计算机应用研究
APPLICATION RESEARCH OF COMPUTERS
2000　Vol.17　No.5　P.36-37，40



仿真：研究网络通讯的强力工具
克莱尔　姚文庆
摘  要  局域网是一个很复杂的系统，具有很多独立的影响整个系统效率的变量。介绍如何用计算机仿真技术来研究网络的通讯，以交换式快速以太网为例，研究问题包括：仿真时考虑的网络因素，Gpss，最后给出一个仿真实例。
关键词  交换式快速以太网   计算机离散事件仿真  性能分析  局域网
1  引言
　　在网络设计和分析中，计算机仿真是很有用处的。有关仿真技术的详细介绍可以在Law和Kelton[1]找到。人们常常需要研究一个虚拟或现实的网络系统以提高它的性能。一般首先需要建模，因为要用实际网络来研究往往是不合算的，而且影响网络的正常运行或是不可能的(不存在的网络)。当构成系统的关系足够简单时，可以用数学模型求解(例如代数方程、微分积分、概率论或其它数学方法)。但是，许多真实系统是很复杂的，以致这些系统的模型实际上是不可能用数学方法求解的。在这种情况下，数字计算机仿真可用于模拟系统性能随时间变化的情况，就像观察真实系统一样，从模拟中收集数据。仿真所产生的数据用于估计系统性能测量度。
2  交换式快速以太网
　　这篇文章以交换式快速以太网为例。交换式快速以太网(Switched Fast Ethernet (SFE))基本上是由互连交换结点和通讯线路组成的。交换结点可以是工作站(计算机)或交换机。每个工作站与交换机连接构成一个星型网络，所有的计算机与交换机是点到点连接，而且因为是双向所以不会发生冲突(在这种结构的以太网中不用CSMA/CD技术)。系统的主要元素是工作站、交换机和通讯线路。每个用户可以通过某个连接到网络的工作站进入网络。当用户要发送信息给另一个用户，它是把这些信息发送给某个原工作站，再加上目的工作站的有关信息。网络按照它所用的协议，把信息分成若干个数据包，然后传输到目的工作站。数据包一般通过一个到多个中间点(交换机)到达目的站。因为通讯时可能有多个用户发送信息，网络资源是动态地被用户使用的。网络系统复杂度的增加和用户数量的增长会引起网络分析和改进工具的需要。计算机仿真就是仿真网络的一个强有力的工具。
3  仿真技术
　　离散事件模拟的含意是动态物体按一定的顺序通过等待队列并且使用固定资源。
　　在网络系统中：动态物体(数据包)通过网络，网络的固定资源为：通讯线路、交换机和工作站。研究时用仿真技术得到拓扑结构、缓冲区大小、协议、工作细节对性能的影响。上述的数据包级模型，仅是一个例子。仿真模型可以按任意通讯细节建立，从在寄存器/公共线处理，到整个数据包的处理，或到用户级。每个任意通讯交换过程级处理到响应的网络资源细节，其模拟时间单位，一般从微秒到秒。反映网络仿真性能的指标包括：
　　数据包性能：数据包传输时间，等待时间；
　　系统性能：系统吞吐量，交换结点，缓冲区，传输线的利用率；
　　系统饱和：平均和最大缓冲区利用率。
4  仿真语言
　　离散事件仿真的有关软件，应用在通讯网络领域中有很多，可分为三类：
　　．一般用途高级语言：Fortran，C，Pascal，……
　　．一般用途离散事件语言：Gpss，Simscript，Slam，CSIM，……
　　．专用通讯模拟语言：Network II.5， BONeS，……
5  仿真模型
　　本文要仿真的系统是一个简单的由两个工作站和一个服务机组成的网络，见图1。仿真语言采用GPSS (General Purpose Simulation System)。

图1研究系统
5.1  模型介绍
　　．数据包的输入流量按ON/OFF过程进入网络的每个工作站(突发型流量)。ON/OFF过程用于描述突发型到达分布，突发型信元是由连续产生信元的ON状态和不产生信元的OFF状态之间的交换产生。ON和OFF是相互独立而服从指数分布。信元到达率，在ON期间内，也服从指数分布，其均值为“入”(Poisson分布)。
　　．数据包大小从64 bytes到1,518 bytes，服从概率分布。
　　．我们只考虑从工作站到服务机的传输包。
　　．每个工作站和交换机有队列，在队列的数据包按FCFS(First come，First Served)顺序处理。
　　．交换机内部交换时间延迟忽略。
　　．每个交换结点之间的传输线带宽为100 Mbps，长度50m。
　　．工作站1和工作站2是同一类机器。
　　我们用不同的到达率和数据包长度来研究系统的吞吐量和延迟。
　　在图2的网络模型中，每个数据包在某机(1或2)生成。如在机1生成则进入队列1，等待被传送到交换机，传输到交换机后按目的地址交换到服务机响应，而队列Q3是其等待传输线的队列(如传输线不忙，可被立刻传输到服务机)。

