基于進程核心的網絡仿真建模及統(tǒng)計分析

李清平

(浙江育英職業(yè)技術學院信息技術與應用系，浙江杭州 310018)

三層建模機制所定義的網絡物理通信機制是每個節(jié)點至少包含一對點對點收發(fā)機，通過一條有線雙工鏈路和另一對點對點收發(fā)機構成一個收發(fā)機組，每個這樣的收發(fā)機組可以支持數據的雙向傳輸。網絡拓撲結構包含兩種節(jié)點模型:周邊節(jié)點和中心交換節(jié)點［1-2］。包流以隨機的方式來自周邊節(jié)點，每個數據包包含目的地址，目的地址可以用一個整數來表示不同的目的周邊節(jié)點。中心節(jié)點接收到數據包后，對其目的地址進行解析，通過尋址和包交換，最后選擇一個合適的發(fā)信機將數據包送往目的節(jié)點。筆者從最底層的數據包開始，自定義數據包格式和處理包流的進程模型，并在此基礎上建立基于自定義包流的進程-節(jié)點-網絡三層模型，同時給出網絡鏈路利用率統(tǒng)計分析結果和包延時的離散曲線。

1 三層建模機制

OPNET Modeler提供的三層建模機制是指在進程域、節(jié)點域和網絡域進行自下而上的建模，同時在仿真過程采用離散事件驅動的模擬機理。

進程模型(process model)用有限狀態(tài)機FSM(finite state machine)來描述各種協(xié)議;節(jié)點模型(node model)由進程模型構成，可以組成完整的協(xié)議棧，真實反映建模設備的特性;網絡模型(net model)由節(jié)點模型組成，可以通過不同的網絡拓撲來設計不同的網絡結構［3-4］。

進程模型是網絡三層建模的基礎，也是仿真過程中最重要的部分，采用有限狀態(tài)機、OPNET核心函數及標準的C和C++語言來描述底層協(xié)議算法。進程模型主要用來刻畫節(jié)點模型中的處理機以及隊列模型的行為，其執(zhí)行過程如圖1所示。在每個進程模型中都至少有一個初始狀態(tài)(init)，即進程被訪問的第一個狀態(tài)。狀態(tài)的執(zhí)行代碼分為兩部分，上部分稱為進入代碼(enter executive)，是進程進入該狀態(tài)時執(zhí)行的動作;下部分稱為離開代碼(exit executive)，是進程離開狀態(tài)時執(zhí)行的動作。轉移則描述了進程模型從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)轉移的過程和條件，其含義為:進程只要完成源狀態(tài)離開代碼，就立即對轉移條件進行判斷，當轉移條件成立，則執(zhí)行轉移代碼，之后轉移到目的狀態(tài)。轉移分為條件轉移和無條件轉移，分別用虛線和實線表示［5-8］。

圖1 進程模型的執(zhí)行流程

2 定義數據包格式

三層建模機制定義的包格式包含任意數量子域的數據包，包由所有子域大小的疊加及校驗值兩部分組成。自定義數據包的名稱為dest_address，包的大小為 32 bit。

3 創(chuàng)建進程模型

3.1 創(chuàng)建中心節(jié)點進程模型

中心節(jié)點進程模型將接收到的包流按照目的地址轉交給正確的發(fā)信機，然后通過發(fā)信機將包流發(fā)往目的周邊節(jié)點。每個數據包的到達都觸發(fā)中心節(jié)點進程的一次中斷，中心節(jié)點進程接收中斷后從休眠狀態(tài)(idle非強制狀態(tài))激活，執(zhí)行代碼處理數據包(強制狀態(tài))，如圖2所示。

圖2 中心節(jié)點進程模型

PK_ARRVL條件判斷中心節(jié)點進程接收的中斷是否為包流中斷，其代碼如下:

3.2 創(chuàng)建周邊節(jié)點進程模型

周邊節(jié)點進程模型主要有兩個功能:一是當周邊節(jié)點生成數據包時，它必須給該數據包指定目的地址，然后將它發(fā)往中心節(jié)點;二是當周邊節(jié)點接收到數據包時，它必須計算該數據包的端對端延時。為此，周邊節(jié)點進程模型需要設置兩個狀態(tài)，一個是初始化initial狀態(tài)，另一個是idle狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 周邊節(jié)點進程模型

