基于opnet的校園網建模與仿真畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 入非強迫狀態后，將停留在此狀態，等待事件、其他進程或仿真核心的觸發。在每個進程模型中都至少有一個初始狀態，是進程被訪問的第一個狀態，既可以是強迫狀態，也可以是非強迫狀態。每個狀態都有相應的動作與其對應，在ProC中這些動作被稱為執行代碼。狀態的執行代碼分為兩部分，上面部分稱為進入代碼，是進程進入該狀態時執行的動作；下面部分稱為離開代碼，是進程離開狀態時執行的動作。非強迫狀態被認為是系統真正的狀態，因為當進程執行完非強迫狀態的進入代碼后，進程就處于阻塞，等待新的觸發，而強迫狀態是為了實際編程和狀態控制的需要而提出的一種狀態，進程不會停留在該狀態。轉移則描述了進程模型從一個狀態向另一個狀態轉移的過程和條件，包含4個部分：源狀態、目的狀態、轉移條件和轉移執行代碼。其含義為在源狀態時，進程只要完成源狀態的離開代碼，就立即對轉移條件進行判斷，當轉移條件成立，則執行轉移代碼，之后轉移到目的狀態。轉移分為條件轉移和無條件轉移，分別用虛線和實線表示。ProtoC語言是進程建模中支持各種算法實現的OPNET獨有的語言。他包括三個方面，在限狀態機，OPNET核心函數，標準的C和C＋＋。Modeler采用階層性的模擬方式，從協議間關系看，節點模塊建模完全符合OSI標準，業務層TCP層IP層IP封裝層ARP層MAC層物理層；從網絡物件層次關系看，提供了三層建模機制，最底層為進程模型，以狀態機來描述協議；其次為節點模型，由相應的協議模型構成，反映設備特性；最上層為網絡模型。三層模型和實際的協議、設備、網絡完全對應，全面反映了網絡的相關特性。在過程層次模擬單個對象的行為，在節點層次中將其互連成設備，在網絡層次中將這些設備互連組成網絡。幾個不同的網絡場景組成“項目”，用以比較不同的設計方案。OPNET中的建模工作在3種不同的層中完成，這3種層次也稱為3個域。Modeler采用面向對象模擬方式，每一類節點開始都采用相同的節點模型，再針對不同的對象，設置特定的參數。基于事件出發的有限狀態機建模（Finite State Machine Modeling），避免以時間出發，變成以事件出發的建模。采用離散事件驅動（Discrete Event Driven）的模擬機理，將基于包的分析方法和基于統計的數學建模方法結合，與時間驅動相比，計算效率得到了很大提高。例如在仿真路由協議時，如果要了解封包是否到達，不必要每隔很短時間周期性地查看一次，而是收到封包，事件到達才去看。每一時刻，FSM 將停留在特定狀態，之后收到事件，完成事件并跳轉狀態。例如路由協議要做的事有獲取周邊節點地址，建立拓撲信息，之后路由表穩定下來，在收到封包將其轉發到下一個節點，這些事件中斷將引起相應的狀態轉移。采用混合建模機制，把基于包的分析方法和基于統計的數學建模方法結合起來，既可得到非常細節的模擬結果，也大大提高了仿真效率。 離散事件仿真機制OPNET采用基于離散事件驅動的仿真機制。事件是指網絡狀態的變化。當網絡狀態發生變化時，模擬機進行仿真，狀態不發生變化的時間段，不進行仿真，即被跳過，因而仿真時間是離散的。每個仿真時間點上可以同時出現多個事件，事件的發生可以有疏密的區別。仿真中的各個模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息。每當出現一個事件中斷時都會觸發一個描述網絡系統行為或者系統處理的進程模型的運行，通過離散事件驅動的仿真機制實現了在進程級描述通信的并發性和順序性，再加上事件發生時刻的任意性，決定了可以仿真計算機和通信網絡中的任何情況下的網絡狀態和行為。 仿真調度機制在OPNET中使用基于事件列表的調度機制，合理安排調度事件，以便執行合理的進程來仿真網絡系統的行為。調度的完成通過仿真軟件的仿真核和仿真工具模塊以及模型模塊來實現，事件列表的調度機制具體描述如下：1． 每個OPNET仿真都維持一個單獨的全局時間表，其中的每個項目和執行都受到全局仿真時鐘的控制，仿真中以時間順序調度事件列表中的事件，需要先執行的事件位于表的頭部。當一個事件執行后將從事件列表中刪除該事件。2． 仿真核作為仿真的核心管理機構，采用高效的辦法管理維護事件列表，按順序通過中斷將在隊列頭的事件交給指定模塊，同時接收各個模塊送來的中斷，并把相應事件插入事件列表中間。仿真控制權伴隨中斷不斷地在仿真核與模塊之間轉移。3． 當事件同時發生時，仿真核按照下面兩種辦法來安排事件在事件列表中的位置：（1） 按照事件到達仿真核的時間先后順序，先到達先處理（first e first serve）。