OPNET科研训练报告.docx
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OPNET科研训练报告
实验总成绩:
报告份数:
西安邮电学院
通信与信息工程学院
科研训练报告
题目:
基于OPNET的CSMA/CD与ALOHA
的仿真与应用
院(系):
通信与信息工程学院
专业:
通信工程
班级:
通工0803班
学生姓名:
王冰洁
班内学号(序号):
03081100(28)
2011年4月12日
目录
摘要I
ABSTRACTII
引言1
1 绪论2
1.1OPNET的特点2
1.2OPNET的建模机制2
2.CSMA/CD模型仿真设计4
2.1工作站节点模型设计4
2.2 进程模型设计4
2.3 建立网络模型5
3.介绍ALOHA与CSMA/CD的区别6
3.1ALOHA与CSMA/CD国际协议标准6
3.2ALOHA与CSMA/CD的仿真对比7
3.2.1使用OPNET仿真的ALOHA系统的信道输出量7
3.2.2使用OPNET仿真的CSMA/CD系统的信道输出量7
3.2.3使用OPNET仿真的ALOHA系统的信道输出量与CSMA/CD的对比8
结论9
致谢10
参考文献11
摘要
CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)即载波监听多路访问/冲突检测方法在以太网中,所有的节点共享传输介质。
如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务,就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题。
CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。
它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议,并进行了改进,使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。
另一个改进是,对于每一个站而言,一旦它检测到有冲突,它就放弃它当前的传送任务。
换句话说,如果两个站都检测到信道是空闲的,并且同时开始传送数据,则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。
它们不应该再继续传送它们的帧,因为这样只会产生垃圾而已;相反一旦检测到冲突之后,它们应该立即停止传送数据。
快速地终止被损坏的帧可以节省时间和带宽。
要是解决信道动态分配的有效方法,基于的以太网技术是目前最为主要的局城网解决方案本文从撇子层和层阐述以太网的具体内容,并对标准的发展和具体技术作整理和汇总。
.CSMA/CD是协议是对功协议一种基于无线广播通信而创建、适用于无协调关系的多用户竞争单信道使用权的。
ALOHA是世界上最早的无线电计算机通信网。
它是1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。
70年代初研制成功一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络,也是最早最基本的无线数据通信协议。
取名ALOHA,是夏威夷表示致意的问候语,这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。
Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机,从而实现一点到多点的数据通信。
ALOHA协议的思想很简单,只要用户有数据要发送,就尽管让他们发送。
当然,这样会产生冲突从而造成帧的破坏。
但是,由于广播信道具有反馈性,因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测,将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较,就可以知道数据帧是否遭到破坏。
同样的道理,其他用户也是按照此过程工作。
如果发送方知道数据帧遭到破坏(即检测到冲突),那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。
关键字:
net,node,利用率
ABSTRACT
CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)isCarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetectioninEthernet,allnodessharethetransmissionmedium.Howtoensurethetransmissionmediumorderlyandefficientmannertoprovidetransmissionservicesformanynodes,thatis,theEthernetmediaaccesscontrolprotocoltosolvetheproblem。
CSMA/CDisacontention-basedmediumaccesscontrolprotocol.ItoriginatedinthedevelopedbytheUniversityofHawaiiALOHAcontentionusedbynetwork-basedprotocol,andhasbeenimprovedsothatithasahigherthantheALOHAprotocolmediautilization.Anotherimprovementisthat,foreachstation,onceitdetectsaconflict,sendittoabandonitscurrenttask.Inotherwords,iftwostationsdetectthechannelisidleandstartsendingdataatthesametime,theywillbedetectedalmostimmediatelyconflict.Theyshouldnolongercontinuetosendtheirframes,
Becausethiswillonlywasteitproduces;thecontrary,afteroncetheconflictisdetected,theyshouldimmediatelystopsendingdata.Quickendtothedamagedframecansavetimeandbandwidth.alohaistheworld'sfirstwirelesscomputercommunicationnetworks.ItistheUniversityofHawaiiin1968toaresearchprojectname.Theearly70sdevelopedawirelessradiotechnology,packet-switchedcomputernetworks,isthefirstbasicwirelessdatacommunicationsprotocol.NamedALOHA,Hawaiitributegreetingpeople,thestudyaimstosolvetheproblemofcommunicationbetweentheHawaiianIslands.Alohanetworkcanmakethescatteredislandsoftheradiochannelbymultipleuserstousethecentralcomputer,inordertoachieveamultipointdatacommunication.
