CN106059804B - 基于改进的opnet-hla的大规模网络仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于改进的OPNET‑HLA的大规模网络仿真方法，用于解决现有OPNET‑HLA的大规模网络仿真方法不能实现对网络性能参数进行分布式仿真的技术问题，包括如下步骤：划分网络拓扑，得到多个子网单元；统计多个子网单元用户必要信息，生成全局用户信息表；将从全局用户信息表中随机选择的目的端用户加入OPNET预连接信息表；将OPNET分组数据与HLA数据直接相互映射，构建高效数据转换HLA代理；利用构建的HLA代理，修改OPNET标准协议模型；应用修改模型，仿真网络性能参数。本发明能够高效地实现对大规模网络性能参数进行分布式仿真，可用于大规模网络的性能评估。

Description

基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于OPNET-HLA的网络仿真方法，具体涉及一种基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，可用于大规模网络的性能评估。

背景技术

随着网络规模越来越大，传统的以经验为主的网络设计方法已经不能满足需要，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，并降低网络建设的投资风险。

网络仿真技术正是在这种需求拉动下兴起的。它利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获取特定网络的特性参数，以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，提高了网络建设中决策的科学性，降低了网络建设的投资风险。当前，OPNET是主流的通信系统网络仿真软件，它提供了丰富的标准协议模块，包括ATM、FDDI、TCP/IP、UDP、RIP、OSPF和SIP等，用户可以对这些标准模块进行修改以满足自己的需要。

传统的网络仿真都是基于单个平台的，但若在单个平台上对大规模网络进行仿真则面临着效率低和可靠性差的问题，而且由于目前硬件环境的限制，计算机的处理速度相对通信网仿真仍然较慢，甚至严重时，由于资源耗尽无法进行仿真。分布式仿真技术为解决上述问题提供了一条有效的途径，分布式仿真以网络为基础，通过联网技术将空间上分布的多个仿真平台联接为一个整体，将仿真负荷分担到多个平台进行协同处理。目前应用比较广泛的分布式仿真体系是HLA(High Level Architecture)高层体系结构，它为构造大规模仿真应用提供了一种集成方法。运行支撑环境RTI(Run-Time Infrastructure)是为支持HLA仿真系统设计、开发、运行和维护的软件系统，它提供了一系列用于仿真互连的服务，其实现符合HLA规范。

目前基于OPNET-HLA的分布式仿真主要应用于不同应用领域或不同仿真平台的异构仿真系统，如军事通信网络仿真系统、空间信息对抗仿真系统等。这这类仿真系统包含多个联邦成员，每个联邦成员执行不同的仿真任务。通常，这类仿真系统使用OPNET提供的HLA代理转发联邦成员数据，但由于这种HLA代理是一个通用的数据转换代理，需要对数据进行两次转换，故其数据转发效率较低。这类仿真系统在对端到端时延、丢包率等网络性能参数进行仿真时，由于OPNET标准协议的本地属性限制，这里的端到端只能是当前OPNET联邦成员中的一个用户终端到当前OPNET联邦成员中的另一个用户终端，如果另一用户终端不在当前OPENT联邦成员中，这两个用户终端就不能进行通信，也就不能统计端到端时延、丢包率等网络性能参数。在需要对这些网络性能参数进行仿真时，这类系统通常将这一仿真任务分配给某个特定的联邦成员执行。因此，现有OPNET-HLA的大规模网络仿真方法不能实现网络性能参数的分布式仿真。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，用于解决现有OPNET-HLA的大规模网络仿真方法不能实现对网络性能参数进行分布式仿真的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)对大规模网络拓扑进行划分，得到多个子网单元。

(2)统计得到的多个子网单元的用户必要信息，包括用户名称、用户IP地址和用户所在的子网编号，并根据该用户必要信息，生成全局用户信息表。

(3)从生成的全局用户信息表中随机选择目的端用户，并将该目的端用户添加到OPNET的预连接信息表中。

(4)将OPNET分组数据与HLA数据直接相互映射，并按OPNET进程状态转移原理，构建高效数据转换HLA代理。

(5)从OPNET预连接信息表中随机选择一个目的端用户，并根据生成的全局用户信息表，判断该目的端用户是否为本地用户，若是，不对OPNET标准协议模型进行修改，否则，利用构建的高效数据转换HLA代理，对OPNET标准协议模型中的通信数据传输协议模型、通信连接建立协议模型和通信连接断开协议模型进行修改。

