基于opnet的校园网仿真

毕业设计（论文） 题目基于OPNET的校园网仿真 学院 计算机与电子信息学 专业 通信工程 学号 姓名 指导教师 二○一二年六月摘要近年来，随着计算机科学技术的发展，特别是网络技术的发展，高校规模的扩大和人数的增多，高校对网络的需求也越来越大，对上网速度的要求也越来越高，对业务的需求也迅速增长。现代化教学手段的普遍运用也使多媒体业务需求迅速增长，需要入网的结点也迅速增加，因此校园网网络的结构更加复杂，对设备性能的要求也更高，链路速度更快。许多早期建成的校园网已经不能满足现在的需求，校园网需要重新规划设计。而建设一个基于多业务、复杂的校园网络系统，其投资规模是非常庞大的，需要一种有效的手段对校园网进行规划、设计、并实现。通过数学建模的方法过于复杂，根据经验进行规划设计的方法不可靠，不适应日益增长的网络需求，利用网络仿真软件来对网络模型进行建模并仿真便成了必然的选择。本文的主要研究任务，是通过OPNET仿真软件，对我国一般大学校园网的网络结构进行建模，对关键参数进行收集，分析，并在原有模型上添加网络结点及应用，再进行仿真，分析，对比，找出可能影响校园网性能的主要因素。本文的研究对校园网的规划、设计、网络建模都具有一定的指导意义，可以提高网络设计的科学性，缩短网络设计周期，降低校园网网络的投资风险。具有一定的应用价值。关键词：网络仿真OPNET校园网AbstractInrecentyears,withthedevelopmentofcomputerscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofnetworktechnology,theexpansionofthescaleofcollegesandtheincreasingofthenumber,thenetworkdemandbecomingmoreandmorebig,theInternetneedinghigherspeed,demandsonthebusinessalsoneedgrowrapidly.Themodernteachingmeansuniversalusealsomakemultimediabusinessdemandgrowth,andthenodeofthenetisalsorapidlyincrease,sothecampusnetworkstructurebecomesmorecomplex,therequirementsofequipmentperformancerequirementsbecomeshigher,linkspeedbecomesfaster.Manyoftheearliercampusnetworkhascan'tmeetthedemandnow,campusnetworkneedstobeplanedanddesignedagain.buildingofamulti-service-basedandcomplexcampusnetworksystem，itsscaleofinvestmentisverylarge，needingforaneffectivemeansofpairsofcampusnetworkplanning,design,andimplementation.Throughmathematicalmodelingapproachistoocomplicated,throughexperience,theplanninganddesigningmethodisnotreliableandnotsuitedtothegrowingnetworkneeds,usingnetworksimulationsoftwaretomodelthenetworkmodelandsimulationhasbecomeaninevitablechoice.ThemaintaskofthisresearchisthroughOPNETsimulationsoftware,forChina'sgeneraluniversitynetwork,thenetworkstructureformodeling,simulationofnetworkbehavior,thekeyparametersofthecollection,analysis,andaddintheoriginalmodelofthenetworknodesandapplications,andthensimulation,analysis，comparison,Findoutthemainfactorsthatmayaffectthecampusnetworkperformance.Thisstudyonthecampusnetworkplanning,design,networkmodelinghascertainguidingsignificancefornetworkdesigncanimprovethescientificnatureofthenetworkplacesashortdesigncycle,reducetheinvestmentrisksofCampusNetwork.Havingcertainapplicationvalue.Keywords：OPNET；networksimulation；campusnetwork目录第一章绪论11.1论文研究的背景及目的11.2国内外研究的现状21.3论文研究的主要内容3第二章仿真软件OPNET42.1OPNET仿真平台简介42.2OPNET仿真关键技术52.2.1三层建模机制52.2.2离散事件仿真机制72.2.3仿真调度机制72.3OPNET仿真流程8第三章校园网性能评价指标93.1校园网的性能评价指标93.1.1响应时间93.1.2网络延迟93.1.3延迟变化103.1.4吞吐量103.1.5链路使用率113.1.6资源利用率113.1.7丢包率113.1.8可靠性和可用性113.2影响性能的要因素12第四章校园网的网络设计134.1校园网的主要拓扑类型134.1.1星型拓扑结构134.1.2树型拓扑结构134.1.3总线拓扑结构134.1.4环型拓扑结构144.1.5网状型拓扑结构144.2校园网关键设备及主要技术144.2.1关键设备144.2.2主要技术17第五章校园网建模及仿真分析195.1校园网的建模195.1.1需求分析195.1.2网络建模205.1.3业务配置265.2数据收集及仿真分析265.2.1数据收集265.2.2仿真及分析275.3增加节点及业务后仿真分析30结束语33参考文献34致谢36第一章绪论1.1论文研究的背景及目的随着计算机网络技术的发展，人们对网络的需求也发生了变化，不再仅仅是传输文本信息还增加了更为丰富的语音、数据、图像以及多媒体等业务需求，而且随着网络的使用越来越广泛，用户的数量也随之增加，这必然给网络原有设备带来冲击，因此需要对原有设备加以改造以适应网络需求的发展[17]。