通信工程畢業設計-基于opnet的無線傳感器網絡qos路由及流量建模研究與仿真-資料下載頁

【導讀】展，利用一種新的QoS路由算法建立網絡模型提高網絡的生存期。傳感器網絡流量模型的方法。利用OPNET平臺對仿真模型進行仿真實驗，驗證模型的有效性。總結前面的工作，展望以后需要進一步展開的工作。整理論文，完成論文答辯。王文博，張金文.OPNETModeler與網絡仿真，人民郵電出版社，孫屹，孟晨.OPNET通信仿真開發手冊，國防工業出版社，大量的傳感器節點通過自組織的方式構成了網絡，每個節點集成了傳感器件、數據處理單元和通信模塊。無線傳感器網絡具有硬件。數量眾多切分布密集等特點。無線傳感器網絡憑借其潛在的優勢得到了廣泛的應。段來反映和預測網絡的性能，OPNET網絡仿真技術應運而生。下，可以很好地支持不同業務的資源需求分配，達到全網能耗均衡。通過仿真，我們可以有效地提

　　

【正文】 業務，出來的結果也就不精確的。在 OPNET 的仿真建模中，對網絡流量的建模主要分為背景路由流量 (Background Routed Traffic)建模、背景利用率流量 (Background Utilization Traffic)建模和前景業務流量 (Application Traffic)建模三種方式 。選擇哪種流量建模方式用于建立流量模型取決于仿真研究的目的。前景業務流量精確度高，但效率低，配置時間長。背景路由流量缺乏對特定業務的針對性。背景利用率流量可用來考察一些難以顯性定義也不需要顯性定義的流量。通常情況下，是綜合運用幾種流量建模方式，從而在精確性和效率之間取得平衡。表 31 是常用的仿真研究問題和一般需要選擇的流量建模方式。在本章接下來的三節中將依次地詳細介紹這三種流量建模方式。 流量方式 仿真目的 前景業務流量 背景路由流量 背景利用率流量 網絡吞吐量和帶寬 一般需要 需要 網絡的瓶 頸 需要 需要 網絡協議的性能 需要 一般需要 節點鏈路的失效分析 需要 話音、視頻業務分析 需要 需要 一般需要 數據業務分析 需要 一般需要 需要 表 31河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 17 背景路由流量 是 定義在一個源節點到一個或多個目的節點之間的流量 ，它 有兩種定義方法 ，一種是 從 網絡管理系統如 HP Openview 的 Netmetrix 讀入 ，另一種是 手工建立 。通過網管系統的工具讀入流量時可以設置讀入流量數據的起始、終止時間等參數。圖 31 就是利用 Netmetrix 讀入的網絡中的某一流量的情況。 圖 31 通過網絡工具讀入流量 由于網絡規模龐大 ， HP Openiew 的 RMON 流量探頭比較昂貴等客觀因素 ，往往不能同時讀入整個網絡的 背景路由流量 ，并且這種流量輸入的方法也不靈活，為此， OPNET 提供了手工建立 背景路由流量 的方法 ,即可通過設置不同時間段流量的不同參數來定義流量 ，如圖 32 所示。 圖 32 手工建立流量矩陣 河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 18 與圖 31 相比，圖 32 中多出了兩行，其中第一行編輯欄是流量存在的時間，這個時間既可以是整個仿真的時間，也可以是仿真時間的一部分，第二行是數據包和數據比特的編輯欄，在這里可以指定某個時 刻或者整個時段的數據包的數量和數據比特的數目。如果指定整個數據段的數據包和比特數目為恒定的話，只要簡單地在第二行輸入數字即可；如果需要指定某個時刻的數據包和數據比特的數目則需要用鼠標先單擊上面圖形的某一個時間點，當顯示的時間段在所要設定的時間段以后，就可以在第二行里編輯數據包和數據比特的數目了。在圖 32 中，指定 15m30s 到 16m0s 時段的數據包為 220pkt/s，數據比特數目為 30000bps，修改后單擊 Apply 應用修改。仔細比較可以發現在 15m30s 到 16m0s 時段圖 32 與圖 31 存在明顯的區別。 背景利用率流量是 定義在鏈路上 或者節點上 的流量 ， 通常用百分比 對應時間的形式來表現 ， 表示網絡中的流量占整條鏈路可承受的最大負載的比例 或消耗網絡節點處理能力的比例。這種流量定義方法可以指定網絡資源的消耗，如設備CPU 的背景利用率，鏈路所占用帶寬等。背景利用率流量常可用來代表基本的背景流量和不太重要的流量，在仿真過程中，不必有真正的包傳送，但它會對前景業務流量產生影響，使前景業務流量中包的傳送產生延遲。 