(6)对OPNET中的通信数据传输协议模型进行修改，实现步骤如下：

(6a)源端用户对其IP层分组数据进行封装，并将封装的分组数据发送到源端子网转发终端；

(6b)源端子网转发终端在其IP层，对接收到的封装分组数据解封装，并将解封装的分组数据发送到本地子网HLA代理，本地子网HLA代理首先把接收到的分组数据转换为HLA数据，然后将HLA数据发送到RTI，RTI再将数据发送到目的端子网HLA代理，目的端子网HLA代理首先把接收到的HLA数据转换为分组数据，然后将分组数据发送到目的端子网转发终端；

(6c)目的端子网转发终端在其IP层，将接收到的分组数据发送到目的端用户。

(7)对OPNET中的通信连接建立协议模型进行修改，实现步骤如下：

(7a)源端用户在其应用层通过构建的高效数据转换HLA代理，通知目的端用户准备进行通信连接；

(7b)源端用户和目的端用户，利用OPNET标准通信连接建立协议模型，在各自内部传输通信连接建立数据，利用步骤(6)中修改的通信数据传输协议模型，在这两个用户之间传输通信连接建立数据。

(8)对OPNET中的通信连接断开协议模型进行修改，实现步骤如下：

(8a)源端用户在其应用层通过构建的高效数据转换HLA代理，通知目的端用户准备断开通信连接；

(8b)源端用户和目的端用户，利用OPNET标准通信连接断开协议模型，在各自内部传输通信连接断开数据，利用步骤(6)中修改的通信数据传输协议模型，在这两个用户之间传输通信连接断开数据。

(9)为得到的各子网单元配置仿真业务，各子网单元利用修改后的OPNET标准协议模型中的通信数据传输协议模型、通信连接建立协议模型和通信连接断开协议模型进行通信，统计网络性能参数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于在实现对网络性能参数进行仿真时，通过对OPNET标准协议模型中的通信数据传输协议模型、通信连接建立协议模型和通信连接断开协议模型进行修改，突破了OPNET标准协议本地属性的限制，实现了不同子网用户的正常通信，扩大了OPNET-HLA技术的应用范围。

2、本发明由于在实现OPNET分组数据与HLA数据相互转换时，将OPNET分组数据与HLA数据直接相互映射，与OPNET提供的HLA代理的转换方法，即将OPNET分组数据或HLA数据转换为中间数据，再将中间数据转换为HLA数据或OPNET分组数据，相比，本发明舍弃了中间数据转换这个环节，减少了数据转换的次数，降低了内存消耗，提高了数据转发的效率。

附图说明

图1为本发明仿真系统的结构示意图；

图2为本发明的实现流程框图；

图3为本发明HLA代理的实现流程框图；

图4为本发明对通信数据传输协议模型修改的实现流程框图；

图5为本发明对通信连接建立和断开协议模型修改的实现流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细描述。

参照图1，本发明仿真系统的结构包括子网单元N1、子网单元N2、控制单元、其他单元和运行支撑环境RTI。

子网单元N1，包括用户A、用户B、路由器和HLA代理，用户A和用户B通过有线路由器连接，用户A和用户B通过逻辑链路与HLA代理连接；子网单元N2，包括用户C和HLA代理，用户C通过逻辑链路与HLA代理连接；其中用户A、用户B和用户C是源端用户或目的端用户。

控制单元，用于控制仿真状态，收集仿真结果等；

其他单元，用于扩展仿真系统的功能，如该单元可以是数据库，用于存储仿真过程中产生的仿真信息，是否需要该单元视具体需要确定；

运行支撑环境RTI，用于支撑上述各单元之间的数据交互。

在本实施例中，用户A是源端用户，用户B和用户C是目的端用户。

仿真时，首先启动控制单元，再启动子网单元N1和子网单元N2，当子网单元N1和子网单元N2进入同步等待状态后，操作控制单元使子网单元N1和子网单元N2达到同步状态，并同时进行仿真。当源端用户A和目的端用户C通信时，用户A先将OPNET分组数据发送给子网单元N1中的HLA代理，该HLA代理接收到OPNET分组数据后，将该OPNET分组数据转换为HLA数据，并通过运行支撑环境RTI将转换的HLA数据发送到子网单元N2中的HLA代理，当子网单元N2中的HLA代理接收到HLA数据后，将该HLA数据转换为OPNET分组数据，并将该OPNET分组数据发送到目的端用户C，这样就完成了一次OPNET分组数据从源端用户到目的端用户的传输；当源端用户A和目的端用户B通信时，用户A通过路由器，将OPNET分组数据发送到目的端用户B，完成了一次OPNET分组数据的传输。

