自動進行方案對比的可信網絡仿真系統的製作方法
2023-05-19 08:32:16 2
專利名稱：自動進行方案對比的可信網絡仿真系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於計算機模擬和仿真技術領域的自動進行方案對比的可信網絡仿真系統。
背景技術：
在今天的信息技術時代，網絡技術日新月異，網絡應用日趨廣泛，有線網絡、無線網絡、衛星通信網絡、有線電視網絡、公用電話網絡等各類網絡技術迅速發展並逐漸走向融合，導致網絡結構和規模日趨複雜龐大，業務種類不斷增加，網絡負載日益繁重。
無論是構建新網絡，還是升級改造現有網絡，或者測試新協議，都需要對網絡的可靠性和有效性進行客觀地評估，從而降低網絡建設的投資風險，使設計的網絡有很高的性能，或者使測試結果能夠較準確地反映新協議的表現。傳統網絡設計和規劃方法主要靠經驗。隨著網絡日趨複雜，規模日趨龐大，傳統方法已不能滿足網絡規劃和設計的需要。這種情況下網絡仿真技術應運而生，它以其獨有的方法為網絡的規劃設計提供客觀、可靠的定量依據，縮短網絡建設周期，提高網絡建設中決策的科學性。網絡仿真技術目前已逐漸成為網絡規劃、設計和開發中的主流技術，成為網絡規劃和設計中不可缺少的環節。
網絡仿真技術是一種通過建立網絡設備、鏈路和協議模型，並模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計或優化所需要的網絡性能數據的仿真技術。目前網絡仿真系統多採用離散事件驅動的模擬機理。仿真核心模塊為離散事件驅動的事件調度器，它維護一個事件隊列，隊列中事件按觸發時間順序排列，越早觸發的事件在隊列中越處於較前的位置。每次事件循環都從隊列中取出第一個事件，並交給相應的模塊進行處理。模塊處理過程中也可能會產生新的事件，這些事件都要插入事件隊列中並根據事件的觸發事件調整隊列中事件的位置。這種循環一直繼續，直到達到指定的仿真事件和事件隊列空，則仿真結束。
網絡仿真利用模擬技術根據仿真結果分析評價網絡性能，所以仿真結果應儘量準確可信。然而每個性能評價指標都是一個隨機變量，一次仿真結果中的該指標值對應該隨機變量的一次實現。由於每次仿真結果具有隨機性，所以如果僅根據一次仿真的結果進行評判會造成很大的偏差，甚至得出完全錯誤的結論。為提高網絡仿真的可信性，自動運行多次仿真並求平均值及置信區間是可信網絡仿真的必要環節。此外，網絡仿真中除了要通過仿真分析評價某方案或協議的絕對性能之外，更多情況是同時針對幾種不同方案或可選協議進行對比仿真分析，認清各方案或協議的相對性能特點和優越點，進而選取最優方案。所以，網絡仿真系統應具有如下功能特點1.網絡仿真系統應能自動進行多仿真批量運行；2.網絡仿真系統應能自動計算各指標數據的平均值及其具有一定置信度的置信區間；3.網絡仿真系統應能自動進行多方案對比仿真實驗。
然而，目前NS-2、GloMoSim等絕大部分網絡仿真系統只能在仿真程序一次運行過程中完成一次仿真。OPNET網絡仿真系統稍強一些，它提供了一次運行完成多個仿真片段的機制，還提供了一些數據處理功能，但卻未提供自動根據多次仿真結果求取平均值和置信區間的功能，且它所提供的這些數據處理功能需要用戶參與而不能自動實現。另外，現有網絡仿真系統不能自動進行多方案對比仿真試驗。可參見牛偉等人的發明專利「網絡仿真測試系統及方法」(申請號200510012183.X)。
發明內容
基於對網絡仿真時一次仿真運行過程中運行多次仿真、進行多方案對比仿真研究、及自動求取平均值和置信區間的必要性的認識，並針對現有網絡仿真系統在這方面的不足，本發明提出了一種網絡仿真系統。該網絡仿真系統的功能特點包括1.能自動在一次運行過程中完成多個仿真片段；2.能自動及時地根據已完成仿真試驗的數據結果針對每個被測方案計算指標數據的平均值及其具有一定置信度的置信區間的單邊長度；3.能自動實現多方案的對比仿真實驗。
