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网络仿真技术及其在163网广州POP节点建模中的应用
梁洁 刘志华 彭巍 黄娟 陈文革
(广东省电信科学技术研究院 网络仿真实验室)
摘 要 近年来，由于数据网络日趋复杂、网络规模日趋庞大，客观、可靠地对网络进行规划设计显得愈发重要。网络仿真就是一种新的网络设计和优化技术。它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。以163网广州63的POP节点的仿真为例，探讨了网络仿真技术应用在网络设计上所面临的主要技术难题和解决方法，并详细叙述了仿真模型的建立和分析过程。
关键词 网络仿真技术，网络建模，OPNET，网络规划设计
1．为什么需要网络仿真
目前，数据网络发展迅猛，网络规模日趋庞大、新技术不断出现、网上应用日益复杂、投入资金不断增加，所有这些，都对网络规划和设计人员提出了许多新的挑战，包括：
以IP为代表的包交换技术是现在数据网的基础，IP的统计复用特性给网络的设计带来的很大的困难，以数学计算为基础的传统网络设计理论已经无法满足数据网络的实际需要；
目前流行的以经验为主的网络设计方法，对于中小型网络还是可行的，但是，随着网络规模的急剧扩大和网络复杂性迅速增加，需要考虑的设计因素也随之急剧增加，往往超出了人的经验所能企及的范围；
网络技术的多样性导致投资风险加大。目前网络通信领域往往对于一个问题的解决有多种的技术方法和众多互相竞争的网络产品；如果我们只能依靠厂家提供的报告和国外第三方的测试结果，投资的风险较大；
电信资费的不断下调，对外开放的压力，迫使电信网络运营商在网络建设的同时，开始注重优化现有网络、挖掘网络内部潜力，降低网络运营成本。如果能把网络流量、性能的实际监测分析结果和网络设计结合起来，则可为网络优化提供可靠的依据。
因此，随着网络的不断扩充，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拉动下应运而生的。网络仿真技术以其独有的方法能够为网络的规划设计提供客观、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。
2．网络仿真的概念和特点
网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型, 并模拟网络流量的传输, 从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。由于仿真不是基于数学计算, 而是基于统计模型，因此，统计复用的随机性被精确地再现。
网络仿真技术的特点
全新的模拟实验机理, 使其具有在高度复杂的网络环境下得到高可信度结果的特点。网络仿真的预测功能是其他任何方法都无法比拟的；
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，而且特别适用于中大型网络的设计和优化；
初期应用成本不高, 而且建好的网络模型可以延续使用, 后期投资还会不断下降；
3．网络仿真在POP优化中的应用
本应用所要仿真的POP节点是向163用户提供接入服务和信息服务的主要网络节点。由于节点内的设备类型较多，拓扑结构复杂，数据流量较大，经常会出现各种各样的问题：
拨号用户反映上网慢；
访问节点内服务器的延时较大；
网络扩容往往赶不上流量增长，导致一些链路或设备负担较大；
当出现故障时，整个网络的性能往往受到严重影响；
这些问题究竟是由什么原因引起的？怎样对网络拓扑结构进行优化，提高网络性能？扩容时，怎样能既保护现有投资又满足流量增长的需要？怎样对多个设计方案进行比较和验证，从中挑选最终方案？这些都是网络设计者所必须面对的问题。利用网络仿真技术，可以建立当前POP节点的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真，回答“WHAT…IF…”这样的问题，从而为网络的优化设计提供可靠的决策依据。
下面，将详细介绍一下如何应用仿真技术对POP进行优化设计的。
3.1 面临的主要技术问题
由于POP节点中提供了数万拨号和专线用户接入Internet的服务，而且一著名的信息服务网站也设在节点内，所以节点内包含的设备类型较多，包括各种服务器、防火墙、拨号接入设备、专线接入设备、高性能路由器、路由交换机、交换机等；拓扑结构较为复杂，许多设备采用主备（failover）或负载分担（load balancing）的方式同时连接到不同的路由器上；流量纷繁交织，多条链路上的负荷都达到几十兆甚至上百兆；所采用的技术各式各样，如传输技术包括POS、ATM、Gigabit Ethernet、Fast Ethernet，路由技术包括OSPF、ISIS、静态等等。在对POP节点仿真时，必须考虑以上各项因素，解决好以下的主要技术问题。
如何对各种网络设备建模，且反映出设备性能、特性和设置；
如何能够快速有效的建立POP节点的网络模型；
如何建立起网络的路由模型，使模型中包的流动路径和实际一致；
如何获得真实的流量数据，并据此建立起流量模型用于仿真分析；
如何结合实际对模型进行验证，并进行各种仿真分析；
如何在保证结果可信的基础上，提高仿真的效率；
3.2采用的体系结构
