網(wǎng)絡(luò)仿真軟件與技術(shù)研究

李楠　瞿建新　楊春庭

摘要：文章指出在通信活動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜的情況下，網(wǎng)絡(luò)的綜合性能分析與評(píng)估已成為極為迫切的需求。面對(duì)這些技術(shù)復(fù)雜、規(guī)模龐大的通信網(wǎng)系，不可能建立與待建網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相當(dāng)?shù)木C合通信試驗(yàn)環(huán)境，而需要采用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，建立各通信網(wǎng)系對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)模型、協(xié)議模型、鏈路模型以及業(yè)務(wù)流量模型，不僅可以掌握全面的通信活動(dòng)規(guī)律，還能方便快捷地分析預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容后所能提高的通信容量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真；技術(shù)；軟件

1網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)及其應(yīng)用

1.1網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)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(guò)建立網(wǎng)絡(luò)鏈路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)計(jì)模型，模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸過(guò)程，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)的一種高新技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)仿真能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、組織提供可靠依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)仿真能夠有效地驗(yàn)證實(shí)際方案或比較多個(gè)不同的仿真設(shè)計(jì)以及組織方案，以便于對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案建立模型，實(shí)施模擬，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)采取頂定量獲取，為設(shè)計(jì)、組織方案的比較和驗(yàn)證提供可靠的依據(jù)。

1.2網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成功地為各類(lèi)大型通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容、升級(jí)和改造提供仿真決策支持，歸納起來(lái)，主要可以應(yīng)用于4個(gè)方面。

1.2.1體制仿真

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在體制仿真方面的應(yīng)用主要包括2個(gè)方面：（1）使用方面。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)可以用來(lái)確定軍事通信網(wǎng)的裝配體制、操作人員的編制、管理指揮體制等。（2）技術(shù)方面。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)可以用來(lái)確定待建的通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量要求、干線節(jié)點(diǎn)分布、距離要求以及交換體制等方面。

1.2.2系統(tǒng)及設(shè)備的輔助設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)有助于制定通信網(wǎng)的各類(lèi)規(guī)程、協(xié)議及信令。利用仿真系統(tǒng)可以對(duì)通信系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，并得出優(yōu)化的方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，減少時(shí)間、經(jīng)濟(jì)上的損失。輔助設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)或設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)；設(shè)備裝載設(shè)計(jì)；規(guī)約與信令輔助設(shè)計(jì)等。

1.2.3通信網(wǎng)運(yùn)用效能評(píng)估的仿真

通信網(wǎng)整體運(yùn)用效能，如服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)性能等無(wú)法利用一般的儀器來(lái)測(cè)試，也很難按真實(shí)條件去試驗(yàn)。通信網(wǎng)整體運(yùn)用效能仿真包括：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/配置；電磁兼容性；網(wǎng)絡(luò)重組性等，假如借助仿真手段來(lái)研究通信網(wǎng)作戰(zhàn)效能，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)方面，還是時(shí)效性方面都是非常可觀的。

2進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的仿真的原因

在信息化日益發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)研究人員要超前性地研究和思考網(wǎng)絡(luò)仿真在新領(lǐng)域的算法和協(xié)議，為仿真技術(shù)的進(jìn)一步研究發(fā)展打下基礎(chǔ)，而且也要研究網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最高性能對(duì)現(xiàn)有的資源該怎樣利用和整合。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分析和驗(yàn)證有3種方法：（1）分析方法，是通過(guò)初步分析判斷研究對(duì)象和所依存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在一定的條件和假設(shè)情況下，正確地描述研究對(duì)象，抽象出它的數(shù)學(xué)分析模型，參照數(shù)學(xué)分析模型進(jìn)行問(wèn)題求解。（2）實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)建立測(cè)試床和實(shí)驗(yàn)室為研究提供合理的硬件和軟件配置環(huán)境，研究網(wǎng)絡(luò)行為、網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的意義和作用。（3）仿真方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行用仿真軟件建立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模擬分析模型，分析運(yùn)行過(guò)程中的輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

但是，前2種方法也有很多不確定性因素。假設(shè)條件影響分析方法的精確性和有效性。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)無(wú)法用一些限制性假設(shè)進(jìn)行精確而有效的描述。由于實(shí)驗(yàn)方法的局限性，會(huì)造成資源成本高，并且很難共享和重新配置運(yùn)用，而仿真方法可以彌補(bǔ)前2種方法的短處。仿真方法設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)模型可以用相對(duì)較少的費(fèi)用和時(shí)間了解網(wǎng)絡(luò)在不同條件下的各種特性，為網(wǎng)絡(luò)研究提供精確有效的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)仿真是一個(gè)高效、方便的分析和驗(yàn)證方法，因此網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的作用給現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和研究提供有力的支撐。