本發明提出的網絡仿真系統的構成(見圖1)包括五個模塊全局控制模塊(2)、配置信息輸入模塊(1)、仿真運行模塊(3)、指標數據可信處理模塊(4)、可信指標數據輸出模塊(5)。各模塊的連接關係為該配置信息輸入模塊(1)與全局控制模塊(2)通信，該全局控制模塊(2)分別與配置信息輸入模塊(1)、仿真運行模塊(3)、指標數據可信處理模塊(4)、可信指標數據輸出模塊(5)通信，該仿真運行模塊(3)與全局控制模塊(2)和指標數據可信處理模塊(4)通信，該指標數據可信處理模塊(4)分別與全局控制模塊(2)、仿真運行模塊(3)、可信指標數據輸出模塊(5)通信，該可信指標數據輸出模塊(5)分別與全局控制模塊(2)和指標數據可信處理模塊(4)通信。
仿真運行模塊(3)負責仿真的運行，它包含三個子模塊核心控制子模塊(6)、節點分層功能子模塊(7)、原始指標數據搜集子模塊(8)。核心控制子模塊(6)是仿真運行模塊(3)的核心模塊，節點分層功能子模塊(7)和原始指標數據搜集子模塊(8)在核心控制子模塊(6)的控制下協調完成仿真片斷的運行。各子模塊的連接關係為核心控制子模塊(6)與節點分層功能子模塊(7)通信，而節點分層功能子模塊(7)與原始指標數據搜集子模塊(8)通信。
核心控制子模塊(6)負責維護系統仿真事件隊列，執行事件處理循環。它不斷從事件隊列中取出最早的事件，並根據事件內容將事件調度給目標節點的目標功能層處理。
節點分層功能子模塊(7)按TCP/IP協議體系結構實現了分層的節點模型，從上至下依次為應用層、傳輸層、網絡層、MAC層、物理層，節點分層功能子模塊(7)中還增加了移動模型層以支持對可移動節點的模擬。
原始指標數據搜集子模塊(8)由節點分層功能子模塊(7)調用，以在仿真過程中搜集原始的性能指標數據，這些原始數據將在一次仿真接收後交給指標數據可信處理模塊(4)處理。
該網絡仿真系統的有益效果是能自動計算性能指標數據的平均值及具有一定置信度的置信區間的單邊長度，特別適用於需要重複運行多次仿真的應用場合及多備選方案的對比仿真，能大幅度提高用戶工作的自動化程度和工作效率，免除用戶繁瑣的仿真數據處理操作。
圖1是自動進行方案對比的可信網絡仿真系統的總體結構框圖。
圖2是自動進行方案對比的可信網絡仿真系統的示例仿真配置文件內容節選。
圖3是自動進行方案對比的可信網絡仿真系統的示例仿真結果文本文件內容節選。
圖4是自動進行方案對比的可信網絡仿真系統的全局工作流程圖。
圖5是自動進行方案對比的可信網絡仿真系統中仿真片段的工作流程圖。
具體實施例方式
本發明所提出的網絡仿真系統的主體運行流程包含兩層循環。內層循環中依次從待比較的方案列表中選擇一個方案進行仿真，內層循環變量是循環變量是SchemeIndex，它表示當前方案在方案列表中的序號。外層循環的循環變量為仿真序列的序號SimIndex。SchemeIndex和SimIndex都從0開始。把一次內層循環稱為一個仿真片斷，而把一次外層循環成為一個仿真序列，這樣該仿真系統一次完整的運行過程中包括多個仿真序列。
本發明提出的網絡仿真系統結合附圖及實施例進一步說明如下
本發明提出的網絡仿真系統的總體結構框圖如圖1所示，它包括五個模塊全局控制模塊(2)、配置信息輸入模塊(1)、仿真運行模塊(3)、指標數據可信處理模塊(4)、可信指標數據輸出模塊(5)。該全局控制模塊(2)分別與配置信息輸入模塊(1)、仿真運行模塊(3)、指標數據可信處理模塊(4)、可信指標數據輸出模塊(5)通信，該仿真運行模塊(3)與全局控制模塊(2)和指標數據可信處理模塊(4)通信，該指標數據可信處理模塊(4)分別與全局控制模塊(2)、仿真運行模塊(3)、可信指標數據輸出模塊(5)通信。
本發明所提出的網絡仿真系統的工作流程如圖4所示。包括如下步驟1.配置信息輸入模塊(1)從指定的仿真配置信息文件中讀取仿真配置信息。仿真配置信息包括仿真重複次數SimMax，參與對比研究的各具體協議的列表，該列表的長度SchemeMax，可變參數列表，各可變參數的參數值列表，仿真場景區域，節點數量，各層功能所採用的具體協議，及仿真需要的其它參數。
