1、#毕业论文#局域网仿真设计与优化西安工业大学北方信息工程学院软件工程冯隽炜西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：局域网仿真设计与优化系 别: 计算机信息与技术系专 业: 软件工程 班 级: B100603 姓 名: 冯隽炜 学 号: B10060305 导 师: 唐俊勇 2014年06月毕业设计(论文)任务书系别 计算机信息与技术系 专业 软件工程 班级B100603 姓名 冯隽炜 学号B100603051.毕业设计(论文)题目： 局域网的仿真设计与优化 2.题目背景和意义：局域网络在负担较重的情况下，影响到实际运行的效果。局域网的优化是网络工程中非常重要的内容，利用网络协议的
2、特点进行软件和物理组网优化，具有十分现实的意义。 3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标)： (1) 基本功能：1) 局域网建模；2) 根据需求设计校园网并进行网络仿真；3) 网络仿真结果分析；4）针对需求进行网络通信措施的改进。(2)开发工具：1) 平台：OPNET； (3)按照软件工程的思想和方法进行分析、设计和实现。 (4)论文撰写符合管理规范手册要求。 4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点)：第1周第3周：选题、收集资料、确定开发工具、理解题目、开题报告、确定提纲。第4周第6周：结合题目参加实习、需求分析(需求说明书)、开发计划(项目计划书)。第7周第8周：总体流程
3、图、数据库关系设计图、数据库关系流程图。 第9周第12周：编写程序。第13周15周：系统集成、系统测试、导师验收成果。要求设计过程中同时撰写论文，并于13周前完成初稿，提交评阅前至少完成3次校稿。设计地点：校内 5.毕业设计(论文)的工作量要求 撰写15000字论文 实验(时数)*或实习(天数)： 300机时 图纸(幅面和张数)*： 其他要求： 查阅资料不少于10份 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。局域网的仿真设计与优化摘 要传统网络设计和规划主要靠经验，对复杂的大
4、型网络，很多地方由于无法预知而抓不住设计的要点。加之数据网络日趋复杂、网络规模日趋庞大，因此越来越需要一种新的网络规划和设计手段。在这种情况下，网络仿真作为一种新的网络规划和设计技术应运而生，它以其独有的方法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，减少不必要的投资浪费。网络仿真技术在网络规划设计、网络实施以及网络应用系统集成中具有非常重要的作用。本文通过运行网络仿真技术，利用计算机构造虚拟的环境来反映现实的网络环境和网络行为，从而能够有效提高网络规划和设计的可靠性和准确性。基于OPNET仿真平台，对局域网常见网络拓扑和某大学校园网络进行建模仿真，
5、模拟网络行为，对关键参数进行收集、分析，并进行多次实验验证，达到对局域网的性能直观的了解。后对仿真结果查看分析，利用网络协议的特点对校园网络进行优化。关键词：网络仿真；局域网；OPNET；校园网；网络拓扑Simulation Design and Optimization of LANAbstractTraditional network design and planning mainly by experience, for complex large-scale network, many places due to unpredictable and catch the main po
6、ints of the design. Combined with the data network has become increasingly complex, increasingly large scale, so more and more need a new kind of network planning and design methods. In this case, the network simulation technology came into being as a new network planning and design, it provides obj
