計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)及仿真工具＊

張賢軍 李 鶴

（1.北京海淀區(qū)復(fù)興路20號(hào)網(wǎng)管中心 北京 100840）（2.91917部隊(duì)20分隊(duì) 北京 100841）

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)概述

目前，隨著Internet的迅猛發(fā)展，需要通過網(wǎng)絡(luò)傳送的信息越來越多，以及網(wǎng)絡(luò)帶寬與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)充，以數(shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理論己經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需要，所有這些，都對(duì)網(wǎng)絡(luò)研究人員提出了許多新的挑戰(zhàn)，因此，越來越需要一種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)手段來提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的客觀性和設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險(xiǎn)。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)正是在這種需求的推動(dòng)下而產(chǎn)生的。

網(wǎng)絡(luò)仿真是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò)行為，通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型，模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)仿真作為一種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)技術(shù)，以其獨(dú)有的方法為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期、提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性、降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險(xiǎn)。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和開發(fā)中的主流技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1）仿真基于統(tǒng)計(jì)模型，統(tǒng)計(jì)復(fù)用的隨機(jī)性精確再現(xiàn)；

2）全新的模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)理使其可以在高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下得到高可信度的結(jié)果；

3）其預(yù)測(cè)功能是其他任何方法都無法比擬的，能夠驗(yàn)證實(shí)際方案或比較多個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案；

4）使用范圍廣、既可以用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和擴(kuò)容、也可以用于新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，特別適用于大中型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的定量依據(jù)；

5）初期應(yīng)用成本不高，建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用、后期投資還會(huì)不斷下降。

網(wǎng)絡(luò)仿真的應(yīng)用包括：

·容量規(guī)劃和預(yù)測(cè)服務(wù)；

·故障分析；

·端到端的性能分析

·分析新增業(yè)務(wù)和用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響；

·使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)達(dá)最優(yōu)的性價(jià)比；

·預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)；

·指導(dǎo)新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真工具

在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)研究中，網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)得到了日趨廣泛的應(yīng)用，而網(wǎng)絡(luò)模擬的有效性和準(zhǔn)確性很大程度上依賴于所采用的網(wǎng)絡(luò)模擬工具的性能。在研究開發(fā)網(wǎng)絡(luò)模擬工具的方法和實(shí)現(xiàn)方面，國(guó)內(nèi)所做的研究相對(duì)較少，但國(guó)外已經(jīng)有許多研究成果，包括商業(yè)軟件工具和研究用軟件工具，如 OPNET，QualNet，NS－ 2，NS － 3，GloMoSim，NCTUNS，GTNetS（包括 RT IKit library），OMNET＋＋，SSFNet，JiST和Yans等。在此介紹幾種常用的網(wǎng)絡(luò)仿真工具。其中在教育、科研、商業(yè)等領(lǐng)域使用最廣泛的是NS2與OPNET。

2.1 OPNET

OPNET[20]（Optimal Network Engineering Tools）仿真軟件是MIL3公司的產(chǎn)品，是由MIT的幾位教師在1986年創(chuàng)建的，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)以其獨(dú)特的方法能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供客觀，可靠的定量依據(jù)，能幫助開發(fā)人員定位關(guān)鍵事務(wù)，分析出極限情況下的end－to－end性能，可以確定增加應(yīng)用和用戶后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，并使用定量的方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)做出準(zhǔn)確的規(guī)劃和伸縮性分析，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)得到最優(yōu)的性價(jià)比。目前用戶范圍廣泛，包括企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、儀器配備廠商，以及軍事、教育、銀行、保險(xiǎn)等領(lǐng)域。

OPNEST的產(chǎn)品核心包括：

1）Service Provider Guru：面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的智能化網(wǎng)絡(luò)管理軟件；

2）OPNET Modeler：為技術(shù)人員提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)的平臺(tái)；

3）IT Guru：幫助網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人士預(yù)測(cè)和分析網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能，診斷問題。查找影響系統(tǒng)性能的瓶頸；

4）WDM Guru：用于波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)的分析，評(píng)測(cè)。OPNET主要特點(diǎn)包括：

1）有限狀態(tài)機(jī)；2）對(duì)協(xié)議編程的全面支持；3）層次化的網(wǎng)絡(luò)模型；4）高效的仿真引擎；5）集成的分析工具；6）系統(tǒng)的完全開放性；7）集成調(diào)試器；8）動(dòng)畫。

