基于OPNET的宽带网流量建模研究及仿真

第 24卷 第 1期 2003年 3月 军 事 通 信 技 术 Journal of Military Communications Technology Vo1．24 No．1 M ar． 2003 基于 OPNET的宽带网流量建模研究及仿真 龚 平 ，张卫国 ，顾晓鸣 (1．解放军理工大学通信T程学院研究生 1队．江苏 南京 210007；2．总参第 61研究所试验站．北京 100039) 摘 要：网络仿真是～种全新的网络规划、和技术，它能够检验证实际有效性和比较多个不同 的设计方案 ，为网络的规划设计提供可靠的定量依据。文中首先对 OPNET的流量建模机制进行了研究分析，然后 详细阐述了一种建立宽带网流量模型的，最后利用OPNET平台对仿真模型进行了仿真验证。 关键词 ：宽带网；流量建模；网络仿真；数据库访问 中图分类号 ：TP393 文献标识码：A 文章编号：0032—1289(2003)01—0026—05 The Traffic Modeling and Simulation of the Broadband Netwok GONG Ping 。ZHANG Wei—guo ．GU Xiao—ruing (1．Postgraduate Team 1 ICE．PLAUST．Nanjing 210007，China： 2．The 6 1st Research Institute of PLA General Staff Headquarters，Beijing 1 00039，China) Abstract：Network simulation is a new technology of network plan，design and analysis．It can test and verify the validity of the practical scheme and compare multiple different network design schemes，SO in the network plan and design，the credible quantificational basis can be provided．In this paper，the traffic modeling mechanism based on the OPNET is analyzed firstly， then the means on how to model the network traffic in detail is presented．and the simulation moldel iS validated on the OPNET platform in the end． Key words：broadband network；traffic modeling；network simulation；database access 随着计算机技术和宽带网络的高速发展，网络结构日趋复杂、网络规模 日趋庞大、网络流量纷繁交织，采 用个人经验、物理试验及数学计算等传统的方法已不适应现代网络的规划和设计。近年来发展起来的网络仿 真技术是一种全新的网络规划和设计技术，它以其独有的特点能为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依 据。在验证网络设计方案时，通常我们不可能建立与待建网络规模相当的通信综合试验环境，而网络仿真可 以弥补这方面的不足，它能为宽带网络提供接近真实环境下的模拟试验环境和辅助测试手段，检验验证网络 的基本使用效能、网络可靠性以及提供各种新技术体制的试验环境，因此研究如何利用国内外先进的网络仿 真技术来进行网络仿真建模，实现网络资源的优化配置，网络建设费用的合理使用，为网络的正确规划、设计 和配置提供定量的参考依据具有重要意义。对通信网络的仿真主要包括对物理网络(设备、链路和等)的 仿真和网络流量的仿真。本文利用当前流行的网络级仿真工具OPNET，对OPNET的流量建模机制进行了 分析 ，并对宽带网流量的仿真建模进行了初步的研究。 1 OPNET提供的流量建模方式 OPNET是美国 OPNET Technology公司的网络仿真产品，具有在通信网络和信息系统方面的专业化 收稿 日期 ：2002—09—26；修回 日期 ：2002一l0一l0 作者简介：龚 平(1977一)．男．硕士生． