OPNET仿真平台（精选3篇）
OPNET仿真平台 篇1
摘要：网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为, 从而获取特定的网络特性参数的技术。探讨了OPNET的关键仿真技术, 并介绍使用OPNET进行网络仿真的工作流程, 以及对某高校校园网进行了仿真设计, 对仿真结果进行了分析。
关键词：网络仿真,OPNET,校园网
0 引言
对于园区络, 在建设网络、开展网上业务之前, 需要对配置的网络设备、所采用的网络技术、承载的网络业务等方面的投资进行综合分析和评估, 提出性价比最优的解决方案。无论是构建新网络, 还是升级改造现有网络, 或者测试新协议, 都需要对网络的可靠性和有效性进行客观的评估, 从而降低网络建设的投资风险, 提高网络的性能。
网络仿真是一种有效的网络研究工具, 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。随着网络新技术的不断出现和数据网络的日趋复杂, 对网络仿真技术的需求必将越来越迫切, 网络仿真的应用也将越来越广泛, 网络仿真技术已成为研究、规划、设计网络不可缺少的工具。目前在计算机网络仿真软件中, 较为突出的是OPNET系列仿真平台。作为网络规划、仿真及分析工具的高端产品, OPNET在通信、国防及数据网络领域已经被广泛认可和采用。目前OPNET的应用在国内还处于起步阶段, 因此OPNTE具有很重要的研究、应用价值[1]。
1 网络仿真概述
系统仿真技术是以相似原理、数学模型、统计分析以及仿真应用领域的有关专业为基础, 以计算机系统及仿真器为工具, 利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、实验与运行的一门多学科的综合性技术。在各类应用的需求及有关学科技术的推动下, 系统仿真技术己经构成一个综合性的专业技术体系。系统仿真本质上是一种知识处理过程, 典型的系统仿真过程包括系统模型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真实验和数据分析处理等, 它涉及多学科领域的知识和经验[2]。
网络仿真的主要应用于新的网络协议和设备的开发、评价和网络规划设计。网络仿真能迅速建立起网络模型, 方便地修改模型, 适用于预测网络性能、容量规划、故障分析、端到端性能分析、指导新网络建设等。系统仿真的基本流程如图1所示[3]。
2 OPNET仿真系统核心技术
2.1 离散事件仿真机制
OPNET采用基于离散事件驱动的模拟机理 (其中事件是网络状态的变化) 。只有网络状态发生变化, 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。因此, 与时间驱动相比, 离散时间驱动的模拟机计算效率得到很大提高。仿真核心实际上为离散时间驱动的事件调度器, 它对所有进程模块希望完成的时间和计划该事件发生的时间进行列表和维护。
事件调度器主要维护一个具有优先级的队列, 它按照时间发生的事件对其的工作进行排序, 并遵循先进先出顺序执行时间。而仿真中的各个模块之间的通信主要依靠传递包的方式来实现。
2.2 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。
2.3 建模通信机制
在OPNET仿真软件中, 大部分的模型都可以归结为一个由若干相互通信组成的分布式子系统。子系统之间的交互依赖于通信资源, 以支持命令、质询和一般信息的交换。这些方式包括数据报的通信机制、通信链路机制、应用接口控制信息 (IC) I通信机制和统计线通信机制。
3 OPNET在网络规划设计的步骤及应用流程
OPNET网络仿真软件应用于网络规划设计的流程见图2。
3.1 收集和消化网络工程设计文档
网络仿真必须基于对仿真网络全面和深入的了解, 主要包括:网络拓扑结构、网络协议和标准、网络设备、网络链路、网络应用及其流量特性。
3.2 建立网元模型
对于基本模型库中已有的网络设备, 根据网络设备的接口配置对现有模型进行修改, 优化网络设备模型;对于基本模型库中没有的网络设备, 需要开发新的网络设备模型, 有时还需要针对不同的仿真需要, 建立一个网络设备多个不同的模型版本。
3.3 建立网络模型
建立网络模型就是在所需的网元模型建立好后, 依据仿真网络建立起网元模型之间的有机连接, 从而将整个仿真网络系统映射为OPNET网络模型。对于现有网络, 通过网管HP Open view的NNM读入网络IP拓扑, 然后在IP拓扑中手工加入第二层网络设备, 例如交换机等。对于升级后的网络, 在现有网络模型的基础上, 手工修改网络拓扑或添加网络设备。对于新建网络, 完全手工建立网络模型。
3.4 建立网络流量模型
OPNET中, 网络流量分为背景路由流量 (Background routed traffic) 、背景利用率流量 (Background utilization traffic) 和前景业务流量 (Application traffic) 。