参照图2，本发明方法包括如下步骤：

步骤1：对大规模网络拓扑进行划分，得到多个子网单元。

实际划分网络拓扑时，可以按照需要适当的增加或减少子网单元数目，每个子网单元的仿真任务均由不同的计算机执行。

步骤2：统计得到的多个子网单元的用户必要信息，并根据该用户必要信息，生成全局用户信息表。

子网划分完成后，需要统计全部子网里所有用户的必要信息，这些必要信息包括用户名称、用户IP地址和用户所在的子网编号。在获得所有子网用户必要信息后，根据这些信息生成全局用户信息表，该表用于记录全部的用户必要信息。

步骤3：从生成的全局用户信息表中随机选择目的端用户，并将该目的端用户添加到OPNET的预连接信息表中。

配置业务时，对于本地子网目的端用户，默认其自动添加到本地子网的OPNET预连接信息表中。对于非本地子网目的端用户，由于本地子网中没有该目的端用户的信息，实际上该目的端用户的信息仅存在于非本地子网中，为了将该目的端用户添加到本地子网所在的OPNET预连接信息表，此处利用步骤2中生成的全局用户信息表，将该目的端用户添加到本地子网预连接信息表中。

上述使用的全局用户信息表，可以使本地子网源端用户能够准确识别预连接信息表中的本地或非本地子网目的端用户，为后续分布式仿真数据的传输提供用户信息层面的支撑。

步骤4：将OPNET分组数据与HLA数据直接相互映射，并按OPNET进程状态转移原理，构建高效数据转换HLA代理。

在大规模通信网络仿真中，为了使各子网单元之间高速交互数据，在构建HLA代理时，将HLA交互类数据直接转换为OPNET能够处理的分组数据，这里的直接转换操作去掉了MAP映射这一中间转换过程，主要是根据OPNET分组数据和HLA交互类数据携带的类型标识信息进行映射转换的，如端口号为某个固定数值的IP数据包与某个固定类型的HLA交互类相互转换。为了协同本地子网与其他子网单元之间的仿真推进，确保各子网单元之间仿真的时间同步性，构建时按照步长推进方式进行，并以步长的整数倍为时间同步点进行各子网单元的同步，步长的大小按实际需要确定。

HLA代理的实现流程，参照图3，该实现仅为一个具体实施例，本领域专业人员在遵循本设计原理的前提下，可以按需修改或重新设计该HLA代理。

步骤5：从OPNET预连接信息表中随机选择一个目的端用户，并根据生成的全局用户信息表，判断该目的端用户是否为本地用户，若是，不对OPNET标准协议模型进行修改，否则，利用构建的高效数据转换HLA代理，对OPNET标准协议模型中的通信数据传输协议模型、通信连接建立协议模型和通信连接断开协议模型进行修改。

目的端用户是否为本地用户直接决定了是否需要应用修改后的协议模型。当源端用户和本地目的端用户通信时，由于这两个用户属于相同的子网，故无需应用修改后的协议模型，使用标准协议模型即可。当源端用户和非本地目的端用户通信时，由于目的端用户不属于本地子网用户，而标准协议模型受限其本地属性，即标准协议模型只支持同一子网中的两个用户终端进行通信，故必须对标准协议模型进行修改，才能支持源端用户和非本地目的端用户进行正常通信。

步骤6：对OPNET中的通信数据传输协议模型进行修改，实现步骤如下：

步骤6a：源端用户对其IP层分组数据进行封装，并将封装的分组数据发送到源端子网转发终端；

步骤6b：源端子网转发终端在其IP层，对接收到的封装分组数据解封装，并将解封装的分组数据发送到本地子网HLA代理，本地子网HLA代理首先把接收到的分组数据转换为HLA数据，然后将HLA数据发送到RTI，RTI再将数据发送到目的端子网HLA代理，目的端子网HLA代理首先把接收到的HLA数据转换为分组数据，然后将分组数据发送到目的端子网转发终端；

步骤6c：目的端子网转发终端在其IP层，将接收到的分组数据发送到目的端用户。

上述子网转发终端用于数据转发，其转发过程包括，当本地子网给外部子网发送数据时，首先将数据发送到该子网转发终端，该终端利用HLA代理将数据发送到外部子网；当外部子网给本地子网发送数据时，首先将该数据发送到本地子网转发终端，该终端再将接收到的数据发送给本地子网目的端用户。

