基于OPNET的80211建模與性能測試

1、基于OPNET的802.11建模與性能測試仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.熟悉無線局域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 2熟悉OPNET軟件環(huán)境，在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上模擬802.11，掌握OPNET運(yùn)行，了解802.11協(xié)議和應(yīng)用領(lǐng)域。 3.在OPNET環(huán)境下建立802.11，并進(jìn)行仿真調(diào)試，測試802.11的網(wǎng)絡(luò)性能，包括網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)丟包率。 4.對仿真測試的數(shù)據(jù)、圖表結(jié)合所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析（包括原理，仿真結(jié)果，圖表等），以報(bào)告的形式上交。 二、實(shí)驗(yàn)原理2.1 802.11概述 無線局域網(wǎng)協(xié)議是以IEEE 802II標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)信道接入控制(MAC)子層和3個(gè)物理(PHY)層。IEEE 80

2、2I I協(xié)議的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)能夠提供與有線網(wǎng)絡(luò)類似服務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)。IEEE 802Il無線局域網(wǎng)的架構(gòu)是用來支持一種移動(dòng)站以分布式的方式進(jìn)行協(xié)議會(huì)話的網(wǎng)絡(luò)。組成IEEE 802I I網(wǎng)絡(luò)可能有以下幾種等級成分：(I)移動(dòng)站(Station)：移動(dòng)站是直接與無線信道連接的組件。它可以是移動(dòng)的、便攜式的或是固定的。每個(gè)移動(dòng)站支持包括授權(quán)、認(rèn)證、密碼保護(hù)和交換數(shù)據(jù)(MAC JI務(wù)數(shù)據(jù)單元)等服務(wù)。(2)基本服務(wù)子集(Basic Service Set，BSS)：一個(gè)IEEE 8021 I無線局域網(wǎng)至少包含一個(gè)BSS。BSS是由一系列可以互相通信的移動(dòng)站組成。如果基本服務(wù)子集中的所有移動(dòng)站可以直接互相

3、通信而不與有線網(wǎng)絡(luò)相連，我們稱該BSS為獨(dú)立基本服務(wù)子集(Independent BSS)。IBSS代表一種典型的自組織網(wǎng)絡(luò)，它構(gòu)成簡單，規(guī)模小，而且源和目的結(jié)點(diǎn)之間的路由只有一跳。如果BSS包含一個(gè)接入點(diǎn)(Access Point，AP)，則稱該BSS為“架構(gòu)BSS(1nfrastructure BSS)” ，意味著它可以作為更大網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分。在一個(gè)架構(gòu)BSS中，所有移動(dòng)站和AP進(jìn)行通信。AP既可以作為無線子網(wǎng)通向有線網(wǎng)絡(luò)的入口設(shè)備，又可以作為本地?zé)o線子網(wǎng)路由交換設(shè)備。(3)擴(kuò)展服務(wù)子集(Extended Service Set，ESS)：一個(gè)ESS由多個(gè)“架構(gòu)BSS”組成，而每個(gè)“架

4、構(gòu)BSS”都含有一個(gè)AP，這些AP就成為數(shù)據(jù)從一個(gè)BSS通向另一個(gè)BSS的橋梁。同時(shí)AP也可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給作為無線局域網(wǎng)的主干分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Distribution System，DS)。它的布網(wǎng)方式一般是有線的。1.無線局域網(wǎng)的協(xié)議行為建模由于IEEE 802I I協(xié)議本身的復(fù)雜性，使得對其建模非常困難。我們根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將其拆分為多個(gè)相對獨(dú)立的部分，稱之為“協(xié)議行為” ，首先列舉無線局域網(wǎng)的如下各種行為：MAC協(xié)議會(huì)話：至少涉及兩種幀的交互參與，分別是從源到目的結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀和從目的到源結(jié)點(diǎn)的Ack幀。如果源結(jié)點(diǎn)沒有接收到確認(rèn)幀，則它會(huì)等待合適的退避時(shí)間并且次數(shù)有限地重傳數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀

