基于OPNET的局域网仿真实验设计

姚 遥,郑创明

随着网络系统变得越来越复杂、越来越庞大,学生和专业人士在学习计算机网络时动手做一些网络仿真实验,对于理解计算机网络的一些关键主题是非常有必要的.仿真方法能够提供符合各种预期特征的虚拟网络环境,并基于此虚拟环境对网络在不同场景下的性能进行分析.本文将利用优秀的网络仿真软件OPNET演示交换式局域网的实现过程,研究在一个交换式网络中,交换机和集线器互联而成的不同局域网是如何影响吞吐量、数据包冲突和时延的.

1 OPNET概述及技术特点

OPNET是全球领先的网络仿真软件,它为网络专业人士提供网络结构、设备和应用的设计建设、分析和管理解决方案.OPENT的产品包括Modeler、OPNET Development Kit等.它的核心产品是OPENT Modeler,它能准确分析复杂网络的性能和行为,可得到图形化的仿真输出,帮助用户设计和分析网络、网络设备和通信协议.

OPNET Modeler具有下面的突出特点,使其在网络仿真软件中有极强的竞争力[1]:

(1)提供三层建模机制.由上到下三层分别是网络模型、节点模型和进程模型.三层模型分别和实际的网络拓扑结构、网络设备和网络协议对应,全面反映了网络的相关特性.网络设备模型库比较齐全,包括:客户机、服务器、路由器、交换机等设备.

(2)具有强大的数据统计和分析功能.它可以收集三个层次各个节点的数据以及一些参数进行分析,以可视化图形的方式展现出来,输出仿真报告.

(3)提供程序调试功能.在仿真出现错误时,可通过强大的调试功能找出错误进行修改,直至仿真出正确结果.

(4)提供专门的网管系统和流量监测系统.能够对网络进行管理和流量监测,对分析整个网络的状态提供了方便,同时还可对仿真结果进行验证.

2 局域网概述

局域网一般为一个部门或单位所有,建网、维护以及扩展等较容易,系统灵活性高.其主要特点是[2]:

(1)覆盖的地理范围较小,只在一个相对独立的局部范围内联,如一座或集中的建筑群内.

(2)使用专门铺设的传输介质进行联网,数据传输速率高(10 Mb/s～10 Gb/s).

(3)通信延迟时间短,可靠性较高.

(4)局域网可以支持多种传输介质.

局域网的类型很多,若按网络使用的传输介质分类,可分为有线网和无线网[3];若按网络拓扑结构分类,可分为总线型、星型、环型、树型、混合型等[4];若按传输介质所使用的访问控制方法分类,又可分为以太网、令牌环网、FDDI网和无线局域网等[5].其中,网络拓扑结构为星型或树型或混合型的以太网是当前应用最普遍的局域网技术.

3 局域网仿真实验

3.1 实验目的

单个局域网包含的主机数量是有限的,而且单个网络能够服务的地理区域也是有限的.通过使用交换机,可以扩展局域网的作用范围.交换机是一种用来实现主机互连的设备,它有多个输入、输出端口[6].交换机的核心任务是从输入端口获取数据包,然后选择正确的输出端口转发这些数据包.

交换机必须应对的一个关键问题是输出端口带宽有限.如果要转发到某个输出端口的数据包到达交换机的速率超过了这个输出端口的容量,交换机就会让这些数据包进行缓存排队等候,直到端口争用得到缓解.然而,如果发生争用时间过长,交换机将会因缓冲器耗尽不得不丢弃这些数据包.如果丢弃数据包过于频繁,说明在这个交换机出现了拥塞.

在本实验中将使用两个不同的交换设备——集线器和交换机,来建立交换式局域网.研究由交换机和集线器互连而成的不同局域网的性能.

3.2 实验设计及步骤

第一步:启动OPNET Modeler 14.5,新建一个工程创建“Only Hub”场景,设置节点模型和链路模型及其他基本参数如下:

(1)中心节点模型为16口的以太网集线器(ethernet16_hub);

(2)外围节点模型为以太网工作站(ethernet_station),工作站数目为16;

(3)链路模型为10Base T;

(4)X=50,Y=50,半径为42.

现在,创建的网络如图1所示.

第二步:配置工作站属性生成流量.在任一工作站上右击,选择“Select Similar Nodes”,然后编辑属性,选择“Apply Change to Selected Objects”.分别 展 开 “Traffic Generation Parameters”和“Packet Generation Arguments”,设置属性“ON State Time”=exponential(100.0),“OFF State Time”=exponential(0.01),“Interarrival Time”=exponential(0.02),“Packet Size”=constant(1 500).

图1 以Hub为中心的局域网

第三步:在工程工作区的任何地方右击,选择“Choose Individual Statistics”,选择“Ethernet Delay”“Traffic Received”“Traffic Sent”“Collision Count”4个统计量.

第四步:配置仿真的持续时间为2分钟,保存工程.

第五步:复制场景,命名为“Switch”,将新场景中间的Hub换成“ethernet16_switch”,然后同样用10BASET连接各工作组和交换机.新的网络如图2所示.

图2 以Switch为中心的局域网

第六步:对两个场景分别进行运行仿真,观察结果.选择“Traffic Sent(packets/sec)”统计量,结果如图3所示.

图3 发送流量

选择“Traffic

(packets/sec)”统计量,结果如图4所示.

选择“Delay(sec)”统计量,结果如图5所示.

图4 接收流量

图5 延时

选择Hub节点的“Collision Count”统计量,结果如图6所示.

图6 冲突数

3.3 仿真结论

从图3可以看到,两个场景中的发送流量几乎相同.从图4可以看到,第二个场景Switch中的接收流量要高于第一个场景Only Hub中的接收流量.从图5可以看到,以Hub为中心节点的网络延时明显高于以Switch为中心节点的网络延时.从图6可以看到,以Hub为中心的网络冲突数最终稳定于2 400,而Switch不发生冲突.

综上所述,以Switch为中心节点的网络性能由于以Hub为中心节点的网络性能,在组建局域网络时,应该优先考虑Switch.

4 结束语

通过OPNET使用两个不同的交换设备——集线器和交换机,来建立交换式局域网,仿真并分析结果,给大家一个真切和深刻的对局域网理论知识的理解.使用OPNET,可以避免购买网络设备以及后续的设备更新、维护,节约资金;避免占用新的实验室,提高实验室的利用率.通过仿真实验设计,可以帮助网络规划人员、网络管理人员更加有效的诊断遇到的棘手问题,在实施网络设计方案之前就对可能的变化和未来场景进行验证和规划.因此,OPNET的应用必将日益广泛.

参考文献:

[1]张博,姚琳.基于OPENT的广域网仿真实验设计[J].渤海大学学报:自然科学版,2012,33(1):52-57.

[2]三联教程.局域网是什么[EB/DL].2013.http://www.3lian.com/edu/2013/01-18/54262.html.

[3]王春林.浅析局域网的组建与应用[J].电子制作,2012(10):17.

[4]董志远.基于通信网节点及链路的重要性可靠性研究[D].杭州:杭州电子科技大学通信工程学院,2012.

[5]骆作颢.以太网实验系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学电气工程系,2008.

[6]黄晓波.网络拓扑发现的算法研究与实现[D].杭州:浙江大学计算机学院,2006.