OPNET网络仿真

OPNET网络仿真（精选8篇）

OPNET网络仿真 第1篇

1 网络仿真软件介绍

网络仿真是指在计算机系统中,结合实际网络需求,利用仿真软件构建一个模拟测试平台,可以针对网络通信的数据流、网络各类硬件、网络协议、网络业务等进行设计研究,还可对网络中的带宽、负载、CPU利用率、时延、误码率等性能参数进行分析比对,并依据仿真结果做出直接有效的网络建设决策。

下面针对现有主流网络仿真软件OPNET和NS2进行介绍:

1.1 OPNET介绍

OPNET出自麻省理工学院,在1987年得以商业化。它可以利用其各个功能仿真模块,模拟诸如以太网、无线网络、卫星通信网、物联网等各类网络环境的通信,并针对网络模型中的任意设备或位置设置监视点,采集该点仿真数据,并加以分析,最终以图形化的方式展现输出,供网络规划人员参照使用。该仿真软件主要支持的网络设备厂家有HP、Cisco、3Com等。同时也可在Windows环境下使用C/C++语言来控制有限状态机的逻辑状态和转移细节,实现自定义建模。

1.2 NS2介绍

NS2是一种开源仿真软件,可以通过C++语言编写的协议函数以及OTCL编写的配置文件,来实现针对各种网络环境下的网络协议进行模拟或修改,从而实现网络模型仿真。

1.3 上述二者对比

在现有针对网络仿真的各类软件中,NS2和OPNET是应用较为广泛的两种。二者区别主要有以下几点:

1)针对安装和使用时的系统环境而言,OPNET适配于Windows系统场合,而NS2更匹配于Linux的开发环境;

2)OPNET是商用软件,因而开发界面和操作方式更加友好,功能上面也更加全面,但对于复杂的节点设计不如NS2灵活。但NS2从新手学习来说更加复杂;

3)NS2是免费开源软件,这是与OPNET相比最大的优势。另外NS2对于节点数较多的场景仿真较为占用系统资源。

2 OPNET的重要结构

OPNET软件包主要由ITDecision Guru、Modeler、Modeler/Radio三个模块组成。这里重点介绍一下Molder模块,它既有仿真分析功能,还可以针对不同的网络层次建立自定义的通信协议。

OPNET Modeler主要由针对网络拓扑结构进行编辑的网络编辑器、用于对涉及的网络模型节点进行数据流编辑的节点编辑器、用于控制节点间事件触发控制流的进程编辑器、用于创建用户自定义的各类数据包的包格式编辑器、用于搜集仿真结果的探针编辑器这五部分构成。上述五个部分在整个网络仿真环节中,按照顺序逐一执行,从而得到理想的仿真结果。

3 网络改建前后性能仿真

单位原有一个以星型结构布局的有15个用户节点的局域网,并且所有用户共享一台服务器资源。现增加一个接入交换机,并在新增加的交换机上以星型拓扑接入有6个新用户节点,同时也能直接访问原有服务器资源。考虑以前服务器的硬件配置可能性能不足的情况,假设改建后所有21个用户同时访问服务器,整个办公网会不会出现访问失败或延迟太大的问题?基于此考虑使用OPNET进行网络仿真,以确保改造后的网络性能能够满足业务需求。

结合OPNET网络仿真的一般步骤,进行了以下仿真操作:

1)根据上述需求及问题,明确要仿真的对象和待解决的问题。这里新建一个名为“HKC”的工程,场景名为“Existing Network”;

2)结合仿真目的,利用OPNET软件进行仿真建模。其中包括设置网络拓扑结构、网络的范围、网络传输介质、网络连接核心硬件、网络业务模型等。可使用“快速拓扑配置工具”实现原有网络参数配置。

3)完成基本拓扑模型设置后,可以进行相关结果搜集的准备工作。如CPU占用率、负载、流量、延时等等。为了更加准确的自定义搜集网络相关参数,也可以打开如图1和图2所示关于服务器节点的模型编辑器和进程模型编辑器,在进程模型编辑器中,点击INIT进程上部或下部,可对该节点进行入口或出口代码的按需编程。

4)建立完网络模型并设置好将要采集的状态后,现在可以选择收集哪些参数值。在服务器节点上单击右键,从弹出的菜单中选择Choose Individual Statistics,选择监视服务器的CPU占用率和负载,另外右键点击网络编辑器工作空间,监视整个网络延迟情况。

5)完成上述操作后,即可进行仿真测试。可以设置仿真执行时长为“0.5 hours”,即30分钟,点击执行按钮后,仿真开始运行,直到提示仿真完成。此时可以在项目编辑器中点击鼠标右键,选择菜单中的“View Results”来查看结果。

在仿真结果中,可以看到刚才设置的监视点捕获的所有性能参数结果集。但现在为了能够掌握改建后网络的参数变化,需要对现有的网络拓扑结构以及相关设备进行修改,以适应新的网络规划。这里通过在OPNET的Scenarios菜单中选择Duplicate Scenario(复制场景),实现保留原场景,并复制出一个供修改的新场景“New Network”。可以在新场景中添加新的网络拓扑,如图3所示。

6)针对改建后新的网络场景,再次配置仿真参数并进行仿真,观察对比结果,可以对该项目下两种不同场景的仿真结果进行比较。

图4是针对整个系统的访问延迟进行的对比。可见延迟由原来的0.006秒变化为最大0.008秒,但此种变化对于用户体验来说,几乎可以忽略不计;图5中第1个和第2个小图所示,可见服务器的CPU利用率维持在0.002%左右,几乎没有剧烈变化,可见新增网络节点对服务器CPU资源占用影响不大;再看图5中第3个和第4个小图,服务器的负载均稳定在2000bits/s附近的状态,二者变化不大,可见新增网络节点对服务器的负载影响不大;综上可知,此次的网络改建,对于服务器和整个网络的性能来说,所带来的影响完全在用户可接受的范围之内,可以进行实际改建。

4 结束语

由上述可知,在互联网不断发展的今天,各项网络业务要求不断变化提升,对于新建和改建的网络所面临的网络技术选型、拓扑规划、设备选择、网络应用部署等实际问题,利用OPNET的网络仿真均可以提供可靠的网络模型和性能定量参考依据,据此也可以提出性价比最优的解决方案。

摘要：如今网络基础链路虽然越来越好,但随着国家“互联网+”战略的不断深化实施,网络应用会呈几何级增加,这样部分单位会新建或改建现有网络,如何确保新网络的性能适应各种网络业务是个很实际的问题。文中首先分析各类网络仿真软件特点,着重介绍OPNET的仿真建模要素,同时利用OPNET对改建前后的网络性能进行比较,确定改造效果及仿真意义。

关键词：OPNET,网络仿真,网络建模,网络性能

参考文献

[1]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]洪家平,柯宗武,童钰.OPNET在网络规划和设计中的应用[J].湖北师范学院学报:自然科学版,2004(24).

[3]天极网.似幻亦真,教你踏足网络仿真的云外之境[EB/OL].[2007-07-18].http://digi.163.com/07/0718/01/3JL7179V001628C0.html.

[4]舒荣.基于OPNET的仿真技术在校园网络研究中的应用[J].电脑编程技巧与维护,2015(13).

OPNET网络仿真 第2篇

摘 要 本文在分析近期数字化电台网（NTDR，Near Term Digital Radio）的基础上，利用OPNET网络仿真平台对NTDR网络进行了建模。在不同网络路由协议情况下对网络性能进行仿真分析，仿真结果与理论基本一致，从而为对战场无线自组网的进一步研究与设计提供了现实基础。

关键词 战场无线自组网 NTDR OPNET 网络仿真

1 引言

在现代战场上，各种军事车辆间、士兵间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成指挥、部署和协调作战。信息化条件作战，战场电磁环境极其复杂。为了满足信息战和数字化战场的需要，具有抗毁性强、自恢复、部署迅速等特点的无线Ad hoc网成为战场通信的首选技术。如今，Ad Hoc网络技术已成为美军战术互联网的核心技术。美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。

目前对Ad Hoc网络技术的研究逐渐成为一个热点问题，对民用Ad Hoc网络场景建模的研究比较多，但是对结合军事应用的研究却相对较少。尤其是到目前为止在公开发表的文章中没有针对战场无线自组网NTDR网络的研究，一般都只有对该网络系统的概述[1][2][3]。由于构建真实的战场无线网络需要耗费巨大的人力和财力，而且还具有一定的不确定性。因此对战场无线自组网进行建模仿真就显得尤为重要。本文通过分析对战场无线自组网系统NTDR，对各节点仿真实现其主要功能，设计合理的网络模型。为对其进一步的研究打下基础，具有一定的理论意义。

2 战场无线自组网的特点及应用

2.1 战场无线自组网的特点

根据部队的编制体制和参战规模的关系，在战场上通常使用分层次的无线自组网。士兵携带具有通讯和感知能力的移动终端，相互之间以多跳形式通信，并将自身位置以及搜集到的地形、声音、图像等战场信息报告给分队指挥所。分队指挥所对信息进行分析，决策，并向士兵下达作战命令，必要时，通过远距离通信设备与上级指挥中心或其他分队联络。

