计算机网络仿真研究

计算机网络仿真研究（精选十篇）

计算机网络仿真研究 篇1

在云计算环境下用户的服务需求各不相同,可能会导致为某些用户分配服务器的资源不足,或是分配过多的服务器资源给某些用户。如何科学的对虚拟资源进行调度是一个非常重要的课题[1]。

云计算需要满足不同用户在不同时间点的服务请求,这些请求有着不同的配置、部署条件和服务资源数量。多维因素的影响下,在实际的云计算数据中心中配置不同参数进行测试是不现实的。因此,使用模拟工具作为实验环境来进行虚拟资源仿真实验来评估虚拟资源调度算法,既可以考察算法所得的结果,也可以测试不同规模数据中心的运行效果。

在CloudSim的基础上设计了CloudSim+,改进CloudSim的核心模块以增强功能和提升模拟效率,优化事件和实体管理机制让云计算仿真平台更符合真实的云计算环境。

1 CloudSim仿真平台

CloudSim是由墨尔本大学CLOUDS(Cloud Computing and Distributed Systems)实验室所开发的一个基于离散事件的云计算仿真平台,使用自带的离散事件模拟链接库来进行事件处理和内部实体消息传送[2,3,4]。

1.1 CloudSim的结构

CloudSim的主要类结构如图1所示。

图1中说明了CloudSim平台进行云计算仿真的主要类结构。在仿真的过程中主要实体类有Datacenter和DatacenterBroker,两者通过CloudSim核心模块来发送离散事件。Datacenter表示模拟的数据中心实体,可以在创建Datacenter时进行自定义设置,并针对不同的设置要求来定义DatacenterCharacteristics和VmAllocationPolicy。前者表示着该数据中心的相关配置,如HOST的系统资源配置以及相关的运行成本,后者表示该数据中心如何配置VM的资源分配策略,VmAllocationPolicySimple是其实例。DatacenterBroker表示模拟的用户实体,负责发送需要运行的VM和Cloudlet给Datacenter。

VM作为运行Cloudlet的依据,需要执行不同类型、不同时间需求以及不同系统资源要求的Cloudlet,而VM中的CloudletScheduler作为一个抽象类,既包括了VM运行Cloudlet的方法,同时也记录了CloudSim中Cloudlet的运行时间。CloudletSpaceShared表示Cloudlet依次使用VM中vCPU的计算资源,而CloudletTimeshared表示Cloudlet平均分配使用VM中vCPU的计算资源。

VM在HOST上运行的方式也有相同的抽象类VmScheduler。VmSpaceShared和VmTimeshared的分别代表着VM依次使用HOST的CPU计算资源或是平均分配使用HOST的CPU计算资源。而RamProvisioner和BwProvisioner是HOST在配置VM时的物理内存和网络带宽分配的抽象类,RamProvisionerSimple和BwProvisionerSimple作为两者的实例。两者都只允许VM使用预先配置的内存容量和网络带宽资源,受到了HOST已分配的资源限制。

1.2 CloudSim的仿真过程

CloudSim是通过创建SimEntity来进行仿真的,例如Datacenter在设定的时间点更新自身的状态,Datacenter接受来自DatacenterBroker发送的服务请求等[5,6]。其仿真过程如图2所示。

在CloudSim的类库中,CloudInformationService继承自SimEntity的子类,负责管理和处理CloudSim中所有的SimEntity信息。仿真开始时,每个Datacenter向CloudInformationService注册。从而向DatacenterBroker提供所有参与仿真的Datacenter信息。DatacenterBroker是云计算的用户,主要向Datacenter提出VM以及Cloudlet的需求。DatacenterBroker根据CloudInformationService返回的详细的信息来决定使用哪一个Datacenter来满足应用。CloudSim默认使用第一个注册的Datacenter作为请求服务的对象。接着,DatacenterBroker送出其需求的资源特性、数量等的事件让Datacenter决定该如何分配VM到HOST上运行,此部分的部署方式则根据用户所使用的资源分配策略VmAllocationPolicy来决定。然后DatacenterBroker部署所要运行的Cloudlet到已经启动的VM上运行。Datacenter更新自己的运行状态来判断Cloudlet是否执行完毕,若完毕,则Datacenter返回Cloudlet的运行结果给DatacenterBroker。如果所有的Cloudlet都已经执行完毕,则DatacenterBroker向Datacenter发送请求来销毁其使用的VM。

1.3 CloudSim的缺陷

CloudSim在设计和运行上满足了云计算仿真环境的基本需求,例如数据中心和用户间的业务过程等。但是在实际运行中存在缺陷,使得C1oudSim无法完全的满足云计算仿真平台的需求[7]。

(1)作为云计算提供商,面对的是不同用户在不同时间的服务请求。这点需要在仿真平台上有所体现。CloudSim仿真工具所有的SimEntity是同时运行的,所有的创建的Datacenter和DatacenterBroker必须在模拟开始的时候同时启动。这样则无法DatacenterBroker在不同的时间点向Datacenter发送的服务请求。虽然CloudSim可以让仿真过程中动态增加的SimEntity在不同的时间点启动,但和实际的环境相差甚远。

(2)CloudSim的系统资源利用率和运行效率低,云计算仿真环境,需要在各种不同情况下的进行实验,例如同一时刻有大量的服务请求或者是有长期使用的请求。怎么在多种情况下保持仿真平台的运行效率非常重要,CloudSim在这上面就显得不足。例如CloudSim电量消耗包中的参数PowerHost和PowerVm会在仿真过程中自动记录下所有的状态信息,虽然每次HOST的记录信息只有24 bytes(记录项目有时间、需求的CPU频率以及实际的CPU频率)。但是如果仿真中有1 000台主机,有2 000个服务请求,光是记录信息就需要24×1 000×2 000=48 MB。这些信息不一定有用,但是记录的过程会占用系统资源并影响运行速度。

CloudSim使用的是Discrete Event simulation模式,其时间复杂度与事件和需要更新的SimEntity数量有直接的联系。假设在CloudSim的仿真过程中有x个数据中心,每个数据中心有y台HOST,有z个用户发送服务请求,平均每个用户有n个VM需求。CloudSim的仿真应用自平衡二叉查找树算法(Self Balanced Binary Search Tree)中红黑树的思想,删除、插入元素的时间复杂度为O(lgn),仿真过程中的事件最多有xz(用户向不同的Datacenter进行查询)+4zn(VM的创建和销毁)+zn(Datacenter的更新事件所占时间)=z(x+5n)。事件管理的时间复杂度为O{z(x+5n)lg[z(x+5n)]}。假设虚拟资源调度算法时间复杂度为O(t),则仿真过程中虚拟资源配置的时间复杂度为O(zt)。仿真过程中需要更新的SimEntity数量,最坏情况下所有实体都会查询到,其时间复杂度为O[z(x+5n)+(x+z)],仿真中的Datacenter更新频率根据HOST的数量而定,其时间复杂度为O(ynz)。因此CloudSim进行仿真的总时间复杂度为:O{z(x+5n)lg[z(x+5n)]+ zt+ z(x+5n)(x+z)+ ynz},可见事件和实体的数量对运行时间影响很大。

2 虚拟资源调度算法

将虚拟资源调度问题看作成装箱问题(Bin-packing Problem)的变种:假如有n个HOST,每个HOST的可用系统资源大小分别是H1,H2,…,Hn,现有k个VM,它们的大小分别是V1,V2,…,Vk。将k个VM运行在n个HOST上,要求所使用的HOST数量最小。该类问题已被证明是NP-hard,通常使用一些Heuristic Algorithm来处理,如首次适应算法(FirstFit)[8,9]。

FirstFit算法过程如下:

①将V1的要求从H1开始查询是否能被满足。如果不能,则依次查询H2,H3,…,直到该VM的要求被Hj满足,则将该VM部署到此HOST上;

②由H1开始查询是否有下一个Vi的要求能被满足;

③循环往复直到将所有VM要求使用此方式来查询被分配到的HOST。如果无法查询到合适该VM要求的HOST,则此次调度失败。

3 CloudSim+的设计与实现

CloudSim+从C1oudSim的基础上改进所得。为了满足云计算仿真平台的要求,对CloudSim的类库以及功能作了二次开发。

3.1 CloudSim+的结构设计

在CloudSim的基础上来设计仿真平台,在CloudSim核心模块新增了一个新类:等待队列(Holding Queue),在VM模块上的应用程序Cloudlet设计了状态读取功能(Loading Characteristics)。CloudSim+的类结构设计如图3所示。

HoldingQueue:该实体类继承至SimEntity,其主要功能是传递DatacenterBroker的服务请求以及根据目前所有的Datacenter可用系统资源来预先判断是否可以接受DatacenterBroker的服务请求。HoldingQueue的作用是当DatacenterBroker的资源需求大于Datacenter的可用资源,Datacenter就拒绝该DatacenterBroker的VM请求。

GiveCharacteristics:在HOST上的VM所运行的Cloudlet也必须有对应的系统资源占用量,GiveCharacteristics的作用则用来获得Cloudlet的运行状态。

