“現(xiàn)代通信網(wǎng)”中引入ＯＰＮＥＴ教學(xué)探討

【中圖分類號】TP391.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】1673-8209(2009)6-0136-02

【摘要】“現(xiàn)代通信網(wǎng)”是通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，為了在學(xué)生多、經(jīng)費(fèi)少的情況下提高教學(xué)效果，根據(jù)現(xiàn)有條件和課程特點(diǎn)，提出在該課程教學(xué)中引入OPNET軟件的方案，使用OPNET軟件實(shí)現(xiàn)電話網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)等較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)級計(jì)算機(jī)仿真。實(shí)踐證明，這種方法費(fèi)用低、效果好，具有推廣價值。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代通信網(wǎng);OPNET;網(wǎng)絡(luò)仿真

“現(xiàn)代通信網(wǎng)”是通信工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課。但是由于該課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資巨大，教學(xué)內(nèi)容更新很快，所以該課程的實(shí)驗(yàn)在許多高校一直沒有很好地解決。由于學(xué)生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，教學(xué)效果也不夠理想。隨著網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的不斷成熟與普及，在“現(xiàn)代通信網(wǎng)”課程教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真來進(jìn)行較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)級仿真已成為可能。

本文對這種方法進(jìn)行了探討和評估。

1 網(wǎng)絡(luò)仿真工具的選擇

網(wǎng)絡(luò)仿真軟件種類很多，目前較為流行的四種，具體如表1所示。表中前3種軟件功能很強(qiáng)，能夠?qū)潭ā⒁苿?、衛(wèi)星以及混合等多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。OPNET提供三層建模機(jī)制，以離散事件驅(qū)動為模擬機(jī)理，提供比較齊全的基本模型庫，具有豐富的統(tǒng)計(jì)量收集和分析功能，還提供了和網(wǎng)管系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)的接口，方便利用現(xiàn)有拓?fù)浜土髁繑?shù)據(jù)建立仿真模型，也可以對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;NS的設(shè)計(jì)使用了兩種程序設(shè)計(jì)語言:c++和Otcl，NS代碼使用Otcl語言編寫，通過Otcl語言解釋器解釋，使用NS仿真庫進(jìn)行編譯和仿真，輸出仿真結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果記錄，可進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容分析，生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D或得到數(shù)據(jù)的可視化圖表。NS仿真最適合于TCP層以上的仿真;QualNet能夠模擬最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，并且是市場上仿真速度最快、可擴(kuò)展性最好的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，其具有的大型模型庫和強(qiáng)大的開發(fā)工具幫助用戶最大限度減少編寫源碼的時間。適用于無線、移動網(wǎng)絡(luò)的仿真;MATLAB作為國際學(xué)術(shù)界確認(rèn)的準(zhǔn)確可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件，是一個集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的強(qiáng)大系統(tǒng)，最適合于點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)。

考慮到“現(xiàn)代通信網(wǎng)”主要講授各種類型的通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、編址方式、路由算法、服務(wù)質(zhì)量等內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)仿真需要形象直觀，參數(shù)便于設(shè)置和修改，又考慮到OPNET的大學(xué)計(jì)劃可以提供免費(fèi)教學(xué)版本，雖然部分模塊不全，但完全可以滿足教學(xué)需要，因此我們選用該公司教學(xué)版的OPNET。

2 教學(xué)實(shí)例

“現(xiàn)代通信網(wǎng)”主要介紹通信網(wǎng)的基本概念、組成，通信網(wǎng)要解決的基本問題;各類業(yè)務(wù)網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和工作原理;各類業(yè)務(wù)網(wǎng)之間的共性和個性差異;導(dǎo)致各類業(yè)務(wù)網(wǎng)之間產(chǎn)生技術(shù)差異的原因;現(xiàn)代通信網(wǎng)為何被設(shè)計(jì)成今天的樣子;什么因素促使了通信網(wǎng)的發(fā)展變化;未來的通信網(wǎng)可能怎樣發(fā)展和變化。下面以電話網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量為例，闡述指導(dǎo)學(xué)生使用OPNET軟件進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)的基本步驟。