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 龚 平等 ：基于 OPNET 的宽带 网流量建模研究及仿真 27 设计 ，是 目前世界上最先进 的网络仿真开发和应用平 台，它采用基 于包的建模机制(Simulation on Packet I eve1)和离散事件驱动的模拟机理(Discrete Event Driven)，并且提供各种目的的研究工具，包括模型设计、 仿 真、数 据 收集 和数 据 分析。在 OPNET 的仿 真建 模 中，对 网络 流量 的建 模 主要 分 为背 景路 由流量 (Background Routed Traffic)建模 、背景利用率流量(Background Utilization Traffic)建模和前景业务流量 (Application Traffic)建模三种方式。 1．1 背景路 由流量(Background Routed Traffic)的建模 背景路由流量是定义在一个源节点到一个或多个目的节点之间的流量。它有两种定义方法，一种是从网络 管理系统如HP Openview的Netmetrix读入，另一种是通过手工建立。通过网管系统的工具读人流量时可以 设置读人流量数据的起始、终止时间等参数。图1就是利用 Netmetrix读入的网络中的某一流量的情况。 由于网络规模庞大，HP Openview的RMON流量探头比较昂贵等客观因素，往往不能同时读入整个网 络的背景路由流量，并且，这种流量输入的方法也不灵活，由此，OPNET提供了手工建立背景路由流量的方 法，图 2是通过手工设置的不同时间段流量的不同参数。 流 量 矩 阵 编 辑 时间(秒) 回 回 图 1 通过 网络工具输入流量 流量 比特／秒 20o l6o l2O 80 40 O 字节／秒 O-3 0．24 0．18 0．12 O．O6 O 4320o 64800 86400 时间(秒) 图 2 手工建立 流量矩阵 1．2 背景利用率流量 (Background Utilization Traffic)建模 背景利用率流量是定义在链路或者节点上的流量，通过用百分比对应时间的形式来表现，表示网络中的 流量占整条链路可承受的最大负载的比例或消耗网络节点处理能力的比例 。这种流量定义方法可以指定 网 络资源的消耗 ，如设备 CPU 的背景利用率 ，链路所占用带宽。背景利用率流量常可用来代表基本的背景流 量和不太重要的流量，在仿真过程中，不必有真正的包传送，但它会对前景业务流量产生影响，使前景业务流 量中包的传送产生延迟 。它的优点是能缩短配置仿真网络流量的时间。 1．3 前景业务流量(Application traffic)建模 前景业务流量常定义在Workstation和Server节点之间，也可以定义在Station和Station之间。通过节 点 的属 性 (Attribute)和 Application Configuration来定 义，Application包括 Database Access、Http、File Transfer、File Print、Telnet、VolP和 Video Conference等业务 ，每种业务均可由用户定义相关参数，如对于 Http业务 ，可指定其业务流量、所用服务器、服务类型等等。 2 宽带网流量的建模 2．1 合理选择流量建模方式 选择哪种流量建模方式用于建立流量模型取决于仿真研究的目的。前景业务流量精确度高，但效率低 ， 配置时间长。背景路由流量可以代表网络中的主要流量，但缺乏对特定业务的针对性。背景利用率流量可用 鬻 到龅％ 日口 疽率 敢 维普资讯 http://www.cqvip.com 28 军 事 通 信 技 术 来考察一些难 以显性定义也不需要显 性定义的流量 。通常情况下 ，是综合运 用几种流量建模方式，从而在精确性 和效率之间取得平衡。表 1是常用的 仿真研究的问题和一般需要选择的流 量建模方式 。 2．2 建立流量模型 在上述的三种 流量建模 方式 中， 背景利用率流量和背景路由流量都可 表 1 各种流量建模方式的主要用途 网络吞吐量和带宽 网络的瓶颈在哪里 网络协议的性能 节点链路的失效分析 话音 、视频业务分析 数据业务分析 需要 需要 需要 一 般需要 需要 一 般需要 需要 需要 一 般需要 需要 需 要 一 般需要 需要 以通过网络管理 系统的流量采集工具如 HP Netmetrix、Cisco Netflow、Netscout Manager、Expert Sniffer、 Concord NetworkHeahh、Sniffer Analysis和Network General Sniffer等采集源一目的对之间的流量，并存放 成特定格式的脚本文件。在仿真执行过程中，由OPNET仿真程序读取脚本文件中的流量数据。