7、ective and reliable quantitative basis for network planning and design with its unique method, shortening the period of network construction, raise the scientific nature of the decision-making in the construction of network, reduce unnecessary waste of investment. Network simulation technology has v
8、ery important role in network planning and design, network implementation and network application system integration.In this paper, through the network simulation technology construct virtual environment to reflect the real network environment and network behavior using computer, which can effective
9、ly improve the reliability and accuracy of network planning and design. Common network topology of the local area network (LAN) and a university campus network modeling simulation, simulate network behavior, collect and analyze the key parameters, and verified experiment many times based on OPNET si
10、mulation platform, achieve intuitive understanding of the performance of local area network (LAN). After check and analyze the result of the simulation analysis, optimize the campus network make use of the characteristics of the network.Key Words: Network simulation; LAN; OPNET; Campus network; Netw
11、ork topology1 绪论 11.1课题背景 11.2国内外研究的相关情况 21.3研究的意义 21.4论文的组织结构 32 网络仿真技术 42.1网络仿真概述 42.1.1网络仿真 42.1.2网络仿真的原理 42.1.3网络仿真的特点 42.2网络仿真技术的主流工具 52.3网络仿真的流程 63 网络仿真软件OPNET 73.1 OPNET仿真软件概述 73.2 OPNET的介绍 83.3 OPNET的特点 93.4 OPNET仿真技术 103.2.1三层建模机制 103.2.2离散事件仿真机制 123.5 OPNET的仿真流程 123.6 OPNET软件安装 133.6.1安装文件
12、 133.6.2环境配置 143.6.3安装步骤 144 LAN拓扑建模与仿真分析 154.1 LAN中常见的拓扑结构 154.1.1星型拓扑 154.1.2树型拓扑 164.1.3环型拓扑 164.1.4总线型拓扑 174.2建立网络拓扑模型 174.3仿真数据的收集 184.3.1仿真数据收集 184.3.2仿真属性设置 184.3.3运行仿真 194.4仿真结果查看及分析 204.4.1网络延迟 204.4.2服务器负载 215 校园网建模及仿真分析 225.1校园网的建模 225.1.1需求分析 225.1.2建立网络拓扑模型 225.1.3相关业务的配置 235.2仿真数据收集和仿真
13、结果分析 265.2.1仿真数据收集 265.2.2运行仿真和结果分析 275.3扩大规模后的校园网 305.3.1扩大现有校园网的规模 305.3.2扩大规模后的校园网的仿真结果分析 305.4校园网的改进 345.4.1 对原校园网的改进 345.4.2 改进后的校园网的仿真结果分析 346 结论 39参考文献 40致 谢 41毕业设计（论文）知识产权声明 42毕业设计（论文）独创性声明 431 绪论1.1课题背景在当今这一信息技术时代，无论是构建新网络，升级改造现有网络，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，使设计的网络有很高的性能，或者使测试结果能够真