3網(wǎng)絡(luò)仿真的基本流程

網(wǎng)絡(luò)仿真有3個(gè)階段：準(zhǔn)備階段一模型設(shè)計(jì)一仿真與結(jié)果分析。

3.1網(wǎng)絡(luò)仿真研究準(zhǔn)備階段

網(wǎng)絡(luò)仿真研究準(zhǔn)備階段需要完成的任務(wù)是理解目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，明確仿真目標(biāo)，制定研究計(jì)劃。網(wǎng)絡(luò)仿真的基本流程如圖1所示。

3.1.1明確仿真目標(biāo)

在進(jìn)行通信網(wǎng)仿真之前，必須對(duì)通信網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)的通信服務(wù)功能、采用的主要技術(shù)體制、系統(tǒng)規(guī)模和可能出現(xiàn)的瓶頸等方面進(jìn)行需求調(diào)研和分析，明確仿真的目標(biāo)。

3.1.2理解目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)

以目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為仿真對(duì)象，或是客觀存在的網(wǎng)絡(luò)，或是理想中的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定標(biāo)準(zhǔn)、一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、合適的鏈路連接關(guān)系、恰當(dāng)?shù)耐ㄐ艖?yīng)用類(lèi)型、主要業(yè)務(wù)流量特性等信息來(lái)理解目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

3.1.3制定研究計(jì)劃

通過(guò)對(duì)比和參考研究方案和計(jì)劃來(lái)制定詳細(xì)的仿真研究計(jì)劃。

3.2網(wǎng)絡(luò)仿真模型設(shè)計(jì)階段

3.2.1建立模型

建立網(wǎng)絡(luò)仿真研究的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議的數(shù)學(xué)模型和概念模型，包括網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備以及鏈路向仿真模型轉(zhuǎn)化過(guò)程中的模型模擬原理、實(shí)現(xiàn)方式、結(jié)構(gòu)組成、模型模塊以及業(yè)務(wù)和流量的數(shù)學(xué)描述模型等。

3.2.2搜集數(shù)據(jù)

在仿真過(guò)程中搜集關(guān)于仿真模型的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的相關(guān)數(shù)據(jù)。需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境、拓?fù)洹?yīng)用特征、流量和負(fù)載狀況、通信節(jié)點(diǎn)技術(shù)和結(jié)構(gòu)配置、相應(yīng)的鏈路參數(shù)等。數(shù)據(jù)盡量精確。

3.2.3模型代碼實(shí)現(xiàn)

仿真建模工具可以具體實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，而仿真軟件工具決定具體的使用方法和工具。

3.2.4檢查模型

為了使仿真模型與數(shù)學(xué)模型和概念相符合，需要檢查相應(yīng)的代碼。

3.2.5驗(yàn)證模型

為了確保仿真模型的完整性、正確性、一致性、需要對(duì)在驗(yàn)證代碼實(shí)現(xiàn)的仿真模型和相同的條件下實(shí)際網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議3方面的性能進(jìn)行吻合驗(yàn)證。

3.3網(wǎng)絡(luò)仿真與結(jié)果分析階段

3.3.1仿真設(shè)計(jì)

通過(guò)仿真模型來(lái)建立仿真場(chǎng)景，輸入恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥?shù)，仿真運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)度、仿真啟動(dòng)條件、仿真統(tǒng)計(jì)內(nèi)容、仿真的準(zhǔn)備周期、仿真終止條件等。

3.3.2仿真分析

利用數(shù)學(xué)方法、分析工具或數(shù)據(jù)過(guò)濾技術(shù)來(lái)獲取仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，并且仿真結(jié)果是否合理和有效需要對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理。

3.3.3仿真運(yùn)行

利用仿真軟件工具做仿真實(shí)驗(yàn)。在網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要多次調(diào)整網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)獲取不同的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，并且要確保仿真實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立運(yùn)行和正確性。

4主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)比較分析

一般而言，評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)主要從以下幾個(gè)方面考慮：（1）仿真機(jī)制的優(yōu)劣；（2）細(xì)節(jié)程度；（3）模型庫(kù)的大小。

依據(jù)上面幾個(gè)方面的因素，對(duì)幾種主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比（見(jiàn)表1）。

5結(jié)語(yǔ)

通信網(wǎng)絡(luò)的組織、規(guī)劃與優(yōu)化是一門(mén)非常復(fù)雜而又必不可少的綜合性、系統(tǒng)性學(xué)科，也是當(dāng)前國(guó)際網(wǎng)絡(luò)界非常關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn)。它是一種通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)中的鏈路、設(shè)備、協(xié)議的統(tǒng)計(jì)模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)的仿真技術(shù)。