3.2 CloudSim+的仿真过程设计

CloudSim+的仿真过程主要由四类SimEntity组成:CloudInformationService、HoldingQueue、Datacenter以及DatacenterBroker。其详细过程如图4所示。

①CloudInformationService接收来自Datacenter发出注册请求,并记录其对应的ID以便查询可用的系统资源;

②HoldingQueue接收来自DatacenterBroker的服务请求,并通过CloudInformationService来查询已经注册Datacenter的可用系统资源信息,如果满足服务需求资源则将结果发回至DatacenterBroker,否则拒绝该请求并返回错误信息;

③DatacenterBroker向Datacenter发送创建VM的指令,Datacenter利用预先定义的VmAllocationPolicy来部署VM并运行在HOST上,如果有任意一个VM没有被正确部署,则拒绝该DatacenterBroker的服务请求并返回错误信息;

④DatacenterBroker将Cloudlet任务发送到VM上运行;

⑤Datacenter判断VM上的Cloudlet是否运行完成,如果完成则将所得结果返回给DatacenterBroker,否则重复该步骤;

⑥当Cloudlet都正确运行完毕,DatacenterBroker向Datacenter发送销毁指令,撤销由其创建的所有VM,并且标注该DatacenterBroker不再参与之后的仿真过程。

3.3 CloudSim+的新特性

3.3.1 改进SimEntity启动模式

CloudSim+设计了一个新的仿真功能来让任意的SimEntity(如DatacenterBroker或是Datacenter)可以自由设定启动时间,并且不会导致该SimEntity无法正确启动。其主要代码如下:

CloudSim+在的CloudSimEntity. java中新增了一个构造函数,其中新加的参数start-time是仿真时的启动时间。改进所有继承自CloudSimEntity的startEntity()方法,让模拟的实体可以在设定的时间启动。从而让CloudSim+的用户可以模拟出不同时间点发送的服务请求,当start_time设置0时效果和CloudSim相同。

3.3.2 改进运行效率

CloudSim+设计了新的模块LISTSELF,仿真平台用户可以自己配置是否自动记录下运行过程中某些特定的信息,例如每个HOST或VM的历史使用情况等。从而有效的降低CloudSim+在仿真运行过程中系统资源的使用率。

在CloudSim+的设计上,特别对模拟事件和SimEntity的管理进行了优化改进,从而提升仿真平台的运行效率。CloudSim+改进了仿真事件的管理,引入compare()函数进行排序。主要思路是,在compare()中将在同一时间进行更新的Datacenter事件看作为同一事件并返回值0,从而减少进入等待队列的事件数量。使假设减少后的Datacenter事件为S,S≤n×z,所以事件管理的时间复杂度为O(y*S)。CloudSim+改进了SimEntity的管理,CloudSim保留了SimEntity的状态配置项,但却没有对具体的定义SimEntity状态,在CloudSim+加以改进。DatacenterBroker的请求运行完毕或者资源无法满足时则将该实体标注为FIN状态,在后续仿真过程中不再进行更新;如果启动时间还没到的SimEntity,则标注为WAIT状态在后续仿真过程中需要更新。假设同一时间进行更新的SimEntity数量为G,G≤(x+z)。因此CloudSim+进行仿真的总时间复杂度为:O(z(x+5n)lg(z(x+5n))+ zt+ z(x+5n)G+ yS),有效的降低了仿真的运行时间。

4 实验与分析

在相同配置的物理机器上,运行两个仿真平台并使用相同的虚拟资源调度算法进行实验,分析所得的结果。

4.1 实验环境

实验过程中所使用的测试资料来自Parallel Workloads Archive(http://www.cs.huji.ac.il/la-

bs/parallel/workload/)提供的Log文档,选用的Log来自捷克共和国国家电网的MetaCentrum在2009年1月至2009年5月的操作记录,log的格式为SWF(Standard Workload Format)[10]。对测试资料做如下定义:

将Log文档中的一行资源定义为一个用户发送的服务请求,Job Number:用户编号;Submit Time:用户请求服务的启动时间;Run Time:用户需求服务的运行时间;Number of Allocated Processors:用户对VM的需求数量;Requested Memory:用户需求的VM拥有的内存容量;Requested Disk:用户需求的VM拥有的硬盘容量。

在CloudSim+定义用户发送服务需求中有任意一个VM没有被分配HOST时,则拒绝该用户的所有的VM请求并销毁该用户之前所有已经创建的VM,不让该用户再进入等待队列。仿真的Datacenter有2 096台HOST,其中每台HOST有4颗vCPU、8 G内存、100 G硬盘,接入带宽为1 G。

仿真平台所在主机配置为Fedora 18 64位操作系统、Java SE 6 Update 43、CPU为Intel Xeon X5650 2.66 GHz(两颗)、内存容量为48 GB 1 333 MHz、硬盘容量为3 TB。

4.2 仿真实验与分析

对CloudSim+和C1oudSim的仿真进行虚拟资源调度实验,采用的算法为FirstFit,请求服务为100,500,1 000,2 000,4 000次,仿真运行的实验结果如图5所示。

从图5可知使用CloudSim进行仿真的过程中随着实验规模的增大而导致效率低下以及资源占用率高,有着运行时间长、使用内存多和CPU利用率高等缺点,这是因为很多仿真无用的事件和实体增加了系统开销。CloudSim+经过优化后,使用改进的事件管理和实体管理机制来除去不必要的操作,使得仿真运行时间和系统资源占用率大幅得到改善。

5 结论

本文在CloudSim工具的基础上设计了一个仿真平台CloudSim+,通过改进仿真工具的事件管理和实体管理机制进行优化,增强了仿真的功能。在同样的环境下, 使用两个工具作为来运行虚拟资源调度(首次适应算法)实验来进行评估,CloudSim+具有可以模拟不同用户在不同时间发送服务请求、节省运行时间、降低内存使用量和CPU利用率等新特性,使得仿真平台更为接近真实的云计算环境,具有较高的实用性。下一步研究工作是将该仿真平台图形界面化,以方便仿真用户的使用。

参考文献

[1]Mell J,Grance T.The NIST definition of cloud computing.2011—10—20.http://csrc.nist.gov/publications/drafts/800—145/Draft-SP—800—145_cloud-definition.pdf2013—1—20

[2]CloudSim使用文档.http://www.cloudbus.org/cloudsim2012—9—20/2013—1—20

[3]Calheiros R N,Ranjan R,Beloglazov A,et al.CloudSim:a toolkit for modeling and simulation of cloud computing environments and evalua-tion of resource provisioning algorithms.Software:Practice and Experi-ence(SPE),2011;41(1):23—50

[4]Virtualization&Cloud Computing.http://www.vmware.com/solu-tions/cloud-computing/index.html2012—6—22/2013—1—20

[5]CloudSim:A Toolkit for Modeling and Simulation of Cloud Computing Environments and Evaluation of Resource Provisioning Algorithms.http://code.google.com/p/cloudsim/(2011—01—19)[2012—11—25]

[6]Garg S K,Buyya R.NetworkCloudSim:modelling parallel applications in cloud simulations.Proceedings of the4th IEEE/ACM International Conference on Utility and Cloud Computing,Melbourne,Australia,December:2011:5—7

[7]Zhong Hai,Tao Kun,Zhang Xue-jie.An approach to optimized re-source scheduling algorithm for open-source cloud systems.In:China-Grid Conference,Fifth Annual:2010:124—129

[8]姚婧,何聚厚.基于自适应蜂群算法的云计算负载平衡机制.计算机研究,2012;32(09):2448—2450

[9]Karaboga D,Basturk B.On the performance of artificial bee colony(ABC)algorithm.Applied Soft Computing,2008;8(1):687—697

计算机仿真模拟教学研究论文 篇2

一、计算机仿真模拟教学的目的与特点

利用计算机软件进行仿真模拟教学的目的是通过软件技术，将企业的经营活动进行高度的提炼，通过模拟经营环境，使学生在接近真实的情境下，体验如何在竞争的环境下进行企业各项决策，学生可以在亲自动手的实践中巩固已学知识、探索如何解决管理上的难题与困境、锻炼综合运用知识的能力、提高自身的综合素质。在竞争模拟中，学生们将组建不同的管理团队进行公司运营，在激烈的市场竞争中尽可能实现公司价值最大化。而团队成员将分别担任CEO，COO，总经理、营销经理、研发经理、生产经理，财务经理、人力资源管理经理等不同的角色，做出相应的战略决策，尽量使公司在变幻莫测和竞争激烈的市场中得以生存和发展。管理团队必须结合不断变化的宏观经济环境、各公司的竞争地位以及本企业的各部门之间的协同作用，辅以各种数据模型，制定出自己公司的竞争战略并按规定的时间提交决策单。通过软件对各企业的决策数据进行汇总，依据模拟的市场环境和需求决定各企业的主要经营指标，并且按照加权平均计算出各企业的模拟结果。然后，各企业再根据当下的状况，做出下一轮次的决策，直到整个模拟的周期结束。一般做一期演练需要一个小时，而一般地一个较为完整的模拟过程则需要9期。教师与学生在仿真模拟教学中，角色发生转换，一改以往传统授课方式中学生被动充当“听众”，把教学活动从关注“教”转向关注“学”;老师则在模拟实验中充当“导演”的角色，只起组织、指导的作用，强调学习的主体是学生，学生要成为“roleplayers”，自主地在模拟竞争情景下进行各项活动，要让学生在实践中学习知识，应用知识，并提升能力。