2.全局控制模塊(2)設置待進行的仿真片段所在仿真序列的編號SimIndex＝0。
3.全局控制模塊(2)設置待進行的仿真片段在所在仿真序列中的編號SchemeIndex＝0。
4.全局控制模塊(2)將控制權交給仿真運行模塊(3)。
5.仿真運行模塊(3)根據SchemeIndex及其它配置信息作為仿真配置參數完成一個網絡仿真片段。該次仿真中獲取的性能指標數據在仿真結束時被傳遞給性能指標數據二維數組RawMetricGroup[][]中。然後將控制權交還全局控制模塊(2)。
6.全局控制模塊(2)調用性能指標可信處理模塊(4)，後者根據二維數組RawMetricGroup[][]中的數據自動實時計算至目前為止各性能指標的平均值及其具有特定置信度的置信區間的單邊長度，並將計算結果存入一維數組CredibleMetric[]中。
7.全局控制模塊(2)調用可信性能指標輸出模塊(5)，後者將處理後的一維數組CredibleMetric[]中的性能指標數據輸出到結果文本文件中。
8.SchemeIndex＝SchemeIndex+1。
9.判斷SchemeIndex是否等於SchemeMax。若否，則轉到第4步，否則轉到第10步。
10.SimIndex＝SimIndex+1。
11.判斷SimIndex是否等於SimMax。若否，則轉到第3步，若是則繼續轉到第12步。
12.此次運行結束。
配置信息輸入模塊(1)配置信息輸入模塊(1)負責從配置文件中讀取運行仿真所需的配置參數。配置文件為文本型文件，可用任何文本編輯器編輯。
每行配置信息均採用格式「參數名 參數值列表」，其中參數列表可僅包含一項，也可包含多項。配置文件的前兩個參數為SIM_LIST_MAX和SCHEME_MAX，分別表示要仿真的仿真序列的數量和每個仿真序列中的方案數量。這兩個參數分別只能取一個值。其它參數的參數值列表可以包含多項，若參數列表中的項數小於SCHEME_MAX，則所有方案中該參數都取第一個值，否則每個方案依次選取對應位置的值。
圖2所示的配置文件片段表明此次運行需要仿真50個仿真序列，每個仿真序列中方案數為3，要給出的置信區間的置信度為0.95。NODE_NUMBER參數後的參數值列表中僅有2項，所以所有方案中節點數NODE_NUMBER均取為100，而ROUTE_POLICY參數後的參數值列表有4項，所以這三個方案中ROUTE_POLICY分別選用DSR、ODMRP、AODV協議。
仿真運行模塊(3)仿真運行模塊(3)負責仿真片段的運行，如圖1中所示，它包括三個子模塊核心控制子模塊(6)、節點分層功能子模塊(7)、原始指標數據搜集子模塊(8)。各子模塊的連接關係為核心控制子模塊(6)與節點分層功能子模塊(7)通信，而節點分層功能子模塊(7)與原始指標數據搜集子模塊(8)通信。核心控制子模塊(6)負責維護系統仿真事件隊列，執行事件處理循環。它不斷從事件隊列中取出最早的事件，並根據事件內容將事件調度給目標節點的目標功能層處理。節點分層功能子模塊(7)按照TCP/IP協議體系結構實現了分層的節點模型，從上至下依次為應用層、傳輸層、網絡層、MAC層、物理層，節點分層功能子模塊(7)中還增加了移動模型層以支持對可移動節點的模擬。原始指標數據搜集子模塊(8)由節點模型調用，以在仿真過程中搜集原始的性能指標數據，這些原始數據將在一次仿真接收後交給指標數據可信處理模塊(4)處理。核心控制子模塊(6)是仿真運行模塊(3)的核心模塊，節點分層功能子模塊(7)和原始指標數據搜集子模塊(8)在核心控制子模塊(7)的控制下協調完成仿真片斷的運行。一次仿真的運行流程如圖5所示。
1.仿真片段的初始化。包括初始化仿真網絡拓撲，初始化仿真用參數，包括從對比協議列表中選擇所需協議，初始化通用仿真參數值，初始化仿真所需基本數據結構，根據配置信息初始化網絡流量激勵信息。
2.核心控制子模塊(6)判斷事件隊列是否為空。若是，則轉到第8步。否則轉到第3步。
