OPNET建模-盘古文库

OPNET建模（精选6篇）

OPNET建模第1篇

网络仿真技术是一种以系统理论、形式化理论、随机过程理论、统计学和优化理论为基础的技术。其通过对网络逻辑结构、节点设备、网络链路和通信协议的建模, 建立真实网络的仿真环境, 然后通过仿真获取网络设计或优化所需要的相关性能数据。设计人员可以在虚拟的网络环境中对网络结构进行检测, 验证一种或多种不同的网络设计方案, 并且得到高准确度的结果和数据。较之以往技术和方法, 网络仿真技术具有预测功能, 应用范围更广, 并且能够得到客观、准确的结果, 便于分析, 适用于中大型网络, 节省时间及资金。

1 网络仿真软件OPNET

1.1 网络仿真概述

随着网络技术的高速发展, 网络结构和规模的日益复杂, 网络规划设计、设备研究变得越来越困难。借助这种仿真技术, 可以提高网络结构设计的可靠性及准确性, 显著削减了网络投资风险。

网络仿真技术的特点: (1) 通过网络仿真软件能够迅速建立网络模型, 通过模型仿真为设计提供可靠的定量依据, 从而对网络的性能进行更准确地预测; (2) 使用网络仿真软件能够灵活验证设计方案的合理性, 或比较多个不同设计方案的优缺点, 为最后实施方案的选择提供可靠依据。

1.2 网络仿真软件OPNET简介

OPNET仿真软件是当今仿真领域比较先进的开发和应用平台之一。OPNET软件采用离散事件驱动的原理, 即只有在网络状态发生变化的情况下, 模拟机才能工作, 否则被跳过, 与时间驱动相比效率更高。OPNET采用基于包的建模机制, 其过程分为3个层次, 自上而下在每个层次模拟单个对象的行为, 这样可以同时在不同的场景将不同的设计方案加以比较。OPNET仿真软件中包含免费的标准模型库, 用户也可以预定特殊的模型库, 使用者可以快速建立网络模型进行升级和规划改造、查错, 提供一流的分析功能并具有OPNET网络设计、运行和规划解决方案提供的补充性功能, 包括利用预测规划和优化、网络审核和更改验证以及快速故障排除。

OPNET应用于多种硬件设备, 可以运行在SUN、Unix、NT、HP及windows等多种工作平台上。目前, 在建筑智能化、智慧城市、智能交通、网络通信、航空航天及系统集成等方面被广泛应用。

1.3 OPNET仿真软件的主要特点

第一, OPNET软件采用三层建模机制:网络域、节点域、进程域。

第二, OPNET软件采用基于离散事件驱动的仿真机制。

第三, OPNET软件由三个模块组成:ITDecision Guru、Modeler和Modeler/radio。3个模块层层嵌套。ITDecision Guru以最优化网络性能为目标;Modeler可以帮助用户设计和分析网络、网络设备和通信协议;Modeler/radio支持移动通信和卫星通信。

1.4 OPNET仿真流程

OPNET网络仿真软件应用于网络规划设计的流程如下: (1) 网络拓扑结构的配置; (2) 网络系统业务的配置; (3) 收集统计信息; (4) 运行仿真; (5) 调试模块再次仿真; (6) 发布仿真报告。

2 校园网建模

2.1 校园网的需求

以普通高等教育学院校园网的基本结构为例, 每一功能设定为一个局域网, 每个局域网使用二级交换机Cisco2924组网, 所有局域网交换机最终都汇聚到同一台Cisco5500的核心交换机上。服务器组通过一台交换机连接到核心交换机。各个局域网的节点数及需求业务如表1所示。

2.2 网络建模

校园网络主要网络设备有:一台路由器、一台核心交换机、多台汇聚交换机、多台服务器和10 000个客户端组成。采用星型拓扑结构, 遵循TCP/IP协议。网络中心与各楼之间用光纤连接。本网络支持E-mail、FTP、web, DNS及办公自动化等业务。

2.3 业务配置

校园网主要以教学科研为主要目的, 主要涉及的业务主要有:FTP文件下载业务、HTTP网页浏览业务、Email电子邮件业务等。这些业务主要都是端对端的业务。都是以工作点访问服务器从而获得某种服务的方式完成的, 所以需要配置端对端业务。由于网络接入了大量的用户群, 对于不同的用户, 其业务也是不同的。如对于学生宿舍的用户来说, 主要的网络业务为http和ftp。

办公楼, 实验楼:http, Database设置;

图书馆:http, Database设置;

教学楼:http, Telnet Session设置;

宿舍区:http和ftp设置。

3 数据收集及仿真分析

3.1 数据收集

校园网络建模及业务配置之后, 进行参数的提取。本次要提取的参数有网络延时、网络负载、网络总负载及核心交换机包交换率。

3.2 仿真及分析

3.2.1 查看其中的网络延迟参数

整个网络的时延如图1所示。初始化结束后, 整个网络工作状态稳定, 网络时延非常小, 说明实时性好。

3.2.2 网络负载和网络总负载的参数

如图2、3所示, 初始化后网络负载比较稳定, 而且负载比较大。

3.2.3 核心交换机的包接收率和包丢失率

图4所示, 交换机初始化有一个100秒的延时, 在网络运行稳定后逐渐趋于一个定值之间波动。

从图5中图形可以看出, 交换机的包丢失率很低, 趋近于零, 说明交换机的性能很好。

通过对几个参数的分析, 网络比较可靠。现有的网络运行速度较快, 系统各项性能指标正常, 完全能够满足学校日常办公、学习的需要。

4 结语

本文以校园网为例, 研究了将OPNET仿真技术应用于网络建设的有效方法。并且以校园网络为背景, 利用仿真工具对多个网络性能指标进行比较分析。可以看出, 将OPNET仿真技术应用于网络建设, 将提高规划设计的可靠性, 避免返工, 进而会最大程度地节省时间, 缩减经费, 提高网络质量, 降低维护难度, 在网络建设中使用仿真技术是可行的。

参考文献

[1]陈敏.OPNET物联网仿真[M].北京:清华大学出版社, 2010:28-254.

OPNET建模第2篇

卫星移动通信系统具有损耗小,延迟短,可实现全球无缝覆盖,抗毁性和抗干扰性强等突出优点,是未来移动通信的重要组成部分。多波束天线技术是卫星通信系统中的关键技术,具有如下优点:可以使波束空间隔离和极化隔离,实现多重频率复用,加大可用带宽,增加通信容量;大大地提高卫星向地球的辐射通量密度(EIRP),使地面用户可以采用较小口径的接收天线,从而大大降低系统成本和通信成本;根据需要可灵活快捷地进行波束扫描和波束重构,从而增强系统的抗干扰性和在轨生存能力。

目前,多波束天线技术是卫星移动通信系统中的研究热点之一。文献[1]等研究了波束成形算法;文献[2]提出了点波束确定算法,文献[3,4,5]讨论了点波束的设计问题,为多波束天线的仿真建模提供了一定的参考。但是,目前在卫星多波束天线的OPNET仿真建模方面,还没有较为全面深入的研究。本文旨在研究基于OPNET的卫星多波束天线的仿真建模方法,为进一步建立基于OPNET的卫星移动通信系统仿真平台奠定基础。

1 卫星多波束天线几何模型

1.1 卫星多波束天线类型

通常,卫星多波束天线根据其辐射特点可分为等波束宽度和等波束面积两种。等波束宽度多波束天线是指各点波束的半功率波束宽度(点波束的天线视角)相等,其优点是各点波束天线的结构、参数等完全相同,只用生成一个点波束天线模型,分别设置不同点波束的指向即可,这有利于星载天线的简化;等波束面积多波束天线是指各点波束小区面积相等,其优点是等小区面积的覆盖,有利于系统为整个地面服务区内提供均匀覆盖的系统容量[3]。

