1、基于OPNET的802.11建模與性能測試仿真實驗內容1.熟悉無線局域網絡拓撲結構。 2熟悉OPNET軟件環境，在計算機通信網的學習基礎上模擬802.11，掌握OPNET運行，了解802.11協議和應用領域。 3.在OPNET環境下建立802.11，并進行仿真調試，測試802.11的網絡性能，包括網絡時延、網絡吞吐量和網絡丟包率。 4.對仿真測試的數據、圖表結合所學內容進行分析（包括原理，仿真結果，圖表等），以報告的形式上交。 二、實驗原理2.1 802.11概述 無線局域網協議是以IEEE 802II標準為基礎。該標準定義了一個信道接入控制(MAC)子層和3個物理(PHY)層。IEEE 80

2、2I I協議的目標是構建一個能夠提供與有線網絡類似服務的無線網絡。IEEE 802Il無線局域網的架構是用來支持一種移動站以分布式的方式進行協議會話的網絡。組成IEEE 802I I網絡可能有以下幾種等級成分：(I)移動站(Station)：移動站是直接與無線信道連接的組件。它可以是移動的、便攜式的或是固定的。每個移動站支持包括授權、認證、密碼保護和交換數據(MAC JI務數據單元)等服務。(2)基本服務子集(Basic Service Set，BSS)：一個IEEE 8021 I無線局域網至少包含一個BSS。BSS是由一系列可以互相通信的移動站組成。如果基本服務子集中的所有移動站可以直接互相

3、通信而不與有線網絡相連，我們稱該BSS為獨立基本服務子集(Independent BSS)。IBSS代表一種典型的自組織網絡，它構成簡單，規模小，而且源和目的結點之間的路由只有一跳。如果BSS包含一個接入點(Access Point，AP)，則稱該BSS為“架構BSS(1nfrastructure BSS)” ，意味著它可以作為更大網絡的一個組成部分。在一個架構BSS中，所有移動站和AP進行通信。AP既可以作為無線子網通向有線網絡的入口設備，又可以作為本地無線子網路由交換設備。(3)擴展服務子集(Extended Service Set，ESS)：一個ESS由多個“架構BSS”組成，而每個“架

4、構BSS”都含有一個AP，這些AP就成為數據從一個BSS通向另一個BSS的橋梁。同時AP也可將數據轉交給作為無線局域網的主干分布式網絡系統(Distribution System，DS)。它的布網方式一般是有線的。1.無線局域網的協議行為建模由于IEEE 802I I協議本身的復雜性，使得對其建模非常困難。我們根據協議標準將其拆分為多個相對獨立的部分，稱之為“協議行為” ，首先列舉無線局域網的如下各種行為：MAC協議會話：至少涉及兩種幀的交互參與，分別是從源到目的結點的數據幀和從目的到源結點的Ack幀。如果源結點沒有接收到確認幀，則它會等待合適的退避時間并且次數有限地重傳數據幀。數據幀和確認幀

5、的交互可以提供數據傳輸一定的可靠性保證。如果要進一步增大數據傳輸的可靠性，MAC協議會話額外要求請求發送幀Rts和確認發送幀Cts的參與，它們用來預留信道帶寬。首次源結點向目的結點發送Rts請求預留信道，如果成功，目的結點會響應一個Cts幀，這個過程可以看作是傳輸數據之前的握手。燕a提 標準中定義基本的接入機制采用基于二進制指數退避的載波監聽沖突避免協議(CSMACA)的DCF接入方案。在傳輸開始之前，移動站先監聽信道。如果監聽到信道被占用，則移動站不會傳輸分組。如果有兩個或兩個以上的移動站同時傳輸分組，則產生沖突，而導致一個或多個分組受損。這是基本的CSMA機制。為了進一步避免沖突，移動站在

