摘 要： 基于OPNET仿真機制，對目前大學校園局域網中增加視頻業(yè)務方案進行建模仿真，并給出仿真結果。通過分析HTTP頁面平均響應時間、FTP和E-mail平均下載響應時間、網絡平均延遲等網絡性能指標在增加視頻業(yè)務前后的變化情況，為判斷該局域網是否能夠負擔增加的視頻業(yè)務提供技術決策支持。
關鍵詞： OPNET；局域網；網絡性能；視頻業(yè)務
隨著Internet的快速發(fā)展，網絡已經走進了人們的日常生活中，成為人類生活、工作的重要部分。尤其是在生活密集程度高的大學校園，局域網性能甚至影響著人們的生活質量。同時，為了預防社會危害，視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1-2]得到了廣泛應用，其可對重要設施和道路進行實時監(jiān)控和視頻采集。目前，應用在視頻監(jiān)控系統(tǒng)上多以IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]為主。另外，在校園中，網絡視頻課程和網絡視頻會議等的興起，在局域網中增加視頻業(yè)務勢在必行。針對視頻業(yè)務，增加單獨的視頻業(yè)務服務器還是在原有網絡基礎上增加視頻業(yè)務[2]，這是本文研究的重點。局域網性能直接影響學校教育，科研工作效率，影響居民生活質量，及時了解分析測試包含視頻系統(tǒng)的局域網性能，對于滿足人們日益需求的網絡速度、良好的網絡環(huán)境以及采取恰當?shù)木W絡安全措施等有著十分重要的意義。本文針對上述網絡發(fā)展需求現(xiàn)狀，對在現(xiàn)有網絡服務基礎上增加視頻業(yè)務的網絡進行建模仿真，并對擴充服務后的網絡性能進行分析。
1 OPNET仿真軟件的仿真機制
目前，網絡仿真軟件有MATLAB、NS2和OPNET，而MATLAB偏向于科學計算，NS2使用起來不方便。OPNET雖然不是免費的軟件，但使用起來比較方便，便于對網絡進行建模仿真。OPNET網絡仿真軟件是由美國的OPNET Technology公司開發(fā)的網絡仿真工具[3]。OPNET Modeler是OPNET產線產品的核心，具有豐富的模型庫，可以利用OPNET搭建網絡仿真環(huán)境，能夠分析復雜網絡的性能和行為，為網絡設計和優(yōu)化管理等提供了參考。
OPNET Modeler采用的是三層建模仿真機制，參考文獻[3]中對三層建模的敘述為進程域建模、節(jié)點域建模和網絡域建模。進程模型為最底層，以有限狀態(tài)機來描述協(xié)議；節(jié)點模型由相應的協(xié)議模型構成，反應設備特性；網絡模型是最上層，利用節(jié)點構建反映現(xiàn)實網絡結構的拓撲[3]。
使用OPNET Modeler進行網絡仿真，一般分6個步驟[4]，分別是：配置網絡拓撲，配置業(yè)務，收集結果統(tǒng)計量，運行仿真，調試模塊再次運行仿真，發(fā)布結果和拓撲報告。
其仿真流程如圖1所示，圖1顯示了從建立模型、運行仿真到收集最后結果。
參考文獻[5]和參考文獻[6]中對仿真流程步驟解釋。（1）理解系統(tǒng)。如果不能正確地理解要模擬的系統(tǒng)對象，就無從建模；精確地理解系統(tǒng)成為整個建模的第一個環(huán)節(jié)，使用者對系統(tǒng)理解的精確性直接影響到所建模型的精確性。（2）理解系統(tǒng)仿真目的。體現(xiàn)了運行仿真后，仿真結果能幫助使用者解決什么樣的問題。（3）選擇需要建模的方面：從前面的問題中得到建模的目標。（4）定義輸入和輸出。輸入可能是固定的，也可能是變量，研究一個系統(tǒng)的時候，一般保持一些變量不變，然后在一定范圍內變化一兩個變量，接著就是確定輸出以及顯示這些結果的方法。（5）確定系統(tǒng)模型。根據(jù)仿真軟件能夠提供的特性，來描述自己的系統(tǒng)模型。（6）確定輸入和運行仿真：保持大多數(shù)變量不變，而只是變動其中一個或兩個變量。（7）系統(tǒng)結果是否精確。結果的容錯性和精確性都需要進行驗證。（8）結果是否足夠詳細。根據(jù)需要，適當?shù)母淖儾糠謪?shù)。（9）結果是否統(tǒng)計可用。一般來說，需要重新運行仿真，使得仿真結果到達穩(wěn)定狀態(tài)[5-6]。
2 實際網絡的拓撲建模與仿真