3.核心控制子模塊(6)從事件隊列中取出觸發時刻最早的事件。核心控制子模塊(6)將當前仿真時刻調整為該事件的觸發時刻。
4.核心控制子模塊(6)根據事件附帶的信息確定該事件的目標節點和目標功能層，並將事件發送給相應目標模塊處理。
5.目標節點的目標功能層處理核心控制子模塊(6)調度過來的事件，並根據需要調用原始指標數據搜集子模塊(8)。
6.原始指標數據搜集子模塊(8)更新相應性能指標數據。轉到第2步。
7.仿真片段的收尾處理。包括性能指標數據的更新，以及將本次仿真中獲得的性能指標數據發送給全局控制模塊(2)。
8.該仿真片段結束。
指標數據可信處理模塊(4)每個仿真片段完成後都要將在該仿真片段中獲取的原始性能指標數據存入二維數組RawMetricGroup[][]中。二維數組RawMetricGroup[][]的第一維對應不同的仿真序列，而第二維對應同一仿真序列中的不同方案。二維數組RawMetricGroup[][]的基本元素是StructRawMetric結構型的變量，每個待測性能指標在該StructRawMetric結構中都對應一個欄位Metric。指標數據可信處理模塊(4)負責處理二維數組RawMetricGroup[][]中存儲的已完成仿真片段的性能指標原始數據，自動及時地針對每個方案分別計算平均值及其具有一定置信度的置信區間的單邊長度，並存入一維數組CredibleMetric[]中，該數組的不同位置的元素對應各個待比較方案。一維數組CredibleMetric[]的基本元素是StructCredibleMetric結構型的變量。每個待測性能指標在StructCredibleMetric結構中對應兩個欄位平均值欄位MetricMean和置信區間單邊長度MetricError。
對於某一特定待測方案，每一個待測性能指標Metric都是一個隨機變量x。採用該特定方案所進行的一次仿真中所獲取的相應指標值是該隨機變量的一次實現。記xi為第i個仿真序列中對應該特定方案(假設該方案編號為j)的數組元素RawMetricGroup[i][j]中的對應該待測性能指標的Metric欄位的值。
網絡仿真中隨機變量x的期望值μ和方差σ2都是未知的。
數理統計理論說明，不論隨機變量x是什麼分布，n次重複仿真中獲取的性能指標數據的平均值x=i=1nxi]]>均為x的期望值μ的無偏估計，所以StructCredibleMetric結構中對應該指標的MetricMean欄位中存儲的是
x=i=1nxi.]]>置信區間的計算相對複雜一些。數理統計理論說明，S02=i=1n(xi-x)2n-1]]>才是變量x的方差σ2的無偏估計。不論x服從何種分布， 均服從自由度為n-1的t-分布。對於給定置信度α，(x-t1-/2,n-1S0n,x+t1-/2,n-1S0n)]]>為μ的置信度為α的置信區間。在StructCredibleMetric結構中對應該指標的MetricError欄位存儲的是 的值，而t1-α/2，n-1在程序中根據α和n的值通過查表獲取。
可信指標數據輸出模塊(5)可信指標數據輸出模塊(5)負責將CredibleMetric變量中的數據利用fprint標準函數輸出到結果文本文件中。獲得多次仿真結果後，為便於區分每次仿真所用的配置信息，在向結果文件輸出性能指標數據之前先寫入仿真配置文件的內容。
網絡仿真程序一般需要運行一段時間才能結束，為了能迅速及時地跟蹤仿真結果，查看現有仿真結果的置信區間，本發明中允許在每個仿真片段運行完後立即重新計算CredibleMetric的值並輸出至結果文本文件中。
為便於將CredibleMetric仿真結果倒入Excel和Matlab等程序中進行做圖，用fpintf輸出時用「\t」在每行內各數據之間加入tab鍵。