6、開始傳輸分組之前如果監測到信道被占用，則自動進入基于二進制指數退避算法的退避階段。退避算法隨機選擇一定的時間量，規定移動站必須等待這段時間才能嘗試發送間隔)長的時間間隔，那么移動站就可以開始傳輸數據幀。接入機制：標準中定義基本的接入機制采用基于二進制指數退避的載波監聽沖突避免協議(CSMACA)的DCF接入方案。在傳輸開始之前，移動站先監聽信道。如果監聽到信道被占用，則移動站不會傳輸分組。如果有兩個或兩個以上的移動站同時傳輸分組，則產生沖突，而導致一個或多個分組受損。這是基本的CSMA機制。為了進一步避免沖突，移動站在開始傳輸分組之前如果監測到信道被占用，則自動進入基于二進制指數退避算法的退避

7、階段。退避算法隨機選擇一定的時間量，規定移動站必須等待這段時間才能嘗試發送分組。幀間強制等待：在兩幀之間的傳輸必須經歷一個強制等待時間：DCF機制包含DIFS、SIFS和EIFS。這些幀間間隔的具體取值是根據物理信道特征(跳頻，紅外，直接序列)來定。2.OPNET建模對于網絡的設計和管理，一般分為3 個階段：第1 階段為設計階段，包括網絡拓撲結構的設計，協議的設計和配置以及網絡中設備的設計和選擇；第2 階段為發布階段，設計出的網絡能夠具有一定性能，如吞吐率、響應時間等等；第3 階段為實際運營中的故障診斷、排錯和升級優化。而OPNET公司的整個產品線正好能面向網絡研發的不同階段，即可以作網絡的設

8、計，也可以作為發布網絡性能的依據，還可以作為已投入運營的網絡的優化和故障診斷工具。OPNET公司也是當前業界智能化網絡管理分析解決方案的主要提供商。OPNET公司的第一個商用化產品為Modeler，在此基礎上又開發出了其他產品，使得其產品得種類更加豐富。目前OPNET公司得產品線除了Modeler外，還包括ITGuru、SPGuru、OPNET Development Kit以及WDMGuru。不同的產品面向的客戶群也不一樣。 Modeler主要面向研發，其宗旨是為了“Accelerating Network R&D （加速網絡研發） ITGuru可以用于大中型企業，做智能化的網絡設計

9、、規劃和管理； SPGuru相對ITGuru在功能上更加強大，內嵌了更多的OPNET附加功能模塊，包括流分析模塊、網絡醫生模塊、多提供商導入模塊、MPLS模塊，使得SPGuru成為電信運營商量身定做的智能化網絡管理、規劃以及優化的平臺；WDMGuru是面向光纖網絡的運營商和設備制造商，為其提供了管理WDM光纖網絡，并為測試產品提供了一個虛擬的光網絡環境。OPNET開發包（ODK ，OPNET Development Kit）和NetBizODK 是一個更底層的開發平臺，其中ODK 為開發時環境，NetBiz 為運行時環境，可以用于設計用戶自定制的解決方案，定制用戶的界面，并且ODK 提供了大量

10、的函數，用于網絡優化和規劃。OPNET主要被大型通信設備制造商（如3Com、Cisco、Nortel Network、Lucent ）、大中型企業（如BOEING、Daimler、Benz等）、電信運營商（如AT&T、NTT DoCoMo 、France Telecom 等）、軍方和政府方的研發機構、大專院校等客戶應用。OPNET Modeler 采用層次化的網絡模型。使用無限嵌套的子網來建立復雜的網絡拓撲結構。簡單明了的建模方法。Modeler建模過程分為3 個層次：過程（process）層次、節點（Node）層次以及網絡（Network ）層次。在過程層次模擬單個對象的行為，在節點