网络仿真是进行网络技术研究的一种基本手段。它以系统理论、形式化理论、随机过程和统计学理论、优化理论为基础，在设计阶段,仿真方法提供一个虚拟模型来预测并比较各种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的性能,通过对不同环境和工作负荷的分析和比较,来优化系统的性能[19]。在在新技术的研究过程中，由于各种原因，实际网络系统的实现往往是代价较高或是不现实的。在这种情况下，仿真就成了最佳可供选择的测试、评估和验证手段之一。网络仿真技术是一种通过建立网络设备，链路和 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 模型，模拟网络流量的传输，从而获取网络设计中所需要的网络性能数据的仿真技术。其特点是：网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据；网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案；具有在高度复杂的网络环境下得到高可信度结果的特点；网络仿真的预测功能既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络的设计，而且特别适用于中大型网络的设计和优化；网络仿真初期应用成本不高，而且建好的网络模型可以延续使用，后期投资还会不断下降[15]。校园网是现代化教学的基础性设施，作为实施教育信息化有效载体，对保障学校教育教学和科研管理等工作的正常有序进行，实现校际交流和资源共享方面，起着至关重要的作用，并将直接影响到教育信息化建设的质量。目前，世界上大部分发达国家和部分发展中国家都建立了本国的校园网体系噶1。美国在1999年就已有95％的中小学上网；瑞典也有90％以上的公立高中和绝大部分的九年制义务教育学校联网。教育信息化已成为世界发展的大趋势[1]。但受当时资金和技术条件的限制，我国早期建成的很多校园网结构、规模和应用都不是很完整，在校园网选型和设备配置方面都欠佳。校园网普遍存在节点少、带宽低、业务简单、利用率不高、可靠性和安全性差都问题。随着各学校规模的不断扩大，网络应用需求的不断增加，原有网络负载日益繁重；与此同时，网络技术也飞速发展、日新月异，犹其是图像、语音、视频这些带宽要求高、实时性强的业务应用越来越多，渐渐超出了原有网络的承载能力，许多校园网面临升级改造问题[18]。当网络节点增多或网络上增设新的业务后对网络性能有什么影响?原有网络还有多少扩充能力?如果拟采用新的网络技术对网络进行升级，网络的性能又会有多大程度的改善?计划升级的方案是否切实可行，投入是否值得?这一系列的问题都需要一种合理的手段，对网络性能进行科学的预测评估[17]。为此利用OPNTE网络仿真软件对校园网进行仿真，以传统大学校园网结构为依托，针对网络中主交换机的性能情况作为研究校园网的切入点，通过对仿真结果的分析，根据分析结果提出对网络改造方案，再次应用网络仿真软件测试改造后交换机的数据，判断改造后的网络性能是否优于原有网络。1.2国内外研究的现状在国外，网络仿真技术的研究和应用已经有十多年的历史。以前主要用于网络协议和网络设备的开发和研究，使用者大都是大学和研究所的研究人员和开发人员，近年来网络仿真软件生产商纷纷把应用和开发重点转向网络规划和设计方面，将用户由原来的研究开发人员转向网络规划和设计人员。另一方面网络仿真规划设计软件的使用和操作相当复杂，还远远没有达到一般网络规划设计人员经过短时间的培训就能熟练使用的目标，因此国外网络仿真软件厂家正致力于简化软件操作界面和操作流程，强化软件的项目应用能力，特别是加强了与网络管理软件厂商的合作，开发与网管软件的接口，使得网络模型的建立逐步自动化，加快网络建模的速度[2]。我国的网络仿真技术的研究从1999年起步，这主要有两个原因，一个是我国数据网络的发展较晚，对网络仿真技术的需求相对不是十分迫切;另一个原因是主流的网络仿真软件基本上产自美国，而其高端产品在1998年以前一直是对包括中国在内的社会主义国家禁运。自1998年以来，由于我国数据网络迅猛发展的拉动和美国解除高端网络仿真软件出口限制的刺激，我国的网络仿真研究和应用逐步起步。1997年，CERNET网络中心开始开发自己的网络仿真软件;1998年，北京邮电大学、广东省邮电科学技术研究院、原电子部电科院、邮电部规划设计院等单位先后引进了先进的OPNET网络仿真软件，开展网络协议开发、网络规划设计应用等方面的研究工作[8]。1.3论文研究的主要内容本文以OPNET仿真软件为平台，介绍校园网网络设计技术，涉及硬件、拓扑结构、主要性能指标、业务需求等，对现有校园网从增加节点和增设业务等方面进行了网络性能仿真分析，利用OPNET对校园网进行了建模并运行仿真，分析仿真结果，增加应用业务及结点，再进行仿真、分析。全文分为五章，章节安排如下：第一章是绪论，概述了本论文研究的背景及其意义，介绍了国内外网络仿真技术的现状与水平以及教育信息化和校园网的建设的使用情况。第二章是仿真软件OPNET，探讨了仿真技术理论，对OPNET网络仿真平台进行了研究，主要介绍了OPNET软件的三层建模机制以及OPNET仿真工作流程。第三章是校园网性能评价指标，主要介绍了常用的网络性能评价指标，以及这些指标的分析方法以及可能影响这些指标的因素。第四章是校园网网络设计，主要介绍了校园网网络设计的主要拓扑类型，用到的关键设备以及主要技术。