毕业设计论文基于opnet的校园网建模与仿真.docx
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毕业设计论文基于opnet的校园网建模与仿真
本科毕业设计（论文）
基于OPNET的校园网建模与仿真
学院信息工程学院
专业信息工程（通信工程方向）
年级班别2006级（3）班
学号3106002514
学生姓名龙建武
指导教师文元美
2010年5月
摘要
近年来，随着计算机科学技术的发展，特别是网络技术的发展，高校规模的扩大和人数的增多，对网络的需求越来越大，对上网速度的要求越来越高，对业务的需求迅速增长，如语音、图像、视频等多媒体数字业务。
需入网的结点迅速增加，因此网络的结构更复杂，对设备性能的要求更高，链路速度更快。
建设一个基于多业务、复杂的校园网络系统，其投资规模是非常庞大的，需要一种有效的手段对校园网进行规划、设计、并实现。
通过数学建模的方法过于复杂，根据经验进行规划设计的方法不可靠，不适应日益增长的网络需求，利用网络仿真软件来对网络模型进行建模并仿真便成了必然的选择。
本文的主要研究任务，是通过OPNET仿真软件，对我国一般大学校园网的网络结构进行建模，模拟网络行为，对关键参数进行收集，分析，并在原有模型上添加网络结点及应用，再进行仿真，分析，对比，得出改进设计方案是可行性。
本文的研究对校园网的规划、设计、网络建模都具有一定的指导意义，可以提高网络设计的科学性，缩短网络设计周期，降低校园网网络的投资风险。
最后，对本文进行了总结，同时对未来的工作进行设想和展望。
关键词：
网络仿真，OPNET，校园网
Abstract
Inrecentyears，ascomputerscienceandtechnologydevelopment，especiallythedevelopmentofnetworktechnology，collegesanduniversitiestoexpandthesizeandnumberincreases，thenetwork'sgrowingdemandforincreasinglydemandinghigh-speedInternetaccessforbusinessneedsrapidgrowth，suchasvoice，images，videoandothermultimediadataservices。
Networknodesneedtorapidlyincrease，sothenetworkstructureismorecomplexandmoredemandingontheequipmentperformance，linkspeed，thebuildingofamulti-service-based，complexcampusnetworksystem，itsscaleofinvestmentisverylarge，needforaneffectivemeansofpairsofcampusnetworkplanning，design，andimplementation。
Throughmathematicalmodelingapproachistoocomplicated，throughexperience，theplanninganddesigningmethodisnotreliableandnotsuitedtothegrowingnetworkneeds，usingnetworksimulationsoftwaretomodelthenetworkmodelandsimulationhasbecomeaninevitablechoice。
ThemaintaskofthisresearchisthroughOPNETsimulationsoftware，forChina'sgeneraluniversitynetwork，thenetworkstructureformodeling，simulationofnetworkbehavior，thekeyparametersofthecollection，analysis，andaddintheoriginalmodelofthenetworknodesandapplications，andthensimulation，analysis，comparison，cometothisdesignisfeasible。
