浅谈计算机网络仿真技术冯永利何忠龙罗宪芬（公安海警高等专科学校电子技术系，浙江宁波315801）摘要：本文介绍了网络仿真技术的产生背景、概念、特点、主要应用、发展趋势以及OPNET网络仿真软件。
关键词：网络；仿真技术；OPNET；仿真软件；网络建模The Simulation Technique of Computer NetworkFENG YongLi, HE ZhongLong and LUO XianFen(Public Security Marine Police Academy, Ningbo 315801, China)Abstract：The paper mainly introduces the background, concept, characteristic, practical application and development trend of computer network’s simulation technique, together with OPNET network simulation software.Key words：computer network, simulation technique, OPNET, simulation software, network modeling1 网络仿真技术的产生背景在信息技术和网络技术迅猛发展的今天，网络结构和规模日趋复杂庞大，多种类型的网络日益走向融合，业务种类增多，网络负载日益繁重，新的网络技术更是层出不穷。
研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算法，为网络发展做出前瞻性的基础研究；另一方面也要研究如何利用和整合现有的网络资源，使网络达到最高效能。
因此，如何对网络进行规划或优化设计是个非常富有挑战性的课题。
无论是构建新网络，还是升级改造现有网络，或者测试新协议，都需要对网络的可靠性和有效性进行客观地评估，从而降低网络建设的投资风险，使设计的网络具有很高的性能。
目前，计算机网络的规划和设计一般采用的是经验、试验和计算等传统的网络设计方法。
这在网络规模小、拓扑结构简单、网络流量不大的情况下得到了广泛的应用。
而随着网络的不断扩充，必然对网络设计的客观性和设计结果的可靠性提出很高的要求。
网络仿真技术正是在这种需求拉动下应运而生的，它以独有的方法能够为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。
2 网络仿真技术的概念与特点网络仿真技术是最近几年兴起的一种网络研究技术，它是以计算机为主要工具，利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能参数的技术。
这些网络性能参数包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和时延等。
通过仿真实际网络的运行及其得到的评估报告，可以及时发现设计问题，并进一步改进和优化方案，无疑在协议开发、标准制定、网络规划设计和网络运营管理等方面会极大地提高效率，为网络的发展提供了强有力的支持。
目前，网络仿真技术已经逐渐成为网络规划、设计和开发中的主流技术，它具有以下几个显著的特点：（1）网络仿真技术能够迅速地建立现有网络的模型、方便地修改模型并进行仿真。
因此，网络仿真非常适用于预测网络的性能，能够为网络的规划设计提供充分、可靠的定量依据。
（2）网络仿真技术能够通过为不同的设计方案建立模型并进行仿真，获取定量的网络性能预测数据，从而为设计方案的验证和比较提供可靠的依据。
因此它克服了以前主观判断或简单计算的弊端，在不同方案间更容易做出正确的选择。
（3）网络仿真技术既可以用于现有网络的优化与扩容，又可以用于新网络的设计，尤其是在大中型网络的规划和设计方面具有比较明显的优势。
（4）初期成本不高，而且建好的模型可以延续使用。
然而，网络仿真技术只是网络规划设计的手段之一。
虽然经验、试验和计算这三种传统的网络设计方法都具有其局限性，但是网络仿真技术并不能完全取代它们，而应该和这三种方法结合在一起使用才能得到最好的效果。
3 网络仿真技术的主要应用网络仿真技术既可以用于网络建设的前期规划，也可用于网络改造中的系统分析。
主要针对网络设计方案、实施方案、网络运行情况、网络发展计划等进行测试、评估、改进和优化，实现网络建设最优化。
其应用包括：基于标准或特定的LAN、WAN、无线网、卫星网等建模和网络建设规划；通信网络的结构和协议的研究开发与验证；辅助网络的监控、管理及网络优化；资源规划与网络性能分析；网络系统的构建与集成中对于多种不同的连接技术，多种协议、算法建模仿真，模拟网络中断和恢复的通告，描述随机发生的网络危险等。
4 网络仿真技术的发展趋势近年来，由于网络日趋复杂、网络规模日趋庞大，网络仿真技术应用于网络规划和设计的需求日渐强烈，于是网络仿真软件厂商纷纷改变应用和开发的重点，将用户转向网络规划和设计人员，简化了软件界面和操作流程，强化软件的工程应用能力，特别是加强了与网络管理软件厂商的合作，使得网络模型的建立逐步自动化，加快了网络建模的速度。
目前，作为一种全新的网络规划设计方法，网络仿真技术以其独特的技术手段，已经成为一种经济、有效和其它传统方法不可替代的网络设计的有力工具。
国外众多成功的应用事例和研究队伍的不断扩大的事实充分显示出了它旺盛的生命力。
可以预见，随着数据网络的日趋复杂、网络规模的日渐庞大，对网络仿真技术的需求必将越来越迫切，网络仿真的应用也将越来越广泛。
