CN103414612A - 一种基于opnet的通信网络实时仿真方法 - Google Patents

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CN103414612A CN2013103831958A CN201310383195A CN103414612A CN 103414612 A CN103414612 A CN 103414612A CN 2013103831958 A CN2013103831958 A CN 2013103831958A CN 201310383195 A CN201310383195 A CN 201310383195A CN 103414612 A CN103414612 A CN 103414612A
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薛姬荣
李广运
孟红
宋毅
朱丹
孙勇
黄丹
任海龙
李文伟
高亮
冯源
周恒�
禹萍
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Abstract

本发明属于通信仿真技术领域，具体涉及一种基于OPNET的通信网络实时仿真方法。与现有技术相比较，本发明技术方案基于网络负载均衡分析将大型通信网络进行分布式处理，布置多个仿真节点，提高运算效率；在每个仿真节点处，依靠HLA分布式交互集成规范，优选通过基于HLA分布式交互***的FED文件的应用方法，将多个仿真节点无缝的集成在一起，形成一个一体的分布式大型通信网络仿真***；最后，单个仿真节点利用多核并行计算技术，提高通信网络实时仿真的效率。

Description

一种基于OPNET的通信网络实时仿真方法
技术领域
本发明属于通信仿真技术领域，具体涉及一种基于OPNET的通信网络实时仿真方法。
背景技术
在目前的通信仿真领域，主要存在如下两种仿真方案。
方案1：如图1所示，基于OPNET的大型通信网络的离线仿真方法，即事先按照某一特征(如发送时间戳)记录仿真***所有需要通信的信息，将其存储在仿真***实际通信流量的离线数据库中，再通过数据库访问程序，将数据按照某一特征(如发送时间戳)送给OPNET通信网络仿真程序进行通信仿真。该方案存在如下缺点：仿真***不考虑通信过程的实时性，也无法保证通信过程逻辑的合理性。
方案2：如图2所示，基于高性能计算服务器的在线仿真方法，即仿真***按照逻辑关系实时的将通信信息发送给基于高性能计算服务器的OPNET通信网络仿真程序，通信信息经过OPNET通信网络仿真后再按照逻辑关系将之发送给接收节点(仿真后通信信息未达者放弃)。该方案存在如下缺点：高性能计算服务器成本造价高，其需求亦不好量化，而且仿真***扩展性不好，受制于高性能计算服务器本身的性能以及基于高性能计算服务器的通信网络仿真程序的性能；。
由此，在数据通信网络日趋复杂、网络规模日趋庞大的情况下，客观、可靠地对网络进行分析、规划与设计，按照性价比高、扩展性好的要求能够实现仿真***通信过程仿真的实时化处理，并且保证通信过程逻辑的合理性，在人在环或实物半实物仿真***中就显得十分重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何针对数据通信网络日趋复杂、网络规模日趋庞大的情况，提供一种能够满足大型通信网络实时通信需求的基于OPNET的实时仿真方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于OPNET的通信网络实时仿真方法，所述方法包括：
步骤1：通过对需要仿真的通信网络进行通信协议、通信设备、子网设备、通信节点和子网数量分析；
步骤2：根据步骤1对通信网络的分析构建相应的OPNET模型的进程模型、节点模型以及网络模型，生成运行于OPNET在线仿真计算机上的OPENT通信仿真程序；
步骤3：通过对所述需要仿真的通信网络进行负载均衡分析，确定OPNET在线仿真计算机的数量；
步骤4：依靠HLA分布式交互集成规范，将分析确定的所有OPNET在线仿真计算机上运行的OPENT通信仿真程序集成起来，构成完整的通信网络实时仿真***；
步骤5：所述OPENT通信仿真程序采用多线程机制，利用OPNET在线仿真计算机的多核硬件结构，完成并行计算，以实现通信网络的实时仿真。