广东省电信研究院经过将近一年的研究，在网络仿真应用方面已经取得了较大的进展，基本上解决了前面所提到的髦治侍猓⑵鹨桓鼋衔暾奶逑到峁埂１敬蜳OP节点仿真采用的就是该体系结构，主要由以下几个部分构成：
网络仿真系统的体系结构
仿真系统：OPNET
OPNET Technology公司的仿真软件OPNET是整个系统的基础，它所具有下列突出特点，能够满足大型复杂网络的仿真需要：
提供三层建模机制，最底层为Process模型，以状态机来描述协议；其次为Node模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性；
提供了一个比较齐全的的基本模型库，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备、ISDN设备等等；
采用离散事件驱动的模拟机理（discrete event driven），与时间驱动相比，计算效率得到很大提高。
采用混合建模机制，把基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来，既可得到非常细节的模拟结果，也大大提高了仿真效率。
OPNET具有丰富的统计量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。
提供了和网管系统、流量监测系统的接口，能够方便的利用现有的拓扑和流量数据建立仿真模型，同时还可对仿真结果进行验证。
网管系统：HP NNM
NNM是HP网管OpenView系列中的一个组件。NNM能够自动发现被管网络的IP设备，建立起被管网络的IP拓扑；同时还自动获取被管网络节点的网络和系统配置信息。OPNET利用NNM所收集到的拓扑和节点的信息，能够从模型库中检索合适的设备，建立起被管网络的拓扑模型，大大简化了大型网络的仿真建模工作。
网络探针（Probe）
网络探针是一个硬件设备，通过串入/并入待测的链路，或连接交换机的SPAN Port，可对待测链路的RMON、RMON II等信息进行统计和记录。RMON II是一种远程监控标准，和RMON所不同的是RMON II提供的是对MAC以上各层（特别是IP层）的监视，能够记录端到端的流量数据。通过合理的布置探针，则可建立起全网的IP流量模型。本次POP节点仿真配备的探针类型共包括有：Gigabit Ethernet、Fast Ethernet、ATM、E1、EtherChannel，基本上可把主要的链路都监视起来了。
流量监控系统：Agilent NetMetrix和NetScout
NetMetrix和NetScout都是强大的流量监控和分析系统。通过它们，可以把分布在不同链路的各网络探针所记录的流量数据收集起来。然后由OPNET从NetMetrix和NetScout中读入RMON II中的端到端IP流量数据作为Background Routed Traffic进行仿真，就能够得到模型在真实流量情况下的多项性能指标。再以此为基础对模型进行各种改变和分析，就可为网络设计提供定量的决策依据了。此外，Agilent的NetMetrix系统还提供了IRM（Internetwork Response Manager）用于响应时间分析，Extended RMON用于相关协议分析，协议解码模块用于数据包分析，这些都为分析网络问题、建立流量数学模型、验证仿真结果提供了极好的依据。
3.3POP节点网络建模
POP节点网络建模包括了以下步骤：
1) 收集和消化网络工程设计文档。仿真必须基于对仿真网络的全面和深入的了解，主要包括网络拓扑结构、有关网络协议和标准、网络设备、地址分配、路由状况、网络应用及其流量特性等，才能根据仿真目的建立起相应的模型。
2) 建立网元模型，设置设备参数。例如路由器，所需要确定的参数包括端口类型和数量、处理方式（Slot Based或Central）、Buffer Memory、IP Queuing Scheme、转发速率等。以CISCO的高端路由器GSR为例来说，GSR依赖于GRP Module计算路由，然后把路由表分发到每个Module，由Module的ANSI芯片进行转发，其路由计算和转发是分开进行的，所以处理方式应设为Slot Based。而7500系列则是统一由路由模块进行转发的，其处理方式则设为Central。
3) 读入并完善模型。首先从NNM中读入拓扑初步建立网络模型。但由于网管不可能把POP节点的所有拨号用户管起来，所以仍需通过手工添加修改被管网络外的模型。
4) 设置IP地址和路由。我们可以设置所关心地址，而OPNET本身也提供了自动的地址生成机制，能够大大减轻这方面的工作。此外，还可根据实际设备配置设置OSPF参数，包括Area ID、Hello Interval、Dead Interval、Cost、Priority、Neighbor、Filter、Summary等等，甚至修改Process模型，使仿真形成和实际较为一致的路由表。
5) 验证并完善路由模型，使数据流量在模型中走的路由和实际基本一致，保证仿真结果的真实可用。主要采用两种方法：
路由表验证：通过把仿真生成的路由表和实际路由表对照，可以验证路由的属性基本上和实际一致。
表一 仿真生成的路由表
#OSPF Routing Table Contents:
#-------------------------------------------------------------------------------------------
#Area ID,Destination,Type,Mask,Cost,Path Type,Number of Paths,Paths: (Next Hop, Advertizing Router)
#-------------------------------------------------------------------------------------------0.0.0.0,202.104.44.32,Network,255.255.255.240,2,INTRA-AREA,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.44.0,Network,255.255.255.240,3,INTRA-AREA,2,202.104.44.36,202.104.63.5,202.104.44.34, 202.104.63.5
0.0.0.0,202.104.32.96,Network,255.255.255.224,3,INTRA-AREA,1,202.104.44.34,0.0.0.0
0.0.0.0,202.104.32.64,Network,255.255.255.224,3,INTRA-AREA,1,202.104.44.34,0.0.0.0
0.0.0.0,202.104.32.0,Network,255.255.255.224,3,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.36,202.104.44.130
0.0.0.0,202.104.32.32,Network,255.255.255.224,3,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.36,202.104.44.130
0.0.0.0,202.104.44.128,Network,255.255.255.128,3,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.36,202.104.44.130
0.0.0.0,202.104.45.0,Network,255.255.255.0,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.36,202.104.44.130
0.0.0.0,202.104.32.144,Network,255.255.255.240,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.97.20.176,Network,25.255.255.248,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.35,202.97.20.182
0.0.0.0,202.104.32.224,Network,255.255.255.224,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.32.192,Network,255.255.255.224,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34, 202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.32.160,Network,255.255.255.240,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34, 202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.40.0,Network,255.255.255.0,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.33.0,Network,255.255.255.0,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.34.0,Network,255.255.255.0,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.35.0,Network,255.255.255.0,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
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0.0.0.0,202.104.38.0,Network,255.255.255.0,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.39.0,Network,255.255.255.0,22,TYPE 1 EXTERNAL,1,202.104.44.34,202.104.44.253