3.5 仿真设计和仿真计算
选择仿真过程中要收集的网络性能统计参数。
3.6 查看、结果分析并提交仿真报告
对于统计数据, 可直接通过菜单栏中的“view results”来查看。
以上是网络仿真技术在网络规划设计应用中的典型流程, 在实际操作中, 一般不可能经过一个仿真的流程就达到仿真的目的, 而往往需要多次的反复。因此, 上述步骤或其中的部分步骤会多次重复, 具体的网络仿真流程需要根据具体的仿真需要和其它具体视情况决定。
4 OPNET在某校园网的仿真应用
4.1 网络拓扑
网络设备和网络链路共同构成了网络系统的拓扑结构。设备通过链路相互连接, 实行了信息的传送。同时, 这些通信设备的连接组合构成了子网, 而子网可以进一步包含更低层的子网, 从而构成多层子网。OPNET通过子网来表示实际网络的拓扑结构, 为建模提供了极大的自由度和便捷性。OPNET软件中提供了许多网络元素, 按照实际网络组成部分进行建模。
某高校校园网采取核心、汇聚、接入3层网络结构网络, 4台点对点链接的高端交换机组成的核心层, 由路由器和交换机构成汇集层, 通过用以连接用户的低端交换机和接入点构成接入层;网络拓扑结构如图3。
图4为子网东区宿舍和西区宿舍的内部结构, 汇聚switch通过千兆光纤连接到核心交换机switch3和switch4上。接入交换机和汇聚交换机之间采用千兆双绞线连接, 再通过百兆双绞线连接到终端, 即连接到学生所用的端口。在OPNET中仿真中, 由于本次设计主要为测试核心交换机性能, 对子网工作站的表现要求不高, 因此采用LAN节点代替终端, 减少了仿真事件, 缩减仿真时间。 (篇幅关系, 其余子网不一一介绍)
4.2 业务配置
校园网主要以教学科研为主要目的, 所以主要涉到的业务主要有: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, 其网络业务也是不同的, 例如对于学生宿舍的用户来说, 主要的网络业务为E-mail、http和ftp。
●对办公楼, 实验楼分别进行E-mail、http, Database设置。
●对图书馆进行http, Database设置。
●对教学楼进行http, Telent Session设置。
●对宿舍区进行E-mail、http和ftp设置。
●对医院进行http, Database设置。
4.3 仿真结果的分析总结
对所设计的网络拓扑图进行运行仿真。
4.3.1 收集统计量
收集的统计量主要有交换机和局域网的参数:其中交换机的参数有:
●Traffic Received (bits/sec) 代表交换机的数据接收速率;
●Traffic Dropped (pacikets) 代表交换机对数据包的丢弃率;
局域网的参数有:
●Ehtemet Delay (sec) 代表局域网的延迟时间;
4.3.2 仿真设置
(1) 选择优化方针核心:优化方针核心有development (调试) 和optimized (优化) 两种, 调试状态的仿真核心收集方针信息, 这些信息可以用来调试模块。而优化仿真核心使运行速度加快。我们在这里选择的是调试仿真核心。
(2) 选择运行方针的时间:运行仿真时间这里设置成1h。即模拟执行一小时的仿真。
4.3.3 运行仿真
运行仿真, 等仿真结束后点击Close关闭对话框。
在网络仿真结束后, 下面我们对仿真的结果进行说明和分析:
(1) 以太网的网络延迟
网络在1min40s趋向平稳, 稳定在0.046秒左右。说明网络延时100多秒以后稳定。
(2) 核心交换机的包接收率
结果分析:交换机在刚开始的时候有一个100秒的延迟用来使设备进行初始化, 然后接受数据速率冲到70 000bit/sec以上, 在网络运行稳定后逐渐趋于20 000bits/sec左右。
(3) 核心交换机的包丢失率
分析说明:图7为交换机对数据包的丢失率。从图形可以看出交换机的丢弃率很低, 趋于零, 说明交换机的性能很好。
(4) 汇聚层交换机的包接收率
结果分析:交换机在刚开始的时候有一个100秒的延迟用来使设备进行初始化, 然后接受数据速率冲到15 000bit/sec以上, 在网络运行稳定后逐渐上升。
(5) 网络HTTP页面响应时间
结果分析:网络在刚开始的时候有一个100秒的延迟, 然后响应时间冲到0.15s以上, 之后趋向平稳。
5 结束语
本文研究描述了一种科学的网络仿真方法, 探讨了OP-NET仿真技术, 叙述了基于上述网络仿真方法和OPNET软件技术, 测试了网络仿真相关流程和方法, 并以某高校校园网为蓝本进行了仿真设计, 为网络仿真提供了系统知识。
由于校园网络还不是很复杂, 网络节点还不是很多, 对于怎样将OPNET应用于大型网络和复杂网络, 特别是如何解决遇到的项目技术问题, 仍需要进一步深入研究和探讨。
参考文献
[1]符浅浅.校园网方案分析与设计[D].重庆:重庆大学, 2005.
