網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張建立

摘要：在網(wǎng)絡時代，人們對于網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡傳輸速率有著越來越高的要求，對網(wǎng)絡的應用更加頻繁，從而推進了光纖網(wǎng)絡的廣泛使用。光纖網(wǎng)絡容易產(chǎn)生信號質(zhì)量損傷問題，也被稱為網(wǎng)絡損傷。為了保障網(wǎng)絡應用的服務質(zhì)量，設計了網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)，并對其進行了實現(xiàn)，以期通過該系統(tǒng)來對網(wǎng)絡損傷進行仿真評估，從而進一步改良損傷力強的元件。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡損傷 仿真系統(tǒng) 設計

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0170-01

根據(jù)當前的網(wǎng)絡發(fā)展趨勢，未來的通訊承載網(wǎng)應該是IP網(wǎng)，這就要求IP網(wǎng)必須具備更高的傳輸質(zhì)量和實時性，為了保障數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，必須對IP協(xié)議進行改造。當前已經(jīng)有一些研究者提出了影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕蛩匕ǘ秳?、時延和吞吐量等，這也被稱為網(wǎng)絡損傷。

1 網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)的流程和功能

在經(jīng)過網(wǎng)絡時應用程序發(fā)送信息的特征會出現(xiàn)改變，這就造成了接收端和發(fā)送端的信息特征不一致，從而影響了應用性能，這即網(wǎng)絡損傷。網(wǎng)絡會影響應用程序的性能，傳輸時延為0、吞吐能力無窮大的理想數(shù)據(jù)通路并不會影響應用程序的性能，但是受到物理設備性能指標的限制，以及在網(wǎng)絡設備中該應用所傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級別等因素的影響，數(shù)據(jù)通路經(jīng)常會受到限制。常見的影響數(shù)據(jù)通路的負面因素主要包括外界干擾、網(wǎng)絡控制信息的數(shù)據(jù)流或者其他應用程序、傳輸媒介方面的限制，以及網(wǎng)絡設備性能指標方面的限制等。

IP網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡損傷主要包括丟失、出錯、延時、拆分、重復、重組、亂序、抖動、擁塞、鏈路中斷、干擾、路由震蕩、路由陷阱或路由黑洞、速率限制、網(wǎng)絡跨越等，其中不能用其他網(wǎng)絡損傷表示的網(wǎng)絡損傷有6種，分別為：重組、拆分、重復、錯誤、丟失、延時，這6種網(wǎng)絡損傷可稱為基損傷[1]。

2 網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)的具體設計

2.1 設計目標

網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)應該以整個網(wǎng)絡系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡通信過程中涉及到的所有元件的具體性能囊括進來，通過比較完整的數(shù)學分析模型，建立網(wǎng)絡損傷仿真模擬綜合評價平臺以及輸出和輸入操作界面，并進行模塊化設置。該系統(tǒng)應該通過仿真計算輸出誤碼率和波形圖。

2.2 設計流程

該系統(tǒng)選擇的程序設計方法是C++語言面向?qū)ο?，其所定義的對象是引發(fā)網(wǎng)絡損傷的元件，分別為網(wǎng)橋、交換機、中繼器、路由器和光纖，各元件均包括不同的屬性和特征，而不同元件的屬性和特征又分別具有相應的特性和共性。該系統(tǒng)可以分為兩個主要部分：人機交互的數(shù)據(jù)與操作部分、網(wǎng)絡傳輸損傷評估數(shù)據(jù)操作部分。

該系統(tǒng)應該設置元件數(shù)據(jù)庫，按照屬性和性質(zhì)對和網(wǎng)絡損傷有關(guān)的元件進行分類，并對相同的接口函數(shù)進行定義，將同類軟件衍生出的元件屬性差異進行分類，對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進行定義。以其對傳輸?shù)淖饔脼橐罁?jù)，對元件賦予不同的傳輸函數(shù)。