1.2 卫星多波束天线小区结构

假设卫星多波束天线在地面形成M层的蜂窝小区,每层蜂窝有KM个蜂窝中心绕星下点对称分布,以y轴为参考轴,则第m层中的第n个蜂窝中心距星下点的距离和与参考轴所成的方位角为(如图1所示):

$\begin{array}{l} L_{m n} = d_{1} \sqrt{m^{2} + n^{2} - m n} (1) \\ α_{m n} = \cos^{- 1} (\frac{2 m - n}{2 \sqrt{m^{2} + n^{2} - m n}}) (2) \end{array}$

其中: $d_{1} = r_{0} \sqrt{3} ‚ r_{0}$ 表示中心蜂窝半径;则第m层中的第n个蜂窝的中心坐标为:

${\begin{cases} x_{m n} = L_{m n} \sin α_{m n} \\ y_{m n} = L_{m n} \cos α_{m n} \end{cases} (3)$

1.3 卫星多波束天线俯仰角和方位角计算

给定天线辐射特性,天线增益值由方位角和俯仰角两个角度坐标确定。设卫星、用户位置关系如图2所示,oxyz表示地心坐标系;Sx′y′z′表示星上坐标系(如图3所示),其中o表示地心,在地心坐标系中:S(sx,sy,sz)表示卫星所在位置;U(ux,uy,uz)表示用户所在位置;R(rx,ry,rz)表示参考点所在位置。设A点为星上坐标系z′轴上一点,在Sx′y′z′坐标系中坐标为(0,0,h),A点坐标需要经过两次坐标旋转从Sx′y′z′坐标系下的坐标(0,0,h)转换到oxyz坐标系下的坐标(xA,yA,zA),转换公式如下:

$\begin{array}{l} [\begin{array}{l} x_{A} \\ y_{A} \\ z_{A} \end{array}] = [\begin{matrix} \cos φ_{p} \cos θ_{p} & \sin θ_{p} & - \sin φ_{p} \cos θ_{p} \\ - \cos φ_{p} \sin θ_{p} & \cos θ_{p} & \sin φ_{p} \sin θ_{p} \\ \sin φ_{p} & 0 & \cos φ_{p} \end{matrix}] \cdot \\ [\begin{matrix} \cos φ_{b} \cos θ_{b} & \sin θ_{b} & - \sin φ_{b} \cos θ_{b} \\ - \cos φ_{b} \sin θ_{b} & \cos θ_{b} & \sin φ_{b} \sin θ_{b} \\ \sin φ_{b} & 0 & \cos φ_{b} \end{matrix}] \cdot [\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ h \end{array}] (4) \end{array}$

其中:(φb,θb)表示boresight角度坐标,(φp,θp)表示指向角度坐标。

俯仰角φ是矢量SU与SA的夹角:

$φ = \cos^{- 1} [(S U \cdot S A) / (| S U | \cdot | S A |)] (5)$

方位角θ是平面SAU与平面SAR的夹角,设SAU平面方程为:A1x+B1y+C1z=0,法矢量n1={A1,B1,C1};SAR平面方程为:A2x+B2y+C2z=0,法矢量n2={A2,B2,C2};平面SAU和SAR的平面方程可根据S,A,U,R四点的坐标求得,则有方位角θ为:

$θ = \cos^{- 1} [(n_{1} \cdot n_{2}) / (| n_{1} | \cdot | n_{2} |)] (6)$

2 构建基于OPNET的卫星多波束天线模型

2.1 点波束的辐射特性

点波束的辐射特性建模是建立OPNET多波束天线模型的基础。点波束的辐射特性建模的目标概括起来有两个:波束覆盖区内实现无缝覆盖;波束覆盖区外天线增益迅速跌落,旁瓣辐射最小化。

点波束的辐射特性建模既可采用函数来模拟天线的辐射特性,也可以采用Matlab实现波束成形算法,获得天线的辐射特性。这里采用第一种方法,构造如下形式的波束天线增益函数模型:

$G (φ) = {\begin{cases} G_{m} - 3 (φ / φ_{b})^{2}, 0 < φ < φ_{1} \\ L_{F}, φ_{1} < φ < 180 ° \end{cases} (7)$

其中:Gm表示天线主瓣增益的最大值(dBi);LF为旁瓣包络值;φb为表示半功率点宽度; $φ_{b} = \sqrt{7 442 / 10^{0.1 G_{m}}}$ 。

设Gm=20 dB,LF=-100 dB,φ1=15°,则点波束的辐射特性如图4所示。

2.2 多波束天线建模

卫星多波束天线建模的主要工作在于生成具有特定辐射特性的若干个点波束。OPNET中天线建模可以通过天线编辑器生成,也可以通过修改EMA模版中表示天线增益的数组元素值来生成。前者生成方式比较简便快捷,但是精确性差;后者精确性高,但是需要逐一设置天线模型中的每个(φ,θ)值所对应的天线增益值,比较繁琐。

为了更加方便快捷地生成具有一定拓扑排列结构的由若干个波束形状相同的点波束构成的多波束天线,本文设计了一个多波束天线生成程序。程序流程如图5所示,首先根据点波束的拓扑排列结构确定各点波束中心位置,参考式(3);然后计算波束内的点与波束主轴的夹角φ′(中心波束时按与天线主轴间的夹角φ),如图6所示;再根据φ′(或φ)是否满足边界条件,设置天线增益值;最后通过OPNET中的EMA机制生成OPNET天线模型。

按照上述方法,采用式(7)所描述的点波束的辐射特性模型,波束排列形状如图7所示,中心1个,外围均匀分布6个圆形点波束,点波束模型的类型为等波束宽度,各个点波束的天线视角都是30°,所生成的中心圆和外围圆的点波束天线模型分别如图8所示。

3 卫星多波束天线辐射特性仿真分析

3.1 卫星链路预算

设卫星多波束天线的发射功率PT= 20 dBW,波束中心天线的增益为GT=20 dBi;用户采用全向天线的接收功率近似PR= 0 dBW,天线增益GR=1 dBi;波尔兹曼常量k=-228.60 dB/KHz;噪声带宽BN =70 dBHz,噪声温度TS=18 dBK;卫星高度d=1 450 km;有效带宽为1 250 kHz,基频为2 GHz,则波长为:

$λ = c / f = 3.0 10^{8} / 2.0 10^{9} = 0.15 m$

自由空间传输损耗:

$\begin{array}{l} L_{Ρ} = 10 \log (4 π d / λ)^{2} = \\ 10 \log (\frac{4 π 1 450 000}{0.15})^{2} = 161.68 d B \end{array}$

由卫星链路预算计算公式,可得卫星波束中心载噪比为:

$\begin{array}{l} C / Ν = Ρ_{Τ} + G_{Τ} + G_{R} - L_{Ρ} + k - Τ_{S} - B_{Ν} = \\ 20 + 20 + 1 - 161.68 + 228.60 - \\ 18 - 70 = 20 d B (8) \end{array}$

3.2 卫星多波束天线模型仿真分析

卫星多波束天线的辐射特性主要通过用户信噪比(SNR)的分布情况来体现。为了仿真分析用户SNR的分布特性,构建简单的OPNET网络仿真场景,设置卫星和用户两类节点模型:

(1) 卫星节点:1个,高1 450 km,采用上节所生成的多波束天线模型,波束小区半径为350 km,相邻波束小区中心间的距离为 600 km,小区之间有一定的重叠区域,节点模型如图9所示。

(2) 用户节点:10 000个,均匀分布在以卫星为中心的长为20°经度,宽为20°纬度的一个正方形区域内,用户采用全向天线。

仿真中以波束覆盖区内每个用户的位置(经纬度)和信噪比(SNR)作为统计量,将所收集的统计量用Matlab画图可得图10和图11。图10给出了用户SNR的三维立体分布图,直观地表明了波束覆盖区内用户的SNR分布情况,图中明显地出现7个SNR峰值,这些峰值就是7个蜂窝小区的中心,表明各小区中心信号最强,SNR最高,而小区边缘信号较弱,SNR较低,小区内用户的SNR自小区中心向小区边缘平滑下降。