二、计算机仿真模拟教学的教学策略

与任何教学一样，计算机仿真模拟教学也必须在一定的指导原则下充分准备、精心设计、灵活开展;并且相对传统教学而言，由于计算机仿真模拟教学的活动更丰富、学习主体之个体差异性表现更为明显，因此，在进行模拟实验时，教师还应当注意设计与传统教学相区别的教学策略。

(一)以亲历体验为手段，着重让学生掌握工商管理中的“意会性知识”

工商管理本科生在其四年的学习过程中，应当建立起由传统教学方法和现代教学方法等多种方式组合而成的学习立方体。其中传统教学方法，即由课堂讲授、课外作业、考试三者构成，这是一种“代理式”学习方法，适合于“言传性知识”的传授。现代教学方法主要包括案例教学、毕业设计、经营模拟等“亲验式”学习方法，适合于“意会性知识”的掌握。计算机仿真模拟教学是相关专业教学的手段之一，虽有它的实际意义，但并不能完全代替基本理论的学习。如果参加模拟仿真竞争的学生缺乏最基本的知识，不懂得如何计算成本、利润、纳税等，所做的决策只是空凭感觉，随意性太强，这样势必难以实现教学之目的。因此，模拟仿真应当也建议在基本的课程(如生产运作管理、市场营销、财务管理、人力资源管理等)的学习结束后进行，既可以在比较综合的课上使用，也可以单独设置实训课程。众所周知，管理决策既是一门科学也是一种艺术，管理的层次越高，决策中的艺术性就越高;决策层次越低，决策的科学性就越强。通过仿真模拟教学加深对各学科基础知识的理解，教师在重视决策科学性训练的同时，也应培养学生们纵观全局和高瞻远瞩的能力。选择的模拟决策层面通常包括各个专业主要课程相关内容，如生产运作管理、市场营销、财务管理、人力资源管理、战略管理、目标管理、沟通管理、运筹学、统计学、博弈论等。而与现代教学方式中广泛运用的案例教学比较起来，计算机仿真模拟教学的对抗性更强，参与者的积极性更高，所设计的知识更全面，是以动态方式进行的案例分析。让学生站在企业最高决策的位置上来分析、处理所要面对的各项问题，亲身体验企业决策中的“甜酸苦辣”等滋味，使学生深刻领悟作为管理者所应掌握的硬功夫和软功夫。通过对一系列动态实际情境连续不断的分析与决策来获得知识，并且取得及时的反馈，这正是模拟实验相对于其他教学手段所独有的特点。

(二)以学生为主体，设计符合学生认知规律的教学方案

实践性的学习不再是以教师为中心，而是由学生发挥主观能动性，自由地选择团队成员、自主地确定模拟仿真内容、自发地学习相关知识以解决所遇上的难题。在设计教学环节时，要循序渐进，首先让学生掌握基本的操作规律和决策规则;在之后的实践过程中要穿针引线，深入讲解，启发学生动手动脑，在仿真模拟教学中运用基本知识和分析方法。模拟实验结束后要求学生进行总结，口头发表演讲并提交书面报告。在运用软件进行教学时，教师可以根据课时安排数轮比赛。在介绍了软件的基本操作和一般规则之后，可以开展热身赛，学生需要提交前期决策，旨在让学生尽可能快速熟悉竞争规则，掌握各项职能之间的分工与配合。热身赛结束后，教师要带领学生总结并进一步使学生深入掌握各项规则背后所隐含的管理学原理和知识。在此基础上，学生们进行9期的正式竞赛，以比赛的方法考察学生综合运用知识的能力和战略决策水平。各轮比赛之间，教师应该注意穿插讲解，点评反馈，要适时启发学生带着问题主动学习，在模拟仿真中不断通过想办法解决问题的方法加深自己对相关知识的理解。当模拟进行到一定阶段，就可以适当引入统计方法，利用Excel、SPSS……等计算机统计软件进行预测。除了此项模型，还可以对生产排班、财务控制等问题建模以辅助决策。当学生们掌握了这些技术并用于改进之前的决策时，他们将更能体会到所学知识的实际用途，“做中学”的.方式会将容易遗忘的书本知识转化为难以磨灭的技能。

(三)以提高学生各项管理技能为目标，采用多元化的方式进行考核

利用计算机模拟企业经营管理的教学目的是多层次的，包括上述对管理学科理论知识的实际运用之外，还将提高学生的团队协作能力和领导能力。因此，设计课程考核方式时，应当综合课程自身的特征与大纲要求，建立以基础概念、基本理论、基本技能为根本，以复合运用能力为重点，以竞争成果为参照的综合考察体系，注重考评方式的多样化和考评指标的规范化，以保持对学生学习成绩和教师教学效果检验的客观性和公正性。企业竞争模拟软件可以作为管理学、企业战略管理等课程的实践环节展开，也可以针对高职大专高年级学生、本科生，甚至是硕士生和企业员工独立设课。作为一门单独的课程，学生最终的成绩评定可以由以下三部分构成：1.企业竞争模拟竞赛成绩，占本课程总成绩的20%。2.企业竞争模拟总结演讲，占本课程总成绩的40%;要求学生以小组为单位发表不超过10分钟的演讲，并回答其他学员和老师的提问。老师将根据小组演讲的内容、回答提问以及现场演讲的表现对学生进行综合评价。3.企业竞争模拟书面报告，占本课程总成绩的40%;要求学生以小组为单位提交不少于3000字的报告，内容应当包括本企业在模拟中的总体战略思路、各职能部门制定决策的情况、模拟过程中遇到的问题和解决方案、学习心得体会、团队合作中的经验以及对软件和教学的意见与建议等等方面。

三、小结

网络性能测试仿真方法研究 篇3

摘要：网络测试有利于提高网络的运行效率和安全性，要对网络性能进行定量的研究，必须指定适当的性能标准。信息流平台要描述这样的应用系统，就必须能够确切、完整地描述它的网络环境和网络信息流，信息流生成工具能够自动生成应用系统的网络信息流，并使信息流在网络上流动起来。

关键词：网络测试；信息流；仿真软件平台

1引言

网络测试是进行网络管理的有效辅助手段，有利于提高网络的运行效率和安全性。网络测试与网络协议的分层有关，网络协议的分层监护了网络协议内部与外部的关系，也为网络测试提供了方便。

TCP/IP模型不包括其基础的硬件，分为4层：链路接口层、网络层、传输层和应用层，而应用层传递的数据依赖于应用层对网络的使用方式。应用层测试分为功能测试和性能测试，本文重点就是应用层的性能测试方法研究。

2通信网络性能分析

要对网络性能进行定量的研究，必须指定适当的性能标准。对于管理者和用户来说，评价信息网络性能好坏的技术指标包括网络吞吐量、信道容量、链路利用率、节点利用率、系统的平均响应时间、包延迟时间、丢包率和可靠性等。对于特定的网络来说，各项性能指标都折衷的方案并不一定能为用户提供最好的服务。因此在网络性能研究中，是否选取了合理的性能指标参数，是评价与实际相符的一个关键因素。本文模拟的网络信息流是基于系统的应用层。

3设计概述

3．1设计理论

网络系统的计算机仿真是利用计算机对所研究的系统结构、系统功能和系统行为进行动态模仿，即通过计算机程序的运行来模拟网络的动态工作过程。在与真实系统相同或相似的物理设备上，模拟与真实系统相同的网络信息流，并使信息流在网络上流动，再配合专用的设备，监控和测试网络的性能以达到评估网络设计的目的。这样简化的应用系统完全可以体现真实应用系统的网络特性，它是由一个与真实系统相同的网络结构和简化了的信息流组成的应用系统。信息流平台要描述这样的应用系统，就必须能够确切、完整地描述它的网络环境和网络信息流，做到这一点的前提是：找出网络构成和网络信息流的特征要素，把他们抽象化、规范化，最终设计相应的数据结构保存。仿真运行时，读取这些数据，做运行参数的设置，即可以使信息流在网络上流动起来。这就是信息流模型的概念。使用“通用软件生成法”进行信息流仿真，就必须具有一个科学的信息流模型。

3．2网络信息流仿真软件生成工具

信息流生成工具是一个基于以太网的专门用于应用系统网络级信息流的仿真软件平台，配合半物理环境使用的工具。能够自动生成应用系统的网络信息流，并使信息流在网络上流动起来，具有专用的测试接口和强大的数据分析系统，能够监视网络传输技术，并能进行各种有效的分析，给出量化的结果，如图1所示。无论应用系统有几个节点都运行本程序，由本程序读取数据库中用户设计的参数，生成本节点特有的信息流，完成仿真目的。

数据存储服务器：保存模型数据和仿真结果数据；设计模拟数据，将其存放入数据存储服务器中。

Linux用户仿真终端：模拟Linux类型操作系统的用户节点的网络信息流；与数据服务器建立接口，在用户终端有效读取数据库内容，从数据库中读入所有与本节点有关的报文，加以分析，做相应的初始化设定，完成本节点信息流的网上流动。

