基于ＯＰＮＥＴ的油田混合传输网络仿真

2009-03-19王秀芳王亚鹏姜晶

现代电子技术 2009年3期

关键词：建模

王秀芳　王亚鹏　姜　晶

摘要：此项研究主要针对大庆油田某作业区的实际网络现状，对该作业区进行网络分析和规划，在该作业区现有的有线网络基础上扩充无线网络，实现有线网与无线网的综合，构成一个完整的油田传输信息体系。同时利用OPNET MODELER仿真平台为该作业区新建混合网络建立仿真模型(网络模型、节点模型和进程模型)，分析相关模型中主要模块的作用和工作机理，对已建立的网络模型进行仿真，在不同的参数设置下，通过对比分析时间延迟、丢包率等统计特性，得出数据包分组、数据率和拆分门限对网络性能的影响，最终决定改进网络的最佳组网方案。

关键词：传输网络；混合网络；建模；OPNET

中图分类号：TP393.1文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)03-122-05

Simulation of Oil Field Mixed Transmission Network Based on OPNET

WANG Xiufang,WANG Yapeng,JIANG Jing

(College of Electric and Information Engineering,Daqing Petroleum Institute,Daqing,163318,China)

Abstract：The study aims at the actual network status of one work section in Daqing oil field,makes a network analysis and planning for the new mixed model of this work section,expends wireless network for the work section on the basis of existing network,and conjoins wire and wireless network together to form an integrated oil field information transfer system.At the same time,using OPNET MODELER simulation flat roof to structure simulation models (network models,node models and a process model),and analyzing the functions and work mechanism of the major modules for related models,making a simulation for the structured network models,then according to the different parameters,analyzing the individual statistics comparatively such as delay,data dropped and so on,the effects of data packet,data rate and fragmentation threshold to the network performance are gained.After all these,the best structure network scheme for this improved section is determined.

Keywords：transmission network；mixed network；modeling；OPNET

0 引言

随着信息产业的飞速发展，数字化已经成为现代网络的发展趋势。尤其是在油田企业，通过信息化建设，构建信息传输速度快、数据资源丰富、网络覆盖面广的信息运行模式，可以全面提升油田管理水平，有效地帮助石油和天然气企业以信息化打造全球化市场竞争优势。本文为了配合大庆油田“实现二次创业、创建百年油田”，提高大庆油田信息化建设水平，充分发挥信息技术的后发优势，特从实际出发，为大庆某作业区的有线网络扩充无线网络，实现网络的综合。并在OPNET仿真平台上构建有线与无线相结合的混合网络模型，通过仿真来对改进的网络进行测试，获得数据包分组、数据率和拆分门限等网络参数对网络性能的影响，进而决定最佳组网方案。

1 网络模型介绍

该网络源于大庆某作业区的实际网络结构，网络覆盖面积约8 100 m×4 500 m，中心交换机位于某路交叉口处，下分三条支路，每条支路总体上为总线型拓扑结构。第一条支路包括3个站点，第二条支路包括6个站点，第三条支路主要是维修队和测试队的位置，以上各支路中各站点以下均由小队组成。现出于实际需要为其中的6个站点建立无线网络，对有线进行扩充，进而实现有线网和无线网的结合。这种改进灵活性高，充分利用了现有的有线资源，降低了油田的建网成本和费用。下面将根据该拓扑结构，利用OPNET仿真软件建立各种模型。

2 仿真模型的建立与分析

2.1 网络模型

OPNET是目前网络仿真及优化领域性能较好的软件，它为解决通信网络的仿真和优化，以及高效的网络管理提供了整套的解决方案。OPNET采用的是三层建模机制：最上层为网络模型，反映了网络的拓扑结构特点；其次为节点模型，由相应的协议模块构成，反映了设备的特性；最底层为进程模型，以状态机的形式来描述协议，反映了协议的具体功能是如何实现的［1］。

结合实际，根据改进方案，在OPNET仿真平台上建立该作业区的混合网络模型。具体模型如图1所示。该模型覆盖面积为9 000 m×5 000 m，其中使用的设备有2个应用模块［2］，即Application Config(应用配置，定义了8种最常用的业务应用)和Profile Config(业务配置，描述一类用户所涉及的应用)、11个交换机Switch与各个小区相连、22个有线子网10BaseT_LAN，分别表示各配置站及各个采油大队的有线局域网、6个无线子网模块WLAN_1～6分别由6个无线接入点AP接入有线骨干网、48个无线终端设备。