Thisstudyonthecampusnetworkplanning，design，networkmodelinghascertainguidingsignificancefornetworkdesigncanimprovethescientificnatureofthenetworkplacesashortdesigncycle，reducetheinvestmentrisksofCampusNetwork。
Finally，thispapersummarizedthesametime，theworkofthefuturevisionandprospects。
Keywords：
OPNET，networksimulation，campusnetwork
第一章绪论1
1.1题目背景及目的1
1.2国内外研究现状2
1.3论文研究的主要内容及组织结构3
第二章网络仿真技术5
2.1网络仿真概述5
2.1.1仿真技术的产生5
2.1.2仿真技术特点6
2.2仿真技术的发展现状6
2.3网络仿真流程9
第三章网络仿真软件OPNET10
3.1OPNET仿真软件概述10
3.2OPNET仿真技术10
3.2.1三层建模机制10
3.2.2离散事件仿真机制12
3.2.3仿真调度机制13
3.3OPNET通信机制13
3.4OPNET仿真流程17
第四章校园网网络设计技术19
4.1校园网的性能评价指标19
4.1.1响应时间19
4.1.2网络延迟19
4.1.3延迟变化20
4.1.4吞吐量20
4.1.5链路利用率20
4.1.6资源利用率20
3.1.7丢包率20
3.1.8可靠性和可用性21
4.2校园网的主要拓扑类型21
4.2.1星型拓扑结构21
4.2.2树型拓扑结构21
4.2.3总线拓扑结构22
4.2.4环型拓扑结构22
4.2.5网状型拓扑结构22
4.3校园网关键设备及主要技术22
4.3.1关键设备22
4.3.2主要技术26
第五章校园网建模及仿真分析29
5.1校园网的建模29
5.1.1需求分析29
5.1.2网络建模29
5.1.3业务配置31
5.2数据收集及仿真分析31
5.2.1数据收集31
5.2.2仿真及分析32
5.3增加节点及业务后仿真分析35
5.4改进后校园网的仿真分析38
5.4.1对原有网络的改进38
5.4.2改进后网络的仿真分析39
5.5本章总结42
结论43
参考文献44
致谢46
第一章绪论
1.1论文研究的背景及目的
随着网络技术的发展，传统的只传输文本信息的网络已不能满足人们对更为丰富的数据、语音、图像、视频等多媒体业务的需求，而且网络的使用也越来越广泛，用户也随之增加，这必然给网络原有设备带来冲击，因此需要加以改造以适应网络需求的发展。
网络仿真是一个很有用的网络研究工具，它以系统理论、形式化理论、随机过程和统计学理论、优化理论为基础，在设计阶段，仿真方法提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，通过对不同环境和工作负荷的分析和比较，来优化系统的性能。
在某些情况下，仿真是唯一可行的方法和技术。
仿真方法的抽象化程度比数学分析方法低，耗费的时间比测量技术少，其低成本和有效性是其他传统方法不可替代的。
随着网络新技术的不断出现和数据网络的日趋复杂，对网络仿真技术的需求必将越来越迫切，网络仿真的应用也越来越广泛，网络仿真已成为研究、规划、设计网络不可缺少的工具。
校园网是现代化教学的基础性设施，作为实施教育信息化有效载体，对保障学校教育和科研管理等工作的正常有序进行，实现校际交流和资源共享方面，起着至关重要的作用，并将直接影响到教育信息化建设的质量。
目前，世界上大部分发达国家和部分发展中国家都建立了本国的校园网体系。
美国在1999年就已有95％的中小学上网，瑞典也有90％以上的公立高中和绝大部分的九年制义务教育学校联网，教育信息化已成为世界发展的大趋势。
随着网络技术的层出不穷，新的应用逐步普及，高校的业务需求逐步增长，另外，随着高校扩招工作的不断深入，学生及教师人数的增加，其对信息化的需求与日俱增，学生宿舍用户及教师用户数急速增长，校园网网络性能因此受到相应的影响，因此，网络升级，扩容问题被提到了重要的议事日程，对大学校园网进行改造是势在必行。
然而，随着用户对网络的依赖程度的增加，网络的正常运行变得越来越重要，用户对网络可用性、稳定性、响应性等提出了越来越高的要求。
网络应用系统越多，网络的功能系统越复杂，出现问题所带来的损失也就越大，网络性能的问题最终会影响到用户的工作效率。
经过规划设计出来的网络，不能保证其可行性，导致网络应用性能降低的因素是多方面的，而网络测试正是一种可以有效提高网络系统及运行质量的方法，在测试的基础上，建立网络行为模型，并用模拟仿真的方法建立理论到实际的桥梁，是了解网络性能的有效方法。