监测系统：监测网络信息流，形成统计数据。

3．3测试系统实现技术

测试系统采用Client/Server结构。网络通讯的发起方为Client，接受方为Server。接受方在测试系统启动后常驻内存，监视网上变化，一旦发现有报文到达，即进行处理，需要时返回结果。发起方在需要通信时向网络中的指定端口发送报文并接收处理结果。

该工具对系统中各方位的软件运行情况及网络状态、网络流量、网络延迟情况进行测试，并完成局域网报文的发送与接收的监测和模拟。其具体功能有：

报文监测：监测网络中传递的应用层报文，显示检测结果。

统计：统计计算在指定时间内的网络流量、网络吞吐量和网络利用率。

报文接收：接收网络上发送的报文，进行一定的数据分析，存盘处理。

网络延迟测试：向指定地址发送测试报文，并接收应答，计算其时间并显示。

4结束语

信息流生成工具完成后，将形成一个独立平台，能够支持具有各种真实应用背景的网络系统、综合电子信息系统和其他使用网络的应用系统进行网络仿真，并在该平台上测试得出网络传输的定量数据。

计算机定时电路仿真的研究 篇4

系统仿真为一些复杂系统创造了一种计算机实验环境, 使系统的未来性能测度和长期动态特性, 能在相对极短的时间内在计算机上得到实现。它通过对所研究系统的认识和了解, 抽取其中的基本要素的关键参数, 建立与现实系统相对应的仿真模型, 经过模型的确认和仿真程序的验证, 在仿真试验设计的基础上, 对该模型进行仿真试验, 以模拟系统的运行过程, 观察系统状态变量随时间变化的动态规律性, 并通过数据采集和统计分析, 得到被仿真系统参数的统计特性, 据此推断和估计系统的真实参数和性能测度, 为决策提供辅助依据[1]。

近年来, 随着计算机硬件性能的不断提升和计算机软件技术的飞速发展, 利用计算机进行实验系统仿真成为一种国际潮流, 国内也逐步开始了这一方面的工作。目前在自动控制、通信等方面的课程已经有相当一部分的实验内容通过仿真实验来实现, 但是在计算机硬件方面的实验仿真相对不足[2], 为此, 通过《计算机硬件实验仿真环境的实现》课题的研究, 实现了一个计算机硬件电路实验环境的仿真, 获得教学成果二等奖。

1 定时器任务的功能模块

操作系统本身提供了定时器功能调用, 但是这些功能调用往往不能满足应用系统对定时器的要求, 因此在应用系统中创建一个独立的定时器用于管理任务是非常必要的。如图1所示, 定时器任务主要包括两部分:定时器处理任务和为其它任务提供的操作定时器的接口。定时器处理任务在每次触发后, 根据存储的数据, 检查并发送时超通知。定时器接口是其它任务进行定时器操作的接口。在某些系统的设计中, 采用向定时器任务发送消息的方式来操作定时器。

2 定时器/计数器的仿真

由于Matlab的强大功能, 目前的控制技术研究大都利用Matlab/Simulink进行控制规律的设计、开发。控制理论的教学实验也要利用Matlab软件对控制系统进行仿真分析。Siumlink是MATLAB的一个共生产品, 具有相对独立的功能和使用方法, 可用作建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境, 通过Simulink提供的丰富模块资源和工具箱资源, 用户很方便地建立了仿真模型。在利用MATLAB中的有关工具箱进行的模糊控制系统仿真研究中, 系统的建立通常是利用其提供的模糊仿真模块。虽然它比较直观, 但仿真过程缓慢, 且结构复杂, 不易修改[3]。本文提出了利用Simulink实现计算机定时电路仿真的一种方法。利用Simulink的模块库中的现有模块, 对这些模块进行修改、重新封装, 构建所需要的电路, 一方面简化了数字仿真过程, 另一方面又扩展了Simulink的应用领域。

2.1 定时器/计数器的仿真原理

微型机应用系统中, 常常会遇见定时、计数问题, 可编程定时器/计数器芯片就是用软、硬技术相结合的方法实现定时和计数控制, 通过编程设定和提供不同时间长度的脉冲, 并可以灵活改变脉冲频率或时间常数等, 以实现定时和计数控制。不同的电路有不同的内部结构和工作模式。以Intel 8253为例, 其内部有3个计数器, 每个计数器通过3个引脚和外部联系。每个计数器内部有1个8位的控制寄存器CR、1个16位的计数初值寄存器CR、1个计数执行部件CE和1个输出锁存器OL。

Intel 8253执行部件实际上是一个16位的减法器, 它的起始值就是初值寄存器的值, 而初值寄存器的值是通过程序设置的。输出锁存器OL用来锁存计数执行部件CE的内容, CPU可以对它进行读操作。CR、CE和OL都是16位寄存器, 也可以作8位寄存器来用, 这样, 在8位数据总线的情况下8253仍然适用。CPU可以通过输入/输出指令对8253的内部寄存器进行访问。

2.2 定时器/计数器仿真电路的构建

仿真系统的研究主要有二种:一是将实际系统简化成数学模型, 再编程进行仿真计算;二是利用MATLAB下的Simulink编程来计算。本系统采用Simulink进行仿真, 仿真电路主要由定时器/计数器子系统、显示模块、示波器、片选信号、计数初值设置电路、发光二极管等组成。在设计过程中, 定时器/计数器子系统使用使能子系统的形式, 在其中采用了自定义函数和延时子系统。定时器/计数器子系统的设计过程为:首先选择Simulink中的使能子系统, 然后在使能子系统中添加Simulink中的自定义函数模块和延时模块, 根据本电路的需要进行函数的自定义和延时参数的合理设置, 之后对这些模块进行封装, 得到所需的使能子系统。工作过程为:使能信号undefined作为定时器/计数器芯片的片选信号, 选中低电平 (Low) 有效, 高电平 (High) 无效。计数初值从Source输入到定时器/计数器芯片的计数初值寄存器, 通过计数执行部件减1直到0为止输出信号, 通过发光二极管输出时超信号, 通过输出口为其它任务提供操作定时。仿真电路如图2所示。

2.3 定时器/计数器的仿真电路的运行结果

运行此系统后, 可以看到RedStart的闪烁。假定计数初始值为5, 即从初始值5开始计数器减1直到0为止, 产生低电平, RedStart熄灭。计数器的数值变化可以在显示模块 (Display1～5) 中直接得出, 如图3所示;也可以在示波器 (Final Output) 中得到其数值的变化, 如图4所示。

3 结束语

通过实验仿真, 学生可以很直观地了解实验目的、要求、连线, 并可通过模拟显示搞清实验的最终目标, 可以避免由于操作不当引起设备的损坏。同时软件仿真还可以发挥学生的创新能力、主观能动性, 将原先被动接受实验变为主动设计实验参数、自己设计新颖的实验电路, 从而更有针对性地投入到具体实验, 提高了学生的实验兴趣。

用Simulink实现可编程接口仿真系统模型的过程简单、直接, 不需要复杂的编程或函数调用, 只需要了解每个芯片的工作原理和工作方式, 然后使用Simulink库中的功能模块就可以建立仿真模型, 并能够达到较好的仿真效果。

参考文献

[1]Lech Znamirowski, Olgierd A Palusinski, Sarma B K Vrudhula.Pro-grammable Analog/Digital Arrays in Control and Simulation[J].Ana-log Integrated Circuits and Signal Processing, 2004, 39 (4) :55-73.

[2]陶玲, 叶继华, 聂承启.可编程接口芯片的仿真[J].科技广场, 2005, 16 (12) :60-63.

计算机网络仿真研究 篇5

【关键词】电力信息网、脆弱性分析、仿真验证

1.电力信息通信网络与拓扑网络虚拟实体与物理实体属性映射机制

1.1拓扑网络模拟电力信息网络中具体实物机制的可靠性

拓扑网络的高速发展，促进了电力信息通信网络的建立与完善。然而，拓扑网络在电力信息网络中模拟物理实物的映射机制及其结构则非常巧妙。我们所说的电力系统的网络拓扑虚拟，它的结构实际上指的是电力信息通信网络内的各个发电厂及其变电站，还有那些开关站的布局，以及那些用来连接它们的各个级别线路的连接方式。在大部分拓扑网络的发展初期，电网规模较小，无法切实的模拟物理实物。随着拓扑网络规模的不断增大，尤其是互联大电网的形成，电力信息网络逐渐能够有效的模拟物理实物，而物理实物本身的结构则被弱化，于是电力信息网络核心结构的规划，以及它的设计变得尤为重要。电网互联，这是全国电力发展的的客观规律；拓扑网络的使用，则是世界电力发展的必然趋势。对于如此庞大的电力信息网络，电网拓扑的方式及结构，还有拓扑构造出的虚拟实体的可靠性，无疑直接决定着电力系统是否稳定，电力信息的保密是否可靠，模拟出的实体是否逼真等等一系列的电力信息网络的核心问题。

