基于OPNET 的進(jìn)程建模方法研究

彭 思，齊和平，崔雪峰，朱 浩，李萌萌

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模日趨復(fù)雜龐大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載日益繁重，新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大量涌現(xiàn)，因此，如何對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)是個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題。無(wú)論是構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)，升級(jí)改造現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，或者測(cè)試新協(xié)議，都需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和有效性進(jìn)行科學(xué)、客觀、定量地評(píng)估。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃方法主要靠經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)，由于很多地方無(wú)法預(yù)知而抓不住設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。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)應(yīng)運(yùn)而生，它以其獨(dú)有的方法為網(wǎng)絡(luò)的規(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［2］。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是一種通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路和協(xié)議模型，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)。OPNET Modeler 的物件拼盤(pán)提供了詳盡的模型庫(kù)（設(shè)備、鏈路及詳細(xì)的協(xié)議），包括：路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、客戶(hù)機(jī)、ATM 設(shè)備、DSL 設(shè)備、ISDN 設(shè)備等，還有其他廠(chǎng)商提供的設(shè)備［8，10］。針對(duì)研發(fā)的需求，OPNET Modeler 提供了一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，使用戶(hù)能夠建立新的協(xié)議和設(shè)備，并且能夠?qū)⒓?xì)節(jié)定義并模擬出來(lái)。OPNET Modeler 仿真平臺(tái)的使用范圍較廣，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)，而且特別適用于大中型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，建好的網(wǎng)絡(luò)模型也可以延續(xù)使用［7］。本文以O(shè)PNET Modeler 仿真工具為例，通過(guò)對(duì)停-等重傳協(xié)議的仿真建模、運(yùn)行分析，重點(diǎn)探究了進(jìn)程建模的技術(shù)方法，同時(shí)簡(jiǎn)要闡述了本文研究方法和模型的使用方法，為后續(xù)更復(fù)雜龐大的協(xié)議開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)仿真奠定基礎(chǔ)，提供參考。

1 通用仿真流程和OPNET 仿真環(huán)境

1.1 通用仿真流程

通用仿真方法大致分為以下幾個(gè)步驟：

1）了解自己要構(gòu)建的系統(tǒng)：書(shū)面的詳述說(shuō)明。

2）明確建模目標(biāo)：包括構(gòu)建這個(gè)模型要解決什么問(wèn)題，或是利用系統(tǒng)級(jí)仿真軟件驗(yàn)證自定制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議路由性能的收斂性、網(wǎng)絡(luò)的健壯性和穩(wěn)定性。

3）確定建模對(duì)象和方向：根據(jù)建模目標(biāo)選擇建模要構(gòu)建的對(duì)象，例如在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中可能需要用到哪些元素（IP 骨干云，不同的鏈路類(lèi)型等），從哪個(gè)方面建模：例如從升級(jí)鏈路帶寬的角度入手，判斷對(duì)吞吐量和時(shí)延的影響。

4）調(diào)整仿真粒度以達(dá)到更精確的結(jié)果：明確是要得到一個(gè)趨勢(shì)性的結(jié)果，還是一個(gè)精確的數(shù)值。

5）確定輸入輸出形式。

6）確定仿真軟件。

7）確定仿真參數(shù)輸入范圍。

8）仿真結(jié)束后判斷仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性、詳細(xì)程度、統(tǒng)計(jì)可用性［3-6］。

通用仿真方法流程圖如圖1 所示。

圖1 通用仿真方法流程圖

1.2 OPNET 仿真環(huán)境簡(jiǎn)介

OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是目前世界上最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)之一。在OPNET 的各種產(chǎn)品中，Modeler 幾乎包含了其他產(chǎn)品的所有功能。OPNET Modeler 所能應(yīng)用的各種領(lǐng)域包括端到端結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)級(jí)的仿真、新的協(xié)議開(kāi)發(fā)和優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)層配合如何達(dá)到最好的性能。OPNET Modeler 采用分層的仿真方式，從協(xié)議間關(guān)系看，節(jié)點(diǎn)模型建模完全符合OSI 標(biāo)準(zhǔn)。從網(wǎng)絡(luò)物件層次關(guān)系看，提供了3層建模機(jī)制，最底層為進(jìn)程模型，以狀態(tài)機(jī)來(lái)描述協(xié)議；其次為節(jié)點(diǎn)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。3 層模型和實(shí)際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。在OPNET Modeler 中，幾個(gè)模塊組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一些節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而進(jìn)程模型定義一個(gè)模塊的行為，所以它是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的基本，是仿真的核心［1］。

