基于OPNET的IP试验网络性能仿真研究

尧荣恒

IP网络具有组网方式灵活、传输带宽大、传输损耗低、技术成熟、连通性强等优点。但由于IP网络采用的是“尽力而为”的传输机制，不能完全保证数据分组、传输的及时性、正确性。本文根据实际的通信网络，用OPNET通信网络仿真软件建立任务IP试验网络模型，通过对试验网络信息流的仿真得到有关的网络性能指标，可以更准确地获取试验网络在不同的信息环境下所表现出的特性。

1网络性能研究意义

从网络性能优化看，在稳定运行阶段，网络可能会由于网络设备故障或业务流量激增导致性能下降，可以通过网络性能测量来定位故障，确定优化方案，改进协议和应用的设计和实现。网络性能测量对于许多internet应用和协议，特别是涉及大量数据传输和具有时延限制媒体流的应用至关重要。网络仿真技术以其独有的方法能够为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。

2OPNET仿真技术

2.1 OPNET概述

OPNET是一个大型的通信与计算机网络仿真软件包,是目前世界上先进的网络仿真开发和应用平台之一。几乎可以对各种通信网络系统进行仿真，包括核心网、接入网、无线网、卫星网以及各种混合型网络等。OPNET提供两类仿真模型库:标准模型库和特殊模型库，采用三层建模机制对网络进行模拟，最底层为进程(Process)层模型，其次是节点(Node)层模型，最上层为网络(Network)层模型。三层模型与实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映网络的相关特性。

2.2 OPNET仿真流程

a)设计网络拓扑结构，即建立若干个节点和链路组成的网络拓扑结构。

b)描述节点与链路特性，节点与链路特性由参数表示。

c)描述网络业务，包括业务类型、属性、业务量、流向及其概率分布等。

d)设置网络运行参数，包括路由算法、流控方法、链路费用等。

e)运行仿真，在运行仿真之前，可根据需要使用探针编辑器设置一些探针到需要采集统计数据的点上。另外，还要设置运行参数。

f)判断仿真结果，仿真结果的精确性和容错性需要进行验证。一般的做法是对输出做出一些预测，再对预测的结果和实际的仿真结果进行比较。

g)结果统计，仿真模型必须达到稳定的状态，才能说明仿真系统的稳定。得出结论并提交仿真报告。

3基于OPNET的IP试验网仿真实现

3.1 IP试验网络拓扑结构

试验网络是以1000Mbps带宽为主干的星型以太网。站IP试验网采取汇聚、接入2层网络结构网络，2台点对点链接的高端交换机组成汇聚层，由路由器和交换机通过用以连接用户的低端交换机和接入点构成接入网，网络拓扑结构如图1所示。

汇聚层交换机为Catalyst2948G，以星型拓扑连接到Catalyst3524系列交换机上。汇聚交换机Catalyst2948G与接入交换机Catalyst3524间用1000M光纤交互连接，两台核心交换机Catalyst2948G之间用1000M光纤相连接，Catalyst3524与接入交换设备之用1000M双绞线连接。

3.2 仿真建模

利用OPNET进行网络性能仿真、评估网络性能的关键是业务建模的准确性。OPNET精确业务建模可以在应用层、网络层和链路层3个协议阶层实现。采用OPNET Modeler14.5进行仿真建模，操作系统为Windows XP。根据前文OPNET仿真流程和建模过程，利用项目编辑器建立基础试验网络模型并将网络拓扑结构映射到OPNET中，建立如图2所示的模型。

节点FireWall_1和FireWall_2为Cisco PIX_506E_2ae防火墙两台，使用1000BaseX与两台核心交换机交互连接；节点route_1和route_2为Sm_Int_server服务器两台，使用服务器作为设备终端节点来接收数据，使用1000BaseX与防火墙连接。各种仿真节点模型均基于TCP/IP模板来建立，站级设备终端节点统一使用Sm_Int_wkstn节点。

在仿真数据流设置上，当前采用仿真种子数的随机均匀分布函数来模拟IP试验网数据流的发送间隔和数据带宽；由于在实际试验网络运行中，站内每一个设备终端的传送数据带宽不一样，传输数据时间间隔不同等传输机制的不一致性，因此在下一步的研究中将重点研究设备终端节点模型的结构设计和进程状态模型建模，使应用层更加符合实际试验网的运行情况。