第五章是校园网建模及仿真分析，通过需求分析，网络建模，业务配置完成校园网的建模，运行仿真并分析数据。对原有网络进行增加节点后，在运行仿真并分析数据，通过两次对比，找出影响校园网网络性能的因素。第二章仿真软件OPNET2.1OPNET仿真平台简介OPNET最早是在1986年由麻省理工大学的两个博士创建的，并发现其对于网络模拟非常的有用，因此于1987年建立了商业化的OPNET。目前共有大概5000个OPNET用户，包括企业，网络运营商，仪器配备厂商以及军事，教育，银行，保险等领域。成千上万的组织使用OPNET软件来优化网络性能、最大限度地提高通信网络和应用的可用性。至今OPNET已经升级到了11.5以上版本。它的产品线除了Modeler外，还包括ITGuru、SPGuru、OPNETDevelopmentKit和WDMGuru等[10]。在OPNET的各种产品中，Modeler几乎包含了其他所有产品的功能，针对不同的领域它表现出不同的用途：（1）对于企业网的模拟。Modeler调用已经建好的标准模拟组网，在某些业务达不到服务质量的时候，Modeler捕捉重要的流量进行分析，从业务，网络，服务器三方面找出瓶颈。（2）对于运营商（ISP）网的模拟。Modeler焦点放在整个业务层流量的模拟，使运营商有效的查处业务配置中产生的错误。（3）针对研发的需求，Modeler提供了一个开放的环境，使用户能够建立新的协议和配置，并且能够将细节定义并模拟出来[7]。OPNET支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，更便于用户使用；采用离散事件驱动的模拟机理，使计算效率得到了很大提高；将基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来，大大加快了仿真效率，而且可以得到非常细节化的模拟结果；在物件拼盘中，包含了详尽的模型库，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备等，还有其它厂商提供的配备，随着OPNET版本的提高模型库也不断增加。此外，功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效而又直观的工具；提供了多种业务模拟方式；具有丰富的收集分析统计量，查看动画和调试等功能；它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。2.2OPNET仿真关键技术2.2.1三层建模机制网络是复杂的系统，OPNETModeler建模采用层次化和模块化的方式，将复杂的体系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。从网络物件层次关系看，提供三层建模机制，底层为进程模型，以有限状态机(FSM)来描述各个状态和状态间转移关系;其次为节点模型，其用来定义结点的内部结构，由发信机模块，接收机模块，处理机模块，队列模块及包流，统计线等连接组成，反映服务特性;最上层为网络模型，与实际网络对应，反映网络的相关特性。三层模型与实际的协议、设备、网络三层完全对应，全面反映了网络的相关特性[6]。另外，还增加了外部系统模型，OPNET提供了与外部程序或系统进行数据通信的机制，提供协同仿真功能。图2-1层次化的建模网络模型、结点模型和进程模型分别在相应的项目编辑器、结点编辑器和进程编辑器中完成。图2-2进程模型图2-3网络模型图2-4节点模型2.2.2离散事件仿真机制OPNET采用离散时间驱动的模拟机理，其中“事件”是指网络状态的变化，也就是说，只有在网络状态发生变化时模拟机才工作，网络状态不发生变化的时间段不执行任何模拟计算，即被跳过，因而仿真时间是离散的。每个仿真时间点上可以同时出现多个事件，事件的发生可以有疏密的区别。与时间驱动相比，离散时间驱动的模拟机效率得到很大的提高[16]。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网络系统行为或者系统处理的进程模型的运行，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。2.2.3仿真调度机制在OPNET中使用基于事件列表的调度机制，合理安排调度事件，以便执行合理的进程来仿真网络系统的行为。调度的完成通过仿真软件的仿真核和仿真工具模块以及模型模块来实现，事件列表的调度机制具体描述如下[1]：1、每个OPNET仿真都维持一个单独的全局时间表，其中的每个项目和执行都受到全局仿真时钟的控制，仿真中以时间顺序调度事件列表中的事件，需要先执行的事件位于表的头部。当一个事件执行后将从事件列表中删除该事件。2、仿真核作为仿真的核心管理机构，采用高效的办法管理维护事件列表，按顺序通过中断将在队列头的事件交给指定模块，同时接收各个模块送来的中断，并把相应事件插入事件列表中间。仿真控制权伴随中断不断地在仿真核与模块之间转移。3、当事件同时发生时，仿真核按照下面两种办法来安排事件在事件列表中的位置：（1）按照事件到达仿真核的时间先后顺序，先到达先处理（firstcomefirstserve）。（2）按照事件的重要程度，为事件设置不同的优先权，优先权高的先处理。2.3OPNET仿真流程利用OPNET仿真，一般遵循以下工作流程：1、定义目标问题：明确和 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化网络仿真所要研究的问题和目标，提出明确的网络仿真描述性能参数。如网络通信吞吐量、链路利用率、设备利用率、端到端延迟等。2、建立网络仿真模型：根据研究的问题和目标，建立所需要的网络模型、进程模型或节点模型，并配置相关业务。3、收集统计量：根据要研究的问题和目标，收集要用于仿真模型实现和验证的相关统计数据。如网络流量、端到端延迟等。4、保存项目运行仿真：利用仿真工具进行仿真实验，以得到所需要的数据。5、查看并分析结果：查看结果并利用相关分析工具和数学知识对仿真结果进行统计分析。6、调试再仿真：分析仿真数据，找出瓶颈，然后通过修改拓扑结构、更新设备、修改协议等方法得到新的仿真场景，再次运行仿真。