计算机网络仿真技术及仿真工具

总第２２３期

２０１３年第１期

舰船电子工程

Ｓｈｉｐ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．１

２５

　计算机网络仿真技术及仿真工具＊

张贤军１　李　鹤２

（１．北京海淀区复兴路２０号网管中心　北京　１００８４０）（２．９１９１７部队２０分队　北京　１００８４１）

摘　要　网络仿真是分析、研究、设计和改善网络性能必不可少的工具。文章主要介绍了网络仿真技术的基本概念、特点、应用，并在此基础上介绍了当前常用的仿真工具的基本情况，对了解、选择网络仿真系统具有实际参考价值。

关键词　网络仿真技术；仿真工具

中图分类号　ＴＰ３９１．３

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｏｏｌｓ

ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｎｊｕｎ１　ＬＩ　Ｈｅ２

（１．Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，Ｎｏ．２０，Ｆｕｘｉｎｇ　Ｒｏａｄ，Ｈａｉｄｉａｎ　Ｄｉｓｔｒｉｃｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８４０）

（２．Ｕｎｉｔ　２０，Ｎｏ．９１９１７Ｔｒｏｏｐｓ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８４１）

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆｔｈｅｓｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇａｎｄ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌｓ．

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌｓ

Ｃｌａｓｓ　Ｎｕｍｂｅｒ　ＴＰ３９１．３

１　计算机网络仿真技术概述

目前，随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的迅猛发展，需要通过网络传送的信息越来越多，以及网络带宽与网络规模的不断扩充，以数学计算为基础的传统网络设计理论己经无法满足数据网络的实际需要，所有这些，都对网络研究人员提出了许多新的挑战，因此，越来越需要一种新的网络规划和设计手段来提高网络设计的客观性和设计结果的可靠性，降低网络建设的投资风险。网络仿真技术正是在这种需求的推动下而产生的。

网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，通过建立网络设备和网络链路的统计模型，模拟网络流量的传输，从而获取网络设计及优化所需要的网络性能数据的技术。网络仿真作为一种新的网络规划和设计技术，以其独有的方法为网络规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期、提高网络建设中决策的科学性、降低网络建设的投资风险。网络仿真技术已经成为网络规划、设计和开发中的主流技术。

网络仿真技术具有以下特点：

１）仿真基于统计模型，统计复用的随机性精确再现；

２）全新的模拟实验机理使其可以在高度复杂的网络环境下得到高可信度的结果；

３）其预测功能是其他任何方法都无法比拟的，能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案；

４）使用范围广、既可以用于现有网络的优化和扩容、也可以用于新网络的设计，特别适用于大中型网络的设计和优化，为网络的规划设计提供可靠的定量依据；

５）初期应用成本不高，建好的网络模型可以延续使用、后期投资还会不断下降。

网络仿真的应用包括：

·容量规划和预测服务；

·故障分析；

·端到端的性能分析

·分析新增业务和用户对网络的影响；

·使网络设计达最优的性价比；

·预测业务量的增长；

·指导新网络建设。

２　计算机网络仿真工具

在现代通信网络研究中，网络模拟技术得到了日趋广泛的应用，而网络模拟的有效性和准确性很大程度上依赖于所采用的网络模拟工具的性能。在研究开发网络模拟工具的方法和实现方面，国内所做的研究相对较少，但国外已经有许多研究成果，包括商业软件工具和研究用软件工具，如ＯＰＮＥＴ，ＱｕａｌＮｅｔ，ＮＳ－２，ＮＳ－３，ＧｌｏＭｏＳｉｍ，ＮＣＴＵＮＳ，ＧＴＮｅｔＳ（包括ＲＴ　ＩＫｉｔ　ｌｉｂｒａｒｙ），ＯＭＮＥＴ＋＋，ＳＳＦＮｅｔ，ＪｉＳＴ和Ｙａｎｓ等。在此介绍几种常用的网络仿真工具。其中在教育、科研、商业等领域使用最广泛的是ＮＳ２

