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基于OPNET的局域网拓扑建模仿真

时间:08-23 来源:国外电子元器件 点击:
1 引言

网络拓扑类似于路线图,它详细描述了关键的网络构件,诸如节点和链路是如何互连的。目前,常用的互连方案有点到点网络、广播网络和多点网络。其中点到点网络由仅能与相邻设备通信的节点组成(相邻节点是指相互邻接的节点),它包括数千个相邻节点间互连的节点,这些相邻节点再连接到其他相邻节点,以此类推。如果一个节点需要与不相邻的节点通信,则可通过其他相邻的节点间接地完成通信。源节点先将消息传输到相邻节点,然后按顺序在各中间节点传输直到最终达到目的节点。从相邻节点传输数据到另一节点的过程称为桥接或路由。目前最常见的点到点拓扑有星形、环形和树形3种类型。

2 基于OPNET的局域网拓扑建模

优化网络工程工具(Optimized Network Engineering Tool,简称OPNET)是OPNET公司开发的商用仿真平台,支持各类通信网络和分发系统的模拟与仿真,可通过离散事件仿真分析模型化系统的行为和性能,是目前较为流行的网络建模仿真工具。它涉及到仿真研究的各阶段,如模型设计、仿真、数据搜集和数据分析。OPNET Modeler仿真模型分为网络、节点和进程3个层次,分别在界面的Projeet Editor、Node Editor和Process Editor工具中建立。

2.1 星形拓扑

星形网络的关键特征是存在一个连接节点的线路中心。一旦建立了通道连接,就能无延迟地在连通的两个节点之间传输数据。要说明的是:工作站到中央节点的线路是专用的,不会出现拥挤的瓶颈现象。图1给出在OPNET Modeler中建立的星形拓扑。其优点是:①容易诊断并隔离故障。如果网络中的节点或通信介质出现问题,只会影响到该节点或通信介质相连的节点,不会涉及到整个网络,因而比较容易判断故障的位置。②方便服务。中央节点和中间接线都有一批集中点,可方便提供服务和网络重新配置。③控制简单。其存在的不足是:①对中央节点的依赖性强。星型拓扑网络中的外围节点对中央节点的依赖性强,如果中央节点出现故障,则全部网络不能正常工作。②扩展困难、安装费用高。增加网络新节点时,无论有多远,都需要与中央节点直接连接,布线困难且费用高。③各站点的分布处理能力较低。星形拓扑的OPNET建模模型由10个工作站、1个交换机和1个服务器组成。为便于分析,环形和树形拓扑的建模也取10个工作站和1个服务器。


2.2 环形拓扑

环形网络是星形网络的修改版本。在环形网络中,节点通过专用的线路连接。一种可靠昂贵的环形网络设计是将每个节点都连接到其他节点上,通常称为完全环形,也称全网状设计,部分环形网络一般称为不完全网状设计。图2给出在OPNET Modeler中建立的环形拓扑,该模型由10个工作站和1个服务器组成。


环形拓扑的优点是:①无差错传输。由于采用点到点的通信链路,传输信号在每一节点上再生,因此传输信息的误码率可减至最少。②在增加或减少工作站时,仅需简单的连接操作。③适用于光纤。光纤的传输速度高,因环形拓扑网络是单向传输,适合用于光纤通信介质。如果在环形拓扑网络中将光纤作为通信介质,可大大提高网络速度。加强抗干扰能力。④电缆长度短。其存在的不足是:①节点故障会引发全网故障。因环上传输数据是通过接在环上的每个中继器完成的,所以任何两个节点间的电缆或中继器故障都会导致全网故障。②故障检测困难。因为环上的任意一点出现故障都会引起全网故障,所以难以对故障定位。③调整网络比较困难。要调整网络中的配置,如扩大或缩小,都比较困难。

2.3 树形拓扑

树形拓扑是一种分等级的结构。它通过一个根节点连接到二级节点上。这些二级设备与三级设备连接,三级设备与四级设备连接。树形拓扑的优点是:①易于扩展。②故障易于隔离。其存在的不足是:①各个节点对根的依赖性大。②网络中除最低层节点及其接线外,任意节点或连线故障都将影响器件所在支路的正常运行。图3给出在OPNET Modeler中建立的树形拓扑。该模型由10个工作站、4个交换机和1个服务器组成。


3 仿真与结果分析

图4(a)~图4(d)给出仿真结果。分别收集树形、星形和环形拓扑模型中系统延时(System Delay)、服务器延时(Server Delay)、服务器接收通信量(Server traffic received)和节点node_0的负载(node_0 Load)上的统计量进行仿真。其中,平均系统延时是衡量网络性能的重要指标。配置的仿真时间均为l小时,其他为默认配置。为方便比较,仿真结果取平均值。图4(a)所示为3种拓扑的平均系统延时曲线。可见它们分别稳定在0.002 l s,0.001 3 s,0.0006 s。很明显,在系统延时方面,环形拓扑最好,树形拓扑结构最差。原因是环形拓扑最简单,仅由工作站和服务器构成;树形拓扑最复杂,除工作站和服务器外,还有多个交换机,并且分多层。图4(b)为3种拓扑的服务器平均延时曲线。由图可见,环形拓扑的延时最好,而树形拓扑结构的延时最差。图4(c)为3种拓扑的服务器平均接收通信量曲线。由图可见,其环形拓扑的服务器平均接收通信量明显低于星形和树形拓扑。图4(d)为3种拓扑的工作站节点node_0平均负载。由图可见,经过波动后,星形、环形、树形拓扑的工作站节点node_0平均负载最终分别稳定在约800 bit/s,650 bit/s,500 bit/s。由此可见,树形拓扑的工作站节点node_0平均负载最好,而星形拓扑最差。

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