图11给出了SNR的等位线分布图,可以看到:

(1) 用户SNR的分布形成7个明显的小区,小区排列形状与图7理想波束分布图中波束排列形状相一致,波束中心SNR达到20 dB,波束边缘SNR下降到12 dB,这符合3.1节对卫星链路预算的设计;

(2) 相邻两小区之间有一定的重叠区域,重叠区域的存在使得小区边缘的SNR不至于过低,保证在小区边缘用户依然可以进行正常的通信,同时重叠区的存在也满足了用户在进行越区软切换时对波束覆盖特性的需求。

综合以上两图可知这种用户SNR分布图符合仿真前对波束小区分布和天线辐射特性模型的设计,也符合实际中运用多波束天线形成的蜂窝小区的分布和天线增益的衰减情况。

4 结语

本文研究了卫星多波束天线仿真建模相关的基本理论,总结了卫星多波束天线仿真建模的方法,建立了基于OPNET的卫星多波束天线模型,并仿真分析了采用该多波束天线模型时用户SNR的分布情况。由仿真结果看出,该多波束模型较好地模拟了卫星多波束天线的辐射特性,这为进一步开发基于OPNET的卫星移动通信系统仿真平台奠定了基础。

参考文献

[1]王志华,曹多礼,钟鹰.多波束天线波束设计[J].空间电子技术,2007(4):37-41,79.

[2]刘严静,刘刚,吴诗其.低轨卫星移动系统的点波束确定算法[J].中国空间科学技术,2006,6(3):59-66.

[3]刘刚,吴诗其.卫星蜂窝通信系统中的点波束设计[J].系统工程与电子技术,2004,26(2):157-159,173.

[4]Arun K Bhattacharyya.Optimum Design Consideration ForMultiple Spot Beam Array Antennas[A].22nd AIAA Inter-national Communications Satellite Systems Conference&Exhibit[C].Monterey,California,2004.

[5]Angeles Vazquez Castro M,Gonzalo Seco Granados.Cross-Layer Packet Scheduler Design of a Multi-beam Broadband Sat-ellite System with Adaptive Coding and Modulation[J].IEEETrans.on Wireless Communications,2007,6(1):248-258.

[6]张亦希,傅君眉,汪文秉.卫星多波束天线赋形波束的最优化计算[J].中国空间科学技术,2001,1(3):23-28,41.

[7]Christophe Donny,Stephane May,Valerie Foix.StatisticalLink Budget Computation Method for Multi-beam Telecom-munication Satellite System[A].21st International Commu-nications Satellite Systems Conference and Exhibit[C].2003.

[8]Javier Romero-García,Riccardo De Gaudenzi.On AntennaDesign and Capacity Analysis for the Forward Link of aMultibeam Power Controlled Satellite CDMA Network[J].IEEE Journal On Selected Areas In Communications,2000,18(7):1 230-1 244.

OPNET建模第3篇

1 GPON DBA实现过程[2,3]

动态带宽分配 (DBA) 是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽动态分配的机制, GPON中的DBA是基于每个T-CONT (Transmission Container) 来完成的, T-CONT共有5种类型 (T-CONT1, 2, 3, 4, 5) , 每个ONU上可以有多个T-CONT, T-CONT就相当于一个物理的缓存, 动态接收OLT下发的授权, 用于管理PON系统传输汇聚层的上行带宽分配, 改善PON系统中的上行带宽。具体实现过程如下:

OLT内部DBA模块不断收集DBA报告信息, 进行相关计算, 并将计算结果写入下行帧帧头中的BW Map域发送给每个ONU, 各ONU根据BW Map中的带宽分配信息在规定的时隙上发送目前T-CONT中等待发送的数据状态报告, OLT收到ONU的状态报告后, 经过DBA计算并更新BW Map, 在下一帧进行下发, 当ONU收到OLT下发的上一帧的BW Map消息后, 即在指定的时隙上发送数据帧和带宽请求报告, 占用上行带宽。以上过程不断循环, 从而实现了整个GPON系统的动态带宽分配。

1.1 改进的DBA算法[4]

文献[5]中详细介绍了目前几种具有代表性的GPON DBA算法, 包括T-DBA算法、C-DBA算法和二端动态带宽分配算法等, 其中C-DBA算法、文献[3]中的改进的DBA算法以及文献[6]中的基于T-CONT轮询的GPON上行动态带宽分配算法均是基于T-CONT类型的, 此类算法最接近GPON建议标准, 因此成为研究的重点。但以上几种算法均没考虑T-CONT5, 为此, 我们设计了一种基于T-CONT的且考虑T-CONT所有类型的改进的DBA算法, 具体如下:

GPON协议体系中规定了5种类型的T-CONT去调度业务, 其中T-CONT1为固定带宽;T-CONT2为确保带宽;T-CONT3为确保带宽和非确保带宽;T-CONT4为尽力而为带宽;T-CONT5包括以上所有类型。

在具体描述算法之前, 首先设R (i, j, k) 表示第i个ONU, 类型为j的第k个T-CONT请求分配的带宽;表示第i个ONU, 类型为j的第k个T-CONT所分配的固定带宽;A (i, j, k) 表示第i个ONU, 类型为j的第k个T-CONT可分配的确保带宽的上限值;Max (i, j, k) 表示第i个ONU, 类型为j的第k个T-CONT所能分配的最大带宽。上标F表示固定带宽, A表示确保带宽, NA表示非确保带宽。

改进的算法实现步骤:

第一步:首先为T-CONT1和T-CONT5分配固定带宽, 固定带宽分配属于静态带宽分配, 不计入DBA算法。此时分配的带宽为:

第二步:为T-CONT2、T-CONT3和T-CONT5分配确保带宽, 在A (i, j, k) 范围内最大程度地满足T-CONT的最大请求。有

第三步:分配完确保带宽后, 如果有剩余, 即BWunused>0, 则为T-CONT3和T-CONT5分配非确保带宽。在此分配过程中,

第四步:分配完非确保带宽后, 如果仍有剩余, 即BWunused>0, 则为T-CONT4和T-CONT5分配尽力而为带宽。分配算法与第三步骤类似, 不再赘述。

第五步:经过上述分配后, 如若带宽仍有剩余, 则返回第三步, 对没有满足要求的T-CONT分配非确保带宽或尽力而为带宽, 如此循环, 直至带宽分配完毕, 退出循环。

在上述算法过程中, 需满足

2 GPON系统仿真平台设计

OPNET是MIL3公司开发的一套集开发和应用为一体的通信系统软件, 它采用网络、节点及进程三层建模机制来模拟实际的通信网络。GPON具体建模如下:

2.1 GPON仿真场景

GPON系统仿真场景如图1所示。在该仿真系统中, 定义了三个节点模型:一个OLT节点、一个1:8的分光器节点以及8个ONU节点。其中信道传输速率为1.24416Gbit/s, OLT到ONU的链路传播延时为100us, 数据帧长度为125us。为了使仿真产生的数据源具有现实网络流量的自相似性和长期相关性, 采用参考文献[7]中流叠加法来产生自相似性数据流。通过叠加一系列Pareto分布的ON-OFF的流产生数据源。

2.2 节点模型

2.2.1 OLT节点模型

OLT模块接收ONU模块发送来的上行帧, 提取帧中的带宽请求信息, 然后进行DBA计算, 并将计算结果在下一帧时发送给ONU, 从而完成动态带宽分配, 因此, OLT中具有维护动态带宽分配所需要的参数, 根据以上分析及改进的算法流程, 在OPNET中建立OLT节点模型如图2所示。

2.2.2 ONU和分光器节点模型[8]

由于ONU模块负责数据包的产生、接收和发送, 故在ONU的仿真模型中, 根据每个T-CONT所支持的带宽类型不同设置不同的数据源模型。分光器模块位于OLT与ONU之间, 向上将ONU信息上传给OLT, 向下将OLT信息下发给每对ONU, 为此在OPNET中, 设计了9对收发信机分别与交换中心相连, 从而实现集中与分发的功能。