2.1 總體設(shè)計(jì):電話通信網(wǎng)采用電路交換技術(shù)，由于通信雙方獨(dú)占信道帶寬，一旦交換節(jié)點(diǎn)接納此次呼叫，則為該呼叫提供固定的帶寬資源。但因?yàn)槭艿浇粨Q機(jī)處理能力、通信鏈路帶寬等諸多因素的影響，還是會產(chǎn)生呼叫失敗的可能。對于電話通信網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量主要分為傳輸質(zhì)量和接續(xù)質(zhì)量。傳輸質(zhì)量主要有響度、清晰度、逼真度等指標(biāo)衡量，這些指標(biāo)基本有主觀評定;接續(xù)質(zhì)量主要有接續(xù)呼損和接續(xù)時延，我們這里以接續(xù)呼損為例來進(jìn)行試驗(yàn)。為簡單起見，我們建立一個由兩交換局所組成的本地電話網(wǎng)， PBX1、PBX2均可以模擬若干部話機(jī)產(chǎn)生話音業(yè)務(wù)，如圖1所示。

圖1 兩交換局本地電話網(wǎng)

2.2 模塊設(shè)計(jì):根據(jù)PBX和電路交換機(jī)的功能，通過逐步細(xì)化，按“自底向上”的順序依次完成各模塊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好各個模塊后，再根據(jù)圖1所示的總體結(jié)構(gòu)，將各模塊組合在一起，可以完成整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。下面說明各模塊的設(shè)計(jì)過程。

(1)PBX的設(shè)計(jì):電話網(wǎng)中，每個交換端局都會接入為數(shù)眾多的終端話機(jī)，模擬話機(jī)產(chǎn)生電話業(yè)務(wù)是評價呼損的前提。這里用PBX(用戶交換機(jī))處理分機(jī)之間的通話，同時再通過主干線與公共交換電話網(wǎng)連接。假設(shè)普通用戶呼叫的到達(dá)時間服從指數(shù)分布，每個用戶呼叫的持續(xù)時間服從正態(tài)分布，每個呼叫獲得的帶寬是64kbps，進(jìn)入的各種呼叫不區(qū)分優(yōu)先級，對于話音業(yè)務(wù)不進(jìn)行壓縮處理，PBX允許接入的最大呼叫數(shù)為100。PBX1模擬10個電話用戶，PBX2模擬一個電話用戶。如圖2所示。

圖2 呼叫相關(guān)參數(shù)設(shè)置

(2)SSP的設(shè)計(jì):電話網(wǎng)中，最基礎(chǔ)的電話交換中心就是端局，主要負(fù)責(zé)終端用戶的接入和局內(nèi)呼叫。因?yàn)槟壳半娫捑W(wǎng)的信令系統(tǒng)絕大多數(shù)都以采用七號信令系統(tǒng)，而SSP(業(yè)務(wù)交換節(jié)點(diǎn))就是最先響應(yīng)電話呼叫的電路交換機(jī)。實(shí)際運(yùn)行中，電話交換機(jī)都包含七號信令的相關(guān)功能。假設(shè)電路交換機(jī)的交換能力是100Mbps，最大并發(fā)呼叫數(shù)為1000個，支持SS7信令，連接時延、通話時延都服從常數(shù)分布。正是因?yàn)橛凶畲蟛l(fā)呼叫的上限，因而隨著呼叫數(shù)量的增加，必然會導(dǎo)致呼叫損失。具體參數(shù)如圖3所示。

圖3 交換節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

(3)用戶線和中繼線的設(shè)置:這里，假設(shè)PBX與SSP之間、SSP與SSP之間均采用T1線路，即1.544Mbps，因而可以預(yù)期，一旦用戶發(fā)起的呼叫請求超過鏈路的承載能力，則將會出現(xiàn)呼叫損失。