5、的交互可以提供數(shù)據(jù)傳輸一定的可靠性保證。如果要進(jìn)一步增大數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，MAC協(xié)議會(huì)話額外要求請求發(fā)送幀Rts和確認(rèn)發(fā)送幀Cts的參與，它們用來預(yù)留信道帶寬。首次源結(jié)點(diǎn)向目的結(jié)點(diǎn)發(fā)送Rts請求預(yù)留信道，如果成功，目的結(jié)點(diǎn)會(huì)響應(yīng)一個(gè)Cts幀，這個(gè)過程可以看作是傳輸數(shù)據(jù)之前的握手。燕a提 標(biāo)準(zhǔn)中定義基本的接入機(jī)制采用基于二進(jìn)制指數(shù)退避的載波監(jiān)聽沖突避免協(xié)議(CSMACA)的DCF接入方案。在傳輸開始之前，移動(dòng)站先監(jiān)聽信道。如果監(jiān)聽到信道被占用，則移動(dòng)站不會(huì)傳輸分組。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的移動(dòng)站同時(shí)傳輸分組，則產(chǎn)生沖突，而導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)分組受損。這是基本的CSMA機(jī)制。為了進(jìn)一步避免沖突，移動(dòng)站在

6、開始傳輸分組之前如果監(jiān)測到信道被占用，則自動(dòng)進(jìn)入基于二進(jìn)制指數(shù)退避算法的退避階段。退避算法隨機(jī)選擇一定的時(shí)間量，規(guī)定移動(dòng)站必須等待這段時(shí)間才能嘗試發(fā)送間隔)長的時(shí)間間隔，那么移動(dòng)站就可以開始傳輸數(shù)據(jù)幀。接入機(jī)制：標(biāo)準(zhǔn)中定義基本的接入機(jī)制采用基于二進(jìn)制指數(shù)退避的載波監(jiān)聽沖突避免協(xié)議(CSMACA)的DCF接入方案。在傳輸開始之前，移動(dòng)站先監(jiān)聽信道。如果監(jiān)聽到信道被占用，則移動(dòng)站不會(huì)傳輸分組。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的移動(dòng)站同時(shí)傳輸分組，則產(chǎn)生沖突，而導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)分組受損。這是基本的CSMA機(jī)制。為了進(jìn)一步避免沖突，移動(dòng)站在開始傳輸分組之前如果監(jiān)測到信道被占用，則自動(dòng)進(jìn)入基于二進(jìn)制指數(shù)退避算法的退避

7、階段。退避算法隨機(jī)選擇一定的時(shí)間量，規(guī)定移動(dòng)站必須等待這段時(shí)間才能嘗試發(fā)送分組。幀間強(qiáng)制等待：在兩幀之間的傳輸必須經(jīng)歷一個(gè)強(qiáng)制等待時(shí)間：DCF機(jī)制包含DIFS、SIFS和EIFS。這些幀間間隔的具體取值是根據(jù)物理信道特征(跳頻，紅外，直接序列)來定。2.OPNET建模對于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和管理，一般分為3 個(gè)階段：第1 階段為設(shè)計(jì)階段，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，協(xié)議的設(shè)計(jì)和配置以及網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的設(shè)計(jì)和選擇；第2 階段為發(fā)布階段，設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)能夠具有一定性能，如吞吐率、響應(yīng)時(shí)間等等；第3 階段為實(shí)際運(yùn)營中的故障診斷、排錯(cuò)和升級優(yōu)化。而OPNET公司的整個(gè)產(chǎn)品線正好能面向網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的不同階段，即可以作網(wǎng)絡(luò)的設(shè)

8、計(jì)，也可以作為發(fā)布網(wǎng)絡(luò)性能的依據(jù)，還可以作為已投入運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和故障診斷工具。OPNET公司也是當(dāng)前業(yè)界智能化網(wǎng)絡(luò)管理分析解決方案的主要提供商。OPNET公司的第一個(gè)商用化產(chǎn)品為Modeler，在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了其他產(chǎn)品，使得其產(chǎn)品得種類更加豐富。目前OPNET公司得產(chǎn)品線除了Modeler外，還包括ITGuru、SPGuru、OPNET Development Kit以及WDMGuru。不同的產(chǎn)品面向的客戶群也不一樣。 Modeler主要面向研發(fā)，其宗旨是為了“Accelerating Network R&D （加速網(wǎng)絡(luò)研發(fā)） ITGuru可以用于大中型企業(yè)，做智能化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