1.2研究不同的电网系统拓扑模拟实物机制对于电网运行减少风险的意义

随着电网的发展，为了谋求更多经济上的效益，为了使系统运行的更稳定，用大电网拓扑取代了小电网拓扑。使用经济的大电网拓扑系统对物理实物进行拓扑，它可以在最大的地理环境范围内，获得最好的可利用能源，取代那些错峰调峰、跨流域补偿、互为备用等等一系列的联网效益，实现了电网拓扑实物时的灵活转换，在更大范围内对物理实物的拓扑进行优化。研究电网拓扑模拟实物机制的脆弱性对于减小电网运行中的风险有极大的意义。

2.多维度管理维护与性能监测信息数据库与仿真实景展示平台软硬件架构

2.1电子力信息网络的多维度管理维护

电力信息网络高速发展，现有的单维度的管理和维护，已经不能满足电力信息网络对速度和安全性的要求。电力信息安全运行管理维护问题，随着我国的电力产业体制的进一步改革，以及所伴随的相关产业，一起发生了极为巨大的变化。这也导致了我们的电力产业整个行业的技术升级，以及机遇和挑战。我们针对那些广域网，还有局域网，它们的技术特点进行了深入研究。现有的电力企业，它们在进行一些数据的快速网络传输的过程中，一般都是在基础数据层，就已经完成了整个平台的，所有的基础数据的录入。从系统的底层维护确保数据的安全性和准确性。

2.2性能监测信息数据库与仿真实景展示平台软硬件架构

随着我国电力工业不断扩张，其中中小型电厂的运行模式逐渐地从以前的常规保护，以及人工控制，发展达到了现在的无人值班式远程控制，最终将会向系统地综合自动化方向发展。由于大型变电站的电力检测控制点更多，检测数据量更大，数据保存时间更长等原因，我们从软件的总体结构中，可以轻松地发现，变电站整个的监测系统，它的功能，全都是建立在信息数据库的基础上。现代市场竞争中，又在降低成本以及上市时间等方面对电厂提出了要求。许多的仿真实景展示平台的架构因此变得无可取代，并且正在发挥越来越重要的作用。仿真实景系统具有对硬件直接进行控制的能力，仿真实景展示平台对软硬件架构的要求都很高。首先，机群结构需要具有统一的系统映像，因为只有这样才能够充分地利用单个PC中的计算资源。其次，软硬件要有强大的计算能力，而且要使投资地风险减小。最后，要求软硬件结构灵活，并且可扩展性强。这样的结构目前已被我们大量的计算机用户以及那些科研院校所广泛接受，这样的架构已经成为高性能仿真实景领域的新思路。

3.网络状态与业务统计特征提取与仿真业务自动生成3.1电力网络状态

人们加强了对于电力网络运行状态的分析，电力网络的状态对于我们的现实生活具有极其重要的意义。电力网络运行状态是指电力系统在不同地运行条件（例如负荷水平，以及出力配置，还有系统接线等等)下，系统及其设备的工作状况。从广义来讲，电力网络的运行状态只有两种状态:正常状态以及非正常状态。为了有利于我们对电力网络状态进行管理，在不同地运行情况中，我们需要对电力网络，它的状态要进行严格的分类，然而目前电力网络的状态并没有十分严格的定义，我们一般将电力网络状态其划分成五种:正常状态，以及警戒状态，还有紧急状态，甚至是崩溃状态和恢复状态，具体分类后我们将能更加妥善的对电力网络状态进行监测。

3.2业务统计特征提取与仿真业务自动生成每个国家经济的发展，它都时刻离不开统计信息，尤其是像电力这样较为基础的行业，电力作为每个国家能源稳定供应的前提保障，依据十分准确的统计数据，政府能够制定出适用于电力行业发展的完善规划，无疑这对电力行业的发展起着无可取代的作用。当前电力统计以及特征提取工作，还存在很多问题，主要是统计工作的完整体制仍然没有形成，相关的保证措施不到位。对于数据的统计仍然还有待进一步进行精确，统计及特征提取的速度有待进一步提升。对于现代统计工作观念的更新，必须要明确我们是为了总结和提取出数据特征而统计。电力通信网络的统计工作，它的服务对象是政府，而服务目标则是为我国的国民经济给予不同水平的的更加准确的各种数据以及资料，也为我国政府的各种经济调控政策给予比较准确的数据。除了向政府的统计部门供给精确的数据，数据统计更加重要的是给企业管理层，给他们的决策提供更加科学可靠的数字依据。但是数据统计及特征提取最重要的还是为广大的人民群众提供服务。电力网络的仿真业务，也对电力网络测试有很大的意义。当今被广泛应用的仿真业务自动生成系统，已经比较完备，自动生成出的业务数据对政府，企业，甚至个人都有较强的指导性作用。

4.网络故障仿真场景辅助推演技术

电力网络故障仿真场景辅助推演技术，它包含的范畴很广泛，其中包含电力系统设计以及开发的各个过程，可更加细致地分为系统级，还有电路级，以及物理级的系统。我们可以借助现代EDA技术，对电力通信网络，使用系统性的故障仿真场景辅助推演技术，因此在使用仿真推演时，侧重于更加综合地应用已学的知识，来设计较为复杂的故障仿真推演。为了研究这些更为复杂的故障仿真技术，首先就要了解电力网络的设计环境，在早期故障仿真技术的基础上增加了软件更加高级的仿真功能。电力网络故障场景仿真能否成功，不仅仅取决于电网的原理图，以及元件模型它的仿真属性的好坏，还取决于电力网络的表层结构以及故障仿真设置等。总之，电力网络故障时有发生，为了降低它发生的频率，我们急需建立并完善电网故障仿真系统，而该系统所使用的网络故障仿真场景辅助推演技术仍然有待进一步的提高，这也引起了许多专家及学者的重视。需要对电力网络中出现的各种故障，进行场景的仿真，还要通过这种仿真出的场景来辅助推演出电力网络故障发生的整个过程，以此作为解决故障的数据基础依据，也对将来针对此类故障进行防护有无可替代的意义。大力发展电网故障仿真技术不是我们的终极目的，终极目的是排除网络中的时时故障，监控电力网络状态，提高对于电网的管理能力，快速分析排查电网故障原因，并及时填补漏洞。

参考文献

计算机网络仿真研究 篇6

摘 要 本文在分析近期数字化电台网（NTDR，Near Term Digital Radio）的基础上，利用OPNET网络仿真平台对NTDR网络进行了建模。在不同网络路由协议情况下对网络性能进行仿真分析，仿真结果与理论基本一致，从而为对战场无线自组网的进一步研究与设计提供了现实基础。

关键词 战场无线自组网 NTDR OPNET 网络仿真

1 引言

在现代战场上，各种军事车辆间、士兵间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成指挥、部署和协调作战。信息化条件作战，战场电磁环境极其复杂。为了满足信息战和数字化战场的需要，具有抗毁性强、自恢复、部署迅速等特点的无线Ad hoc网成为战场通信的首选技术。如今，Ad Hoc网络技术已成为美军战术互联网的核心技术。美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。

目前对Ad Hoc网络技术的研究逐渐成为一个热点问题，对民用Ad Hoc网络场景建模的研究比较多，但是对结合军事应用的研究却相对较少。尤其是到目前为止在公开发表的文章中没有针对战场无线自组网NTDR网络的研究，一般都只有对该网络系统的概述[1][2][3]。由于构建真实的战场无线网络需要耗费巨大的人力和财力，而且还具有一定的不确定性。因此对战场无线自组网进行建模仿真就显得尤为重要。本文通过分析对战场无线自组网系统NTDR，对各节点仿真实现其主要功能，设计合理的网络模型。为对其进一步的研究打下基础，具有一定的理论意义。

2 战场无线自组网的特点及应用

2.1 战场无线自组网的特点

根据部队的编制体制和参战规模的关系，在战场上通常使用分层次的无线自组网。士兵携带具有通讯和感知能力的移动终端，相互之间以多跳形式通信，并将自身位置以及搜集到的地形、声音、图像等战场信息报告给分队指挥所。分队指挥所对信息进行分析，决策，并向士兵下达作战命令，必要时，通过远距离通信设备与上级指挥中心或其他分队联络。

分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。分层结构具有管理方便，网络维护开销小等优点，是军事无线自组网的重要特点和发展的趋势。尽管无物理中心节点，但是具有逻辑上的簇头，簇头可通过簇头选举算法产生，使它在那些不能依赖于预先架设网络设施的场合下，依然能够实现临时的快速组网。

2.2 近期数字化电台（NTDR）网

当前，Ad Hoc网络技术在军事通信上最为重要的应用当属战术互联网[1]。战术互联网是互联的战术无线电台、路由器、计算机硬件和软件的集合，是数字化部队建设的基础设施， 目前唯一进入实用阶段的战术移动自组网络是美陆军在上世纪末期开发的数字无线电系统NTDR[2]（Near Term Digital Radio），已作为陆军战术互连网的主干网络设备进入装备序列。在移动无线环境下支持IP数据业务，以实现旅或旅以下战术作战中心TOC（TOC，Tactical Operation Center）之间的通信。近期数字化电台网的收、发信机通常用在作战指挥车、指挥控制车、战术作战中心和战术指挥所、装备陆军机载指挥控制系统的UH-60直升机的指挥控制平台上[3]。NTDR电台可以自动地组织成一个动态的两层网络。在该网络中，电台分成若干个群，每个群由一个群首和若干成员组成，各个群的群首构成一个骨干网，见图1所示。