2.2 QualNet

QualNet[3]是一種應(yīng)用于無線、有線以及混合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的快速而且精確的開發(fā)、仿真系統(tǒng)。Scalable Network Technologies Inc.公司將美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）開發(fā)的開放源代碼的GloMoSim成功地轉(zhuǎn)化為了商業(yè)版本——QualNet。目前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)得到了推廣應(yīng)用。主要對(duì)無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化處理，從仿真速度上得到了很大的提升，同時(shí)通過對(duì)無線信道和射頻技術(shù)的建模也保證了較高的仿真精度。允許用戶在真正的并行仿真環(huán)境當(dāng)中優(yōu)化并行仿真性能。對(duì)小規(guī)模同種復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)模型仿真，QualNet仿真速度是其它仿真器的幾倍，對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，QualNet仿真速度是其它仿真器的幾十倍，如果QualNet采用并行仿真機(jī)制，能達(dá)到比其它仿真器快千倍的速度。QualNet的協(xié)議模塊更加獨(dú)立，更加模塊化，可以方便屏蔽、增加、刪除某些協(xié)議模塊。支持TCP／IP協(xié)議棧的標(biāo)準(zhǔn)層間接口，用戶無需自己開發(fā)這種類型。

QualNet模型庫(kù)組件包括：

1）Developer Library：用于建模多種網(wǎng)絡(luò)，包括 WAN，LAN，IPv6，衛(wèi)星庫(kù)與STK／Connect接口；

2）Wireless Library：包含802.lla／b／g和移動(dòng) AdHoc網(wǎng)絡(luò)；

3）Multimedia and Enterprise Library：用于 WAN建模，VOIP，排隊(duì)，調(diào)度，MPLS和其它QoS功能；

4）Advanced Wireless Library：用于802.16和802.16e，即所謂的 WIMAX；

5）Cellular Library：用于GSM蜂窩網(wǎng)建模；

6）Standard Interfaces Library：用于把軍用仿真器通過HLA或DIS接口集成到QualNet中；

7）Network Emulation Interface Library：用于 hardware，software，和human－in－the－loop的仿真模擬；

8）Military Radios Library：用于 Link11，Link－16，EPLRS和SINCGARS網(wǎng)絡(luò)建模；

9）Propagation Library：TIREM，用于基于 Terrain的地形及傳播效果建模；

10）Propagation Library：Urban，用于城市路徑缺失和地形建模；

2.3 NS－2

NS[4]起源于1986年的Real Network Simulator項(xiàng)目，1995年在施樂公司（Xerox）的支持下加入美國(guó)DARPA支持的項(xiàng)目VINT（the Virtual InterNet Tested），是 VINT項(xiàng)目的基礎(chǔ)和核心部分。在不斷吸收世界各地研究者的成果過程中，NS從原始版本進(jìn)化到較成熟版本NS－2。NS－2是面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)模擬器，由C＋＋和Otcl語(yǔ)言編寫而成。它是一個(gè)完全免費(fèi)的軟件，具有開放的體系結(jié)構(gòu)，并帶有大量協(xié)議庫(kù)支持，尤其適合于對(duì)基于TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬最流行的軟件之一，享有很高的學(xué)術(shù)聲譽(yù)。NS－2有多種平臺(tái)下的版本，包括UNIX，LINUX和Windows等。

NS－2仿真軟件是一個(gè)軟件包，包括Tcl／Tk、Otel、NS、Tclcl等組件，NS－2的特點(diǎn)包括：1）支持各種業(yè)務(wù)模型和多種通信協(xié)議；2）采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)；3）有很強(qiáng)的結(jié)果處理能力。

2.4 NS－3

NS－3全稱是Network Simulator Version 3，它是一個(gè)極具特色的新型網(wǎng)絡(luò)模擬器，與其他網(wǎng)絡(luò)模擬器相比，NS－3在完備性、開源性、易用性和可擴(kuò)展性等方面的特色使得它優(yōu)于現(xiàn)有的大多數(shù)主流網(wǎng)絡(luò)模擬器。NS－3的功能極其強(qiáng)大，可以對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)、各種協(xié)議、各個(gè)層次進(jìn)行模擬和研究，由于提供了靈活的擴(kuò)展支持，研究者可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行任意的擴(kuò)展[5～7]。NS－3目前只提供了一些基本的功能模塊。

NS－3是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)模擬器，它本質(zhì)是一個(gè)離散事件模擬器，其本身有一個(gè)虛擬時(shí)鐘，所有的模擬都有離散事件驅(qū)動(dòng)。NS－3不是NS－2的擴(kuò)展，不支持NS－2的APIs。它使用C＋＋模組化元件并直接用C＋＋描述拓?fù)洹Ｄ壳暗腘S－3與NS－2相比，模塊還少很多，但是將NS－2模塊移植過來的工作一直在穩(wěn)步進(jìn)行。另外，NS－3自身也有很多模塊正在開發(fā)中，主要有：仿真與實(shí)時(shí)調(diào)度模塊，同步Posix－like API，網(wǎng)絡(luò)模擬之源NSC的整合，可視化模塊，IPv6，實(shí)用應(yīng)用程序整合，并行模擬，統(tǒng)計(jì)分析模塊，Wimax模塊，水下聲學(xué)模塊等等[10]。

