基于OPNET的局域网拓扑建模仿真

1 引言
    网络拓扑类似于路线图，它详细描述了关键的网络构件，诸如节点和链路是如何互连的。目前，常用的互连方案有点到点网络、广播网络和多点网络。其中点到点网络由仅能与相邻设备通信的节点组成(相邻节点是指相互邻接的节点)，它包括数千个相邻节点间互连的节点，这些相邻节点再连接到其他相邻节点，以此类推。如果一个节点需要与不相邻的节点通信，则可通过其他相邻的节点间接地完成通信。源节点先将消息传输到相邻节点，然后按顺序在各中间节点传输直到最终达到目的节点。从相邻节点传输数据到另一节点的过程称为桥接或路由。目前最常见的点到点拓扑有星形、环形和树形3种类型。

2 基于OPNET的局域网拓扑建模
    优化网络工程工具(Optimized Network Engineering Tool，简称OPNET)是OPNET公司开发的商用仿真平台，支持各类通信网络和分发系统的模拟与仿真，可通过离散事件仿真分析模型化系统的行为和性能，是目前较为流行的网络建模仿真工具。它涉及到仿真研究的各阶段，如模型设计、仿真、数据搜集和数据分析。OPNET Modeler仿真模型分为网络、节点和进程3个层次，分别在界面的Projeet Editor、Node Editor和Process Editor工具中建立。
2．1 星形拓扑
    星形网络的关键特征是存在一个连接节点的线路中心。一旦建立了通道连接，就能无延迟地在连通的两个节点之间传输数据。要说明的是：工作站到中央节点的线路是专用的，不会出现拥挤的瓶颈现象。图1给出在OPNET Modeler中建立的星形拓扑。其优点是：①容易诊断并隔离故障。如果网络中的节点或通信介质出现问题，只会影响到该节点或通信介质相连的节点，不会涉及到整个网络，因而比较容易判断故障的位置。②方便服务。中央节点和中间接线都有一批集中点，可方便提供服务和网络重新配置。③控制简单。其存在的不足是：①对中央节点的依赖性强。星型拓扑网络中的外围节点对中央节点的依赖性强，如果中央节点出现故障，则全部网络不能正常工作。②扩展困难、安装费用高。增加网络新节点时，无论有多远，都需要与中央节点直接连接，布线困难且费用高。③各站点的分布处理能力较低。星形拓扑的OPNET建模模型由10个工作站、1个交换机和1个服务器组成。为便于分析，环形和树形拓扑的建模也取10个工作站和1个服务器。

2．2 环形拓扑
    环形网络是星形网络的修改版本。在环形网络中，节点通过专用的线路连接。一种可靠昂贵的环形网络设计是将每个节点都连接到其他节点上，通常称为完全环形，也称全网状设计，部分环形网络一般称为不完全网状设计。图2给出在OPNET Modeler中建立的环形拓扑，该模型由10个工作站和1个服务器组成。

    环形拓扑的优点是：①无差错传输。由于采用点到点的通信链路，传输信号在每一节点上再生，因此传输信息的误码率可减至最少。②在增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作。③适用于光纤。光纤的传输速度高，因环形拓扑网络是单向传输，适合用于光纤通信介质。如果在环形拓扑网络中将光纤作为通信介质，可大大提高网络速度。加强抗干扰能力。④电缆长度短。其存在的不足是：①节点故障会引发全网故障。因环上传输数据是通过接在环上的每个中继器完成的，所以任何两个节点间的电缆或中继器故障都会导致全网故障。②故障检测困难。因为环上的任意一点出现故障都会引起全网故障，所以难以对故障定位。③调整网络比较困难。要调整网络中的配置，如扩大或缩小，都比较困难。
2．3 树形拓扑
    树形拓扑是一种分等级的结构。它通过一个根节点连接到二级节点上。这些二级设备与三级设备连接，三级设备与四级设备连接。树形拓扑的优点是：①易于扩展。②故障易于隔离。其存在的不足是：①各个节点对根的依赖性大。②网络中除最低层节点及其接线外，任意节点或连线故障都将影响器件所在支路的正常运行。图3给出在OPNET Modeler中建立的树形拓扑。该模型由10个工作站、4个交换机和1个服务器组成。

3 仿真与结果分析
    图4(a)～图4(d)给出仿真结果。分别收集树形、星形和环形拓扑模型中系统延时(System Delay)、服务器延时(Server Delay)、服务器接收通信量(Server traffic received)和节点node_0的负载(node_0 Load)上的统计量进行仿真。其中，平均系统延时是衡量网络性能的重要指标。配置的仿真时间均为l小时，其他为默认配置。为方便比较，仿真结果取平均值。图4(a)所示为3种拓扑的平均系统延时曲线。可见它们分别稳定在0．002 l s，0．001 3 s，0．0006 s。很明显，在系统延时方面，环形拓扑最好，树形拓扑结构最差。原因是环形拓扑最简单，仅由工作站和服务器构成；树形拓扑最复杂，除工作站和服务器外，还有多个交换机，并且分多层。图4(b)为3种拓扑的服务器平均延时曲线。由图可见，环形拓扑的延时最好，而树形拓扑结构的延时最差。图4(c)为3种拓扑的服务器平均接收通信量曲线。由图可见，其环形拓扑的服务器平均接收通信量明显低于星形和树形拓扑。图4(d)为3种拓扑的工作站节点node_0平均负载。由图可见，经过波动后，星形、环形、树形拓扑的工作站节点node_0平均负载最终分别稳定在约800 bit／s，650 bit／s，500 bit／s。由此可见，树形拓扑的工作站节点node_0平均负载最好，而星形拓扑最差。

4 结语
    星形、环形和树形拓扑是目前建立局域网时最常用的3种典型拓扑。由于它们自身特点而存在各自优缺点。通过OPNET仿真可得下述结论：①在网络延时方面，环形拓扑最好而树形拓扑最差；②在服务器平均接收通信量方面，环形拓扑明显低于星形和树形拓扑；③在节点负载方面，树形拓扑最好而星形拓扑最差。该仿真结果为网络规划所应选择的最佳拓扑提供了技术参考。因此，利用网络仿真软件OPNET研究通信网络、设备、协议和应用有着重要意义。