因此在宽带 网流量建模中使用网络管理工具输入流量来建立背景利用率流量和背景路由流量是比较合适的。 前景业务流量是网络流量仿真建模中最重要的组成部分 ，因为它影响节点模型的 CPU 处理速率模型、 队列模型和路由模型等，由此会影响各种业务的响应时间和处理时间，同时对链路的吞吐量和利用率也会产 生影响u ，对它的建模常出于下面几种情况： (1)业务性能分析。针对某一特定的业务，测试分析其性能，或者在服务商提供新业务时，测试新业务的 性能及对网络整体性能的影响 。 (2)网络性能分析。在指定网络模型输入一定的背景流量的情况下，再加上适当的前景流量进行仿真，来 测试一些在背景流量下无法得到的网络性能参数(如TCP连接建立时间)等。 (3)网络规划和设计。在规划和设计新的网络模型。在没有任何背景流量的情况下，加载一定的前景流 量，以获取这种条件下的网络的性能参数(如链路利用率，端到端的响应时间，TCP连接建立时间等)，从而 可以为多个方案进行优缺点 比较时提供定量依据。 建立一个完整的前景流量模型必须先对各业务分别建模，然后进行组合再进行分析验证，再修改，再验 证l2]，如此多次直到符合要求为止。本文下面将对前景业务流量模型的建立进行详细阐述。 宽带网常具有多业务、高流量的特点，往往同时运行着www 万维网、FTP文件传输、E—mail电子邮 件、Data Access数据库访问、Telnet、VolP和视频会议等业务。在OPNET8．0中提供了这几种业务的建模， 并 定义了各种业务的属性。常用的建模 方法是根据不同的业务种类，对其流量特性的各个方面分别进行描 述，分别建立其业务源模型，然后进行业务组合 ]。这里只选取宽带网中应用最广泛的数据库访问业务为例 来进行建模研究 。 (1)OPNET 的 Dalabase ACC— ess的工作机理及属性参数的讨论 a．在 OPNET8．0中 对 Data— base Access业务进行仿真时，主要 对 以下 一 些属 性 进 行 建模 (见 表 2)。OPNET8．0提供上 表 中 1 OW I oad、Medium I oad、High Load三 种默认的属性 ，用户可以用 Edit按 表 2 Database Access业务的主要属性 用户要求进行手工定义并修改，我们可以用其中任何一组参数来仿真建模 ，如用 Medium I．oad，但通过对实 际流量的观察和仿真试验，发现用其中任何默认的一组参数进行仿真都不符合实际流量的特征。 b．根据大量仿真试验发现仿真时Database Access客户机首先向Database Access服务器发送一个定 长(512字节)的数据请求包，服务器随后返回一个指定要求大小的响应包。 C．讨论 Transaction Mix(Quries／Tota1)参数对仿真建模的影响。设p~Transaction Mix(Quries／Total 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 龚 平等：基于 OPNET的宽带网流量建模研 究及仿真 29 Transaction)，t—Transaction Interrival Time，S—Transaction Size，某子网内含有 Database Access客户机 ”台，则理论上在单位时间内：Database Access客户机应发送流量：T(Send)===[”×S×(1一户)+”×P× 512-]／t(字节)；Database Access客户机应接收流量：T(Receive)一 ×512×(1一户)+”×户×s]／t(-7-节)；链 路上总流量：T(Tota1)=T(Send)4-T(Receive)一[， × +”×512J／t(字节)。可见链路总流量与Transaction Mix(Quries／Total Transaction)没有关系，所在建模时可以不考虑 P的值 。 d．讨-沦 Transaction Interarrival Time和 Transaction Size参数对仿真 建模的影响。Transaction Interarrival Time和 Transaction Size可以服从多 种 分 布，在 OPNET8．0中一 共提 供 Norma1分 布、Possion分 布 和 Uni— form分布等 23种分布函数 。通过大 量的仿真试验发现有 OPNET8．0中 提供 的分布函数在不同的仿真 目的中 建模时有不同的精确度 ，表 3列 出了 几种主要的分布，这些 分布在进行相 表 3 主要的业务源分布及其用途 关目的仿真时其精确度较高。