9、、規(guī)劃和管理； SPGuru相對ITGuru在功能上更加強(qiáng)大，內(nèi)嵌了更多的OPNET附加功能模塊，包括流分析模塊、網(wǎng)絡(luò)醫(yī)生模塊、多提供商導(dǎo)入模塊、MPLS模塊，使得SPGuru成為電信運(yùn)營商量身定做的智能化網(wǎng)絡(luò)管理、規(guī)劃以及優(yōu)化的平臺(tái)；WDMGuru是面向光纖網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營商和設(shè)備制造商，為其提供了管理WDM光纖網(wǎng)絡(luò)，并為測試產(chǎn)品提供了一個(gè)虛擬的光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。OPNET開發(fā)包（ODK ，OPNET Development Kit）和NetBizODK 是一個(gè)更底層的開發(fā)平臺(tái)，其中ODK 為開發(fā)時(shí)環(huán)境，NetBiz 為運(yùn)行時(shí)環(huán)境，可以用于設(shè)計(jì)用戶自定制的解決方案，定制用戶的界面，并且ODK 提供了大量

10、的函數(shù)，用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和規(guī)劃。OPNET主要被大型通信設(shè)備制造商（如3Com、Cisco、Nortel Network、Lucent ）、大中型企業(yè)（如BOEING、Daimler、Benz等）、電信運(yùn)營商（如AT&T、NTT DoCoMo 、France Telecom 等）、軍方和政府方的研發(fā)機(jī)構(gòu)、大專院校等客戶應(yīng)用。OPNET Modeler 采用層次化的網(wǎng)絡(luò)模型。使用無限嵌套的子網(wǎng)來建立復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。簡單明了的建模方法。Modeler建模過程分為3 個(gè)層次：過程（process）層次、節(jié)點(diǎn)（Node）層次以及網(wǎng)絡(luò)（Network ）層次。在過程層次模擬單個(gè)對象的行為，在節(jié)點(diǎn)

11、層次中將其互連成設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層次中將這些設(shè)備互連組成網(wǎng)絡(luò)。幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)場景組成“項(xiàng)目”，用以比較不同的設(shè)計(jì)方案。這也是Modeler建模的重要機(jī)制，這種機(jī)制有利于項(xiàng)目的管理和分工。三、802.11建模仿真與性能測試1 .輸入接口RTs 門限： 該門限決定某個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸是否要啟動(dòng)Rts/Cts協(xié)議會(huì)話。如果從高層接收到的分組( 也稱為MAC服 務(wù)數(shù)據(jù)單元MSDU)大于Rts門限，為了增加傳輸效率(對于大 分組額外花銷資源預(yù)留帶寬而增加這次發(fā)送成功的概率是值 得的)，則啟動(dòng)Rts/Cts協(xié)議會(huì)話。由于Rts/Cts協(xié)議會(huì)話是協(xié)議非強(qiáng)制的功能，因此該值缺省為None，意味著不管MSDU多大也不啟

12、用該功能。當(dāng)Rts/Cts協(xié)議會(huì)話功能啟用則意味著 對于每次成功的數(shù)據(jù)幀的傳輸，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，都必須為預(yù)留信道消耗額外帶寬。拆分門限： 該門限決定高層數(shù)據(jù)分組(MSDU)是否需要 拆分。拆分后幀的數(shù)量是由MSDU的大小和拆分門限決定的。目的站點(diǎn)會(huì)將當(dāng)前接收的幀放入隸屬于某個(gè)MSDU的集成緩存，直到收到所有的幀才集成還原為MSDU并釋放集成 緩存。對大分組采用拆分傳輸提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?是由于對于每一個(gè)數(shù)據(jù)拆分幀都需要目的站點(diǎn)恢復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀，從而使協(xié)議開銷增大。拆分門限和Rts門限存在一定的 關(guān)聯(lián)性，如果拆分門限小于Rts門限則Rts/Cts協(xié)議會(huì)話功能 不可能啟用。為了提高