图2为混合网络中的一个无线子网模型，该模型采用中心协调方式(PCF)，即基于由接入点控制的轮询方式［3］，传输方式为直接序列扩频(DSSS)，并采用IEEE802.11b协议标准，其工作频段为2.4~2.483 5 GHz［4］，网络覆盖面积为300 m×300 m。在图2中，WLAN1_router为这个子网的接入点AP［5］，通过它将无线网接入有线骨干网，moble_node_0～7表示该小区范围内的各个无线移动终端设备，主要模拟各队各站的采油单井及数据采集设备等。其余5个无线子网内部结构与之相似。

2.2 节点模型

2.2.1 有线终端节点模型

该网络模型中主要采用的有线终端模型为10BaseT_LAN，它支持TCP/IP协议，具有四层结构，分别为应用层、传输层、网络层和物理层。各层之间的模块采用数据包线进行连接。它的节点模型如图3所示。

该有线节点模型的工作流程为：在物理层(LAN Layer)，每对接收模块和发送模块与逻辑链路控制模块相连，来控制每次每个模块的接入链接，当发送模块要发送数据时，首先通过逻辑链路控制模块接入到地址解析模块(arp)进行地址解析，之后通过IP模块送入ip_encap进行IP封装，在通过UDP检错或者TCP流量控制后传送到适配层，最后到达中央处理器的应用模块得到应用业务，之后再沿这一流程返回到逻辑链路控制模块，通过它控制哪个接收模块进行接收，这样就完成了一次业务的应用。

该模型中各模块的具体功能：

application模块可以实现站点多个用户之间在所有页面中共享信息，以及控制访问应用层数据，在应用程序的用户之间传递信息。

tpal：位于应用层和传输层之间的一个适配层。

udp：用户数据报协议，它提供错误检测。

tcp：提供一种面向连接的、可靠的字节流服务和流量控制。

ip_encap：IP封装，即把上层的包封装成IP包。

arp：地址解析协议，它负责将某个IP地址解析成对应的MAC地址。

llm_mac：媒体接入控制的逻辑链路管理，它向高层提供一个或多个访问点LSAP，用于同网络层通信的逻辑接口［6］。

2.2.2 无线终端节点模型

本文侧重分析整个通信网络的性能指标，只考虑各通信节点MAC层的接入和传输问题，用一个源模块(source)和一个接收模块(sink)来模拟高层的通信情况，并且认为网络中各节点具有相同的模型结构，如图4所示。

节点模型的工作流程如下：source模块产生数据分流后通过无线网mac接口模块接入到mac模块，再根据mac模块的多址协议传送给接收模块，完成无线终端的数据分流的传输。

source模块用于产生不同时间间隔分布及不同大小的数据分组流。

sink模块用于处理接收过服务的分组。

wlan_mac_intf模块作为MAC层与高层的接口。

wire_lan_mac模块完成各种MAC多址接入协议下分组的接入和传输。

wlan_port_rx0和wlan_port_tx0模块完成物理层模型上无线信道的分组收发过程［7］。

2.3 进程模型

作为OPNET三层建模机制的最底层，进程模型主要用于细化节点模型中各个功能模块的实现。每个进程都是采用VC++编程来实现的有限状态机。本文主要关注的进程模型是MAC进程模型。具体的进程模型如图5所示。

工作流程如下：在进行数据传输时，工作站先监听信道，如果信道被占用，则不传输数据包。如果有2个或2个以上的移动站同时传输包，则产生冲突，为了避免冲突，自动进入基于二进制指数退避算法的退避阶段，等退避后转入到等待传输状态，若不需要退避则进行帧传输，传输完成后等待响应帧［8］。

3 仿真参数设置

在进行参数设置之前，首先了解一下基本参数的含义：

数据传输速率：此WLAN在802.11b协议下支持的数据传输率有：1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s和11 Mb/s。这些数据率将模拟传输机和接收机处理分组的速率［9］。