分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。分层结构具有管理方便，网络维护开销小等优点，是军事无线自组网的重要特点和发展的趋势。尽管无物理中心节点，但是具有逻辑上的簇头，簇头可通过簇头选举算法产生，使它在那些不能依赖于预先架设网络设施的场合下，依然能够实现临时的快速组网。

2.2 近期数字化电台（NTDR）网

当前，Ad Hoc网络技术在军事通信上最为重要的应用当属战术互联网[1]。战术互联网是互联的战术无线电台、路由器、计算机硬件和软件的集合，是数字化部队建设的基础设施， 目前唯一进入实用阶段的战术移动自组网络是美陆军在上世纪末期开发的数字无线电系统NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作为陆军战术互连网的主干网络设备进入装备序列。在移动无线环境下支持IP数据业务，以实现旅或旅以下战术作战中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之间的通信。近期数字化电台网的收、发信机通常用在作战指挥车、指挥控制车、战术作战中心和战术指挥所、装备陆军机载指挥控制系统的UH-60直升机的指挥控制平台上[3]。NTDR电台可以自动地组织成一个动态的两层网络。在该网络中，电台分成若干个群，每个群由一个群首和若干成员组成，各个群的群首构成一个骨干网，见图1所示。

在以簇（Cluster）为基础的两层分级网络结构NTDR中，普通节点距群首只有一跳，所有群的群首相互连接构成骨干网络。NTDR结构将相邻群之间的通信限制在只能通过群首完成。NTDR分群方案是专门为了应付战术网络中可能出现的频繁的节点移动和节点失效而特别设计的。每部电台最大运行功率是20W，在225～450MHZ工作频率范围内，电台的通信覆盖范围约为10～20km。由于每部电台都可充当一个信息中继点，因此整个系统的有效通信范围可达数百公里。2003年4月美军第四师在伊拉克战场上检验了战术互连网的战术性能，并给予了很高的评价。

3 仿真设计方案

3.1 仿真软件简介

建模与仿真技术是当前研究、分析、设计、评估与优化通信网络的最有效的工具。在美军众多的战术互联网仿真系统中，OPNET都是主要的仿真平台[4]。

本文选用的建模与仿真工具也是OPNET。它采用三层建模机制[5]，最底层为进程（Process）模型，以状态机来描述协议；其次为节点（Node）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。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。OPNET采用离散事件驱动的模拟机理（Discrete event driven），即只有网络状态发生变化时，模拟机才工作。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。OPNET最初是为有线网络的设计和规划开发的仿真软件，通过增加无线模块为WLAN、GSM、卫星和Ad hoc网络仿真提供必须的组件，包括IEEE802.11的MAC协议和主要的Ad hoc路由协议。

3.2 网络模型

根据NTDR的技术特点，建立如图2所示的网络模型。在30km*20km的矩形区域中，各个节点构成了两层结构的战场无线自组网络的网络级仿真模型，网络中的各个节点通过无线信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp业务。

一个旅战术作战中心和一个机械化营战术作战中心、一个装甲营战术作战中心、一个步兵营战术作战中心构成了NTDR网络模型的骨干网络。旅战术作战中心不仅支持与营战术作战中心之间大量数据与图像传输，而且还要为旅级机载指挥控制系统、作战指挥车和指挥控制车提供高数据率的信息传送。其功能相当于下级节点的服务器；而营战术作战中心作为网络中的第二级骨干，不仅要实现上传下达的功能，还要实现与同级营战术作战中心的数据传输。普通节点分别隶属旅战术作战中心和各营战术作战中心。隶属于同一上级的节点之间能够实现互联互通，否则就必须通过各自的上级进行数据信息交换。

3.3 节点模型

本文中的所有仿真节点都具有相同的节点模型，从实现的功能来分为两类，骨干节点和普通节点。其中，骨干节点作为NTDR网络中的簇头，实现战术作战中心的功能；普通节点具有想同的节点模型，根据实际情况设置各节点以分别实现指挥控制车、作战指挥车和陆军机载指挥控制系统的功能，如图3所示。

在对基于移动网络的系统分析评价时，选择一种与现实情况相符合的移动模型是非常重要的。本文自定义了一个比较符合战场实际移动情况的模型。每个节点在相应的区域内移动，速度服从（0m，10m）之间的均匀分布。陆军机载指挥控制系统在仿真中的高度假设为100米，其余车载平台在平坦的地域，高度为0米。

4 仿真分析

在仿真中，选用不同路由协议 DSR和AODV并分析比较其在分层无线自组网中的性能。在战场环境下，实时数据业务占据相对较大比重，所以端到端时延是网络性能评估的一个重要参数，同时我们还需要重点关注报文平均反应时间、路由平均跳数、吞吐量等参数的变化情况：从4（a）中可以看出，网络中报文的上传、下载的平均时间都在0.03s左右，在数值上选取DSR路由时报文平均反应时间要稍微高于选取AODV时的平均反应时间。平均跳数是指网络中成功交付的数据包所经历的平均跳数，主要用于表示路由协议对多跳数据转发的影响。从4（b）中可以看出，网络中选取DSR时路由平均跳数为1.25，而采选取AODV时路由平均跳数为1。

吞吐量是衡量网络性能的重要参数，体现了网络的数据业务承载能力，在军用系统中，该指标非常重要，因为通信网络的拥塞会导致作战信息的延迟，从而有可能导致作战任务的失败。从4（c）中可以看出，选取AODV协议时网络的吞吐量远大于选取DSR路由协议时的吞吐量，数值上约是8倍的关系。

时延是衡量网络数据传输能力的一个重要指标， 反映了数据在网络中传播的效率。从4（d）中可以看出，选取DSR路由协议时网络时延要明显高于选取AODV路由时。

综上所述，仿真网络在分别选取DSR和AODV路由协议时所选参数在数值上比较稳定，存在一定的差值。对于报文传输业务，时延和吞吐量的性能指标，在比较宽松（即节点较少和载荷较轻或移动性较弱）的环境中，DSR协议优于AODV协议，这与文献[6]的仿真结论是一致的，从而验证了模型的正确性。

5 结束语

NTDR作为美军战术互联网装备的重要组成部分，为陆军战术作战中心、指挥控制平台以及选用的情报共用平台的指挥员提供了一个无线广域网，允许指挥员在战术指挥中心之间以高数据率传送信息，以支持指挥控制数据和图像信息流。本文使用OPNET仿真软件，建立了近期数字无线电台的战场无线自组网的仿真模型，根据装备的现实物理情况进行网络设置和业务配置，得到了一个性能比较稳定的战场无线网络，并对其网络性能进行分析，为对战场无线自组网的进一步研究提供了基础，具有一定的参考价值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR网络仿真平台。）

参 考 文 献

[1] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005：215-216

[2] 于宏毅.无线移动自组织网[M].北京：人民邮电出版社，2005：332-335

[3] 单洪.美军战场网络及其通信协议[M].解放军出版社，2007：427-428

[4] 万永乐，张剑.战术互联网建模与仿真.通信技术，2002：50-53

[5] 陈敏.OPNET网络仿真[M].清华大学出版社，2004

OPNET网络仿真 第3篇

OPNET作为网络仿真软件已得到充分的应用, OP-NET的建模是以事件调度为基础的, 结合进程交互以便于处理。OPNET Modeler则是在网络的各个层面来进行各种通信模型的仿真工作, 同时还提供网络层、节点层和进程层的三层建模机制。在本文中, 主要是分析路由器传递数据包的排队策略对系统QoS的影响。路由器是基于存储转发工作的, 当一个数据包到达某个接口时可能需要排队等待转发。传统的队列策略是FIFO, 但随着互联网上音频和视频的数据增多, 这部分流量需要更大的带宽和优先级, 传统的FIFO已经不能满足要求。一种解决方法是Weighted Fair Queuing (WFQ) 策略, 即有多条队列, 分别赋予它们不同的权重, 接口每次按照权重不同从队列中取不同数量的数据包发送;另一种是Priority Queuing策略, 也是维护多个队列, 但是每个队列有不同的优先级, 优先级高的队列优先得到服务。

1 仿真工具简介

OPNET是众多网络仿真工具中的一种, 它的功能非常强大。总的仿真模型分为3个层次, 同时也具备3种图形化编辑器, 分别是进程编辑器、节点编辑器、网络编辑器。模型层次最下端为进程模型, 通常用状态机来描述;第二层为节点模型, 是由网络的各种协议模型形成, 能从一定程度上反映设备特性;第三层为网络模型, 提供各种网络支持。模型的各个层次和真实的网络及各种模型相对应, 能够最大化反映网络的各种应用特性。同时, OPNET软件自带的各种数据程序包能提供参数化、模块化的功能。设计者能根据自己的实际需求, 定义各种网络的相关设备、协议及参数并构建各种仿真网络模型。在具体的设计中, 通过信道和各条链路将全体网络中的各部分相连。子网由客户端、服务器、各条链路、路由器以及网关构成。

