基于OPNET的CSMA/CD仿真與性能研究

李宏杰，徐行

(中國傳媒大學(xué) 動畫與數(shù)字藝術(shù)學(xué)院，北京 100024)

基于OPNET的CSMA/CD仿真與性能研究

李宏杰，徐行

(中國傳媒大學(xué) 動畫與數(shù)字藝術(shù)學(xué)院，北京 100024)

本文針對應(yīng)用了CSMA/CD協(xié)議的總線型局域網(wǎng)進(jìn)行仿真，研究數(shù)據(jù)包大小對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。首先介紹了OPNET[1]仿真平臺，隨后概括說明使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)的碰撞窗口的計算方法，由計算公式推導(dǎo)出發(fā)送的數(shù)據(jù)包越大、使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)性能越高的推論，并使用 OPNET 軟件進(jìn)行了仿真實驗證明了推論。

OPNET；CSMA/CD；網(wǎng)絡(luò)仿真

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)，即載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方法，是一種爭用型的介質(zhì)訪問控制協(xié)議。其工作機(jī)制為：多臺計算機(jī)以多點接入的方式連接到總線上，不管是在發(fā)送前還是發(fā)送中，每個站都必須不停的檢測信道，以獲得發(fā)送權(quán)和進(jìn)行碰撞檢測。CSMA/CD采用IEEE 802.3[2]標(biāo)準(zhǔn)，主要用于總線式以太網(wǎng)。

關(guān)于CSMA/CD的研究主要圍繞其在不同情景下的建模方法與性能分析進(jìn)行。為了改善以太網(wǎng)的性能，研究人員通常采用提出設(shè)想——理論分析——建立模型的理論分析方法，這樣的分析方法在面對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時會遇到一定的困難，這時使用準(zhǔn)確真實的仿真手段進(jìn)行研究就成了必選項，而國內(nèi)關(guān)于通過仿真手段對網(wǎng)絡(luò)性能的研究的資料還比較匱乏。本文給出一種通過仿真手段研究網(wǎng)絡(luò)性能的方法：采用OPNET軟件對總線型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，通過仿真手段對CSMA/CD的性能進(jìn)行研究，探究爭用期與網(wǎng)絡(luò)流量的關(guān)系，并對推論予以仿真實驗證明，進(jìn)而歸納出相應(yīng)結(jié)論。

1 OPNET仿真平臺

隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充與復(fù)雜化，越來越需要一種合適的仿真技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的客觀性和結(jié)果的可靠性[3]。OPNET作為一個網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，正是在這種需求下應(yīng)運而生。

1.1 OPNET產(chǎn)品

OPNET Modeler 是當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)環(huán)境，可以靈活應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議和應(yīng)用設(shè)計與研發(fā)。Modeler為通信網(wǎng)絡(luò)研發(fā)人員提供了建模、仿真以及分析的集成環(huán)境，大大減輕了編程以及數(shù)據(jù)分析的工作量。

Modeler 的面向?qū)ο蟮慕７椒ê蛨D形化的編輯器反映了實際網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)組件的結(jié)構(gòu)，因此實際的系統(tǒng)可以直觀的映射到模型中。Modeler 支持所有通信網(wǎng)絡(luò)類型和技術(shù)，可以解決復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信問題。

1.2 OPNET仿真流程

本文采用OPNET Modeler Academic Edition 17.5針對總線型網(wǎng)絡(luò)中的CSMA/CD的性能進(jìn)行仿真實驗，仿真實驗遵循一定的步驟[4，5]。歸納得出仿真流程如圖1所示。

圖1 基于OPNET的CSMA/CD性能仿真研究流程

2 CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)建模

2.1 爭用期的計算

爭用期(Contention Period)，又稱為碰撞窗口(Collision Window)[6]。由于有網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的存在，每一個站在自己發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性，需要經(jīng)過至多兩倍端到端的時間并在這段時間內(nèi)沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會產(chǎn)生碰撞。因此，以太網(wǎng)的端到端的往返時間稱為爭用期。在IEEE 802.3中，對于10Mbps以太網(wǎng)規(guī)定了一個統(tǒng)一的爭用期時間標(biāo)準(zhǔn)，為51.2μs。

在具體的網(wǎng)絡(luò)上，爭用期的計算如公式1所示。

w=b×c

(1)

其中，w為爭用期，b為帶寬(bandwidth)，c為爭用期時間。

爭用期時間為兩倍端到端的延遲時間，計算如公式2所示。

c=2×d×l

(2)

其中，d為總線單位長度延遲(delay)，l為總線長度(long)。

電磁波在1km電纜的傳播時延約為5μs，由于局域網(wǎng)上任意兩個站之間的傳播時延有長有短，因此局域網(wǎng)必須按照最壞情況設(shè)計，取總線兩端的兩個站(這兩個站距離最遠(yuǎn))之間的傳播時延為端到端傳播時延。以太網(wǎng)上最大的端到端傳輸時延必須小于爭用期的一半，由公式1和2知，以太網(wǎng)的最大端到端長度約為5km。

