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1、南京航空航天大学 OPNET仿真实验报告计算机网络实验目录第一章实验任务31.1 实验一31.2 实验二3第二章OPNET网络建模及仿真方法32.1 OPNET简介32.2 OPNET仿真关键技术42.2.1 层次化建模技术42.2.2 离散事件仿真机制42.2.3 仿真调度机制42.2.4 通信机制42.3 OPNET仿真流程5第三章实验仿真过程63.1 实验一 单台服务器场景 仿真过程63.1.1 建立网络拓扑结构63.1.2 收集统计量83.1.3 运行仿真93.1.4 60台PC场景 1_expand_60103.1.5 90台PC场景1_expand_90113.2 实验一 多台服务
2、器场景 仿真过程123.3 实验二 用OPNET对RIP仿真分析13第四章实验仿真结果及分析134.1 单台服务器场景仿真结果及分析134.1.1 整个网络平均延迟对比曲线图144.1.2 服务器与交换机链路的平均吞吐量对比曲线图144.1.3 服务器CPU负载变化对比曲线图，见图16.154.2 多台服务器场景仿真结果及分析164.2.1 整个网络平均延迟对比曲线图164.2.2 服务器与交换机链路的平均吞吐量对比曲线图164.2.3 服务器CPU负载变化对比曲线图174.3 用OPNET对RIP仿真结果及分析184.3.1 RIP协议概述184.3.2 RIP的工作原理184.3.3 RI
3、P路由更新机制204.3.4 建立网络拓扑结构214.3.5 仿真结果234.3.6 对RIP协议的总结28第五章实验心得体会以及不足295.1 心得和体会295.2 实验中的不足29OPNET仿真实验报告第一章 实验任务1.1 实验一 设置一个仿真场景，假设PC有N台，服务器有M台，交换机和路由器根据N值进行配置 当N=30，60，90和M=1时，设置仿真场景，配置连接设备，服务器配置FTP、TELNET、WWW、SNMP等服务，给出N不同取值时：1）整个网络平均延迟对比曲线图2）服务器与交换机链路的平均吞吐量对比曲线图3）服务器CPU负载变化对比曲线图 当N=90，M分别取值1和2时，设置
4、仿真场景，配置连接设备，服务器配置同上，给出M不同取值时：1）整个网络平均延迟对比曲线图2）服务器与交换机链路的平均吞吐量对比曲线图3）服务器CPU负载变化对比曲线图。1.2 实验二RIP协议的OPNET仿真分析第二章 OPNET网络建模及仿真方法2.1 OPNET简介OPNET是1986年由美国MIL3 Inc(现在为OPNET Technologies Inc.)研制的，最初是用于军事需要，但很快就发展成为一款商业化软件，并成为目前世界上最先进的网络仿真和开发工具之一。现在全球大约有2700个OPNET用户，涉及企业、军事、教育、银行、保险等多个领域，被第三方权威机构评为“世界级网络仿真软
5、件第一名”。作为商业软件的OPNET价格非常昂贵，但它也提供了专门用于教育和科研的免费版本，如OPNET IT Guru。OPNET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；采用离散事件驱动的模拟机理，使计算效率得到了很大提高；将基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来，大大加快了仿真速度，而且可以得到更加细节化的模拟结果；在物件拼盘中，包含了详尽的模型库：路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备等，还有其它厂商的配备，使OPNET在新网络项目的设计以及对现有网络的分析方面都有卓越表现；它为通信协议和路由算法的研究提供了与真实网络相同的环境。此外，功
6、能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效而又直观的工具；提供了多种业务模拟方式；具有丰富的收集分析统计量，查看动画和调试等功能；它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。目前OPNET的应用在国内还处于起步阶段，因此OPNET具有很大的研究和应用价值。2.2 OPNET仿真关键技术2.2.1 层次化建模技术0PNET采用层次化的建模技术，提供了三层建模机制：网络模型、结点型和进程模型。网络模型为最上层，由可以嵌套的子网、通讯节点和在节点间进行通信的链路组成，在这一层完成网络拓扑和模型配置；进程模型是最底层，用有限状态机(FSM)来描述各个状态和状态间转移
