通信網(wǎng)課程設(shè)計--基于opnet的wlan的建模仿真與分析

1、<p>　　基于OPNET的WLAN的建模仿真與分析</p><p>　　摘 要 隨著無線通信的迅速發(fā)展，越來越多的移動終端需要采用一種方便快捷的方式接入Internet，于是 WLAN 應(yīng)運而生。本文利用OPNET軟件，針對WLAN的各種特性，進(jìn)行了建模與仿真，并對所得的仿真結(jié)果進(jìn)行理論詳細(xì)分析。在當(dāng)今日新月異的信息技術(shù)時代，人們對網(wǎng)絡(luò)通信的需求也隨之不斷提高。通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨龐大復(fù)雜，網(wǎng)

2、絡(luò)的應(yīng)用越來越多樣化，網(wǎng)絡(luò)的性能也變得愈加難以預(yù)測。</p><p>　　關(guān)鍵詞 OPNET，WLAN,仿真，建模</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of wireless communication, more and more mobile

3、terminal needs to use a convenient and efficient way to access Internet, so WLAN emerge as the times require. In this paper, OPNET software , various features for WLAN , modeling and simulation, and the simulation result

4、s obtained theoretical detailed analysis . In today's fast-paced era of information technology , the demand for network communication also continued to increase . The size of the communication network stru</p>

5、<p>　　Key Words OPNET，WLAN，Simulation, Modeling</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p><b>　　2. 設(shè)計內(nèi)容1</b></p><p>

6、　　2.1 WLAN基本概念1</p><p>　　2.2 OPNET軟件簡介2</p><p>　　2.2.1離散事件仿真機制2</p><p>　　2.2.2 仿真調(diào)度機制2</p><p>　　2.2.3基于包和接口控制信息的通信3</p><p>　　2.2.4利用管道階段仿真3</p>

7、<p>　　2.3 WLAN網(wǎng)絡(luò)建模3</p><p>　　2.3.1創(chuàng)建場景3</p><p><b>　　2.3.2建模4</b></p><p>　　3.仿真結(jié)果及結(jié)果分析4</p><p>　　3.1各性能仿真結(jié)果5</p><p>　　3.2仿真結(jié)果分析5<

8、;/p><p><b>　　4.心得體會8</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)9</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　在當(dāng)今日新月異的信息技術(shù)時代，人們對網(wǎng)絡(luò)通信的需求也隨之不斷提高。通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨龐大復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越

9、多樣化，網(wǎng)絡(luò)的性能也變得愈加難以預(yù)測。無論是構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)，還是升級改造現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，或者測試新的協(xié)議，都需要對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅埽ㄈ缇W(wǎng)絡(luò)延時和吞吐量等），以及可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行客觀的評估，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)組建的投資風(fēng)險，使設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)有較高的性能和Qos，或者使測試結(jié)果能夠真實反映新協(xié)議的表現(xiàn)。單純地依靠經(jīng)驗來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)仿真作為一種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計方法應(yīng)運

10、而生，它以其獨特的方法為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性。目前，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計和開發(fā)中的主流技術(shù)。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)仿真是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò)行為，從而獲取特定的網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的技術(shù)。數(shù)學(xué)建模包括網(wǎng)絡(luò)建模（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信鏈路等）和流量建模兩個部分。模擬網(wǎng)絡(luò)行為是指模擬網(wǎng)絡(luò)流量在實際網(wǎng)絡(luò)中傳輸、交換和復(fù)用的過程。網(wǎng)

11、絡(luò)仿真獲取的網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)全局性能統(tǒng)計量、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的性能統(tǒng)計量、網(wǎng)絡(luò)的鏈路流量和延時等，由此既可以獲取某些業(yè)務(wù)層的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也可以得到協(xié)議內(nèi)部某些特殊參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。首先，網(wǎng)絡(luò)仿真能夠為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供可靠的定量依據(jù)。其次網(wǎng)絡(luò)仿真能夠驗證實際方案或比較多個不同的設(shè)計方案。目前常用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件種類已經(jīng)比較豐富，主要有Berkeley NS,OMNeT++，SSFNET，OPNET等。其中，OPNET近幾年贏得的大量獎項是人們對其

12、在網(wǎng)絡(luò)仿真中所采用的精確模擬方式及仿真結(jié)果的充分肯定。</p><p>　　本文主要是在OPNET環(huán)境下建立WLAN，并進(jìn)行仿真調(diào)試，測試WLAN的網(wǎng)絡(luò)性能，包括網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)丟包率，并對其進(jìn)行了分析與比較。</p><p><b>　　2. 設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　2.1 WLAN簡述</p><