2.3 功能模塊設計

該系統(tǒng)包括5個緊密關(guān)聯(lián)的功能模塊：圖形化人機接口模塊、設備系統(tǒng)模塊、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸性能評估模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡元件庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊。其中網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)的中心是人機接口模塊，主要供用戶進行系統(tǒng)操作，用戶可以通過該模塊啟動損傷仿真、建立網(wǎng)絡物理結(jié)構(gòu)、設置各元件參數(shù)。要對網(wǎng)絡中的元件庫系統(tǒng)參數(shù)和設備系統(tǒng)進行評估，則需要使用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸性能評估模塊，然后使用圖形化的方式來顯示評估結(jié)果。人機交互接口模塊可以對設備系統(tǒng)參數(shù)和元件庫模塊參數(shù)進行反饋。

2.4 系統(tǒng)操作流程

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化、可視化仿真操作，通過圖形化操作平臺，用戶可以進行存取文件、啟動仿真、設置參數(shù)、調(diào)整結(jié)構(gòu)、選擇設備、選擇元件等操作，用戶先要對鏈路連接的合法性進行檢查，然后再對各元件傳輸函數(shù)進行調(diào)用，運用波形圖來仿真模擬網(wǎng)絡傳輸，最后將仿真結(jié)果得出來[2]。

3 網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)可以分為兩個基本步驟。第一個基本步驟是要變網(wǎng)絡中各節(jié)點的線性串擾、ASE噪聲、信號平均功率進行計算，第二個基本步驟是對網(wǎng)絡的整體性能以及選定的信號畸變進行計算。

在波長與主要使用平均功率和載波波長來對信號進行表示，對于相位傳輸不予考慮，波長變量的損耗或增益函數(shù)用元件來表示，從而進行功率計算。對非線性效應和信號波形受到網(wǎng)絡元件的影響不予考慮。以信號占用波段的個數(shù)為依據(jù)，將信號表示為寬帶或者窄帶。用在各波長處的傳輸函數(shù)來表示網(wǎng)絡元件，并運用數(shù)據(jù)表或線性方程來給出此函數(shù)，可假設一個常數(shù)來表示波段內(nèi)的損耗或者增益。

時間和輸入功率也會對各元件的傳輸函數(shù)造成一定的影響，在經(jīng)過網(wǎng)絡的多個元件時，ASE噪聲、串擾、信號的功率就要與該元件的損耗值或者增益值相乘，這樣就可以得出各個元件輸出端的平均功率值。與此同時，如果一個元件產(chǎn)生串擾，就不能在該波長段的平均功率上加上串擾功率，應該使用不同的窄帶信號來表示每個干擾，再用第二步仿真來評估串擾造成的影響[3]。

第二步計算可以使用時域的波形來表示信號，此時應該對相位和幅度進行考慮，只計算選中網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲?？梢詫W(wǎng)絡信號的偏振、相位、頻率和調(diào)制方式進行選擇，從而獲得初始信號形式。如果串擾向較小，則可當作噪聲或者對其進行忽略?？梢杂靡粋€簡單的傳輸方程來表示網(wǎng)絡中的信息元件。通過逆向轉(zhuǎn)換，輸出的光譜采樣會在輸出端的最后一個模塊中轉(zhuǎn)回時域信號，頻域和時域這兩種表示形式同時有效。

4 結(jié)語

本文通過對全部的時域信號復振幅進行離散化和采樣，對所有的相位信息和輔助信息進行了囊括，通過選擇典型元件的方式將元件庫建立了起來，同時建立了傳輸損傷模型。以元件模型和完整的系統(tǒng)框架為基礎(chǔ)，使用網(wǎng)絡損傷仿真系統(tǒng)來評估和計算整個鏈路的性能。該系統(tǒng)能夠有效地模擬網(wǎng)絡損傷，并計算網(wǎng)絡傳輸受到計算機各元件的影響，以此為基礎(chǔ)來改良損傷力強的軟件，從而使網(wǎng)絡傳輸?shù)馁|(zhì)量得到不斷的提高。

參考文獻

[1]李宏海，周瑞巖.面向?qū)ο蠓椒ㄔ诜抡娼Ｖ械膽醚芯縖J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（05）.

[2]李彥廣.網(wǎng)絡攻防仿真系統(tǒng)終端子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化，2014（03）.

[3]劉博元，姜嘉慧，范文慧.仿真系統(tǒng)可信度的灰色層次分析法[J].信息與電腦（理論版），2013（08）.