＊收稿日期：２０１２年７月６日，修回日期：２０１２年８月２３日

作者简介：张贤军，男，工程师，研究方向：网络技术管理。李鹤，女，工程师，研究方向：网络通信。

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　张贤军等：计算机网络仿真技术及仿真工具总第２２３期

与ＯＰＮＥＴ［１］。

２．１　ＯＰＮＥＴ

ＯＰＮＥＴ［２０］（Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｏｏｌｓ）仿真软件是ＭＩＬ３公司的产品，是由ＭＩＴ的几位教师在１９８６年创建的，ＯＰＮＥＴ网络仿真技术以其独特的方法能够为网络的规划设计提供客观，可靠的定量依据，能帮助开发人员定位关键事务，分析出极限情况下的ｅｎｄ－ｔｏ－ｅｎｄ性能，可以确定增加应用和用户后对网络的影响，并使用定量的方法，对网络做出准确的规划和伸缩性分析，使网络设计得到最优的性价比。目前用户范围广泛，包括企业、网络运营商、仪器配备厂商，以及军事、教育、银行、保险等领域。

ＯＰＮＥＳＴ的产品核心包括：

１）Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｐｒｏｖｉｄｅｒ　Ｇｕｒｕ：面向网络服务提供商的智能化网络管理软件；

２）ＯＰＮＥＴ　Ｍｏｄｅｌｅｒ：为技术人员提供一个网络技术和产品开发的平台；

３）ＩＴ　Ｇｕｒｕ：帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用性能，诊断问题。查找影响系统性能的瓶颈；

４）ＷＤＭ　Ｇｕｒｕ：用于波分复用光纤网络的分析，评测。

ＯＰＮＥＴ主要特点包括：

１）有限状态机；２）对协议编程的全面支持；３）层次化的网络模型；４）高效的仿真引擎；５）集成的分析工具；６）系统的完全开放性；７）集成调试器；８）动画。

２．２　ＱｕａｌＮｅｔ

ＱｕａｌＮｅｔ［３］是一种应用于无线、有线以及混合动态网络的快速而且精确的开发、仿真系统。Ｓｃａｌａｂｌｅ　ＮｅｔｗｏｒｋＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｉｎｃ．公司将美国加州大学洛杉矶分校（ＵＣＬＡ）开发的开放源代码的ＧｌｏＭｏＳｉｍ成功地转化为了商业版本———ＱｕａｌＮｅｔ。目前已经在世界范围内５０多个国家和地区得到了推广应用。主要对无线移动通信网络进行了优化处理，从仿真速度上得到了很大的提升，同时通过对无线信道和射频技术的建模也保证了较高的仿真精度。允许用户在真正的并行仿真环境当中优化并行仿真性能。对小规模同种复杂度的网络模型仿真，ＱｕａｌＮｅｔ仿真速度是其它仿真器的几倍，对于大规模网络，ＱｕａｌＮｅｔ仿真速度是其它仿真器的几十倍，如果ＱｕａｌＮｅｔ采用并行仿真机制，能达到比其它仿真器快千倍的速度。ＱｕａｌＮｅｔ的协议模块更加独立，更加模块化，可以方便屏蔽、增加、删除某些协议模块。支持ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的标准层间接口，用户无需自己开发这种类型。

ＱｕａｌＮｅｔ模型库组件包括：

１）Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ　Ｌｉｂｒａｒｙ：用于建模多种网络，包括ＷＡＮ，ＬＡＮ，ＩＰｖ６，卫星库与ＳＴＫ／Ｃｏｎｎｅｃｔ接口；

２）Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｌｉｂｒａｒｙ：包含８０２．ｌｌａ／ｂ／ｇ和移动ＡｄＨｏｃ网络；

３）Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　ａｎｄ　Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　Ｌｉｂｒａｒｙ：用于ＷＡＮ建模，ＶＯＩＰ，排队，调度，ＭＰＬＳ和其它ＱｏＳ功能；

４）Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｌｉｂｒａｒｙ：用于８０２．１６和８０２．１６ｅ，即所谓的ＷＩＭＡＸ；

５）Ｃｅｌｌｕｌａｒ　Ｌｉｂｒａｒｙ：用于ＧＳＭ蜂窝网建模；

６）Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　Ｌｉｂｒａｒｙ：用于把军用仿真器通过ＨＬＡ或ＤＩＳ接口集成到ＱｕａｌＮｅｔ中；

７）Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｌｉｂｒａｒｙ：用于ｈａｒｄ－ｗａｒｅ，ｓｏｆｔｗａｒｅ，和ｈｕｍａｎ－ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐ的仿真模拟；