11、層次中將其互連成設備，在網絡層次中將這些設備互連組成網絡。幾個不同的網絡場景組成“項目”，用以比較不同的設計方案。這也是Modeler建模的重要機制，這種機制有利于項目的管理和分工。三、802.11建模仿真與性能測試1 .輸入接口RTs 門限： 該門限決定某個數據幀的傳輸是否要啟動Rts/Cts協議會話。如果從高層接收到的分組( 也稱為MAC服 務數據單元MSDU)大于Rts門限，為了增加傳輸效率(對于大 分組額外花銷資源預留帶寬而增加這次發送成功的概率是值 得的)，則啟動Rts/Cts協議會話。由于Rts/Cts協議會話是協議非強制的功能，因此該值缺省為None，意味著不管MSDU多大也不啟

12、用該功能。當Rts/Cts協議會話功能啟用則意味著 對于每次成功的數據幀的傳輸，為了提高數據傳輸的可靠性，都必須為預留信道消耗額外帶寬。拆分門限： 該門限決定高層數據分組(MSDU)是否需要 拆分。拆分后幀的數量是由MSDU的大小和拆分門限決定的。目的站點會將當前接收的幀放入隸屬于某個MSDU的集成緩存，直到收到所有的幀才集成還原為MSDU并釋放集成 緩存。對大分組采用拆分傳輸提高了數據傳輸的可靠性，但 是由于對于每一個數據拆分幀都需要目的站點恢復一個確認幀，從而使協議開銷增大。拆分門限和Rts門限存在一定的 關聯性，如果拆分門限小于Rts門限則Rts/Cts協議會話功能 不可能啟用。為了提高

13、信道預留效率，這兩個門限值的設置 盡可能匹配。數據率： 802.11 模型支持1Mbps、2Mbps，5.5Mbps ， 和11Mbps 4種數據率。移動站可以根據界面所選的數據率參 數來發送數據，但是可以以任意速率接收分組。物理特征的選擇：IEEE 802.11標準指定3種物理層配置 方案：跳頻，紅外和直接序列。雖然802.11模型沒有實現這些物理層的建模，但是提供了MAC 層所需的物理層的參數。這些參數是根據物理特征來設置：(1)信令幀間間隔 (SIFS) ；(2) DCF幀間間隔(DIFS) ；(3)最小和最大的競爭窗口大小(退避時隙的個數)。模型缺省的設置是跳頻。 短包重試限制：該參數

14、為數據幀傳輸可允許的最大的重傳次數，如果超過次數則被丟棄。短重試限制只針對MSDU大小超過或者等于Rts門限的數據幀，也即只針對需要Rts/ Cts協議會話的數據幀。缺省值為4。 信道設置：802.11模型有4個傳輸接收信道對。用戶可 以設置這些信道的最小頻率和帶寬。緩存大小：指定高層緩存的最大容量。如果接收當前高層分組會導致該緩存溢出則被丟棄，直到有分組移出緩存。最大接收生存時間：該參數為目的站點集成絡繹到達的 數據拆分幀所能等待的最大時間，如果在生存時限之前成功地集成隸屬于某個高層數據分組(MSDU)的所有拆分幀，則此次傳輸成功，并將集成的分組送往高層。無線LAN通信范圍：該參數指定移動站

15、能夠互相通信的 最大距離。根據IEEE 802.11標準指定的內容，移動站之間 的空中傳播時間為1s，從而計算出最大允許的通信范圍為300m。圖2 IEEE 802.11 無線局域 網MAC 的輸入接口2 輸出接口仿真結束后通過觀察模型提供的統計狀態可以對無線局域網的性能進行分析。模型的輸出接口界面如圖3所示。按照圖中順序，輸出接口參數分別為：(1) 退避時隙個數；(2)信道預留(NAV計數器)；(3) 發送的信令業務(包括Ack，Rts和Cts)；(4) 接收的信令業務(包括Ack，Rts和Cts)；(5) 發送的數據業務；(6) 接收的數據業務；(7) 丟棄的數據分組( 由 于高層緩存的溢