13、p>　　通信網(wǎng)絡(luò)隨著INTERNET的飛速發(fā)展, 從傳統(tǒng)的布線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到了無線網(wǎng)絡(luò)，作為無線網(wǎng)絡(luò)之一的無線局域網(wǎng)WLAN（Wireless Local Area Network），滿足了人們實現(xiàn)移動辦公的夢想，為我們創(chuàng)造了一個豐富多彩的自由天空。WLAN是利用無線通信技術(shù)在一定的局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡(luò)，是計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)LAN（Local Area Network

14、）的功能，能夠使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。</p><p>　　WLAN(Wireless Local Area Networks)無線局域網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。它是利用射頻PF(Radio Frequency)技術(shù)取代舊式雙絞銅線(Coaxial)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。無線局域網(wǎng)絡(luò)一般不是用來取代有線局域網(wǎng)絡(luò)，而是用來彌補有線局域網(wǎng)絡(luò)之不足，以延伸網(wǎng)絡(luò)，作為有線局域網(wǎng)絡(luò)的備用系統(tǒng)。各團(tuán)體、企事業(yè)單

15、位廣泛地采用了WLAN技術(shù)來構(gòu)建其辦公網(wǎng)絡(luò)。但隨著應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，WLAN正逐漸從傳統(tǒng)意義上的局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成為“公共無線局域網(wǎng)”，成為國際互聯(lián)網(wǎng)INTERNET寬帶接入手段。WLAN具有易安裝、易擴(kuò)展、易管理、易維護(hù)、高移動性、保密性強、抗干擾等特點。</p><p>　　WLAN網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的多種使用方法可以組合出適合各種情況的無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，可以方便地解決許多以線纜方式難以聯(lián)網(wǎng)的用戶需求。例如，數(shù)十公里遠(yuǎn)的兩個

16、局域網(wǎng)相聯(lián)：其間或有河流、湖泊相隔，拉線困難且線纜安全難保障，或在城市中敷設(shè)專線要涉及審批復(fù)雜，周期很長的市政施工問題，WLAN能以比線纜低幾倍的費用在幾天內(nèi)實現(xiàn)，WLAN也可方便地實現(xiàn)不經(jīng)過大的施工改建而使舊式建筑具有智能大廈的功能。</p><p>　　2.2 OPNET軟件簡介</p><p>　　優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)工程工具(Optimized Network Engineering Tool

17、，簡稱OPNET)是OPNET公司開發(fā)的商用仿真平臺，支持各類通信網(wǎng)絡(luò)和分發(fā)系統(tǒng)的模擬與仿真，可通過離散事件仿真分析模型化系統(tǒng)的行為和性能，是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò)建模仿真工具。它涉及到仿真研究的各階段，如模型設(shè)計、仿真、數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析。OPNET Modeler仿真模型分為網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點和進(jìn)程3個層次，分別在界面的Projeet Editor、Node Editor和Process Editor工具中建立。</p><

18、p>　　2.2.1離散事件仿真機制</p><p>　　OPNET采用離散事件驅(qū)動的仿真機制。其中事件是指網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。只有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化時，模擬機才進(jìn)行仿真；狀態(tài)不發(fā)生變化的時間段不進(jìn)行仿真，即被跳過。仿真中的各個模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息。每當(dāng)出現(xiàn)一個事件中斷時都會觸發(fā)一個描述通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行為或者系統(tǒng)處理的進(jìn)程模型的運行。OPNET采用的離散事件驅(qū)動的仿真機制決定了其時間的推進(jìn)機制，即時間是跳

19、躍著前進(jìn)的。離散事件驅(qū)動使模擬機計算效率有很大提高，使仿真通信網(wǎng)絡(luò)中的任何情況下的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和行為成為可能。</p><p>　　2.2.2 仿真調(diào)度機制</p><p>　　在OPNET中使用基于事件列表的調(diào)度機制，合理安排調(diào)度事件，以便執(zhí)行合理的進(jìn)程來仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的行為。調(diào)度的完成通過仿真軟件的仿真核和仿真工具模塊以及模型模塊來實現(xiàn)，事件列表的調(diào)度機制具體描述如下：</p>

20、<p>　　(1)每個OPNET仿真都維持一個單獨的全局時間表，其中的每個項目和執(zhí)行都受到全局仿真時鐘的控制，仿真中以時間順序調(diào)度事件列表中的事件，需要先執(zhí)行的事件位于表的頭部。當(dāng)一個事件執(zhí)行后將從事件列表中刪除該事件。</p><p>　　(2)仿真核作為仿真的核心管理機構(gòu)，采用高效的辦法管理維護(hù)事件列表，按順序通過中斷將在隊列頭的事件交給指定模塊，同時接收各個模塊送來的中斷，并把相應(yīng)事件插入事件列

