【中国大英博物馆】基于IP协议的通信技术及网络仿真设计.pdf

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1、基于IP协议的通信技术及网络仿真设计林晓鹏(厦门海洋职业技术学院 福建 厦门 361012)摘 要:阐述了IP网络的拓扑结构、体系结构及在IP网络上实现数据传输需考虑的技术问题,以及网络技术,介绍了网络设计和仿真工具OPNET,并给出了仿真结果。关键词:CSMA/CD;IP协议;网络拓扑结构;OPNET中图分类号:TP393 文献标识码:B 文章编号:1004373X(2007)1614804Technology and Simulative Design of Communication Network Based on IP ProtocolLIN Xiaopeng(Xiamen Ocea

2、n College,Xiamen,361012,China)Abstract:In this paper,we discuss the topology and the basic structure of network and the technological problem of datacommunication over IP network,and the technology of grid.Later,we use OPENT to design IP network,the simulative resultsof network are shown.Keywords:CS

3、MA/CD;IP protocol;network topology;OPNET收稿日期:200703291 引 言随着人类社会的发展,通信方式也发生了巨大的变化,从声音、手势、文字等形式发展到以电信号为载体的通信方式,如电话、电报等。目前,以IP网络为基础的多媒体通信在人类生活中的作用越来越重要,人们不仅可以通过网络传输文本,还可以传输语音、图像等信号。随着计算机技术与网络技术的发展,网络的结构变得越来越复杂,规模越来越庞大,网络设计的难度越来越大,网络设计仿真工具的出现为人们提供了一个设计复杂网络的方法。本文先介绍了IP通信网络的拓扑结构、开放系统的模型以及数据传输过程必须考虑的一些技术问

4、题,然后介绍了利用网络设计与仿真工具Opnet进行网络设计的方式,并给出了仿真结果。2 通信网络的拓扑结构一个计算机网络中连接有多种设备,将网络中各种设备的连接策略称为网络拓扑结构(network topology),选择一种拓扑结构时要考虑设备的类型和用户的要求。常见的网络拓扑结构有公共总线型、星型、环型和组合型1。2.1 公共总线型拓扑结构公共总线拓扑结构(简称总线拓扑结构)中所有的设备通过一根总线进行通信,如图1(a)所示。如果有2个设备同时发送数据,其结果将产生一个冲突信号,公共总线拓扑结构采用CSMA/CD2(Carrier Sense Multiple Ac2cess with C

5、ollision Detection)进行冲突检测。设备通过相应的接口监听总线,如果接口判断出总线上的数据是送往他所服务的设备,他就从总线上读取数据并传给设备。同样,当一个设备需要传输数据时,其接口电路检测总线的状态,如果总线处于空闲状态,则立刻发送数据。在数据发送时继续监听总线,防止数据冲突。流行的以太网就是一种公共总线网络。2.2 星型拓扑结构图1(b)所示为星型拓扑结构,他采用集中控制的工作方式,使用一台中央计算机与网络中的其他设备通信,设备先把数据传送给中央计算机,然后中央计算机再把数据送往目标节点。在星型结构中,中央计算机一般是大型机,他可以为多台终端提供服务,如提供数据存储、运行复

6、杂程序等,但若中央计算机发生故障,将直接导致整个网络崩溃。2.3 环型拓扑结构图1(c)所示的环型拓扑结构中,设备被连接成环,每个设备只能和与他相邻节点直接通信。环型结构中数据的传输可以是单向的,也可以是双向的。单向传输指的是所有的数据传输都是同一个方向的,即同为顺时针或同为逆时针,双向是指数据可以在两个方向上进行传输。环型拓扑结构中通信管理由一个绕环传送的令牌来实现,节点只有收到令牌才能发送数据。这种结构的一个明显的缺点是如果两个节点之间要进行通信,那么这两个节点之间的所有节点都要参与传输,这些节点就要把时间浪费在为其他节点转发数据上。841总 线 与 网 络林晓鹏:基于IP协议的通信技术及

7、网络仿真设计2.4 组合拓扑结构由于大部分的数据传输是发生在局域网内部,对外访问的需求并不时常发生,因此没有必要将每一台PC都连到主干网上。常用的方法是使用环型、星型或总线型拓扑结构来构建各自的局域网,同一局域内的设备遵循各自的通信标准进行通信,如图1(d)所示,在网络中经常使用这种多种拓扑结构的组合。图1 常见的网络近拓扑结构3 网络分层模型随着网络规模的不断增大和各种不同类型的设备不断涌现,使得不同系统之间实现通信的难度不断加大,当前采用分层的结构技术来研究IP网络的通信,主要的IP网络分层模型有OSI(开放系统互连模型)七层模型和TCP/IP四层模型3。3.1OSI七层模型OSI模型是由