拆分门限：该门限决定高层数据分组(MSDU)是否需要拆分。拆分后帧的数量是由MSDU的大小和拆分门限决定的［10］。

有线部分参数配置：

(1) 应用配置，即对所要进行仿真的对象进行定义。操作流程为：

Application Configure/Edit Attributes/Application Definitions/default，即提供的应用为默认的8种应用。

(2) 业务配置，即配置一类用户所涉及的应用，本例为文件传输。操作流程为：

Profile Configure/Edit Attributes/Profile Configuration/Edit/Application/File Transfer(heavy)。

(3) 配置服务器，即对服务器所需支持的服务和应用进行设定，在Application Configure中定义的应用都可以选择。操作流程为：server/Edit Attributes/Application/Application/Supported Service/All。

(4) 配置工作站，即配置工作站所支持的业务，在Profile Configure中定义的业务都可以选择。根据一般的通信业务都是两个工作站通信的特点，本文中工作站的配置既支持服务，又支持业务，还需要配置目的节点。操作流程为：wkstn/Edit Attributes/Application/Application Supported Profile/File Transfer(heavy)。

(5) 信道采用10Base_T的默认设置，即：10Base_T/Edit Attributes/Back ground Load/Average packet Size/Default。

无线部分参数配置：start time为logistic(0.01,1)；ON平均持续时间为constant(80)；OFF平

均持续时间为constant(0)；时间间隔为exp(0.02)；信道带宽1 Mb/s；信道特性DSSS。

4 网络性能测试与分析

设置仿真时间为3 min，仿真种子为128，运行仿真得：

(1) 数据包分组对网络性能的影响：固定数据率为1 Mb/s，拆分门限为none，分别设置包分组为exp(256)，exp(512)，exp(1 024)，仿真结果如图6,图7所示。

从图6可以看出，以上三种参数设置下，网络都能在几秒钟后达到稳定状态，但是当数据包为exp(256)时，无线网丢包率最小，约为2.5 Mb/s，当数据包为exp(512)时，丢包率最大，无线网络性能最差。从图7可以看出，以上三种参数设置下，时间延迟均随着时间的增加而递增，仿真在115 s左右时开始稳定，最后达到稳定状态，这说明网络性能稳定。但是具体来看，数据包为exp(1 024)时网络时间延迟最小，约为0.001 5 s。说明在这种设置下，设备能更快的进行数据包交换和传输。网络性能次之的设置是数据包exp(256)，它的时间延迟为0.002 0 s，稍逊于exp(1 024)时的情况。而数据包设置为exp(512)时网络的性能有明显的不足之处，接入到网络的延迟时间很大。综合来看，设置数据包为exp(256)时丢包率最低，时间延迟也足以满足现场的实际数据传输的需要，混合网络性能较好。

(2) 数据率对网络性能的影响：固定数据包分组为exp(256)，拆分门限为none，分别设置数据率为1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s,11 Mb/s，仿真结果如图8，图9所示。

由图8可以看出，4种设置均能使网络得到稳定的性能，但是通过比较，数据率为1 Mb/s时，无线网丢包率最小，随着数据率的增加，丢包率逐渐增大。可见在组网时可以考虑较小的数据传输速率以降低丢包率。在图9中，当数据率设置为5.5 Mb/s时，总体时间延迟最小，约为0.001 5 s;次之的是数据率为1 Mb/s的设置，时间延迟略大于0.001 5 s;数据率为2 Mb/s时间延迟最大，平稳时略高于0.002 5 s。综合来看，当设置数据率为1 Mb/s时丢包率最低，时间延迟也足以满足现场的实际数据传输的需要，可以得到较好的网络性能。

(3) 拆分门限对网络性能的影响：固定数据包分组为exp(256)，数据率为1 Mb/s，分别设置拆分门限为none，256，1 024，仿真结果如图10，图11所示。

由图10可以看出，3条仿真曲线几乎重合，说明三种拆分门限对无线网的丢包率没有太大的影响，都能在几秒钟后使网络达到稳定状态，丢包率稳定值在2.5 Mb/s左右。然而由图11可知，当拆分门限为none时，时间延迟最小，接近0.002 0 s，随着拆分门限的增加，混合网络时间延迟逐渐增大。可见在组网时可以不设置拆分门限或者设置256，来减小混合网络的时间延迟，使网络获得更佳性能。