7、关系，进程模型是通信协议功能模拟以及与仿真有关的控制流行为实现的具体位置，其中FSM是用C语言描述的通信行为程序；结点模型定义结点的内部结构，由发信机模块、接收机模块、处理机模块、队列模块及包流、统计线等连接组成。通过0PNET的网络模型、结点模型和进程模型三层建模机制建立起来的模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。网络模型、结点模型和进程模型分别在相应的项目编辑器、结点编辑器和进程编辑器中完成。本实验就是从第一个层次进行建模，从而完成仿真任务的。2.2.2 离散事件仿真机制0PNET采用基于离散事件驱动的仿真机制。事件是指网络状态的变化。网络状态发生变化时，模拟
8、机进行仿真，状态不发生变化的时间段，不进行仿真，即被跳过，因而仿真时间是离散的。每个仿真时间点上可以同时出现多个事件，事件的发生可以有疏密的区别。仿真中的各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息。每当出现一个事件中断时都会触发一个描述网络系统行为或者系统处理的进程模型的运行。通过离散事件驱动的仿真机制实现了在进程级描述通信的并发性和顺序性，再加上事件发生时刻的任意性，决定了可以仿真计算机和通信网络中的任何情况下的网络状态和行为。2.2.3 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的行为。调度的完成通过仿真软件的仿真核和仿真工具模块
9、以及模型模块来实现。事件列表的调度机制具体描述如下：1每个OPNET仿真都维持一个单独的全局时间表，其中的每个项目和执行都受到全局仿真时钟的控制，仿真中以时间顺序调度事件列表中的事件，需要先执行的事件位于表的头部。当一个事件执行后将从事件列表中删除该事件。2仿真核作为仿真的核心管理机构，采用高效的办法管理维护事件列表，按顺序通过中断将在队列头的事件交给指定模块，同时接收各个模块送来的中断，并把相应事件插入事件列表中间。仿真控制权伴随中断不断地在仿真核与模块之间转移。3当事件同时发生时，仿真核按照下面两种办法来安排事件在事件列表中的位置：(1)按照事件到达仿真核的时间先后顺序，先到达先处理(fi
10、rst come first serve。(2)按照事件的重要程度，为事件设置不同的优先权，优先权高的先处理。2.2.4 通信机制OPNET采用基于包的通信机制来模拟实际物理网络中数据包的流动。包是为支持基于信息源通信而定义的一种数据结构，可以动态创建、修改、复制、发送、接收和销毁。每个包含有一些存储信息的区域，通过包流实现同一节点模型的不同模块间的传输。和基于包的通信机制类似的另一种通信方式是基于接口控制信息(ICI)的通信机制。ICI是与事件关联的用户自定义的数据列表。如果某个事件希望传递信息给予它相隔一段时间的将来某个事件，可以将ICI绑定在将来这个事件中，等到它将来发生时就可以取出IC
11、I信息。因为ICI以事件为载体，所以可以用在各种有关事件调度的场合，例如同一节点模型的相同模块内部、同一节点模型的不同模块之间及不同节点模型之间都可以采用基于ICI的通信。如果流事件源于包的传输，但是需要传输额外的信息又想避免使用包本身，这时可以用ICI。2.3 OPNET仿真流程利用OPNET仿真，一般遵循以下工作流程：1定义目标问题：明确和规范化网络仿真所要研究的问题和目标，提出明确的网络仿真描述性能参数。如网络通信吞吐量、链路利用率、设备利用率、端到端延迟、丢包率、队列长度等。2建立仿真模型：根据研究的问题和目标，建立所需的网络、进程或协议模型(包括网络拓扑结构、协议类型、包格式等)，配
12、置相关业务。3收集统计数据：收集要用于仿真模型实现和验证的相关统计数据。如网络流量、端到端延迟、丢包率等。4运行仿真：利用仿真工具进行仿真实验，以得到所需要的数据。5查看并分析结果：查看结果并利用相关分析工具和数学知识对仿真结果进行统计分析。6调试再仿真：分析仿真数据，找出网络的性能瓶颈，然后通过修改拓扑、更新设备、调整业务量、修改协议等方法得到新的仿真场景，再次运行仿真。7生成仿真报告：生成网络仿真的研究报告。图 1 OPNET仿真流程由于网络的复杂性，在实际网络研究中，一般不可能一次就能达到仿真目的，而往往需要多次重复其中的部分或全部步骤。另外网络仿真过程中仿真参数尽可能根据需要合理选取，
13、并不是越详细越好，无用的参数可能使系统的处理效率下降。第三章 实验仿真过程3.1 实验一 单台服务器场景 仿真过程3.1.1 建立网络拓扑结构要创建一个新的网络模型，首先需要创建一个新的项目（Project）和一个新的场景（Scenarios）。首先创建30台PC机的场景:1_first_30。(1) 打开 OPNET Modeler 10.0。 (2) 从 File 菜单中选择 New.。(3)从弹出的下拉菜单中选择 Project 并单击 OK 按钮。 (4)将项目命名为1_sim_network，场景命名为1_first_30。 (5)单击 OK 按钮。 按照向导创建网络拓扑图。首先选择