其中，所述步骤3中的OPNET在线仿真计算机为多核台式计算机。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明技术方案基于网络负载均衡分析将大型通信网络进行分布式处理，布置多个仿真节点，提高运算效率；在每个仿真节点处，依靠HLA分布式交互集成规范，优选通过基于HLA分布式交互***的FED文件的应用方法，将多个仿真节点无缝的集成在一起，形成一个一体的分布式大型通信网络仿真***；最后，单个仿真节点利用多核并行计算技术，提高通信网络实时仿真的效率。
附图说明
图1为基于OPNET的大型通信网络的离线仿真方案示意图。
图2为基于高性能计算服务器的在线仿真方案示意图。
图3为本发明技术方案的流程示意图。
图4为本发明技术方案的基于OPNET的通信网络的开发流程示意图。
图5为本发明技术方案的基于OPNET的大型通信网络实时仿真方案示意图。
图6为本发明实施例的信息化旅通信网络拓扑示意图。
图7为本发明实施例的通信网络仿真过程示意图。
图8为本发明实施例的通信网络仿真联邦成员主要功能及接口信息示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
由于本申请提案是一种基于OPNET的大型通信网络分布式并行化实时仿真方法，分布式配置方案从理论上保证了通信网络仿真***的性价比和扩展性，分布式配置方案、并行化计算处理和仿真时间管理从技术上保证了通信网络仿真的实时性和逻辑的合理性。
要实现该申请提案，需要解决以下几个技术问题。
(1)需要解决通信网络仿真***动态生成技术，通过文本建模方式，能够动态生成具有特定网络规模、设备组成和参数配置的网络仿真***，以突破图形化配置大型通信网络仿真***容易出错且速度慢的问题；
(2)需要解决OPNET中的HLA接口模型，解决时间驱动与离散事件驱动的仿真推进机制的协调问题，解决基于HLA的通信网络交互式仿真，以便能够实时模拟拓扑动态变化、参数任意修改的通信网络；
(3)基于网络负载均衡分析，通过设计设备的通用仿真模型和跨网路由算法，将整个通信网络的仿真计算量划分到n个仿真节点，采用分布式和多核并行计算技术，以解决大型通信网络实时仿真技术，甚至可以实现超实时仿真技术。
这些方法和措施从理论和技术上保证了大型通信网络仿真***的性价比、实时性和扩展性，基于HLA的带时钟管理的分布式交互仿真从理论和技术上保证了大型通信网络仿真逻辑的合理性。
为了解决上述技术问题，本发明提供的基于OPNET的通信网络实时仿真方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤1：通过对需要仿真的通信网络进行通信协议、通信设备、子网设备、通信节点和子网数量分析；
步骤2：根据步骤1对通信网络的分析构建相应的OPNET模型的进程模型、节点模型以及网络模型，生成运行于OPNET在线仿真计算机上的OPENT通信仿真程序；
如图4所示，对于OPNET模型，其开发分为Network、Node和Process三个层次；Network模型是最高层次的模型，由网络节点(Node)和连接网络节点的通信链路(Link)组成，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构；Node模型由协议Module和连接Module的各种Connections组成，每个Module对应一个或多个Process模型，如物理接口Module、MAC Module、IP Module、Route Module、TCP Module、Application Module、packet stream、statistic wires等等；Process模型由有限状态机来描述，有限状态机用C语言编程；
步骤3：通过对所述需要仿真的通信网络进行负载均衡分析，确定OPNET在线仿真计算机的数量；
如图5所示，OPNET在线仿真计算机根据要求确定为多台，且每台OPNET在线仿真计算机均为普通多核台式计算机。这明显区别现有技术中采用一台高性能计算服务器的方式，从而为实现分布式处理、构建多核硬件结构以及运行并行计算打下基础；
步骤4：依靠HLA分布式交互集成规范，将分析确定的所有OPNET在线仿真计算机上运行的OPENT通信仿真程序集成起来，构成完整的通信网络实时仿真***；
步骤5：所述OPENT通信仿真程序采用多线程机制，充分利用OPNET在线仿真计算机的多核硬件结构，完成并行计算，提高计算效率，以实现通信网络的实时仿真。