7、生成仿真报告：生成网络仿真的研究报告。第三章校园网性能评价指标校园网性能稳定与否关系到学校教育、教学、科研和管理等工作能否正常有序进行。及时了解校园网的性能，对于提高网络速度、克服网络瓶颈、保障教育教学工作的正常进行具有十分重要的意义。而要对校园网性能进行分析评价，必须要有一定的衡量标准，即需要确定一组网络性能评价指标[17]。不同的网络业务或应用，其涉及的性能指标不尽相同，同一种性能指标对于不同的业务类型，其影响也有很大区别，因此对于具体的业务类型或应用，还需具体分析。本文将介绍几个常用的描述网络性能的指标，它同样适用于校园网。3.1校园网的性能评价指标3.1.1响应时间响应时间是反映网络性能的重要指标之一，它是指客户机从对服务器提出请求开始到收到响应所需要的时间，常用于评价交互式终端从一个主机请求信息的情况，这是一个应用层的指标。如：从用户点击一个URL，到接收到相应的页面所经历的时间，就是WEB服务的响应时间。在C/S结构中，响应时间由网卡延迟、物理介质延迟、服务器延迟三种构成。在主/从式网络结构中响应时间是由轮询延迟、链路延迟、设备延迟和CPU延迟四部分所需时间的总和。不同的应用对响应时间的要求不尽相同。如在Email和FTP应用中，要求数据的准确性高，但对响应时间则要求很低;而在HTTP应用下载一个网页只要不超过5秒也还是可以忍受的，一般情况下响应时间阈值设为100毫秒，最大不超过400毫秒，当响应时间超过阈值时，用户就可能变得不耐烦。3.1.2网络延迟网络延迟是指将数据从一端发送到另一端的时间，是一个广泛使用的性能指标。延迟时间的大小影响应用程序在网络上的运行效率的高低，对于那些对时间敏感的应用程序而言其影响更大。比如IP语音系统（VOIP）和视频点播系统（VOD），为达到用户期望的语音和视频质量，要求尽可能小的端到端延迟时间。网络延迟的确定常测量往返时间（RTT，round-trip-time），即一个数据包自客户机到服务器间往返所需的时间间隔，它不是固定不变的，而是随着网络状态变化而变化。在服务器端，如果服务器闲，则响应快，忙则响应慢：在网络设备上，如果网络路径无拥塞，则在路由器上排队时间短，否则时间延长；在网络传输中，由链路故障引起的路由变化也可能导致数据包往返路径不一致，从而影响传输时间。可以通过对某一段时期的网络延迟进行监测，如果出现网络延迟的突升或突降，通常表明网络出现故障或受到安全攻击等。3.1.3延迟变化延迟变化是指网络传输延迟的时间变化，即抖动。延迟变化一般可以理解为同向传输的相邻数据包之间的时间差。造成抖动的原因主要有3个：1、网络拓扑变化造成的传播延迟变化；2、数据包处理要求不同带来的交换延迟变化；3、因队列的空和队列的满而引起的调度处理延迟变化。对于语音和视频业务来说，不允许出现较大的延迟变化，否则将严重影响传输质量。3.1.4吞吐量网络的吞吐量（Throughput）是衡量网络性能的一个重要参数，指单位时间内传输的无差错的数据量，通常以bps(位/秒)、Bps(字节/秒)或pps(包/秒)表示。3.1.5链路使用率链路使用率（LinkUtilization）是指待定时间间隔吞吐量占链路接入率速率的百分比。3.1.6资源利用率资源利用率是指网络资源的有效工作时间占整个时间的百分比。它是网络资源使用频度的动态度量，也是衡量网络性能价格比的关键参数。资源利用率包括各种网络部件的利用率：如信道利用率、内存利用率、CPU利用率、网络利用率等。分析各个部分的利用率就可以知道网络中的瓶颈在哪里。另外，资源利用率也是预测网络性能变化的最有效途径，从经验来看，CPU利用率最好在30%-40%，超过这个界限，网络性能会急剧下降，而网络利用率大约为30%-70%时，可保证有突发业务时仍有足够的带宽可用。3.1.7丢包率网络丢包率是指在一个待定时间间隔内，从客户机到服务器间往返过程中丢失的数据包占所发送数据包的百分比。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。丢包率一般在0%-15%间变化。超过15%的丢包率可能导致网络不可用。需要注意的是少量的丢包率并不一定表示网络故障，很多业务在少量丢包的情况下也能继续进行。比如一些实时应用或流媒体业务，如VOIP，就可以忍受少量的丢包，并且也不需重发丢失的包；另外，TCP协议正是靠检测丢包发现网络拥塞的，这时它会以便低的速率重发丢失的包。3.1.8可靠性和可用性可靠性和可用性是判断系统是否有效的指标。与前面所阐述的动态指标不同，它们是一种静态指标。可靠性是指在一定时间内系统能正常工作的概率。一般用平均无故障时间（MTBF，MeanTimeBetweenFailures）表示。显然MTBF值越大，可靠性越高。为了提高网络的可靠性，网络中对关键部件往往设置冗余备份。可用性是指在某特定时间段内，系统能正常工作的时间占总时间的百分比。通常用平均修复时间（MTTR）表示。故障次数少但故障后修复时间长，或故障次数多每次故障修复时间短，这两种情况都是用户无法接受的。最理想的情况是MTBF值大，而MTTR值小，即可靠性高，一般不出现故障，一旦出现故障能马上修复[5]。3.2影响性能的要因素1、拓朴结构。不同拓朴结构的网络，其可靠性和延迟等性能会有所不同。如星形网，延迟小，但中心结点如果出故障，整个网络都会瘫痪，网络可靠性差；而网状网则可靠性非常高。2、网络的带宽。它反映了单位时间内网络传输数据的能力，同等条件下，带宽越高，吞吐量越大，网络性能越高。3、网络的输入负载。网络所有工作站所要求传输的数据量之和称为输入负载。输入负载的增加引起信道拥挤，时延增加，严重的还会因为碰撞加剧或缓冲溢出引起重发而阻塞信道。4、网络节点数。网络节点增多时，传输业务时延加大，网络时延增加，网络负载加重，从而使网络性能下降。第四章校园网的网络设计4.1校园网的主要拓扑类型在计算机网络中，从拓扑学的角度看，把网络单元定义为节点，两点间的连线称为链路。网络节点和链路的几何位置就是网络的拓扑结构，也就是指网络中的网络单元的地理分布和互联关系的几何构形[11]。按拓扑结构，计算机网络可分为星型、树型、网状型、总线型、环型五类。4.1.1星型拓扑结构星型拓扑是由中央结点为中心与各结点连接组成的，多结点与中央结点通过点到点的方式连接。