本步骤所述的是数据从源端用户到目的端用户的传输方法，将该方法中的源端用户与目的端用户互换，该方法也适用于数据从目的端用户到源端用户的传输。因此，该方法支持数据在源端用户和目的端用户之间双向传输。

对通信数据传输协议模型修改的实现流程，参照图4。

步骤7：对OPNET中的通信连接建立协议模型进行修改，实现步骤如下：

步骤7a：源端用户在其应用层通过构建的高效数据转换HLA代理，通知目的端用户准备进行通信连接；

步骤7b：源端用户和目的端用户，利用OPNET标准通信连接建立协议模型，在各自内部传输通信连接建立数据，利用步骤6中修改的通信数据传输协议模型，在这两个用户之间传输通信连接建立数据。

步骤8：对OPNET中的通信连接断开协议模型进行修改，实现步骤如下：

步骤8a：源端用户在其应用层通过构建的高效数据转换HLA代理，通知目的端用户准备断开通信连接；

步骤8b：源端用户和目的端用户，利用OPNET标准通信连接断开协议模型，在各自内部传输通信连接断开数据，利用步骤6中修改的通信数据传输协议模型，在这两个用户之间传输通信连接断开数据。

对通信连接建立和断开协议模型修改的实现流程，参照图5。

步骤9：为得到的各子网单元配置仿真业务，各子网单元利用修改后的OPNET标准协议模型中的通信数据传输协议模型、通信连接建立协议模型和通信连接断开协议模型进行通信，统计网络性能参数。

参照图3，HLA代理的实现流程如下：

初始化HLA代理，主要是设置时间推进方式，公布和订阅交互类等，初始化完成后HLA代理进入空闲状态；在空闲状态，

(1)当收到OPNET内核发送的自中断同步信息后，HLA代理进入同步等待状态，同步完成后，计算下次同步时间点，并根据该时间点设置下次自中断同步时刻，设置完成后，回到空闲状态；

(2)当有数据到达时，根据该数据携带的用户信息判断是否将该数据转发到本地子网目的端用户，若是，将HLA数据转换为OPNET数据并发送到目的端用户，否则将OPNET数据转换为HLA数据并发送到RTI，发送完成后，回到空闲状态；

(3)当收到OPNET内核的仿真结束中断信息后，仿真结束，释放资源。

参照图4，对通信数据传输协议模型修改的实现流程如下：

准备传输数据时，源端用户先判断目的端用户是否本地子网用户，若是，直接将数据传输到目的端用户，否则，

(1)在其IP层，先将分组数据进行封装并发送到本地子网转发终端；

(2)本地子网转发终端在其IP层，对接收的封装分组数据进行解封装，并将解封装的分组数据发送到本地子网HLA代理，本地子网HLA代理将接收的分组数据转换为HLA数据后，将该HLA数据发送到RTI，RTI再将数据发送到目的端子网HLA代理，目的端子网HLA代理将接收的HLA数据转换为分组数据，并发送到目的端子网转发终端，此处通过HLA和RTI发送数据是为了确保源端与目的端收发数据的时间同步，降低分布式网络中性能统计参数如端到端时延等的误差；

(3)目的端子网转发终端在其IP层，直接将接收到的分组数据发送到目的端用户。

参照图5，对通信连接建立和断开协议模型修改的实现流程如下：

在通信连接建立阶段，源端和目的端用户均需要首先构建从应用层到物理层的通信通道，为数据传输作准备。

(1)创建通信通道。在应用层，源端用户需要通知目的端用户准备创建自己的通信通道。当目的端用户是本地子网用户时，无需修改协议，按照OPNET标准协议模型创建自己的通信通道；当目的端用户为非本地子网用户时，源端用户需要通过HLA代理通知目的端用户准备与自己建立通信连接，目的端用户接收到通知消息后创建从应用层到物理层的通信通道。

(2)建立通信连接。源端用户在发送完通知消息后，开始向目的端用户发送通信连接建立消息，此时可将非本地子网目的端用户看作与本地子网源端用户处于同一个子网单元，因为在修改了通信数据传输协议模型后，源端用户不用考虑非本地目的端用户无法收到消息的问题，源端用户与非本地子网目的端用户可以正常通信，这样从无差异的数据传输角度看，通信连接建立的过程依照OPNET标准协议模型处理即可。

