基于OPNET的帧中继网络仿真实现.docx
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基于OPNET的帧中继网络仿真实现
基于OPNET的帧中继网络仿真实现
摘要帧中继是一种高性能,高效率的数据链路技术。
它主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广域网连接。
大多数公共电信局都提供帧中继服务,把它作为建立高性能的虚拟广域连接的一种途径。
OPNET是当前主流网络仿真软件之一,本文在介绍OPNET的特点及仿真流程的基础上,结合实例重点分析OPNET在网络规划中的应用,对研究网络仿真和进行网络规划与设计有一定实际参考价值。
关键词帧中继,OPNET,仿真
ABSTRACT
Framerelayisakindofhighperformance,highefficiencyofthedatalinktechnology.ItismainlyusedinpublicorspecialonlineLANandwanconnectioninterconnected.Mostpublictelecommunicationbureauprovideframerelayserviceanduseitasestablishhigh-performancevirtualwide-areaconnectionofakindofway.
ThecurrentmainstreamOPNETisoneofthenetworksimulationsoftware,basedontheintroductionofthecharacteristicsandthesimulationprocessOPNET,onthebasisofanalyzingexamplesinkeyOPNETnetworkplanningapplicationforresearchnetworksimulationandnetworklayoutanddesignhascertainpracticalreferencevalue.
KeyWords:
FramerelayOPNETSimulation
目录
ABSTRACT1
目录2
1绪论4
2帧中继网4
2.1帧中继基本概述4
2.1.1帧中继的特点4
2.1.2帧中继的业务5
2.2帧中继的帧结构6
2.2.1帧格式6
2.2.2数据链路层帧方式承载业务(LAPF)7
2.3帧中继设备8
2.4帧中继协议8
2.4.1帧中继的协议结构8
2.4.2Q.922中的核心功能9
2.4.3数据链路层核心业务的数据传送功能9
2.4.4帧中继层管理功能9
2.5帧中继虚电路9
3OPNET10
3.1OPNET简介10
3.2OPNET的显著特点10
3.3OPNETModeler的建模机制11
3.4OPNET的建模过程11
4网络仿真11
4.1网络仿真模型12
4.2仿真图形12
4.3仿真分析14
5结论14
参考文献15
1绪论
1、帧中继是一种高性能,高效率的数据链路技术。
它工作在OSI参考模型的物理层和数据链路层,但依赖TCP上层协议来进行纠错控制。
提供帧中继接口的网络可以是一个ISP服务商;也可能是一个企业的专有企业网络。
目前,它是世界上最为流行的WAN协议之一,它是优秀的思科专家必备的技术之一。
帧中继网是由X.25分组交换技术演进而来的,由于光纤通信的误码率低,为了提高网络速率,活动了很多在X.25分组交换中的纠错功能,使帧中继的性能优于X.25分组交换的性能。
2、OPNET是当前主流网络仿真软件之一,是由美国OPNETTechnology公司开发的一个大型的通信与计算机网络仿真软件包。
网络仿真技术是研究网络规划与设计的有效工具。
它提供了真实网络和仿真器交互的方法,它通过不同条件下对网络的模拟来分析设计方案的可行性和健壮性。
本文通过对帧中继网的全面理解,对OPNET网络仿真软件及其主要特性、建模机制以及仿真步骤进行了深入的阐述,结合实例通过描述延迟和负载的变化来着重分析OPNET在具体帧中继网络规划中的应用。
2帧中继网
2.1帧中继基本概述
帧中继是由国际电信联盟通信标准化组(CCITT)和美国国家标准化协会(ANSI)制定的一种标准。
它是定义在公共数据网络(PDN)上发送数据的过程,是一种面向连接的数据链路技术,为提供高性能和高效率数据传输进行了技术简化,它靠高层协议进行差错校正,并充分利用了当今光纤和数字网络技术。
帧中继提供的是数据链路层和物理层的协议规范,任何高层协议都独立于帧中继协议,因此,大大地简化了帧中继的实现。
目前帧中继的主要应用之一是局域网互联,特别是在局域网通过广域网进行互联时,使用帧中继更能体现它的低网络时延、低设备费用、高带宽利用率等优点。
2.1.1帧中继的特点