它的优点是：网络结构简单，便于管理；控制简单，建网容易；网络延迟时间较短，误码率较低。缺点是：网络共享能力较差；通信线路利用率不高；中央结点负荷太重；网络可靠性低。4.1.2树型拓扑结构树型网络是将多级星形网络按层次方式排列得到的网络，它的特点是结构简单，成本低；每个链路都支持双向传输；结点扩充方便灵活；除叶结点及其相连的链路外，任何一个结点或链路产生的故障都会影响整个网络。4.1.3总线拓扑结构环型结构由网络中若干节点通过点到总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样，因此又称广播式计算机网络。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。总线型结构的网络优点是：结构简单灵活，便于扩充；信道利用率高；传输速率高。缺点是：可靠性不高；会产生冲突问题；维护难，出现故障时较难查找。4.1.4环型拓扑结构点链路首尾相连形成一个闭合的环，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输。环型结构具有如下特点：信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路中各节点都是自举控制，故控制软件简单；由于信息在环路中是依次穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充；可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。4.1.5网状型拓扑结构在网状型拓扑结构中，网络的每台设备之间均有点到点的链路连接，这种连接不经济，只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种方法。它的安装也复杂，但系统可靠性高，可扩充性好，容错能力强，网络可靠性高，网络可建成各种开关，采用多种通信信道，多种传输速率。现在的校园网多使用星型或树型的拓扑结构，总线局域网已基本被星型所代替。4.2校园网关键设备及主要技术4.2.1关键设备（1）中继器中继器用于同种局域网络的互连，是在物理层次上实现互连的网络互连设备，用于扩展网段的距离。它是最简单的网络互连设备。以太网常常利用中继器扩展总线的电缆长度，标准细缆以太网的每段长度最大185米，最多可有5段，而增加中继器后，最大网络电缆长度则可提高到925米[12]。中继器的特点有：1)中继器可以重发信号，这样可以扩展网段的距离。2)中继器主要用在同种LAN互连中，如IEEE802.3LAN和Ethernet网。3)中继器工作在网络体系结构模型的最低层物理层。4)由中继器连接起来的各网段必须采用同样的信道协议，例如CSMA/CD协议。5)由中继器连接的网段构成一个更大的网段，并且有着相同的网络地址，属于一个冲突域。6)网段上的每一个节点都有自己的地址。7)中继器以它相连的网络同样的速度发送数据。（2）集线器集线器（HUB）又称为HUB，实质上为多端口的中继器，在使用时，可以把集线器连接的网络看成一个共享式总线，在集线器的内部，各端口之间相互连在一起的。集线器可分为独立式、叠加式、智能模块化，有8端口、16端口、24端口多种规格，集线器支持的数据传输率为10Mbps或100Mbps。集线器把一个端口接收的所有信号向所有端口进行广播，因而容易形成广播风暴。随着网络交换技术的发展，集线器正逐步为交换机所取代[12]。（3）交换机交换机是基于硬件的设备，它工作在数据链路层，交换机每个端口都有桥接功能，它能够在任意一对端口间转发帧，每一个端口属于一个冲突域，按照CSMA/CD协议工作，交换机中的电路可以把任意端口的网段与别的端口的网段在数据链路层上连接起来。交换机可以连接不同的局域网和局域网网段，并划分局域网的冲突域为多个，使每个端口连接的每个网段为一个冲突域，从而使每个网段之间获得更大的带宽，比传统使用集线器的共享式网络有更高的效率[12]。以太网交换机的优点如下：1）不需要改变网络的其他硬件，包括电缆和网络客户机的网卡；2）可在低/高速网络间切换；3）同时有多个通信通道：每个端口的成本比路由器低，延迟小，端口密度高，所有端口都以线速率通信，即独占整个信道。（4）路由器路由器是实现网络间连接的主要设备，工作在OSI的第三层。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则影响网络互连的质量。因此，在局域网乃至整个互联网研究领域中，路由器技术始终处于核心地位。路由器是用于连接多个逻辑上分开的网络，对用户提供最佳的通信路径。路由器使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径，如果某一网络路径发生故障或堵塞，路由器可选择另一条路径，以保证信息的正常传输。路由器可进行数据格式的转换，成为不同协议之间网络互连的必要设备。路由器是网络中进行网间连接的关键设备。路由器的优点就是其适用于大规模的网络连接，可以采用复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径，能更好的处理多媒体，安全性高；节省局域网的频宽，隔离不需要的通信量，减少主机负担，但是其也是有缺点的，那就是不支持非路由协议，安装复杂已经价格比较高等[12]。（5）网关网关（Gateway），又叫协议转换器，可以支持不同协议之间的转换，实现不同协议网络之间的互连，主要用于不同体系的网络或者局域网与主机系统的连接。在互连设备中，它最为复杂，一般只能进行一对一的转换，或是少数几种特定应用协议的转换[1]。网关一般是一种软件产品。目前，网关已成为网络上每个用户都能访问大型主机的通用工具。1)物理层中继系统、即转发器（repeater）。2)数据链路层中继系统，即网桥或桥接器（bridge）。3)网络层中继系统，即路由器（router）。4)在网络层以上的中继系统，即网关（gateway）。当中继系统是转发器时，仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。一般讨论网络互连时都是指用交换机和路由器进行互联的网络。