14、一个空的项目Create Empty Scenarios，然后选择办公网络Office，然后确定网络的大小100m100m，然后选择OPNET自带的对象模型家族种类，将Sm_Int_Model_List设为Yes，最后确认场景，单击OK。(6)使用快速拓扑配置，一次性创建规则的拓扑结构，从Topology菜单中选择Rapid Configuration。 (7)从配置下拉列表中选择Star，单击 OK。之后为该星形拓扑网络指定节点模型和链路模型。即Center Node Model设为3Com公司的交换机3C_SSII_1100_3300_4s_ae52_e48_ge3；Periphery N
15、ode Model设为Sm_Int_wkstn；Link Model设为10BaseT，其中数量设为30。再合理设置位置和半径，单击OK。这样项目编辑窗口中会出现包含有一台交换机和30台PC结点的网络拓扑图。下面对上述该星形网络拓扑结构进行扩展。(8)添加服务器。打开对象面板，找到 Sm_Int_server 对象，并将它放置在工作空间中。单击右键，结束节点放置。 接下来，需要连接服务器和星型网络： (9)在对象模板中找到 10BaseT 链路对象。在服务器上单击鼠标左键，移动光标，再单击星型网络的中心节点。这时出现连接两个节点对象的链路。单击鼠标右键结束链路创建。 最后需要为网络配置业务，包
16、括应用定义(Application definition)和业务规格定义(Profile definition)。(10)在对象模板中找到 Sm_Application_Config 对象并将其放置在工作空间中。单击右键，光标重新移到对象模板中，单击 Sm_Profile_Config，并将其放置在工作空间中，单击右键。模板中应用定义对象和业务规格定义对象的参数已经配置好(为 Light database 业务)，下面添加其他服务，OPNET在Application Config中预设了一些常用的服务，在Sm_Application_Config右键选择Edit Attributes 选项，然
17、后在Application Definition参数下添加多行（rows），每一行可以设置sever支持的一个服务。如图2所示。 图 2 Application Config 服务种类属性的设置 与服务器应用配置相对应，需要配置业务主寻，即Profile Definition。右键选择Edit Attributes，然后在Profile Configuration中的Application中添加行，并选择需要的服务。图 3 Profile Config 业务主寻属性的设置当然客户端也需要设定业务主询。可供客户端选择的业务主询的种类和在业务主询配置器中的设定要完全吻合。这里客户端的Applica
18、tion Support Profile属性中中选择前面配置的业务主寻Sm_Int_Profile。最终得到网络拓扑图见图4。图 4 1_first_30网络拓扑图3.1.2 收集统计量在网络模型中可以对单个对象收集统计量(Object statistics)，也可以对整个网络收集全局统计量(Global statistics)。根据实验要求，我们需要收集的统计量有，整个网络平均延迟、服务器与交换机链路的平均吞吐量、服务器CPU负载。(1) 整个网络平均延迟是全局统计量，在空白处右键选择Choose Individual DES Statistics，然后将Ethernet中的Delay选项选
19、中。如图5所示。图 5整个网络平均延迟统计量设置(2) 服务器CPU负载是对象统计量，在服务器上右键单击Choose Individual DES Statistics，然后选中Node Statistics Ethernet Load(bit/sec)，如图6所示。图 6服务器CPU负载统计量设置(3) 服务器与交换机链路的平均吞吐量是对象统计量，在该链路上右键单击Choose Individual DES Statistics，然后选中point-to-point throughput(bits/sec)- 和throughput(bits/sec)Delay、RIP-Network Co
20、nvergence Activity、RIP-Network Convergence Duration、RIP-Traffic Received、RIP-Traffic Sent。Node Statistics中的Route Table-Total Number of Updates。下面介绍一下网络拓扑图的构造，其中分为一个主干网络以及4个子网。其中主干网络有BackBone_Router1-4，4台路由器构成，子网是由一台路由以及两个100BaseT_LAN局域网构成。其网络拓扑机构图见图22和图23。图 22 RIP协议分析整体网络拓扑图图 23 整体拓扑图中4个子网的网络拓扑图其中为了
