基于OPNET的802.11建模与性能测试

基于OPNET的802.11建模与性能测试仿真

实验内容

1.熟悉无线局域网络拓扑结构。 2．熟悉OPNET软件环境，在计算机通信网的学习基础上模拟802.11，掌握OPNET

运行，了解802.11协议和应用领域。 3.在OPNET环境下建立802.11，并进行仿真调试，测试802.11的网络性能，包括

网络时延、网络吞吐量和网络丢包率。 4.对仿真测试的数据、图表结合所学内容进行分析（包括原理，仿真结果，图表等），以报告的形式上交。

二、实验原理

2.1 802.11概述

无线局域网协议是以IEEE 802．II标准为基础。该标准定义了一个信道接入控制(MAC)子层和3个物理(PHY)层。IEEE 802．I I协议的目标是构建一个能够提供与有线网络类似服务的无线网络。IEEE 802．Il无线局域网的架构是用来支持一种移动站以分布式的方式进行协议会话的网络。组成IEEE 802．I I网络可能有以下几种等级成分：(I)移动站(Station)：移动站是直接与无线信道连接的组件。它可以是移动的、便携式的或是固定的。每个移动站支持包括授权、认证、密码保护和交换数据(MAC J]I~务数据单元)等服务。(2)基本服务子集(Basic Service Set，BSS)：一个IEEE 802．1 I无线局域网至少包含一个BSS。BSS是由一系列可以互相通信的移动站组成。如果基本服务子集中的所有移动站可以直接互相通信而不与有线网络相连，我们称该BSS为独立基本服务子集(Independent BSS)。IBSS代表一种典型的自组织网络，它构成简单，规模小，而且源和目的结点之间的路由只有一跳。如果BSS包含一个接入点(Access Point，AP)，则称该BSS为“架构BSS(1nfrastructure BSS)” ，意味着它可以作为更大网络的一个组成部分。在一个架构BSS中，所有移动站和AP进行通信。AP既可以作为无线子网通向有线

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网络的入口设备，又可以作为本地无线子网路由交换设备。(3)扩展服务子集(Extended Service Set，ESS)：一个ESS由多个“架构BSS”组成，而每个“架构BSS”都含有一个AP，这些AP就成为数据从一个BSS通向另一个BSS的桥梁。同时AP也可将数据转交给作为无线局域网的主干分布式网络系统(Distribution System，DS)。它的布网方式一般是有线的。

1.无线局域网的协议行为建模

由于IEEE 802．I I协议本身的复杂性，使得对其建模非常困难。我们根据协议标准将其拆分为多个相对独立的部分，称之为“协议行为” ，首先列举无线局域网的如下各种行为：

MAC协议会话：至少涉及两种帧的交互参与，分别是从源到目的结点的数据帧和从目的到源结点的Ack帧。如果源结点没有接收到确认帧，则它会等待合适的退避时间并且次数有限地重传数据帧。数据帧和确认帧的交互可以提供数据传输一定的可靠性保证。如果要进一步增大数据传输的可靠性，MAC协议会话额外要求请求发送帧Rts和确认发送帧Cts的参与，它们用来预留信道带宽。首次源结点向目的结点发送Rts请求预留信道，如果成功，目的结点会响应一个Cts帧，这个过程可以看作是传输数据之前的握手。燕a提 标准中定义基本的接入机制采用基于二进制指数退避的载波监听冲突避免协议(CSMA／CA)的DCF接入方案。在传输开始之前，移动站先监听信道。如果监听到信道被占用，则移动站不会传输分组。如果有两个或两个以上的移动站同时传输分组，则产生冲突，而导致一个或多个分组受损。这是基本的CSMA机制。为了进一步避免冲突，移动站在开始传输分组之前如果监测到信道被占用，则自动进入基于二进制指数退避算法的退避阶段。退避算法随机选择一定的时间量，规定移动站必须等待这段时间才能尝试发送间隔)长的时间间隔，那么移动站就可以开始传输数据帧。