[2]D.JOSEPH, H.RALPH, R.ZHI, et al.Modeling and simulation of fading and pathloss in OPNET for range communications[J].2007IEEE Radio and Wireless Symposium, RWS, 2007:407-410.
[3]张曾科, 阳宪惠.计算机网络[M].北京:清华大学出版社, 2007.
[4]蒋丽影, 惠晓威, 章永来.OPNET的网络仿真机制及仿真建模方法[J].中国新通信, 2006 (15) .
[5]伍俊洪, 杨洋, 李惠杰, 等.网络仿真方法和OPNET仿真技术[J].计算机工程, 2004 (5) .
[6]陈敏.OPNET与网络仿真[M].北京:清华大学出版社, 2004.
OPNET仿真平台 篇2
2.1机械工程基础虚拟仿真实验教学系统
机械工程基础虚拟仿真实验教学系统让学生在虚拟的三维环境下进行实验和练习，使用信息网络技术对实验和练习的数据进行采集，再结合虚拟仿真实验教学管理平台进行实验课程安排和实验效果的考察，从而可以解决机械专业实验教学工作中对于机械设备结构原理认知学习的晦涩难懂，减少对实验设备的损坏，帮助院校改善和解决实验设备台套数的不足、需要经常维修等问题，切实提高机械专业学生的实验实践能力。
2.2数控加工虚拟仿真系统
本系统以VR虚拟技术结合数控加工专业知识，辅助数控加工专业教学。并以自动引导的方式对该系统进行模拟教学。数控加工应包含数控机床、数控铣床、机械手、输送线等，利用虚拟现实的沉浸感，使学生对整个系统进行逼真模拟体验;利用虚拟现实的交互性，让学生对模拟环境内的物体进行操作，最后进行学习测评。可以现场近距离去观察设备的运行状况。同时可以进行多人协同参与。再现真实、逼真的效果。
2.3液压传动实验虚拟仿真实验教学系统
该系统主要是液压系统认知实验，让学生了解液压系统的基本组成、布局及工作原理、液压系统在整个机械设备中的作用;了解液压系统中主要液压元件，其中包括液压动力元件、液压执行元件、液压控制元件、液压辅助元件等在液压系统中所起的作用等。
2.4基于虚拟样机技术机械设计及动力学仿真实验系统
该实验系统主要是基于ADAMS(AutomaticDy-namicAnalysisofMechanicalSystem)软件构建实验教学系统由三个模块组成:零件数字设计，机械系统动力学仿真，零部件力学性能仿真。相关专业的学生不仅可以应用实验平台直接进行相关实验，而且可以通过平台提供的仿真软件开展自主探索性虚拟实验，为拓展学习提供了良好的平台。
2.5农业机械特色虚拟实验平台
该系统可以结合农业大学特色，开展智能农业装备、拖拉机等特色项目的虚拟仿真实验。比如模拟农田机器人作业等虚拟仿真实验，展示机器人工作过程，让学生更好地了解机器人结构、控制、驱动形式、作业特点、振动等相关知识，克服了传统实验时浪费严重、噪音高、难重复、自然环境和生产条件受限多等缺点。农田信息实验平台可以包括图像实时采集与图像分割、图像测量与测距、深度信息获取、真实信息的恢复、实时生成决策结果、智能执行等过程。
3结语
虚拟仿真实验平台能提高机械工程本科生的产品设计创新能力，改善机械类专业核心课程的教学效果，激发学生学习主动性，加强学生对机械产品设计整体性认识。同时，教师的科研项目可以逐步与虚拟仿真实验教学想结合，在科研项目合作的同时，有序地将虚拟仿真的实验成果应用到产品开发、质量管理、产品服务的各个环节，对学生开放的同时，承接企业的产品设计开发任务，缩短新产品研发时间，提高企业竞争力，促进社会经济的发展。
参考文献:
[1]宋正河，陈度，董向前，等.机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J].实验技术与管理，，34(1):5-9.
[2]吕明珠，刘世勋.机电专业虚拟仿真实验平台的设计与开发[J].电气开关，(6):23-26.
[3]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[[J].实验技术与管理，2017，32(12):26-29.
[4]赵强，欧阳晓平.虚拟仿真实验平台促进创新型人才培养[J].时代教育，2016(15):60-61.
[5]郭润兰，康艳萍，杨东亚，等.机械原理虚拟仿真实验室资源共享平台建设[J].实验室研究与探索，2017，36(6):108-110.