2.3 仿真结果

在仿真过程中, 为不同类型的T-CONT设置帧的字节数, 最后得仿真结果如图3、图4、图5和图6所示。

从仿真结果可以看出, 除T-CONT1与T-CONT2类型外, 其他类型的T-CONT的时延特性明显不同。T-CONT1与T-CONT2类型的业务时延特性较稳定, T-CONT3的时延特性劣于T-CONT1与T-CONT2, 但以上三种类型均小于ITU-T G.982所规定的1.5ms的时延上限标准。T-CONT4和T-CONT5重负载时平均延时明显增大, 但是由于T-CONT5包括固定带宽分配, 确保带宽、非确保带宽以及尽力而为带宽全部类型的业务源, 因此在较重负载时时延特性不如T-CONT1、T-CONT2和T-CONT3特性好, 但明显优于T-CONT4。

3 结语

本文介绍了GPON动态带宽分配的过程, 在C-DBA算法的基础上, 考虑T-CONT5类型, 对GPON DBA算法进行了改进, 并应用OPNET Modeler软件对GPON系统及其算法进行建模仿真, 仿真结果表明了在改进算法的基础上, 各类型T-CONT时延特性均满足ITU-T规定。改进的算法及建模方法对进一步研究GPON系统及其DBA算法具有参考意义, 且在三网融合的网络发展趋势下, GPON将是实现语音、数据、视频“三网融合”的一种切实可行的方案, 因此GPON建模对三网融合网络模型的建立也具有实质的指导意义。

摘要：介绍了GPON的动态带宽分配过程, 针对GPON系统动态带宽分配过程中的时延特性, 考虑了GPON的全部T-CONT类型, 在C-DBA算法基础上, 对算法进行了改进。运用OPNET软件对GPON系统及改进的算法进行建模仿真, 给出了仿真结果。

关键词：吉比特无源光网络,动态带宽分配,OPNET

参考文献

[1]沈丽, 汪敏.基于Opnet Modeler的EPON建模和带宽分配算法仿真研究[J].光通信技术, 2007 (2) :21-24

[2]ITU-T Rec.G.984.3.Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON) :Transmission convergence layer specification.2004

[3]王喆，尚丽琴，蒋占军.GPON动态带宽分配算法研究[J].光通信技术, 2011 (4) :9-12

[4]刘杨.GPON系统中一种高性能的DBA分配算法研究[J].复旦大学, 2011 (2)

[5]马涛.GPON系统的DBA算法研究[J].昆明理工大学, 2010 (3)

[6]董亮.基于T-CONT轮询的GPON上行动态带宽分配算法研究[J].北京邮电大学, 2010 (1)

[7]Willinger W, et al.Self-similarity through high-variability:statistical analysis of Ethernet LAN traffic at the source level.In:Proc ACM SIGCOMM’95, 1995:100-113

OPNET建模第4篇

如今网络技术已经深人到人们日常工作、生活的每个角落, 随处可以看到网络的存在, 随处可以享受网络给我们生活带来的便利。它不仅代表着一种技术、一种应用, 更代表着一种时尚、一个时代[1]。随着Internet技术和网络业务的飞速发展, 用户对网络资源的需求空前增长, 局域网的功能也变得越来越复杂。用户需求高质量的网络配置、高利用率等在内的多样化, 使得网络设计成为一项比较困难的工作。以以太网家族为基础运行TCP/IP协议的交换式局域网 (Switching LAN) 已基本取代基于CSMA /CD以太网族的常规局域网[2]。网络仿真是指通过在计算机上建立网络设备、链路和协议模型, 并模拟网络流量的传输, 从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据[3]。在这种情况下, 借助软件仿真, 建立合适的仿真模型, 对应用于交换式局域网与常规局域网二者的设计模型进行仿真, 可以获得较为准确的仿真结果及其性能的比较, 是可行的性能验证及仿真方案。本文在常规局域网的模型基础上, 设计出交换式局域网的网络模型, 并通过网络仿真分析证明交换式局域网的性能明显优于比常规式局域网。

1 交换式局域网

输出端有限的带宽是一个交换机必须解决的关键问题。如果要发送到固定输出端的数据包到达了交换机而它们的到达速率超过了输出端的承载能力, 这就会出现竞争。在这种情况下, 交换机将会排序, 或者缓存数据包直到竞争的消失。然而, 如果这个时间保持得过长, 交换机将会用尽缓存空间, 强制丢弃数据包。当数据包被丢弃得过于频繁时, 交换机就出现了拥塞 (Congestion) 现象。

随着计算机节点间通信量的增加和大型网络发展的需求, 新的交换技术应运而生, 交换式局域网便是其中一种。交换式局域网是以常规局域网为基础, 能够为每个节点提供专用的网络连接, 每个用户可以拥有10 Mbp或100 Mbps的连接速度。通过在网段间建立多个并行连接, 并为每个独立的网段提供专用的颇带, 交换式局域网增大了传统网络的传输吞吐量, 提高了传输速率。交换式局域网的每个网段可以有多个节点, 也可以只有一个需要高带宽的节点, 如服务器。由于交换机局域网能够以较低的成本在多个网段提供高质量的报文传输服务, 所以它已经迅速地确立了自己在市场中的地位, 这不仅是通信网络发展的需要, 也是通信技术的发展趋势, 是需求推动和技术发展的必然[4]。

2 通信仿真软件 OPNET

OPNET是当前的主流网络仿真软件之一, 是业界公认并广泛使用的通信网络、设施和协议的仿真及建模工具, 采用基于数据包的通信机制、基于离散事件驱动的仿真机制和与真实网络相一致的3层建模机制, 提供高层架构 (High Level Architecture, HLA) 接口模块, 适用于复杂目标网络试验平台的半实物仿真实现[5]。OPNET建模常采用层次化和模块化的方式, 将复杂的系统分解为不同的层次结构, 每层完成一定的功能, 一层内又由多个模块组成, 每个模块完成更小的任务。OPNET所采用的是3层建模机制:最上层为网络域, 反映了网络的拓扑结构特点;其次为节点域, 由相应的协议模块构成, 反映了设备的特性;最底层为进程域, 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[6]。本文中, OPNET仿真软件能够准确地设计网络场景并分析实验网络的性能和行为, 能为用户提供一系列的仿真模型库, 在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探针, 以采集数据和进行统计。

3 仿真模型建立

中心节点传递数据包而并不需要数据包的目的地址。交换机的主要工作是传递数据包, 为了能让它们到达正确的目的地址, 交换机则要依据数据包的目的地址传递到来的数据包到1个或多个输出[7]。本文根据OPNET的仿真建模机制, 搭建了常规局域网与交换式局域网仿真网络模型[8]。根据OPNET的仿真建模机制, 搭建了常规局域网与交换式局域网仿真网络模型[9]。常规局域网模型如图1所示, 交换式局域网模型如图2所示。

图1和图2中, 中心节点Hub模型都是ethernet16_hub, 周围16个节点为ethernet _ station。连接线模型为10BaseT, 图2特有的交换机 (Switch) 模型为ethernet16_switch。除中心节点个数、交换机的存在与否之外, 其他条件都相同, 这就最大程度上减小非研究因素对实验的影响, 使实验更加准确, 增加实验的说服力。

模型中中心节点Hub的节点模型如图3所示, hub_rx模块接收来自用户发来的数据包, 经过中心节点hub模块后, 通过数据包中的目的地址发送的相应的hub_tx模块, 发射机hub_tx模块再将数据包发送到目的端。

图2交换式局域网中交换机 (Switch) 节点模型如图4所示。

Switch工作过程如下:Switch根据收到的数据包判断该包来自哪一个端口的MAC地址, 如果该MAC地址从来没有发出过数据包, 则Switch不知道该MAC地址具体属于哪一个端口。

