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基于OPNET的油田混合傳輸網(wǎng)絡(luò)仿真

2009-03-19 01:59王秀芳王亞鵬
現(xiàn)代電子技術(shù) 2009年3期
關(guān)鍵詞:建模

王秀芳 王亞鵬 姜 晶

摘 要:此項(xiàng)研究主要針對(duì)大慶油田某作業(yè)區(qū)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀,對(duì)該作業(yè)區(qū)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析和規(guī)劃,在該作業(yè)區(qū)現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上擴(kuò)充無(wú)線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)的綜合,構(gòu)成一個(gè)完整的油田傳輸信息體系。同時(shí)利用OPNET MODELER仿真平臺(tái)為該作業(yè)區(qū)新建混合網(wǎng)絡(luò)建立仿真模型(網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型),分析相關(guān)模型中主要模塊的作用和工作機(jī)理,對(duì)已建立的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行仿真,在不同的參數(shù)設(shè)置下,通過(guò)對(duì)比分析時(shí)間延遲、丟包率等統(tǒng)計(jì)特性,得出數(shù)據(jù)包分組、數(shù)據(jù)率和拆分門限對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響,最終決定改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的最佳組網(wǎng)方案。

關(guān)鍵詞:傳輸網(wǎng)絡(luò);混合網(wǎng)絡(luò);建模;OPNET

中圖分類號(hào):TP393.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)03-122-05

Simulation of Oil Field Mixed Transmission Network Based on OPNET

WANG Xiufang,WANG Yapeng,JIANG Jing

(College of Electric and Information Engineering,Daqing Petroleum Institute,Daqing,163318,China)

Abstract:The study aims at the actual network status of one work section in Daqing oil field,makes a network analysis and planning for the new mixed model of this work section,expends wireless network for the work section on the basis of existing network,and conjoins wire and wireless network together to form an integrated oil field information transfer system.At the same time,using OPNET MODELER simulation flat roof to structure simulation models (network models,node models and a process model),and analyzing the functions and work mechanism of the major modules for related models,making a simulation for the structured network models,then according to the different parameters,analyzing the individual statistics comparatively such as delay,data dropped and so on,the effects of data packet,data rate and fragmentation threshold to the network performance are gained.After all these,the best structure network scheme for this improved section is determined.

Keywords:transmission network;mixed network;modeling;OPNET

0 引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,數(shù)字化已經(jīng)成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。尤其是在油田企業(yè),通過(guò)信息化建設(shè),構(gòu)建信息傳輸速度快、數(shù)據(jù)資源豐富、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣的信息運(yùn)行模式,可以全面提升油田管理水平,有效地幫助石油和天然氣企業(yè)以信息化打造全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文為了配合大慶油田“實(shí)現(xiàn)二次創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)建百年油田”,提高大慶油田信息化建設(shè)水平,充分發(fā)揮信息技術(shù)的后發(fā)優(yōu)勢(shì),特從實(shí)際出發(fā),為大慶某作業(yè)區(qū)的有線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充無(wú)線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的綜合。并在OPNET仿真平臺(tái)上構(gòu)建有線與無(wú)線相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)模型,通過(guò)仿真來(lái)對(duì)改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試,獲得數(shù)據(jù)包分組、數(shù)據(jù)率和拆分門限等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響,進(jìn)而決定最佳組網(wǎng)方案。

1 網(wǎng)絡(luò)模型介紹

該網(wǎng)絡(luò)源于大慶某作業(yè)區(qū)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積約8 100 m×4 500 m,中心交換機(jī)位于某路交叉口處,下分三條支路,每條支路總體上為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一條支路包括3個(gè)站點(diǎn),第二條支路包括6個(gè)站點(diǎn),第三條支路主要是維修隊(duì)和測(cè)試隊(duì)的位置,以上各支路中各站點(diǎn)以下均由小隊(duì)組成?,F(xiàn)出于實(shí)際需要為其中的6個(gè)站點(diǎn)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò),對(duì)有線進(jìn)行擴(kuò)充,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)的結(jié)合。這種改進(jìn)靈活性高,充分利用了現(xiàn)有的有線資源,降低了油田的建網(wǎng)成本和費(fèi)用。下面將根據(jù)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用OPNET仿真軟件建立各種模型。