2 网络仿真流程

结合OPNET网络仿真流程如图1所示: (1) 构建网络的实际结构, 确定仿真流程; (2) 准备设计的工程所需的给类型文件, 如网络的整体结构拓扑图, 相关网络设备, 相关应用的各类型协议, 通信链路, 各类网络涉及的应用模型, 流程特征; (3) 建立网络模型, 应用各种设备版本和设计文档; (4) 利用工具提供的各类网络模型手动建立网络模型; (5) 设置相关参数完成网络仿真; (6) 分析仿真结果, 得到设计结论。

3 系统模型建立

根据预先设定的系统特征, 建立描述系统的模型过程如下:

(1) 确定网络的拓扑结构模型。网络由FTPhignclient、FTPlowclient、Route1、QosRoute、FTP server几部分构建而成。整个网络包括有路由器、交换机、用户终端、服务器, 结构如图2所示。各子网通过PPP_DS3类型链路 (速率为44.736Mb/s) 连接, 用户终端与交换机之间的链路通过100M网线连接。

(2) 建立仿真模型。配置两个基于FTP的应用程序, 但它们的优先级不同。在模型中, 编辑FTP属性, 设置Inter-Request Time (secs) 为exponential (5) , File Size (bytes) 为constant (500000) , Special Value域为Not Used。注意Type of Service域为Best Effort (0) 。这里Best Effort表示最低的优先级。这个应用程序平均每5秒发送一个500KB的文件。接着, 展开Description, 编辑FTP属性, 设置Inter-Request Time (secs) 为exponential (5) , File Size (bytes) 为constant (500000) , Special Value域为Not Used, Type of Service域为Excellent Effort (3) , 这个是比Best Effort高的优先级。

(3) 设定路由器使用的队列机制。现在已经为QoS Router接口配置了队列优先级机制, 这样一个QoS Config对象自动出现在工作区, 右击QoS Router and Router 1之间的PPP链路, 选择编辑属性, 查看port a和port b属性, 找出该链路的一段是连接在QoS Router的哪个接口, 例如Interface10 (IF10) 。

4 仿真运行及结果分析

在运行仿真之前, 先选取感兴趣的统计特性和相关数据量。

(1) 选择ResultsView Results命令。

(2) 选择并展开Global Statistics、Choose From Maps Network, QoS Router和IP Interface项。

(3) 选择PQ Traffic Dropped (packets/sec) IF10 Q1AND PQ Traffic Dropped (packets/sec) IF10 Q0 (Default Queue) 统计项。QoS Router的IF10与Router 1相连, 在完成本实验的过程中, 以自己实际的接口名称代替IF10。

使用As Is mode查看统计结果, 以上统计值指buffer溢出时的丢包数目。Q1对应高优先级流量, Q0对应低优先级流量。由图3可以看出, 高优先级队列比低优先级队列丢包率要低。这个结果是显然的, 因为它获得了优先服务。

(4) 选择PQ Queuing Delay (sec) IF10 Q1和PQ Queuing Delay (sec) IF10Q0 (Default Queue) 统计项, 如图4所示。

这些统计项显示数据包在被投递前在队列中的排列时间。可以看出低优先级流量 (Q0) 排队时间要大大高于高优先级流量 (Q1) 。

(5) 选择PQ Queuing Delay Variation (sec) IF10Q1和PQ Queuing Delay Variation (sec) IF10Q0 (Default Queue) 统计项, 它们表示了数据包的排队延迟方差。如图5所示从图像上看就是抖动, 同样high-priority流量的波形明显没有low-priority流量抖动的厉害。

(6) 选择PQ Buffer Usage (packets) IF10 Q1和PQ Buffer Usage (packets) IF10Q0 (Default Queue) 统计项。

这些值表示队列中排队等候的数据包的数量。显然可以看出图6中低优先级队列中的非常多的数据包一直在排队, 而高优先级队列中却很少有数据包需要一直排队等候。

5 结语

基于无线网络的移动通信及相关通信技术应用越来越广泛, QoS路由协议已成为网络通信服务质量研究的重点, 本文做的是相关传统的队列策略研究, 并对其作了OPNET仿真。经过研究, 随着数据的增多, 部分流量需要更大的带宽和优先级, 传统的FIFO已经不能满足要求。仿真提供的一种解决方法是Weighted Fair Queuing (WFQ) 策略, 即有多条队列, 分别赋予它们不同的权重, 接口每次按照权重不同从队列中取不同数量的数据包发送。仿真结果验证了分析的准确性, 网络的数据吞吐性能得到了优化。

摘要：移动通信技术的迅速发展, 越来越需要各种网络技术的全面支持与融合。基于这个原因, 就路由器传递数据包的排队策略对移动通讯系统的服务质量进行了研究, 并利用OPNET软件进行了仿真。结果表明, 采用WFQ策略, 接口每次按不同的权重从不同队列中取不同数量的数据包发送, 能优化路由器的数据吞吐量。

关键词：OPNET仿真,排队策略,服务质量

参考文献

[1]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[2]XU GONGWEN, ZHANG ZHIJUN.Research on QoS queuing strategies based on OPNET simulation[C].USA:Scientific Research Publishing, APYCCT, 2010.

[3]石怀伟, 王华, 张念军, 等.OPNET网络仿真技术及其应用分析[J].计算机工程与设计, 2006, 27 (17) :3309-3311.

[4]吴倩.移动Ad Hoc网络QoS路由协议研究[D].镇江:江苏大学, 2007.

OPNET网络仿真 第4篇

伴随计算机在信息领域的广泛应用, 计算机信息网络已成为现代通信的神经中枢。OPNET和Qualnet等仿真软件, 通过虚拟网络场景构建和网络特性参数统计, 为全网性能分析和网络规划提供了有效手段。但是对于实际复杂的网络系统, 由于仅仅依靠数学建模和统计分析的软件网络仿真不能提供准确的性能描述, 因此, 引入实物系统的半实物仿真技术在网络研究中具有广阔的应用空间。

将实物系统引入仿真回路的半实物仿真, 具有下列优点:首先, 在网络数学模型和仿真计算模型的基础上, 增加了实物终端的信息流量, 使整个网络仿真系统的数学模型得到进一步校准;其次, 利用半实物仿真, 通过网络参数统计, 可以对实物终端的功能和性能进行有效验证, 降低了设备验证测试的网络构建复杂度。

1半实物仿真系统构成分析

OPNET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三层建模机制, 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。

半实物网络仿真采用硬件在回路仿真 (Hardware-In-the-Loop Simulation, HILS) 技术, 利用OPNET的HLA接口模块, 通过HLA联邦体系结构将实物设备与仿真网络连接起来, 使仿真系统从实物设备获得真实的输入输出, 并通过协同仿真完成实物设备和仿真网络统一控制, 最终实现完整的、可控的网络对抗技术研究和验证试验平台。

1.1关键技术模块

1.1.1 硬件接口模块

硬件接口模块是半实物仿真网实物系统与仿真系统之间互连的物理接口, 满足仿真计算机和实物终端接口的电气特性要求和标准。

1.1.2 数据包截获模块

数据包截获模块捕捉半实物仿真网的实物系统和仿真系统之间数据交互的原始数据包。OPNET网络仿真采用TCP/IP协议栈模拟网络节点并与实物终端互连, 所以OPNET SITL仿真通常采用WinPcap API来捕获原始数据包。它直接与网卡驱动程序进行交互, 通过“嗅探”传输介质实现数据包的抓取, 并向网络发送数据包。

1.1.3 数据包转换模块

OPNET仿真软件的仿真节点是通过有限状态机进行建模实现的, 仿真节点实现的是虚拟的协议栈, 各层协议以及仿真设备之间采用数据包流进行连接。仿真包会触发节点进程模型的中断, 引发协议进程对仿真包的处理。但仿真包不是真正的比特流, 是由域组成的OPNET内部的特殊数据类型。因此实物终端与OPNET仿真网之间不能直接通信, 必须通过数据包转换模块进行包转换。

1.2仿真系统构成

半实物网络仿真系统构成如图1所示。

仿真系统构成中各部分功能如下:

①实物终端:为半实物仿真网络提供真实的业务数据, 通常不少于两个以实现业务交互的完整协议过程, 是整网业务通信的仿真基础;

②半实物硬件接口:进行实物电路接口与仿真计算机网络接口之间的互联转换, 实现仿真计算机和实物设备之间的物理互联;

③仿真配置模块:配置半实物硬件接口的仿真地址, 控制半实物仿真运行过程;

④协仿真处理模块:基于OPNET的协仿真机制, 通过OPNET的外部访问接口 (External System Access, ESA) 实现外部控制程序和OPNET仿真程序的通信交互, 保证仿真系统和实物系统的同步运行;

⑤实物映射节点:实物设备在仿真网络中的虚拟映射节点, 是仿真网络的组成部分, 虚拟映射节点在仿真网络中使用无线管道机制或特定有线链路模型与仿真网络的其他节点互联;

⑥复杂网络仿真:依据目标网络建模需求形成的仿真网络, 可包括客户端、服务器、路由器、交换机、无线通信中继等多类型的节点模型。

2OPNET半实物仿真设计

参照OPNET半实物仿真系统构成, OPNET半实物仿真的核心处理主要包括OPNET网络仿真实现和半实物仿真接口实现2个部分。OPNET网络仿真实现部分可参考专业书籍和相关文章, 在此主要介绍半实物仿真接口的设计实现。