Switch中有一个地址表记录端口中MAC地址, 因此对于非广播包, Switch而不必像Hub那样将该包发送到所有端口, 只需将该包发送到对应的端口, 使不相关的端口可以并行通信, 从而提供了比Hub更高的速率。而Hub则不同, 该包不管是广播包还是非广播包, Hub都按广播包处理, 使用户只能串行操作, 共享通信带宽。

Switch具有自动地址学习功能, 自动根据收到的数据包中的源MAC地址, 更新MAC地址表的内容, Switch使用的时间越长, 学到的MAC地址就越多, 未知的MAC地址就越少, 因而广播的包就越少 (如果目的MAC地址未知, 则将该包作广播包处理) , 速度就越快[10]。

Switch一般都是有自动年龄功能, 即对于某一个已在地址表中的MAC地址, 如果超过一定时间没有从该MAC地址收到包, 则将该MAC地址将会从地址表中删除, 如果以后再接收到目的地址为该MAC地址的包时, Switch将包当广播包处理, 重新学习。

4 仿真结果分析

本文仿真结果均是在上节中提出的网络模型的基础上产生, 通过在不同场景中传输的相同数据包, 分析2种局域网的性能及优缺点, 仿真所获得的各项指标的数据均可以有效地指导局域网网络的优化设计[11]。仿真步骤如下:

1设置3个仿真统计量, 分别为:全局统计量的以太网时延、数据流量销毁端的接收数据包流量和节点统计量中的以太网数据包冲突数目;

2设置duration为2 minutes, seed为128运行仿真, 运行仿真结束后, 就可以查看运行的仿真结果;

3为了更容易比较2个局域网之间的性能, 将2个网络中相同的统计结果放在一个图中比较显示, 将结果显示模式设置为对曲线做时间平均 (time_average) 。其中OnlyHub为常规局域网网络模型, HubAndSwitch为交换式局域网网络模型。

以太网时延比较图如图5所示。当链路稳定后, 常规局域网的时延大致在0.15 s, 而交换式局域网的时延大致在0.01 s, 是常规局域网时延的1/15, 这说明了交换式局域网极大地降低了由于网络时延造成用户接收数据包的不完整, 影响服务质量。以太网时延表示数据包从源端到目的端的总时延, 包括传播时延、传输时延和排队时延。实际中用户节点很多, 在一定程度上网络时延将会成为一个严重的问题。在精度要求严格的应用系统中, 高精度时间同步技术成为所需要的一项关键性技术, 而采用交换式局域网将会在很大程度上提高网络的可靠性与实时性。

数据流量销毁端的接收数据包流量比较图如图6所示。由图6可知, 交换式局域网接收数据包的流量更大, 这说明了单位时间交换式局域网处理数据包的能力明显比常规局域网更加强大。

节点统计量中的以太网数据包碰撞数目比较图如图7所示。为了使实验更具有广泛性, 这里图7以node_0为例, 图8以Hub1为例分别代表网络中2种不同的节点模型, 观察数据包碰撞数目。当系统稳定下来, 单位时间内, 在node_0中常规局域网数据包碰撞个数大致为150, 而交换式局域网数据包碰撞个数大致为85, 碰撞数目降低了近一半;在Hub1中, 常规局域网数据包碰撞个数大致为2 800, 而交换式局域网数据包碰撞个数大致为900, 碰撞数目降低了2/3。交换式局域网大大减少了数据包之间的碰撞个数, 使数据包的传输更加顺畅, 减少了数据包阻塞的可能, 降低了丢包的危险, 提高了整体信道的可靠性和稳定性。

5 结束语

未来的网络信道必然向着高稳定度、高信道利用率、高精度、低成本水平上发展[12]。本文利用目前比较成熟的常规局域网进行一定的改造, 建立了一个交换式局域网模型。给出了方案在OPNET仿真软件中的实现过程, 方案较好地完成了对2个局域网的模拟仿真, 真实地证明了改造后的交换式局域网可靠性、实时性以及稳定性等性能明显优于常规局域网。但本文并没有深入研究节点如何排列才可以使网络性能达到最优, 所以下一步研究工作将是设计更为合理的网络模型。?

参考文献

[1]马晓娟.交换式局域网的实现与应用[J].青海师大民族师范学院学报, 2001, 18 (2) :54-56.

[2]郭联志.交换式局域网的性能评估研究[J].漳州师范学院学报:自然科学版, 2009, 21 (4) :40-43.

[3]朱辰, 董银虎.基于OPNET的网络仿真技术研究及其应用[J].无线电工程, 2013, 43 (3) :12-15.

[4]杨逊豪, 何加铭, 董义旺, 等.基于无线传感器网络时间同步MAC协议研究[J].无线电通信技术, 2012, 38 (6) :15-19.

[5]李于衡, 关晖, 李广鹏.OPNET在计算机网络和通信工程中的应用[J].无线电工程, 2009 (11) :52-56.

[6]张帅帅, 郑龙, 王玉文.基于OPNET的Link11数据链仿真设计[J].通信技术, 2011, 44 (2) :62-64.

[7]Xilinx Corp.Virtex-4 Tri-Mode Embedded Etthernet MAC Wrapper v4.4[S].Xilinx Inc, 2007.

[8]李楠, 宗鹏.基于OPNET的低轨卫星网络路由仿真与优化[J].飞行器测控学报, 2013, 32 (5) :408-413.

[9]REN J F, LANDRY R.Flow Control and Congestion Avoidance in Switched Ethernet LANs[C]∥Communications.ICC’97 Montreal, Towards the Knowledge Millennium.IEEE International Conference on.IEEE, 1997:508-512.

[10]王玫.基于OPNET的舰船平台网络仿真与分析[J].计算机与数字工程, 2013, 40 (12) :66-68.

[11]郭建立, 刘志晗, 李旭.下一代网络业务冲突问题研究与解决方法[J].无线电通信技术, 2012, 38 (2) :6-7, 47.

OPNET建模第5篇

交换设备的核心是交换结构,也是制约其性能的关键因素之一。三级Clos网络具有模块化设计,容量大及可扩展性强等优点,是一种高性能交换结构,近年来以Clos网络为基础提出了多种交换结构,如:如S3型[1]、MSM型[2,3]、MMM型[4]、MmM型[5]和SMM[6]型等。在文献中研究最多的是S3型和MSM型。对应各种结构又提出了多种调度算法,如对应MSM型结构有RD[2]算法CRRD[3]、CMSD[3]和SRRD[7]等算法。

可是如何来衡量这些结构和算法的性能呢?目前只有一些简单交换结构及特定算法建立了数学模型, MSM型Clos交换结构及其调度算法在文献中尚未见到有数学模型,虽然没有数学模型,但可以通过计算机仿真来研究其性能。OPNET是一款网络仿真软件[8],它具有包通信机制、有限状态机、离散事件推进机制、三层建模等特点,适合交换结构及调度算法仿真。本文以OPNET为平台建立了交换结构及调度算法仿真模型。

2 MSM 型Clos交换网络

MSM型三级Clos交换网络结构模型如图1所示,输入级单元为共享缓存方式,中间级单元采用Crossbar结构,输出级单元采用输出缓存方式。

图1中标记如下:IM(i)为第i+1个输入级交换单元;CM(r)为第r+1个中间级交换单元;OM(j)为第j+1个输出级交换单元;IP(i,g)为IM(i)的第g+1个输入端口;OP(j,h)为OM(j)的第h+1个输出端口;LI(i,r)为IM(i)和CM(r)之间的连接;LC(r,j)为CM(r)和OM(j)之间的连接;VOQ(i,j,h)为IM(i)中存储到OP(j,h)的信元的队列;VOQG(i,j)为存储从IM(i)到OM(j)信元的k个VOQ。与LI(i,r)对应指针为PI(i,r)(0ik-1,0rm-1),与LC(r,j)对应指针为PC(r,j)(0rm-1,0jk-1)和与VOQ(i,v)(v=hk+j,0hn-1,0jk-1,0vnk-1)对应的指针为PV(i,v)。

