基于OPNET 的网络协议TCP 仿真实验平台的设计与实现

游胜玉，刘琳

（东华理工大学软件学院，江西 南昌 330013）

随着经济的迅猛发展，计算机网络已经离不开人们的生活。社会需求的日益增加，网络拓扑结构也不断复杂化，网络的应用也不断多元化，传统的网络实验操作环境已远远不能满足现代实验操作的要求。在计算机网络技术中，服务器、交换机、防火墙及路由器是网络的主流设备[1-2]，即使实际的网络实验中采用一定数量的网络设备，但意味着需要投入更高的成本，且网络设备维护也比较复杂，特别是对于那些复杂的大型网络建设，更需要大量的人力物力来建设。另外，对于初学者来说，如果在硬件设备搭建实验过程中出现故障导致实验失败，也不知道问题出现在哪，从而影响实验效果[3-4]。因此，针对这样的情况，引入仿真技术来搭建网络实验环境，可以减少投资成本，并且对于初学者而言又锻炼了实践能力。本文采用OPNET网络仿真软件搭建仿真实验平台，对传输控制协议TCP 的慢启动算法、拥塞避免算法、快速重传算法和快速修复算法进行设计与实现。

1 OPNET 介绍

1986 年，麻省理工大学的2 名博士创建了一个公司，名为OPNET。第二年，OPNET 公司的第一个商业化的网络性能仿真软件问世，使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。OPNET 网络仿真软件是OPNET 公司推出的最早及最具有影响力的网络仿真软件，对网络的建模仿真、提前预测大大提高了网络环境的质量，起了一个划时代的作用[5]。

OPNET 网络仿真软件主要包括OPNET Modeler、OPNET ITGuru、OPNET SPGuru 和WDM Guru、ODK和NetBizODK 共4 个系列。OPNET Modeler 系列主要用来进行研究，可以用来分析网络设备、网络协议和一些通信协议；OPNET ITGuru 系列主要是针对大型企业网络的管理和分析，查找问题，找出性能瓶颈，提出解决方案等；OPNET SPGuru 和WDM Guru 系列主要面向运营商，面向智能化的网络管理；ODK 和NetBizODK 是一个更底层的软件开发平台，ODK 为开发时的环境，NetBizODK 为运行时的环境，由多种软件组件库组成，主要应用于计算机网络的建模、仿真、优化和分析。OPNET 迅速而稳步地发展，作为高科技网络规划、仿真、分析工具，OPNET 在通信、国防及计算机网络领域已经被广泛认可和采用[6]。

2 仿真实验设计与配置

OPNET Modeler 是一款非常优秀的网络仿真和建模工具，它不仅支持面向对象的建模方式，而且还可以提供图形化的编辑界面。它的强大功能和全面性，使它可以模拟任何网络设备、支持各种网络技术。因此，本文采用OPNET Modeler 网络仿真软件作为仿真平台，对传输控制协议TCP 的慢开始算法、拥塞避免算法、快速重传算法和快速修复算法进行模拟实验。

2.1 TCP 协议拥塞算法介绍

传输控制协议TCP 是一种面向连接可靠的全双工通信协议，其核心思想是基于共享资源管理下，按照一定的算法来控制传输数据，并且合理地利用资源，保证网络的稳定性。TCP 协议包括4 种拥塞控制算法，即慢开始算法、拥塞避免算法、快速重传算法和快速恢复算法。这些算法的核心就是通过控制拥塞窗口的大小，发送端可以控制业务量，从而控制网络拥塞。在传输过程中，发送端逐渐增加窗口的大小，一直到出现数据包丢失，窗口值迅速下降，然后开始逐渐增大，从而有效避免了拥塞瘫痪[7]。

慢开始算法：它是一个在TCP 连接上控制数据流发送速度的算法。顾名思义，在开始时就不要发送大量数据，将发送窗口及拥塞窗口初始值设为1，等接收方确认数据之后，拥塞窗口成倍增加，发送窗口也成倍增加；直到窗口大小等于慢开始门限值时，改为每次加1，直至拥塞。慢启动算法是一个在TCP 连接上控制数据流发送速度的算法。

拥塞避免算法：它是一种处理丢失报文的算法。许多输入流到路由器，而路由器输出能力不足的时候，拥塞避免就是为解决这个问题而提出的。数据包的丢失率是非常低的，那么丢失的数据包，将产生一个信号，在源和目的地址之间有堵塞现象，所以在实际情况中，它们在共同的阶段相互作用。

快速重传算法：TCP 协议为了保证数据的可靠性，采用了超时重传机制，在发送一个数据后开始启动一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送数据报的确认帧ACK（Acknowledgement，确认字符）报文时，那么就重新发送数据，直到发送成功为止。快速重传算法是在数据包丢失的情况下给出的一种修补机制。一般来说，重传发生在超时之后，但如果接收端在一个往返时间里接收到3 个以上的重复确认帧ACK 报文时，这就代表数据丢失了，需要重传，快速重传不需要等到重传定时器溢出时再进行重传，所以叫快速重传。

快速恢复算法：它是在快速重传算法后，当接收端收到3 个确认帧ACK 时，就将慢启动阈值设置成为当前的拥塞窗口值的1/2，发送重传的数据报，并采用拥塞避免算法，每收到一个确认帧，拥塞窗口就增加一个报文段，而不启动慢开始算法。快速重传和快速恢复算法的作用都是快速恢复丢失的数据包，如果没有快重传和快恢复，TCP 将会使用定时器来要求传输暂停，在暂停时间内，没有新的数据包被发送，从而影响通信质量。