OPNET仿真平台 篇3
1 排队模型
1.1 M/M/1排队模型
M/M/1队列是排队论中的一个最简单最基本的队列，其特点是数据包的到达服从泊松分布，服务时间服从负指数分布，队列具有无限大的缓冲存储，服务台个数为1，服务规则为先到先服务(first come first service,简称FCFS)，这是单处理器的典型工作方式。
数据包平均延时：Wq=1/(μC-λ)
数据队列平均时间Lq=ρ/(1-ρ)，其中ρ=λ/μC。
1.2 M/M/S排队模型
顾客到达符合泊松分布，服务时间呈负指数分布，S个服务台并行工作，客户随机选择空闲服务器，服务规则同样为FCFS。
具体以M/M/2模型为例。M/M/2系统表示顾客以到达率λ的泊松过程到达系统，服务台的服务时间服从参数为μ的指数分布，系统中有2个服务台，服务规则是FCFS，顾客一到服务台就开始服务，服务时间与顾客到达相互独立。
2 OPNET网络仿真技术
网络仿真技术是一种通过建立网络设备、链路和协议模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计和优化所需要的网络性能数据的仿真技术。目前的网络仿真工具以NS-2和OPNET为主,前者可以直接从网上免费下载，由于是共享工具，可靠性得不到保证，用户需要从头建模，适用于小规模模拟。后者主要用于各大学和大型通信公司。
OPNET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[1],目前它是世界上最先进的网络仿真和应用平台。其主要特点有：1)面向对象的层次化建模。使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构;2)采用离散事件驱动的模拟机理，与时间驱动相比，计算效率得到很大提高;3)三层建模机制[2];4)完全开放的模型编程[3]。
OPPNET的离散事件驱动的模拟机理，使得利用其对队列模型进行研究更加方便、直观。
3 仿真模型的实现与分析
以M/M/1与M/M/2模型为研究对象，分别建立相应的仿真模型，并改变有关参数，对仿真结果进行分析,主要观察两个统计变量，即数据包的延迟时间与队列的大小，从而考察系统是否稳定。因大部分文献资料对M/M/1模型的建立均有详细说明[5]，下面主要介绍M/M/2仿真模型的建立。
3.1 节点模型的建立
在节点编辑器中创建发送节点来模拟客户，节点中包含一个数据源进程模块和一个点对点发射机，用来向处理器发送数据。发送节点模型如图1所示。在src节点的属性编辑对话框中，将Packet Size设置为exponential(9000),即包的大小呈均值期望为9000的指数(泊松)分布。打开pt_tx节点的属性编辑对话框，将data rate(bps)的值改为9600。
接收节点用来模拟处理器的行为，包含3个点对点接收机、队列模块和进程模块(如图2所示)。打开queue队列模块的属性编辑对话框，将进程模型改为acb_fifo_ms队列，服务台数量(num_servers)改为2，服务能力(service_rate)保持为9600;并将三个接收机的data rate(bps)的值同时改为9600。
3.2 网络模型的建立
使用项目编辑器创建项目和场景，在对象面板设置中，添加queue_rx和queue_tx这两个节点模型，并添加queue_link链路模型。之后将其拖入工作区，同时使用queue_link链路将3个发送节点分别连接至接收节点。网络拓扑结构如图3所示。
3.3 仿真结果分析
3.3.1 M/M/1系统
在S=1,1/μ为9000b/p,C为9600b/s系统中，当数据包到达的平均间隔时间1/λ取不同值时，得到不同结果。
1)当1/λ=1.0，得到图4。
2)当ρ<1(即1/λ≤15/16)时系统处于不稳定状态。令1/λ=0.9，得到图5。从图中可以看出，数据包的平均到达速率和数据包的平均大小结合起来超过了队列的服务容量，队列不再稳定，趋于无限长，即系统处于不稳定状态。
3.3.2 M/M/2系统
同样的情况，在S=2,1/μ为9000b/p,C为9600b/s系统中，令1/λ=1.0，得到图6。从中可以看出，在2小时后，系统趋于稳定。
当S=2时，令1/λ=0.9，得到图7。可以看出，在M/M/2系统中，1/λ=0.9，系统达到稳定。说明增加服务台个数可以使系统得到稳处于稳定状态。
4 结论
利用OPNET对M/M/S模型进行仿真，得出数据包到达的平均速率、服务台个数、数据包平均大小等参数的改变，可以影响数据包平均延时和队列长度平均时间，也可以使系统不再处于稳定状态。同样，改变其他的仿真参数如服务台的平均服务速率等，也会对系统产生相应的影响。
参考文献
[1]高金玉,贾世杰.OPNET仿真技术在网络规划设计中的应用[J].网络通讯与安全,2007(5):1583-1585.
[2]张铭,窦赫蕾,常春藤.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[3]贾小娇,方红雨,李晓辉.基于OPNET的M/M/m队列仿真[J].通信技术,2008(12):183-185.
[4]OPNET Modeler14.5online documentation.