3 MSM 型Clos交换网络中的典型算法

交换结构只是信元交换的硬件载体,为实现信元交换还必须有调度算法。MSM型三级Clos交换结构的典型算法有CRRD,CMSD和SRRD三种。

CRRD算法使用以下两次匹配。

模块内匹配:

Step1:请求,未匹配的非空VOQ向所有输出端口发送请求;

Step2:授权,如果未匹配输出端口收到多个请求,则输出端口仲裁器从指针PI(i,r)所指位置开始以轮询方式选择一个VOQ请求;

Step3:允许,如果VOQ收到多个输出端口的授权,则VOQ仲裁器从指针PV(i,v)所指位置开始以轮询方式选择一个授权。

级间匹配:

Step1:请求,IM(i)内匹配完成后,如果IM(i)的第r个输出端口匹配则LI(i,r)向CM(r)的输出端口发送请求;

Step2:授权,CM(r)的输出端口接收到多个请求,则CM(r)输出端口仲裁器以轮询方式选择一个请求。

CMSD算法和CRRD算法仅在IM(i)内匹配不同,级间匹配完全相同,CMSD算法在IM(i)输出端口设置两组仲裁器,分别称为主仲裁器和从仲裁器,分别记作ML(i,r)(0rm)和SL(i,j,r)(0jk,0rm)。主从仲裁器对应的指针分别记作PML(i,r)和PSL(i,j,r),VOQ(i,j,h)对应的指针记作PV(i,j,h)。

模块内匹配:

Step1:请求,非空VOQ(i,j,h)向VOQG(i,j)内所有SL(i,j,r)发送请求;至少有一个非空VOQ的VOQG(i,j)向所有未匹配的ML(i,r)发送请求,称为组请求;

Step2:授权,ML(i,r)从指针PML(i,r)所指位置开始以轮询方式选择一个组请求并发送授权给SL(i,j,r);同时,SL(i,j,r)从指针PSL(i,j,r)所指位置开始选择一个VOQ,如果SL(i,j,r)收到授权信息则发送授权给所选择VOQ,否则不发送授权;

Step3:接受,VOQ(i,j,h)如果收到授权则从指针PV(i,j,h)所指位置开始以轮询方式选择一个授权,并发送接受信息给授权主从仲裁器。

Static Round-Robin Dispatching(SRRD)算法在初始化时将各个指针初始化为不同的值,每个时隙完成后,无论匹配与否都更新指针,这样使得各各个指针一直处于“异步化”状态。SRRD算法与CMSD算法仅在指针初始化和更新方式不同。

4 OPNET仿真模型

OPNET是一款专业网络仿真软件,本文中使用OPNET Modeler模块。OPNET是离散事件驱动的仿真软件,它提供了网络层、节点层以及进程层的三层建模机制,使建模层层深入,条理清晰。OPNET最大的特点是基于包的通信机理,大部分的通信是靠包以及包所承载的信息来完成,该软件适合交换结构仿真。

在建立仿真模型前首先给出几点假设:

(1) 输入端口的到达过程是独立同分布过程;

(2) 各个输入端口到达速率相同;

(3) 到达各个输入端口的信元定长;

(4) 信元从进入输入端口到从输出端口输出的时间为一个信元时隙;

(5) 每个时隙每个输入端口最多只有一个信元到达,每个输出端口最多只有一个信元输出。

在建立模型时,交换结构及仿真所采用的信源可以抽象为如图2所示的星形网络,中心节点对应交换结构,周边节点对应信源,二者之间的连线代表输入输出端口。

4.1 节点层模型

仿真模型中有两类节点,一类为交换结构节点,另一类为源节点。信源节点产生仿真中所需的业务,交换结点是信元交换的硬件载体。

仿真中一般采用两种业务模型[9],一种为均匀业务模型,另一种为突发业务模型。建立均匀业务模型时,各个输入端口独立且产生信元速率相同,故其到达过程是独立同分布过程。信元产生之后,再产生均匀分布在(0,N)之间的正整数作为信元目的地址。

突发过程模型使用两状态(ON状态和OFF状态)的离散马尔科夫链来构建,当模型处于ON状态时发送信元,OFF状态时不发送信元。ON/OFF长度由以下公式产生。

${\begin{cases} L e n g t h_{Ο Ν} = {\begin{cases} 0 L = 0 \\ [\frac{\ln (u)}{\ln (1 - p_{1})}] 0 < L 1 \end{cases} \\ L e n g t h_{Ο F F} = {\begin{cases} \infty L = 0 \\ [\frac{\ln (u)}{\ln (1 - p_{2})}] 0 < L < 1 \\ 0 L = 1 \end{cases} \end{cases}$

其中,p(Sn+1=OFF|Sn=ON)=p1,p(Sn+1=ON|Sn=OFF)=p2为状态转移概率,L为负载。

由于MSM型Clos结构的输入级采用共享缓存方式,输出级采用输出缓存方式,故在建模时输入级和输出级都采用了队列模块,而中间级是一个Crossbar结构,故在中间级采用了进程模块。图3给出了两类节点模型。

信源OPNET模型如图3(a)所示。信源节点包含4个模块,即源模块(src)、处理模块(proc)、接收机(rcv)和发送机(xmt)。各个模块作用如下:

源模块(src):按固定时隙产生信元,作为处理模块的触发源;处理模块(proc):当处理模块接收到源模块的信元以后,产生不同类型的业务,此模块另一个作用就是处理从接收机来的信元;发送机(xmt):将处理模块产生的信元发送到交换节点;接收机(rcv):接收从交换节点来的信元。

由于篇幅有限这里只给出1616的交换节点,如图3(b)所示,6464的交换结构可用相同方法建立,图中有九类模块,以下分别介绍各类模块的作用。

调度模块(scheduler):调度算法根据队列状态信息完成信元调度,并将调度结果发送给各个队列;时间源模块(timer):按照固定时隙产生触发信元;同步模块(synchronization):在每个时隙开始时刻,发送同步信号给各个队列,以便各个队列同时将队列状态信息发送给调度模块;输入模块:Clos结构中的输入级交换单元;中间模块:Clos结构中的中间级交换单元;输出模块:Clos结构中的输出级交换单元;统计模块(statistic):收集参数数据。

4.2 关键进程模型

图4是关键进程模型。节点内部除发送模块和接收模块之外,每个模块内都采用一个进程来实现不同功能。在信源节点模型中处理模块按照仿真需求产生各类业务,可以通过改变该模块内的进程来实现业务的更换,因此该模块是该节点内的关键模块。在交换节点内部各个模块中调度模块用来实现调度,Clos结构的各个输入模块将队列状态信息发送给该模块,其根据不同的调度算法来仲裁各个队列的优先级,因此该模块是交换节点的关键模块。目前针对MSM型Clos结构的典型算法有CRRD,CMSD和SRRD三种,在设计调度进程模型时考虑进程模型的通用性,使得进程模型适合3种典型算法。图4(a)是源节点处理模块进程,该进程包含两个状态,初始状态(init)和空闲状态(idle),各个状态说明如下:init状态为初始化状态,在进程启动时为系统配置相关参数;idle状态为空闲状态,如果没有中断发生则进程停留在该状态,如果有源信元到则通过函数xmt()为其配置好业务类型并将其发送出去;如果接收到交换出的信元则将其销毁,以节省存储空间。

图4(b)是调度进程模型,该进程模型包含四个状态,分别介绍如下:wait状态为等待状态,进程初始化之后就转移到该状态等待队列信息到达,如果队列状态信息到达,则转入matchfirst状态;matchfirst状态为模块内匹配状态,如果有队列状态信息到达则进行第一次匹配,之后则停留在该状态继续等待其他输入级模块队列状态信息到达,直到所有输入级交换单元都匹配完成之后转入matchsecond状态。matchsecond状态为级间匹配状态,第一次匹配结束之后进程转移到该状态进行级间匹配,之后将匹配结果发送给相应输入交换单元,然后转移到Wait状态,等待下个时隙匹配。