3.3 设置仿真参数

试验网仿真目的是为实际试验网运行管理以及升级改造提供参考依据，因此仿真关注的是汇聚交换机的性能指标、整个站内试验网络整体运行性能。收集的统计量主要有交换机和局域网络的参数。运行仿真模块，选择优化仿真核心。设定运行仿真时间选择0.5小时，随机种子数选择为128(随机数种子决定了均匀分布的伪随机序列，均匀分布随机数又决定了其他随机变量的生成)。

3.4 仿真结果分析

完成上述各项参数设置，点击“Run simulation”,可以看到仿真结果。

3.4.1 以太网的网络延迟和丢包率

以太网络延迟，初始化后由于大量突发数据的涌入，网络延迟上升至14×10-6s，网络负载稳定后，时延基本稳定在13×10-6s左右，网络时延非常小，说明实时性好。丢包率在网络初始化初期较大，最高达到0.66packets/sec，随着设备运行趋于稳定后逐渐减小，最后降至零。说明网络初始化后存在丢包率，但是运行稳定后丢包率非常小，对网络传输影响不大。

3.4.2 汇聚交换机的数据包接收率和丢包率

汇聚交换机在网络初始化时候有一个网络延迟来使设备初始化，然后汇聚交换机1(HX_1)接收数据速率冲到17000(bits/sec),汇聚交换机2(HX_2)接收数据速率达到19000(bits/sec)，在网络运行稳定后两台核心交换机数据接收率逐渐趋于稳定5000(bits/sec)左右，两台汇聚交换机的数据包丢弃率很低，基本趋于零。从现有试验网络设备状态来分析，现有汇聚交换机性能运行高于试验数据交换传输需求。对于整个局域网而言，在网络初始化时，数据包丢失率产生在防火墙输入输出端口。

3.4.3 服务器的网络负载和CPU利用率

网络初始化阶段，数据负载量较大。随着网络稳定后，负载量基本稳定在900～1000(bits/s)左右，没有较大波动。说明网络比较稳定，整体运行状态良好，符合实际运行要求。网络初始化后，利用率分别逐步上升至0.0006%和0.0007%，随着网络的稳定，CPU利用率趋于稳定，说明设备性能良好，网络运行可靠稳定。

4结束语

本文应用OPNET网络仿真软件，探讨了OPNET仿真技术，叙述了网络仿真流程和方法。针对现有试验网络结构，对试验网的性能从网络负载、网络时延、汇聚交换机数据丢弃率和数据包接收率以及服务器CPU利用率等多个方面进行了仿真分析。通过仿真结果比较分析，性能指标达到实际通信保障任务要求；同时为下一步改善试验网络结构和多种设备不同传输机制下的网络性能研究做好基础工作。

[参考文献]

[1]McGregor T,Braun H w,Brown J.The NLANR Network Analysis Infrastructure.IEEE Communication Magazine,2000,38(5):122～128.

[2]陈敏.OPENT网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004:2～5.

[3]张铭,常春藤.OPNET Modeler与网络仿真[M].人民邮电出版社,2007.

IP网络具有组网方式灵活、传输带宽大、传输损耗低、技术成熟、连通性强等优点。但由于IP网络采用的是“尽力而为”的传输机制，不能完全保证数据分组、传输的及时性、正确性。本文根据实际的通信网络，用OPNET通信网络仿真软件建立任务IP试验网络模型，通过对试验网络信息流的仿真得到有关的网络性能指标，可以更准确地获取试验网络在不同的信息环境下所表现出的特性。

1网络性能研究意义

从网络性能优化看，在稳定运行阶段，网络可能会由于网络设备故障或业务流量激增导致性能下降，可以通过网络性能测量来定位故障，确定优化方案，改进协议和应用的设计和实现。网络性能测量对于许多internet应用和协议，特别是涉及大量数据传输和具有时延限制媒体流的应用至关重要。网络仿真技术以其独有的方法能够为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。

2OPNET仿真技术

2.1 OPNET概述

OPNET是一个大型的通信与计算机网络仿真软件包,是目前世界上先进的网络仿真开发和应用平台之一。几乎可以对各种通信网络系统进行仿真，包括核心网、接入网、无线网、卫星网以及各种混合型网络等。OPNET提供两类仿真模型库:标准模型库和特殊模型库，采用三层建模机制对网络进行模拟，最底层为进程(Process)层模型，其次是节点(Node)层模型，最上层为网络(Network)层模型。三层模型与实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映网络的相关特性。