2 OPNET 環(huán)境下對(duì)停-等重傳協(xié)議的建模與仿真

2.1 停-等重傳協(xié)議基本原理

停-等重傳協(xié)議位于信源端的第2 層mac 層，是數(shù)據(jù)鏈路層最簡(jiǎn)單最基礎(chǔ)的協(xié)議。其功能是為所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供可靠的交付，它和源端的上層和底層都有交互，接收上層來(lái)的數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)給底層，并且保證在沒(méi)有收到數(shù)據(jù)包的情況下進(jìn)行重傳，達(dá)到可靠交付的功能。

停-等重傳協(xié)議簡(jiǎn)化后可總結(jié)為如下描述：1）接收來(lái)自上層的數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)給物理層。2）轉(zhuǎn)發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)幀之前要確認(rèn)從對(duì)端收到一個(gè)反饋確認(rèn)包，表示上一個(gè)幀轉(zhuǎn)發(fā)成功才會(huì)發(fā)送下一個(gè)幀。3）在等待反饋確認(rèn)包的過(guò)程中收到來(lái)自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包，先將其緩存起來(lái)，直到收到對(duì)端的反饋確認(rèn)包才會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)下一個(gè)幀。4）源端會(huì)自動(dòng)設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘，當(dāng)超過(guò)這一時(shí)間還未收到來(lái)自對(duì)端的反饋確認(rèn)包時(shí)，會(huì)認(rèn)為對(duì)端沒(méi)有收到數(shù)據(jù)包，會(huì)重傳數(shù)據(jù)包。5）當(dāng)鏈路掉線(xiàn)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)包緩存起來(lái)，直到鏈路恢復(fù)后進(jìn)行重傳。

2.2 進(jìn)程建模

進(jìn)程建模是網(wǎng)絡(luò)仿真的核心，也是網(wǎng)絡(luò)仿真的難點(diǎn)。進(jìn)程建模方法分為以下5 個(gè)步驟：

1）文本定義；2）進(jìn)程分解；3）事件列舉；4）事件列表的開(kāi)發(fā)；5）OPNET 中代碼的實(shí)現(xiàn)。

下面根據(jù)這5 個(gè)步驟分別對(duì)停- 等重傳協(xié)議源端和目的端節(jié)點(diǎn)進(jìn)程進(jìn)行建模。

2.2.1 源端節(jié)點(diǎn)進(jìn)程建模

1）文本定義：根據(jù)協(xié)議描述，確定當(dāng)前協(xié)議和其他協(xié)議棧的交互關(guān)系。交互關(guān)系框架如圖2 所示。

圖2 協(xié)議棧交互框架

2）進(jìn)程分解：根據(jù)要仿真的協(xié)議和算法確定采用單一進(jìn)程模型還是多進(jìn)程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。本協(xié)議采用單進(jìn)程來(lái)進(jìn)行建模。

3）事件列舉：把協(xié)議描述中可能發(fā)生的事件一一列舉出來(lái)，并指定其在OPNET 中是什么中斷類(lèi)型。如表1 所示，將事件與中斷類(lèi)型作一列舉和映射。