（6）防火墙防火墙（FireWall）是一种隔离控制技术，在某个机构的网络和不安全的网络（如Internet）之间设置屏障，阻止对信息资源的非法仿问。仿火墙有硬件防火墙和软件防火墙之分。如果不是非常必需，一般的校园网采用软件防火墙也就够了[12]。4.2.2主要技术（1）VLANVLAN即是广播域。随着网络用户的增加，网络管理日益成为一种挑战。而且使用未划分VLAN的交换机，作为主要的网络连接设备时，虽然每个端口分别属于各自的冲突域，但是网络中的所有设备却属于一个广播域，存在许多不安全的因素。VLAN可以减轻网络工程师的工作负担，还可以允许网络管理员取消过去的物理限制，并对用户的第3层网络地址进行控制，而不管它处在网络中的哪个位置。交换机可以定义多个VLAN，交换机的端口便成为VLAN中的成员。将端口分配给VLAN的方式有两种，分别是静态的和动态的。形成静态VLAN过程是将端口强制性地分配给VLAN的过程，只能对将端口映射到合适的VLAN所必须的命令进行手工输入。不过，这是将端口映射到VLAN的一种最通用的方法。动态的VLAN形成很简单，由端口自己决定它属于哪个VLAN时，就形成了动态的VLAN，这个映射取决于在交换机服务器上创建的数据库。分配给动态VLAN的端口被激活后，交换机就缓存初始帧的源MAC地址，随后，交换机便向一个称为VMPS（VLAN管理策略服务器）的外部服务器发出请求，VMPS中包含一个文本文件，文件中存有进行VLAN映射的MAC地址，交换机对这个文件进行下载，然后对文件中的MAC地址进行校验。如果在文件列表中找到MAC地址，交换机就将端口分配给列表中的VLAN。如果列表中没有MAC地址，交换机就将端口分配给默认的VLAN，端口不会被激活。这是维护网络安全一种非常好的方法。但创建这个数据库是个难题[1]。使用VLAN的交换机网络的优点：VLAN允许一组不限物理地域的用户共享一个独立的广播域，通过有效划分用户群和控制广播范围等方式，从根本上提高网络效率与安全性；通过划分VLAN，可以使广播域数量更多，但每个广播域的规模小，使得用户的影响减小，同时也提高了网络中用户的安全性。（2）组播将数据从一个源站发送到一个组播组的所有成员的行为称为组播。组播在局域网或广域网上将数据包从一个发送者传送到一组接收者而不是一个接收者，并且依靠网络将数据包只传送给需要接收它的网络。组播协议IGMP（InternetGroupManagementProtocol）利用局域网的广播特性提供了一个种高效率的在组播主机和路由器之间交换信息的ICMP报文格式[1]。指向一个或多个网络中的一组主机的地址称为组播地址，组播地址的范围：（1）224.0.0.0到224.0.0.255地址范围被IANA预留，地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议及拓扑查找和维护协议使用。（2）224.0.1.0到238.255.255.255地址范围作为用户组播地址，在全网范围有效。（3）239.0.0.0到239.255.255.255地址范围为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。IGMP的操作：1)当主机欲入某个组时要发送一个IGMP报文，其中组地址字段即该组的组播地址。所有该组播组的当前成员都会收到此报文并得知这个新成员。该局域相连的每个路由器会监听所有IP组播地址，以便获取所有报告。2)组播路由器会定期发送IGMP询问报文，以维护一份活动组地址的列表，主机收到后必须为每个需要声明成员身份的组回应一个报告报文。第五章校园网建模及仿真分析5.1校园网的建模许多校园网都建的比较早，受当时的资金，技术等条件的限制，一般用于网页浏览，邮件发送，文件下载等简单的业务，而且联网的计算机数目也不多，所以校园网并没有出现什么突出的问题。但是随着学校的规模不断地扩大以及学生人数的增多，多媒体教学的广泛应用，学校校园网的网络需求也发生了打的增长，特别是语音视频业务的出现更是加重了网络负载。本节就利用OPNET建模仿真对现有的校园网进行仿真，并对现有网络在增加网络节点和网络业务后的网络性能进行仿真。5.1.1需求分析以一般大学校园网网络基本结构为例，其中每一种功能的大楼抽象为一个局域网，一个服务器组为一个局域网，所有局域网连接着一台核心交换机，所有链路都用100BaseT以太网双绞线。OPNET提供了近似于真实的网络连接的仿真环境，利用丰富的模型库，可以快速建立所需要的网络模型，该学校有图书馆、网络楼、办公楼、综合楼、教学楼、学生宿舍、教工宿舍以及各个学院楼。现将该校园的校园网的拓扑结构映射到OPNET中，建立起如下图5-1所示的网络模型。图5-1网络拓扑图5.1.2网络建模OPNET提供了近似于真实网络连接的仿真环境，利用丰富的模型库，可以快速建立所有所需要的网络模型。（1）建立一个新的项目，选择菜单File/New/project，单击OK。项目名称为1_xy；场景名称为scenariol_xy，单击OK。如图5-2所示。图5-2建立新项目（2）依照设置向导中的提示：在InitialTopology（初始拓扑结构）对话框中，点击CreateEmptyScenario（建立空场景），如图5-3所示。在点击next，弹出StartupWizard：ChooseNetworkScale对话框，如图5_4所示。图5-3设置InitialTopology对话框图5-4设置ChooseNetworkScale对话框（3）在ChooseNetworkScale对话框中，点击Campus，在点击next,弹出specifysize对话框，如图5-5所示，用于指定网络大小。图5-5设置specifysize对话框（4）弹出StartupWizard：SelectTechnologies对话框，如图5-6所示。选择SM_Int_Model_List、internet_toolbox，将它们值改为YES。这样就可用在新建的场景的创建中使用。单击Next，点击OK，就完成了网络结构的新建工作。如图5-7所示。图5-6设置SelectTechnologies对话框图5-7完成网络结构新建图（5）完成新建后，点击OK，就进入网络结构的设计界面。