基于OPNET的IP-QoS仿真

基于OPNET的IPQoS仿真摘要：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起现有网络的模型，并能够方便地修改模型并行仿真，这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能，回答WHAT…IF…这样的问题。本文概要的介绍了网络仿真软件OPNET以及如何进行基于OPNET的IPQoS仿真。关键词网络仿真、OPNET、IPQOS仿真WFQ、PQOPNET-basedSimulationofIPQoSAbstractNetworksimulationfornetworkplanninganddesigncanprovideareliablequantitativebasis.Networksimulationtechnologycanquicklybuildmodelsofexistingnetworksandcaneasilymodifythemodelandsimulation,whichmakesnetworksimulationisappliedtopredictthenetworkperformance,theanswerWHAT...IF...thisproblem.ThispaperdescribestheoutlineoftheOPNETnetworksimulationsoftware,andhowtheIPQoS-basedOPNETsimulation.Keywords:Networksimulation,OPNET,IPQOSsimulation，WFQ，PQ目录-1-1绪论...............................................................................................................12OPNET仿真技术............................................................................................13基于OPNET的QOS仿真设计与实现.............................................................13.1IP网QOS概述.........................................................................................................23.2使用OPNET进行QOS仿真..................................................................................23.3QOS仿真设计与实现..............................................................................................44仿真结果分析.............................................................................................74.1IP流量仿真..............................................................................................................74.2点到点队列传输时延仿真......................................................................................94.3WFQ性能仿真.......................................................................................................115总结............................................................................................................126参考文献...................................................................................................13-1-1绪论网络仿真是通过在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的网络环境，模拟现实中的网络行为，从而可以有效提高网络规划和设计的可靠性和准确性，明显降低网络投资风险，减少不必要的投资浪费。目前常用的网络仿真软件种类已经比较丰富，既有免费的开放源代码的网络仿真软件，也有软件公司开发的商用软件。其中比较著名免费网络仿真软件BerkeleyNS、OMNeT++、SSFNET等，而商用软件最著名的就是OPNET公司的OPNET系列仿真软件。全球有超过2700家客户包括CISCO、AT&T、Microsoft、IBM等都是该公司用户。其在智能化网络仿真、分析和管理解决方案等方面具有突出的表现。但OPNET一直被美国政府禁止出口到中国，直至1998年才进入中国，目前正处于蓬勃发展的阶段。2OPNET仿真技术OPNET是美国OPNETTechnology公司的网络仿真产品，具有在通信网络和信息系统方面的专业化,设计，是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台，它采用基于包的建模机制(SimulationonPacketIeve1)和离散事件驱动的模拟机理(DiscreteEventDriven)，并且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。