表1 事件與中斷類(lèi)型

4）事件列表的開(kāi)發(fā)：該部分是進(jìn)程建模的核心部分。采用逐層遍歷的方式對(duì)事件列表進(jìn)行開(kāi)發(fā)。即：先確定一個(gè)初始狀態(tài)，按照“順藤摸瓜”的方式遍歷第3 步列出來(lái)的所有事件，再去遍歷每個(gè)事件下可能的條件，分析可能的跳轉(zhuǎn)方向，最后分析在這個(gè)條件下執(zhí)行什么操作以及可能會(huì)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。當(dāng)所有事件都遍歷完后事件列表處于一個(gè)收斂的狀態(tài)［9］。下面結(jié)合停-等重傳協(xié)議來(lái)分析一下事件列表的遍歷過(guò)程。構(gòu)建進(jìn)程模型首先要確定一個(gè)初始狀態(tài)（Init），從初始狀態(tài)下來(lái)分析哪些事件會(huì)發(fā)生。表2 展示了從Init 狀態(tài)出發(fā)的事件響應(yīng)情況。表3 展示了從ACK Wait 狀態(tài)出發(fā)的事件響應(yīng)情況。其余狀態(tài)的事件響應(yīng)以此為例即可構(gòu)建。

表2 Init 狀態(tài)響應(yīng)列表

表3 ACK Wait 狀態(tài)響應(yīng)列表

通過(guò)前4 步設(shè)計(jì)出針對(duì)不同協(xié)議的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，挖掘潛在的轉(zhuǎn)移方向，最后在第5 步通過(guò)相應(yīng)的代碼編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5）代碼實(shí)現(xiàn)。根據(jù)開(kāi)發(fā)的事件列表中的內(nèi)容繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，并且在狀態(tài)轉(zhuǎn)移線(xiàn)上定義轉(zhuǎn)移條件和執(zhí)行的函數(shù)，進(jìn)行代碼的編寫(xiě)。根據(jù)事件列表構(gòu)建的源端進(jìn)程模型如圖3 所示。在HB 代碼區(qū)對(duì)轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行宏定義，相應(yīng)的HB 代碼區(qū)的內(nèi)容如圖4 所示。在FB 代碼區(qū)實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)移線(xiàn)上定義的函數(shù)功能，具體代碼如圖5 所示。進(jìn)程模型搭建完成后要在進(jìn)程模型編輯器的進(jìn)程接口中開(kāi)啟初始化仿真中斷（begsim intrpt），同時(shí)將鏈路中斷（failure intrpts）和恢復(fù)中斷（recovery intrpts）設(shè)置為network wide，即開(kāi)啟響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的鏈路中斷和恢復(fù)中斷。

圖3 源端進(jìn)程模型

圖4 源端進(jìn)程模型HB 代碼區(qū)

圖5 FB 代碼區(qū)函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)

2.2.2 接收端節(jié)點(diǎn)進(jìn)程建模

如2.1 中所示的方法構(gòu)建出的接收端進(jìn)程模型如圖6 所示。

圖6 接收端進(jìn)程模型

2.3 節(jié)點(diǎn)建模

節(jié)點(diǎn)模型用于定義每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為。一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常由多個(gè)模塊組成，其行為由其使用的不同的模塊決定，每個(gè)模塊完成一部分節(jié)點(diǎn)行為，如數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、存儲(chǔ)等。下頁(yè)圖7 為源端節(jié)點(diǎn)模型，由一個(gè)處理器模塊，一個(gè)隊(duì)列模塊，一對(duì)端到端收發(fā)信機(jī)和Packet Stream 連接線(xiàn)組成。圖8 為接收端節(jié)點(diǎn)模型，由一個(gè)處理器模塊，一對(duì)端到端收發(fā)信機(jī)和Packet Stream 連接線(xiàn)組成。同時(shí)，將源端進(jìn)程模型關(guān)聯(lián)到stop_wait 隊(duì)列模塊，將接收端進(jìn)程模型關(guān)聯(lián)到sink 處理器模塊。

圖7 源端節(jié)點(diǎn)模型

圖8 接收端節(jié)點(diǎn)模型

2.4 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)模型

首先，構(gòu)建好自己的鏈路模型。在鏈路模型編輯器中將Link Type 設(shè)置為ptdup（雙工鏈路），date rate 設(shè)置為1M。同時(shí)修改4 個(gè)管道階段文件，txdel model（傳輸延時(shí)）設(shè)置為dpt_txdel，propdel model（傳播延時(shí)）設(shè)置為dpt_propdel，error model（錯(cuò)誤分布）設(shè)置為dpt_error，ecc_error（錯(cuò)誤糾正） 設(shè)置為dpt_ecc。