21、表中間。仿真控制權(quán)伴隨中斷不斷地在仿真核與模塊之間轉(zhuǎn)移。</p><p>　　(3)當(dāng)事件同時發(fā)生時，仿真核按照下面兩種辦法來安排事件在事件列表中的位置：按照事件到達(dá)仿真核的時間先后順序，先到達(dá)先處理;按照事件的重要程度，為事件設(shè)置不同的優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先權(quán)高的先處理。</p><p>　　2.2.3基于包和接口控制信息的通信</p><p>　　OPNET采用基于包的建

22、模機制來仿真實際物理網(wǎng)絡(luò)中包的流動,包括在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的流動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部的處理過程,仿真實際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的組包和拆包的過程。另外，在建模和仿真中,OPNET還可以根據(jù)需要生成、編輯或自定義包及查看包頭和數(shù)據(jù)區(qū)等。在OPNET中,包被看作是對象，可以創(chuàng)建和對其進(jìn)行編輯。同時,OPNET還可以用類似于包的通信機制的接口控制信息的描述方法。接口控制信息比包結(jié)構(gòu)簡單,它以事件為載體,且適用于任何事件，廣泛用在有關(guān)事件調(diào)度的場合,如同一節(jié)點模型的不

23、同模塊之間、不同節(jié)點模型之間以及同一節(jié)點模型的相同模塊內(nèi)。</p><p>　　2.2.4利用管道階段仿真</p><p>　　OPNET支持三種鏈路形式：點對點鏈路、總線鏈路和無線鏈路。為了描述在不同物理特性上的特點,OPNET采用一系列管道階段去仿真。對于有線點對點鏈路需4個管道階段,分別是傳輸延時、傳播延時、錯誤分配和糾錯階段;而對于總線鏈路,則需傳輸延時、鏈路閉鎖、傳播延時、沖突檢

24、測、錯誤分配和糾錯6個階段。與點對點鏈路相比,總線最大的特點是可供多個收信機同時接收信號，而發(fā)信機端的傳輸延時計算一次。</p><p>　　2.3 WLAN網(wǎng)絡(luò)建模</p><p>　　要創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡(luò)模型，首先要創(chuàng)建一個新的項目和一個新的場景。重要應(yīng)用知識點：采用開始建立向?qū)?(Startup Wizard)來建立一個新的項目和一個新的場景。開始建立向?qū)в幸韵聨讉€步驟：一、選擇網(wǎng)絡(luò)拓

25、撲類型；二、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的范圍和大??；三、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)背景圖；四、選擇對象模型家族。</p><p><b>　　2.3.1創(chuàng)建場景</b></p><p>　　1.新建一個項目，如圖1所示；</p><p>　　2.輸入項目名稱和場景名稱，每個項目必須至少有一個場景。將新建場景向?qū)Т蚬矗?lt;/p><p><b>　　

26、圖1</b></p><p>　　3.按默認(rèn)選擇創(chuàng)建一個空場景；</p><p>　　4.選擇辦公室網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　5.設(shè)置場景大小，這里設(shè)置為1000m；</p><p>　　6.選擇要用的模型庫，依次選擇3Com、ethernet和wireless_lan；</p><p>　　7.確認(rèn)場景

27、信息無誤，完成向?qū)В?lt;/p><p><b>　　2.3.2建模</b></p><p>　　從彈出的模型窗口中分別選擇交換機、以太網(wǎng)服務(wù)器、無線AP、無線終端，并放置在場景中，修改為可理解的名字，并將以太網(wǎng)服務(wù)器和交換機，交換機和無線AP之間用10BaseT的鏈路模型鏈接。如圖2所示。</p><p><b>　　圖2</b&

28、gt;</p><p>　　完成后的拓?fù)鋱D如圖3所示。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　?。?）配置仿真參數(shù)，在空白處單擊右鍵，選擇Choose Individual DES Statistics，對需要仿真的項目打上勾；（2）配置完成后點擊ok，在工具欄里找到下面這個仿真按鈕，配置仿真時間為400s，點擊運行開始仿

29、真。</p><p>　　3仿真結(jié)果及結(jié)果分析</p><p>　　3.1各性能仿真結(jié)果</p><p>　　1.以太網(wǎng)延時仿真如圖3.1所示</p><p>　　2.WLAN丟包率、延時、吞吐量仿真</p><p>　　3.以太網(wǎng)交換機與WLAN路由器間吞吐量仿真</p><p>　　4.以太

30、網(wǎng)交換機與路由器節(jié)點間的吞吐量仿真</p><p>　　5.以太網(wǎng)平均延時仿真</p><p>　　6.WLAN丟包率、延時、吞吐量平均仿真</p><p>　　7.交換機與WLAN路由器間吞吐量平均仿真</p><p>　　8.以太網(wǎng)交換機與路由器節(jié)點間的吞吐量平均仿真</p><p><b>　　3.2仿