13、信道預(yù)留效率，這兩個(gè)門限值的設(shè)置 盡可能匹配。數(shù)據(jù)率： 802.11 模型支持1Mbps、2Mbps，5.5Mbps ， 和11Mbps 4種數(shù)據(jù)率。移動(dòng)站可以根據(jù)界面所選的數(shù)據(jù)率參 數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)，但是可以以任意速率接收分組。物理特征的選擇：IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)指定3種物理層配置 方案：跳頻，紅外和直接序列。雖然802.11模型沒有實(shí)現(xiàn)這些物理層的建模，但是提供了MAC 層所需的物理層的參數(shù)。這些參數(shù)是根據(jù)物理特征來設(shè)置：(1)信令幀間間隔 (SIFS) ；(2) DCF幀間間隔(DIFS) ；(3)最小和最大的競爭窗口大小(退避時(shí)隙的個(gè)數(shù))。模型缺省的設(shè)置是跳頻。 短包重試限制：該參數(shù)

14、為數(shù)據(jù)幀傳輸可允許的最大的重傳次數(shù)，如果超過次數(shù)則被丟棄。短重試限制只針對MSDU大小超過或者等于Rts門限的數(shù)據(jù)幀，也即只針對需要Rts/ Cts協(xié)議會(huì)話的數(shù)據(jù)幀。缺省值為4。 信道設(shè)置：802.11模型有4個(gè)傳輸接收信道對。用戶可 以設(shè)置這些信道的最小頻率和帶寬。緩存大小：指定高層緩存的最大容量。如果接收當(dāng)前高層分組會(huì)導(dǎo)致該緩存溢出則被丟棄，直到有分組移出緩存。最大接收生存時(shí)間：該參數(shù)為目的站點(diǎn)集成絡(luò)繹到達(dá)的 數(shù)據(jù)拆分幀所能等待的最大時(shí)間，如果在生存時(shí)限之前成功地集成隸屬于某個(gè)高層數(shù)據(jù)分組(MSDU)的所有拆分幀，則此次傳輸成功，并將集成的分組送往高層。無線LAN通信范圍：該參數(shù)指定移動(dòng)站

15、能夠互相通信的 最大距離。根據(jù)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)指定的內(nèi)容，移動(dòng)站之間 的空中傳播時(shí)間為1s，從而計(jì)算出最大允許的通信范圍為300m。圖2 IEEE 802.11 無線局域 網(wǎng)MAC 的輸入接口2 輸出接口仿真結(jié)束后通過觀察模型提供的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)可以對無線局域網(wǎng)的性能進(jìn)行分析。模型的輸出接口界面如圖3所示。按照圖中順序，輸出接口參數(shù)分別為：(1) 退避時(shí)隙個(gè)數(shù)；(2)信道預(yù)留(NAV計(jì)數(shù)器)；(3) 發(fā)送的信令業(yè)務(wù)(包括Ack，Rts和Cts)；(4) 接收的信令業(yè)務(wù)(包括Ack，Rts和Cts)；(5) 發(fā)送的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；(6) 接收的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；(7) 丟棄的數(shù)據(jù)分組( 由 于高層緩存的溢

16、出)；(8) 高層數(shù)據(jù)分組隊(duì)列大??； (9) 負(fù)載：從高層接收的總比特?cái)?shù)據(jù)量(高層到達(dá)的分組將被存儲(chǔ)在高層隊(duì)列中)；(10) 信道接入延時(shí)：分組在高層隊(duì)列停留的時(shí)間，也即從高層分組到達(dá)隊(duì)列的時(shí)刻和移出隊(duì)列被傳輸時(shí)刻之間的時(shí)間間隔；(11) 重傳 嘗試次數(shù)；(12) 吞吐量：作為分 組的目的節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)站將接收的 數(shù)據(jù)從MAC層送往高層的所累積 的總比特?cái)?shù)。圖3 IEEE 802.11 MAC的輸出接口數(shù)3 802.11網(wǎng)絡(luò)建模要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)模型，首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目和一個(gè)新的場景。重要應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)：采用開始建立向?qū)?(Startup Wizard)來建立一個(gè)新的項(xiàng)目和一個(gè)新的場景。開始建立向