在半实物仿真中, OPNET代表的仿真网络在与计算机外界的实物终端进行交互时, 必须通过半实物仿真接口。半实物接口软件处理单元主要包括仿真配置和协同仿真处理模块, 实现仿真的运行控制和仿真网络数据流到实物设备数据流的协议转换。半实物接口硬件处理单元与仿真计算机的数据交互可以采用串口、以太网口和 USB 口等, 半实物接口硬件处理单元与实物终端的接口根据实际设备的接口要求进行设计实现, 考虑实物设备接口以E1接口为例。半实物仿真接口的功能构成如图2所示。

2.1半实物接口硬件处理单元实现

半实物接口硬件处理单元实现实物终端到仿真网计算机之间的双向数据交换, 具有实时性和实物终端协议匹配的特性, 通常选择FPGA进行功能实现。

采用IP接口和E1接口实现PC仿真环境与实物设备的互连。IP接口实现分为物理层实现和协议实现, 物理层实现采用专用芯片, 完成从线路码型到数字信号的转换;协议的实现采用IPCore软核, 完成IP接口MAC协议的解析。E1接口物理层实现同样采用专用芯片, 满足标准要求;协议层的成帧和解帧处理采用FPGA编程实现, 符合标准要求。半实物接口硬件处理单元的接口架构如图3所示。

2.2半实物接口软件处理单元实现

如上所述, 半实物接口软件处理单元主要包括仿真配置和协仿真处理模块, 实现仿真的运行控制和OPNET仿真网数据流到实物设备数据流的协议转换。

仿真配置模块:是半实物仿真接口的仿真配置和管理的主要工具。主要完成的仿真配置和仿真操作功能。仿真配置功能用于对半实物接口设备的IP接口进行MAC地址、IP地址、网关和掩码设置, 进行仿真时间推进步长设置等;仿真操作功能包括仿真的运行、暂停和结束操作。

协仿真处理模块:基于OPNET的协仿真机制情况下, 协仿真处理模块的实现是通过OPNET的ESA接口实现与OPNET仿真程序的通信交互, 由数据处理模块和仿真控制模块组成。数据处理模块完成仿真系统与实物系统之间的数据交互, 仿真控制模块实现对仿真系统的运行控制, 保证整体半实物仿真平台的实时性。

协仿真处理模块的数据处理功能包括:

① 协仿真程序从半实物硬件接口的数据流中读取从实物终端发送的数据帧, 将数据帧进行解析和重新封装, 并把重封装后的数据映射到仿真网的内部处理程序;

② 协仿真程序从仿真网内部处理程序接收仿真数据流, 解析并获取向实物终端发送的数据信息, 根据实物终端的数据帧格式进行数据帧重封装, 并把数据发送给实物设备。

协仿真处理模块的仿真控制功能包括:

① 向OPNET仿真网络查询要执行的仿真事件的时间;

② 等待仿真网络与实物终端交互的数据包, 根据数据的流向调用数据处理模块进行数据解帧、封装和转发处理;

③ 在实际时间执行仿真网络的仿真事件。

协仿真处理进程的关键函数如下:

① GetModuleIDByMacAddress () :根据地址获取仿真模块ID;

② GetObjectIDByName () :根据对象名称获得对象ID;

③ SimDataToReal () :完成仿真报文到实际数据的转换;

④ RealDataToSim () :完成实际数据到仿真报文的转换;

⑤ GetPacketLength () :从比特流中定位数据包并获取包长度。

3仿真结果分析

实物终端A、B与目标终端DEST之间通过2个路由器节点和4个交换机节点进行互联;协调接口模块完成半实物接口的协仿真处理功能实现;OPNET仿真计算机通过网络交换机与半实物仿真硬件接口设备互联, 实物终端通过E1接口与半实物仿真硬件接口互联。在仿真网络各层协议栈的协议交互过程中增加了仿真统计量, 对实物终端的网络性能进行评估。半实物仿真网络采用实物仿真实物的工作模式。在试验过程中, 对吞吐量、信道数量、丢包率、重传率、传输时延和可达性等多类统计量进行了统计分析。经仿真验证, 半实物仿真网的统计分析曲线清晰且全面地体现了各实物终端在仿真网络的通信能力、通信可信性和通信可用性, 也指导了实物终端 的工作性能优化。半实物仿真场景设置如图4所示。

4结束语

通过半实物网络仿真平台, 实物终端与仿真网络有效结合, 避免了终端性能测试所需复杂网络的实物平台构建, 提供了对实物节点进行验证、分析和评估的有效手段。半实物仿真方法在网络设备研究方面具有技术优势, 应用于大规模网络背景下的网络研究是一条可行、有效的技术途径。

摘要：针对网络研究中纯数学网络仿真建模难以保证准确度的问题, 研究了基于OPNET软件的网络半实物仿真模型。讨论了半实物仿真系统的构成, 分析了系统各模块的功能, 提出了OPNET半实物仿真系统的模块化设计方案, 详细讨论了半实物仿真硬件处理接口单元和软件处理接口单元的实现, 并分析了仿真系统的运行结果。通过实例证明半实物仿真在网络研究中具有技术优势。

关键词：网络仿真,半实物,OPNET外部仿真控制

参考文献

[1]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[2]段威, 任华, 柳海峰.基于OPNET的通信网络半实物仿真方法研究[J].计算机仿真, 2009, 24 (11) :138-143.

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[4]张筱, 林孝康.一种基于OPNET的网络半实物仿真模型[J].仿真技术, 2007, 23 (1) :257-258.

OPNET网络仿真 第5篇

在现今的信息技术时代,随着网络的日趋复杂、规模日益庞大,业务种类已不再局限于单一的包传输方式。实时流媒体业务和实时监控业务的日益普及化,对新一代网络的性能提出了更高的要求:既要保证网络的可靠性,又要保证信息的流畅性,也就是实时业务的信息服务质量(Quality of Service,QOS)。而网络架构、有限QOS网络协议和信息传输协议3个因素均会影响信息QOS。此时网络的规划和设计就不能再单纯依靠经验和理论计算了。在这种情况下,网络仿真技术作为一种新的网络规划和设计技术应运而生[1]。

1 网络仿真技术

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[2]。网络技术开发人员在这个虚拟的网络平台上不仅能对网络通信、网络设备、网络协议、网络规划以及网络应用进行设计研究,还能对网络的性能进行分析和评价[2]。

目前的网络仿真平台主要有网络模拟器(Network Simulator-2,NS-2)、Qual Net、OPNET和矩阵实验室(Matrix Laboratory,MATLAB)等。

MATLAB是目前使用非常普遍的一种仿真软件,但对于通信系统的协议仿真专用性并不强。

NS-2是通信协议仿真领域中源码公开、免费的知名软件模拟平台,但目前为止还远未达到完善的程度,软件的bug仍在不断地出现和更正[4]。

Qual Net多用于政府部门和军方承包商,为了提高仿真的运行速度,对仿真细节做了很多省略,所以更倾向于模拟,而非严格意义的仿真[5]。

OPNET作为最著名的商用软件,其突出的表现受到了广大开发者的青睐,成为网络规划和设计中的首选仿真平台。下面将对OPNET仿真软件的网络仿真方法进行研究,并给出实例仿真,以深入讨论OPNET在网络中的变量优化方法及性能优化结构规划。

2 OPNET仿真软件

OPNET Modeler所能应用的各种领域包括端到端结构(End to End Network Architecture Design)、系统级的仿真(System Level Simulation for Network Devices)、新的协议开发和优化(Protocol Development and Optimization)、网络和业务层配合如何达到最好的性能(Network Application Optimization and Development and Deployment Analysis)。

2.1 OPNET的特点

OPNET具有以下特点:

(1)简单清晰的建模方法。采用阶层性的模拟方式,从协议间关系看,节点建模完全符合OSI标准[6];从网络物件层次关系看,提供了网络层次、节点层次、进程层次3层建模机制。

(2)面向对象的模拟方式。每一类节点开始都采用相同的节点模型,再针对不同的对象,设置特定的参数。

(3)基于事件触发的有限状态机建模。采用离散事件驱动的模拟机理,极大地提高了计算效率;同时,在过程层次中使用有限状态机来对协议和过程进行建模,方便控制仿真的详细程度。

(4)具有详细协议模型的全面模型库,以有限状态机的形式提供。

(5)系统的完全开放性。在Modeler中,各种协议的源代码完全公开,用户可根据需要添加、修改已有的源代码。

(6)强大的统计性和集成分析功能。OPNET内建了很多性能统计器,自动采集模拟过程的结果数据,同时,采用混合建模机制,把基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来,既可得到非常细节的模拟结果,也大大提高了仿真效率。

另外,OPNET还提供了多种业务模拟方式、交互式的运行调试工具、功能强大的结果分析器和能够实时观察模型动态行为的动态观察器,可将多次仿真的结果进行比较,为用户的决策提供有力的依据[7]。

2.2 OPNET的3层建模机制

OPNET将建模的工作划分为以下3个层次:

(1)网络建模。编辑网络的拓扑结构,提供由各种通信实体组成的模型库。用户可建立新的模型,也可在已有的模型上进行修改。几个不同的网络场景组成“项目”,用以比较不同的设计方案。OPNET引入了子网的概念,这里的子网被视为一个独立的对象,子网内节点的数目和子网中的设备可由用户自行设定。