21、为了检测链路修复等统计量，这里添加了一个Failure-Recovry组件。并且配置一个失效，在Failure组件上右键选择编辑属性，然后在该编辑窗口设置如图24，在500s时让主干网中路由2和路由4出现失效，然后再在1000s时使其链路恢复。图 24 设置链路失效以及恢复因为我们需要查看路由表的变化，故在这里需要对路由器进行设置，来保存相应时间的RIP路由表。其设置方式在路由器上右键选择编辑属性，然后按照图 25所示设置。其中End of Simulation表示在仿真结束后保存路由表。图 26 路由器保存特定时间路由表设置我们失效是设置在路由器1和路由器2之间，这里我们主要监视路由器2的R
22、IP路由表。下面开始运行仿真，其中需要设置全局路由策略以及一些其他参数，见图 27。主要对Global Attribute 中的IP Dynamic Routing Protocol设为RIP，然后将IP Interface Addressing Mode 设为Auto Addressed/Export，这个选项用来后面我们获取拓扑结构的IP文件。最后要把RIP Sim Efficiency 设为Disabled。然后运行仿真。图 28 仿真参数设置4.3.5 仿真结果由于网络较为复杂，这里使用OPNET的实验报告生成工具生成HTML格式实验报告，用于分析其中内容。其中子网局域网的网络延时见图
23、29, 局域网的延时大概在0.00009秒左右。图 29 子网中LeftNet_1 局域网的网络延时整个网络RIP协议的收敛情况见图30。通过观察RIP协议在节点数目不是很多的情况下收敛情况十分理想的。图 30 整个网络RIP协议的收敛情况另外各个路由器的收敛情况可以查看表，这是通过OPNET自动生成的。表 1 各个路由器的收敛情况Node RIP Router Convergence Activity RIP Router Convergence Duration (sec) BackBone_Router_10.000600.2987BackBone_Router_20.000460.31
24、28BackBone_Router_30.001760.8738BackBone_Router_40.001810.9212EastNet_2.center_20.007933.9015NorthNet_1.center_10.009574.7318SouthNet_3.center_30.279571.0330WestNet_4.center_40.007823.8246RIP协议的开销见图31，从图中我们发现RIP会定时的产生协议的开销，这个定时周期就是路由更新定时器的时间30s左右。并且这种开销一直维持在较高的水平上，在4500到6500bits/s之间。图 31 整个网络RIP协议的开
25、销路由表更新总数目见表2，发现其中路由器2和4更新比较频繁，这是由于在500s时在路由器2和4之间设置了一次fail。Sort ByNode Sorted ByAverage Sort ByPeak BackBone_Router_2 10.8 28 BackBone_Router_4 10.0 29 BackBone_Router_3 8.0 29 EastNet_2.center_2 8.0 31 SouthNet_3.center_3 8.0 29 最后我们分析一下路由表的变化，在分析之前因为我们的拓扑网络的IP是自动分配的，所以这里我们要获得整个网络的IP分配情况，在File-Opne
26、的下来菜单中选择Generic Data File 然后选择RIP_Router_SIM_RIP_Failure-ip_addresses,这是个gdf文件（见图32），包含了整个网络的IP分配情况，整个网络的IP分配图见图33。除了图上非配的，另外还有192.0.16.0192.0.13.0分配给R1到R4作为环回LoopBack。图 32 包含IP分配信息的gdf文件图 33 整个网络的IP分配图为了分析路由表，首先截取了路由器2在500s、1000s、18000s时的路由表，见图34-36图 34 500s时Router2的RIP路由表图 35 1000s时Router2的RIP路由表图 36 1800s时Router2的RIP路由表通过3个路由表分析，当500s时出现了Router2和Router4之间的失效，这样直接导致Router2到192.0.11.0子网等子网出现断开，也就是将距离设为Metric=