8、ISO(国际标准化组织)制定的七层网络模型,高层协议主要处理用户服务和各种应用请求,低层协议主要处理实际的信息传输。只要两个站点都支持OSI模型就能互相通信。从逻辑上可以认为是两个站点的对等层直接通信,而实际上每一层只与上下两层直接通信(见表1)。表1OSI各层功能序号层次 功 能7应用层提供用户服务6表示层数据格式转换,数据加密和解密等5会话层通信同步,错误恢复和事务操作等4运输层多路复用,连接管理,分组和封装等3网络层路由策略,计费信息管理等2链路层冲突检测,数据校验、组帧等1物理层数据和物理传输等3.2TCP/IP四层模型虽然OSI模型提出的分层结构思想和设计原则得到业界的一致认同,但由

9、于其过于复杂,实现起来有很大的困难,而TCP/IP采用简化的结构,在实际中获得了巨大的成功,TCP/IP采用4层结构,其功能如表2所示。表2TCP/IP各层功能序号层次 功 能4应用层各种应用程序和协议,如FTP等3运输层数据格式转换,数据加密和解密等2网络层通信同步,错误恢复和事务操作等1链路层解决网络接入4 网络中数据通信技术为了在网络中高效率、低差错、安全地传送数据,除了要考虑网络的拓扑结构,还要考虑其他方面的影响因素,如传输模式、多路复用、数据压缩、出错检测和纠正以及加密和解密等。4.1 传输模式传输模式定义了比特组合从一个设备传送到另一个设备的方式,传输模式有并行传输和串行传输。并行

10、传输采用多条线路同时传送一组比特,但如果传输距离太远,导线成本将增加,而且导线上电阻的差异,一组比特可能无法同时到达接收端,将给接收处理带来困难。因此并行传输适用于两个短距离的设备之间进行通信。串行传输只使用一条线路,逐个地传送所有的比特,在长距离连接中比并行传输可靠,但由于比特位只能逐个发送,所以其速度较慢。串行通信又可分为异步传输和同步传输2种。异步传输是将数据以组为单位发送,为了标识字符传输的开始与结束,在字符的头尾分别加入开始位和停止位,由于每个字符都有开始位和停止位,因此这个方式会大大增加网络的传输负载。同步传输的比特分组比异步传输要太的多,他不是独立地发送每个字符,而是把字符组合成

11、数据帧(简称为帧)进行发送,因此传输速度比异步传输要快的多,为了确保数据安全可靠地传输,在数据前后分别有同步位、控制位、错误检测位和帧结束位。其中控制位中可以包含有源地址、目际地址、数据字节数、用于帧重组的序列号和帧类型等信息。4.2 多路复用目前很多应用并不需要网络的全部带宽,为了提高带宽的利用率,在网络通信中采用多路复用技术。多路复用可以为多用户提供一个单一的连接,充分利用网络的带宽,从而降低每个连接的费用。常用的多路复用技术有频分多路复用(FMD)、时分多路复用(TMD)和统计复用等。4.3 数据压缩编码随着计算机与网络技术的发展,网络上的传输量越来越大,而数据通信的目标之一是更快、更低

12、成本地传送信息。其中的一种解决方法是减少发送的比特量,即对数据进行压缩编码。常用的压缩编码方法有哈夫曼编码、行程编码、Lempel-Ziv编码等。941现代电子技术2007年第16期总第255期嵌入式与单片机实际应用中要根据传输的数据类型选择适当的数据压缩方法。如在语音通信中,语音数据压缩过程和压缩算法复杂度将影响语音质量、传输时延等,因此必须从多方面进行综合考虑4。4.4 错误检测和纠错在网络通信中,不仅要求数据能传送到接收端,而且要求接收到的数据要正确、有效,当传输信息发生变化时要将他检测出来,这一过程称为检错。当检测到错误时,可以有2种处理方法。一是把错误信息丢弃,要求发送方重发信息,但

13、重发会增加时延,而且不能保证重发的信息不会再受干扰,如果误码率很高时,频繁的重发会大大增加网络的负荷;二是根据一些信息(校验码)对出错的数据进行校验,如奇偶校验、循环冗余校验(CRC)等。4.5 数据安全错误检测与纠正有助于人们获得正确的信息,另一个危险问题是信息在传输过程被非法接收。因此在网络中传输数据,还要考虑到数据的安全性问题。解决的方案是在发送数据时对数据进行加密,将其变成与原信息不同的、不可读的形式,授权接收端接收到数据后进行相应的解密。这样,数据在传输过程即使被非法截获也可以保证不会泄密。加密方法有凯撒密码、变位密码、异或比特运算、RSA算法等。5 网格通讯技术随着互联网规模的不断