(2)节点建模。定义网络中节点的结构和描述节点中(软件或硬件)模块间的数据流。节点编辑器描述了协议的层次结构,并通过描述功能模块之间的数据流来实现一个网络器件或系统的体系结构。

(3)进程建模。在表示节点行为的处理和队列模块中,以符合工业标准的有限状态机来模拟算法、协议和程序流程,描述功能模块内的状态和状态间的控制流。

OPNET通过3层建模机制建立起来的3层模型和实际的协议、设备、网络层次完全对应,能全面反映实际网络的相关特性[8]。

2.3 OPNET仿真分析的具体步骤

运用OPNET进行网络仿真一般遵循以下的基本步骤:

(1)确定要仿真的对象和待解决的问题;

(2)根据仿真目的建立系统模型,包括选择何种网络拓扑结构、网络的范围和大小、网络的业务模型等;

(3)收集统计数据,如网络服务器负载(Server Load)、流量(Load)和延时(Delay)等;

(4)配置仿真并观察仿真的结果;

(5)引入扩展的拓扑结构:通过分析仿真数据,可以得到所仿真网络的性能,此时可以通过修改拓扑结构、更新设备等而得到新的仿真场景;

(6)调试、再次配置仿真参数并进行仿真;

(7)网络仿真结束,观察对比结果。对同一个项目的不同方案的仿真结果进行比较,得出结论,完成网络仿真的研究报告。

3 OPNET仿真的应用与结果分析

OPNET能够迅速地建立现有网络的模型,并能够方便地修改模型并进行仿真,这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能,回答“What-If”这样的问题[9]。下面结合一个包交换网络的实例来给出OPNET的具体应用。

3.1 包交换网络仿真

设该网络包括1个中心节点和4个周边节点,周边节点包含一个数据源以产生数据包,中心节点将收到的数据包转发给相应的目的节点。网络拓扑结构、周边节点结构及周边节点进程模型分别如图1中所示。

根据该网络的物理通信机制的要求,每个节点包含一对点对点收发机,通过一条有线双工链路和另一对点对点收发机构成一个收发机组,以支持数据的双向传输。中心节点配置4对点对点收发机,以支持周边节点的互联互通。

建立中心交换节点和周边节点的模型后,接着对网络吞吐量、链路利用率和端对端延迟进行仿真。分别将数据源生成包的时间间隔设置为40 ms、80 ms、400 ms和800 ms,仿真结果如图2、图3和图4所示。

当系统趋于稳定时,包的产生速率过小导致网络吞吐量变小,链路的平均利用率很低,而包产生速率过大,又容易导致数据包在队列中积压。

接着,在网络拓扑中再加入4个周边节点,在相同的条件下仿真后发现:周边节点增多,链路的平均利用率进一步增大,但由于需要寻址的节点数增多,平均的端对端延迟也随之变大。

3.2 网络扩展仿真

进一步对已有的网络规模进行扩建,在已有的网络中添加一个相同的子网,2个子网间用有线双工链路进行互联,如图5所示。

配置相同的仿真运算参数进行仿真。扩建前后的2个网络的吞吐量和链路利用率,以及端对端延迟在包生成时间间隔分别为40 ms和400 ms的情况下,仿真结果如图6、图7和图8所示。

在系统增加了一个相同的子网之后,网络中的通信节点增多,通信量增加的同时整个网络的载荷能力也相应增强。由图6可以看出,包生成速率很大时,单子网的吞吐量明显大于有多个子网的网络;而通信量较小时,这种差别就不明显了(2条统计线基本重叠在一起)。同时,子网数增加,即网络通信量增加,导致链路利用率明显变大,如图7所示。而从图8中又可以清楚地看出,包生成速率为40 ms的网络,端对端延迟时间明显变长,并且远远超出了网络性能的允许范围,相比之下,400 ms包生成速率则能够保证较小延迟,但与图4相比,延迟性能也有非常明显的下降。

3.3 仿真结果分析

通过上述仿真试验,将包生成速率对应为实际网络应用中的数据速率,子网数目即为网络中通信节点数,这2个因素都从一定程度上反映了实际网络中的通信量大小。可以得出如下结论:

(1)在有高速数据传输的网络中,通信节点少的网络(小规模网络),单个节点所承担的载荷较大,这时就需要考虑如何保证通信的可靠性;

(2)通信节点较多的网络,其链路利用率必然大,但是在实际通信中,链路利用率并不是越高越好,当其高于网络正常工作时的安全界限时,便有可能产生网速过慢、通信时断时续、正常请求延时等问题[10];

(3)通信量大的网络,虽然链路利用率较高,但是端对端延迟也相应增加,从而影响了网络的实时性。因此,在实际应用中不能只追求单一性能的优化,而要结合全局统筹优化网络性能。

4 结束语

上述探讨了影响包交换网络性能的因素,并利用OPNET网络仿真软件,对简单包交换网络的性能及扩容后的性能从多个方面进行了比较分析,考察网络的性能变化,为网络升级改造过程中的可能出现的可靠性决策的选择提供了定性依据。

另外,在信息技术飞速发展的今天,网络结构日趋复杂,网络规模逐步庞大,多种类型的网络日益走向融合,业务种类增加,新的网络技术也层出不穷,利用仿真软件进行网络的性能分析,为客观评估网络的可靠性和有效性、增强决策的科学性、有效降低网络建设的投资风险提供了强有力的工具。OPNET网络仿真软件为解决通信网络仿真和优化以及网络高效管理提供了整套的解决方案,因此成为当前网络仿真以及分析领域出类拔萃的软件,必将得到更为广泛的关注和应用。

摘要：网络仿真技术是一种反映和预测网络性能的科学手段。仿真软件提供了真实网络和仿真器交互的方法,在不同条件下对网络进行模拟,并分析设计方案的可行性和健壮性。介绍了OPNET仿真软件的主要特性、建模机制及仿真步骤,重点论述了OPNET的网络域、节点域、进程域的建模过程和建模方法,并结合一个包交换网络的实例进行了仿真,通过对比链路平均利用率、网络吞吐量和端对端延迟在不同包产生速率时的变化,阐述了OPNET在具体网络规划和设计中的应用。

关键词：OPNET,网络仿真,网络规划和设计,链路利用率,端对端延迟

参考文献

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[3]赵林,宋玲,肖彩霞.基于Opnet仿真的校园网性能分析与研究[J].大众科技,2010(11):28-29.

[4]张剑.基于OPNET仿真建模方法研究[D].武汉理工大学,2005:56-82.

[5]高嵩.OPNET Modeler仿真建模大解密[M].北京:电子工业出版社,2010.

[6]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

[7]高媛,华钢.OPNET网络仿真的应用[J].煤矿机电,2007(3):92-93.

[8]蒋丽影,张蕊.浅析OPNET建模机制[J].电子科技,2008,21(4):73-75.

[9]余淑媛,马均钊.基于OPNET的企业网的设计与仿真[J].大众科技,2011(7):42-44.

OPNET网络仿真 第6篇

数据业务在第三代移动通信系统中扮演着越来越重要的角色,为了更好地进行网络设计以及系统性能评估,对3G业务模型进行研究是非常有必要的。近年来,研究发现,计算机网络中的处理和交换节点上的业务量有很强的突发性,传统的业务模型,如泊松和马尔可夫模型已不适用于描述基于Internet的分组交换网络流量特征,HTTP、WAP、FTP、视频流等所有这些业务在相当大的时间尺度范围内表现出自相似性。特别是在第三代移动通信系统中,引入了越来越多的除话音以外的数据业务,使移动通信网中的业务也趋向于表现出高突发性和长相关性,传统的通信网络业务模型在移动通信网中也已经有了局限性,需要重新建立新的自相似业务模型[1]。

目前,国内外已有许多文献对HTTP业务模型进行了研究[2]。但多数模型都是基于分组大小来描述业务模型,没能给出符合实际业务分组大小的分布函数,也没有进行自相似研究。也有部分文献对HTTP业务的自相似特性进行了研究,但研究目的集中在证明业务的自相似特性,并没有建立业务模型。另外,关于3G业务模型的文献基本都是只针对一种业务进行建模,而实际网络中,数据流都是以混合业务数据形式出现的,因此,分析混合业务(混合业务的源模型、数据流特性等)更具有实际意义。为了解决上述问题,对HTTP业务在三个层次上进行灵活描述,根据对实际网络流量数据统计得到的HTTP业务各参数分布,基于网页对象的大小来描述业务数据流,进而在OPNET平台上实现了HTTP业务模型,并对仿真得到的流量数据进行了自相似分析。虽然仅对HTTP业务模型进行了阐述,但所建立UMTS 仿真网络也包括其他基本3G分组业务模型,可以设置用户发起各种不同的业务(如HTTP、WAP、FTP、视频业务等),适合研究混合业务特性。

1网络流量自相似特性和Hust参数估计

1.1自相似过程的描述[2]

设X(t)是随机过程,R(t)是该随机过程的相关函数。如果${\displaystyle \int \begin{array}{c}R(t)=\infty \end{array}}$,则称X(t)是长相关过程(LRD)[3],即X(t)的当前值与它所有历史值有关。自相似过程是长相关过程的一种简单模型。