（2） 按照事件的重要程度，為事件設置不同的優先權，優先權高的先處理。 opnet通信機制1. 基于包的通信a) 包：OPNET 采用基于包的建模機制（Simulation on packet level）來模擬實際物理網絡中包的流動，包括在網絡設備間的流動和網絡設備內部的處理過程；模擬實際網絡協議中的組包和拆包的過程，可以生成、編輯任何標準的或自定義的包格式，利用調試功能；還可以在模擬過程中察看任何特定包的包頭（Header）和凈荷（Payload）等內容。包是OPNET 為支持基于信息源（Messageoriented）通信而定義的數據結構。包被看作是對象，可以動態創建、修改、檢查、拷貝、發送、接收和銷毀。每個包含有一些存儲信息的區域。包的類型可以是有格式（formatted）或無格式（unformatted）的。一個有格式包中每個域以名字標識，作為訪問（設置或者讀取）包域的依據，而無格式包只為每個域指定索引號。包域可以存儲不同類型的信息，如整型和雙精度型用來存儲數字數據；包結構類型用來封裝另一個包；結構體用來內嵌用戶自定義的數據結構。b) 包流是支持包在同一節點模型的不同模塊間傳輸包的物理連接，具體來說，它是源模塊的輸出端口和目的模塊輸入端口間的物理連接。包流通常分為源模塊的輸出流（Output stream)和目的模塊的輸入流（Input stream）。雖然連接到模塊的包流（輸入流和輸出流）的個數沒有限制，但是OPNET 不允許群收（Fanin）和群發（Fanout）模式，具體來說，每個輸入流只能是一個包的唯一接收者，相對應地，每個輸出流只能是每個包的唯一發送者。c) OPNET 為目的模塊設置了一個包隊列，允許包在沒有被移除之前在隊列中積壓。包隊列是隸屬于模塊，而不隸屬于某個包流，因此連接模塊的包流可以有多個，而包隊列只有一個。仿真核心不限制該隊列的大小。隊列采用先進先出（FIFO）模式管理包，位于隊首的包才能被目的模塊通過op_pk_get(stream index)獲取并移除。2. 中斷初始狀態有以下四種:初始狀態為強制狀態，beginsimulationintermpt被啟用。因為是強制狀態，仿真開始就進入下一個狀態。下一個狀態的進入代碼不能包含和處理主流中斷相關的內容。1) 初始狀態為強制狀態，beginsimulationintemipt沒有被啟用。初始化仿真由主流中斷引起。除完成初始化工作外還要處理該中斷。2) 初始狀態為非強制狀態，beginSimulationintemipt被啟用。此時初始化通常是放在進入執行部分，在仿真時間為零時完成初始化。之后，進程將被阻塞，知道第一次主流中斷到達后才被激活。初始化的退出執行代碼用于處理主流中斷，也可以將主流中斷交由下一個狀態的進入代碼或轉移代碼完成。3) 初始狀態為非強制狀態，beginsimulatinninten’Upt不被啟用。主流中斷需要完成初始化，與第一主流中斷相關的進程要內含在輸入初始化狀態中。這是不常用的初始化。初始中斷可以由仿真核心beginsimulationintenupt引發，也可以由主流中斷引發。一般建議使用begin simulation inienupt作為初始中斷。其優點是因begin simulation intenupt發生在所有中斷之前，進程以標準的方式處理所有主流中斷，并且進程在執行第一次主流中斷之前能夠完成所有初始化的活動，這是非常重要的。通過使用begin simulation intenupt隊列和處理器對象設置可能產生的初始化中斷。如果包流的源模塊是進程模塊，則可以通過op_pk_send()及其演變的3 種方式將包發送至目的模塊輸入流。(一) 常用的發送方式是調用op_pk_send()，當包沿著源模塊輸出流到達目的模塊輸入流時立即向目的模塊觸發流中斷。時延由包流的“delay”屬性指定，所以包到達的時刻為包發送的時刻加上包流“delay”屬性的值。(二) 如果要模擬包在包流傳輸過程的額外延時，以此來仿真模塊有限的處理速度，這時可以調用op_pk_send_delayed()函數，包將滯后指定的時間達到目的模塊。(三) op_pk_send_forced()產生的事件不需在仿真核心的事件列表中排隊，而是插隊到事件列表的隊首立刻執行，并且包不需要經歷從源模塊輸出流到目的模塊輸入流的延時，直接到達目的模塊。(四) 前面3 種傳輸方式對于目的模塊來說是被動的，因為包的到達會強加一個流中斷通知它接收。如果目的模塊希望隔一定的時間間隔主動地去從隊列中取出一個包，應當采用op_pk_send_quiet()函數，采取一種靜默的方式發送包。 為了支持以上各種包傳輸模式，還必須設置相應的包流“中斷模式”（intrpt mode）屬性，它有三種可選值，分別是scheduled、forced 和quiet。