2.5 OMNET＋＋與 OMNEST[8]

OMNET＋＋（Objective Modular Network Testbed in C＋＋的縮寫）是一個(gè)專門為大型網(wǎng)絡(luò)提供開源的、基于組件的、模塊化的開放網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。OMNET＋＋作為離散事件仿真器，具備強(qiáng)大完善的圖形界面接口和可嵌入式仿真內(nèi)核，可運(yùn)行于多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)，簡(jiǎn)便定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備方便快捷的編程、調(diào)試和跟蹤支持等功能。

OMNEST是OMNET＋＋的一個(gè)商業(yè)版本。目前業(yè)內(nèi)唯一一款開放性最好的、運(yùn)算速度最快的基于離散事件仿真的商業(yè)軟件，能夠完全滿足客戶定制化需求，進(jìn)行任意的封裝、擴(kuò)展、集成和模塊化，內(nèi)核源碼和開發(fā)的代碼全部基于C＋＋，面向?qū)ο蟮乃枷胧褂脩糨p松上手。

OMNEST可以廣泛的應(yīng)用于各種離散事件仿真：通信網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、海軍空軍數(shù)據(jù)鏈、傳感器網(wǎng)絡(luò)、陸軍的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、……、任何其它適合應(yīng)用離散事件處理的仿真系統(tǒng)的建模和仿真。

2.6 GTNetS

GTNetS[9]全稱是 The Georgia Tech Network Simulator，是美國(guó)喬治亞工學(xué)院的Dr.George Riley領(lǐng)導(dǎo)的MANIACS研究小組開發(fā)的一款網(wǎng)絡(luò)模擬器，主要用于大中型網(wǎng)絡(luò)研究，包括對(duì)分布式模擬的支持（需要RTI Kit library）。

GTNetS是一個(gè)全特性的網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，其設(shè)計(jì)理念是創(chuàng)造一個(gè)完全近似于實(shí)際網(wǎng)路的模擬環(huán)境，使得模擬能夠準(zhǔn)確地反映真實(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況并且方便代碼在模擬環(huán)境和實(shí)際環(huán)境間移植。在GTNetS中，協(xié)議棧各層之間有明確的界限。數(shù)據(jù)包Packets中包含一系列的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDUs，這些PDUs會(huì)隨著Packets在協(xié)議棧中的上下流動(dòng)而被剝離或者添加。節(jié)點(diǎn)對(duì)象Node可以綁定多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)接口又可以綁定一個(gè)IP地址和物理鏈路，這與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中電腦＋網(wǎng)卡的結(jié)構(gòu)十分相似。傳輸層協(xié)議對(duì)象采用一種與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP）類似的方式與端口綁定，在傳輸層協(xié)議對(duì)象間通過源IP、源端口、目的IP、目的端口進(jìn)行連接。應(yīng)用層和傳輸層協(xié)議間的接口使用大家所熟悉的類UNIX sockets API進(jìn)行連接，應(yīng)用層可以承載多種協(xié)議對(duì)象，包括模擬的和真實(shí)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)仿真是分析、研究、設(shè)計(jì)和改善網(wǎng)絡(luò)性能必不可少的工具，它能幫助人們更確切、更詳細(xì)地分析網(wǎng)絡(luò)模型的功能。文章主要介紹了網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)及仿真工具的基本情況，對(duì)了解、選擇網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)具有實(shí)際參考價(jià)值。

[1]王波，周志偉.網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS2與OPNET的剖析比較[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（6）.

[2]石懷偉，李明生，王少華.網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)與OPNET應(yīng)用實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2006.3.

[3]QualNet 4.5User’s Guide[EB／OL].http：／／www.qualnet.com／publications／documentation／.

[4]Varadhan K，F(xiàn)all K.The ns Manual[EB／OL].http：／／www.isi.edu／nsnam／ns／.

[5]Henderson T R，Lacage M，Riley G F.Network Simulations with the ns－3Simulator[C]／／Proceedings of the ACM SIG COMM 08.Seattle，Washington：[s.n.]，2008.

[6]Ns－3developers.ns－3Tutorial[EB／OL].2008－10－07.http：／／www.nsnam.org／docs／tutorial／index.html.

[7]Ns－3developers.ns－3Reference Manual[EB／OL].2008－10－07.http：／／www.nsnam.org／docs／manual.html.

[8]石為人，黃河，鮮曉東，等.OMNET＋＋與NS2在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真中的比較研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008，35（10）.

[9]Riley G F.The Georgia Tech Network Simulator[C]／／Proceedings of the ACM SIGCOMM 2003Workshops.NewYork，NY，USA：[s.n.]，2003.

[10]Henderson T.ns－3tutorial slides[C]／／Proceedings of the International Conference on Simulation Tools and Techniques 2008（Simutools 2008）.Mercure Marseille，F(xiàn)rance：[s.n.]，2008.