14、实反映设备的表现。传统网络设计和规划主要靠经验，对复杂的大型网络，很多地方由于无法预知而抓不住设计的要点1。加之数据网络日趋复杂、网络规模日趋庞大，因此越来越需要一种新的网络规划和设计手段。进行网络技术研究的手段一般有以下三种：分析方法、实验方法和网络仿真。分析方法的有效性和精确性往往受到假设的限制，实验方法的局限性在于成本相对较高，而网络仿真在很大程度上弥补了前两种方法的局限与不足，它能根据设计所需的网络模型，用相对较小的代价了解不同条件下网络的各种特性，获取网络研究中丰富有效的数据。网络仿真作为一种新的网络规划和设计技术应运而生，它以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩
15、短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，减少不必要的投资浪费1。网络仿是一个非常不错的网络研究工具，它以系统理论、随机过程和统计学理论、形式化理论以及优化理论为基础。在设计阶段，仿真方法能提供一个虚拟模型来预测并比较各种方案的性能，通过对不同环境以及工作负荷的分析和比较，来对系统性能进行优化。可以说在某些情况下，仿真是唯一可行的方法和技术。网络仿真技术在网络规划设计、网络实施以及网络应用系统集成中具有非常重要的作用2。OPNET网络仿真软件自问世以来，其排名一直位居网络仿真软件的前列3。OPNET能够满足大型复杂网络的仿真需要，提供一个专业化的网络技术和产品开发平台，来实现网络的设计分析与
16、优化以及网络设备和通信协议的开发。OPNET将网络抽象为数据模型，仿真网络的实际运行，通过对仿真结果的分析来对网络的性能做出评估，以便进行网络研究。通过采用OPNET模拟真实环境、调整网络参数来给出大量客观且可靠的数据，反映和预测网络的性能，达到对网络进行优化的目的。目前，OPNET网络仿真技术已经逐渐成为网络规划、设计和开发中不可缺少的工具1。但在大型网络和复杂网络的应用方面，尚存在不少重要的项目技术问题需要解决，部分已解决的问题也仍需要进一步深入研究探讨。因此运用仿真技术对网络进行优化设计和性能分析也是一个富有挑战性的课题4。局域网（local area network，LAN）是一个单位
17、或部门组建的小型网络，用于将有限范围内（如一个房间、一个楼层、一幢大楼内或一个校园内）的一组计算机互连组成网络，如学校的实验室、校园或中小型机关、公司、工厂的网络通畅都都属于局域网5，其作用范围通常为十米至几千米。局域网规模小、速度快，应用非常广泛。虽然人们使用网络的范围已经越来越大，但大多数都还是直接使用局域网，且一般企业单位也都是组建本企业或单位的内部局域网。局域网的拓扑结构大多数采用总线型、环型或星形6。随着计算机网络技术的发展，局域网的体系结构、协议标准的深入研究，以及新的传输介质的引入、传输速率的不断提高，局域网技术发生了很大变化。LAN 具有共享传输信道、传输速率较高、误码率低以及
18、可靠性高等特点7。1.2国内外研究的相关情况网络仿真技术在网络规划设计方面的应用在我国起步不算太久，即使是在国外，也只有二十几年的时间。在国外，网络仿真技术以前主要用于网络协议和网络设备的开发和研究，使用者大都是大学和研究所的研究和开发人员。近些年，网络仿真软件生产厂商纷纷把应用和开发重点转向网络规划和设计方面，将用户由原来的研究开发人员转向网络规划和设计人员。另一方面网络仿真规划设计软件的使用和操作相当复杂，还远没有达到一般网络规划设计人员经过短时间培训就能够熟练使用的目标，因此国外网络仿真软件厂家正致力于简化软件界面和操作流程，强化软件的项目应用能力，特别是加强了与网络管理软件厂商的合作，
19、开发与网管软件的接口，使得网络模型的建立逐步自动化，加快网络建模的速度1。我国的网络仿真技术的研究1999年才起步，这主要有两个原因，一个是我国数据网络的发展较晚，对网络仿真技术的需求相对不是十分迫切；另一个原因是主流的网络仿真软件基本上产自美国，而其高端产品在1998年以前一直是对包括中国在内的社会主义国家禁运。1近些年来，由于我国数据网络的迅速发展的拉动以及美国解除了高端网络仿真软件出口的限制的刺激，我国的网络仿真研究和应用才逐渐起步。1.3研究的意义通过进行网络仿真，可以在计算机中构造虚拟的环境来反映现实的网络环境和网络行为，从而能够有效提高网络规划和设计的可靠性和准确性，明显地降低网络