因此确定对Transaction Interarriva|Time采用Possion分布，而 Transaction Size服从 Norma1分布来建模 。 ’ (2)建立 Database Access业 务的数学模型 如前所述 ，只有一组参数进 行建模时得到的结果通常很不精 确 ，这里用任意 的两组参数来建 立流量模型 ，以使模型具有普遍 适用性 。设某局域网共有 ”台工 作站 ，且局域 网可 以分成两个子 网 I AN1和 I AN2，分别对应 主 表 4 建模参数 机数 ，21和 n2(nl+n2一”)，依据上面的讨论 Transaction Interarrival Time采用 Possion分布的随机变量 ， 而 Transaction Size服从 Norma1分布，设定下面两组参数(见表 4)。 其中户1+p2—1，￡1～尸(21)，f2～尸(22)，sl～N(zl，a1)，s2～Ⅳ(Z2，a2)；所以 I AN1生成的总流量为： 71(I AN1)一[，21×sl 4-n1×512)]／f1(字节)；I AN2生成的总流量为：71(I AN2)一I-n2×s2+n2×512)]／t2 (字节)；总的流量为：T(Tota1)一71(I AN1)+T(I AN2)。 设 实际流量为 T(Rea1)，若 T(Rea1)一T(Tota1)，则仿真结果达到最理想的情况，实际由于流量 的随机 性，这种完全相等的情况不可能存在，一般宽带网仿真系统要求仿真模型的仿真结果与实际测量结果的误差 小于 15％，仿真结果的置信度大于 85 。设 尸为概率分布，则可得下面的一组表达式： fPE(1T(Tota1)／T(Rea1)一1 1)≤15 9／6]≥85 9／5 尸[(1T(I AN1)／T(Rea1)--P1 1)≤15 ]≥85％ lP[(IT(I AN2)／T(Rea1)一P2 1)≤15 ]≥85 可以通过穷举法获得一组满足以上要求的， 1和 ”2，如果使用多组参数，则同样可以得到一组类似的方 程，但利用穷举法求解将十分困难，只能通过建立决策模型，设立决策向量来求解了。 (3)合理组合多个网络的业务流模型 实际网络往往同时运行着多种业务，在仿真过程中，应该选择能够合理描述业务流量特性的业务流种类 进行抽象，其他的业务流属性可以抽象到背景利用率流量和背景路由流量的建模中去。 维普资讯 http://www.cqvip.com 30 军 事 通 信 技 术 2003在 3 仿真模型的评估与分析 通过以上分析 ，建立一个简单的仿真模型来对这种建模 方法 的有效性进行评估 (见图 3)。设定某公司有一 I AN 含 有 30台工组站 ，通过 10BaseT链路连接在 Routerl上，公司 的 DB Server连 接 在 Router2上，Routerl和 Router2、 Router2和 DB Server之间均通过 10BaseT链 路相连，实际 网 络 中 主 干 路 由 器 Routerl和 Router2之 间 运 着 有 Database Access、File Transfer和File Print等多种业务，实 际链路总利用率为 10 ，其中 Database Access是公 司的主 要业务 ，并且 Database Access业务流量 占总业务量的 50 。 此次仿真的主要 目标是建立 I AN和 DB Server之间的 流量模型 ，使仿真链路利用率与实际链路利用率最大可能的 相似 ，因为仿真与业务性能没有关系，所 以可将非 Database Access 的业务流量抽象成链路 的背景利用率，在仿真时定义 Routerl和 Router2之间的链路背景利用率为 5 ，因为 Database Access业务 是网络 中的主要业务，所以对 Database Access业务流量的建模遵 循上面的对前景业务流量建模的方法 ，设定仿真系统要求仿真结果 与实际测量值的误差小于 15 ，仿真结果的置信度等于 85 ，建模 时将公司局域网分成 I AN1和 I AN2，其中I AN1采用表 2中的 Medium I．oad组参数，I AN2采用 High I oad组参数，因而可以建 立 Database Access业务流量的数学模型，对模型求解后可以得到 I AN1和 I AN2的工作站数量 1和 2分别等于 21和 9，因此在 OPNET平台上建立图 3中网络仿真模型。 在仿真时间为 1000秒、60分钟和 120分钟的情况下运行仿真 模型，所得仿真结果差异极小，图 4和图 5是仿真模型在运行 60分 钟时的仿真结果 。 其 中图 4为 Router1到 Router2的链路仿真利用率 ，值为 10． 