這種流量定義方法的優點是縮短了配置仿真網絡流量的時間 ,使仿真運行速度加快 。 業務流量建模 前景業務流量是 定義在 Workstation 和 Server 節點 之間或定義在 Station 和Station 之間的 流量 。 通 過節點的 屬性 (attribute) 和 應用定義 (Application Configuration)來定義 ， Application 包括 Email， Http， Ftp， Print， Database Access，Tel 和 Video Conference 等業務 ,每種業務均可由用戶定義相關參數 ， 如對于Http 業務 ， 可指定其業務流量 ， 所用服務器 、 服務類型等等 。 前景業務流量是網絡流量仿 真建模中最重要的組成部分，因為它影響節點模型的 CPU 處理速率模型、隊列模型和路由模型等，由此會影響各種業務的響應時間和處理時間，同時對鏈路的吞吐量和利用率也會產生影響，對它的建模常常出于下面幾種情況。 (1)業務性能分析。針對某一特定的業務，測試分析其性能，或者在服務商提供新業務時，測試新業務的性能及網絡整體性能的影響。 (2)網絡性能分析。在指定網絡模型輸入一定的背景流量的情況下，再加上河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 19 適當的前景流量進行仿真，來測試一些在背景流量下無法得到的網絡性能參數，如 TCP 連接建立時間等。 (3)網絡規劃和設計。 在規劃和設計新的網絡模型，在沒有任何背景流量的情況下，加載一定的前景流量，以獲取這種條件下的網絡的性能參數，如鏈路的利用率、端到端的響應時間和 TCP 的連接建立時間等，從而可以為多個方案進行優缺點比較時提供定量依據。 建立一個完整的前景流量模型必須先對各業務分別建模，然后進行組合再進行分析驗證，再修改，再驗證，如此多次直到符合要求為止。 假設在太平洋東海岸線上有一家大的公司，公司總部設立在華盛頓，此外在亞特蘭大、費城、紐約和波士頓四地設有四個辦事處，各個辦事處的網絡均與華盛頓的中心網絡相連。各 辦事處之間是通過電話線路連接的，所以非常容易受到線路上的不相關業務的影響。我們的任務就是通過仿真來觀察該公司的網絡在有無背景流量情況下的 FTP 業務響應情況。 首先是要創建仿真模型。因為該公司位于太平洋東海岸，所以在新建一個工程時我們可以從地圖中選擇 usa 作為建模范圍，為了能在范圍內顯示東海岸的那五個城市，我們點擊 zoom in 來放大感興趣的區域就可以清楚地看到以上提到的五個城市了。為了比較有無背景流量下網絡響應 FTP 業務的時間，我們將首先建立的場景命名為 no_backload。在所要創建的五個子網中，除了華 盛頓的中心網絡需要特殊配置以外，其他四地的辦事處的網絡是等同的。所以我們只需要創建一個子網，然后將其復制到其他三地就可以了。需要特別注意的是華盛頓子網。通過雙擊華盛頓子網圖標進入其子網編輯器，為了達到仿真的目的，我們需要在這個中心子網中添加一個交換機和一個 FTP 服務器 (用橢圓圈出的部分 )。它的具體模型見下圖 (圖 33)所示。河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 20 圖 33 然后用 10BaseT 鏈路將各個子網連接起來。初步建立起來的網絡拓撲如圖34 所示。 圖 34 對 FTP 服務器進行應用配置，具體配置如下圖 (圖 35)河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 21 圖 35 保存場景和工程。接下來我們將創建一個含有背景流量的場景。具體方式是點擊 Scenarios菜單下的 Duplicate Scenarios命令，然后將其命名為 back_load來區別之前的 no_back_load 場景。隨便選擇各個子網間的一條鏈路，然后右擊選中所有相似鏈路，并對它們的屬性做如下修改，如圖 36 所示。 圖 36 這樣我們就成功地將背景流量加入到網絡中了。接下來我們要做的就是搜集河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 22 統計量并運行仿真，查看結果。 在工程的空白區域單擊鼠標由鍵，從中選擇 Choose Individual DES Statistics，在彈出的選擇框中選擇 Global Statistics Ftp Download Response Time (sec) statistic， Link Statistics pointtopoint throughput (bits/sec) 和 Link Statistics pointtopoint utilization 。 