OPNET是一种优秀的网络仿真和建模的工具,支持面向对象的建模方式,并提供图形化的编辑界面,更便于用户使用。它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Molder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具有丰富的技术、协议、设备模型库和适合各个层次的建模工具以及灵活强大的仿真分析工具，特别适合各种网络仿真研究，目前它是世界上最先进的网络仿真和应用平台。OPNET支持面向对象的建模方式,并提供图形化的编辑界面，以便于用户使用。在网络规划与设计以及对现有网络的分析方面都有很好的表现，同时也为通信协议和路由算法的研究提供了与真实网络相似的环境。3基于OPNET的QoS仿真设计与实现-2-3.1IP网QoS概述QoS的英文全称为QualityofService，中文名为服务质量。QoS是网络的一种安全机制,是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS，比如Web应用，或E-mail设置等。但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。IP网常用的QoS有2种基本方式：基于资源预留：网络资源按照某个业务的QoS要求进行分配，制定资源管理策略。互联网工程任务组IETF(IntemetEngineeringTaskForce)提出的综合服务体系结构便是基于这种策略，资源预留协议(ResourcereSerVationProtocol，RSVP)是其核心部分。基于优先级：网络边界结点对业务流进行分类、整形和标记，核心节点按照资源管理策略分配资源，对QoS要求高的业务给以优先处理。IETF提出的区分服务(DifferentiatedServices，DiffServ)便是基于这种策略。QoS体现了数据网络提供服务的能力。衡量QoS的主要性能指标有:带宽控制、传输延迟、读码特性、流量控制、抖动控制和实时特性等。目前QoS控制研究已有不少成果,需要解决的主要问题是算法复杂性和QoS控制效果之间的权衡。QoS管理、计费和QoS测量的研究则还处于起步阶段,研究成果较少,标准尚未形成,是IPQoS研究的新热点。QoS研究的另一发展趋势是多种技术的结合,即多层次(应用层、传输层、网络层、链路层、物理层),多平面(数据平面、控制平面和管理平面)的QoS研究相结合,研究各层、各面之间的交互作用,将各种QoS机制综合起来,改善IP网的服务质量。3.2使用OPNET进行QoS仿真1)选择拓扑结构。“构建网络拓扑结构”中共描述了三种:完全结构、部分结构和单通路。完全结构是指包含了网络中的所有设备和链路的拓扑结构。-3-图3.1网络拓扑结构2)设定数据流向在OPNET中表示数据流。实现方法有两种:外观法和后台法。当我们想研究网络上的一个数据流向或其他的外观的交通时就应该选用后台法来设定数据流向,因为后台法不影响应用层的统计数据。如果我们是对应用层的统计数据感兴趣,并想研究进程对QoS的灵敏度,就应该选用外观法。-4-图3.2数据传输3)进行初始化仿真。当选定了一个拓扑结构并指定了数据流向方式时,就可以选择希望分析的统计数据。我们的QoS研究统计数据包括链路利用率、路由器接口队列延迟、数据包丢弃、进程响应时间和进程的终端之间的延迟。4)网络性能分析。对于使用了较大结构的拓扑图形,“寻找顶层结果”对于定位负荷过度的和使用更少的链路是非常有用的,它还可以用来找出有最大队列延迟和数据包丢弃的路由器。5)确定多用户响应时间的构成,确定并消除节点间的竞争。在OPNET中进行IPQoS仿真时,对网络的QoS属性定义十分关键。3.3QoS仿真设计与实现利用OPNET对网络队列处理模型共有普通(noQoS)、先进先出(FIFO)、优先权队列(PriorityQueuing)、普通队列(CustomQueuing)、等权队列(WFQ)、没有指定访问率的网络(NetworkwithoutCAR)和指定访问率的网络(NetworkwithCAR)七个仿真方式。前五个模型是简单网络服务器———客户模型；个服务器(Server)和个客户-5-(Client)通过交换机和路由器连接成一个简单网络。使用远距离传输服务来传送数据。数据、网络的瓶颈是路由器。客户的服务申请或服务器的服务提供根据网络类型采用了普通、先进先出、优先权队列、普通队列和等权队列五种方式。仿真开始,首先要在网络编辑器中建立系统的仿真环境和网络拓扑结构,网络模型的建立可以选用OPNET中提供的各种网络拓扑,也可以根据需要选择或创建网络设备和拓扑结构,然后定义网络中各通信实体,包括源节点、路由器、目的节点和通信线路等,并分别设置它们的属性。模型建立好之后要测试各节点的连接状况,以确定网络是否通畅。网络结构建立完成后通过双击网络中的某个节点进入该节点的编辑界面,利用节点编辑器提供的处理机模块、排队模块、发送建模等建立起节点内的功能模块和模块间的数据流,在算法仿真中要分别为源节点、目的节点和路由器建立不同的功能模块。其中,源节点由数据流产生、发送模块组成；目的节点由接收模块和处理模块组成,分别完成数据流的接收和统计数据的收集、处理工作；路由器由发送、接收模块以及中央处理模块组成,中央处理模块主要实现路由选择以及数据流的转发等功能。网络节点内各功能需要通过在进程编辑器中进行状态描述和编程实现各自的功能。在进行QoS仿真时要建立的网络模型有两类。第一类是在路由器接口使用不同的处理方式,其模型构建过程如下:从file→new创建一个新的project,然后建立emp