假定$x=\left\{x(i),i=0,1,2‚\cdots \right\}$为广义平稳随机过程,具有均值μ,方差σ2和自相关函数r(k),k≥0。r(k)满足:当m∞时r(k～k-βL1(k)),其中0<β<1,L1是慢变函数,即对所有$x>0‚\underset{t\infty }{{\displaystyle \lim }}L{}_1(tx)/L{}_1(t)]=1$。称自相关系数满足上述条件的过程为自相似过程。

令xm(i)=[x(i)+x(i+1)++x(i+m-1)]/m,(i=0,1,2,),对每个m,xm(i)定义为一个协方差平稳过程, rm(k)为xm相应的自相关函数。如果x的自相关函数对所有m具有如下形式:

$r{}^m(k)=r(k)~k{}^{-\beta },0<\beta <1(1)$

则x(i)为自相似参数H=1-β/2的严格二阶自相似过程。如果x的自相关函数对所有m具有如下形式:

$r{}^m(k)~r(k),m\infty (2)$

则x(i)为自相似参数H=1-β/2的渐进二阶自相似过程。参数H又称Hurst参数,是描述自相似特性的唯一参数,H的取值范围在(0.5,1)。随着H逐渐增大,r(k)在k∞的衰减减慢。在0.5<H<1,有${\displaystyle \sum _{k=-\infty }^{\infty }r}(k)=\infty$。

1.2Hust参数的估计方法

由前面可知,Hurst 系数是表征业务流自相似程度重要的唯一参数,判断实际流量在不同时间尺度下的到达过程是否为自相似过程,转化为估计H值的范围是否在(0.5,1)之间。H值越大,业务过程的自相似程度越高,业务突发性就越强。因此,根据一定时间范围内业务流量的检测数据估计H值,对自相似业务的建模和流量控制都十分重要。估计H参数的方法很多[4],其中鲁棒性较好的方法有:方差-时间曲线(V-T)、R/S图、Whittle最大似然估计和小波变换分析法。在仿真分析中,采用了V-T、R/S两种方法来估算H参数,因此本文只对这两种算法的实现步骤做简要介绍。

1.2.1 时间-方差曲线法(V-T分析法)

(1)由X得到新的序列X(n),m>2;

(2)计算X(m)序列组方差Var(X(m))序列;

(3)取对数lgVar(X(m))/lg m;

(4)用最小二乘法拟和lgVar(X(m))/lg m曲线,可以得到一斜率为-β的曲线,从而求得H=1-β/2。

这种算法的复杂度为O(n),是运算速度最快、最直观的估计算法。

1.2.2 R/S图法

(1)计算$\overline{X}$(n);

(2)计算$\omega {}_k=(X{}_1+X{}_2+\cdots +X{}_n)-k\overline{X}(n),k=1,2,3,\cdots ,n;$

(3)分别计算R(n)和S(n);

(4)取对数lg E[R(n)/S(n)];

(5)用最小二乘法拟和lg E[R(n)/S(n)]曲线,可得到一条斜率为H的曲线,从而求得H参数。

这种算法的复杂度为O(n2),是一种运算速度慢但计算较精确的方法。

2HTTP业务模型及参数

在3G无线网络环境中,3G数据用户主要是基于3G手机上网,通过UMTS网络将其接入 Internet 中。一个Web页面是由一个主对象(main object)和若干个内嵌对象(embedded object)组成。主对象是一个超文本标记语言(HTML) 文档,包括 ASCII 文本和 HTML码,内嵌对象是指内嵌在页面中的图片、声音、文本等。当用户在手机上运行网页浏览器,建立与 Web 服务器的 TCP 连接,就开始了一次 HTTP 会话过程。在一次会话中,当用户点击指向要浏览的页面链接时,用户和 Web服务器之间建立起 TCP 连接,以传送这个请求。Web 服务器在收到请求后,向浏览器送出主对象,浏览器接收后分析 HTML 码,请求传送页面的内嵌对象。当用户关闭浏览器或者 TCP 连接超时,断开与 Web 服务器之间的所有连接,标志一次会话的结束。

现对HTTP业务采用三层结构来描述:会话(session level),描述会话到达的快慢和密集程度;分组呼叫(packet call level ),描述分组呼叫大小服从的概率分布;分组(packet level),描述一次分组呼叫内数据报到达间隔的概率分布和数据报大小的概率分布[2]。HTTP业务模型如图1所示。在 NodeB处可看到,HTTP 业务其实是由各个用户的 WWW业务所合成的。使用 HTTP 业务的单个用户可以处于业务的活跃期(Active Time),也可处于静默期(Idle Time)。活跃期由一系列 Web 页面的到达过程组成,即由连续的 HTTP ON(用户下载网页)和 HTTP OFF(用户阅读网页)时间段构成,因此可将一个 Web 页面的下载看作是一个业务连接。当这个页面下载完毕后,可能紧跟一段用户阅读时间,等用户阅读完该页面,可以继续点击新的 Web 页面,从而又开始一个新的业务连接。

基于以上的分析,现将HTTP业务用以下几个参数表示。

1)SM :一个页面中主对象的大小;

2)SE :一个页面中内嵌对象的大小;

3)Nd :一个页面中内嵌对象的数量;

4)DPC :页面阅读时间,即两个网页请求之间用户处于休眠状态的时间长度;

5)TP :主页解析时间,即客户端获得主对象后,需要解析HTML代码的时间,也就是主对象和第一个内嵌对象之间的时间间隔;

6)TC :对象到达间隔时间,即一个页面内连续的两个内嵌对象之间的时间间隔。

为获得描述模型的各参数分布特性,需要从实际网络中获取数据加以分析。文献[5]给出了采集数据的网络模型。对采集到的数据进行处理,得到描述业务模型各参数的概率分布,如表1所示。

从表1来看,对数正态和Pareto分布都采用了截短的形式,是为了防止出现太大或者太小的随机数而使生成的参数偏离正确的结果,所以规定了最大值和最小值。

3HTTP模型在OPNET中的仿真

因只仿真PS业务,为求简化,设计的 UMTS 仿真网络只涉及分组PS 域中的网元,以及提供分组业务的外部网络,主要由四部分组成,用户终端UE、无线接入网 UTRAN(包括 NodeB 和 RNC)、核心网CN(包括 SGSN/GGSN)和外部网络(Internet)。UMTS 网络通过分组域核心网,经由路由器与外部网络 Internet 通信,连接至提供HTTP业务的服务器。

在仿真过程中,为了方便建模和仿真分析网络层业务流量的性能特征,假设当用户开机时就已经取得了上下行同步;并且已经建立 PS 信令连接,并在仿真期间一直保持。这样,只要用户一开机就可以通过 SGSN 立即执行 UMTS PS来接入 PS 服务。

仿真中设置了 30 个用户发起 HTTP 业务,按照表1设定业务参数,RLC 传输模式设置为确认模式(Acknowledged Mode)。图2从上到下三幅图分别是在 Node-B 节点处采集的上下行流量和用户的端到端时延(即数据从服务器端到用户端的单向时延)。从图2中可以看出,HTTP 业务的下行吞吐量明显大于上行吞吐量,这主要由 HTTP 业务上下行数据不对称特性所致。从图2中还可看出,用户端到端的时延抖动较大,这也是后台型业务的一个典型特征。

统计从 100 s 到 7 200 s 这段时间的数据(摒除前 100 s 仿真初始化阶段的一些不稳定数据),所得出的网络性能的统计数据如表2所示,其中用户端到端时延的最大值为 1.2 s,均值为 0.43 s,低于 1 s,完全满足 3GPP 标准中 UMTS网络 QoS 的要求[6]。

4HTTP业务流量的自相似分析

仿真中,将HTTP业务的下行流量放在三种不时间单位(分别为10 s,1 s,0.1 s)中对比,可以直观地看出,在 3 种不同的时间尺度下的网络流量特性较为相似,都体现出明显的突发性和自相似性。为了更好的分析基于 HTTP 业务的流量自相似特性,本文对Hurst 系数进行了估计。

为了提高H参数估计的准确度和可信度,对模型中30个用户2 h内产生的数据,用Matlab实现了V-T图和R/S图两种方法分别来估计 HTTP 业务的 Hurst 参数值,图3中分别为下行流量的V-T图和R/S图。通过直线拟合,可得到V-T图和R/S图的H参数分别为0.72和0.77。符合文献[6]中对有线网中 HTTP 业务的实测数据进行的 Hurst 系数估计范围(H=0.76 ～ 0.83)。另外,无线网的自相似特性会略低于有线网,这是因为带宽资费和手机终端的屏幕大小等原因,使得无线网络用户上网浏览较大网页的概率减少了,流量的长期突发性也就略微减少。因此,本文所建议的 UMTS 网络中 HTTP 业务模型基本上是可以模拟实际业务的。

4结束语

本文在分析了已有HTTP业务建模方法的基础上,提出了基于网页对象的三层结构建模方法。通过对文献[6]中采集的实际网络流量数据进行分析,得到得到描述业务模型各个参数的概率分布。最后在OPNET平台上建立UMTS网络实现了HTTP业务模型,并根据仿真得到数据讨论了模型的自相似特性,用Matlab实现了两种方法来估算H参数,验证了模型的正确性。