我国虽然起步较晚，但是Internet网络的迅猛发展必将强劲地拉动网络仿真技术的研究和应用。
5 网络仿真软件介绍目前世界上网络仿真软件的主流产品基本上都来自美国公司。
其高端产品一般具有复杂的建模机制、比较完备的模型库、完善的外部接口、强大的功能，并能得到比较可靠的仿真结果，如MIL3公司的OPNET、CACI公司的COMNET、UC Berkeley ns等。
其中OPNET是目前网络仿真工具中较好的一个，它综合采用基于包和数学分析的建模方法，可以得到非常细节的模拟结果，下面重点进行介绍。
5.1 OPNET的功能与特点OPNET是OPNET公司（1986年成立，起源于美麻省理工学院）发布的一个商业化的网络性能仿真软件，具有先进的建模机制、完备的模型库、完善的外部接口等优点，能够提供强大的面向对象的通用网络仿真环境，主要用于对通信网络进行描述、仿真和性能分析，支持从单个的LAN到全球卫星通信网等各种通信系统，尤其是OPNET使用详细的协议模型和性能分析，能够对大型通信网络、计算机系统和应用以及分布式系统进行建模与仿真。
目前，作为网络仿真工具中的佼佼者，OPENT在网络仿真领域得到了广泛的应用，其最显著的特点是：（1）OPNET的建模环境分为三层：网络层、节点层和进程层，并相应地提供了三种图形化的编辑器，即网络编辑器、节点编辑器和进程编辑器。
（2）OPNET的模型是面向对象的，构造的模型具有很好的继承性和可重用性。
（3）OPNET采用基于包的建模机制。
模拟实际物理网络中包的流动，包括在网络设备间的流动和网络设备内部的处理过程；模拟实际网络协议中的组包和拆包的过程，能追踪协议设计中的每一个细节，可以生成、编辑任何标准的或自定义的包格式；利用DEBUG功能，还可以在模拟过程中察看任何特定的包的包头和净荷的内容。
（4）OPNET还支持高级语言描述，可以很方便地实现复杂的通信协议，是通信协议设计中首选的仿真平台。
OPNET采用离散事件驱动的模拟机理，只有网络状态发生变化时，模拟机才工作，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。
（5）OPNET具有丰富的统计量收集和分析功能。
它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，并有多种统计参数的采集和处理方法，还可以通过底层网络模型编程，收集特殊的网络参数。
（6）OPNET还有丰富的图表显示和编辑功能、模拟错误提示和告警功能，能够方便地编制和输出仿真报告。
5.2 OPNET建模环境OPNET的建模环境分为三层，分别为网络层、节点层和进程层，并相应地提供了三种图形化的编辑器，即网络编辑器、节点编辑器和进程编辑器。
这些编辑器以层次化的方式组织，支持模型级的重用，即在某一层开发的模型可以由另一高层的模型使用。
在这三层模型中，OPNET网络模型规定通信网络的物理拓扑，定义节点的位置和链路的互连情况。
每一个节点由一个结构化的数据流方框图，或称OPNET 节点模型描述，它描述了进程、协议和子系统之间的相互关系。
节点模型中的每个可编程模块的功能，由OPNET进程模型定义。
该进程模型综合了状态转移图的形式化能力和C编程语言的灵活性。
OPNET提供一个详尽的C语言函数库（内核函数库），包含各种预定义的建模函数。
5.3 OPNET应用于网络规划设计的主要步骤OPNET网络仿真软件应用于网络规划设计的主要步骤是：（1）收集和消化网络工程设计文档。
网络仿真必须对所仿真的网络进行全面和深入的了解，主要包括：网络拓扑结构，网络协议和标准，网络设备，网络链路，网络应用及其流量特性。
（2）建立网元模型。
对于基本模型库中已有的网络设备，根据网络设备的接口配置对现有模型进行修改，优化网络设备模型；对于基本模型库中没有的网络设备，需要开发新的网络设备模型。
（3）建立网络模型。
在所需的网元模型建立好之后，依据仿真网络，建立起网元模型之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统映射为OPNET网络模型。
（4）建立网络流量模型。
OPNET中，网络流量分为背景路由流量、背景利用率流量和前景业务流量。
（5）仿真设计和运行仿真。
首先，选择仿真过程中要收集的网络性能统计参数。
按统计参数的收集范围可将其分为全局统计量和对象统计量；按统计量的类型则可分为统计数据与动画数据。
其次，设计仿真序列。
选择适当的仿真参数，在不影响仿真结果可用性及可靠性的前提下，尽可能提高仿真计算效率。
最后，运行仿真。
（6）查看、分析结果并提交仿真报告。
通过查看仿真结果，并与实验或测量结果进行比较，来验证模型和仿真方法的正确性，同时还要对不同设计方案的仿真结果进行比较分析。
如果需要，改变网络模型或者仿真参数，重复仿真过程。
最后，整理仿真结果，撰写仿真报告。
需要指出，在实际操作中，一般不可能经过一个仿真的流程就达到仿真的目的，而往往需要多次的反复，因此，上述步骤或其中的部分步骤会多次重复，具体的网络仿真流程需要根据具体的仿真需要和其他具体情况决定。
6 结束语网络仿真技术以其独有的方法能够为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。
尽管这一技术并未完全成熟，但是可以预见，随着数据网络的日趋复杂、网络规模的日渐庞大，对网络仿真技术的需求必将越来越迫切，网络仿真的应用也将越来越广泛。