的仿真慢开始、拥塞避免和快速重传算法同时使用的仿真结果如图 3 所示。从图中可以看出，在 1 min 54 s时间窗口内，窗口阈值从 1 440 字节成倍增长到近65 535 个字节，这是慢开始算法。当阈值达到大约65 535 字节，开始“加大算法”，这就是拥塞避免算法。窗口大小达到大约 72 725 字节时，应该得到 3 个连续的 ACK，根据 3 个重复来确定响应包丢失，立即重新发送数据包丢失，然后设置最大窗口阈值 ssthresh作为当前拥塞窗口 72 725 字节的 1/2，这是快速重传（Tahoe）算法，然后转移到一个缓慢的开始。科技与创新Science and Technology&Innovation1242023 年 第 17 期图 3慢开始、拥塞避免和快速重传算法同时使用的仿真结果2.3.3慢开始、拥塞避免、快速重传和快速修复算法同时使用的仿真慢开始、拥塞避免、快速重传和快速修复算法同时使用的仿真结如图 4 所示。从图中可以看出，与同时使用慢开始、拥塞避免和快重传算法类似，TCP 协议在执行缓慢开始和拥塞避免算法时，它的初始窗口的值比较小，但呈指数级增长，但是到了最大窗口阈值（ssthresh）的时候，窗口大小就会增长并且呈线性增长。图 4慢开始、拥塞避免、快速重传和快速修复算法同时使用的仿真结果从图 4 的仿真结果中可以看出，在 1 min 54 s 时，窗口左右值近 65 535 个字节从近 1 460 字节成倍增长，这就是慢开始。当阈值达到大约 65 535 字节时，开始“增大加法”，这就是拥塞避免算法。窗口大小达到大约72 638字节时，应该得到3个连续的确认帧ACK，如果基于 3 个重复来确定响应包丢失和重传丢失的数据包，如果收到 non-duplicate ACK，拥塞窗口值 cwnd=最大窗口阈值 ssthresh，进入拥塞避免阶段，这是快速重新传输/快速恢复算法（Reno）。3结束语计算机网络结构的越发复杂化及应用的越发多元化，使网络更加需要一个可靠的规划与设计的方法，可是传统的计算机网络规划主要是靠经验而来，这样就会导致花费大量的人力物力来规划、设计及建立更加完善的网络，这对于目前这些复杂的大型网络的建设非常不利。网络仿真软件的出现，大大方便了网络工程师们建设一个优秀的网络，其中 OPNET 仿真软件，不仅在设计上非常规则，而且在网络规划及建设方面也很大程度缩短了周期，从而进一步提高了网络建设的科学性，降低网络建设的投资成本及风险，让网络工程师们看到了重要的、客观的及可信的定量依据，并完美呈现出一个美好的网络前景。网络仿真技术的使用，在协议开发、标准开发、网络规划和网络运营管理等方面，可以极大地提高效率，为网络技术的发展提供强有力的支持。因此，利用网络仿真软件来构建计算机网络课程的实验环境，既可以减低实验设备的投资成本，又可以提高初学者动手实践能力和创造能力，提高做实验的效率。本文介绍了采用 OPNET 网络仿真软件对 TCP协议的 4 种算法进行模拟仿真实验，通过实验得出OPNENT 仿真软件能够很好地仿真设计与分析网络协议。初学者还可以利用 OPNET 仿真软件仿真计算机网络的基础类、设计类、综合类及创新类实验等，通过实验把理论与实践更好地结合起来，把实践知识应用到实际环境中，为后续的学习打好基础。参考文献：1薛琴.基于 Packet Tracer 的计算机网络仿真实验教学J.实验室研究与技术，2010，29（2）：57-59.2刘晓亚.网络仿真技术在计算机网络教学中的应用J.宁波职业技术学院学报，2021，25（4）：55-60.3任日鹏.虚拟仿真技术在计算机网络类课程中的应用J.电子元器件与信息技术，2021，5（7）：125-126，128.4刘文杰，王善坤.网络仿真技术在校园网络实验中的应用J.实验技术与管理，2016，33（1）：132-134，139.5刘彪，赵鹏，张丽娜.OPNET 在非计算机专业网络实验教学中的应用J.计算机教育，2015（10）：78-81.6陈敏.OPNET 网络仿真M.北京：清华大学出版社，2004.7谢希仁.计算机网络M.北京：电子工业出版社，2017.作者简介：游胜玉（1980），女，江西南昌人，硕士，讲师，研究方向为计算机网络与数据库。（编辑：丁琳）