摘  要： 基于OPNET仿真機(jī)制，對(duì)目前大學(xué)校園局域網(wǎng)中增加視頻業(yè)務(wù)方案進(jìn)行建模仿真，并給出仿真結(jié)果。通過分析HTTP頁面平均響應(yīng)時(shí)間、FTP和E-mail平均下載響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)平均延遲等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)在增加視頻業(yè)務(wù)前后的變化情況，為判斷該局域網(wǎng)是否能夠負(fù)擔(dān)增加的視頻業(yè)務(wù)提供技術(shù)決策支持。
關(guān)鍵詞： OPNET；局域網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)性能；視頻業(yè)務(wù)

　隨著Internet的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)走進(jìn)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(xué)校園，局域網(wǎng)性能甚至影響著人們的生活質(zhì)量。同時(shí)，為了預(yù)防社會(huì)危害，視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1-2]得到了廣泛應(yīng)用，其可對(duì)重要設(shè)施和道路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和視頻采集。目前，應(yīng)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(wǎng)絡(luò)視頻課程和網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議等的興起，在局域網(wǎng)中增加視頻業(yè)務(wù)勢(shì)在必行。針對(duì)視頻業(yè)務(wù)，增加單獨(dú)的視頻業(yè)務(wù)服務(wù)器還是在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加視頻業(yè)務(wù)[2]，這是本文研究的重點(diǎn)。局域網(wǎng)性能直接影響學(xué)校教育，科研工作效率，影響居民生活質(zhì)量，及時(shí)了解分析測(cè)試包含視頻系統(tǒng)的局域網(wǎng)性能，對(duì)于滿足人們?nèi)找嫘枨蟮木W(wǎng)絡(luò)速度、良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及采取恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全措施等有著十分重要的意義。本文針對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求現(xiàn)狀，對(duì)在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基礎(chǔ)上增加視頻業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真，并對(duì)擴(kuò)充服務(wù)后的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析。
1 OPNET仿真軟件的仿真機(jī)制
　目前，網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有MATLAB、NS2和OPNET，而MATLAB偏向于科學(xué)計(jì)算，NS2使用起來不方便。OPNET雖然不是免費(fèi)的軟件，但使用起來比較方便，便于對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是由美國的OPNET Technology公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具[3]。OPNET Modeler是OPNET產(chǎn)線產(chǎn)品的核心，具有豐富的模型庫，可以利用OPNET搭建網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，能夠分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(jī)制，參考文獻(xiàn)[3]中對(duì)三層建模的敘述為進(jìn)程域建模、節(jié)點(diǎn)域建模和網(wǎng)絡(luò)域建模。進(jìn)程模型為最底層，以有限狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；節(jié)點(diǎn)模型由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反應(yīng)設(shè)備特性；網(wǎng)絡(luò)模型是最上層，利用節(jié)點(diǎn)構(gòu)建反映現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋄3]。
　使用OPNET Modeler進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，一般分6個(gè)步驟[4]，分別是：配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，配置業(yè)務(wù)，收集結(jié)果統(tǒng)計(jì)量，運(yùn)行仿真，調(diào)試模塊再次運(yùn)行仿真，發(fā)布結(jié)果和拓?fù)鋱?bào)告。
　其仿真流程如圖1所示，圖1顯示了從建立模型、運(yùn)行仿真到收集最后結(jié)果。

　參考文獻(xiàn)[5]和參考文獻(xiàn)[6]中對(duì)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(duì)象，就無從建模；精確地理解系統(tǒng)成為整個(gè)建模的第一個(gè)環(huán)節(jié)，使用者對(duì)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(yùn)行仿真后，仿真結(jié)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(biāo)。（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(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，一般保持一些變量不變，然后在一定范圍內(nèi)變化一兩個(gè)變量，接著就是確定輸出以及顯示這些結(jié)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(yùn)行仿真：保持大多數(shù)變量不變，而只是變動(dòng)其中一個(gè)或兩個(gè)變量。（7）系統(tǒng)結(jié)果是否精確。結(jié)果的容錯(cuò)性和精確性都需要進(jìn)行驗(yàn)證。（8）結(jié)果是否足夠詳細(xì)。根據(jù)需要，適當(dāng)?shù)母淖儾糠謪?shù)。（9）結(jié)果是否統(tǒng)計(jì)可用。一般來說，需要重新運(yùn)行仿真，使得仿真結(jié)果到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)[5-6]。
2 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Ｅc仿真
　針對(duì)局域網(wǎng)的建模，應(yīng)用環(huán)境為大學(xué)校園，本研究就某校園網(wǎng)于2008年升級(jí)改造后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例進(jìn)行仿真。該網(wǎng)絡(luò)主干為1 000 Mb/s帶寬的星形千兆以太網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中心核心交換機(jī)采用思科的Catalyst 6509，并以星形結(jié)構(gòu)連接到辦公區(qū)、教學(xué)樓、圖書館以及各個(gè)院樓等匯聚交換機(jī)4507R上。Catalyst 6509與4507R之間以及Catalyst 6509與服務(wù)器之間采用1 000 Mb/s的光纖連接，其他設(shè)備與交換機(jī)4507R之間用1 000 Mb/s雙絞線連接。
　OPNET的精確業(yè)務(wù)建?？梢栽趹?yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層3個(gè)協(xié)議層實(shí)現(xiàn)。OPNET Modeler提供了8種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用業(yè)務(wù)和一種用戶自定義應(yīng)用業(yè)務(wù)模式，如表1所示[5-6]。在該局域網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)主要用于網(wǎng)頁瀏覽，收發(fā)郵件以及FTP下載等業(yè)務(wù)，可以在應(yīng)用層直接利用OPNET已經(jīng)編寫的業(yè)務(wù)配置標(biāo)準(zhǔn)[7]，而對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)采用OPNET的視頻會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)配置[1]。

