随着Internet的快速发展，网络已经走进了人们的日常生活中，成为人类生活、工作的重要部分。尤其是在生活密集程度高的大学校园，局域网性能甚至影响着人们的生活质量。同时，为了预防社会危害，视频监控系统[1-2]得到了广泛应用，其可对重要设施和道路进行实时监控和视频采集。目前，应用在视频监控系统上多以IP视频监控系统[1]为主。另外，在校园中，网络视频课程和网络视频会议等的兴起，在局域网中增加视频业务势在必行。针对视频业务，增加单独的视频业务服务器还是在原有网络基础上增加视频业务[2]，这是本文研究的重点。局域网性能直接影响学校教育，科研工作效率，影响居民生活质量，及时了解分析测试包含视频系统的局域网性能，对于满足人们日益需求的网络速度、良好的网络环境以及采取恰当的网络安全措施等有着十分重要的意义。本文针对上述网络发展需求现状，对在现有网络服务基础上增加视频业务的网络进行建模仿真，并对扩充服务后的网络性能进行分析。

1 OPNET仿真软件的仿真机制

目前，网络仿真软件有MATLAB、NS2和OPNET，而MATLAB偏向于科学计算，NS2使用起来不方便。OPNET虽然不是免费的软件，但使用起来比较方便，便于对网络进行建模仿真。OPNET网络仿真软件是由美国的OPNET Technology公司开发的网络仿真工具[3]。OPNET Modeler是OPNET产线产品的核心，具有丰富的模型库，可以利用OPNET搭建网络仿真环境，能够分析复杂网络的性能和行为，为网络设计和优化管理等提供了参考。

OPNET Modeler采用的是三层建模仿真机制，参考文献[3]中对三层建模的叙述为进程域建模、节点域建模和网络域建模。进程模型为最底层，以有限状态机来描述协议；节点模型由相应的协议模型构成，反应设备特性；网络模型是最上层，利用节点构建反映现实网络结构的拓扑[3]。

使用OPNET Modeler进行网络仿真，一般分6个步骤[4]，分别是：配置网络拓扑，配置业务，收集结果统计量，运行仿真，调试模块再次运行仿真，发布结果和拓扑报告。

其仿真流程如图1所示，图1显示了从建立模型、运行仿真到收集最后结果。

参考文献[5]和参考文献[6]中对仿真流程步骤解释。（1）理解系统。如果不能正确地理解要模拟的系统对象，就无从建模；精确地理解系统成为整个建模的第一个环节，使用者对系统理解的精确性直接影响到所建模型的精确性。（2）理解系统仿真目的。体现了运行仿真后，仿真结果能帮助使用者解决什么样的问题。（3）选择需要建模的方面：从前面的问题中得到建模的目标。（4）定义输入和输出。输入可能是固定的，也可能是变量，研究一个系统的时候，一般保持一些变量不变，然后在一定范围内变化一两个变量，接着就是确定输出以及显示这些结果的方法。（5）确定系统模型。根据仿真软件能够提供的特性，来描述自己的系统模型。（6）确定输入和运行仿真：保持大多数变量不变，而只是变动其中一个或两个变量。（7）系统结果是否精确。结果的容错性和精确性都需要进行验证。（8）结果是否足够详细。根据需要，适当的改变部分参数。（9）结果是否统计可用。一般来说，需要重新运行仿真，使得仿真结果到达稳定状态[5-6]。

2 实际网络的拓扑建模与仿真

针对局域网的建模，应用环境为大学校园，本研究就某校园网于2008年升级改造后的网络拓扑结构为例进行仿真。该网络主干为1 000 Mb/s带宽的星形千兆以太网。网络中心核心交换机采用思科的Catalyst 6509，并以星形结构连接到办公区、教学楼、图书馆以及各个院楼等汇聚交换机4507R上。Catalyst 6509与4507R之间以及Catalyst 6509与服务器之间采用1 000 Mb/s的光纤连接，其他设备与交换机4507R之间用1 000 Mb/s双绞线连接。