TheideaissimpleALOHAprotocol,aslongastheuserhasdatatosend,tosendthemthough.Ofcourse,thiswillconflictsresultinginthedestructionoftheframe.However,thebroadcastchannelwithfeedback,sothesendercansenddataduringtheprocessofconflictdetection,thereceiveddataandcomparingthedatabuffer,youcanknowwhetherthedestructionofthedataframe.Similarly,otherusersareworkinginaccordancewiththisprocedure.Ifthesenderknowthatthedestructionofthedataframe(ie,aconflictisdetected),thenitcanwaitalongtimeafterarandomretransmissionoftheframe
Keywords:
net,node,Utilization
引言
以太网技术是目前广泛应用的一种局域网组网技术。
其运行速度快(可达10Gbps)、端口价格低廉并且性能优越,占据了整个局域网市场的85%左右。
以太网的MAC层协议采用CSMA/CD协议(IEEE802.3)[1],CSMA/CD是以太网中各个节点对总线资源访问的仲裁机制,CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)载波监测多址接入协议也成为局域网采用最多的MAC协议。
CSMA/CD适宜于总线型局域网拓朴结构的随机竞争型媒体访问控制。
总线型网络允许同一时刻只有一个节点(Node)发送数据,一旦两个或以上节点同时发送数据,则会发生数据碰撞,数据不能正常发送和接收。
CSMA/CD协议就是尽可能保证网络上同时只有一个节点发送数据,减小数据“碰撞”概率。
ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络,而在于它首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构,这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同,故称之为ALOHA信道。
通过这一公共的广播信道,网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息,完全不需要同步。
ALOHA信道的主要优点是:
(1)允许大量间歇性工作的发射机共享同一信道,不需要路由选择与交换,建网简单。
(2)利用ALOHA信道进行数据通信时,中心台或服务器只需要一个高速接口,而不必为网中的每个用户提供 ALOHA多址协议 ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信。
自1970年以来,已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议,其中最基本的有三种;纯ALOHA、分隙ALOHA和预约ALOHA。
1 绪论
OPNET网络仿真软件是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台之一。
它嵌入了关于如何运作网络设备、网络协议、应用以及服务器的专业知识,它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。
OPNET公司的第一个商用化产品为Modeler,OPNETModeler是当前业界最领先的网络技术开发环境,以其无与伦比的灵活性应用于设计和研究通信网络、设备、协议和应用。
1.1OPNET的特点
(1)简单清晰的建模方法:
Modeler建模过程分为3个层次:
进程层次、节点层次以及网络层次。
在进程层次模拟单个对象的行为,在节点层次将其互连成设备,在网络层次将这些设备互连组成网络。
几个不同的网络场景组成“项目”,用以比较不同的设计方案。
这也是Modeler建模的重要机制,这种机制有利于项目的管理和分工。
(2)有限状态机:
在过程层次中使用有限状态机来对其它协议和过程进行建模,在有限状态机的状态和转移条件中使用C/C++语言对任何过程进行模拟。
用户可以随心所欲地控制仿真的详细程度。
有限状态机加上标准的C/C++以及OPNET本身提供的400多个库函数构成了Modeler编程的核心。
OPNET称这个集合为ProtoC语言。
(3)具有详细协议模型的全面模型库:
包括ATM、帧中继、TCP/IP、RIP、OSPF、态机的形式提供。
同时,OPNETTechnology公司会对不同的企业用户提供附加的专用模型库。
(4)强大的统计性和集成分析功能:
OPNET内建了很多性能统计器,它会自动采集模拟过程的结果数据,同时OPNET也允许用户自定义程序来增强这些统计器的性能。
并且对这些采集的数据进行大量的分析,同时以文件和图形的方式形成输出。
(5)系统的完全开放性及应用程序接口(API):
OPNETMolder中的源代码全部开放,用户可根据自己的需要添加、修改已有的源代码。
其特有的应用程序接口功能,使它的模型和数据文件可以很容易地被其它工具调用。
(6)支持各种业务模型:
OPNET几乎预定义了所有常用的业务模型,如均匀分布、泊松分布、欧兰分布等,同时还集成了Email、HTTP、FTP、远程终端、电视会议和数据库等常用的客户/服务器应用业务模式。
(7)具有动画演示特性:
在仿真中或仿真后显示模型行为的动画,可以形象地表示出系统的特性。
另外,OPNET还提供了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。
用户可以在运行前设定运行中使用的参数,并且能随时中断运行。
结果分析器用图形的方式显示仿真软件过程中得到的统计数据,还能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
1.2OPNET的建模机制
OPNET的Modeler是专门用于可视化原型设计的软件,它的使用既方便了网络模型的建立,又减少了编程的工作量。
Modeler中提供多种编辑器来帮助用户完成网络建模和仿真运行,OPNET的Molder包括以下几个部分:
(1)进程建模(processmodeling):
模拟单个对象的行为,使用有限状态机进行建模。
每个状态内写入任意的C/C++代码以及专门为协议编程设计的库函数,用于定义节点内功能模块中各事件之间的控制流,使用符合工业标准的状态图来描述功能模块内的状态和状态间的控制流。
(2)节点建模(nodemodeling):
建立由相应协议模型构成的节点模型。
该层建模将进程建模中的各个进程互联成设备,可以反映设备的特性。
用于定义网络节点的结构和描述节点中模块间的数据流。
通过节点编辑器(nodeeditor)可以描述协议的层次结构,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)网络建模(networkmodeling):
负责将节点建模中建立起来的设备互联成网络,编辑网络的拓扑结构,通过将模型库中的各种通信实体拖放工作区可以方便地配置网络拓扑,并可对设备的属性进行设置。
OPNET通过三层建模机制建立起来的三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。
2.CSMA/CD模型仿真设计
2.1工作站节点模型设计
网络采用总线拓扑结构,每一个节点代表一个工作站。
节点的模型设计如图1:
工作站节点模型:
工作站节点包含四个处理器模块,一个队列模块和一对收发信模块。
工作站节点模型实现了OSI数据链路层的部分功能,即mac子层功能。
总线发射机和总线接收机模型作为总线链路的接口。
这两个模型用以太网标准的数据速率10Mbit/s发射和接收数据。
sink模型表示更高层,它简单的接收从mac传输来的数据包。
defer模型独立的监视链路的状态和标记,mac从状态线读取不同值,这个值用来决定是否允许发射机进行发送。
bursty_gen模型表示更高层用户,这个用户向发射机提供数据。
它通过ON/OFF模拟方式来控制包发送量。
mac模块处理要接收和发送的包。
接收到的包被解封并传送到更高一层。
要发送的包被封装并且当统计标志从大的数值变为小的数值时,一个包通过发射机发送出去。
这个模型也检测是否发生了碰撞,假如发生一次,那么发信机就停止发送,并且稍后再从新发送。
2.2 进程模型设计
(1)mac模块的进程用来管理发射和接收包。
mac进程模型设计如图2。
它可以分为三个功能:
·封装并对要发送的包进行排队
·解封并传送接收到的包
·决定是否重新进行发送
eth_mac_intf模块把应用数据转换成适合mac处理的格式。
它从数据源得到数据,标志一个允许的目标地址(假设是随机的分配地址),然后把数据送到mac模块。
它也同时接收从mac来的包,并把包传送到更高一层的sink模块。
进程设计如图3所示。
(3)defer模块用来判断状态标志值是升高还是降低。
标志值被mac模块读取以用来决定发射机是否被允许发送或者信道是否被分配给另外的用户。
进程模型设计如图4
2.3 建立网络模型
为了对前面建立的节点进行仿真,需要把它们放在网络模型中,在网络中我们建立一个有十个工作站的总线拓扑结构的网络,连路模型的数据传输速率为10Mbit/s。
如图5所示。
3.介绍ALOHA与CSMA/CD的区别
3.1ALOHA与CSMA/CD国际协议标准
Aloha协议或称Aloha技术、Aloha网,是一种简单的信息传输方案。
当有一帧需要发送时,网络中的传输方发出信息。