16、出)；(8) 高層數據分組隊列大小； (9) 負載：從高層接收的總比特數據量(高層到達的分組將被存儲在高層隊列中)；(10) 信道接入延時：分組在高層隊列停留的時間，也即從高層分組到達隊列的時刻和移出隊列被傳輸時刻之間的時間間隔；(11) 重傳 嘗試次數；(12) 吞吐量：作為分 組的目的節點，移動站將接收的 數據從MAC層送往高層的所累積 的總比特數。圖3 IEEE 802.11 MAC的輸出接口數3 802.11網絡建模要創建一個新的網絡模型，首先要創建一個新的項目和一個新的場景。重要應用知識點：采用開始建立向導 (Startup Wizard)來建立一個新的項目和一個新的場景。開始建立向

17、導有以下幾個步驟：一、選擇網絡拓撲類型;二、設定網絡的范圍和大小;三、設定網絡背景圖;四、選擇對象模型家族。創建一個場景：1.新建一個項目2.輸入項目名稱和場景名稱，每個項目必須至少有一個場景。將新建場景向導打勾。3按默認選擇創建一個空場景：4.選擇辦公室網絡：5.設置場景大小，這里設置為1000m7.選擇要用的模型庫，依次選擇3Com、ethernet和wireless_lan:8.確認場景信息無誤，完成向導。9下面開始建模，從彈出的模型窗口中分別選擇交換機、以太網服務器、無線AP、無線終端，并放置在場景中，修改為可理解的名字，并將以太網服務器和交換機，交換機和無線AP之間用10BaseT的

18、鏈路模型鏈接。下圖是完成后的拓撲圖：4 .802.11的運行仿真配置仿真參數，如圖在空白處單擊右鍵，選擇Choose Individual DES Statistics，對需要仿真的項目打上勾。 配置完成后點擊ok，在工具欄里找到下面這個仿真按鈕，配置仿真時間為400s，點擊運行開始仿真。關閉對話框，查看結果，在空白處點右鍵選擇View Results如下：仿真結果分析：1.以太網延時仿真2. 802.11丟包率、延時、吞吐量仿真3.以太網交換機與802.11路由器間吞吐量仿真4.以太網交換機與路由器節點間的吞吐量仿真5.以太網平均延時仿真6.802.11丟包率、延時、吞吐量平均仿真7.交換機

19、與802.11路由器間吞吐量平均仿真8.以太網交換機與路由器節點間的吞吐量平均仿真5 802.11的性能測試圖1圖2給出了全局和802.11的統計量，網絡時延（802.11 Delay)、負載量(802.11 load)、吞吐量(802.11 Throughput)的統計量。平均系統延時是衡量網絡性能的重要指標。配置的仿真時間均為l小時，其他為默認配置。為方便比較，仿真結果取平均值。圖1顯示在33S時全局的時延為0.00001082。圖2顯示在33S時802.11的延時為0.000281，圖2各圖比較顯示當網絡的負載量（200，250）、吞吐量（2000,2900）時出現時延。圖3、圖4分別收

20、集以太網交換機與802.11路由器間的延時（Delay)、吞吐量(Throughput)和服務器與交換機間的吞吐量(Throughput)。36S時交換機與路由器間時延為0.0000944，吞吐量達到200或接近時節點間出現時延，其他時間節點間數據傳輸穩定，性能良好。由圖4知道交換機到服務器吞吐量持續為0，服務器到交換機時吞吐量最大可達到200以上。千萬不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印。“結論”以前的所有正文內容都要編寫在此行之前。四、實驗結論通過OPNET仿真可得下述結論：隨著業務總負載的加大，網絡吞吐量也逐漸加大。當業務總負載達某個數時，網絡各種性能指標基本達到最優，隨著業務總負載的繼續增加，網絡丟失率和端對端延時性能開始下降；無線局域網的吞吐量性能當達到最優時開始趨于穩定(有微弱下降)，但丟失率和端對端延時等性能開始急劇下降。當負