2.2 网络拓扑结构图的建立

首先，创建网络模型，模拟现实中的网络环境，在实验环境中仿真搭建一个从Paris 地区到Sthlm 地区的网络，在Paris 地区的子网上设置服务器和路由器，接着在Sthlm 地区的子网上也设置服务器和路由器，用来建立双方网络的连接，通过通信模拟TCP 协议。

其次，在OPNET 网络仿真软件的界面下打开opnet→File→Project，新建一个工程，接着选择场景，向场景里面添加所需的设备及物件，如一个应用配置物件（Application Definition）、一个业务主询配置物件（Profile Definition）、路由器，服务器等，并且对2 个地区的服务器及路由器进行配置，设置相应服务器和路由器设备的名称、IP 地址、子网掩码网关地址等，在应用配置物件上配置TCP 协议的各种参数值，包括数据包大小、接收缓冲区大小、拥塞窗口值大小等，其拓扑结构图如图1 所示。

图1 Paris 到Sthlm 的网络

2.3 TCP 协议仿真结果与分析

2.3.1 慢开始与拥塞避免算法同时使用的仿真

慢开始与拥塞避免算法同时使用的仿真结果如图2 所示。从图中可以看出，TCP 协议在执行缓慢开始和拥塞避免算法时，初始窗口很小，但是呈指数型增长；如果一旦超过规定的最大窗口阈值（ssthresh）的话，其窗口大小增长曲线将呈线性增长，这就是拥塞避免算法的实现。从图中还可以看出，在一个1 s 时间窗口内，窗口阈值从1 200 字节成倍增长到67 000 个字节，这是慢开始算法。当阈值达到大约67 000 字节时，开始“加法增大”，这就是拥塞避免算法。

图2 慢开始与拥塞避免算法同时使用的仿真结果

2.3.2 慢开始、拥塞避免和快速重传算法同时使用的仿真

慢开始、拥塞避免和快速重传算法同时使用的仿真结果如图3 所示。从图中可以看出，在1 min 54 s时间窗口内，窗口阈值从1 440 字节成倍增长到近65 535 个字节，这是慢开始算法。当阈值达到大约65 535 字节，开始“加大算法”，这就是拥塞避免算法。

图3 慢开始、拥塞避免和快速重传算法同时使用的仿真结果

窗口大小达到大约72 725 字节时，应该得到3 个连续的ACK，根据3 个重复来确定响应包丢失，立即重新发送数据包丢失，然后设置最大窗口阈值ssthresh作为当前拥塞窗口72 725 字节的1/2，这是快速重传（Tahoe）算法，然后转移到一个缓慢的开始。

2.3.3 慢开始、拥塞避免、快速重传和快速修复算法同时使用的仿真

慢开始、拥塞避免、快速重传和快速修复算法同时使用的仿真结如图4 所示。从图中可以看出，与同时使用慢开始、拥塞避免和快重传算法类似，TCP 协议在执行缓慢开始和拥塞避免算法时，它的初始窗口的值比较小，但呈指数级增长，但是到了最大窗口阈值（ssthresh）的时候，窗口大小就会增长并且呈线性增长。

图4 慢开始、拥塞避免、快速重传和快速修复算法同时使用的仿真结果

从图4 的仿真结果中可以看出，在1 min 54 s 时，窗口左右值近65 535 个字节从近1 460 字节成倍增长，这就是慢开始。当阈值达到大约65 535 字节时，开始“增大加法”，这就是拥塞避免算法。窗口大小达到大约72 638 字节时，应该得到3 个连续的确认帧ACK，如果基于3 个重复来确定响应包丢失和重传丢失的数据包，如果收到non-duplicate ACK，拥塞窗口值cwnd=最大窗口阈值ssthresh，进入拥塞避免阶段，这是快速重新传输/快速恢复算法（Reno）。

3 结束语

计算机网络结构的越发复杂化及应用的越发多元化，使网络更加需要一个可靠的规划与设计的方法，可是传统的计算机网络规划主要是靠经验而来，这样就会导致花费大量的人力物力来规划、设计及建立更加完善的网络，这对于目前这些复杂的大型网络的建设非常不利。网络仿真软件的出现，大大方便了网络工程师们建设一个优秀的网络，其中OPNET 仿真软件，不仅在设计上非常规则，而且在网络规划及建设方面也很大程度缩短了周期，从而进一步提高了网络建设的科学性，降低网络建设的投资成本及风险，让网络工程师们看到了重要的、客观的及可信的定量依据，并完美呈现出一个美好的网络前景。网络仿真技术的使用，在协议开发、标准开发、网络规划和网络运营管理等方面，可以极大地提高效率，为网络技术的发展提供强有力的支持。

因此，利用网络仿真软件来构建计算机网络课程的实验环境，既可以减低实验设备的投资成本，又可以提高初学者动手实践能力和创造能力，提高做实验的效率。本文介绍了采用OPNET 网络仿真软件对TCP协议的4 种算法进行模拟仿真实验，通过实验得出OPNENT 仿真软件能够很好地仿真设计与分析网络协议。初学者还可以利用OPNET 仿真软件仿真计算机网络的基础类、设计类、综合类及创新类实验等，通过实验把理论与实践更好地结合起来，把实践知识应用到实际环境中，为后续的学习打好基础。

参考文献：