图2排队模型
5.2  GPSS程序实现
　　GPSS语言提供具有程序块(Block)的一个库，每个程序块由一个程序块功能名来命名，程序由一组按一定逻辑顺序排列的程序块组成，而且每个程序块配备相应的变量，提供模型的细节(简化程序)。
SIMULATE
GENERATEλon, FN$EXPO /*ON PROCESS STATION 1
LOGIC S GATE1 可以传输
TERMINATE
GENERATEλoff, FN$EXPO /*OFF PROCESS STATION 1
LOGIC R GATE1 不可以传输
TERMINATE
GENERATEλon, FN$EXPO /*ON PROCESS STATION 2
LOGIC S GATE2 可以传输
TERMINATE
GENERATEλoff, FN$EXPO /*OFF PROCESS STATION 2
LOGIC R GATE2 不可以传输
TERMINATE
GENERATEλ, FN$EXPO /*STATION 1 TRANSMITTING
GATE LS， GATE1, OFF1 当为ON时以λ为到达时间
QUEUE LINE1　间隔的输入量
SEIZE TRANSMT1
DEPART LINE1 等待传输线1不忙(到交换机)
ADVANCE FN$TRANS 在传输线1传包文
RELEASE TRANSMT1 释放线路
QUEUE LINE3　等待传输线3不忙(到服务机)
SEIZE TRANSMT3
DEPART LINE3 
ADVANCE FN$TRANS 在传输线3传包文
RELEASE TRANSMT3 
TERMINATE 1
GENERATE λ, FN$EXPO  /*STATION 2 TRANSMITTING
GATE LS GATE2, OFF2 
QUEUE LINE2　等待传输线2不忙(到交换机)
SEIZE TRANSMT2
DEPART LINE2
ADVANCE FN$TRANS 在传输线2传包文
RELEASE TRANSMT2 
QUEUE LINE3　等待传输线3不忙(到服务机)
SEIZE TRANSMT3
DEPART LINE3 
ADVANCE FN$TRANS 等待传输线3不忙(到服务机)
RELEASE TRANSMT3 
TERMINATE 1
OFF1 TERMINATE 当为OFF时，处理掉包文
OFF2 TERMINATE
START Npack Npack模拟总包文数
END
6  结果分析
　　通过不同曲线来演示不同模拟运行的结果。它们分别是包文可变长度的快速以太网络，固定长度为64 bytes和固定长度为1,518bytes。我们最后用这些曲线来分析和比较系统的性能。本文只给出几个典型的曲线例子。图3和图4指出输入流量和延迟的关系，结果与排队论分析得到的结果一致。当输入流量增大，延迟随之增加，延迟也随包文增大而增加。图5和图6，当输入流量增加，吞吐量也随之增加。对一个固定的输入量，吞吐量随包文的增大而增加。这里所说的吞吐量是传输线的吞吐量。传输线1表示从工作站到交换机的那一段传输线，而传输线2表示从交换机到服务机的那一段。图7和图8，当输入流量增加时，每个队列的长度要增加，这表示对缓冲区大小的要求也增加，结果说明输入流量增加，传输线更忙(吞吐量增加)，进而引起包文传输的冲突，因此增加包文延迟和队列长度。图9和图10分别表示快速以太网包文长度可变和包文长度固定为1,518的吞吐量-延迟关系曲线。这些图表示出包文大的吞吐量-延迟关系曲线最好，可是包文大的系统带来的延迟也大，队列缓冲区的要求更高。

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10
7  总结
　　本文利用离散事件模拟技术来研究分析某个系统的性能，并给出GPSS仿真的一个实例来演示用仿真方法研究一个系统。通过改变快速以太网的输入流量大小和包文长度大小来研究网络性能，所得的结果与排队论数学分析结果一样。用GPSS模拟既方便，又直观，是研究网络系统的有效方法。
克莱尔(天津大学电子与信息学院  天津 300072)
姚文庆(天津大学电子与信息学院  天津 300072)
参考文献
1，Averill M.Law, W.David Kelton, Simulation Modeling and Analysis. McGraw-Hill International editions, second edition, 1991
2，姚文庆. 离散系统仿真. 天津大学计算机工程与科学系, 1996
3，Liam B.Quinn, Richard G.Russell, Fast Ethernet, Wiley Publication, 1997
4，Paul F. Roth, Mohammad Ilyas, H.T.Mouftah, Simulation: a Powerful Tool for Prototyping Telecommunications Networks, Simulation 1992.2, p78～82
5，M.S. Obaidat, A Preformance Study of the Ethernet and Token Bus Local Computer Networks, Simulation, June 1995, p381～397
收稿日期：1999-12-6
