網絡損傷仿真系統設計與實現

張建立

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

關鍵詞：網絡損傷 仿真系統 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

根據當前的網絡發展趨勢，未來的通訊承載網應該是IP網，這就要求IP網必須具備更高的傳輸質量和實時性，為了保障數據的傳輸質量，必須對IP協議進行改造。當前已經有一些研究者提出了影響數據傳輸的主要因素包括抖動、時延和吞吐量等，這也被稱為網絡損傷。

1 網絡損傷仿真系統的流程和功能

在經過網絡時應用程序發送信息的特征會出現改變，這就造成了接收端和發送端的信息特征不一致，從而影響了應用性能，這即網絡損傷。網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據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，以及在網絡設備中該應用所傳輸數據的優先級別等因素的影響，數據通路經常會受到限制。常見的影響數據通路的負面因素主要包括外界干擾、網絡控制信息的數據流或者其他應用程序、傳輸媒介方面的限制，以及網絡設備性能指標方面的限制等。

IP網絡中的網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、網絡跨越等，其中不能用其他網絡損傷表示的網絡損傷有6種，分別為：重組、拆分、重復、錯誤、丟失、延時，這6種網絡損傷可稱為基損傷[1]。

2 網絡損傷仿真系統的具體設計

2.1 設計目標

網絡損傷仿真系統應該以整個網絡系統為基礎，將數據傳輸和網絡通信過程中涉及到的所有元件的具體性能囊括進來，通過比較完整的數學分析模型，建立網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

該系統選擇的程序設計方法是C++語言面向對象，其所定義的對象是引發網絡損傷的元件，分別為網橋、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。該系統可以分為兩個主要部分：人機交互的數據與操作部分、網絡傳輸損傷評估數據操作部分。

該系統應該設置元件數據庫，按照屬性和性質對和網絡損傷有關的元件進行分類，并對相同的接口函數進行定義，將同類軟件衍生出的元件屬性差異進行分類，對數據庫結構進行定義。以其對傳輸的作用為依據，對元件賦予不同的傳輸函數。

2.3 功能模塊設計

該系統包括5個緊密關聯的功能模塊：圖形化人機接口模塊、設備系統模塊、網絡數據傳輸性能評估模塊、數據處理模塊、網絡元件庫系統數據庫模塊。其中網絡損傷仿真系統的中心是人機接口模塊，主要供用戶進行系統操作，用戶可以通過該模塊啟動損傷仿真、建立網絡物理結構、設置各元件參數。要對網絡中的元件庫系統參數和設備系統進行評估，則需要使用網絡數據傳輸性能評估模塊，然后使用圖形化的方式來顯示評估結果。人機交互接口模塊可以對設備系統參數和元件庫模塊參數進行反饋。

2.4 系統操作流程

該系統能夠實現圖形化、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、調整結構、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進行調用，運用波形圖來仿真模擬網絡傳輸，最后將仿真結果得出來[2]。

3 網絡損傷仿真系統的實現

網絡損傷仿真系統的實現可以分為兩個基本步驟。第一個基本步驟是要變網絡中各節點的線性串擾、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絡元件的影響不予考慮。以信號占用波段的個數為依據，將信號表示為寬帶或者窄帶。用在各波長處的傳輸函數來表示網絡元件，并運用數據表或線性方程來給出此函數，可假設一個常數來表示波段內的損耗或者增益。

時間和輸入功率也會對各元件的傳輸函數造成一定的影響，在經過網絡的多個元件時，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，只計算選中網絡的網絡拓撲?？梢詫W絡信號的偏振、相位、頻率和調制方式進行選擇，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絡中的信息元件。通過逆向轉換，輸出的光譜采樣會在輸出端的最后一個模塊中轉回時域信號，頻域和時域這兩種表示形式同時有效。

4 結語

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框架為基礎，使用網絡損傷仿真系統來評估和計算整個鏈路的性能。該系統能夠有效地模擬網絡損傷，并計算網絡傳輸受到計算機各元件的影響，以此為基礎來改良損傷力強的軟件，從而使網絡傳輸的質量得到不斷的提高。

參考文獻

[1]李宏海，周瑞巖.面向對象方法在仿真建模中的應用研究[J].電子技術與軟件工程，2014（05）.

[2]李彥廣.網絡攻防仿真系統終端子系統的設計與實現[J].計算機與現代化，2014（03）.

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