在以簇（Cluster）为基础的两层分级网络结构NTDR中，普通节点距群首只有一跳，所有群的群首相互连接构成骨干网络。NTDR结构将相邻群之间的通信限制在只能通过群首完成。NTDR分群方案是专门为了应付战术网络中可能出现的频繁的节点移动和节点失效而特别设计的。每部电台最大运行功率是20W，在225～450MHZ工作频率范围内，电台的通信覆盖范围约为10～20km。由于每部电台都可充当一个信息中继点，因此整个系统的有效通信范围可达数百公里。2003年4月美军第四师在伊拉克战场上检验了战术互连网的战术性能，并给予了很高的评价。

3 仿真设计方案

3.1 仿真软件简介

建模与仿真技术是当前研究、分析、设计、评估与优化通信网络的最有效的工具。在美军众多的战术互联网仿真系统中，OPNET都是主要的仿真平台[4]。

本文选用的建模与仿真工具也是OPNET。它采用三层建模机制[5]，最底层为进程（Process）模型，以状态机来描述协议；其次为节点（Node）模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。OPNET采用离散事件驱动的模拟机理（Discrete event driven），即只有网络状态发生变化时，模拟机才工作。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。OPNET最初是为有线网络的设计和规划开发的仿真软件，通过增加无线模块为WLAN、GSM、卫星和Ad hoc网络仿真提供必须的组件，包括IEEE802.11的MAC协议和主要的Ad hoc路由协议。

3.2 网络模型

根据NTDR的技术特点，建立如图2所示的网络模型。在30km*20km的矩形区域中，各个节点构成了两层结构的战场无线自组网络的网络级仿真模型，网络中的各个节点通过无线信道模型相互通信。本文仿真中配置了Ftp业务。

一个旅战术作战中心和一个机械化营战术作战中心、一个装甲营战术作战中心、一个步兵营战术作战中心构成了NTDR网络模型的骨干网络。旅战术作战中心不仅支持与营战术作战中心之间大量数据与图像传输，而且还要为旅级机载指挥控制系统、作战指挥车和指挥控制车提供高数据率的信息传送。其功能相当于下级节点的服务器；而营战术作战中心作为网络中的第二级骨干，不仅要实现上传下达的功能，还要实现与同级营战术作战中心的数据传输。普通节点分别隶属旅战术作战中心和各营战术作战中心。隶属于同一上级的节点之间能够实现互联互通，否则就必须通过各自的上级进行数据信息交换。

3.3 节点模型

本文中的所有仿真节点都具有相同的节点模型，从实现的功能来分为两类，骨干节点和普通节点。其中，骨干节点作为NTDR网络中的簇头，实现战术作战中心的功能；普通节点具有想同的节点模型，根据实际情况设置各节点以分别实现指挥控制车、作战指挥车和陆军机载指挥控制系统的功能，如图3所示。

在对基于移动网络的系统分析评价时，选择一种与现实情况相符合的移动模型是非常重要的。本文自定义了一个比较符合战场实际移动情况的模型。每个节点在相应的区域内移动，速度服从（0m，10m）之间的均匀分布。陆军机载指挥控制系统在仿真中的高度假设为100米，其余车载平台在平坦的地域，高度为0米。

4 仿真分析

在仿真中，选用不同路由协议 DSR和AODV并分析比较其在分层无线自组网中的性能。在战场环境下，实时数据业务占据相对较大比重，所以端到端时延是网络性能评估的一个重要参数，同时我们还需要重点关注报文平均反应时间、路由平均跳数、吞吐量等参数的变化情况：从4（a）中可以看出，网络中报文的上传、下载的平均时间都在0.03s左右，在数值上选取DSR路由时报文平均反应时间要稍微高于选取AODV时的平均反应时间。平均跳数是指网络中成功交付的数据包所经历的平均跳数，主要用于表示路由协议对多跳数据转发的影响。从4（b）中可以看出，网络中选取DSR时路由平均跳数为1.25，而采选取AODV时路由平均跳数为1。

吞吐量是衡量网络性能的重要参数，体现了网络的数据业务承载能力，在军用系统中，该指标非常重要，因为通信网络的拥塞会导致作战信息的延迟，从而有可能导致作战任务的失败。从4（c）中可以看出，选取AODV协议时网络的吞吐量远大于选取DSR路由协议时的吞吐量，数值上约是8倍的关系。

时延是衡量网络数据传输能力的一个重要指标， 反映了数据在网络中传播的效率。从4（d）中可以看出，选取DSR路由协议时网络时延要明显高于选取AODV路由时。

综上所述，仿真网络在分别选取DSR和AODV路由协议时所选参数在数值上比较稳定，存在一定的差值。对于报文传输业务，时延和吞吐量的性能指标，在比较宽松（即节点较少和载荷较轻或移动性较弱）的环境中，DSR协议优于AODV协议，这与文献[6]的仿真结论是一致的，从而验证了模型的正确性。

5 结束语

NTDR作为美军战术互联网装备的重要组成部分，为陆军战术作战中心、指挥控制平台以及选用的情报共用平台的指挥员提供了一个无线广域网，允许指挥员在战术指挥中心之间以高数据率传送信息，以支持指挥控制数据和图像信息流。本文使用OPNET仿真软件，建立了近期数字无线电台的战场无线自组网的仿真模型，根据装备的现实物理情况进行网络设置和业务配置，得到了一个性能比较稳定的战场无线网络，并对其网络性能进行分析，为对战场无线自组网的进一步研究提供了基础，具有一定的参考价值。（文中所做的研究只是初步的，模型也是有欠缺的，以后工作的方向是完善模型，建立完善的NTDR网络仿真平台。）

参 考 文 献

[1] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005：215-216

[2] 于宏毅.无线移动自组织网[M].北京：人民邮电出版社，2005：332-335

[3] 单洪.美军战场网络及其通信协议[M].解放军出版社，2007：427-428

[4] 万永乐，张剑.战术互联网建模与仿真.通信技术，2002：50-53

[5] 陈敏.OPNET网络仿真[M].清华大学出版社，2004

网络仿真工具NS-2技术研究 篇7

关键词：网络仿真,NS-2,体系结构,RED算法

网络仿真也被称为网络模拟。通过仿真得到可靠的运行结果和数据，进而模仿系统的某些行为和特征，是验证网络协议的正确性和进行相关性能测试的一种主流技术。本文主要从NS-2的功能、体系结构、进行网络仿真的流程进行介绍，并通过具体实例说明其应用。

1. NS-2功能

NS-2(Network Simulator,version2）是当今最流行的网络仿真软件之一，已广泛用于网络分析、科研和教学，前身是Keshav研制的REAL仿真器[1]。它支持众多协议，并提供丰富的测试脚本，图1归纳了NS-2所提供的各方面的支持。

2. NS-2体系结构

N S-2中的组件一般都是由相互关联的两个类来实现，分别在C++中和OTcl中。它使用两种语言，C++有利于快速的运行速度，TCL则有利于快速建立试验环境。组件的主要功能通常通过C++中实现，OTcl中的类主要提供C++对象面向用户的配置接口。C++对象和OTcl对象之间通过Tclcl机制关联起来。从NS-2架构（如图2所示）可以看出[2]，用户利用Otcl库中的模拟对象设计并运行Tcl仿真，事件调度器和网络组件通过OTcl链接与Otcl相关联，用户在OTcl空间对C++对象的函数和变量进行修改与配置。

此外，NS-2提供了丰富的构件库来帮助用户完成建模工作，图3是NS-2构件库的部分类层次结构[3]。

3. N S-2进行网络仿真的过程

NS-2仿真分为两个层次，一个是基于O t c l编程的层次，另一个是基于C++和O t c l编程的层次。前者利用N S-2已有的网络元素实现模拟，无需对NS-2本身进行修改；后者则必须利用分裂对象模型，添加新的C++类和Otcl类，然后再编写Otcl脚本[4]。NS-2进行网络模拟的一般过程如图4所示：

此外，NS-2还定义了一个*.tr格式的文件来记录仿真的结果，通过脚本配置，可以指定文件名并对仿真过程进行跟踪，通过xgraph的解释，其仿真结果能够以图形的方式显示出来[5]。

4. 用NS-2进行RED算法仿真

下面使用NS-2对RED算法进行仿真，网络拓扑结构如图5所示。图5描述了网络拓扑结构。节点n0、n1、n2(发送方)和n4(接收方)之间所采用的代理是TCP/Reno，构建在该代理之上的应用程序是FTP，在中间节点n 3和终节点n 4之间的连接是RED，其速率明显低于中间节点与3个源节点之间的连接速率，因此该链路为整个网络的传输瓶颈。

可以按照下面步骤进行仿真代码编写，如图6所示。

通过仿真结果，我们可以看到由数据包丢失(如图7)到链路状态恢复的过程(如图8)。

5. 结语

笔者主要介绍了网络仿真工具N S-2介绍，对NS-2的安装、体系结构、进行网络仿真的一般过程以及它们所包含的组件进行了详细的介绍。最后，通过NS-2对RED算法进行仿真模拟，并将仿真结果进行可视化输出。