接入机制：标准中定义基本的接入机制采用基于二进制指数退避的载波监听冲突避免协议(CSMA／CA)的DCF接入方案。在传输开始之前，移动站先监听信道。如果监听到信道被占用，则移动站不会传输分组。如果有两个或两个以上的移动站同时传输分

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组，则产生冲突，而导致一个或多个分组受损。这是基本的CSMA机制。为了进一步避免冲突，移动站在开始传输分组之前如果监测到信道被占用，则自动进入基于二进制指数退避算法的退避阶段。退避算法随机选择一定的时间量，规定移动站必须等待这段时间才能尝试发送分组。

帧间强制等待：在两帧之间的传输必须经历一个强制等待时间：DCF机制包含DIFS、SIFS和EIFS。这些帧间间隔的具体取值是根据物理信道特征(跳频，红外，直接序列)来定。 2.OPNET建模

对于网络的设计和管理，一般分为3 个阶段：第1 阶段为设计阶段，包括网络拓扑结构的设计，协议的设计和配置以及网络中设备的设计和选择；第2 阶段为发布阶段，设计出的网络能够具有一定性能，如吞吐率、响应时间等等；第3 阶段为实际运营中的故障诊断、排错和升级优化。而OPNET公司的整个产品线正好能面向网络研发的不同阶段，即可以作网络的设计，也可以作为发布网络性能的依据，还可以作为已投入运营的网络的优化和故障诊断工具。OPNET公司也是当前业界智能化网络管理分析解决方案的主要提供商。

OPNET公司的第一个商用化产品为Modeler，在此基础上又开发出了其他产品，使得其产品得种类更加丰富。目前OPNET公司得产品线除了Modeler外，还包括ITGuru、SPGuru、OPNET Development Kit以及WDMGuru。不同的产品面向的客户群也不一样。 Modeler主要面向研发，其宗旨是为了“Accelerating Network R&D （加速网络研发） ITGuru可以用于大中型企业，做智能化的网络设计、规划和管理； SPGuru相对ITGuru在功能上更加强大，内嵌了更多的OPNET附加功能模块，包括流分析模块、网络医生模块、多提供商导入模块、MPLS模块，使得SPGuru成为电信运营商量身定做的智能化网络管理、规划以及优化的平台；WDMGuru是面向光纤网络的运营商和设备制造商，为其提供了管理WDM光

纤网络，并为测试产品提供了一个虚拟的光网络环境。OPNET开发包（ODK ，OPNET

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Development Kit）和NetBizODK 是一个更底层的开发平台，其中ODK 为开发时环境，NetBiz 为运行时环境，可以用于设计用户自定制的解决方案，定制用户的界面，并且ODK 提供了大量的函数，用于网络优化和规划。

OPNET主要被大型通信设备制造商（如3Com、Cisco、Nortel Network、Lucent ）、大中型企业（如BOEING、Daimler、Benz等）、电信运营商（如AT&T、NTT DoCoMo 、France Telecom 等）、军方和政府方的研发机构、大专院校等客户应用。

OPNET Modeler 采用层次化的网络模型。使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构。

简单明了的建模方法。Modeler建模过程分为3 个层次：过程（process）层次、节点（Node）层次以及网络（Network ）层次。在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组成网络。几个不同的网络场景组成“项目”，用以比较不同的设计方案。这也是Modeler建模的重要机制，这种机制有利于项目的管理和分工。

三、802.11建模仿真与性能测试

1 .输入接口

RTs 门限： 该门限决定某个数据帧的传输是否要启动Rts/Cts协议会话。如果从高层接收到的分组( 也称为MAC服 务数据单元MSDU)大于Rts门限，为了增加传输效率(对于大 分组额外花销资源预留带宽而增加这次发送成功的概率是值 得的)，则启动Rts/Cts协议会话。由于Rts/Cts协议会话是协议非强制的功能，因此该值缺省为None，意味着不管MSDU多大也不启用该功能。当Rts/Cts协议会话功能启用则意味着 对于每次成功的数据帧的传输，为了提高数据传输的可靠性，都必须为预留信道消耗额外带宽。