2.2 OPNET仿真流程

a)设计网络拓扑结构，即建立若干个节点和链路组成的网络拓扑结构。

b)描述节点与链路特性，节点与链路特性由参数表示。

c)描述网络业务，包括业务类型、属性、业务量、流向及其概率分布等。

d)设置网络运行参数，包括路由算法、流控方法、链路费用等。

e)运行仿真，在运行仿真之前，可根据需要使用探针编辑器设置一些探针到需要采集统计数据的点上。另外，还要设置运行参数。

f)判断仿真结果，仿真结果的精确性和容错性需要进行验证。一般的做法是对输出做出一些预测，再对预测的结果和实际的仿真结果进行比较。

g)结果统计，仿真模型必须达到稳定的状态，才能说明仿真系统的稳定。得出结论并提交仿真报告。

3基于OPNET的IP试验网仿真实现

3.1 IP试验网络拓扑结构

试验网络是以1000Mbps带宽为主干的星型以太网。站IP试验网采取汇聚、接入2层网络结构网络，2台点对点链接的高端交换机组成汇聚层，由路由器和交换机通过用以连接用户的低端交换机和接入点构成接入网，网络拓扑结构如图1所示。

汇聚层交换机为Catalyst2948G，以星型拓扑连接到Catalyst3524系列交换机上。汇聚交换机Catalyst2948G与接入交换机Catalyst3524间用1000M光纤交互连接，两台核心交换机Catalyst2948G之间用1000M光纤相连接，Catalyst3524与接入交换设备之用1000M双绞线连接。

3.2 仿真建模

利用OPNET进行网络性能仿真、评估网络性能的关键是业务建模的准确性。OPNET精确业务建模可以在应用层、网络层和链路层3个协议阶层实现。采用OPNET Modeler14.5进行仿真建模，操作系统为Windows XP。根据前文OPNET仿真流程和建模过程，利用项目编辑器建立基础试验网络模型并将网络拓扑结构映射到OPNET中，建立如图2所示的模型。

节点FireWall_1和FireWall_2为Cisco PIX_506E_2ae防火墙两台，使用1000BaseX与两台核心交换机交互连接；节点route_1和route_2为Sm_Int_server服务器两台，使用服务器作为设备终端节点来接收数据，使用1000BaseX与防火墙连接。各种仿真节点模型均基于TCP/IP模板来建立，站级设备终端节点统一使用Sm_Int_wkstn节点。

在仿真数据流设置上，当前采用仿真种子数的随机均匀分布函数来模拟IP试验网数据流的发送间隔和数据带宽；由于在实际试验网络运行中，站内每一个设备终端的传送数据带宽不一样，传输数据时间间隔不同等传输机制的不一致性，因此在下一步的研究中将重点研究设备终端节点模型的结构设计和进程状态模型建模，使应用层更加符合实际试验网的运行情况。

3.3 设置仿真参数

试验网仿真目的是为实际试验网运行管理以及升级改造提供参考依据，因此仿真关注的是汇聚交换机的性能指标、整个站内试验网络整体运行性能。收集的统计量主要有交换机和局域网络的参数。运行仿真模块，选择优化仿真核心。设定运行仿真时间选择0.5小时，随机种子数选择为128(随机数种子决定了均匀分布的伪随机序列，均匀分布随机数又决定了其他随机变量的生成)。

3.4 仿真结果分析

完成上述各项参数设置，点击“Run simulation”,可以看到仿真结果。

3.4.1 以太网的网络延迟和丢包率

以太网络延迟，初始化后由于大量突发数据的涌入，网络延迟上升至14×10-6s，网络负载稳定后，时延基本稳定在13×10-6s左右，网络时延非常小，说明实时性好。丢包率在网络初始化初期较大，最高达到0.66packets/sec，随着设备运行趋于稳定后逐渐减小，最后降至零。说明网络初始化后存在丢包率，但是运行稳定后丢包率非常小，对网络传输影响不大。

3.4.2 汇聚交换机的数据包接收率和丢包率

汇聚交换机在网络初始化时候有一个网络延迟来使设备初始化，然后汇聚交换机1(HX_1)接收数据速率冲到17000(bits/sec),汇聚交换机2(HX_2)接收数据速率达到19000(bits/sec)，在网络运行稳定后两台核心交换机数据接收率逐渐趋于稳定5000(bits/sec)左右，两台汇聚交换机的数据包丢弃率很低，基本趋于零。从现有试验网络设备状态来分析，现有汇聚交换机性能运行高于试验数据交换传输需求。对于整个局域网而言，在网络初始化时，数据包丢失率产生在防火墙输入输出端口。