参考文献

[1]Fall K,Varadhan K.The NS Manual.http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index.html,2003.11

[2]The Network Simulator ns-2:mailing lists.http://www/isi.edu/nsnam/ns/ns-list.html

[3]徐雷鸣,庞博.N S与网络模拟.北京:人民邮电出版社[M],2003

[4]邹玲,石坚等.网络设计与仿真方法的研究.计算机工程与应用,2000(6):129～132

计算机网络仿真研究 篇8

针对目前矿井通风网络计算的应用软件所存在的软件不系统、功能不够全面、可维护性和可扩展性差等问题, 开发了一套集矿井通风系统立体图绘制、风网解算、结果数据标注一体化的矿井通风仿真系统, 用以解决矿井通风信息管理、矿井通风系统三维立体图的自动生成、矿井通风网络自动解算、风网参数的自动标注等, 直观地反映矿井通风网络的实际面貌和通风状态, 为矿山通风管理者监控井下的通风状况提供了有效的方法, 为矿井通风系统调节提供了技术依据。该系统界面友好、操作简单、可视性强, 具有非常好的通用性和实用性。

1 系统结构设计

系统采用C/S体系结构设计开发, 以可视化编程语言VB6.0开发用户界面, 结合SQL Server 2000建立数据库管理巷道和风路数据, 采用ODBC技术进行数据库访问;选用SolidWorks 2006为软件平台进行矿井通风网络仿真, 以三维实体图形绘制巷道图形;采用FROTRAN语言编写风网解算程序;以水晶报表9.0, 实现各种数据报表的打印输出。各个部分有机结合, 形成一个有机整体, 实现仿真与优化的一体化[1]。系统总体功能如图1所示。

2 三维仿真模块开发

2.1 仿真程序设计

以往的矿井通风仿真大多以AutoCAD为平台, 鉴于AutoCAD在三维功能方面的不足, 该系统选用SolidWorks为软件平台进行三维仿真, 主要因为:① SolidWorks具有卓越的三维和曲面造型能力, 而AutoCAD在二维造型方面优点突出, 在三维造型上则显得薄弱;② SolidWorks有强大的参数化特征造型能力, 其二次开发方便快捷;③ SolidWorks有大型装配处理的功能, 有丰富的图形文件类型;④ SolidWorks有丰富的图形显示及视图方式;⑤ SolidWorks对AutoCAD有良好的兼容性。

系统采用VB设计用户界面, 通过API 接口调用SolidWorks进行二次开发, 绘制井下通风巷道的三维实体图形。矿井通风巷道有竖井、斜井、中段分支巷道等类型, 为了建模方便, 根据中段巷道走向的不同, 又将其分为平行x轴巷道、平行y轴巷道和任意走向巷道。针对不同的类型, 分别采用SolidWorks的拉伸、扫描、旋转、放样等特征工具绘制巷道三维实体图。绘图基本步骤:创建 (选择) 草图平面→绘制截面草图→选择特征工具→创建特征[2]。巷道建模流程如图2所示, 采用空间三维到二维图形转换算法, 计算巷道截面坐标。其中S, E表示巷道始、末节点, (Xs, Ys, Zs) 、 (Xe, Ye, Ze) 为始、末节点的三维空间坐标, H, V, W分别表示三坐标面体系中的水平、正面和侧面投影面。

2.2 仿真功能实现

通风网络仿真功能的实现主要有如下4个方面:

1) 节点/巷道数据输入:

节点编号和坐标, 巷道编号、名称、始末节点、属性 (如默认、新增、未掘、废弃, 不同类型巷道有不同显示颜色) 等基本数据, 均在此输入、编辑及查询。

2) 网络图的绘制:

系统采用零件的形式绘制各个中段的网络图, 然后将所有中段零件以合理的位置和约束关系装配成通风网络装配体。这种自底向上的构图模式, 既利于图形的修改又利于用户浏览。此外, 系统还提供了多种巷道截面类型供选用。

3) 网络图的编辑修改:

在中段巷道图中增加、删除巷道或修改巷道属性, 也可删除某个中段的图形文件。中段巷道图更改后, 整体通风网络图会自动更新。

4) 网络图的浏览打印:

通风网络可以线框图或上色等不同模式显示, 也可以RGB256的任意色彩显示, 用户可以任意比例和任意视角浏览网络图。无论是中段或整体的通风网络图都可以转化为DWG形式的工程图, 在AutoCAD平台下打开[3]。

3 通风网络解算

3.1 通风网络解算程序设计

通风网络解算方法较多, 但目前国内外应用计算机对通风网络解算的方法主要有斯考德—恒斯雷 (D.Scott—F.Hinslye) 法、牛顿—拉夫森 (Newton—Raphson) 法、节点法等。每一种算法各具特点, 各有优势与不足。笔者采用的是节点风压法结合Hardy—Cross迭代算法。

主要分为三大部分:数据输入、风网解算、数据输出。风网和风机原始数据为全局变量, 其他计算变量则由参数在各模块之间传递, 从而避免了一些不必要的参数传递, 提高了运行速度。程序运行之前须建造一个原始数据文件, 其数据结构为分支始点和终点、分支摩擦阻力、分支自然风压、分支初设风量、固定风量分支、风机原始数据、风机位置及风机编号等, 该原始数据在程序运行开始读入内存。风网解算是该程序的主体部分, 其中包括风阻解算、基本关联矩阵解算、风网解算等过程。由于采用节点风压法, 程序编制结构简单、思路清晰, 采用全选主元素法子程序解算节点压力方程组, 迭代速度较快, 对于具有500个节点、550条分支的算例, 只需2 s迭代40次即可解算出结果, 其结果自动生成文件输出。程序的运行速度与初设风量有一定的关系, 如果初设风量不合适, 其结果很可能发散;初设风量合适, 迭代收敛的速度很快。因此, 在程序运行之前一定要对初风量进行比较精确地设置[4]。通风网络解算程序流程如图3所示, 解算程序以FORTRAN语言开发, 可分析2 500条边、2 500个节点、1 200个独立网孔、350个恒压源、5种不同类型的16台风机同时运行的网络, 并可随意扩展。

3.2 功能实现

1) 原始数据输入:

系统可以进行多种通风方案的设计。通过用户界面输入各种方案的风路参数和风机特性曲线参数, 生成各方案的网络解算初始数据文件。

2) 网络解算:

利用VBA接口, 通过SHELL函数调用风网解算程序对不同通风方案进行解算, 生成该方案的解算结果文件, 并将解算结果数据导入后台数据库。

3) 工作面风量诊断:

根据设定的不同类型作业面风量标准, 诊断解算结果数据, 判断各作业面风量是否达到通风要求。若不符合要求, 则重新进行解算, 直到得出符合要求的通风方案。

4) 解算结果标注:

把最优的风网解算结果数据, 以箭头和文字的形式, 标注到通风网络三维仿真图上对应的巷道上, 包括风流方向、风量大小、风阻大小等, 实现仿真与优化的有机结合, 方便用户直观地了解整个矿井的通风效果。

5) 解算结果查询与打印:

查询不同方案的解算结果数据, 优选最佳方案, 生成结果报表。报表有多种格式, 如以水晶报表开发的固定格式“内部数据报表”、Excel、PDF、文本文件格式等, 用户可以脱离仿真系统另外编辑和打印。

4 数据管理

1) 数据库备份与恢复:

系统的后台以SQL Server为数据库支撑。用户可以在用户界面上方便地对数据库进行备份和恢复, 以防止数据由于意外原因丢失, 不需要到后台服务器上操作。

2) 图库备份与恢复:

图库更新后, 为防止图形文件的丢失或损坏, 可以将其备份出来, 在必要的时候使用恢复功能恢复图库。

5 应用示例

某大型金属矿山井下11个中段同时作业, 41个作业面同时用风。矿井通风网络的分支风路为442条, 风路节点数298个, 网孔数145, 5种不同类型风机同时运行。拟定的3个通风系统方案在技术经济方面均可行, 为确定最佳方案, 用通风仿真系统对其进行进一步优化, 结果见表1, 其中实际节点风量和实际网孔风量的最大误差均小于1.0×10-5, 实际网孔阻力的最大误差均小于8.0×10-6。方案一通风网络三维仿真效果图见图4。

从表1可以看出, 3个通风系统方案的供风量均能满足设计要求, 但方案一的通风效果最优, 且从根本上解决了工作面风量不足、分风困难、通风构筑物的位置设置等实际问题。

6 结语

以VB为开发工具, 以SolidWorks为图形平台, 以FORTRAN程序为支持, 以SQL Server为后台数据库, 开发了一套矿井通用的通风系统仿真与优化软件, 实现了矿井通风网络的信息管理、通风系统方案优化、通风网络三维仿真等功能。系统界面友好, 操作方便, 已在国内多个金属矿山应用, 为矿山企业提供了安全技术支撑和现代化通风管理手段。该系统对提高矿山的通风管理水平和生产效率, 促进矿井的安全生产等具有重要的意义, 有良好的实用价值和推广应用前景。

参考文献

[1]林建广, 赵恩平, 蒋仲安, 等.矿井通风网络图绘制与解算一体化系统的研制[J].矿业工程, 2006 (6) :56-58.