随着网络结构日趋复杂，网络规模日趋庞大，新的网络技术层出不穷，网络的应用也越来越多样化。
其中的网络规划设计以及网络升级等问题尽管在实验室中的小规模评价和真实的环境下进行实验都很有价值，但每一种都有很大的局限性，缺乏灵活、扩展性，并且成本太高。
因此，网络仿真作为一种新的网络研究和网络规划设计技术应运而生，无论对于网络规划设计，还是网络升级，网络的仿真研究日益显示出其重要意义。
为此利用OPNTE网络仿真软件对校园网进行仿真，以传统大学校园网结构为依托，针对网络中主交换机的性能情况作为研究校园网的切入点，通过对仿真结果的分析，根据分析结果提出对网络改造方案，再次应用网络仿真软件测试改造后交换机的数据，判断改造后的网络性能是否优于原有网络。
从校园网的应用出发，分析其业务主要有：
FTP、HTTP、Email、视频等。
利用各个工作点，通过主交换机对服务器进行业务访问来测试交换机的能力，分析结果并从中提出改进方案以解决设备与新网络业务配套的问题，减少在实际系统中试验所需要的巨大投入，减少成本并避免所谓的“牛与马”不配套的问题。
1.2国内外研究状况
从80年代开始，美国等发达国家就一直致力于开发商业和非商业用途的网络仿真产品。
近年来，我国的网络仿真研究和应用得以发展。
1997年，CERNET的网络中心开始开发自己的网络仿真软件;1998年后，我国多家单位陆续引进OPNET网络仿真软件，用于网络协议和网络设备的开发和研究，使用者大都是大学和研究院、所的研究和开发人员。
网络仿真软件的操作相当复杂，使用者一般需要半年左右时间的培训和熟悉才能够熟练掌握。
近年来，由于数据网络日趋复杂、网络规模日趋庞大，网络仿真技术应用于网络规划和设计的需求日渐强烈。
于是，网络仿真软件厂商纷纷把应用和开发重点转向网络规划和设计方面，将用户由研究开发人员转向网络规划和设计人员，简化软件界面和操作流程，强化软件的工程应用能力，特别是加强了与网络管理软件厂商的合作，开发与网管软件的接口，使得网络模型的建立逐步自动化，加快网络建模的速度。
OPNET与HP网管紧密结合就是一个典型的例子。
不过，应该指出，网络仿真技术在网络规划和设计方面的应用时间还不长，特别是在大型网络和复杂网络的应用方面，还处于应用的初级阶段，尚有不少重要的技术问题有待解决。
网络仿真规划设计软件的使用和操作还相当复杂，还远没有达到一般网络规划设计人员经过短时间培训就能够熟练使用的目标。
不过，网络仿真软件厂家正在全力向这个方向努力。
我国的网络仿真技术的研究从1999年起步，这主要有两个原因，一个是我国数据网络的发展较晚，对网络仿真技术的需求相对不是十分迫切;另一个原因是主流的网络仿真软件基本上产自美国，而其高端产品在1998年以前一直是对包括中国在内的社会主义国家禁运。
自1998年以来，由于我国数据网络迅猛发展的拉动和美国解除高端网络仿真软件出口限制的刺激，我国的网络仿真研究和应用逐步起步。
1997年，CERNET网络中心开始开发自己的网络仿真软件;1998年，北京邮电大学、广东省邮电科学技术研究院、原电子部电科院、邮电部规划设计院等单位先后引进了先进的OPNET网络仿真软件，开展网络协议开发、网络规划设计应用等方面的研究工作。
1.3论文研究的主要内容及组织结构
本文以OPNET仿真软件为平台，对一般大学校园网的网络需求进行了分析，介绍校园网网络设计技术，涉及硬件、拓扑结构、主要性能指标、业务需求等，利用OPNET对校园网进行了建模并运行仿真，分析仿真结果，增加应用业务及结点，再进行仿真、分析。
全文共分五章，章节安排如下：
第一章是绪论部分，说明了研究题目的背景，简要介绍国内外教育信息化和校园网的建设使用情况，国内外网络仿真技术使用的现状，利用OPNET进行网络仿真的意义及目的。
第二章介绍了当前网络仿真技术的现状，分析及对比了各主流软件技术的特点，对仿真技术进行了理论方面的探讨。
第三章介绍了本文利用到的网络仿真软件OPNET的详细情况，介绍OPNET仿真关键技术，OPNET的仿真通信机制及建模方法等。
第四章介绍了当前网络技术的主要技术，及校园网建设中的主要问题，技术指标，性能评价，拓扑结构等。
第五章介绍了利用OPNET对校园网进行网络建模，收集仿真数据，对其进行仿真，分析仿真数据，在原来模型上增加结点及业务，再进行仿真，分析仿真结果，得出利用OPNET对校园网建模及仿真是可行的，得到的模型及数据具有一定的工程应用参考价值。
最后对全文进行了总结，并提出其中的不足及下一步的研究方向。
第二章网络仿真技术
2.1网络仿真概述
2.1.1仿真技术的产生