2.2 數(shù)據(jù)包大小與網(wǎng)絡(luò)性能

在實際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)好之后，由于總線單位長度延遲、帶寬、總線長度都已確定，由爭用期的計算公式可知爭用期也是已經(jīng)確定好的。因此，在CSMA/CD機(jī)制作用下，數(shù)據(jù)包的大小直接決定了數(shù)據(jù)包的碰撞次數(shù)和網(wǎng)絡(luò)性能。

我們作一個簡單的計算。假設(shè)現(xiàn)有兩個數(shù)據(jù)包，其大小分別為m字節(jié)和n字節(jié)(m，n∈[64，1500]，m>n)。由于發(fā)送每個數(shù)據(jù)包都要進(jìn)行一次碰撞檢測，設(shè)長度為m字節(jié)和n字節(jié)的單個數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的概率為pm和pn，令pm=x，則在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下我們可以得出pn如公式3所示。

(3)

2.3 仿真網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

我們在場景中建立一個總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)由30個節(jié)點通過同軸電纜連接而成，其中同軸電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率是10Mbps。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖2所示的網(wǎng)絡(luò)上，我們構(gòu)建了四個相同的場景，四個場景中除了數(shù)據(jù)包大小不一樣以外，其它參數(shù)都是一樣的。由于以太網(wǎng)的單數(shù)據(jù)幀大小最小為64bytes，最大為 1500 bytes，為了更好的衡量網(wǎng)絡(luò)性能，我們設(shè)定數(shù)據(jù)包不會分片發(fā)送

為了保證在每個場景中鏈路利用率都能接近100%，我們需要計算出發(fā)包頻率，即發(fā)包的時間間隔。發(fā)包頻率的計算如公式4所示。

(4)

其中，M為帶寬(單位：bps)，S為單個數(shù)據(jù)包大小(單位：bytes)，N為連入總線型局域網(wǎng)的計算機(jī)節(jié)點數(shù)，t為發(fā)包時間間隔，其倒數(shù)即為發(fā)包頻率。

由公式4可知，當(dāng)單個數(shù)據(jù)包大小越大，發(fā)包時間間隔也就越大。為了取一個恰當(dāng)?shù)陌l(fā)包時間間隔，使得四個場景中發(fā)送的數(shù)據(jù)包在沒有碰撞的理想狀況下鏈路利用率都能接近100%，令S=64 bytes，其余參數(shù)依照場景設(shè)定代入公式3，計算得出t>0.0014。因此，我們設(shè)定場景中的發(fā)包時間間隔為0.001，這樣就能保證所有場景中的鏈路利用率都能接近100%。

隨后我們按照表1所示參數(shù)配置所有場景中的網(wǎng)絡(luò)。由于表1中四個場景只有數(shù)據(jù)包的大小是不同的，因此下文的表格中將使用數(shù)據(jù)包大小來代表場景編號。

表1 網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)

根據(jù)表1與公式1和公式2，我們可以計算出實驗場景中的爭用期時間為1.74×10-6s，爭用期為17.4比特時間。即爭用期內(nèi)能夠發(fā)送17.4比特數(shù)據(jù)，若未產(chǎn)生碰撞，則之后發(fā)送的數(shù)據(jù)一定不會產(chǎn)生沖突。

3 仿真和實驗

3.1 統(tǒng)計量選取

要對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行定量的研究，必須選定適當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)[7]。根據(jù)前面的仿真需求，擬對下述網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)統(tǒng)計量進(jìn)行收集。需要指出的是，OPNET在統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，統(tǒng)計的時間間隔為0.15秒，OPNET對0.15秒之內(nèi)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行統(tǒng)計，然后換算成平均每秒的數(shù)據(jù)量，并給出數(shù)據(jù)點。

發(fā)送流量：全局統(tǒng)計量，單位為bits/sec，其含義為整個網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點每秒發(fā)送的流量。需要特別說明的是，這個統(tǒng)計量統(tǒng)計的是節(jié)點所發(fā)出的流量，節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包到達(dá)MAC層(Media Access Control，媒體訪問控制，為數(shù)據(jù)鏈路層的下層)后，一旦通過CSMA/CD協(xié)議檢測到鏈路正忙，就會將該數(shù)據(jù)包丟棄。選擇該統(tǒng)計量的意義就在于確定我們發(fā)出的流量在無碰撞檢測的理想情況下鏈路利用率能接近100%。

發(fā)送數(shù)據(jù)包量：全局統(tǒng)計量，單位為packets/sec，其含義為整個網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量；

接收流量：全局統(tǒng)計量，單位為bits/sec，其含義為整個網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點每秒接收的流量；

沖突數(shù)：節(jié)點統(tǒng)計量，單位為數(shù)量，其含義為每秒所選節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包中發(fā)生沖突的數(shù)量；

鏈路利用率：全局統(tǒng)計量，單位為百分比，其含義為當(dāng)前時刻鏈路的利用率。

設(shè)定仿真持續(xù)時間為15秒，其中啟動時間為5秒，并收集相應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果。

3.2 仿真與分析

在OPNET中分別運行四個場景，打開結(jié)果面板，選擇相應(yīng)統(tǒng)計量并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