[2]沈, 王海宁, 黄国平.基于SolidWorks的矿井通风系统三维仿真模型[J].矿业安全与环保, 2007 (6) :40-42.

[3] (美) SolidWorks公司.SolidWorks API二次开发[M].生信实维公司, 编译.北京:机械工业出版社, 2005.

大型活动的计算机仿真研究 篇9

近年来, 随着经济实力和国际地位的不断提升, 在我国举行的大型社会活动的数量、规模和国际化程度都在不断提高。大型社会活动日益成为社会、企业和广大民众关注的焦点之一。2010即将在上海举行的世博会是继2008北京奥运之后的一次重大活动。如何更好地举办和保障大型活动成功是我们面临的新问题。

目前国内在这方面的研究处于起步阶段, 本文将采用计算机仿真建模的方法来模拟预测举行大型活动中的有关问题。

1 车展实例研究

(1) 游客入场情况调查。车展有两个入口供参观者进行出入, 分别为南入口和北入口。根据实地调查情况, 虽然早上9点才开始检票, 但是在9点以前入口前已经排好了长长的队伍。因此, 当展出开始以后一直到下午2点之前, 检票口基本处于满负荷运转状态, 单位时间内进入展区的人并没有太大的变化, 因此可以认为游客进入展区的时间为指数分布。

经过统计南入口入场人数约为49人/min, 北入口入场人数约为91人/min, 共计入场人数约为140人/min, 游客进入展区的平均时间间隔为0.428s。其中, 南入口入场人数占总入场人数的65%。

(2) 游客的参观意向调查。车展共有9个展厅, 包括W1至W5展厅和E1至E4展厅, 同时还有若干室外展台。

由于室外区域较大, 为了便于研究, 根据室外展台的空间位置以及展出内容的不同, 将室外展区划分为4块区域, 再加上9个场馆, 一共为13块区域。具体划分情况见图1。

在划分好区域并告知每块区域展出内容的基础上, 对参观者的参观意向进行调查, 主要调查内容为参观者决定要参观的区域以及每块区域的期望参观时间, 同时根据调查结果对各展区的热门程度进行排序, 越热门的场馆, 数值越大, 表示该展区越吸引人, 本次调查样本数量为100人, 具体结果见表1。

(3) 参观行为分析。建立仿真模型, 游客的参观行为是最重要的数据。然而在实际情况中人的行为有着太多的不确定因素, 很难通过计算机精确的模拟出来。但是, 通过对游客参观行为的深入分析, 我们可以将模型进行简化, 从而达到可以在计算机上模拟出来的程度。

车展中由于进入场馆不需要排队, 因此, 可以不用考虑游客会因为需要排队而改变参观路线。同时, 由于热门场馆内的人始终是处于拥挤状态, 因此也不考虑游客会因为场馆内太拥挤而改变参观路线。

考虑游客在选择下一个目标场馆时, 假设他有两个场馆进行选择, 一个场馆距离较远, 但是对他的吸引力更大, 另一个场馆距离较近, 但是对他的吸引力较小, 这两个场馆都是他将要参观的场馆, 基本上大部分人都会选择先参观距离较近的场馆, 尤其是下一个场馆就是相邻场馆的情况下, 几乎所以人都会先选择相邻的场馆。因此, 在模型中选择下一个场馆的时候优先选择距离较近的场馆。在本案例中, 场馆之间的距离 (包括场馆与出入口的距离) 并不是直接用确定的具体数值表示, 而是按照距离的远近, 将其大概分为5个等级, 其中相邻的场馆距离为0, 由于游客在判断距离时只有一个大概的感觉, 这样的情况更加符合人的选择和判断过程。当距离相当时, 再优先选择更加热门的场馆。

2 参观行为的建模及仿真

本文采用EXTEND进行仿真, EXTEND是美国Imagine That公司开发的通用仿真平台, 既可以用于连续事件仿真, 也可以进行离散事件仿真。通过计算机仿真, 我们可以很清楚的模拟出每一个参观者从入场开始到参观各个展厅直至离开展区的过程, 从而了解到参观者的出入场情况以及每个展馆的参观人数情况。通过观察可以很清楚的发现以下问题: (1) 几个热门场馆的人数在展出开始4小时左右将达到峰值, 最热门的场馆在高峰时期展馆内人数可以达到4500人以上。随着离开展区的人数的增加, 展馆中的人数开始缓慢下降。通过这样直观的数据, 活动的组织者可以在高峰期采取一定的措施来避免意外情况的发生; (2) 各个场馆的参观人数有着很大差距, 热门场馆内的人数最高可达几千人, 而一些冷门的场馆却无人问津, 最多只有上百人, 组织者通过对各场馆展出内容的更合理分配应该可以起到对人群的分流作用; (3) 参观者的个人兴趣也对其选择有一定的影响, 如果能得到用户的偏好信息, 得到的预测效果应该会更好。

3 结束语

本文采用计算机仿真建模的方法模拟了大型活动的人流情况, 采取了与传统统计方法和调查分析不同的视角。可以动态地观察场馆内人流的情况, 有助于合理的管理和控制。

摘要：通过研究文献, 采用不同于统计方法的计算机仿真方法对大型活动过程中的人流量进行分析和预测, 以ex-tend仿真软件建模实现, 达到了预测效果, 可以有效地指导管理和控制。

关键词：大型活动,计算机仿真,extend

参考文献

[1]罗典, 李克平, 孙剑.基于出行链的大型活动期间参观游客SP调查——以2010年上海世博园区内部客流预测为例[D].2005年海峡两岸智能交通运输系统学术研究会暨第二届同舟交通论坛, 2005.

[2]陈茜, 谢鑫鑫.大型活动行人消散仿真模型[D].2007第三届智能交通年会论文集, 2007.

[3]叶建红, 陈小鸿, 吴娇蓉.大型活动游客参观特征及空间聚集效应分析[D].第一届中国智能交通年会论文集, 2005.

大体积混凝土温控仿真计算研究 篇10

1 工程实例

1.1 计算模型

选取2号厂房坝段为研究对象。2号厂房坝段坝基面高程为540.0m, 顶高程为626.5m, 厂房高度为86.5m, 长度为34.6m, 底部宽度为94.0m。整体坐标系的坐标原点在坝段左侧坝踵处。坝轴线指向右岸为x轴正向, 下游方向为y轴正向, 铅直向上为z轴正向。计算模型在坝基深度方向取100m, 上游方向取100m, 下游方向也取100m。温度场计算中边界条件的选取:地基底面和4个侧面以及坝段横缝面为绝热边界, 坝体上下游面为固-气边界, 固-气边界按第三类边界条件处理。厂房坝段计算模型见图1, 厂房坝段分区及各区混凝土材料见图2。

1.2 计算方案

计算方案一共三个, 内容分别如下:方案1:控制浇筑温度为19℃。当月平均气温加2℃低于上述控制温度时, 浇筑温度采用月平均气温加2℃。不采用通水冷却措施。方案2:控制浇筑温度为19℃。当月平均气温加2℃低于上述控制温度时, 浇筑温度采用月平均气温加2℃。不采用通水冷却措施。方案3:控制浇筑温度为19℃。当月平均气温加2℃低于上述控制温度时, 浇筑温度采用月平均气温加2℃。对5~9月高温季节通15℃冷却水, 4月和10月次高温季节通15℃冷却水 (自然河水低于15℃时通河水) 。水管间距为1.5m×1.5m, 通水时间为20天。

2 温度场仿真计算成果

各方案I、II、III区出现最高温度时的温度等值线图见附图。

通过以上温度等值线图, 可知:方案1、方案2、方案3, I区最高温度分别为42℃、38℃、34℃, II区最高温度约为42℃、37℃、34℃, III区最高温度约为32℃、32℃、30℃。

3 结论

从三个方案对比可知:方案1未采用任何温控措施, 方案2采用控制浇筑温度的方法, 方案3采用控制浇筑温度和通水冷却的方法。I区, 方案2较方案1最高温度下降4℃左右, 方案3较方案2最高温度下降4℃左右;II区, 方案2较方案1最高温度下降5℃左右, 方案3较方案2最高温度下降3℃左右;III区, 方案2较方案1最高温度比较接近, 方案3较方案2最高温度下降2℃左右。

可见控制浇筑温度和通水冷却温控措施可有效降低大体积混凝土内部温度。

摘要：利用基于三位有限元开发的程序, 采用三维有限元及网格浮动法模拟大体积混凝土施工过程, 对大渡河枕头坝一级水电站厂房坝段进行温控计算研究, 设置了不同的3个温控方案进行对比研究, 并提出推荐温控措施。其成果对大体积混凝土结构温控设计与裂缝控制具有重要的参考价值。

关键词：大体积混凝土,温控措施,三维有限元法

参考文献

[1]李守义, 张金凯, 张晓飞.碾压混凝土坝温度应力仿真计算研究[M].北京:中国水利水电出版社, 2010.8.

[2]张晓飞.大体积混凝土结构温度场和应力场仿真计算研究[D].西安:西安理工大学, 2009.