基于OPNET的组播仿真研究

论文摘要

如今,组播技术的应用越来越广泛,网络应用的要求也越来越强烈,再加上组播技术相对于单播与广播技术的巨大优势,人们日益认识到组播技术所带来的优点和好处,组播技术必将成为人们工作和生活中不可缺少的网络技术之一,其研究价值越来越凸现出来。然而在组播技术的研究过程中,人们面对已经出现的种种网络技术难题,发现在现有的互联网上直接进行部属和研究组播是一件十分困难而且不现实的事。而在将协议、算法部署到网络上之前,必须评测出协议或算法的现实有效性,并且获取客观、可靠的性能参数,所以网络仿真作为一种新的网络规划和设计手段成为组播技术研究中必不可少的重要环节。网络仿真技术就是一种通过建立网络设备、链路和协议模型,并模拟网络流量的传输,从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。它以其独有的方法对网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据,缩短网络建设周期,提供网络建设中决策的科学性,降低网络建设的投资风险。OPNET是当今最著名的网络仿真软件,其优秀的用户界面、合理有效的三层建模机制与基于包的通讯机制为研究人员进行网络结构、设备和协议等的设计与分析提供了非常好的研究平台。本文使用OPNET对组播技术研究中的若干问题进行仿真研究,并提出了新的算法与方案。PIM-SM是目前应用最广泛的组播路由协议。在PIM-SM中,共享树的使用使组成员的加入和离开变得简单,扩展性很好,由于只有树上的路由器才需要维持组成员信息,在路由器所需存储的状态信息的数量和路由树的总代价两个方面都具有较好的性能。如何确定共享树的根的位置,称为中心（RP）选择问题,最早由Wall提出。中心选得不好会带来高耗费、高延迟、高拥塞等网络性能问题,但中心选择问题是一个NPC问题,需要一种启发式算法。现有的算法存在的主要问题是采用贪婪思想进行搜索,容易陷入局部最优而错过全局最优解。另一方面,随着组成员的动态加入与离开,组播树的结构也会逐渐发生改变,仅凭预选的中心点无法始终保证良好的组播性能,需要适时调整中心位置并重建组播树,这称为中心迁移问题。这种要求随着网络和组的规模以及网络连通性的增加而增强。理想的RP迁移算法应该在减少费用或延迟的同时,减少冗余数据和避免丢失数据,并尽可能地对组成员透明。本文提出了一种基于禁忌搜索的RP动态重定位方法,包括一个RP选择算法和一个RP迁移算法。仿真表明算法具有良好的性能。随着网络规模的扩大,组播逐渐从单层拓扑的域内向多层拓扑的域间扩展。目前域间组播的研究还不够成熟,某些方案还处于草案阶段。PIM-SM协议从域内向域间的扩展需要借助于组播源发现协议MSDP交互域间的源信息,同时借助于MBGP获取域间路由以构造域间组播树。PIM-SM/MSDP/MBGP方案是域间组播的近期解决方案。本文在OPNET上对此方案进行了建模与仿真。另一方面,随着网络仿真技术的发展,利用网络仿真软件逼真地再现真实网络,构建对用户透明的仿真模型的需求愈来愈迫切。在网络仿真的运行中,我们希望参与其运行过程、获取相关数据,并进行分析、处理和实施必要的操作。事实上,缺少了与用户交互的接口的网络仿真软件作用非常有限,仅限于对一个固定的网络模型建模仿真,灵活性和通用性都不够。而增加了与用户交互的接口后,网络仿真软件可以模拟一个拓扑不断变化、参数任意设置、与真实网络非常接近的模拟网络。本文利用OPENT软件提供的HLA（高层体系结构）接口,将上述建立的域间组播模型扩展为一种可以进行联机交互式仿真的域间组播模型,并描述了一个联机交互实例。一方面考查了模型的准确性,一方面为今后进行规模更大、更灵活的仿真系统建模提供了新的思路。在动态网络中,由于网络流量不断变化、难以预测,而且节点、链路的失效、恢复时有发生,组播路由一直是一个非常难的问题。AntNet是一种旨在解决电子通讯网络中的路由问题的蚁群优化算法,能够有效平衡网络的流量负荷,减少阻塞率与丢包率。本文在OPNET上对AntNet上进行仿真建模,并在此基础上提出一种基于AntNet的动态组播路由优化方案并进行仿真。结果表明该方案具有很好的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 组播技术及其主要的研究问题
• 1.2 组播仿真研究的意义
• 1.3 论文的主要工作概述
• 1.4 论文的章节安排
• 第2章 组播协议与常用仿真工具
• 2.1 组播协议
• 2.2 常用的网络仿真工具简介
• 2.2.1 OPNET Modeler
• 2.2.2 NS-2
• 2.2.3 OMNeT++
• 2.2.4 MATLAB
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于禁忌搜索的组播中心选择算法
• 3.1 组播中心问题
• 3.2 中心选择算法及其比较
• 3.3 禁忌搜索算法
• 3.4 基于禁忌搜索的组播中心选择算法
• 3.4.1 对组播树的评价
• 3.4.2 用于RP选择的禁忌搜索算法TRPSA
• 3.4.3 仿真结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 组播中心的动态迁移
• 4.1 组播中心动态迁移的必要性
• 4.2 动态迁移方法及其比较
• 4.3 一种新的动态迁移方法
• 4.3.1 RP迁移的主要步骤
• 4.3.2 几个关键消息的处理
• 4.3.3 优缺点分析
• 4.3.4 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于HLA/RTI的联机交互式域间组播仿真
• 5.1 域间组播研究现状
• 5.1.1 域间组播实现的困难
• 5.1.2 域间组播的三种实现方案
• 5.2 OPNET上的域间组播仿真建模
• 5.2.1 仿真中主要模型的设计
• 5.2.2 仿真的过程、结果及分析
• 5.3 HLA/RTI
• 5.4 在OPNET上的联机交互式域间组播仿真实践
• 5.4.1 OPNET的HLA接口
• 5.4.2 为何进行联机交互式域间组播仿真
• 5.4.3 仿真环境配置
• 5.4.4 如何让用户参与到仿真过程中
• 5.4.5 为进行联机交互式仿真而对模型作出的更改
• 5.4.6 联机交互式域间组播仿真的步骤、结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于AntNet的动态组播方案与实现
• 6.1 AntNet与动态路由优化
• 6.1.1 AntNet由来——蚁群优化算法及其发展
• 6.1.2 动态路由优化
• 6.2 AntNet在OPNET上的建模实现
• 6.2.1 仿真中主要模型的设计
• 6.2.2 仿真结果与分析
• 6.3 基于AntNet的动态组播方案与实现
• 6.3.1 方案的思想来源
• 6.3.2 模型的修改
• 6.3.3 仿真结果与分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的主要学术论文目录
• 攻读学位期间参与的科研项目目录
• 学位论文评阅及答辩情况表