17、導(dǎo)有以下幾個(gè)步驟：一、選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?二、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的范圍和大小;三、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)背景圖;四、選擇對象模型家族。創(chuàng)建一個(gè)場景：1.新建一個(gè)項(xiàng)目2.輸入項(xiàng)目名稱和場景名稱，每個(gè)項(xiàng)目必須至少有一個(gè)場景。將新建場景向?qū)Т蚬础?按默認(rèn)選擇創(chuàng)建一個(gè)空場景：4.選擇辦公室網(wǎng)絡(luò)：5.設(shè)置場景大小，這里設(shè)置為1000m7.選擇要用的模型庫，依次選擇3Com、ethernet和wireless_lan:8.確認(rèn)場景信息無誤，完成向?qū)А?下面開始建模，從彈出的模型窗口中分別選擇交換機(jī)、以太網(wǎng)服務(wù)器、無線AP、無線終端，并放置在場景中，修改為可理解的名字，并將以太網(wǎng)服務(wù)器和交換機(jī)，交換機(jī)和無線AP之間用10BaseT的

18、鏈路模型鏈接。下圖是完成后的拓?fù)鋱D：4 .802.11的運(yùn)行仿真配置仿真參數(shù)，如圖在空白處單擊右鍵，選擇Choose Individual DES Statistics，對需要仿真的項(xiàng)目打上勾。 配置完成后點(diǎn)擊ok，在工具欄里找到下面這個(gè)仿真按鈕，配置仿真時(shí)間為400s，點(diǎn)擊運(yùn)行開始仿真。關(guān)閉對話框，查看結(jié)果，在空白處點(diǎn)右鍵選擇View Results如下：仿真結(jié)果分析：1.以太網(wǎng)延時(shí)仿真2. 802.11丟包率、延時(shí)、吞吐量仿真3.以太網(wǎng)交換機(jī)與802.11路由器間吞吐量仿真4.以太網(wǎng)交換機(jī)與路由器節(jié)點(diǎn)間的吞吐量仿真5.以太網(wǎng)平均延時(shí)仿真6.802.11丟包率、延時(shí)、吞吐量平均仿真7.交換機(jī)

19、與802.11路由器間吞吐量平均仿真8.以太網(wǎng)交換機(jī)與路由器節(jié)點(diǎn)間的吞吐量平均仿真5 802.11的性能測試圖1圖2給出了全局和802.11的統(tǒng)計(jì)量，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延（802.11 Delay)、負(fù)載量(802.11 load)、吞吐量(802.11 Throughput)的統(tǒng)計(jì)量。平均系統(tǒng)延時(shí)是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。配置的仿真時(shí)間均為l小時(shí)，其他為默認(rèn)配置。為方便比較，仿真結(jié)果取平均值。圖1顯示在33S時(shí)全局的時(shí)延為0.00001082。圖2顯示在33S時(shí)802.11的延時(shí)為0.000281，圖2各圖比較顯示當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量（200，250）、吞吐量（2000,2900）時(shí)出現(xiàn)時(shí)延。圖3、圖4分別收

20、集以太網(wǎng)交換機(jī)與802.11路由器間的延時(shí)（Delay)、吞吐量(Throughput)和服務(wù)器與交換機(jī)間的吞吐量(Throughput)。36S時(shí)交換機(jī)與路由器間時(shí)延為0.0000944，吞吐量達(dá)到200或接近時(shí)節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)時(shí)延，其他時(shí)間節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，性能良好。由圖4知道交換機(jī)到服務(wù)器吞吐量持續(xù)為0，服務(wù)器到交換機(jī)時(shí)吞吐量最大可達(dá)到200以上。千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過OPNET仿真可得下述結(jié)論：隨著業(yè)務(wù)總負(fù)載的加大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也逐漸加大。當(dāng)業(yè)務(wù)總負(fù)載達(dá)某個(gè)數(shù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)各種性能指標(biāo)基本達(dá)到最優(yōu)，隨著業(yè)務(wù)總負(fù)載的繼續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)丟失率和端對端延時(shí)性能開始下降；無線局域網(wǎng)的吞吐量性能當(dāng)達(dá)到最優(yōu)時(shí)開始趨于穩(wěn)定(有微弱下降)，但丟失率和端對端延時(shí)等性能開始急劇下降。當(dāng)負(fù)