摘  要： 基于OPNET仿真機制，對目前大學校園局域網(wǎng)中增加視頻業(yè)務(wù)方案進行建模仿真，并給出仿真結(jié)果。通過分析HTTP頁面平均響應(yīng)時間、FTP和E-mail平均下載響應(yīng)時間、網(wǎng)絡(luò)平均延遲等網(wǎng)絡(luò)性能指標在增加視頻業(yè)務(wù)前后的變化情況，為判斷該局域網(wǎng)是否能夠負擔增加的視頻業(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校園，局域網(wǎng)性能甚至影響著人們的生活質(zhì)量。同時，為了預防社會危害，視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1-2]得到了廣泛應(yīng)用，其可對重要設(shè)施和道路進行實時監(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)視頻會議等的興起，在局域網(wǎng)中增加視頻業(yè)務(wù)勢在必行。針對視頻業(yè)務(wù)，增加單獨的視頻業(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。局域網(wǎng)性能直接影響學校教育，科研工作效率，影響居民生活質(zhì)量，及時了解分析測試包含視頻系統(tǒng)的局域網(wǎng)性能，對于滿足人們?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?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全措施等有著十分重要的意義。本文針對上述網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求現(xiàn)狀，對在現(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)進行建模仿真，并對擴充服務(wù)后的網(wǎng)絡(luò)性能進行分析。
1 OPNET仿真軟件的仿真機制
　目前，網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有MATLAB、NS2和OPNET，而MATLAB偏向于科學計算，NS2使用起來不方便。OPNET雖然不是免費的軟件，但使用起來比較方便，便于對網(wǎng)絡(luò)進行建模仿真。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，能夠分析復雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和優(yōu)化管理等提供了參考。
　OPNET Modeler采用的是三層建模仿真機制，參考文獻[3]中對三層建模的敘述為進程域建模、節(jié)點域建模和網(wǎng)絡(luò)域建模。進程模型為最底層，以有限狀態(tài)機來描述協(xié)議；節(jié)點模型由相應(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)點構(gòu)建反映現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲[3]。
　使用OPNET Modeler進行網(wǎng)絡(luò)仿真，一般分6個步驟[4]，分別是：配置網(wǎng)絡(luò)拓撲，配置業(yè)務(wù)，收集結(jié)果統(tǒng)計量，運行仿真，調(diào)試模塊再次運行仿真，發(fā)布結(jié)果和拓撲報告。
　其仿真流程如圖1所示，圖1顯示了從建立模型、運行仿真到收集最后結(jié)果。

　參考文獻[5]和參考文獻[6]中對仿真流程步驟解釋。（1）理解系統(tǒng)。如果不能正確地理解要模擬的系統(tǒng)對象，就無從建模；精確地理解系統(tǒng)成為整個建模的第一個環(huán)節(jié)，使用者對系統(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。（4）定義輸入和輸出。輸入可能是固定的，也可能是變量，研究一個系統(tǒng)的時候，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）確定輸入和運行仿真：保持大多數(shù)變量不變，而只是變動其中一個或兩個變量。（7）系統(tǒng)結(jié)果是否精確。結(jié)果的容錯性和精確性都需要進行驗證。（8）結(jié)果是否足夠詳細。根據(jù)需要，適當?shù)母淖儾糠謪?shù)。（9）結(jié)果是否統(tǒng)計可用。一般來說，需要重新運行仿真，使得仿真結(jié)果到達穩(wěn)定狀態(tài)[5-6]。
2 實際網(wǎng)絡(luò)的拓撲建模與仿真
　針對局域網(wǎng)的建模，應(yīng)用環(huán)境為大學校園，本研究就某校園網(wǎng)于2008年升級改造后的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為例進行仿真。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)中心核心交換機采用思科的Catalyst 6509，并以星形結(jié)構(gòu)連接到辦公區(qū)、教學樓、圖書館以及各個院樓等匯聚交換機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個協(xié)議層實現(xiàn)。OPNET Modeler提供了8種標準應(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)配置標準[7]，而對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)采用OPNET的視頻會議標準業(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種標準業(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后進行業(yè)務(wù)的詳細設(shè)置[6]。
　（2）Profiles，在Profile Configuration進行業(yè)務(wù)具體配置，使其支持HTTP、FTP和E-mail 3種業(yè)務(wù)。
　（3）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。
?。?）在復制的場景中增加Video Conferencing這項業(yè)務(wù)，并對Application、Profiles和Server中的參數(shù)修改，在各個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)計量來對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析。本研究采用的網(wǎng)絡(luò)性能指標統(tǒng)計量為：HTTP的平均頁面響應(yīng)時間（Page Response Time）、E-mail和FTP的平均下載響應(yīng)時間（Download Response Time）、網(wǎng)絡(luò)平均延遲（Delay）4個全局統(tǒng)計量，以及增加視頻系統(tǒng)以后的網(wǎng)絡(luò)中心與各個服務(wù)器之間的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量（Throughput）。
3 仿真結(jié)果分析
　在運行仿真時候，設(shè)置仿真時間為兩小時，隨機種子數(shù)[9]為128。收集到的統(tǒng)計量如圖3所示，其中實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)性能指標變化非常小，僅為0.000 04 s~0.002 s，說明網(wǎng)絡(luò)的實時性非常好。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)，這說明整個網(wǎng)絡(luò)能夠在增加視頻業(yè)務(wù)之后達到穩(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E-mail、FTP和HTTP等業(yè)務(wù)的影響較小，對整個網(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)能夠正常運行，對視頻業(yè)務(wù)可以進行加載，并不需要用單獨的服務(wù)器提供視頻業(yè)務(wù)。
　本文利用OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對校園局域網(wǎng)性能指標以及增加視頻業(yè)務(wù)后的性能指標分別從E-mail和FTP平均下載響應(yīng)時間，HTTP平均頁面響應(yīng)時間，網(wǎng)絡(luò)的平均延遲以及各個服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量等方面進行了比較分析，為局域網(wǎng)增加視頻業(yè)務(wù)提供了仿真數(shù)據(jù)，有助于對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進行合理的改造，并表明此網(wǎng)絡(luò)能夠負擔增加視頻業(yè)務(wù)傳輸，滿足用戶需求。但同時需要注意，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)和負載均衡技術(shù)，而負載均衡算法是研究的重點，也是下一步的研究方向。
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