選擇scheduled 對應采用op_pk_send()和op_pk_send_delayed()傳輸包，這時可以設置包流的“delay”屬性；選擇forced 對應采用op_pk_send_forced()傳輸包；選擇quiet 對應采用op_pk_send_quiet()。3. 包傳遞與包發送的四種方式op_pk_send()、op_pk_send_delayed()、op_pk_send_forced()和op_pk_send_quiet() 相對應，包傳遞也有四種方式，分別是op_pk_deliver() 、op_pk_deliver_delayed()、op_pk_deliver_forced()和op_pk_deliver_quiet()，但是與包發送不同的是包傳遞需要指定目的模塊的Objid。4. 用接口控制信息進行通信（ICI）類似于基于包的通信機制。廣義ICI 是與事件關聯的用戶自定義的數據列表。由于ICI 是以事件為載體，所以它可以用在各種有關事件調度的場合，比包的應用范圍更廣，如同一節點模型的不同模塊之間、不同節點模型之間以及同一節點模型的相同模塊內。基于ICI的通信機制類似于數據包的通信機制，且ICI數據結構也類似數據包，但比包結構更簡單，只包含用戶自定義的域，而不存在封裝的概念。ICI的應用場合主要是：ICI是與事件關聯的用戶自定義的數據列表，ICI與事件綁定，以事件為載體，可以用在各種有關事件調度的場合，因此比包的應用范圍更廣。如需傳輸額外信息又想避免使用包本身，可以使用ICI。為將ICI與一事件關聯，仿真核心采用一種稱為綁定的機制，一個進程在一個時刻只能綁定一個ICI。綁定后進程生成的新事件都自動與綁定的ICI地址相聯系。基于ICI 的通信適用于任何事件，而且常和流事件一起使用，雖然流事件源于包的傳輸，但是如果需要傳輸額外的信息又想避免使用包本身，這時可以用ICI。例如協議棧中的高層協議模塊在向底層傳輸包的同時可以通過ICI 捎帶這個包相應的服務等級和目的地址。在使用op_ici_create()創建ICI 之前必須先編輯其格式。屬性名是讀寫ICI 數據的依據，它的作用和包域名稱一樣，以屬性名作為輸入參數可以對相應數據進行設置（op_ici_attr_set）讀取（op_ici_attr_get) 和存在性判斷(op_ici_attr_exists)等操作。當包被銷毀時，所有包域數據所占內存會被自動清空，ICI 這點與之不同，ICI 被銷毀時，其封裝的數據所占內存需要手動清空。 將一個ICI 與一個事件關聯，仿真核心采用一種稱為綁定（Installation)的機制。在任意時刻每個進程一次最多只能綁定一個ICI，（op_ici_install()綁定ICI，最后一個起作用的）。調用op_ici_install(OPC_NIL)拆除。ICI 是仿真中進程動態創建的對象。以ICI 格式文件名為輸入參數，調用op_ici_create()可以返回一個相應的ICI 指針，它作為所有后續操作的依據。5. 鏈路形式對于有線鏈路，它們都需要設定所支持的封包格式，并且要和收發信機支持的封包格式一致。有線鏈路編輯器中鏈路的類型將決定有線鏈路是點對點單工鏈路（ptsimp）、點對點雙工鏈（ptdup）、總線鏈路（bus 或bus tap）。點到點鏈路能夠在一對節點之間傳送數據包；總線鏈路可以將一個數據包自動地傳送到多個目的地，通常用來代表局域網、計算機總線或其他基于廣播的網絡；無線鏈路則用來模擬無線信道的頻率、功率、干擾等特性，其特性是廣播、時變以及節點的移動性。為描述各個特點，OPNET采用一系列管道階段來模擬鏈路的特性。例如：點到點鏈路要經歷4個管道階段；總線鏈路共有6個管道階段；無線鏈路共有13個管道階段。6. 基于統計線的通信對于一些特定類型的進行少量信息通信的應用而言，利用數據包流就顯得過于復雜。因為數據包流要經過一個完整的創建、傳輸、處理、銷毀等過程。OPNET提供了非常簡單的接口，用來在模塊間傳輸單獨的數字值，該接口由節點域中的對象―統計線來完成，待通信的值稱為統計量。統計線最普遍的應用之一是使得用戶所定義的進程能夠獲知同一節點內其他模塊的狀態。尤其適用于動態監控其他模塊的應用。另外，統計線可以作為信號量，用于實現不同模塊進程的底層信令機制。 opnet 仿真流程利用OPNET仿真，一般遵循以下工作流程： 定義目標問題：明確和規范化網絡仿真所要研究的問題和目標，提出明確的網絡仿真描述性能參數。如網絡通信吞吐量、鏈路利用率、設備利用率、端到端延遲、丟包率、隊列長度等。 建立仿真模型：根據研究的問題和目標，建立所需的網絡、進