８）Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｒａｄｉｏｓ　Ｌｉｂｒａｒｙ：用于Ｌｉｎｋ１１，Ｌｉｎｋ－１６，ＥＰＬＲＳ和ＳＩＮＣＧＡＲＳ网络建模；

９）Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｌｉｂｒａｒｙ：ＴＩＲＥＭ，用于基于Ｔｅｒｒａｉｎ的地形及传播效果建模；

１０）Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｌｉｂｒａｒｙ：Ｕｒｂａｎ，用于城市路径缺失和地形建模；

２．３　ＮＳ－２

ＮＳ［４］起源于１９８６年的Ｒｅａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ项目，１９９５年在施乐公司（Ｘｅｒｏｘ）的支持下加入美国ＤＡＲＰＡ支持的项目ＶＩＮＴ（ｔｈｅ　Ｖｉｒｔｕａｌ　ＩｎｔｅｒＮｅｔ　Ｔｅｓｔｅｄ），是ＶＩＮＴ项目的基础和核心部分。在不断吸收世界各地研究者的成果过程中，ＮＳ从原始版本进化到较成熟版本ＮＳ－２。ＮＳ－２是面向对象的、离散事件驱动的网络模拟器，由Ｃ＋＋和Ｏｔｃｌ语言编写而成。它是一个完全免费的软件，具有开放的体系结构，并带有大量协议库支持，尤其适合于对基于ＴＣＰ／ＩＰ的网络进行模拟，是进行网络模拟最流行的软件之一，享有很高的学术声誉。ＮＳ－２有多种平台下的版本，包括ＵＮＩＸ，ＬＩＮＵＸ和Ｗｉｎｄｏｗｓ等。

ＮＳ－２仿真软件是一个软件包，包括Ｔｃｌ／Ｔｋ、Ｏｔｅｌ、ＮＳ、Ｔｃｌｃｌ等组件，ＮＳ－２的特点包括：１）支持各种业务模型和多种通信协议；２）采用面向对象技术；３）有很强的结果处理能力。

２．４　ＮＳ－３

ＮＳ－３全称是Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　Ｖｅｒｓｉｏｎ　３，它是一个极具特色的新型网络模拟器，与其他网络模拟器相比，ＮＳ－３在完备性、开源性、易用性和可扩展性等方面的特色使得它优于现有的大多数主流网络模拟器。ＮＳ－３的功能极其强大，可以对各种网络、各种协议、各个层次进行模拟和研究，由于提供了灵活的扩展支持，研究者可以根据自己的需要进行任意的扩展［５～７］。ＮＳ－３目前只提供了一些基本的功能模块。

ＮＳ－３是一种面向对象的网络模拟器，它本质是一个离散事件模拟器，其本身有一个虚拟时钟，所有的模拟都有离散事件驱动。ＮＳ－３不是ＮＳ－２的扩展，不支持ＮＳ－２的ＡＰＩｓ。它使用Ｃ＋＋模组化元件并直接用Ｃ＋＋描述拓扑。目前的ＮＳ－３与ＮＳ－２相比，模块还少很多，但是将ＮＳ－２模块移植过来的工作一直在稳步进行。另外，ＮＳ－３自身也有很多模块正在开发中，主要有：仿真与实时调度模块，同步Ｐｏｓｉｘ－ｌｉｋｅ　ＡＰＩ，网络模拟之源ＮＳＣ的整合，可视化模块，ＩＰｖ６，实用应用程序整合，并行模拟，统计分析模块，Ｗｉｍａｘ模块，水下声学模块等等［１０］。

２．５　ＯＭＮＥＴ＋＋与ＯＭＮＥＳＴ［８］

ＯＭＮＥＴ＋＋（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔｅｓｔｂｅｄ　ｉｎＣ＋＋的缩写）是一个专门为大型网络提供开源的、基于组件的、模块化的开放网络仿真平台。ＯＭＮＥＴ＋＋作为离散事件仿真器，具备强大完善的图形界面接口和可嵌入式仿真内核，可运行于多个操作系统平台，简便定义网络拓扑结构，具备方便快捷的编程、调试和跟踪支持等功能。

ＯＭＮＥＳＴ是ＯＭＮＥＴ＋＋的一个商业版本。目前业内唯一一款开放性最好的、运算速度最快的基于离散事件