單擊工具欄里的 圖標運行仿真。設置仿真運行的參數，具體的配置見下圖 (圖 37)。 圖 37 當聽到嘟的一聲時，仿真 結束。右擊工程空白區，選擇 Compare Result 比較沒有背景流量和存在背景流量情況下網絡的 FTP 下載時間，鏈路的利用率和吞吐量的變化。結果如圖 38， 39， 310 所示。 圖 38 河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 23 圖 39 圖 310 從圖 38 中我們可以看到，當到達穩定狀態時，有背景業務流量的情況下，FTP 下載的響應時間明顯增加了近 5 秒。圖 39 和圖 310 顯示有背景流量的情況下，鏈路的利用率和吞吐量要比沒有背景流量時高。其他的網絡性能參數也都可以通過搜集統計量和運行仿真來查看，這里就不鰲述了。河海大學工學學士學位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 24 第 4 章 WSN 流量 模型的仿真 流量模型是對網絡模型進行驗證并獲取各種重要參數的手段。流量模型的實現有一定的規范和要求，且必須能夠反映實際網絡的業務流量狀況。在本仿真系統的開發過程中，如果預先給定一組假定數據并通過仿真來驗證、考察該系統的各項性能指標，是無法達到考察并且評估整個網絡系統通信能力的目的的，因為給定的數據只是一定條件以及一定環境下的典型數值，而且數目十分有限。流量模型的建立使得通過仿真系統得到的各項參數數據能夠較為全面地反映出網絡的性能。 一個無線傳感器網絡 已經使用 HP Open View 的 Netmetrix軟件建立了網絡拓撲和一定的背景流量文件，現在我們 想在現有的網絡結構的基礎上增加業務負載，比如將流量負荷增加 50%或增加 75%，那么網絡的性能將呈現怎樣的變化？下面針對這個 whatif 的問題我們將在 OPNET 環境中對其建模仿真。 (1)首先新建一個工程 。背景流量定義的主要是鏈路上和節點之間的流量。無線傳感器網絡各節點間是沒有實際的鏈路連接的，只要兩個節點間的距離足夠近 (在適于無線通信的范圍 )，那么即使背景流量再大也不會影響節點間的正常通信；而如果節點間距離超出了這個范圍時，節點間將無法進行通信 。所以在研究無線傳感器網絡流量模型時，我們注重的是對它的前景業務流量進行分析與研究，所以在之前我們已經假設該網絡已經通過使用某種流量控制軟件 Netmetrix加載了一定的背景流量文件，通過下文介紹我們便知道，這個背景流量文件就是。 所以，在這里我們可以近似將此處的網絡看成一個總線型的 10BaseT Lan。 按照以上分析并結合 OPNET 建模機制建立了如圖 41 所示的流量模型。河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 25 圖 41 (2)導入系統的流量文件。單擊工程編輯器里的 Traffic，選擇 Import Conversation Pairs 子菜單，然后選擇 From Agilent NetMetrix 導入 OPNET 自帶的流量文件 ，其中需要注意的地方是流量合并類型選擇Maximum 最大模式，即當 OPNET 遇到對同一對節點的不同的流量說明的時候，OPNET 將選擇比較大的流量值來指定給這一對節點，這也是使用中最廣泛的一種模式。 現在網絡的背景路由流量已經導入到網絡中了，這些流量只代表著一段時間的業務量，它通常是選擇比較典型的時間來測量的，但是有時候會出現暫時的業務沖擊，對于這種情況下網絡性 能的分析可以采用增加背景流量的百分比來觀察網絡的性能。 在配置完上述基準背景流量后，為了便于分析和觀測，需要配置一些典型的網絡應用，這里以常見的 FTP 業務為例介紹。在 OPNET 仿真平臺之上 進行流量模型的建模和仿真， 一般 需要經過 應用定義 (Application Definitions)和描述定義 (Profile Definitions)兩個步驟。 下面兩節中將詳細配置 Application 和Profile 屬性。河海大學工學學士學位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 26 Application Configu