文中所述的模型是开放的,可以根据不同环境在其基础上修改。对HTTP业务建模方法和自相似流量分析方法,对实际3G网络的业务规划和性能仿真都有重要的参考价值。

摘要：HTTP业务是构成3G数据业务的重要部分,因此有必要研究3G网络承载HTTP业务时的性能。介绍了HTTP业务的基本概念后,提出一种基于网页对象的建模方法,并在OPNET平台上得到实现。最后,根据仿真得到的流量数据,用方差-时间曲线图和R/S图法分析了模型的自相似特性,验证了模型的正确性。

关键词：业务模型,HTTP,自相似,Hurst参数,OPNET

参考文献

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[5]杨大成.cdma20001x移动通信系统.北京:机械工业出版社,2003:425—436

OPNET网络仿真 第7篇

基于IEC61850标准的数字化变电站一个重要的特征就是以交换式以太网和光缆组成通信系统代替以往的二次连接电缆和回路,利用通信网络来实现设备之间的信息交换。

数字化变电站通过过程层网络对采样值(SAV)报文、跳闸命令(面向通用对象的变电站事件(GOOSE)报文)进行传输[1]。过程层网络性能直接影响数字化变电站内继电保护设备的灵敏性和可靠性。因此根据不同变电站的类型和电气主接线的方式合理设计过程层网络,保证二次设备信息传输的实时性。OPNET modeler作为一种主流的仿真软件已经被运用于电力系统通信网络仿真,目前已有学者应用OPNET仿真软件对变电站通信网络进行相关研究:文献[2]对变电站单个间隔的过程层网络进行的仿真;文献[3]对变电站二次回路通信节点在不同数据包处理能力和不同带宽下的网络时延和数据流量进行了仿真;文献[4]利用网络仿真法对星形结构和环形结构的变电站过程层网络性能进行了研究。本文以一个半断路器的接线方式下的过程层网络为例,利用OPNET软件建立网络仿真模型,对划分虚拟局域网(VLAN)后对继电保护报文传输的实时性能影响进行仿真和分析。

1 OPNET仿真技术

1.1 OPNET网络仿真软件介绍[5]

OPNET modeler广泛用于通信网络、设备、协议和应用的设计开发与研究领域。面向对象的建模方法和图形化的编辑工具,几乎可以模拟大部分的网络设备,支持各种网络技术。OPNET modeler是专门用于可视化原型设计的软件,modeler中提供多种编辑器帮助用户完成网络建模和仿真运行,主要包括以下几种:(1)网络编辑器(Network Editor);(2)节点编辑器(Node Editor);(3)进程编辑器(Process Editor)。

在OPNET中,模型结构是层次型的,主要由网络模型、节点模型和过程模型组成。网络模型描述系统的拓扑结构,由节点和信道构成;节点模型描述节点行为,由互连模块构成;过程模型实现节点模块功能,由状态转移图来表示,每个状态由C/C++语言来描述。

1.2 OPNET modeler仿真步骤

使用OPNET modeler仿真步骤,大概分为6步,分别是配置网络拓扑,配置业务,收集结果统计量,运行仿真,调试模块再次仿真,最后发布结果。

2 过程层网络OPNET仿真模型

本文以500 k V变电站为例,根据保护和控制设备之间的联系建立过程层网络的仿真模型。国内500 k V多采用3/2接线形式,继电保护按双重化配置,即要求两套相同的继电保护的电流、电压、跳闸等回路都是独立的,因此取代二次回路的过程层网络也必须是两个独立的网络。考虑到总线型网络的可靠性不能满足过程层网络的要求,环形网络有产生网络风暴的可能,出于安全性考虑,环形网络也不大适用于500 k V数字化变电站的过程层网络。因此,选择星形网建立过程层网络模型。图1为3/2接线一次接线图。

2.1 网络模型

一台半断路器接线方式,一般有两种组网方式,分别是按单串组网和按线路间隔和变压器间隔组网。

(1)按单串组网

图2将一串内的设备均接于一个交换机(switch_Bay1),母线保护(Protection_Busbar)单独配置交换机,switch_Bay1再接至母线交换机。

同理,接线的另一串OPNET模型类似。

(2)按线路间隔和变压器间隔组网

图3为3/2接线中一串的线路间隔和变压器间隔,由于断路器QF2与线路间隔和变压器间隔都存在联系,将QF2的智能操作箱(Control_QF2)与保护(Protection_QF2)连接至两个交换机(switch_Bay1、switch_Bay2),并将线路保护(Protection_line1)和主变保护(Protection_Transformer1)分别接入母线交换机switch_Bay1和switch_Bay2。

同理,接线的另一串OPNET模型类似。

2.2 节点模型

OPNET通过节点实现数据包的接受和发送,本文仿真直接采用OPNET软件提供的高级Ethernet_wkstn_adv节点模型,可以仿真各种通信节点。其中,合并单元和联络断路器的智能操作箱和保护需要连接至两个交换机,因此需要2个端口,而Ethernet_wkstn_adv节点为单端口,因此将其进行改造为2端口节点。

2.3 过程层网络数据流分析

过程层网络数据流主要包括:

(1)合并单元MU向线路保护、变压器保护、母线保护、开关保护发送采样报文;

(2)智能控制单元向保护发送开关位置报文;

(3)保护向智能控制单元发送控制命令。

主要参数配置:

(1)MU节点。以采样间隔为周期(采样间隔取20050 Hz),为SAV报文,报文长度123字节,各个MU流量起始时间和到达时间间隔都设定成相同的常数分布,来实现采样的同步性。

(2)Control节点。以5 ms为周期广播开关位置报文,为GOOSE报文,报文长度16字节。

(3)Protection节点。从某个时刻开始以1 ms为周期广播控制报文,为GOOSE报文,报文长度16字节,持续10 ms。

3 仿真分析

3.1 VLAN划分

SAV、GOOSE报文以多播、重发相同数据的形式向外发送,而变电站中的间隔层IED之间并非都有GOOSE报文交换,只有一些相关的IED才有GOOSE报文交换,应用VLAN技术将过程层网络划分为几个不同的虚拟局域网,减少了VLAN中的广播信息,解决了因广播信息的泛滥而造成的网络堵塞,提高了网络传输效率。根据SAV、GOOSE报文实际发送特征将网络设备划分成4个不同VLAN。

3.2 结果分析

本文利用OPNET modeler网络设备模型,以工作站模拟合并单元MU、智能开关操作箱、保护等二次设备。利用OPNET中的Video Conference应用来模拟采样报文和GOOSE报文,并通过设置交换机的VLAN identifier来实现VLAN划分。

仿真第一次不划分VLAN,第二次划分为4个VLAN。母线1的保护吞吐量的仿真结果如图4、5。

从图4、图5中可以看出是否划分VLAN对网络性能的影响非常大,如果不划分VLAN进行仿真,母线保护的负荷将是划分VLAN之后的2倍。在未划分VLAN之前,母线保护除了收到与其相关的报文之外,还要接收与其不相关的广播报文,网络的负载大大增加,冲突发生的可能性也随之增加。

图6曲线为不划分VLAN后的母线保护的GOOSE报文时延,图7曲线为划分VLAN后的母线保护的GOOSE报文时延。母线保护与多个间隔有信号联系,网络的负载量较大,冲突发生的可能性增大。划分VLAN后,有利于减少报文冲突,更有效地利用网络带宽,GOOSE报文的端对端延时特性比较稳定,延迟抖动较小,提高报文传输的实时性能。

如表2给出与母线保护相关的QF1、QF2、QF4保护和智能操作箱以及线路保护的平均时延和最大时延,各个设备在划分VLAN后的平均时延明显小于不划分VLAN的平均时延,在划分VLAN后各个设备的GOOSE报文时延较小。

4 结论

基于IEC61850数字化变电站的继电保护通过通信网络来实现保护二次回路的信息交换。根据实际变电站类型和接线方式,合理设计过程层网络成为建立数字化变电站继电保护的关键问题之一。采用VL AN技术合理划分,数据冲突减少,有效利用局域网带宽,可以提高报文传输的实时性能。

摘要：以500kV变电站的过程层网络为例,研究3/2接线方式下数字化变电站内的保护和控制设备的通信网络的实时性。简要介绍了OPNETmodeler仿真软件。根据数字化变电站不同间隔中的合并单元、控制设备、保护之间的联系,建立OPNET网络仿真模型。根据一次接线形式和继电保护配置特点,划分多个虚拟局域网(VLAN),仿真比较划分VLAN前后的网络吞吐量和GOOSE报文的时延。通过仿真验证了使用虚拟局域网技术可以有效提高通信网络实时性能的正确性。

关键词：数字化变电站,虚拟局域网,过程层,OPNET modeler,GOOSE

参考文献

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[4]Sidhu T S,YIN Yu jie.Modeling and simulation for performance evaluation of IEC61850-based substation communication systems[J].IEEE Trans on Power Delivery,2007.