如图5-8为拓扑配置图。图5-9为对象面板图此时，用鼠标左键单击图5-9的对象面板图中所需要的节点在图5-8的拓扑配置图中进行放置，鼠标右键单击界面，结束拖放节点的操作。图5-8完成网络结构新建图图5-9对象面板图（6）以核心交换机为中心，用100BaseT链路连接各个局域网及服务器，各个局域网图标分别命名为图书馆、网络楼、办公楼、综合楼、教学楼、学生宿舍、教工宿舍以及学院楼。从对象面板中拖入一个业务配置器，命名为applications，拖入一个主询配置器，命名为profiles，其拓扑结构如图5-10所示：图5-10校园网网络拓扑图其中学院楼里还包括了计算机与电子信息学院，商学院，外国语学院等十六个局域网规模较大的学院。各个学院自己组成一个局域网，用一台交换机连接各个学院的局域网，再使此交换机与核心交换机相连。其中学院楼的内部网络拓扑图如下图5-11所示：图5-11学院楼内部网络拓扑图以教职工宿舍的网络拓扑为例，其它局域网拓扑结构一样，如图5-12所示：图5-12教职工宿舍网络拓扑图5.1.3业务配置校园网主要以教学科研为目的，故所涉及到的主要业务有HTTP网页浏览业务，FTP文件下载业务，以及E-mail电子邮件业务等。用OPNET进行网络建模仿真，如果想获得比较准确的仿真结果，那么用于仿真的业务源必须能够正确的反应实际业务的统计业务，如果不加载业务，得出的结果将不那么精确。配置业务一般分为四个步骤，即定义应用、设定业务主询、配置服务器应用以及设定客户端业务主询四个步骤。打开应用配置（ApplicationConfiguration）编辑见面，将其设为“默认（Default）”。打开主询配置（ProfileConfiguration）编辑界面，设定业务主询开始时间以及运行模式。打开服务器配置界面，在“支持的服务（SupportedServices）”里输入提供的服务，校园网服务器主要提供HTTP服务，FTP服务，文件传输，文件打印，以及E-mail服务等[6]。与服务器配置应用相对应，客户端需要设定业务主询，其业务主询的种类应与在业务主询配置器中的设定吻合。5.2数据收集及仿真分析5.2.1数据收集对校园网络进行建模及业务配置完之后，就要对仿真过程中所需要的参数进行提取，以对仿真结果进行分析。本次仿真我们收集的统计量为：（1）服务器负载Load（Bit/s）：根据这个指标观察增加节点扩容时，服务器是否能承受额外的负载。（2）网络延时Delay：选择全局统计量Delay以观察整个网络延时性能。（3）HTTP的页面响应时间PageResponseTime：选择统计HTTP页面响应时间，看增加节点后页面响应时间的变化。（4）Email的下载响应时间DownloadResponseTime：选择统计Email下载响应时间，看增加节点后下载响应时间的变化。（5）学生宿舍到服务器组的链路利用率：观察链路使用情况。对服务器负载和网络延时的收集如下图5-13所示： 图5-13收集仿真参数5.2.2仿真及分析对仿真参数参数进行了收集后，设置仿真时间为1小时，在Simulation菜单中选择ConfigureSimulation...或者直接在工具栏按按钮运行仿真。查看其中的网络延迟结果，如图5-14：其中横坐标为仿真时间，单位为分钟（m），共仿真了30分钟，纵坐标为网络延迟时间，单位为秒（s）。网络的整体延迟是随机的，不同的仿真时间点的网络延迟时间是不同的，图5-14中给出的是网络延时平均值。图5-14网络延迟时间平均结果从图中可以看出，一开始网络延迟是逐渐变化，这是由于所有工作站点开始工作时还未稳定造成的，经过100多秒的不稳定后，，网络延迟变化逐渐趋于稳定，网络延迟保持在0.00015秒左右，即小于1毫秒，处于毫秒级。查看其中的网络负载结果，如图5-15：图5-15网络负载结果与上面网络延迟参数突变的时间段相应，经过100多秒的业务初始化不稳定后，这里的网络负载在刚开始也出现一个尖峰，这是因为所有的业务已经开始运行，有5-15图可以看出，网络负载达最高到了50000bits/sec。查看HTTP页面响应时间和Email下载响应时间，如下图5-16：5-16HTTP与Email页面响应时间Email下载响应时间在刚刚进行完业务初始化后波动较大，经过一段时间后。基本维持在0.0025s，处在可以接受的范围。同样，HTTP页面响应时间在刚刚进行完业务初始化后波动较大，在后面的时间基本维持在0.0032s，也处在可以接受的范围。查看学生宿舍到服务器组的链路利用率如下图5-17所示：5-17学生宿舍到服务器组的链路利用率有图5-17可以看出，学生宿舍到服务器组的链路利用率在业务量最大时达到最高在百分之四左右。5.3增加节点及业务后仿真分析由于大学办学规模的扩大，学生人数增加，上网人数也有所增加。学校对网络业务的需求也发生了变化，由原来简单的业务增加了视频业务，在数据库服务器增加视频业务，配置后，再次运行仿真，这时的网络延迟为如图5-18：图5-18增加节点后网络延迟结果从图中可以看出，一开始网络延迟是逐渐变化，这是由于所有工作站点开始工作时还未稳定造成的，经过100多秒的不稳定后，，网络延迟变化逐渐趋于稳定，网络延迟保持在0.00015秒左右，即小于1毫秒，处于毫秒级。与图5-14相比，延时性能基本没有变化，延时曲线有稍微的不同，但是最终延时都是在0.00015s处趋于稳定。可见校园网延时性能并没有因为服务器负载的增加而受到影响。查看其中的网络负载结果，如图5-19：图5-19增加节点后网络负载结果与为增加节点时一样，本次的设计中只设置了在仿真开始有一次业务发生，因为所有的业务已经开始运行，这里的网络负载在刚开始也出现一个尖峰，同样经过了100s左右的业务初始化后，业务开始发生，最高达到了140000bits/sec。与图5-14对比可看出，增加了节点后网络延迟时间有所增加。查看HTTP页面响应时间和Email下载响应时间如下图5-20：5-20增加节点后HTTP与Email页面响应时间Email下载响应时间在刚刚进行完业务初始化后波动较大，经过一段时间后。基本维持在0.004s，处在可以接受的范围。同样，HTTP页面响应时间在刚刚进行完业务初始化后波动较大，在后面的时间基本维持在0.0045s，处在可以接受的范围。