　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置情況如下。
?。?）Application，在Application Definitions Table中列出了OPNET支持的8種標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)類型和一種用戶自定義業(yè)務(wù)類型。在圖2中，本文分別在HTTP、FTP、E-mail后進(jìn)行業(yè)務(wù)的詳細(xì)設(shè)置[6]。
?。?）Profiles，在Profile Configuration進(jìn)行業(yè)務(wù)具體配置，使其支持HTTP、FTP和E-mail 3種業(yè)務(wù)。
?。?）Server，在圖2中的服務(wù)器中設(shè)置支持的服務(wù)類型有HTTP、FTP和E-mail。
?。?）Client，在圖2中的Subnet中的所有的客戶端設(shè)置主詢業(yè)務(wù)，此與Profiles中的配置完全吻合。
?。?）在復(fù)制的場(chǎng)景中增加Video Conferencing這項(xiàng)業(yè)務(wù)，并對(duì)Application、Profiles和Server中的參數(shù)修改，在各個(gè)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(jì)量來對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本研究采用的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)量為：HTTP的平均頁面響應(yīng)時(shí)間（Page Response Time）、E-mail和FTP的平均下載響應(yīng)時(shí)間（Download Response Time）、網(wǎng)絡(luò)平均延遲（Delay）4個(gè)全局統(tǒng)計(jì)量，以及增加視頻系統(tǒng)以后的網(wǎng)絡(luò)中心與各個(gè)服務(wù)器之間的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量（Throughput）。
3 仿真結(jié)果分析
　在運(yùn)行仿真時(shí)候，設(shè)置仿真時(shí)間為兩小時(shí)，隨機(jī)種子數(shù)[9]為128。收集到的統(tǒng)計(jì)量如圖3所示，其中實(shí)線表示不含有視頻業(yè)務(wù)（No_Video）的網(wǎng)絡(luò)，虛線表示增加視頻業(yè)務(wù)（ADD_Video）后的網(wǎng)絡(luò)，并以Server3網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化來說明問題，如圖4所示。

　　圖3中的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)變化非常小，僅為0.000 04 s~0.002 s，說明網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性非常好。圖7中雖然服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠在增加視頻業(yè)務(wù)之后達(dá)到穩(wěn)定。
　從以上仿真分析上可以得出結(jié)論，在校園網(wǎng)中增加視頻業(yè)務(wù)后，對(duì)E-mail、FTP和HTTP等業(yè)務(wù)的影響較小，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延遲影響也較小。由此可以證明，增加視頻業(yè)務(wù)后的網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)行，對(duì)視頻業(yè)務(wù)可以進(jìn)行加載，并不需要用單獨(dú)的服務(wù)器提供視頻業(yè)務(wù)。
　本文利用OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對(duì)校園局域網(wǎng)性能指標(biāo)以及增加視頻業(yè)務(wù)后的性能指標(biāo)分別從E-mail和FTP平均下載響應(yīng)時(shí)間，HTTP平均頁面響應(yīng)時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)的平均延遲以及各個(gè)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量等方面進(jìn)行了比較分析，為局域網(wǎng)增加視頻業(yè)務(wù)提供了仿真數(shù)據(jù)，有助于對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的改造，并表明此網(wǎng)絡(luò)能夠負(fù)擔(dān)增加視頻業(yè)務(wù)傳輸，滿足用戶需求。但同時(shí)需要注意，隨著視頻業(yè)務(wù)的增加，網(wǎng)絡(luò)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(shù)和負(fù)載均衡技術(shù)，而負(fù)載均衡算法是研究的重點(diǎn)，也是下一步的研究方向。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫豐明.基于校園網(wǎng)的IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012，30（4）：110-111，115.
[2] 周全明，吳廷鳳.基于OPNET的校園網(wǎng)絡(luò)性能仿真研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（12）：60-62.
[3] 高嵩.OPNET Modeler仿真建模大解密[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.
[4] 王峰.基于OPNET的校園網(wǎng)絡(luò)性能的仿真與優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（3）：105-107，163.
[5] 陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[6] 龍華.OPNET Modeler與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.
[7] 王玉蘭.基于OPNET的校園網(wǎng)分析與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2008.
[8] 王文博，張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：人民郵電出版社，2003.
[9] 張峰，葉麗娜.基于OPNET的校園網(wǎng)絡(luò)性能仿真[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2009，28（12）：35-38，42.
[10] 操驚雷，周建國，秦磊華.基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)壓力仿真[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35（23）：115-117，121.
[11] 王和興，張建波，才書訓(xùn).基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)仿真與性能測(cè)量[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2005，22（11）：25-27，32.