20、的投资风险，减少不必要的投资浪费。基于OPNET仿真平台，对局域网进行建模仿真，进行多次实验验证，能直观的了解局域网的性能，后对仿真结果查看分析，利用网络协议的特点进行网络优化。1.4论文的组织结构本论文的组织结构如下：第一章 绪论。介绍了本课题的背景，国内外研究的相关情况以及研究的意义，简单概述了本文的组织结构。第二章 网络仿真技术。本章主要介绍了网络仿真的概念，网络仿真技术的主流工具以及网络仿真的具体流程。第三章 网络仿真软件OPNET。主要介绍目前最常用的网络仿真软件OPNET的相关内容，包含软件概述、软件特点、仿真技术、仿真的流程以及软件的安装步骤。第四章 LAN拓扑建模与仿真分析。首
21、先介绍局域网最常见的几种拓扑模型，然后对星形拓扑模型、树形拓扑模型和环形拓扑模型进行建模仿真，后对仿真结果进行简要分析。第五章 校园网建模及仿真分析。本章节是本文的核心，主要介绍校园局域网的建模、仿真以及仿真结果分析。其中包括改进前后两个校园网的拓扑模型和仿真结果的对比分析。第六章 结论。总结了本次设计的成果和心得，并说明了设计中存在的不足之处。2 网络仿真技术2.1网络仿真概述2.1.1网络仿真网络仿真被称为网络模拟，就是用计算机程序对通信网络进行模型化，通过运行程序模仿通信网络的运行过程。网络仿真既模拟真实的应用环境得出可靠的运行结果和数据，也可以模仿一个系统运行过程中的某些行为和特性。
22、网络仿真是一种介于试验和计算之间的技术，它通过建立实际系统的数学模型并按照相同的运行机理模拟物理系统的动态行为，可以说网络仿真是一种基于统计计算的模拟试验方法8。同时网络仿真技术也是一种通过建立网络设备、链路和协议模型，并模拟网络流量的运输，从而获取网络设计和优化所需要的网络性能数据的仿真技术。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。2.1.2网络仿真的原理网络仿真是随机离散事件仿真的一种。按离散事件发生的先后顺序对事件进行排序，并通过事件发生时对系统状态的影响来模拟实际系统的运行特性。仿真过程中通常都有两类实体：固定实体和流动实体。固定实体是仿真过程中始终存在的实体(如网络
23、设备和协议)，用于接受或拒绝流动实体(数据包)的进入。对于进入的流动实体，需按照特定的逻辑或数学关系对其做排队、转移、逗留或处理，从而使流动实体按所需的要求在模型中流动。流动实体(数据包)是仿真所处理的对象，它服从一定的概率分布，从系统外部输入系统，在仿真模型的框架结构中运动，每当到达或离开模型中某一固定实体时，就触发各项离散事件。2.1.3网络仿真的特点网络仿真技术是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获取特定的网络特性参数的技术。网络仿真技术主要有以下特点：a. 全新的模拟实验机理全新的模拟实验机理，使其具有在高度复杂的网络环境下得到高可信度结果的特点。网络仿真的预测功能是其
24、他任何方法都无法比拟的。b. 使用范围广既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络的设计，而且特别适用于大中型网络的设计和优化。c. 成本不高初期应用成本不高且建好的网络模型能延续使用，后期的投资还会不断下降。网络仿真技术还有两个显著的特点：首先，网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真技术能够迅速地建立现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真。这使得网络仿真非常适用于预测网络的性能。其次，网络仿真能够验证实际方案并比较多个不同的设计方案。在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案，它们往往是各有特点，仅凭主观判断，很难做出正确的选择，因此如何进行科学的比较和取
25、舍往往是网络设计者们感到头疼的事。网络仿真能够通过为不同的设计方案建立模型，进行模拟，获取定量的网络性能预测数据，为方案的验证和比较提供可靠的依据。2.2网络仿真技术的主流工具目前有很多优秀的网络仿真软件，其中有OPNET、NsZ、GloMoSim等，为网络研究人员提供了很好的网络仿真平台，并提供了丰富的网络仿真模型库和高级语言编程接口，从而提高了仿真软件的灵活性和使用方便性9。下面对这几种主流的网络仿真软件进行简要的介绍。a. OPNET Modeler最著名的仿真软件是美国MIL3公司出品的OPNET Modeler。OPNET是世界上最先进的网络仿真开发和应用平台，近几年被第三方权威机构