2 仿真模型的建立與分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

OPNET是目前網(wǎng)絡(luò)仿真及優(yōu)化領(lǐng)域性能較好的軟件,它為解決通信網(wǎng)絡(luò)的仿真和優(yōu)化,以及高效的網(wǎng)絡(luò)管理提供了整套的解決方案。OPNET采用的是三層建模機(jī)制:最上層為網(wǎng)絡(luò)模型,反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn);其次為節(jié)點(diǎn)模型,由相應(yīng)的協(xié)議模塊構(gòu)成,反映了設(shè)備的特性;最底層為進(jìn)程模型,以狀態(tài)機(jī)的形式來(lái)描述協(xié)議,反映了協(xié)議的具體功能是如何實(shí)現(xiàn)的[1]。

結(jié)合實(shí)際,根據(jù)改進(jìn)方案,在OPNET仿真平臺(tái)上建立該作業(yè)區(qū)的混合網(wǎng)絡(luò)模型。具體模型如圖1所示。該模型覆蓋面積為9 000 m×5 000 m,其中使用的設(shè)備有2個(gè)應(yīng)用模塊[2],即Application Config(應(yīng)用配置,定義了8種最常用的業(yè)務(wù)應(yīng)用)和Profile Config(業(yè)務(wù)配置,描述一類用戶所涉及的應(yīng)用)、11個(gè)交換機(jī)Switch與各個(gè)小區(qū)相連、22個(gè)有線子網(wǎng)10BaseT_LAN,分別表示各配置站及各個(gè)采油大隊(duì)的有線局域網(wǎng)、6個(gè)無(wú)線子網(wǎng)模塊WLAN_1~6分別由6個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)AP接入有線骨干網(wǎng)、48個(gè)無(wú)線終端設(shè)備。

圖2為混合網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)無(wú)線子網(wǎng)模型,該模型采用中心協(xié)調(diào)方式(PCF),即基于由接入點(diǎn)控制的輪詢方式[3],傳輸方式為直接序列擴(kuò)頻(DSSS),并采用IEEE802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),其工作頻段為2.4~2.483 5 GHz[4],網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為300 m×300 m。在圖2中,WLAN1_router為這個(gè)子網(wǎng)的接入點(diǎn)AP[5],通過(guò)它將無(wú)線網(wǎng)接入有線骨干網(wǎng),moble_node_0~7表示該小區(qū)范圍內(nèi)的各個(gè)無(wú)線移動(dòng)終端設(shè)備,主要模擬各隊(duì)各站的采油單井及數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。其余5個(gè)無(wú)線子網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與之相似。

2.2 節(jié)點(diǎn)模型

2.2.1 有線終端節(jié)點(diǎn)模型

該網(wǎng)絡(luò)模型中主要采用的有線終端模型為10BaseT_LAN,它支持TCP/IP協(xié)議,具有四層結(jié)構(gòu),分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層。各層之間的模塊采用數(shù)據(jù)包線進(jìn)行連接。它的節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示。

該有線節(jié)點(diǎn)模型的工作流程為:在物理層(LAN Layer),每對(duì)接收模塊和發(fā)送模塊與邏輯鏈路控制模塊相連,來(lái)控制每次每個(gè)模塊的接入鏈接,當(dāng)發(fā)送模塊要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),首先通過(guò)邏輯鏈路控制模塊接入到地址解析模塊(arp)進(jìn)行地址解析,之后通過(guò)IP模塊送入ip_encap進(jìn)行IP封裝,在通過(guò)UDP檢錯(cuò)或者TCP流量控制后傳送到適配層,最后到達(dá)中央處理器的應(yīng)用模塊得到應(yīng)用業(yè)務(wù),之后再沿這一流程返回到邏輯鏈路控制模塊,通過(guò)它控制哪個(gè)接收模塊進(jìn)行接收,這樣就完成了一次業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