14、扩展,带来了一个比较突出的矛盾,即:一些应用领域如气象模拟、地震预报、设计仿真等项目需要高性能的计算机来处理海量数据,往往所配备的计算机能力不足或超负荷工作,但同时网络中某些地方的设备资源(如超级计算机机、服务器和工作站等)的利用率很低,大部分时间处于闲置状态,网格技术5正是为了解决这一问题而提出的。网格是在现有网络资源的情况下,不需大幅度增加软硬件成本,充分挖掘网络资源的潜力,即将数据、信息、计算能力和仪器设备等资源通过互联整合成一种统一、标准、可靠的能力,为用户提供一个与地理位置和具体设备无关、集成的资源与计算环境。具有应用成本低、异构资源的动态的分布、广域共享和高度抽象等特点。网格的关键

15、技术包括资源与信息管理、数据管理、安全性等。6 网络设计与仿真工具OPNET正是由于在网络设计过程中要考虑众多的影响因素,因此网络设计的难度越来越大,OPNET6是一个功能强大的网络设计与仿真工具,可以很好地应用于网络设计。6.1OPNET软件的主要组成部分OPNET主要由4个部分组成:项目编辑器(ProjectEditor)、测试编辑器(Probe Editor)、模拟仿真工具(Simu2lation Tool)、分析工具(Analysis Tool)。6.2 用OPNET进行网络设计分析(1)单个星型网络的设计分析网络的拓朴结构、类型、尺寸大小、栅格间距、中心节点、外围工作站、链接设备类型

16、、网络中心点坐标、网络半径等参数的配置如表3所示,完成的网络结构如图2所示。图2 用OPNET实现星型网络程图表3 星型网络的配置参数 参 数 配 置Initial TopologyStartChoose Network ScaleOfficeSpecify Size100 m100 mSelect Grid Properties12.5 mSelect TechnologiesSm_Int_ModeCenter Node Model3C_SSII_1100_3300_4s_ae52_e48_ge3Periphery Node ModelSm_Int_wkstnLink Model10Base

17、TX Center and Y Center25,25Radius20通过选择测试项目,进行仿真,可以观察到其仿真结构,网络负载和网络延时的仿真结果如图3所示。图3 简单星型网络的负载仿真051总 线 与 网 络林晓鹏:基于IP协议的通信技术及网络仿真设计(2)对网络进行扩展在之前的基础上,需要对网络进行扩展,并对网络负载及网络延进进行相应的比较,扩展过程配置如表4所示。表4 扩展网络的配置Center Node Model3C_SSII_1100_3300_4s_ae52_e48_ge3Periphery Node ModelSm_Int_wkstnLink model10BaseTX:75

18、y:62.5Radius:20对扩展前后网络的负载及网络延时的比较,如图4所示,可以发现在扩展后的网络中网络负载会增加,就是由于网络上节点数的增加使得网络流量增大;而网络延时没有太大的变化,这是由于所设计的网络较简单,而且没有涉及到语音、视频等服务。其结果与实际的网络状况相符合。图4 网络扩展前后负载与延时的对比仿真在网络提供多种服务,如提供电子邮件、FTP、语音通信等多种服务,通过设置参数,可以实现相应的仿真分析。除了简单网络之外,在实验室还可以用OPNET对IPv6的网络性能进行仿真,如对移动IPv6路由性能仿真,并得到数据报在不同的IPv6路由机制下传输的网络开销,仿真模型如图5所示,仿

19、真结果见图6所示。7 结 语目前,随着网络规模越来越大,网络提供的服务类型越来越多,影响网络状况的因素越来越复杂,因此网络设计的难度越来越大。同时电子商务的发展又对网络设计提出了更高的要求。如何在最短的时间内,以最低的成本图5 移动IPv6路由性能仿真模型图6 不同的IPv6路由机制下传输时网络开销设计出最理想的网络结构,成为摆在网络设计工作者面前的一个难题,通过OPNET实现了简单星形网络及扩展进行仿真,并对结果进行分析比较,说明仿真分析对于网络设计有着重要的辅助作用,后续将针对网格的仿真开展进一步的工作。参 考 文 献1 William A.数据通信与网络教程 M.北京:机械工业出版社,2

20、000.2 Douglas E Comer.用TCP/IP进行网际互连M.北京:电子工业出版社,1998.3 W.Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 1:the Pro2tocolsM.北京:机械工业出版社,2004.4 糜正琨.IP网络电话技术 M.北京:人民邮电出版社,2000.5 Ian Foster.What is the Grid?A Three Point Checklist.6 OPNET T.7颜永红,张帆,严志康.高速网络TCP/IP减荷的研究J.现代电子技术,2005,28(22):31-33,36.8高翊宇,马林华,南秦博.基于Linux操作系统下的TCP/IP网络通信研究与应用J.现代电子技术,2006,29(18):74-76.作者简介 林晓鹏 男,讲师。主要从事网络分析和通讯技术的教学和研究工作。151现代电子技术2007年第16期总第255期嵌入式与单片机