(4)統(tǒng)計(jì)量的收集:因?yàn)楸驹囼?yàn)是為了測試在一定的呼叫強(qiáng)度下，電話交換系統(tǒng)的接續(xù)質(zhì)量，我們主要收集以下參數(shù):交換機(jī)之間干路利用率、呼叫建立時間、呼叫阻塞數(shù)、呼叫實(shí)際連接數(shù)、呼叫生成數(shù)、交換機(jī)的帶寬預(yù)留等，如圖4所示。

圖4 統(tǒng)計(jì)量收集

2.3 結(jié)果分析:因?yàn)镻BX1有10個用戶，每個用戶產(chǎn)生呼叫的間隔時間服從指數(shù)分布，而呼叫持續(xù)時間服從正態(tài)分布，隨著時間的推移，PBX1產(chǎn)生的呼叫數(shù)將超過SSP能夠并發(fā)處理呼叫數(shù)的上限，因而呼損隨之產(chǎn)生。圖5顯示出PBX平均呼叫產(chǎn)生數(shù)與呼叫阻塞數(shù)，以及鏈路所達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量。隨著呼叫數(shù)的增加，SSP之間鏈路的利用率也趨近于100%，如圖6所示。

3 實(shí)踐效果

通過實(shí)踐我們體會到，在“現(xiàn)代通信網(wǎng)”課程教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，有以下好處:

3.1 使學(xué)生加深了對課程內(nèi)容的理解:因?yàn)閷τ谕ㄐ啪W(wǎng)而言，現(xiàn)網(wǎng)的環(huán)境非常復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)不允許學(xué)生在其上進(jìn)行修改配置，而且用戶產(chǎn)生的呼叫需要經(jīng)歷相當(dāng)長一段時間才能獲得。每當(dāng)講到服務(wù)質(zhì)量這部分內(nèi)容時學(xué)生都反映理解起來比較困難。通過OPNET軟件，學(xué)生能親自上手配置，對于評價服務(wù)質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)有了更深刻的理解。

3.2 提高學(xué)生分析問題解決問題能力:眾所周知，由于種種原因，近幾年來學(xué)生的實(shí)踐能力訓(xùn)練不同程度有所減弱，畢業(yè)應(yīng)聘時往往達(dá)不到用人單位的要求。在“現(xiàn)代通信網(wǎng)”專業(yè)課程教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)仿真可以使學(xué)生熟悉各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其工作原理，提高了他們分析問題解決問題的能力。

圖5 呼叫生成數(shù)與呼叫阻塞數(shù)以及鏈路平均服務(wù)質(zhì)量

圖6 中繼線鏈路利用率

3.3 節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi):傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)需要大量專門的交換設(shè)備和測量儀器，投資大，費(fèi)用高。使用教學(xué)版OPNET軟件輔助硬件實(shí)驗(yàn)，只要有足夠的計(jì)算機(jī)即可，不需要額外投資，這對一般院校來說都有這個條件。

4 結(jié)語

在信息類專業(yè)課程教學(xué)中引入OPNET需要精心安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)時間，需要老師的無私奉獻(xiàn)。我們在“現(xiàn)代通信網(wǎng)”課程教學(xué)中引入OPNET只是一種嘗試，雖然取得一定效果，但還有許多問題需要進(jìn)一步探討。比如，如何避免個別學(xué)生的抄襲問題?如何解決學(xué)時少和內(nèi)容多的矛盾?對此我們愿與兄弟院校同行共同探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 王文博，張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真.人民郵電出版社，2003

[2] 孫屹主編，孟晨編著.OPNET通信仿真開發(fā)手冊.國防工業(yè)出版社，2005

[3] 陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真.清華大學(xué)出版社，2004

[4] NS2.http://www.isi.edu/nsnam/ns/index.html.

[5] OPNET.http://www.opnet.com/.

[6] 楊武軍等編.現(xiàn)代通信網(wǎng)概論.西安電子科技大學(xué)出版社，2004