拆分门限： 该门限决定高层数据分组(MSDU)是否需要 拆分。拆分后帧的数量是由MSDU的大小和拆分门限决定的。目的站点会将当前接收的帧放入隶属于某个MSDU的集成缓存，直到收到所有的帧才集成还原为MSDU并释放集成 缓存。对大分组采用拆分传输提高了数据传输的可靠性，但 是由于对于每一个数据拆分帧都需要目的站点恢复一个确认帧，从而使协议开销增大。拆分门限和Rts门限存在一定的 关联性，如

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果拆分门限小于Rts门限则Rts/Cts协议会话功能 不可能启用。为了提高信道预留效率，这两个门限值的设置 尽可能匹配。

数据率： 802.11 模型支持1Mbps、2Mbps，5.5Mbps ， 和11Mbps 4种数据率。移动站可以根据界面所选的数据率参 数来发送数据，但是可以以任意速率接收分组。

物理特征的选择：IEEE 802.11标准指定3种物理层配置 方案：跳频，红外和直接序列。虽然802.11模型没有实现这些物理层的建模，但是提供了MAC 层所需的物理层的参数。这些参数是根据物理特征来设置：(1)信令帧间间隔 (SIFS) ；

(2) DCF帧间间隔(DIFS) ；(3)最小和最大的竞争窗口大小(退避时隙的个数)。模型缺省的设置是跳频。

短包重试限制：该参数为数据帧传输可允许的最大的重传次数，如果超过次数则被丢弃。短重试限制只针对MSDU大小超过或者等于Rts门限的数据帧，也即只针对需要Rts/ Cts协议会话的数据帧。缺省值为4。

信道设置：802.11模型有4个传输接收信道对。用户可 以设置这些信道的最小频率和带宽。

缓存大小：指定高层缓存的最大容量。如果接收当前高层分组会导致该缓存溢出则被丢弃，直到有分组移出缓存。最大接收生存时间：该参数为目的站点集成络绎到达的 数据拆分帧所能等待的最大时间，如果在生存时限之前成功地集成隶属于某个高层数据分组(MSDU)的所有拆分帧，则此次传输成功，并将集成的分组送往高层。

无线LAN通信范围：该参数指定移动站能够互相通信的 最大距离。根据IEEE 802.11标准指定的内容，移动站之间 的空中传播时间为1μs，从而计算出最大允许的通信范围为300m。

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图2 IEEE 802.11 无线局域 网MAC 的输入接口 2 输出接口

仿真结束后通过观察模型提供的统计状态可以对无线局域网的性能进行分析。模型的输出接口界面如图3所示。按照图中顺序，输出接口参数分别为：(1) 退避时隙个数；(2)信道预留(NAV计数器)；(3) 发送的信令业务(包括Ack，Rts和Cts)；(4) 接收的信令业务(包括Ack，Rts和Cts)；(5) 发送的数据业务；(6) 接收的数据业务；(7) 丢弃的数据分组( 由 于高层缓存的溢出)；(8) 高层数据分组队列大小； (9) 负载：从高层接收的总比特数据量(高层到达的分组将被存储在高层队列中)；(10) 信道接入延时：分组在高层队列停留的时间，也即从高层分组到达队列的时刻和移出队列被传输时刻之间的时间间隔；(11) 重传 尝试次数；(12) 吞吐量：作为分 组的目的节点，移动站将接收的 数据从MAC层送往高层的所累积 的总比特数。

图3 IEEE 802.11 MAC的输出接口数

3 802.11网络建模

要创建一个新的网络模型，首先要创建一个新的项目和一个新的场景。重要应用知识点：采用开始建立向导 (Startup Wizard)来建立一个新的项目和一个新的场景。开始建立向导有以下几个步骤：一、选择网络拓扑类型;二、设定网络的范围和大小;三、设定网络背景图;四、选择对象模型家族。

创建一个场景：

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1.新建一个项目

2.输入项目名称和场景名称，每个项目必须至少有一个场景。将新建场景向导打勾。

3．按默认选择创建一个空场景：

4.选择办公室网络：

5.设置场景大小，这里设置为1000m

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7.选择要用的模型库，依次选择3Com、ethernet和wireless_lan:

8.确认场景信息无误，完成向导。

9．下面开始建模，从弹出的模型窗口中分别选择交换机、以太网服务器、无线AP、无线终端，并放置在场景中，修改为可理解的名字，并将以太网服务器和交换机，交换机和无线AP之间用10BaseT的链路模型链接。

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下图是完成后的拓扑图：

4 .802.11的运行仿真

配置仿真参数，如图在空白处单击右键，选择Choose Individual DES Statistics，对需要仿真的项目打上勾。

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配置完成后点击ok，在工具栏里找到下面这个仿真按钮，配置仿真时间为400s，点击运行开始仿真。

关闭对话框，查看结果，在空白处点右键选择View Results如下：

仿真结果分析： 1.以太网延时仿真

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2. 802.11丢包率、延时、吞吐量仿真

3.以太网交换机与802.11路由器间吞吐量仿真

4.以太网交换机与路由器节点间的吞吐量仿真

5.以太网平均延时仿真

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6.802.11丢包率、延时、吞吐量平均仿真

7.交换机与802.11路由器间吞吐量平均仿真

8.以太网交换机与路由器节点间的吞吐量平均仿真

5 802.11的性能测试

图1—图2给出了全局和802.11的统计量，网络时延（802.11 Delay)、负载量(802.11 load)、吞吐量(802.11 Throughput)的统计量。平均系统延时是衡量网络性

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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1显示在33S时全局的时延为0.00001082。图2显示在33S时802.11的延时为0.000281，图2各图比较显示当网络的负载量（200，250）、吞吐量（2000,2900）时出现时延。图3、图4分别收集以太网交换机与802.11路由器间的延时（Delay)、吞吐量(Throughput)和服务器与交换机间的吞吐量(Throughput)。36S时交换机与路由器间时延为0.0000944，吞吐量达到200或接近时节点间出现时延，其他时间节点间数据传输稳定，性能良好。由图4知道交换机到服务器吞吐量持续为0，服务器到交换机时吞吐量最大可达到200以上。

四、实验结论

通过OPNET仿真可得下述结论：

随着业务总负载的加大，网络吞吐量也逐渐加大。当业务总负载达某个数时，网络各种性能指标基本达到最优，随着业务总负载的继续增加，网络丢失率和端对端延时性能开始下降；

无线局域网的吞吐量性能当达到最优时开始趋于稳定(有微弱下降)，但丢失率和端对端延时等性能开始急剧下降。当负载过大，而移动站不能及时竞争到有限的信道资源，从而造成高层数据分组队列积压过多分组，导致数据丢失；同时分组的积压使分组在 队列中等待服务的时间增大，造成分组的端对端延时增大。

网络延时方面，所设计拓扑结构性能呈周期性变化，每当网络负载量、吞吐量达到峰值或接近峰值时开始出现时延。

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心得体会

这次课程设计为期三周，我从中学到了不少的东西，每天都过得很充实。刚开始课设时，由于没任务书，自己也迷茫过，后来经过查阅资料和向学长老师咨询，我学会了OPNET软件基本操作，进而开始了本次课程设计。经过三周个课题的仿真，加深了对 OPNET 的理解，掌握了OPNET 的基本操作，对与 802.11 相关的模块有了深刻的认识。在日后，OPNET 还将继续在 802.11 的仿真中发挥它的巨大潜力。这不仅需要对其有更深刻的认识，而且还需要对相关的源程序有更多的理解，例如目前 802.11 的研究 仅限于 802.11 的物理层和 MAC 层，而要进行其网络层以上的研究，就必须对网络层以 上的相关程序进行解读。当然这同时也是一种对 802.11 的协议进行更加深刻的理解的 途径。

现在课程设计已经结束，但它的影响却留存长久，它让我们自己动手，品尝成功的喜悦，激发了我们对实践的兴趣与热情，在很大程度上鼓舞了我们的学习决心，它让我们做了一回成功的自己，有着一定的成就感，特别是通过我的检查与查阅，最终得出了正确的结果，增强了我的自信心，让我以更大的勇气面对以后的学习与人生，此外，这次课程设计给了我开拓进取的动力。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dajr.html