如果这帧成功抵达接收方,则继续发送下一帧。
如果此帧未发送成功,则会重新发送。
此协议最初由美国夏威夷大学研发,主要应用于卫星通讯系统。
在无线广播系统或一个半双工双向链路中,Aloha可以出色发挥其功用。
随着网络复杂化,数据框冲突随之引发一些问题,使得系统效用降低。
为减少冲突数量,优化网络效能,增加使用某个网络的用户数量,分段Aloha(slottedAloha)协议应运而生。
它将频道在时间上分段,采用精确间隔方式发送信号。
载波侦听多重访问/冲突协议(CSMA/CD或CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)是在Aloha协议基础上做出的改进。
IEEE802.3是一个使用CSMA/CD媒体访问控制方法的LAN的综合性标准。
从逻辑上可以划分为两大部分:
数据链路层的媒体访问控制子层(MAC)和物理层。
它严格对应于ISO开放系统互连模式的最低两层。
LLC子层和MAC子层在一起完成OSI模式的数据链路层的功能。
CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议,网中的各个站(节点)都能独立地决定数据帧的发送与接收。
每个站在发送数据帧之前,首先要进行载波监听,只有介质空闲时,才允许发送帧。
这时,如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧,则会产生冲突现象,这使发送的帧都成为无效帧,发送随即宣告失败。
每个站必须有能力随时检测冲突是否发生,一旦发生冲突,则应停止发送,以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费,然后随机延时一段时间后,再重新争用介质,重发送帧。
CSMA/CD协议简单、可靠,其网络系统(如Ethernet)被广泛使用。
3.2ALOHA与CSMA/CD的仿真对比
3.2.1使用OPNET仿真的ALOHA系统的信道输出量
Thescalargraphpanelshouldresembletheonebelow:
理论分析显示了那一个纯阿罗哈系统有一个渠道吞吐量s根据渠道交通克给由s=ge-2g。
这个关系给一个最大渠道吞吐量的横切面最大面积=1/2e一个0。
18。
在低的交通水平,碰撞很少发生。
在高的交通水平,渠道被压倒,严重冲突阻止包是顺利收到。
这行为充分表明附近的的模拟结果。
特别是,最大吞吐量被实现近克=0。
5,离近0。
18的期望值。
3.2.2使用OPNET仿真的CSMA/CD系统的信道输出量
Theresultinggraphshouldresembletheonebelow:
载体读出多路存取协议被见实现一个最大渠道吞吐量的大约0。
5。
然而,比较性能的阿罗哈,csma协议直接,它容易显示两者都曲线同时在同一图表。
3.2.3使用OPNET仿真的ALOHA系统的信道输出量与CSMA/CD的对比
载体读出多路存取协议被见优于阿罗哈协议在全频道交通负载。
虚拟渠道吞吐量s根据渠道交通克在一个1-persistentcsma渠道同微不足道传播延迟被给由s=克(1克)电子克/(克电子克)。
这个公式预测一个约的最大吞吐量0。
5在一个渠道约的交通1。
0。
尽管模拟在这个教程是简报,限制,结果同意说完这个预测。
结论
利用新兴网络仿真技术OPNET,实现了对CMSA和ALOHA协议的网络仿真模型的建立,并通过分析信道吞吐量和利用率参数,得出了相关重要得结果和评估。
同时说明了利用OPNET能对改进和提高协议的可行性,这也将是以后开发新的随机接入协议的一种思路和方法。
CSMA载波侦听冲突检测是由ALOHA改进的,可以有效减少冲突带来的信息损失和差错,提高信息传输速率保证传输数据的准确性。
致谢:
在科研训练的过程中,我要感谢程老师的耐心讲解,使我们更多地了解OPNET的安装的知识,操作和实际仿真。
了解了CMSA/CD和ALOHA,谢谢和我合作的同学,在我们共同的努力下,掌握了OPNET的基本知识。
为以后实际工作应用奠定了基础
参考文献
[1]作 者:
龙华著出 版 社:
西安电子科技大学出版社出版日期:
2006-09OPNETModeler与计算机网络仿真
[2]作者:
赵智(哈尔滨师范大学,黑龙江,150000)齐齐哈尔师范高等专科学校学报2006年第一期总第91期CSMA/CD与以太网综述
[3]作者:
胡建军甘肃联合大学数学与信息学院,甘肃兰州730000甘肃联合大学学报(自然科学版)以太网CSMA/CD性能分析
[4]作者:
唐唐武斌刘朔岐(海军工程大学电子工程学院武汉430033)(海军通信应用研究所北京10084)利用OPNET仿真CSMA/CD信道访问协议
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指导教师评语:
实验成绩:
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