3.4.3 服务器的网络负载和CPU利用率

网络初始化阶段，数据负载量较大。随着网络稳定后，负载量基本稳定在900～1000(bits/s)左右，没有较大波动。说明网络比较稳定，整体运行状态良好，符合实际运行要求。网络初始化后，利用率分别逐步上升至0.0006%和0.0007%，随着网络的稳定，CPU利用率趋于稳定，说明设备性能良好，网络运行可靠稳定。

4结束语

本文应用OPNET网络仿真软件，探讨了OPNET仿真技术，叙述了网络仿真流程和方法。针对现有试验网络结构，对试验网的性能从网络负载、网络时延、汇聚交换机数据丢弃率和数据包接收率以及服务器CPU利用率等多个方面进行了仿真分析。通过仿真结果比较分析，性能指标达到实际通信保障任务要求；同时为下一步改善试验网络结构和多种设备不同传输机制下的网络性能研究做好基础工作。

[参考文献]

[1]McGregor T,Braun H w,Brown J.The NLANR Network Analysis Infrastructure.IEEE Communication Magazine,2000,38(5):122～128.

[2]陈敏.OPENT网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004:2～5.

[3]张铭,常春藤.OPNET Modeler与网络仿真[M].人民邮电出版社,2007.

IP网络具有组网方式灵活、传输带宽大、传输损耗低、技术成熟、连通性强等优点。但由于IP网络采用的是“尽力而为”的传输机制，不能完全保证数据分组、传输的及时性、正确性。本文根据实际的通信网络，用OPNET通信网络仿真软件建立任务IP试验网络模型，通过对试验网络信息流的仿真得到有关的网络性能指标，可以更准确地获取试验网络在不同的信息环境下所表现出的特性。

1网络性能研究意义

从网络性能优化看，在稳定运行阶段，网络可能会由于网络设备故障或业务流量激增导致性能下降，可以通过网络性能测量来定位故障，确定优化方案，改进协议和应用的设计和实现。网络性能测量对于许多internet应用和协议，特别是涉及大量数据传输和具有时延限制媒体流的应用至关重要。网络仿真技术以其独有的方法能够为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。

2OPNET仿真技术

2.1 OPNET概述

OPNET是一个大型的通信与计算机网络仿真软件包,是目前世界上先进的网络仿真开发和应用平台之一。几乎可以对各种通信网络系统进行仿真，包括核心网、接入网、无线网、卫星网以及各种混合型网络等。OPNET提供两类仿真模型库:标准模型库和特殊模型库，采用三层建模机制对网络进行模拟，最底层为进程(Process)层模型，其次是节点(Node)层模型，最上层为网络(Network)层模型。三层模型与实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映网络的相关特性。

2.2 OPNET仿真流程

a)设计网络拓扑结构，即建立若干个节点和链路组成的网络拓扑结构。

b)描述节点与链路特性，节点与链路特性由参数表示。

c)描述网络业务，包括业务类型、属性、业务量、流向及其概率分布等。

d)设置网络运行参数，包括路由算法、流控方法、链路费用等。

e)运行仿真，在运行仿真之前，可根据需要使用探针编辑器设置一些探针到需要采集统计数据的点上。另外，还要设置运行参数。

f)判断仿真结果，仿真结果的精确性和容错性需要进行验证。一般的做法是对输出做出一些预测，再对预测的结果和实际的仿真结果进行比较。

g)结果统计，仿真模型必须达到稳定的状态，才能说明仿真系统的稳定。得出结论并提交仿真报告。

3基于OPNET的IP试验网仿真实现

3.1 IP试验网络拓扑结构

试验网络是以1000Mbps带宽为主干的星型以太网。站IP试验网采取汇聚、接入2层网络结构网络，2台点对点链接的高端交换机组成汇聚层，由路由器和交换机通过用以连接用户的低端交换机和接入点构成接入网，网络拓扑结构如图1所示。

汇聚层交换机为Catalyst2948G，以星型拓扑连接到Catalyst3524系列交换机上。汇聚交换机Catalyst2948G与接入交换机Catalyst3524间用1000M光纤交互连接，两台核心交换机Catalyst2948G之间用1000M光纤相连接，Catalyst3524与接入交换设备之用1000M双绞线连接。