5 算法仿真

本文在建立OPNET模型后,仿真了6464的MSM型Clos交换结构(m=n=k=8)的3种典型算法。信源到达过程为独立同分布贝努利过程和突发过程。仿真时间为200 000个时隙。由于在实际应用中突发业务比较多,故仿真了3种典型算法在突发业务下的信元丢失率,如图5所示,从该图可以看出,3种算法中SRRD算法的信元丢失率性能最好。分别在独立同分布贝努利业务和突发业务下仿真了3种算法的时延特性,如图6所示。从图6可以看出在贝努利业务下3种算法中SRRD算法时延性能最好,同时,也说明突发业务对时延性能的影响。这是因为在SRRD算法中去掉了指针同步现象,每个时隙匹配数目增加所致。

6 结语

本文分析了MSM型三级Clos交换结构模型及几种经典调度算法,在此基础上使用OPNET建立三级Clos交换结构及其调度算法模型的方法和步骤,并给出了该交换结构模型及各个节点关键进程模型。该模型将交换系统抽象为一个星型网络,使其具有通用性。为了验证模型的正确性,仿真了3种典型调度算法在贝努利业务和突发业务下的时延性能,同时也仿真了突发业务下3种典型调度算法的信元丢失率性能。通过对经典算法的仿真可知该模型正确地描述了MSM型Clos交换结构及其调度算法。该模型的建立为Clos交换结构及其调度算法性能的研究提供了一个高效简洁的途径。

摘要：交换结构是交换机的核心,决定着交换机的性能。MSM型Clos交换结构是一种高性能交换结构,为有效仿真分析该交换结构建立了一种OPNET仿真模型。该模型将交换系统抽象为一个星型网络,其边缘节点对应交换结构输入和输出,中心节点对应MSM型Clos交换结构;并使用此模型仿真分析了3种典型算法的性能。该模型为交换结构性能的仿真分析提供了一种有效途径。

关键词：MSM,Clos,OPNET建模,调度算法,交换结构

参考文献

[1]Jonathan H Chao,Jing Zhigang,Soung Y Liew.MatchingAlgorithms for Three-stage Bufferless Clos Network Swit-ches[J].IEEE Communications Magazine,2003,41:46-54.

[2]Chiussi F M,Kneuer J G,Kumar V P.Low-cost ScalableSwitching Solutions for Broadband Networking:The AT-LANTA Architecture and Chipset[J].IEEE CommunicationMagazine,1997,35(3):44-53.

[3]Oki E,Jing Z,Rojas-Cessa R,et al.Concurrent Round-robinDispatching Scheme in a Clos-network Switch[J].IEEE ICC2001,2001,1:830-844.

[4]Moo-Kyung Kang,ChongMin Kyung.Three-stage Clos-Net-work Switch Architecture with Buffered Center Stage ForMulti-Class Traffic[J].Journal of Circuits,Systems,andComputers,2005.

[5]杨帆,邱智亮,刘增基,等.一种新的输入缓存Clos结构及其路由/调度算法[J].西安电子科技大学学报:自然科学版,2007,34(1):63-67.

[6]Li Xin,Zhou Zhen,Hamdi M.Space-memory Architecturefor Clos Network Packet Switches[C].2005 IEEE Interna-tional Conference,2005:1 031-1 035.

[7]Pun K,Hamdi M.Static Round-robin Dispatching Schemesfor Clos-network Switches.IEEE HPSR 2002,Hong KongUniversity,2002.

[8]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

OPNET建模第6篇

关键词：OPNET,异步传输模式,恒定比特率,未指定比特率,时延

0 引言

ATM采用了固定长度的信元概念,综合了传输、复用和交换技术,向用户提供高速带宽,使用户可以在一个网上传送综合业务[1]。为了便于通信量管理,ATM论坛将ATM的提供服务按照比特率的特点划为以下5类: 恒定比特率CBR、实时可变比特率RT-VBR、非实时可变比特率NRT-VBR、未指定比特率UBR和可用比特率ABR。每一类服务都有不同的特性和不同的使用场合。在研究ATM网络服务性能的时候,往往需要建立一个ATM网络,然后由网管来为每个服务源设定流量合同。在流量合同中指定该服务的服务种类是CBR或VBR或UBR或ABR,同时指定其源服务量参数。网络将依据流量合同来动态管理带宽。但是为了研究这些问题而搭建试验平台在时间上和经济上都是不允许的,因此需要一个切实可行的网络模拟方法[2]。这里只对比研究恒定比特率( CBR) 与未指定比特率( UBR) 2种服务种类。通过OPNET网络仿真软件设计实验,根据这2种不同传输服务类型的特点建立不同的场景并进行仿真,通过在不同场景中对比端到端延时以及端到端延时的方差的变化,用实验结果证明了ATM两种传输服务类型中语音信号更适合通过基于CBR传输服务类型的ATM网络传输。

1 ATM 传输服务类型

ATM是一种传输模式,在这一模式中,信息被组织成信元,因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现,这种传输模式是异步的。由于其具有服务质量保证、能针对无线传输提供服务质量( Quality of Service,Qo S) 保障: 高带宽、高速率、提供10 ~ 655 MHz的传输带宽。全面的多媒体支持可以有效地利用带宽全面支持多媒体[3]。由于无线传播易受移动环境和突发干扰的影响,在无线ATM网络中,Qo S的保证是多媒体业务需要解决得主要问题之一[4]。周围的移动环境、严重的随机和突发性干扰差错会使信号不断发生减弱,而且不同类型的业务有着不同的要求。为了保证真实地通信和有效地使用资源,一个好的差错校正方案是至关重要的。在这种情况下,借助软件仿真建立合适的仿真模型,对应用于ATM传输模式中的CBR和UBR的设计模型进行仿真,可以获得较为准确的仿真结果及其性能的比较,是可行的性能验证及仿真方案。本文在适当的建模基础上,设计出分别以CBR与UBR为传输模式下的ATM网络,并通过网络仿真分析证明CBR与UBR的优缺点。

1. 1 CBR

CBR服务要求数据以一个恒定的速率在网络中传输,用户提出所需要的数据率、吞吐量Throughout、时延CTD和时延抖动CDV均能满足要求,常用于如语音、固定连续比特率编码图像等对时延的抖动要求严格的服务。对于这种服务,其源服务量参数为PCR,当连接接纳控制CAC判定接纳时,则分配给它所要求的带宽; 当CAC判定拒绝时,则不分配。CBR适用于实时的视像传送系统。

1. 2 UBR

UBR服务是为那些对时延和抖动要求不太严格的数据通信服务提出的,用来支持“尽最大努力交付”的非实时应用。用户随时可发送数据,但服务质量Qo S不能保证,网络对通信量也没有反馈机制。对于UBR也可指明PCR或CDVT,但这都不是必须的。是否要用UBR对通信量进行调整,这要由网络来决定。网络并不保证传输信元的带宽,而只是尽最大努力来传送这类服务。

2 OPNET

OPNET是目前网络仿真领域最著名的主流产品,是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台,近几年被第三方权威机构评选为“世界级网络仿真软件”第一名[5]。OPNET采用分层建模机制( Hierarchical Network Modeling) ,从网络物件层级关系看,提供了3个层次的模型: 最低层为进程层,以状态机来描述协议; 其次为节点模型,由相应的协议模型构成,反映设备特性; 最上层为网络模型,表现网络的拓扑结构。3层模型和实际的协议、设备、网络完全对应,全面反映了网络的相关特性[6]。在本文中,OPNET仿真软件能够准确地模拟场景,根据用户需要在指定的位置加入探针进行数据采集以及统计数据,以便更好地分析网络的性能[7]。

3 仿真模型建立

根据OPNET的仿真建模机制,分别搭建了基于CBR传输服务类型的ATM网络与基于UBR传输服务类型的ATM网络。ATM局域网网络模型如图1所示,图1中交换机Switch模型都是atm8_crossconn_adv,周围4个子网与Switch相连。连接线模型为ATM_adv。