当数据传输结束后，通信双方需要关闭各自的通信通道。

(1)关闭通信通道。源端用户在关闭自己的通信通道时需要通知目的端用户关闭通信通道。当目的端用户是本地子网用户时，可以按照OPNET标准协议直接关闭自己的通信通道；当目的端用户是非本地子网用户时，源端用户需要通过HLA代理通知非本地子网目的端用户关闭自己的通信通道，目的端用户接收到通知消息后关闭从应用层到物理层的通信通道。

(2)断开通信连接。源端用户在发送完通知消息后，开始向目的端用户发送通信连接断开消息，与通信连接建立的过程类似，此时源端用户和目的端用户断开通信连接的过程按照OPNET标准协议模型处理即可。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，包括如下步骤：

(1)对大规模网络拓扑进行划分，得到多个子网单元；

(2)统计得到的多个子网单元的用户必要信息，包括用户名称、用户IP地址和用户所在的子网编号，并根据该用户必要信息，生成全局用户信息表；

(3)从生成的全局用户信息表中随机选择目的端用户，并将该目的端用户添加到OPNET的预连接信息表中；

(4)将OPNET分组数据与HLA数据直接相互映射，并按OPNET进程状态转移原理，构建高效数据转换HLA代理；

(5)从OPNET预连接信息表中随机选择一个目的端用户，并根据生成的全局用户信息表，判断该目的端用户是否为本地用户，若是，不对OPNET标准协议模型进行修改，否则，利用构建的高效数据转换HLA代理，对OPNET标准协议模型中的通信数据传输协议模型、通信连接建立协议模型和通信连接断开协议模型进行修改；

(6)对OPNET中的通信数据传输协议模型进行修改，实现步骤如下：

(6a)源端用户对其IP层分组数据进行封装，并将封装的分组数据发送到源端子网转发终端；

(6b)源端子网转发终端在其IP层，对接收到的封装分组数据解封装，并将解封装的分组数据发送到本地子网HLA代理，本地子网HLA代理首先把接收到的分组数据转换为HLA数据，然后将HLA数据发送到RTI，RTI再将数据发送到目的端子网HLA代理，目的端子网HLA代理首先把接收到的HLA数据转换为分组数据，然后将分组数据发送到目的端子网转发终端；

(6c)目的端子网转发终端在其IP层，将接收到的分组数据发送到目的端用户；

(7)对OPNET中的通信连接建立协议模型进行修改，实现步骤如下：

(7a)源端用户在其应用层通过构建的高效数据转换HLA代理，通知目的端用户准备进行通信连接；

(7b)源端用户和目的端用户，利用OPNET标准通信连接建立协议模型，在各自内部传输通信连接建立数据，利用步骤(6)中修改的通信数据传输协议模型，在这两个用户之间传输通信连接建立数据；

(8)对OPNET中的通信连接断开协议模型进行修改，实现步骤如下：

(8a)源端用户在其应用层通过构建的高效数据转换HLA代理，通知目的端用户准备断开通信连接；

(8b)源端用户和目的端用户，利用OPNET标准通信连接断开协议模型，在各自内部传输通信连接断开数据，利用步骤(6)中修改的通信数据传输协议模型，在这两个用户之间传输通信连接断开数据；

(9)为得到的各子网单元配置仿真业务，各子网单元利用修改后的OPNET标准协议模型中的通信数据传输协议模型、通信连接建立协议模型和通信连接断开协议模型进行通信，统计网络性能参数。

2.根据权利要求1所述的基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，其特征在于，步骤(2)中所述的全局用户信息表，包含用户名称、用户IP地址和用户所在子网单元编号。

3.根据权利要求1所述的基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，其特征在于，步骤(3)中所述的目的端用户，是指本地子网单元用户或非本地子网单元用户。

4.根据权利要求1所述的基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，其特征在于，步骤(4)中所述的OPNET分组数据与HLA数据直接相互映射是指，利用OPNET分组数据或HLA数据携带的类型标识信息，通过一步操作，使OPNET分组数据与HLA数据相互转换。

5.根据权利要求1所述的基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，其特征在于，步骤(6)中所述的子网转发终端，是指一个或多个具有数据转发功能的用户终端。

6.根据权利要求1所述的基于改进的OPNET-HLA的大规模网络仿真方法，其特征在于，步骤(6)中所述的对OPNET中的通信数据传输协议模型进行修改，其中OPNET中的通信数据传输协议模型中的源端用户和目的端用户可以互相转换。