圖3所示為利用圖2所示配置文件進行仿真所獲得的結果文件的節選。其中前5行代表本仿真所用配置參數列表。而後續各行為由可信指標數據輸出模塊(5)輸出的仿真結果數據。後續各行中第1行表示後面每行仿真結果中各欄位的意義，其餘為具體的仿真數據。如圖3中「Scheme Sim PacketMeanPacketError EnergyMean EnergyError」表示從左至右各欄位的意義為Scheme 所用方案Sim每方案已完成的仿真片段數量
PacketMean 平均發送報文總數PacketError 平均發送報文總數具有給定置信度的置信區間的單邊長度EnergyMean 平均消耗能量EnergyError 平均消耗能量的具有給定置信度的置信區間的單邊長度通過其全局控制模塊(2)、配置信息輸入模塊(1)、仿真運行模塊(3)、指標數據可信處理模塊(4)、可信指標數據輸出模塊(5)這五個功能模塊的協調配合，本發明所提出的網絡仿真系統具有如下功能特點能自動地在一次運行過程中利用不同的隨機數種子完成多個仿真片段，能自動進行多方案對比仿真研究，在仿真程序運行過程中能自動及時地計算性能指標數據的平均值及其具有一定置信度的置信區間的單邊長度。該發明適用於各種通用網絡仿真試驗，特別適用於需要重複運行多次仿真的應用場合及多備選方案的對比仿真。使用該發明能大幅度提高網絡仿真用戶工作的自動化程度和工作效率，免除用戶繁瑣的仿真數據處理操作。
權利要求
1.一種自動進行方案對比的可信網絡仿真系統，其特徵在於，其結構包括全局控制模塊(2)、配置信息輸入模塊(1)、仿真運行模塊(3)、指標數據可信處理模塊(4)、可信指標數據輸出模塊(5)；該配置信息輸入模塊(1)與全局控制模塊(2)通信，該全局控制模塊(2)分別與配置信息輸入模塊(1)、仿真運行模塊(3)、指標數據可信處理模塊(4)、可信指標數據輸出模塊(5)通信，該仿真運行模塊(3)與全局控制模塊(2)和指標數據可信處理模塊(4)通信，該指標數據可信處理模塊(4)分別與全局控制模塊(2)、仿真運行模塊(3)、可信指標數據輸出模塊(5)通信，該可信指標數據輸出模塊(5)分別與全局控制模塊(2)和指標數據可信處理模塊(4)通信。
2.根據權利要求1所述的自動進行方案對比的可信網絡仿真系統，其特徵在於，其中仿真運行模塊(3)包含三個子模塊核心控制子模塊(6)、節點分層功能子模塊(7)、原始指標數據搜集子模塊(8)；該核心控制子模塊(6)與節點分層功能子模塊(7)通信，而節點分層功能子模塊(7)與原始指標數據搜集子模塊(8)通信。
3.根據權利要求1所述的自動進行方案對比的可信網絡仿真系統，其特徵在於，在其全局控制模塊(2)的控制下，能自動在一次運行過程中完成多個仿真片段。
4.根據權利要求1所述的自動進行方案對比的可信網絡仿真系統，其特徵在於，在其全局控制模塊(2)的控制下，能自動實現多方案的對比仿真實驗。
5.根據權利要求1所述的自動進行方案對比的可信網絡仿真系統，其特徵在於，在仿真程序運行過程中指標數據可信處理模塊(4)能自動及時地根據已完成仿真試驗的數據結果針對每個被測方案計算指標數據的平均值及其具有一定置信度的置信區間的單邊長度。
全文摘要
本發明涉及一種自動進行方案對比的可信網絡仿真系統，其結構包括五個模塊全局控制模塊、配置信息輸入模塊、仿真運行模塊、指標數據可信處理模塊、可信指標數據輸出模塊。仿真運行模塊負責仿真片段的運行，它包括三個子模塊核心控制子模塊、節點分層功能子模塊、原始指標數據搜集子模塊。核心控制子模塊是仿真運行模塊的核心模塊，它控制仿真運行模塊的其它兩個子模塊完成仿真片段的運行。該網絡仿真系統的顯著特點是自動批量運行仿真片斷並自動計算性能指標數據的平均值及具有一定置信度的置信區間的單邊長度。該系統適用於需重複運行多次仿真及多備選方案對比仿真的情形。使用該系統能大幅度提高網絡仿真自動化程度和工作效率。
文檔編號H04L12/26GK1870545SQ200610010170
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月15日 優先權日2006年6月15日
發明者高振國, 王春生 申請人:哈爾濱工程大學