利用上面創(chuàng)建好的源端節(jié)點(diǎn)、接收端節(jié)點(diǎn)、鏈路模型創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)模型。同時(shí)配置故障模塊（Failure Recovery），鏈路故障情況設(shè)置為：200 s 時(shí)產(chǎn)生故障，500 s 時(shí)故障恢復(fù)。建好的網(wǎng)絡(luò)模型如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)模型

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出端到端時(shí)延、反饋確認(rèn)包數(shù)量、吞吐量和鏈路利用率等重要參數(shù)的仿真結(jié)果。

從圖10 可以看出，200 s 時(shí)鏈路掉線(xiàn)，此時(shí)無(wú)法統(tǒng)計(jì)端到端時(shí)延，當(dāng)500 s 時(shí)，鏈路故障恢復(fù)后，由于上層到達(dá)的包緩存了300 s 的時(shí)間，所以鏈路故障恢復(fù)后端到端時(shí)延猛增，臨近仿真結(jié)束時(shí)端到端時(shí)延逼近510 s。

圖10 端到端時(shí)延

圖11 反饋確認(rèn)包數(shù)、吞吐量、鏈路利用率

從圖11 可以看出，由于200 s～500 s 之間，鏈路處于掉線(xiàn)狀態(tài)，所以反饋確認(rèn)包的包個(gè)數(shù)是不變的，直到500 s 后才會(huì)集中將反饋確認(rèn)包發(fā)回到源節(jié)點(diǎn)上，所以反饋包才會(huì)持續(xù)增加。吞吐量在200 s～500 s 之間呈下降的趨勢(shì)，因?yàn)橥掏铝渴腔谥暗睦奂咏Y(jié)果的，所以不會(huì)出現(xiàn)零值。因?yàn)?00 s～500 s之間鏈路處于掉線(xiàn)狀態(tài)，所以對(duì)應(yīng)的鏈路利用率為0。仿真結(jié)果驗(yàn)證了停-等重傳協(xié)議所支持的性能。

4 結(jié)論

OPNET Modeler 的3 層建模架構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型、進(jìn)程模型，和實(shí)際的協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。其中進(jìn)程模型為仿真的核心和難點(diǎn)。本文以實(shí)際的例子引導(dǎo)進(jìn)程建模的思路，重點(diǎn)介紹了進(jìn)程建模機(jī)制，給出了詳細(xì)具體的進(jìn)程建模方法，同時(shí)在此基礎(chǔ)之上構(gòu)建了節(jié)點(diǎn)模型、網(wǎng)絡(luò)模型。讀者可直接將文中的進(jìn)程模型（.pr.m 文件）、節(jié)點(diǎn)模型（.nd.m 文件）延續(xù)用于自己的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。也可利用文中提出的進(jìn)程建模方法的5 個(gè)步驟，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)符合具體要求的協(xié)議。建立好的進(jìn)程模型可以直接關(guān)聯(lián)到節(jié)點(diǎn)模型的特定模塊，完成特定的節(jié)點(diǎn)行為。網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建較簡(jiǎn)單，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，直接根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將構(gòu)建好的節(jié)點(diǎn)模型和OPNET Modeler 仿真平臺(tái)自帶的模型拖拽到仿真場(chǎng)景中，配置好鏈路模型的相關(guān)參數(shù)即可。要進(jìn)行進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)仿真，還需為搭建好的網(wǎng)絡(luò)“配置業(yè)務(wù)”、“收集結(jié)果統(tǒng)計(jì)量”、“運(yùn)行仿真”、“調(diào)試模塊再次仿真”。本文最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了停-等重傳協(xié)議所具有的功能，說(shuō)明了進(jìn)程建模方法的正確性和有效性，為研發(fā)者使用OPNET Modeler 建立新的協(xié)議提供了思路，可直接將本協(xié)議用于需要可靠傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，也可在此基礎(chǔ)之上對(duì)協(xié)議進(jìn)行豐富擴(kuò)充，以更好地滿(mǎn)足實(shí)際需求。