在网络迅速膨胀的今天，网络研究人员一方面不断思考新的网络协议和算法，为网络发展做前瞻性的基础研究;另一方面也要研究如何利用和整合现有的资源，使网络达到最高效能。
无论是哪一方面都需要对新的网络方案进行验证和分析。
进行网络技术的研究一般有以下三种手段：
（1）分析方法。
对所研究的对象和所依存的网络系统进行初步分析，根据一定的限定条件和合理假设，对研究对象和系统进行描述，抽象出研究对象的数学模型，利用数学分析模型问题进行求解。
（2）实验方法。
设计出研究所需要的合理硬件和软件配置环境，建立测试和实验室，在现实的网络上实现对网络协议、网络行为和网络性能的研究。
（3）仿真方法。
应用网络仿真软件建立所研究的网络系统的模型，然后在计算机上运行这个模型，并分析运行的输出结果。
然而，分析方法的有效性和精确性受限制大。
当一个系统很复杂时，就无法用一些限制性假设来对系统进行描述。
实验方法的局限性在于成本很高，重新配置或共享资源很难，运用起来不灵活。
而仿真方法在很大程度上可以弥补前两种方法的不足。
仿真方法可以根据需要设计所需的网络模型，用相对较少的时间和费用了解网络在不同条件下的各种特性，获取网络研究的丰富有效的数据。
无疑，网络仿真技术是一种研究网络规划与设计的有效工具。
网络仿真技术是一种通过建立网络设备、链路和协议模型，并模拟网络流量的运输，从而获取网络设计和优化所需要的网络性能数据的仿真技术。
网络模型不仅可以在实施之前预测拓扑和设备规划，还有助于在网络的运行中保持其有效性。
网络仿真也被称为网络模拟，就是用计算机程序对通信网络进行模型化，通过程序的运行模仿通信网络的运行过程。
因为对各种网络仿真过程来说，其中也有“模拟”的含义，即，网络仿真既可以取代真实的应用环境得出可靠的运行结果和数据，也可以模仿一个系统运行过程中的某些行为和特性。
网络仿真提供了一个方便、高效的验证和分析方法，所以网络仿真技术在现代通信网络设计和研究中的作用正变得越来越大。
2.1.2网络仿真的特点
网络仿真技术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应用中传输、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参数的统计结果。
网络仿真技术有两个显著的特点：
首先，网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。
网络仿真技术能够迅速地建立现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真。
这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能，回能“WHAT…IF…”这样的问题。
其次，网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。
在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案，它们往往是各有特点，仅凭主观判断，很难做出正确的选择，因此如何进行科学的比较和取舍往往是网络设计者们感到头疼的事。
网络仿真能够通过为不同的设计方案建立模型，进行模拟，获取定量的网络性能预测数据，为方案的验证和比较提供可靠的依据。
这里所指的设计方案可以是网络拓扑结构、路由设计、业务配置等。
总而言之，网络仿真技术具备全新的模拟实验机理，使其具有在高度复杂的网络环境下得到最高可信度结果的特点:
网络仿真的预测功能是其他任何方法都无法比拟的，使用范围广，既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络的设计，而且特别适用于中大型网络的设计和优化，初期应用成本不高，而且建好的网络模型可以延续使用，后期投资还会不断下降。
2.2网络仿真技术的发展现状
网络仿真软件通过在计算机上建立一个虚拟的网络平台，来实现真实网络环境的模拟，网络技术开发人员在这个平台上不仅能对网络通信、网络设备、协议、以及网络应用进行设计研究，还能对网络的性能进行分析和评价。
另外，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。
因此，运用网络仿真软件对网络协议、算法等进行仿真已经成为计算机网络通信研究中必不可少的一部分。
最著名的仿真软件OPNET是美国MIL3公司的产品。
目前OPNET是世界上最先进的网络仿真开发和应用平台，近几年被第三方权威机构评选为“世界级网络仿真软件”第一名。