SRC_ARRVL和RCV_ARRVL條件判斷周邊節(jié)點進程接收的中斷是否為包流中斷以及對應數據包的輸入流索引號，其代碼如下:

當SRC_ARRVL條件滿足時，xmt()函數為發(fā)送的包分配目的地址，其代碼如下:

當RCV_ARRVL條件滿足時，rcv()函數計算端對端延時并寫入到全局統(tǒng)計量，其代碼如下:

4 建模

4.1 仿真建模算法描述

一般來說，計算機網絡是由網絡中參與運行的終端、交換機、路由器和收發(fā)信機等設備組成。對于這些設備而言，輸入包括隨機到達的業(yè)務及經過信道傳輸后包含隨機誤碼的信號、數據包。在網絡仿真建模中，前者可以看作是啟動仿真系統(tǒng)運行的動力，后者則可以看作是改變仿真系統(tǒng)運行狀態(tài)的動力［9-11］。

4.1.1 業(yè)務模型

式中:xi為仿真中第i次業(yè)務輸出;X為業(yè)務模型的輸出函數;r1為業(yè)務達到服從的隨機分布函數;ti為第i次業(yè)務發(fā)生的時間。

4.1.2 設備模型

式中:yi為設備模型的輸出;yi-1為過去的輸出;λ為輸出函數;ti為時間;xi為輸入;qi為當前狀態(tài);qi-1為過去的狀態(tài)。

4.1.3 信道模型

式中:ys為源設備模型的輸出，滿足式(4);xi為目的設備模型的輸入;r2為誤碼發(fā)生服從的隨機分布函數;ti為時間。

由于qi-1為當前狀態(tài)跳轉前的狀態(tài)，因此可以將式(2)代入式(3)直到出現初始狀態(tài)q0，即:

將式(6)代入式(4)，可得:

由于除r1、r2外，各式因子都是確定的，隨機數則成為激發(fā)仿真系統(tǒng)發(fā)生變化、做出響應的關鍵，因此計算機網絡仿真建模中離散事件驅動的決定因素是隨機數。

4.2 創(chuàng)建節(jié)點模型

節(jié)點模型包括中心交換節(jié)點和周邊節(jié)點。中心交換節(jié)點(hub)由4對發(fā)信機(xmt)和收信機(rcv)構成，每對收發(fā)信機對應一個周邊節(jié)點，如圖4所示。周邊節(jié)點(node)由一個數據包生成模塊(src)、一個進程模塊(proc)和一對收發(fā)信機構成，如圖5所示。

圖4 中心交換節(jié)點(hub)模型

圖5 周邊節(jié)點(node)模型

4.3 創(chuàng)建網絡模型

根據OPNET Modeler層次化建模的思想，創(chuàng)建一個由4個周邊節(jié)點和一個中心交換節(jié)點構成的網絡模型，如圖6所示。

圖6 網絡模型

5 統(tǒng)計量分析

5.1 服從泊松(Poisson)分布的隨機數據包

周邊節(jié)點以預先定義的泊松(Poisson)分布產生非均勻分布的隨機數據包，即:

重復產生exp(1/λ)的隨機數據包，同時計數，直到所產生的隨機數的和大于1為止。

5.2 鏈路利用率和端對端延時離散統(tǒng)計分析

為了觀察數據包不同的產生速率對網絡性能的影響，配置包產生間隔時間分別為4 ms和40 ms的仿真，比較兩者的鏈路利用率如圖7所示，可以看出數據包的產生速率過小，將導致網絡的鏈路利用率很低。

圖7 網絡鏈路利用率比較

該例中，數據包的大小是恒定的，如果包的產生速率足夠快，就可能導致部分數據包在發(fā)信機隊列中積壓，這時包的端對端延時加大，圖8和圖9為包產生間隔時間分別為4 ms和40 ms的端對端延時離散曲線。

圖8 包產生間隔4 ms的端對端延時離散曲線

圖9 包產生間隔40 ms的端對端延時離散曲線

6 結論

基于OPNET Modeler的層次化建模思想，對最底層的進程模型進行了詳細的闡述和定義，并在此基礎上建立了進層-節(jié)點-網絡三層仿真模型，收集分析了鏈路利用率的統(tǒng)計結果及不同數據包產生速率的端對端延時影響，對于進一步熟悉進程和節(jié)點模型及其如何在網絡中運作，進而評價網絡的性能有一定的指導意義。

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