帧中继是最常用的WAN协议之一,运行在OSI参考模型的物理层和数据链路层。
帧中继是分组交换技术的典范。
分组交换网络让终端站能够动态地共享网络介质和可用的带宽,它使用统计多路复用技术来控制网络访问。
这种优点对带宽使用更灵活,效率更高。
[1]
帧中继是X.25的改进版,X.25没有提供健壮性功能,比如窗口技术和数据重传等。
X.25提供第3层(网络层)服务,而帧中继是一个第二层协议簇,性能和传输效率比X.25高。
最初的帧中继标准化是由国际电报电话咨询委员会CCITT于1984年提出,但由于缺乏互操作性和完整的标准,在20世纪80年代没有得到广泛应用。
20世纪90年代,帧中继得到重大发展,Cisco公司、数据设备公司、北方电信等公司组成一个致力于帧中继开发工作的联盟。
该联盟制定了一个规范,在遵循CCITT讨论的帧中继基本协议的同时,对其进行扩展,添加一些用于复杂网络互联环境特性。
这些帧中继扩展被统称为本地管理接口。
该联盟制定并发布其规范后,众多厂商宣称支持这个扩展的帧中继定义。
最后,ANSI和CCITT对其最初的LMI规范进行了标准化。
2.1.2帧中继的业务
帧中继业务是在用户与网络接口(UNI)之间提供用户信息流的双向传送,并保持原顺序不变的一种承载业务。
用户信息流以帧为单位在网络内传送,用户与网络接口之间以虚电路进行连接,对用户信息流进行统计复用。
帧中继网络提供的业务有两种:
永久虚电路和交换虚电路。
永久虚电路是指在帧中继终端用户之间建立固定的虚电路连接,并在其上提供数据传送业务。
交换虚电路是指在数据传送前,两个帧中继终端用户之间通过呼叫建立虚电路连接,网络在建好的虚电路上提供数据信息的传送服务,终端用户通过呼叫清除操作终止虚电路。
目前已建成的帧中继网络大多只提供永久虚电路业务。
帧中继永久虚电路业务模型如图2.1所示。
图2.1帧中继永久虚电路业务模型
2.2帧中继的帧结构
2.2.1帧格式
帧中继的帧结构由4种字段组成,如图2.2所示:
图2.2帧中继的帧结构
帧中继的帧结构的各字段注释如下:
F(标志字段):
由一个字节构成01111110。
它的作用是标志一个帧的开始和结束。
为了防止在其他数据信息中随机出现的01111110序列影响同步,一般采用逢5插1的技术对数据进行处理,即对连续5个1位之后插入一个0位。
在接收端再予以去除。
A(地址字段):
在帧中继中地址字段主要作用是寻址,同时还兼有拥塞管理功能。
一般地址字段由2字节组成。
如图2.3。
如果2字节的地址字段不够用,因为10位的DLCI最多可支持1023个PVC,如所需PVC数超过此限,则可扩展到3字节或4字节。
目前我国未用。
图2.32字节A地址字段
DLCI:
数据链路连接标识符,由10位构成,可提供1023个PVC。
EA:
扩充地址位,可将地址字段扩充到3或4字节,目前未用。
最后一个字节的EA置1,前面字节的EA置0。
C/R:
命令响应指示位,被透明的从一个终端传到另一个终端。
它的用途是标识该帧是命令帧还是响应帧。
命令帧的C/R位置0,响应帧的C/R位置1,目前未用。
FECN:
前向显示拥塞通知,置1表示前向有可能发生拥塞。
BECN:
后向显示拥塞通知,置1表示后向有可能发生拥塞。
DE:
可丢弃位。
DE置1,说明该帧在网络拥塞时可考虑丢弃。
[2]
I(用户数据):
信息字段。
应由整数个字节组成。
FCS(帧校验序列):
一个二字节的序列,用于检验帧是否有差错。
在帧中继网中,如传输产生差错,则该帧丢弃,由终端用户通知发端,重发此帧。
2.2.2数据链路层帧方式承载业务(LAPF)
1、LAPF的基本概念
LAPF(LinkAccessProcedurestoFrameModeBearerServices)是帧方式承载业务的数据链路层协议和规程,包含在ITU-T建议Q.922中。
LAPF的作用是在ISDN用户-网络接口的B、D或H通路上为帧方式承载业务,在用户平面上的数据链路(DL)业务用户之间传递数据链路层业务数据单元(SDU)。
LAPF使用I.430和I.431支持的物理层服务,并允许在ISDNB/D/H通路上统计复用多个帧方式承载连接。
LAPF也可以使用其它类型接口支持的物理层服务。
LAPF的一个子集,对应于数据链路层核心子层,用来支持帧中继承载业务。
这个子集称为数据链路核心协议(DL-CORE)。
LAPF的其余部分称为数据链路控制协议(DL-CONTROL)。
LAPF提供两种信息传送方式:
非确认信息传送方式和确认信息传送方式。
2、LAPF的帧格式
LAPF的帧由5种字段组成:
标志字段F、地址字段A、控制字段C、信息字段I和帧检验序列字段FCS。
图2.4LAPF的帧格式
其中F、A、I、FCS字段与帧中继的帧格式中的相应字段相同,在此不予解释。
控制字段(C)分3种类型的帧:
信息帧(I帧)用来传送用户数据,但在传用户数据的同时,帧还捎带传送流量控制和差错控制信息,以保证用户数据的正确传送;监视帧(S帧)专门用来传送控制信息,当流量和差错控制信息没有I帧可以“搭乘”时,需要用S帧来传送;无编号帧(U帧),有两个用途:
传送链路控制信息以及按非确认方式传送用户数据。
[3]
图2.5控制字段的3种类型帧
2.3帧中继设备
与帧中继WAN相连的设备分为两大类:
数据终端设备(DTE)和数据电路端接设备(DCE)。
1、DTE:
终端、个人计算机、路由器、网桥。
2、DCE:
通信公司网络互连设备,用于在网络中提供计时和交换服务,它们是在WAN中实际传输数据的设备。
2.4帧中继协议
2.4.1帧中继的协议结构
帧中继在OSI第二层以简化的方式传送数据,仅完成物理层和链路层核心层的功能,智能化的终端设备把数据发送到链路层,并封装在LAPD帧结构中,实施以帧为单位的信息传送。
网络不进行纠错、重发、流量控制等。
帧不需要确认,就能够在每个交换机中直接通过,若网络检查出错误帧,直接将其丢弃;一些第二、三层的处理,如纠错、流量控制等,留给智能终端去处理,从而简化了节点机之间的处理过程。
图2.6用户与网络接口
帧中继的协议结构如图2.7所示,它包括两个操作平面:
控制平面(C-plane),它涉及逻辑连接的建立和终止。
帧模式传输服务的控制平台类似于分组交换服务中用于公共通道信号的控制平台。
其中,控制信号使用一个单独的逻辑通道。
链路层用LAP-D(Q.921)提供可靠的数据链路控制服务,在D通道的用户(TE)和网络(NT)之间进行流控和差错控制。
数据链路服务用于交换Q.933控制信号报文。
用户平面(U-plane),负责用户之间的数据传输。
用户之间传输信息的用户平台协议是LAP-F由Q.922(是LAP-DQ.921的增强版本)定义。
用户与网络之间的是控制平台,而端到端之间则是用户平台协议。
图2.7帧中继的协议结构
2.4.2Q.922中的核心功能
1、帧定界、对齐和透明性;
2、用地址字段实现帧复用和分用;
3、对帧进行检查,保证在0比特插入前和抽出后的帧长是整数倍的字节;
4、对帧进行检查,以保证其长度不超长或过短;
5、检测传输差错;
6、拥塞控制。
2.4.3数据链路层核心业务的数据传送功能
数据链路层核心业务的数据传送功能是通过原语的形式来描述的。
只使用一种原语类型DL-CORE-DATA,用来允许核心业务用户之间传送核心用户数据。
数据传送业务不证实服务,因此只有两种原语可供使用:
DL-CORE-DATA请求和DL-CORE-DATA指示。
2.4.4帧中继层管理功能
DL-CORE子层实体与其它实体之间的通信是通过原语来实现的。
在永久帧中继承载连接的情况下,与DL-CORE协议操作有关的信息均由DL-CORE层管理实体负责维护。
对于即时的(on-demand)帧中继承载连接,建立和释放DL-CORE连接均由第三层来实现。
与DL-CORE协议操作有关的信息均通过第三层管理和DL-CORE子层管理之间进行协调来管理的。
2.5帧中继虚电路
1、帧中继提供了面向连接的数据链路层通道,每对设备之间都有一条通道,这些连接有相应的连接标识符,这种服务是通过使用帧中继虚电路实现的。
帧中继虚电路分两类:
(1)交换虚电路(SVC)。
由协议协商的临时连接,用于偶尔需要跨越帧中继网络在DTE设备间传输数据情形。
它分为四个阶段:
呼叫建立、数据传输、空闲、呼叫终止。
(2)永久虚电路(PVC)。
人工配置的永久性连接,用于需要跨越帧中继网络不断地在DTE设备间传输数据的情形。
通过PVC通信时,不需呼叫建立和终止。
PVC状态包含两种:
数据传输、空闲。
DTE设备间空闲时,连接仍处于活跃状态,任何时都可以传输数据。
2、数据链路连接标识符。
帧中继虚电路用数据链路链接标识符(DLCI)标识,DLCI值通常由帧中继服务提供商分配。
帧中继DLCI只有本地意义,即在帧中继WAN中不是唯一的。
例如,虚电路连接的两台DTE设备可能使用不同的DLCI值来表示同一条连接。
3OPNET
3.1OPNET简介
OPNET公司成立于1986年,起源于麻省理工学院。
1987年OPNET公司发布了它的第一个商业化的网络性能仿真软件,提供了具有重要意义的网络性能优化工具,使得具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能。
至今OPNET已经发行到了10.0以上版本。
它的产品线除了Modeler外,还包括ITGuru、SPGuru、OPNETDevelopmentKit和WDMGuru等。
OPNET软件包主要由三个模块组成:
1、ItDecisionGuru适合最终用户,它只有仿真、分析功能。
2、Modeler在ItDecisionGuru基础上增加了建库功能。