下面以一个例子详细阐述本发明的技术方案。
实施例
本实施例中，通信网络为假想的某陆军信息化旅(仿真对象)的无线通信网络，其包括各式各样的通信协议(物理层、IP层、传输层等)、通信设备和网络设备等，通信网络的规模达到通信节点约3000部电台，通信子网约250个。
1)无线通信网络OPNET模型
通信网络仿真***基于OPNET作为支撑平台和开发环境，以实现某陆军信息化旅的无线通信网络仿真***的进程建模、节点建模和网络建模与仿真。实现对信息化旅包含的通信协议、通信设备、网络设备、信息传输流程、无线信道的建模，形成了一个应用仿真***。实际的无线通信网络组成以车为单位，一个车内可以配备多部电台，加入不同的通信网络。
信息化旅无线通信网络仿真***按照实际的无线通信网络编制编程关系和通信组网关系，完成了网络拓扑的初步规划(这仅仅是无线通信网络仿真***分布式方案的一个基本参考，至于一个分布式仿真节点能仿真几个子网，这要取决于仿真节点计算机的整体性能和网络负载均衡分析的结果)，具体规定旅和营之间组成一层网(旅营网)，营和连组成一层网(营连网)，连以下所有作战单元组成一层网(连排网)，图6为信息化旅通信网络拓扑的示意图。
图7为通信网络仿真过程示意图，需要进行无线通信的指挥控制信息是由指挥控制源节点产生后通过HLA的交互类发送给通信网络仿真联邦成员，进行通信过程仿真后，如果数据成功送达目的节点，则将此数据又通过HLA的交互类发送给指挥控制目的节点。在下图中，当火力协调中心指挥控制***需要发送数据到加榴炮营指挥控制***时，火力协调中心指挥控制***所在的联邦成员通过RTI把该信息发送到通信网络仿真联邦成员，仿真通信过程(主要仿真通信延迟和丢包情况)，如果加榴炮营指挥控制***可以接收到该数据，到达接收时刻后，通信网络仿真联邦成员通过RTI把该信息发送到加榴炮营指挥控制***。
图8为通信网络仿真联邦成员(一个分布式仿真节点)主要功能及接口信息，其中核心是指挥控制信息通信过程仿真功能，其中包括对各种通信设备的功能建模，对无线信道的仿真，以及通信结果数据的统计。
2)大型通信网络分布式仿真技术研究
第一，大型通信网络包含节点数约3000，加上模型粒度比较细，计算量非常大。本***必须采用多台计算机同时仿真整个网络的方案。而网络是一个环环相扣的整体，如何分割网络又不影响拓扑结构就成了问题。本***采用了按电台构建节点，按子网划分网络，并将跨网路由算法放在应用层的方式，解决了车内电台转发信息的路由。由于跨计算机导致的延迟很小，且会在统计数据时去掉，避免了误差的产生。
第二，通过网络负载均衡分析，无线网络仿真***共划分了n个联邦成员(一个联邦成员是一个分布式仿真节点)，每个联邦成员按照HLA规范受制于整个仿真***的控制方，解决了基于OPNET的大型通信网络实时仿真问题。
第三，OPNET有自己的时间仿真内核，仿真时间粒度很细，而OPNET作为一个联邦成员每次时间推进都向联邦申请时间推进会大大地降低运行效率。本提案通过采用一种基于HLA分布式交互***的FED文件的应用方法和完善RTI接口模块等方式解决了分布式大型通信网络的无缝集成问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于OPNET的通信网络实时仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：通过对需要仿真的通信网络进行通信协议、通信设备、子网设备、通信节点和子网数量分析；
步骤2：根据步骤1对通信网络的分析构建相应的OPNET模型的进程模型、节点模型以及网络模型，生成运行于OPNET在线仿真计算机上的OPENT通信仿真程序；
步骤3：通过对所述需要仿真的通信网络进行负载均衡分析，确定OPNET在线仿真计算机的数量；
步骤4：依靠HLA分布式交互集成规范，将分析确定的所有OPNET在线仿真计算机上运行的OPENT通信仿真程序集成起来，构成完整的通信网络实时仿真***；
步骤5：所述OPENT通信仿真程序采用多线程机制，利用OPNET在线仿真计算机的多核硬件结构，完成并行计算，以实现通信网络的实时仿真。
2.如权利要求1所述的基于OPNET的通信网络实时仿真方法，其特征在于，所述步骤3中的OPNET在线仿真计算机为多核台式计算机。
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