OPNET采用离散事件驱动的模拟机理，其中“事件”是指网络状态的变化，也就是说，只有网络状态发生变化时，模拟机才能工作，网络状态不发生变化的时间段内不执行任何模拟工作，即被跳过。
因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率更高。
OPNET采用基于包的建模机制。
OPNET模型分为网络，结点和进程三个层次。
用户可以在这三个层次的任何地方切入编程，建立所需的模型。
OPNET提供了一个比较齐全的基本模型库（包括网络设备和链路），主要包括:
Ethernet、FDDI、TR、TCP/IP、ATM、FR、PSTN、cellularphone、wirelessnetwork。
OPNET支持SUN、HP、、IBM、SGI工作站和一般PC等硬件设备，可以运行在Unix、NT或Win95/98等操作系统上。
到目前为止，全球已有多个单位采用OPNET技术进行通信网络研究开发以及网络规划。
但由于OPNET是收费的商业软件，限制了其在研究领域的应用。
另一知名仿真软件是NS2，NS2于1995年由DARPA资助的VINT工程开发，目前由LBL，XeroxPARC，UCB，USC/ISI等合作开发。
NS2是一个完全免费的软件，因有开放体系结构，并带有大量协议库支持，尤其适合于对基于TCP/IP的网络进行仿真，在国际上享有很高的学术声誉，被世界各国的网络研究者广泛使用。
NS2采用离散事件驱动机理进行仿真。
它的架构严格遵循OSI七层网络模型，其内核源码用C语言完成，编程语言用C++和OTcL（面向对象的TcL）。
C++是一个编译性语言，通过它可以有效地处理字节、包头等数据信息，实现各种算法，适用于具体协议的实现。
OTcL是一个解释性语言，用于书写仿真脚本，只需修改网络的参数和配置，就可以对大量的场景进行比较，提高程序的效率，NS2中利用TcL机制把OTcL和C++结合起来，使得C++和OTcL能够互相直接操作对方定义的数据，C++的类和OTcL的类相对应。
通过这种机制，NS2达到了仿真配置灵活性和运行效率的统一。
NS2的优点在于软件包可以从网络上免费下载，所有源代码公开，是一个开放性的仿真平台。
用户可以通过继承NS2类来开发适合自己需要的对象模块，集成到NS2环境中去。
使用NS2的另一个好处是使初学网络者能比较具体地理解网络技术、协议、路由、分组转发、拥塞控制等。
但NS2仍有一些缺点。
首先，相对于不断更新的仿真器，所做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比较突出；再次，仿真节点数目很多时，NS2就需要更多的内在资源，运行速度明显变慢。
另外，由于使用两种编程语言，NS2的学习曲线太过陡峭，其调试工作也具有相当难度。
GloMoSim（forglobalmobilesystem）仿真软件由美国UCLA大学计算机系开发。
它用基于C语言的并行仿真语言Parsec设计，可以实现并行离散时间驱动仿真，具有可扩展性和可编程性。
新版本的GloMoSim支持纯无线网络的协议并采用分层的方法，不同层之间使用标准的API进行通信，这样实现了网络所需的基本协议栈层次。
GloMoSim的优点在于使用方便，具有可测量性，可以远程控制。
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困难。
在这点上，其它两种仿真器要相对好一些。
未来的GloMoSim开发目标是拥有更友好的用户界面，可以将仿真结果和仿真过程动态显示。
NS2和GloMoSim是免费的，其程序的源代码也是开放的，因此受到了学术界的欢迎。
OPNET是商业软件，费用较贵，但其功能强大，仿真准确性也较高，主要为一些大型网络研发部门所使用。
OPNET综合采用基于包的建模方法和数学分析的建模方法，可以获得较快的仿真速度。
NS2则特别适用于TCP层以上的仿真，但是当仿真节点数较多时速度较慢。
对同一种情况，三种网络仿真软件的仿真结果也会有一定差别。
这些差别的产生主要有以下几个原因:
首先，从物理层的角度来看，现实的环境和设备很难表述，各仿真软件的无线传播模型都很简单和通用化;其次，协议实现的手段各不相同，把这些协议整合进仿真系统中各不相同，在仿真试验中必然存在差异。
因此仿真时要尽量使得建模符合实际要求，环境设定和初始参数的确定符合真实性原则。
三种仿真软件都采用离散事件驱动作为引擎。
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