26、评选为“世界级网络仿真软件”的第一名。OPNET支持一般的PC和SUN、HP、IBM、SGI等工作站硬件设备，可以运行在Unix、Linux、Windows等操作系统上。到目前为止，全球已有多个单位采用OPNET技术进行通信网络研究开发以及网络规划。但由于OPNET是收费的商业软件，限制了其在研究领域的应用。b. NS2NS2也是一知名的仿真软件，即Network Simulator version 2，是1995年由DARPA资助的VINT工程开发，是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台。NS2是一个完全免费的软件，因有开放体系结构，并带有大量协议库支持，尤其适合于对基于TCP
27、/IP的网络进行仿真，在国际上享有很高的学术声誉，被世界各国的网络研究者广泛使用。NS2采用离散事件驱动机理进行仿真，它的架构严格遵循OSI的七层网络模型，其内核源码是用C语言编写，编程语言用C+和OTcL（即面向对象的TcL）。NS2的优点在于软件包可以从网络上免费下载，所有源代码公开，是一个开放性的仿真平台。用户可以通过继承NS2类来开发适合自己需要的对象模块，集成到NS2环境中去。使用NS2的另一个好处是使初学网络者能比较具体地理解网络技术、协议、路由、分组转发、拥塞控制等。但NS2仍有一些缺点。首先，由于仿真器本身的不断升级，不同版本中模块的兼容性问题比较突出；其实，仿真节点数目过多时
28、，NS2便需要更多的内在资源，因此运行速度明显变慢。再次，由于使用两种编程语言，NS2的学习曲线太过陡峭，其调试工作具有相当的难度。c. GloMoSimGloMoSim(for global mobile system)仿真软件由美国UCLA大学计算机系开发，可以实现并行离散时间驱动仿真，具有可扩展性和可编程性。GloMoSim的优点在于使用方便，具有可测量、可远程控制性。GloMoSim的缺点在于其分层结构太严格，要实现跨层信息的应用就显得困难。其中NS2和GloMoSim是免费的，其程序的源代码也是开放的，因此受到了学术界的欢迎。OPNET是商业软件，费用较贵，但其功能强大，仿真准确性也
29、较高，主要为一些大型网络研发部门所使用。OPNET综合采用基于包的建模方法和数学分析的建模方法，可以获得较快的仿真速度。三种仿真软件都采用离散事件驱动作为引擎。离散事件驱动的模拟机理，使其可以在高度复杂的网络环境下得到高可信度的结果。但这种机制存在着模型不严格和进程能力不够的缺点。目前已有些仿真软件采用对诸如流量或队列行为的分析模型来增强事件驱动机制，以提高仿真的准确性和扩展性。2.3网络仿真的流程进行网络仿真，一般都需要经过以下4个阶段的仿真工作。a. 仿真设计利用仿真模型来完成具体场景的仿真，设计适当的输入参数、仿真统计内容、仿真运行时间、仿真随机种子数个数、仿真独立运行的次数、仿真启动条
30、件、仿真终止条件和仿真的准备周期等。b. 仿真运行利用仿真软件工具进行仿真实验。c. 仿真分析利用分析工具对仿真结果进行分析。利用平均、方差、最大值、最小值等数学方法和数据过滤技术进行仿真数据，分析仿真结果。d. 仿真报告完成网络仿真的一系列相关报告。3 网络仿真软件OPNET3.1 OPNET仿真软件概述OPNET网络仿真软件是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用的平台之一，是全球领先的决策支持工具的提供商。总部在美国华盛顿特区，主要面向网络领域的专业人士，为网络专业人士提供基于软件方面的预测解决方案。OPNET 网络仿真软件是MIL3公司的产品，MIL3公司是由MIT(麻省理工学院)的几位
31、教师在1986年创建的，他们把在MIT的研究成果产品化，开发出了MIL3公司的第一个产品Modeler，并在随后将其扩充、完善，由此产生了OPNET系列产品。1987年OPNET公司发布了第1个商业化的网络仿真软件，提供了具有重要意义的网络性能优化工具，使具有预测性的网络性能管理和仿真成为可能7。1987年以来，OPNET迅速而稳步地发展，作为高科技网络规划、仿真及分析工具，OPNET在通信、国防及计算机网络领域已经被广泛认可和采用。OPNET 的产品主要面向专业人士，帮助客户进行网络结构、设备和应用的设计、建设、分析和管理。OPNET的产品主要针对三类客户，分成四个系列。三类客户是指：网络服务提供商、网络设备制造商和一般企业。四个系列产品核心包括8：a. OPNET Modeler面向研发，提供一个网络技术和产品开发平台，帮助专业技术人员设计和分析网络、网络设备和通信协议，其宗旨是为了加速网络研发。b. ITGuru功能齐全、性能优良的网络预测以及分析的工具软件包，专门为网络专业技术人员及管理人员进行网络规划、设计。建设和运营提供决策支持。c. SPGuru面向网络服务提供商的智能化网络管理及优化的平台，能辨识整个网络。d. WDM Guru主要应用在波分复用光纤网络的分析和测评，面向光纤网络的运营商和设