首先我們對流量進(jìn)行處理，結(jié)果如表2和圖3及圖4所示。

表2 流量統(tǒng)計

圖3 接收流量統(tǒng)計

圖4 鏈路利用率統(tǒng)計

實驗所用的帶寬為10Mbps，由表3中的平均發(fā)送流量可知，四個場景的鏈路利用率都能接近100%。由每秒平均發(fā)送數(shù)據(jù)包量可知，四個場景發(fā)送的數(shù)據(jù)包量基本相同，證明了四個場景中都在以相同頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包。

由圖3和圖4可知，在四個場景中，平均接收流量隨著單個數(shù)據(jù)包大小的增加而增加，并逐漸逼近帶寬。因此，增大數(shù)據(jù)包的大小能夠提高鏈路利用率。

接下來對沖突數(shù)進(jìn)行處理。我們隨機(jī)選取4個節(jié)點，搜集其沖突數(shù)統(tǒng)計量并計算在15s內(nèi)各節(jié)點總的沖突數(shù)，結(jié)果如表3和圖5所示。

表3 節(jié)點的沖突數(shù)

圖5 節(jié)點的沖突數(shù)

由圖5可以明顯看出，單個數(shù)據(jù)包越大，沖突數(shù)就會越小。

綜合前面的分析可知，由于我們的發(fā)包間隔是固定的，因此當(dāng)單個數(shù)據(jù)包大小越小，網(wǎng)絡(luò)性能也就越差。當(dāng)單個數(shù)據(jù)包越大，產(chǎn)生的沖突也就越少，實際接收的流量也就越大，鏈路利用率也就越高。

綜上所述，在設(shè)計總線式局域網(wǎng)絡(luò)的時候，由于數(shù)據(jù)包大小是根據(jù)實際傳輸內(nèi)容而定，因此應(yīng)著力于降低爭用期。根據(jù)公式1-3可知，提高網(wǎng)絡(luò)性能的方式主要有以下幾點：

1)采用延遲更低的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)；

2)縮短總線長度：過長的總線會導(dǎo)致較高的延遲，應(yīng)改用更短的總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸；

3)采用更大的帶寬：單位時間內(nèi)能夠發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包，能夠有效減少數(shù)據(jù)包的沖突，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

4)在單個數(shù)據(jù)包大小小于1500bytes(即無需分幀)以及鏈路利用率比較低的情況下，可以采用比較大的數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)以減少沖突；

5)減少總線上連接的計算機(jī)節(jié)點數(shù)量。

4 總結(jié)與展望

目前在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，國內(nèi)關(guān)于使用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的文獻(xiàn)很少，而這種仿真技術(shù)可以非常有效和簡單的評價網(wǎng)絡(luò)性能[7]。本文詳細(xì)的介紹了采用CSMA/CD的總線型網(wǎng)絡(luò)OPNET建模與仿真的整個過程，通過仿真實驗證明數(shù)據(jù)包大小越大，網(wǎng)絡(luò)性能就越好的猜想，并提出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。

這些優(yōu)化方法不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，還可以用于優(yōu)化工業(yè)控制系統(tǒng)中的工業(yè)局域網(wǎng)。

由于在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，通過布置實際網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行理論驗證的方式存在著成本高、耗時長、網(wǎng)絡(luò)難以搭建的問題，更多的使用仿真手段進(jìn)行研究將成為一個趨勢。本文提出實現(xiàn)的基于OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的研究方法能夠加深對CSMA/CD機(jī)制的理解，并能夠給其它計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究以方法上一定的啟發(fā)。

[1]OPNET，http：//www.opnet.com/university_program/itguru_academic_edition/[OL].

[2]IEEE 802.3，http：//www.ieee802.org/3/[OL].

[3]陳長興，高曉光，張敬偉.基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，8(2)：86-88.

[4]石懷偉，王華，張念軍.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2006，27(17)：3309-3311.

[5]伍俊洪，楊洋，李惠杰.網(wǎng)絡(luò)仿真方法和OPNET仿真技術(shù)[J].計算機(jī)工程，2004，30(5)：106-108.

[6]謝希仁.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第六版)[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[7]李笑歌，宇偉，高尚偉.基于OPNET軟件的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建模與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(9)：2653-2656.

(責(zé)任編輯：馬玉鳳)

Research of Ethernet Performance Based on CSMA/CD Using OPNET Simulator

LI Hong-jie，XU Xing

(School of Animation and Digital Arts，Communication University of China，Beijing 100024)

In this paper we simulated a Bus Local Area Network which is based on CSMA/CD，and investigated how different sizes of packet affect network performance.We first introduced OPNET simulation software，then explained the calculation of collision window in CSMA/CD and got the deduction that larger packet will bring better network performance.Finally，we conducted a set of experiments using OPNET simulator to prove our deduction.

OPNET；CSMA/CD；network simulation

2015-03-15

李宏杰(1991-)，男(壯族)，廣西南寧人，中國傳媒大學(xué)碩士研究生.E-mail：nntt19@163.com

TP393.0

A

1673-4793(2015)06-0067-05