針對局域網的建模，應用環(huán)境為大學校園，本研究就某校園網于2008年升級改造后的網絡拓撲結構為例進行仿真。該網絡主干為1 000 Mb/s帶寬的星形千兆以太網。網絡中心核心交換機采用思科的Catalyst 6509，并以星形結構連接到辦公區(qū)、教學樓、圖書館以及各個院樓等匯聚交換機4507R上。Catalyst 6509與4507R之間以及Catalyst 6509與服務器之間采用1 000 Mb/s的光纖連接，其他設備與交換機4507R之間用1 000 Mb/s雙絞線連接。
OPNET的精確業(yè)務建模可以在應用層、網絡層和鏈路層3個協(xié)議層實現(xiàn)。OPNET Modeler提供了8種標準應用業(yè)務和一種用戶自定義應用業(yè)務模式，如表1所示[5-6]。在該局域網中，網絡主要用于網頁瀏覽，收發(fā)郵件以及FTP下載等業(yè)務，可以在應用層直接利用OPNET已經編寫的業(yè)務配置標準[7]，而對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務采用OPNET的視頻會議標準業(yè)務配置[1]。
網絡參數(shù)的配置情況如下。
（1）Application，在Application Definitions Table中列出了OPNET支持的8種標準業(yè)務類型和一種用戶自定義業(yè)務類型。在圖2中，本文分別在HTTP、FTP、E-mail后進行業(yè)務的詳細設置[6]。
（2）Profiles，在Profile Configuration進行業(yè)務具體配置，使其支持HTTP、FTP和E-mail 3種業(yè)務。
?。?）Server，在圖2中的服務器中設置支持的服務類型有HTTP、FTP和E-mail。
?。?）Client，在圖2中的Subnet中的所有的客戶端設置主詢業(yè)務，此與Profiles中的配置完全吻合。
（5）在復制的場景中增加Video Conferencing這項業(yè)務，并對Application、Profiles和Server中的參數(shù)修改，在各個Subnet中增加部分具有Video Conferencing的客戶端。
配置完參數(shù)以后，要選擇合適的統(tǒng)計量來對仿真結果進行統(tǒng)計分析。本研究采用的網絡性能指標統(tǒng)計量為：HTTP的平均頁面響應時間（Page Response Time）、E-mail和FTP的平均下載響應時間（Download Response Time）、網絡平均延遲（Delay）4個全局統(tǒng)計量，以及增加視頻系統(tǒng)以后的網絡中心與各個服務器之間的平均網絡吞吐量（Throughput）。
3 仿真結果分析
在運行仿真時候，設置仿真時間為兩小時，隨機種子數(shù)[9]為128。收集到的統(tǒng)計量如圖3所示，其中實線表示不含有視頻業(yè)務（No_Video）的網絡，虛線表示增加視頻業(yè)務（ADD_Video）后的網絡，并以Server3網絡吞吐量的變化來說明問題，如圖4所示。
圖3中的網絡性能指標變化非常小，僅為0.000 04 s~0.002 s，說明網絡的實時性非常好。圖7中雖然服務器的網絡吞吐量變化很大從1 800升到28 000 000，但最后都趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這說明整個網絡能夠在增加視頻業(yè)務之后達到穩(wěn)定。
從以上仿真分析上可以得出結論，在校園網中增加視頻業(yè)務后，對E-mail、FTP和HTTP等業(yè)務的影響較小，對整個網絡的延遲影響也較小。由此可以證明，增加視頻業(yè)務后的網絡能夠正常運行，對視頻業(yè)務可以進行加載，并不需要用單獨的服務器提供視頻業(yè)務。
本文利用OPNET Modeler網絡仿真軟件，對校園局域網性能指標以及增加視頻業(yè)務后的性能指標分別從E-mail和FTP平均下載響應時間，HTTP平均頁面響應時間，網絡的平均延遲以及各個服務器的網絡平均吞吐量等方面進行了比較分析，為局域網增加視頻業(yè)務提供了仿真數(shù)據(jù)，有助于對現(xiàn)有的網絡進行合理的改造，并表明此網絡能夠負擔增加視頻業(yè)務傳輸，滿足用戶需求。但同時需要注意，隨著視頻業(yè)務的增加，網絡流媒體數(shù)據(jù)的大量并發(fā)式的訪問，這就需要研究集群技術和負載均衡技術，而負載均衡算法是研究的重點，也是下一步的研究方向。
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