3.2 仿真建模

利用OPNET进行网络性能仿真、评估网络性能的关键是业务建模的准确性。OPNET精确业务建模可以在应用层、网络层和链路层3个协议阶层实现。采用OPNET Modeler14.5进行仿真建模，操作系统为Windows XP。根据前文OPNET仿真流程和建模过程，利用项目编辑器建立基础试验网络模型并将网络拓扑结构映射到OPNET中，建立如图2所示的模型。

节点FireWall_1和FireWall_2为Cisco PIX_506E_2ae防火墙两台，使用1000BaseX与两台核心交换机交互连接；节点route_1和route_2为Sm_Int_server服务器两台，使用服务器作为设备终端节点来接收数据，使用1000BaseX与防火墙连接。各种仿真节点模型均基于TCP/IP模板来建立，站级设备终端节点统一使用Sm_Int_wkstn节点。

在仿真数据流设置上，当前采用仿真种子数的随机均匀分布函数来模拟IP试验网数据流的发送间隔和数据带宽；由于在实际试验网络运行中，站内每一个设备终端的传送数据带宽不一样，传输数据时间间隔不同等传输机制的不一致性，因此在下一步的研究中将重点研究设备终端节点模型的结构设计和进程状态模型建模，使应用层更加符合实际试验网的运行情况。

3.3 设置仿真参数

试验网仿真目的是为实际试验网运行管理以及升级改造提供参考依据，因此仿真关注的是汇聚交换机的性能指标、整个站内试验网络整体运行性能。收集的统计量主要有交换机和局域网络的参数。运行仿真模块，选择优化仿真核心。设定运行仿真时间选择0.5小时，随机种子数选择为128(随机数种子决定了均匀分布的伪随机序列，均匀分布随机数又决定了其他随机变量的生成)。

3.4 仿真结果分析

完成上述各项参数设置，点击“Run simulation”,可以看到仿真结果。

3.4.1 以太网的网络延迟和丢包率

以太网络延迟，初始化后由于大量突发数据的涌入，网络延迟上升至14×10-6s，网络负载稳定后，时延基本稳定在13×10-6s左右，网络时延非常小，说明实时性好。丢包率在网络初始化初期较大，最高达到0.66packets/sec，随着设备运行趋于稳定后逐渐减小，最后降至零。说明网络初始化后存在丢包率，但是运行稳定后丢包率非常小，对网络传输影响不大。

3.4.2 汇聚交换机的数据包接收率和丢包率

汇聚交换机在网络初始化时候有一个网络延迟来使设备初始化，然后汇聚交换机1(HX_1)接收数据速率冲到17000(bits/sec),汇聚交换机2(HX_2)接收数据速率达到19000(bits/sec)，在网络运行稳定后两台核心交换机数据接收率逐渐趋于稳定5000(bits/sec)左右，两台汇聚交换机的数据包丢弃率很低，基本趋于零。从现有试验网络设备状态来分析，现有汇聚交换机性能运行高于试验数据交换传输需求。对于整个局域网而言，在网络初始化时，数据包丢失率产生在防火墙输入输出端口。

3.4.3 服务器的网络负载和CPU利用率

网络初始化阶段，数据负载量较大。随着网络稳定后，负载量基本稳定在900～1000(bits/s)左右，没有较大波动。说明网络比较稳定，整体运行状态良好，符合实际运行要求。网络初始化后，利用率分别逐步上升至0.0006%和0.0007%，随着网络的稳定，CPU利用率趋于稳定，说明设备性能良好，网络运行可靠稳定。

4结束语

本文应用OPNET网络仿真软件，探讨了OPNET仿真技术，叙述了网络仿真流程和方法。针对现有试验网络结构，对试验网的性能从网络负载、网络时延、汇聚交换机数据丢弃率和数据包接收率以及服务器CPU利用率等多个方面进行了仿真分析。通过仿真结果比较分析，性能指标达到实际通信保障任务要求；同时为下一步改善试验网络结构和多种设备不同传输机制下的网络性能研究做好基础工作。

[参考文献]

[1]McGregor T,Braun H w,Brown J.The NLANR Network Analysis Infrastructure.IEEE Communication Magazine,2000,38(5):122～128.

[2]陈敏.OPENT网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004:2～5.

[3]张铭,常春藤.OPNET Modeler与网络仿真[M].人民邮电出版社,2007.