0.0.0.0,202.104.63.4,Network,255.255.255.252,23,TYPE 1 EXTERNAL,2,202.104.44.36,202.104.63.5, 202.104.44.34,202.104.63.5
0.0.0.0,202.104.54.0,Network,255.255.255.0,23,TYPE 1 EXTERNAL,2,202.104.44.36,202.104.63.5, 202.104.44.34,202.104.63.5
END_ROUTING_TABLE
Traceroute：Opnet提供了类似traceroute的功能，能够记录ICMP包经过的路径，可和实际traceroute结果比较进行验证。
经过以上步骤，基本上完成了POP节点的网络建模，接着就是POP节点的流量建模，由于篇幅所限，将在另外的文章中详细叙述，这里就不多说了。
3.4 POP节点分析
针对目前POP节点中存在的问题，可以利用前面所建的网络模型进行以下的各种仿真分析：
容量规划(Capacity Planning)。
根据流量的增长需要对容量进行规划，预测网络在未来何时会出现瓶颈，并按照一定的性能要求，提出POP升级的最好时机。在POP扩容时，对骨干中继链路带宽进行预测，避免浪费或不足，降低投资风险。
拓扑结构优化
对不同的POP拓扑结构进行比较，从中选择较优的方案， 以便更好的挖掘现有网络的潜力，提高网络的可用性和其他性能。特别是对网络分层、VLAN划分，主备（failover）或负载分担（load balancing）链路方式，信息服务中心的位置等等不同的方案，都可通过对模型进行修改，根据仿真所得到的指标来进行判断。
SLA预测
利用OPNET提供的ESP（Expert Service Prediction）模块，可指定有关性能指标的参数，定义服务等级协议（Service Level Agreement）。然后通过仿真预测网络是否能够满足该SLA，如果流量按一定的比例增长，什么时候会出现违反SLA的情况。根据此结果，可以确定POP节点是否具有开展SLA的条件，如果需要开展业务，给出相应的改造建议。
路由优化
由于POP节点需要较高的可靠性，采用的往往是动态路由协议，但这往往带来了许多意想不到的情况：路由经常抖动，路由器CPU负担较重，导致延时增大甚至丢包的现象；路由没有按照设计方案形成等等。这时，就可通过仿真比较不同的路由协议和路由设置，确定问题是出在协议还是设置，还可通过调整端口的Metric、Timer等等，对路由进行优化。
端到端性能分析
现在我国网络的一个最大的问题就是上网慢。那么上网慢究竟是什么原因引起的呢？这就可以通过仿真分析是服务器的处理能力不足，还是网络带宽过小，或PSTN的延时过大的问题。此外，还可对不同操作系统的TCP实现进行比较，看不同的实现对端到端性能有多大的影响。
故障分析（Failover）
利用OPNET中的Failover Utility，可以模拟实际网络中的各种故障，如链路中断，路由器Down了，服务器重起等情况。判断在这种情况下用户上网会受到怎样的影响，路由协议需要多长时间收敛，路由跳数是否增加太多。同时和163网上的情况进行比较，分析故障产生的原因并给出解决方法。
其他
此外，还可以利用OPNET提供的Firewall、Memory Usage Utility、Packet Discarder Utility、Multi-tier Application Utility、Packet Trace Import等功能，进行许多技术、设备、应用、性能等方面的分析。
4． 结束语
本文以163 POP节点为例，着重介绍了网络的体系结构，仿真应用过程中的一些主要技术和仿真分析。通过该例子，可以看到网络仿真技术以其独特的技术手段，确实可以在大型网络的设计和优化方面提供许多决策依据。目前，国际上许多大的公司和厂商都纷纷采用仿真技术来指导他们的网络设计，其中包括著名的CISCO公司、大型电信运营商US Qwest、NTT、SBC等等。而我国虽然起步较晚，但是Internet网络的迅猛发展必将强劲地拉动网络仿真技术的研究和应用。我们相信，未来数年将是网络仿真技术蓬勃发展的时期，今后网络仿真技术必将成为数据网络规划设计不可缺少的工具。
参考文献
[1] Cisco System. Cisco IOS Solutions for Network Protocols Volume I:IP. 电子工业出版社，1999；
[2] Jeff Doyle. Routing TCP/IP Volume I. 清华大学出版社，1999；
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[4] HP Corp. HP OpenView Network Node Manager Manual；
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[7] Vern Paxson and Sally Floyd. Why We Don't Know How To Simulate The Internet. Proceedings of the 1997 Winter Simulation Conference, |