31、真結(jié)果分析</b></p><p>　　由仿真結(jié)果圖可知全局和WLAN的統(tǒng)計量，網(wǎng)絡(luò)時延（Wlan Delay)、負(fù)載量(Wlan load)、吞吐量(Wlan Throughput)的統(tǒng)計量。平均系統(tǒng)延時是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。配置的仿真時間均為l小時，其他為默認(rèn)配置。為方便比較，仿真結(jié)果取平均值。在33S時全局的時延為0.00001082；在33S時WLAN的延時為0.000281；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載

32、量（200，250）、吞吐量（2000,2900）時出現(xiàn)時延?？芍酪蕴W(wǎng)交換機與WLAN路由器間的延時（Delay)、吞吐量(Throughput)和服務(wù)器與交換機間的吞吐量(Throughput)。36S時交換機與路由器間時延為0.0000944，吞吐量達(dá)到200或接近時節(jié)點間出現(xiàn)時延，其他時間節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，性能良好。交換機到服務(wù)器吞吐量持續(xù)為0，服務(wù)器到交換機時吞吐量最大可達(dá)到200以上。</p><p&

33、gt;　　通過OPNET仿真可得下述結(jié)論：</p><p>　　1 隨著業(yè)務(wù)總負(fù)載的加大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也逐漸加大。當(dāng)業(yè)務(wù)總負(fù)載達(dá)某個數(shù)時，網(wǎng)絡(luò)各種性能指標(biāo)基本達(dá)到最優(yōu)，隨著業(yè)務(wù)總負(fù)載的繼續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)丟失率和端對端延時性能開始下降；</p><p>　　2無線局域網(wǎng)的吞吐量性能當(dāng)達(dá)到最優(yōu)時開始趨于穩(wěn)定(有微 弱下降)，但丟失率和端對端延時等性能開始急劇下降。當(dāng)負(fù)載過 大，而移動站不能及時競爭到

34、有限的信道資源，從而造成高層數(shù)據(jù)分組隊列積壓過多分組，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；同時分組的積壓使分組在 隊列中等待服務(wù)的時間增大，造成分組的端對端延時增大。</p><p>　　3網(wǎng)絡(luò)延時方面，所設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能呈周期性變化，每當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量、吞吐量達(dá)到峰值或接近峰值時開始出現(xiàn)時延。</p><p>　　4丟包率方面，所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)是在理想狀態(tài)單一數(shù)據(jù)流下的仿真，所以基本達(dá)到丟包率為0的理想狀態(tài)。不存在丟包

35、率的問題，</p><p>　　5吞吐量方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運行時，吞吐量以周期的形式達(dá)到峰值進(jìn)而出現(xiàn)延時，整個過程中該指標(biāo)可以達(dá)到預(yù)先要求。</p><p><b>　　4.心得體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計是用OPNET軟件對WLAN建模與仿真，通過對WLAN的詳細(xì)了解，我明白了WLAN的工作原理，并認(rèn)識了OPNET的軟件。經(jīng)過本次

36、的仿真研究，我也基本掌握了OPNET軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的原理、方法及其流程。</p><p>　　此次的課程設(shè)計才能夠成功的完成，離不開同學(xué)以及老師得耐心幫助，在這個過程中，我明白到了做任何事，都是需要考慮到很多方面的問題的，并不是單一的課本上的那么簡單。另外就是認(rèn)識到自己對WLAN網(wǎng)及OPNET軟件之前有一些錯誤的認(rèn)識，對WLAN的及OPNET軟件的理解還不夠深刻，還有好多方面的問題想的都不夠多，過于理想化了。這

37、次的課程設(shè)計使我對OPNET軟件有了較深刻的認(rèn)識，并且我深深意識到，任何事情都要自己動手做，對待任何事情首先都要態(tài)度認(rèn)真，只有付出了努力才會有收獲，學(xué)無止境！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　冷杰．《Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計》:[碩士論文] ．天津大學(xué)，2006．</p><p>　　陳敏．《OPNET

38、網(wǎng)絡(luò)仿真》．北京:清華大學(xué)出版社．2003-2．</p><p>　　張銘，竇赫蕾，常春藤．《OPNET Modeler 與網(wǎng)絡(luò)仿真》．北京:人民郵電出版社，2007．</p><p>　　范紅艷．《基于OPNET的路由協(xié)議性能分析》：[碩士學(xué)位論文] ．北京郵電大學(xué)，2008．</p><p>　　楊宏宇，謝麗霞，王興?。毒W(wǎng)絡(luò)仿真軟件的應(yīng)用與實踐》．計算機工程與