OPNET仿真技术及其应用 第8篇

近年来网络仿真作为一种新的网络规划、设计和分析技术,以其独有的方法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。OPNET网络仿真工具,提供了一个支持通信网络和离散系统建模的综合开发环境,它具有丰富的技术、协议、设备模型库和适合各个层次的建模工具以及灵活强大的仿真分析工具,特别适合各种网络仿真研究。

目前,以TCP/IP为核心协议的Internet已成为国际上最大的信息网络,以IP为核心的分组网络技术是通信网技术的发展趋势之一。本文在对OPNET软件介绍的基础上,利用OPNET仿真平台,在不同网络环境下,对分组交换网络的重要性能进行了分析比较,给出了仿真结果。

2 OPNET的通信仿真机制

2.1 离散事件仿真机制

OPNET采用离散事件驱动的模拟机理。“事件”代表了网络状态的变化。只有网络状态发生变化时,模拟机才工作,状态不发生变化的时间段不执行任何模拟计算。因此仿真的时间是由有限个离散点组成的,表现为一个跃进式的过程。事件发生的时刻使用OPNET在仿真机器上能够定义的最大精度浮点数表示。对于事件在仿真时间上的分布没有任何特殊的要求。不同的事件可以在同一个仿真时刻发生。事件的发生可以有疏密的变化。与时间驱动相比,这种离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。

仿真中的各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。每当出现一个事件中断时都会触发一个描述通信网络系统行为或者系统处理的进程模型运行。通过离散事件驱动的仿真机制实现了在进程级描述通信的并发性和顺序性,再加上事件发生时刻的任意性,决定了可以仿真计算机和通信网络中的任何情况下的网络状态和行为。

2.2 仿真调度机制

OPNET使用基于事件列表的调度机制。采用事件列表的目的是为了确保发生的每一个事件都按照事件发生时间的一定顺序正确的执行,从而保证没有发生的事件不被处理的情况。其基本机制描述如下:

a、每个OPNET仿真都维持一个单独的全局事件表,其中的所有项目受控于全局仿真时钟,且以时间为序调动表中的事件。仿真开始时,首事件处于头部,当该事件被执行后将从表中删除。随着仿真程序的运行,事件列表会随着事件的发生和事件的处理结束而扩大或者缩小。随着最后一个事件执行结束,事件列表变为空表,仿真程序运行结束。

b、作为“组织机构”,仿真核心采用高效的方法维护和管理事件表,并按顺序通过中断将事件递交到合适的模块,同时仿真核心接受来自模块的中断请求,并将新事件插入到事件表中相应的时间位置。仿真控制权伴随中断不断地在仿真核心与模块之间转移。

c、当事件同时发生时,仿真核心以下述两种方法之一决定事件被执行的顺序:一个是按事件到达的时间先后来决定;另一个是按优先因素来决定。OPNET可以通过手动设定事件优先级来区分同一时间内事件执行的顺序。

2.3 通信机制

在OPNET仿真开发系统中,数据分组是最基本的信息载体,也是模块间通信最常见的形式。因此OPNET采用基于分组的建模机制来模拟实际物理网络中分组的流动,包括分组在网络设备间的流动和网络设备内部的处理过程,模拟实际网络协议中的组包和拆包过程。OPNET可以生成、编辑任何标准的或自定义的分组格式,利用DEBUG功能,还可以在模拟过程中查看任何特定分组的头和净荷的内容。

在同一节点模型内,对于发送数据分组的模块都关联一个输出流,该输出流关联到目的模块的输入流。OPNET为目的模块设置了一个队列,队列采用先进先出(FIFO)模式管理分组,位于队首的分组才能被目的模块通过op pk get(stream index)获取并移除,队列允许分组在没有被移除之前在队列中积压。队列隶属于模块,仿真核心不限制队列的大小。

除了支持在同一节点模型中不同模块间的分组传输,OPNET还支持没有物理连接的节点模型之间分组的传递,与前者不同的是,后者需要指定目的模块的对象ID(Objid)。

3 OPNET层次化的建模结构

OPNET采用与实际网络相一致的层次结构设计。OPNET仿真模型分为网络模型、节点模型和进程模型三个层次,分别在图形界面的Project编辑器、Node编辑器和Process编辑器工具中建立。

Project编辑器完成网络模型的结构设计。网络模型是最高层次的模型,由网络节点、连接网络节点的通信链路以及嵌套的子网组成,由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。其中,节点可以是固定节点、移动节点和卫星。为了连接固定节点,OPNET提供单工、双工和总线链路。单工或双工链路提供端到端的连接,总线链路则可以对连接在上面的任意数量的设备提供广播服务。无线版本的OPNET还提供了固定节点、移动节点和卫星节点之间的无线链路。用户从链路库中点取所需的链路将两个节点连接起来,设置好相应的属性,就能正确地连接好这两个节点。还可以根据需要,为一些特殊的信道定制链路模型。

完成网络结构布局之后,就要对节点的功能进行定义。在Node编辑器中,节点的功能都是通过模块来实现的,每个模块的功能划分十分清晰,接口也比较简单,这十分有利于用户的使用。模块间存在三种连接方式:分组流、统计线和逻辑线。分组流承载了模块间数据分组的传输;统计线可实现对模块特定参数变化的监视;逻辑线用于指定节点内的两个模块的逻辑关联,如一对收发信机,逻辑线不在模块间传递任何数据。模块可以分为两类:一类模块已经预先定义了属性和参数;另一类是需要编程的模块,可编程模块内部是进程模型定义的程序。

每一个节点都由一个或多个模块组成,而模块实际上是进程模型。Process编辑器通过状态转移图(STD)来建立进程模型。状态用图标表示,用线表示状态之间的转换。每个状态包含的处理使用内嵌的C/C++代码段来描述。在完全自己开发新技术时,或在基于库中节点模型需要进行底层进程修改时,需要用Process编辑器建立进程模型。而在完全使用库中节点模型时或对库中节点进行修改但不需要修改进程时,不需要进行这一步。

用户可以在上述三个层次的任何地方切入编程,建立所需的网络、节点或进程模型。

4 仿真实现

4.1 仿真模型

下面是OPNET在分组网中的具体应用:

网络模型、节点模型和进程模型如图1所示。这是一个分组交换网,由3个子网pksw 1、pksw 2和pksw 3通过点对点双工链路互连。

每个子网具有相同的星型拓扑结构,由一个中心交换节点hub和四个周边节点node(node 0~node 3)构成。中心交换节点hub在连接同一子网的周边节点node的同时还和其他子网的中心交换节点hub相连。它的功能类似于网络中的路由器。中心交换节点接收到分组后通过对目的地址的解析选择一个合适的发信机将分组送往目的地。当分组在子网间传递时,要进行子网之间的寻址和分组交换,这时每个子网是由它的userid唯一标识。

图1所示的节点模型是中心交换节点hub的节点模型。图中的hub模块是中心交换节点hub的处理模块,中心交换节点的任务主要是由它完成的。收发信机用于接收和发送数据分组。

在hub模块的进程模型中,init状态是状态机的初始状态,这个状态主要完成一些系统的初始化任务。Init的状态代码只在程序开始阶段执行一次,以后就没有机会执行,所以init的状态代码中不能含有对数据分组的处理程序。Idle状态是系统的等待状态。PK ARRVL条件判断hub进程接收的中断是否是流中断,如果进程接收到其他类型的中断则状态找不到转移条件从而导致出错,因此还要为idle状态创建一个指向自身default的转移线。

周边节点node主要是产生分组,然后为每个分组指定一个随机数的目的地址,并且通过点对点发信机传输出去;同时周边节点还要搜集从中心交换节点转发过来的分组,统计分组的端对端延时,还要销毁接收到的分组以便释放缓存空间。因此,周边节点的节点模型应该包括生成模块src、核心处理模块proc和一对收发信机。

4.2 仿真结果

在对上述分组交换网的仿真中,如果分组的大小和收发信机的速率都是恒定的,而src模块产生分组的速率不定,就可能导致链路利用率不同,端对端延时受到影响。为了清楚地看到分组产生速率对网络性能的影响,设置了两个不同的分组产生速率,即在仿真序列编辑器中,对到达间隔时间(sourceinterarrivaltime)仿真属性配置了两个值8(pksw out8)、80(pksw out80),pksw out8的分组产生速率大于pksw out80的。接着收集了pksw 1的中心交换节点hub和周边节点node 0之间链路的对象统计量utilization和全局统计量ETEdelay。图2、图3是仿真模型运行1000秒的仿真结果。

图2表明分组的产生速率过小导致链路利用率很低。图3中,当分组的发送速率加大时,延迟的大小和抖动都有一定幅度的增加,并且端对端延时曲线在抖动之后达到稳定状态。这样的仿真结果是合理的。在实际应用中,要根据现实情况和未来发展综合考虑链路利用率和延时,保证延时在一定范围内的前提下,尽量提高链路利用率。

5 结束语

本文对OPNET的工作机制、体系结构作了简要介绍,同时给出了OPNET在分组交换网性能分析中的应用,这只是OPNET强大功能的一小部分。网络仿真技术还处于发展时期,OPNET公司也在不断推出新的模型。随着Internet网络的迅猛发展及各种网络的融合,今后网络仿真技术必将成为网络规划设计不可缺少的工具。

参考文献

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