图2为图1中子网模型,4个子网模型模型中除了名称外其他因素都是一样的,其中Switch模型为atm8_crossconn_adv,Data Server、NE_Voice1、NE_Voice2、NE _ Data1和NE _ Data2的模型都是atm_uni_server_adv。连接线模型为ATM_adv。实验所要对比的2种网络模型中除ATM Application Parameters分别设置为CBR _ only与UBR _ only不同外,其他因素如交换机Switch个数、交换机的类型、传输数据包的种类与大小以及其他外部设置条件都是相同,这就最大程度上减小非研究因素对实验的影响,使实验更加准确,增加实验的说服力[8]。

ATM参考模型示意图如图3所示,atm _ uni _server_adv的节点模型如图4所示。图4中ATM _trans,ATM_Switch,pr_0,pt_0分别代表示意图3中的物理层,物理层又划分为2个子层: 物理媒体子层( PM) 和传输会聚子层( TC) 。PM负责线路编码光电转换、比特定时,以确保数据比特流的正确传输; TC功能为信元速率解藕、HEC的产生/校验、信元定界、传输帧适配和传输帧产生 /恢复[9]。

图4中ATM_layer代表示意图3中的ATM层,其主要完成4项功能: 一般流量控制、信头的产生和提取、信元VPI/VCI的翻译和信元复用和分路。

图4中AAL代表示意图3中的ATM自适应层( AAL) 其功能是将高层功能适配成ATM信元。AAL层的目的是使不同类型的业务,包括管理平面和控制平面的信息,经过适配之后都可用统一的ATM信元形式来传送。AAL层与业务有直接关系。AAL层对不同类型的业务进行不同的适配。对于ATM用户,AAL在用户终端设备中实现; 对于非ATM用户,AAL在UNI的网络侧设备中实现。AAL层又分为2个子层: 拆装子层SAR和汇聚子层CS。在发送端,需要将业务流适配到ATM层,SAR将高层信息分段为固定长度和标准格式的ATM信元; 在接收端,在向高层转接ATM层信息时,SAR接收ATM信元,将其重新组装成高层协议信息格式。CS执行定时信息的传递、差错检测和处理、信元传输延迟的处理以及用户数据单元的识别和处理等功能[10]。

4 仿真结果分析

本文仿真结果均是在第3节提出的网络模型的基础上产生,通过在不同场景中传输相同数据包,分析2种传输服务类型的性能及优缺点,仿真所获得的各项指标的数据均可以有效地指导ATM网络的优化设计。设置2个仿真统计量分别为:

语音数据包端到端延时方差。语音数据包端到端延时是指从数据包被创建到数据包在目的端接收到的时间延时。

语音数据包总延时( 也被称为“模拟到模拟”或者是“从嘴到耳朵”的延时) 。它等于网络延时、发送端编码延时与压缩延时、接收端解码延时与解压缩延时之和。其中网络延时是指发送端把包给实时传输协议到接收端把包从实时传输协议中取出所用的时间。网络延迟是在其发送给节点的数据包的RTP到接收来自RTP得到它的时间的时间。发送端上的编码延迟从编码器方案中计算出来的。接收端上的解码延迟被假定为等于编码延迟。压缩与解压缩的延迟来自于语音应用程序相应的配置属性中。这些统计数据均来自于网路模型中的各个节点。

设置duration为10 min,seed为128运行仿真,运行仿真,仿真结束后,就可以查看运行的仿真结果。

为了更容易比较2种网络之间对语音信号的处理能力与性能,将2种网络中相同的统计结果放在一个图中比较显示,将结果显示模式设置为对曲线做时间平均( time_average) 。其中ATM_CBR是基于CBR传输服务类型的ATM网络,ATM_UBR是基于UBR传输服务类型的ATM网络。

语音数据包端到端延时方差图如图5所示。

从图5可看出,当链路稳定后,基于UBR传输服务类型的ATM网络的方差大致2 ~ 4 min内达到一个峰值,峰值大致为0. 000 06。而在5 min之后则成平缓趋势慢慢下降,到仿真结束时方差稳定在0. 000 005,而基于CBR传输服务类型的ATM网络的方差大致一直稳定在0. 000 002,是基于UBR传输服务类型的ATM网络方差的1 /10 ~ 1 /30之间。虽然2种网络的实验结果方差并不是很大,但在真实生活中,语音传输信息量数据采集量的以及实际中用户节点很多,在一定程度上网络时延将会成为语音通话中一个严重的问题。在精度要求严格的应用系统中,高精度时间同步技术成为所需要的一项关键性技术,而采用基于CBR传输服务类型的ATM网络有着更加稳定的性能,不容易出现不稳定的传输延时,更能保证服务质量,将在很大程度上提高网络的可靠性与稳定性。

语音数据包总延时比较图如图6所示。由图6可知,基于UBR传输服务类型的ATM网络总延时大致为70 ms,而基于CBR传输服务类型的ATM网络总延时大致为80 ms,这是因为基于UBR传输服务类型的ATM网络允许任何达一个特定最大量数量的数据被发送通过网络,根据信元丢失率和延迟没有保证,不保证传输信元的带宽,只是尽最大努力来传送服务,所以基于UBR传输服务类型的ATM网络会以牺牲带宽或者其他因素来尽可能大的速度传输语音信号。但是在实际语音通信中,人耳能识别的最小时间间隔大致是100 ms。所以无论是70 ms或者是80 ms的网络总延时都不会对语音通话质量产生太大的影响。综上所述,语音信号更适合通过基于CBR传输服务类型的ATM网络传输。

5 结束语

本文利用目前比较成熟的网络技术按照UBR与CBR两种传输服务类型进行一定的改造,建立了2种服务类型方式不同的简单网络模型,并且给出了方案在OPNET仿真软件中的实现过程,方案较好地完成了对2个网络的模拟仿真,真实地证明了CBR比UBR更加适合语音信号的传输的结论。这对于研究计算机网络的服务质量提供了很好的借鉴。在下面的工作中,需要进行ATM信元误码率和ATM网络链路利用率等参数的仿真,寻求进一步提高ATM质量的途径。?

参考文献

[1]秦长海,段德功.异步传输模式(ATM)的自适应差错校正方法[J].安阳工学院学报,2006(4):48-51.

[2]林华波,王波.ATM网络在OPNET上的建模与仿真[J].重庆大学计算机学院,2006,12(2):34-39.

[3]徐华中,徐捷.异步传输技术(ATM)综述[J].龙岩学院学报,2005,23(3):41-45.

[4]唐亮贵.异步传输模式中的安全技术研究[C]∥北京:第六届全国计算机应用联合学术会议论文集,2002:206-207.

[5]李于衡,关晖,李广鹏.OPNET在计算机网络和通信工程中的应用[J].无线电工程,2009,39(11):52-56.

[6]朱辰,董银虎.基于OPNET的网络仿真技术研究及其应用[J].无线电工程,2013,43(3):12-15.

[7]张帅帅,郑龙,王玉文.基于OPNET的Link1数据链仿真设计[J].通信技术,2011,44(2):62-64.

[8]杨逊豪,何加铭,董义旺,等.基于无线传感器网络时间同步MAC协议研究[J].无线电通信技术,2012,38(6):15-19.

[9]LABRADOR,MIGUEL A.Banerjee Sujata[J].Computer Communications,2003,26(10):1 031-1 046.

OPNET建模

OPNET建模第1篇

OPNET建模第2篇

OPNET建模第3篇

OPNET建模第4篇

OPNET建模第5篇

OPNET建模第6篇

OPNET建模

猜你喜欢

栏目

最近更新

热门标签

OPNET建模

OPNET建模 第1篇

OPNET建模 第2篇

OPNET建模 第3篇

OPNET建模 第4篇

OPNET建模 第5篇

OPNET建模 第6篇

OPNET建模

猜你喜欢

栏目

最近更新

热门标签

OPNET建模第1篇

OPNET建模第2篇

OPNET建模第3篇

OPNET建模第4篇

OPNET建模第5篇

OPNET建模第6篇