33333 ，图 5为 Router1到 Router2的链路仿真 的平均利用率，值 为 9．76822 ，因为实际链路总利用率为 10 ，可见仿真结果与实 际流量的误差较小，而且多次在仿真 中改变仿真的时间长度 ，网络 拓扑，节点性能等仿真条件，结果的准确性都在 80 以上，基本满足 了宽带网流量模型的要求 。 4 结束语 DB Server 2l 9 图 3 仿真模 型图 路 由器 1一 路由器2 时间／秒 图 4 链路仿真 利用率 路 由器 1一 路由器2 网络的点到点链路平均利用率 ／，， ， | 0 l0 20 30 40 50 60 时间／秒 图 5 链 路的平均利用率 建立 网络流量模 型是网络仿真中最重要的环节之一 ，模型的好 坏直接影响仿真结果的可靠性 ，但实际网络的流量是很复杂的，往往带有随机性[3]，绝对完整精确地描述和 建模是不可能的 ，因此必须通过分析提取其主要特征 ，合理利用各种流量建模方式，科学的组合各种业务流 模型，用尽可能有限的参数来描述，从而建立较准确的流量模型。 (下转第 60页) 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 降旺 维普资讯 http://www.cqvip.com 60 军 事 通 信 技 术 时可以用光盘来存储下改进后的系统，通过操作系统mkisofs和cdrecord等命令就可以实现光盘刻录。 本文介绍了一种通过定制RPM包实现改进Linux系统的方法，通过这种方法用户可以升级Linux操作 系统内核版本，并根据用户需求对内核进行裁减，优化性能；用户的安全增强程序可以被集成到系统中，从而 实现增强系统安全功能同时优化系统的目的。 参考文献 ： E1] 陈雅秀．Linux指令辞典[M]．北京：中国铁道出版社，2001． [2] Olaf K．系统管理白皮书[M]．北京：机械工业出版社，2000． [3] Bailey E C．Maximum RPM [EB／OL]．http：／／WWW．redhat．com／docs／books／，2000—02—29． [4] 于辰涛．构造 Linux的图形化安装程序[EB／OL]．http：／／WWW一900．ibm．tom／developer works／cn／Iinux／sdk／ nstall／ part4／index．shtm1．2001-1 0-08． II¨◆ in141-111141-111t41-1ill~-111141-111141-1nl41-111141-111141-111l4．11114．111t4．1111~ (上接 第30页) 参考文献 ： [1] 黄柯隶．系统仿真技术[M]．长沙：国防科技大学出版社，1998． [2] Kleinrock L．Analytical and simulation models in computer network design．AFIPS conference proceedings[J]．1970 Joint Spring Computer Conference．1970，36(5)：569—579． [3] 李仲令，曹世文，葛造坤．现代通信系统仿真及应用[M]．成都：电子科技大学出版社，1998． ，llll’IIII’⋯I、 简讯 luI◆llll◆川一 lII'Q'IIII'~'IIII'Q'llI{● llII'Q'IIB'II'IIII'Q'IIB'Q'llI1◆ l 通信工程学院又增加两个全军性研究中心 全军性研究中心主要担负相关技术领域科学研究和高层次人才培养任务，体现学院在相关领域的领先 地位和重要作用。 为加速无线数字通信技术及智能信息处理领域的研究，努力形成适应高技术条件下信息战的需求，依据 我军通信装备“十五”科研规划精神，紧密结合我军数字化战场建设和对台军事斗争准备的需要以及我院坚 实的科研基础。近期，总部批准在学院成立“全军无线数据通信技术研究中心”、“全军智能信息处理技术研究 中心”。 到目前为止，我院共有全军研究中心六个，分别是：“全军交换技术与ATM研究中心”、“全军数字通信 技术研究中心”、“全军卫星通信研究中心”“、全军网络技术研究中心”“、“全军无线数据通信技术研究中心”、 “全军智能信息处理技术研究中心”。学院还有全军卫星通信培训中心一个，全军卫星通信重点实验室一个。 各研究中心将依托现有编制，在人员使用、经费调整、场地建设上学院给予重点支持，充分发挥现有技术 和人才优势，力争早出成果，快出人才，为我军现代化建设作出更多贡献。 (通信工程学院科研科 胡均权) 维普资讯 http://www.cqvip.com