該模型中各模塊的具體功能:

application模塊可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)多個(gè)用戶之間在所有頁(yè)面中共享信息,以及控制訪問(wèn)應(yīng)用層數(shù)據(jù),在應(yīng)用程序的用戶之間傳遞信息。

tpal:位于應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)適配層。

udp:用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議,它提供錯(cuò)誤檢測(cè)。

tcp:提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)和流量控制。

ip_encap:IP封裝,即把上層的包封裝成IP包。

arp:地址解析協(xié)議,它負(fù)責(zé)將某個(gè)IP地址解析成對(duì)應(yīng)的MAC地址。

llm_mac:媒體接入控制的邏輯鏈路管理,它向高層提供一個(gè)或多個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)LSAP,用于同網(wǎng)絡(luò)層通信的邏輯接口[6]。

2.2.2 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)模型

本文側(cè)重分析整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo),只考慮各通信節(jié)點(diǎn)MAC層的接入和傳輸問(wèn)題,用一個(gè)源模塊(source)和一個(gè)接收模塊(sink)來(lái)模擬高層的通信情況,并且認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)具有相同的模型結(jié)構(gòu),如圖4所示。

節(jié)點(diǎn)模型的工作流程如下:source模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)分流后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)mac接口模塊接入到mac模塊,再根據(jù)mac模塊的多址協(xié)議傳送給接收模塊,完成無(wú)線終端的數(shù)據(jù)分流的傳輸。

source模塊用于產(chǎn)生不同時(shí)間間隔分布及不同大小的數(shù)據(jù)分組流。

sink模塊用于處理接收過(guò)服務(wù)的分組。

wlan_mac_intf模塊作為MAC層與高層的接口。

wire_lan_mac模塊完成各種MAC多址接入?yún)f(xié)議下分組的接入和傳輸。

wlan_port_rx0和wlan_port_tx0模塊完成物理層模型上無(wú)線信道的分組收發(fā)過(guò)程[7]。

2.3 進(jìn)程模型

作為OPNET三層建模機(jī)制的最底層,進(jìn)程模型主要用于細(xì)化節(jié)點(diǎn)模型中各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)。每個(gè)進(jìn)程都是采用VC++編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)。本文主要關(guān)注的進(jìn)程模型是MAC進(jìn)程模型。具體的進(jìn)程模型如圖5所示。

工作流程如下:在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),工作站先監(jiān)聽(tīng)信道,如果信道被占用,則不傳輸數(shù)據(jù)包。如果有2個(gè)或2個(gè)以上的移動(dòng)站同時(shí)傳輸包,則產(chǎn)生沖突,為了避免沖突,自動(dòng)進(jìn)入基于二進(jìn)制指數(shù)退避算法的退避階段,等退避后轉(zhuǎn)入到等待傳輸狀態(tài),若不需要退避則進(jìn)行幀傳輸,傳輸完成后等待響應(yīng)幀[8]。

3 仿真參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置之前,首先了解一下基本參數(shù)的含義:

數(shù)據(jù)傳輸速率:此WLAN在802.11b協(xié)議下支持的數(shù)據(jù)傳輸率有:1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s和11 Mb/s。這些數(shù)據(jù)率將模擬傳輸機(jī)和接收機(jī)處理分組的速率[9]。

拆分門限:該門限決定高層數(shù)據(jù)分組(MSDU)是否需要拆分。拆分后幀的數(shù)量是由MSDU的大小和拆分門限決定的[10]。

有線部分參數(shù)配置:

(1) 應(yīng)用配置,即對(duì)所要進(jìn)行仿真的對(duì)象進(jìn)行定義。操作流程為:

Application Configure/Edit Attributes/Application Definitions/default,即提供的應(yīng)用為默認(rèn)的8種應(yīng)用。

(2) 業(yè)務(wù)配置,即配置一類用戶所涉及的應(yīng)用,本例為文件傳輸。操作流程為:

Profile Configure/Edit Attributes/Profile Configuration/Edit/Application/File Transfer(heavy)。

(3) 配置服務(wù)器,即對(duì)服務(wù)器所需支持的服務(wù)和應(yīng)用進(jìn)行設(shè)定,在Application Configure中定義的應(yīng)用都可以選擇。操作流程為:server/Edit Attributes/Application/Application/Supported Service/All。

(4) 配置工作站,即配置工作站所支持的業(yè)務(wù),在Profile Configure中定義的業(yè)務(wù)都可以選擇。根據(jù)一般的通信業(yè)務(wù)都是兩個(gè)工作站通信的特點(diǎn),本文中工作站的配置既支持服務(wù),又支持業(yè)務(wù),還需要配置目的節(jié)點(diǎn)。操作流程為:wkstn/Edit Attributes/Application/Application Supported Profile/File Transfer(heavy)。

(5) 信道采用10Base_T的默認(rèn)設(shè)置,即:10Base_T/Edit Attributes/Back ground Load/Average packet Size/Default。

無(wú)線部分參數(shù)配置:start time為logistic(0.01,1);ON平均持續(xù)時(shí)間為constant(80);OFF平

均持續(xù)時(shí)間為constant(0);時(shí)間間隔為exp(0.02);信道帶寬1 Mb/s;信道特性DSSS。

4 網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試與分析

設(shè)置仿真時(shí)間為3 min,仿真種子為128,運(yùn)行仿真得:

(1) 數(shù)據(jù)包分組對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響:固定數(shù)據(jù)率為1 Mb/s,拆分門限為none,分別設(shè)置包分組為exp(256),exp(512),exp(1 024),仿真結(jié)果如圖6,圖7所示。

從圖6可以看出,以上三種參數(shù)設(shè)置下,網(wǎng)絡(luò)都能在幾秒鐘后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),但是當(dāng)數(shù)據(jù)包為exp(256)時(shí),無(wú)線網(wǎng)丟包率最小,約為2.5 Mb/s,當(dāng)數(shù)據(jù)包為exp(512)時(shí),丟包率最大,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能最差。從圖7可以看出,以上三種參數(shù)設(shè)置下,時(shí)間延遲均隨著時(shí)間的增加而遞增,仿真在115 s左右時(shí)開(kāi)始穩(wěn)定,最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定。但是具體來(lái)看,數(shù)據(jù)包為exp(1 024)時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲最小,約為0.001 5 s。說(shuō)明在這種設(shè)置下,設(shè)備能更快的進(jìn)行數(shù)據(jù)包交換和傳輸。網(wǎng)絡(luò)性能次之的設(shè)置是數(shù)據(jù)包exp(256),它的時(shí)間延遲為0.002 0 s,稍遜于exp(1 024)時(shí)的情況。而數(shù)據(jù)包設(shè)置為exp(512)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能有明顯的不足之處,接入到網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間很大。綜合來(lái)看,設(shè)置數(shù)據(jù)包為exp(256)時(shí)丟包率最低,時(shí)間延遲也足以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?,混合網(wǎng)絡(luò)性能較好。

(2) 數(shù)據(jù)率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響:固定數(shù)據(jù)包分組為exp(256),拆分門限為none,分別設(shè)置數(shù)據(jù)率為1 Mb/s,2 Mb/s,5.5 Mb/s,11 Mb/s,仿真結(jié)果如圖8,圖9所示。