OPNET的精确业务建模可以在应用层、网络层和链路层3个协议层实现。OPNET Modeler提供了8种标准应用业务和一种用户自定义应用业务模式，如表1所示[5-6]。在该局域网中，网络主要用于网页浏览，收发邮件以及FTP下载等业务，可以在应用层直接利用OPNET已经编写的业务配置标准[7]，而对于视频监控系统业务采用OPNET的视频会议标准业务配置[1]。

网络参数的配置情况如下。

（1）Application，在Application Definitions Table中列出了OPNET支持的8种标准业务类型和一种用户自定义业务类型。在图2中，本文分别在HTTP、FTP、E-mail后进行业务的详细设置[6]。

（2）Profiles，在Profile Configuration进行业务具体配置，使其支持HTTP、FTP和E-mail 3种业务。

（3）Server，在图2中的服务器中设置支持的服务类型有HTTP、FTP和E-mail。

（4）Client，在图2中的Subnet中的所有的客户端设置主询业务，此与Profiles中的配置完全吻合。

（5）在复制的场景中增加Video Conferencing这项业务，并对Application、Profiles和Server中的参数修改，在各个Subnet中增加部分具有Video Conferencing的客户端。

配置完参数以后，要选择合适的统计量来对仿真结果进行统计分析。本研究采用的网络性能指标统计量为：HTTP的平均页面响应时间（Page Response Time）、E-mail和FTP的平均下载响应时间（Download Response Time）、网络平均延迟（Delay）4个全局统计量，以及增加视频系统以后的网络中心与各个服务器之间的平均网络吞吐量（Throughput）。

3 仿真结果分析

在运行仿真时候，设置仿真时间为两小时，随机种子数[9]为128。收集到的统计量如图3所示，其中实线表示不含有视频业务（No_Video）的网络，虚线表示增加视频业务（ADD_Video）后的网络，并以Server3网络吞吐量的变化来说明问题，如图4所示。

图3中的网络性能指标变化非常小，仅为0.000 04 s~0.002 s，说明网络的实时性非常好。图7中虽然服务器的网络吞吐量变化很大从1 800升到28 000 000，但最后都趋于稳定状态，这说明整个网络能够在增加视频业务之后达到稳定。

从以上仿真分析上可以得出结论，在校园网中增加视频业务后，对E-mail、FTP和HTTP等业务的影响较小，对整个网络的延迟影响也较小。由此可以证明，增加视频业务后的网络能够正常运行，对视频业务可以进行加载，并不需要用单独的服务器提供视频业务。

本文利用OPNET Modeler网络仿真软件，对校园局域网性能指标以及增加视频业务后的性能指标分别从E-mail和FTP平均下载响应时间，HTTP平均页面响应时间，网络的平均延迟以及各个服务器的网络平均吞吐量等方面进行了比较分析，为局域网增加视频业务提供了仿真数据，有助于对现有的网络进行合理的改造，并表明此网络能够负担增加视频业务传输，满足用户需求。但同时需要注意，随着视频业务的增加，网络流媒体数据的大量并发式的访问，这就需要研究集群技术和负载均衡技术，而负载均衡算法是研究的重点，也是下一步的研究方向。

参考文献

[1] 孙丰明.基于校园网的IP视频监控系统的设计[J].计算机与现代化，2012，30（4）：110-111，115.

[2] 周全明，吴廷凤.基于OPNET的校园网络性能仿真研究[J].计算机与数字工程，2012，40（12）：60-62.

[3] 高嵩.OPNET Modeler仿真建模大解密[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4] 王峰.基于OPNET的校园网络性能的仿真与优化[J].计算机与数字工程，2011，39（3）：105-107，163.

[5] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6] 龙华.OPNET Modeler与计算机网络仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[7] 王玉兰.基于OPNET的校园网分析与设计[D].济南：山东师范大学，2008.

[8] 王文博，张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[9] 张峰，叶丽娜.基于OPNET的校园网络性能仿真[J].国外电子测量技术，2009，28（12）：35-38，42.

[10] 操惊雷，周建国，秦磊华.基于OPNET的网络压力仿真[J].计算机工程，2009，35（23）：115-117，121.

[11] 王和兴，张建波，才书训.基于OPNET的网络仿真与性能测量[J].微电子学与计算机，2005，22（11）：25-27，32.