3、Modeler/radio在Modeler上又增加了对移动通信和卫星通信的支持。
ITDecisionGuru、Modeler、Modeler/Radio,这三个模块并非相互独立,而是层层嵌套的,采用同一用户界面。
3.2OPNET的显著特点
网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。
网络仿真技术能够迅速地建立起现有网络的模型,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。
网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。
在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案,它们往往是各有优缺点,很难作出正确的选择,因此如何进行科学的比较和取舍往往是网络设计者们感到头疼的事。
网络仿真能够通过为不同的[4]设计方案建立模型,进行模拟,获取定量的网络性能预测数据,为方案的验证和比较提供可靠的依据。
这里所指的设计方案可以是网络拓扑结构、路由设计、业务配置等等。
3.3OPNETModeler的建模机制
OPNETModeler提供了三层建模机制,分别在进程层,节点层和网络层进行由下到上的建模。
同时在仿真的过程中它采用了离散事件驱动的模拟机理。
进程模型(processmodel):
的基础是用有限状态机FSM(FiniteStateMachine)来描述各种协议。
各个状态再分别进行编程实现。
节点模型(nodemodel):
由进程模型构成,可以组成完整的协议栈,真实的反映所建模设备的特性。
各模块间通过数据包和状态信息的传递来进行各种操作,进而实现设备的功能。
网络模型(netmodel):
由节点模型组成,可以通过不同的拓扑设计来构造出各种不同的网络结构。
3.4OPNET的建模过程
1、了解建模对象
深入理解实际的仿真对象。
在AODV协议中要深入的了解路由表的处理规则、队列的处理规则、路由建立和维护的过程等。
在建模时还需要对实际的模型进行一定的简化。
目标是要实现协议的行为,因此一些对仿真结果没有影响的内容可以进行简化或删除。
比如对于IP地址可以简化为一个8位的整型数字来代替。
2、确定建模目的
确定要得到的结果和要解决的问题。
设定好参数和观察变量,比如若要得到网络的时延特性,需要在进程模型中设定观察变量。
3、模型设计
基于FSM对各个状态进行初始的定义;进行Packet建模;设定Statistics;定义数据结构;编程实现模型功能。
4、仿真调试
对模型进行测试。
修改完善。
5、验证结果查看结果,验证模型的正确性。
以上各步骤循环进行,直到得到预定的结果。
[5]
4网络仿真
4.1网络仿真模型
图4.1帧中继网仿真图
4.2仿真图形
图4.2时延图
图4.3负载对比图
图4.4负载对比图
4.3仿真分析
针对各地区经济技术发展不平衡,建设专门帧中继骨干网的同时,还应对各地的业务需求采取不同的网络配置。
在经济发达、业务量大的地区配置吞吐量大、处理能力强的交换设备;其他地区可配置吞吐量、处理能力较低但价格相对便宜的小型交换设备;对偏远地区的城市,可暂不配置专门的帧中继设备,实行分层次地开展骨干网建设。
由仿真实验得出以下结论:
随传输时间的增加,时延不断加大,最后趋于稳定。
在加载不同业务时,网络负载不同。
传输数据量大,网络负载大。
5结论
随着网络的日趋复杂、规模日益庞大,利用仿真软件进行网络的性能分析,为网络技术开发、网络性能理论测试、网络设计方案评估及网络故障诊断等提供了强有力的工具。
网络仿真正以其突出的优越性越来越受到网络研究人员的关注和重视。
因此OPNET网络仿真软件必将得到更为广泛的应用。
本文的创新点:
在介绍OPNET的特点及仿真流程的基础上,结合实例重点分析OPNET在网络规划中的应用,这对于研究网络仿真和进行网络规划与设计有一定实际参考价值。
参考文献
[1]中国邮电电信总局《帧中继》,北京:
人民邮电出版社,1997年,第1~24页。
[2]赵慧玲,石友康《帧中继技术》,北京:
中国人民大学出版社,1998年2月,第70~78页。
[3]赵慧玲,石友康《帧中继技术及应用》,北京:
人民邮电出版社,1997年,第61~79页。
[4]陈海红《OPNET网络仿真及分析》,载《赤峰学院学报(自然科学版)》2010年5月,第26卷,第23~24页。
[5]赵玲,刘建华《OPNET网络仿真技术及其应用》,载《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷,第5-1期,第186~188页。
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