增加节点对HTTP和Email的页面响应时间影响不大。查看学生宿舍到服务器组的链路利用率如下图5-21所示：5-21增加节点后学生宿舍到服务器组的链路利用率有图5-21可以看出，学生宿舍到服务器组的链路利用率在业务量最大时达到最高在百分之十七左右。与图5-17相比，可以看出增加节点后，学生宿舍到服务器组的链路利用率增大了。通过仿真对比，可以得到，增加节点后，服务器负载明显增大，HTTP页面响应时间和Email下载响应时间变长，学生宿舍到服务器组的链路利用率明显增大，但是增加节点对网络延时的影响不大。结束语1、本文主要 工作总结 关于社区教育工作总结关于年中工作总结关于校园安全工作总结关于校园安全工作总结关于意识形态工作总结 本文应用网络仿真技术，探讨了影响校园网性能的因素和校园网规划设计技术，介绍了OPNET的仿真原理和工作流程，利用OPNET网络仿真软件，对大学校园网网络拓扑，业务需求进行了模拟、仿真，在原网络仿真结果基础上，再对其进行增加节点操作，再次进行仿真后，发现了网络出现延迟及响应时间增加的问题，影响到正常上网业务，对比仿真结果，发现了造成该问题的主要问题和瓶颈所在，根据发现的问题，对网络进行改造后，其网络各项性能满期足了要求，说明改造方案起到了实效。2、论文的不足之处由于时间不足和本人水平有限，本文也存在很多不足及可以改进的地方。比如：在校园网中视频等多媒体业务较多，这些业务传输数据量大、带宽要求高、实时性强、如果能采用组播技术传输，可以有效避免广播风暴，减轻网络负担，提高网络性能，但限于本人水平，本文没有对校园网采用组播技术的网络性能进行仿真分析；无线局域网技术也是近年来的一个研究热点，许多校园网也都采用了无线传输技术，但本文也没有涉及到无线技术。3、下一步的研究方向下一步的工作主要是根据论文不足之处作进一步深入研究（1）研究基于OPNET的组播技术在校园网中的应用。（2）研究基于OPNET的无线局域网技术。目前利用OPNET进行网络仿真技术在国内还处于起步阶段，所以这个课题还有很大的研究空间和应用前景。参考文献[1]王玉兰．基于OPNET的校园网性能分析与设计．山东师范大学硕士学位论文，2008．[2]符浅浅．校园网方案分析与设计．重庆大学硕士学位论文，2005．[3]冷杰．OPNET网络仿真技术及网络设计．天津大学硕士学位论文，2006．[4]罗宏伟．基于OPNET的网络性能优化研究．西南科技大学硕士学位论文，2008．[5]段升强，校园网建模与仿真，西安建筑科技大学学位论文，2005．[6]张铭，窦赫蕾，常春藤．OPNETModeler与网络仿真．北京:人民邮电出版社，2007．[7]陈敏．OPNET网络仿真．北京:清华大学出版社．2003-2．[8]张金文，王文博．OPNETModeler与网络仿真．北京:人民邮电出版社．2003-1．[9]王群，王琳琳．局域网一点通．人民同电出版社．2003-6．[10]王文博，张金文，OPNETModeler与网络仿真，人民邮电出版社.2003-10.[11]李馨，叶明．OPNETModeler网络建模与仿真．西安：西安电子科技大学出版社，2006.6-31.[12]吴功宜.计算机网络.北京：清华大学出版社，2007．[13]韩荣秀，胡炎旭．西安航空技术高等专科学校学报．2010，第28卷第3期．46-50．[14]洪家平，柯宗武，OPNET在网络规划和设计中的应用，湖北师范学院学报，2004年第4期．[15]杨宏宇，谢丽霞，王兴隆．网络仿真软件的应用与实践．计算机工程与应用．2003年10月．118-122．[16]王和兴，基于OPNET的网络仿真与性能测试，微电子学与计算机学报，2005年第1期．[17]张敬涛，李向阳．数字化校园建设探析．山东师范大学学报(自然科学版)．2007，22(4)．[18]聂俊航．高职院校数字化校园建设建设实践．中国教育网络，2008．2(5)．[19]赵林，宋玲，肖彩霞．大众科技．2010，第11期．28-29．[20]张锋，叶丽娜。国外电子测量技术．2009，第12期．[21]JoshuaStaley,FibreChannelbasedStorageAreaNetworkModelingusingOPNETforLargeFabricSimulations．32ndIEEEConferenceonLocalComputerNetworks，2007．[22]XingjieChang．NetworksimulationswithOPNET．SimulationConferenceProceedings．1999．[23]Richards,Tasoluk,IntelligentNetworkConfigurationOptimizationToolkit,MilitaryCommunicationsConference,2004．[24]ChengyuZhuYang，Ouellentte，Montuno，AcomparisonofactivequeuemanagementalgorithmsusingtheOPNETModeler，CommunicationsMagazine，IEEE．致谢经过一个学期的努力，毕业设计也接近尾声，在设计过程中，充满了辛苦和快乐。本论文的顺利完成离不开老师和许多同学的关心与帮助，在这里我要向他们致以最诚挚的感谢。首先衷心感谢我的指导老师张振荣副教授，感谢他指导我完成毕业设计和毕业论文，没有张老师的帮助，本论文不可能顺利完成。同时张老师求真务实、精益求精的精神一直激励着我，在此我由衷地向张老师表示感谢和敬意！感谢肖媚师姐，给了我非常大的帮助，在研究的方向、具体的软件操作上给予了我重要的指导。在设计过程中遇到了很多小问题，师姐都不厌其烦的给我做出讲解。肖媚师姐的真诚与热情给了我很大的精神支持。同时感谢与我在同一个设计组的同学们，感谢他们给予我的关心和帮助，在这个极富朝气的团队里我学习到了很多宝贵的知识，以及舍友们的相互鼓励、互相学习和探讨。最后，我要感谢我的父母，也正是有了他们的默默付出和一如既往的关心、理解、鼓励与支持，才让我得以全身心地在广西大学学习与生活，顺利完成学业。在此，我再次向他们表示最诚挚地感恩与谢意。祝愿我的老师、朋友和家人永远健康幸福。刘培培2012年6月于广西大学