由圖8可以看出,4種設(shè)置均能使網(wǎng)絡(luò)得到穩(wěn)定的性能,但是通過(guò)比較,數(shù)據(jù)率為1 Mb/s時(shí),無(wú)線網(wǎng)丟包率最小,隨著數(shù)據(jù)率的增加,丟包率逐漸增大。可見(jiàn)在組網(wǎng)時(shí)可以考慮較小的數(shù)據(jù)傳輸速率以降低丟包率。在圖9中,當(dāng)數(shù)據(jù)率設(shè)置為5.5 Mb/s時(shí),總體時(shí)間延遲最小,約為0.001 5 s;次之的是數(shù)據(jù)率為1 Mb/s的設(shè)置,時(shí)間延遲略大于0.001 5 s;數(shù)據(jù)率為2 Mb/s時(shí)間延遲最大,平穩(wěn)時(shí)略高于0.002 5 s。綜合來(lái)看,當(dāng)設(shè)置數(shù)據(jù)率為1 Mb/s時(shí)丟包率最低,時(shí)間延遲也足以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰梢缘玫捷^好的網(wǎng)絡(luò)性能。

(3) 拆分門限對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響:固定數(shù)據(jù)包分組為exp(256),數(shù)據(jù)率為1 Mb/s,分別設(shè)置拆分門限為none,256,1 024,仿真結(jié)果如圖10,圖11所示。

由圖10可以看出,3條仿真曲線幾乎重合,說(shuō)明三種拆分門限對(duì)無(wú)線網(wǎng)的丟包率沒(méi)有太大的影響,都能在幾秒鐘后使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),丟包率穩(wěn)定值在2.5 Mb/s左右。然而由圖11可知,當(dāng)拆分門限為none時(shí),時(shí)間延遲最小,接近0.002 0 s,隨著拆分門限的增加,混合網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲逐漸增大??梢?jiàn)在組網(wǎng)時(shí)可以不設(shè)置拆分門限或者設(shè)置256,來(lái)減小混合網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲,使網(wǎng)絡(luò)獲得更佳性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

該文利用OPNET通信仿真平臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)有線與無(wú)線相結(jié)合的混合局域網(wǎng)模型,并且在直接序列物理層特征參數(shù)下得到了網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計(jì)特性(時(shí)間延遲、丟包率等)。通過(guò)對(duì)以上統(tǒng)計(jì)特性的對(duì)比分析,可以得到以下結(jié)論:

(1) 在混合網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)數(shù)據(jù)包分組為exp(256)時(shí),網(wǎng)絡(luò)丟包率和時(shí)間延遲都比較理想,網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越。

(2) 通過(guò)對(duì)比可知,數(shù)據(jù)率的增大會(huì)導(dǎo)致丟包率也逐漸增大。綜合考慮丟包率與時(shí)間延遲對(duì)混合網(wǎng)絡(luò)的影響,可以考慮在實(shí)際的組網(wǎng)設(shè)計(jì)中設(shè)置無(wú)線網(wǎng)數(shù)據(jù)率為1 Mb/s,使整體網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)越。

(3) 此外,通過(guò)分析可得,拆分門限對(duì)無(wú)線部分的丟包率沒(méi)有太大影響,但是影響混合網(wǎng)絡(luò)總體時(shí)間延遲,因此可以在實(shí)際的組網(wǎng)設(shè)計(jì)中考慮不設(shè)置拆分門限或者設(shè)置256,此時(shí)混合網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)。綜上所述,建議在改進(jìn)的混合網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置數(shù)據(jù)包分組為exp(256),數(shù)據(jù)率為1 Mb/s,不設(shè)置拆分門限。

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作者簡(jiǎn)介 王秀芳 女,1967年出生,河北人,教授,博士。研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。

王亞鵬 女,1985年出生,黑龍江省人,在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)樾畔鬏敗?/p>

姜 晶 女,1983年出生,黑龍江省人,在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

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