共享式以太网与交换式以太网的性能比较（OPNET网络仿真实验）

一、实验目的

比较共享式以太网和交换式以太网在不同网络规模下的性能。

二、实验方法

使用opnet来创建和模拟网络拓扑，并运行分析其性能。

三、实验内容

3.1   实验设置（网络拓扑、参数设置、要观察的数据等）

步骤1：下载IT Guru，创建一个新的项目,将其命名为hub_switch_project。

步骤2：创建一个场景——hub_scenario。稍后我们将添加另一个场景——switch_scenario到相同的项目。

步骤3：选择默认模型库和默认的场景维度。

步骤4：拖拽5个以太网工作站和一个服务器到场地中，并且用一个中心集线器将它们连接起来。拓扑结构如下图：

步骤5：添加配置文件和应用程序节点。

步骤6：打开应用程序节点和属性窗口为应用程序定义的行选择“Default”。 这让所有标准应用(HTTP、FTP、电子邮件、数据库等)在我们的网络拓扑中可以使用。

步骤7：我们将创建一个定制的概要文件--web应用程序用户概要——我们称此概要为 “web user”。 在编辑框为概要文件-属性窗口。如下图：

 

去profile configuration – it is highlighted above – and select “edit”. 一个新的迷你窗口打开了，profile  configuration  table  window – select row #1.如下图所示：

 

目前配置文件名改名为“Web User”。 改变重复性列下入口为 “unlimited”。应用程序选择编辑，这时一个新的窗口弹出，这是一个新的应用程序窗口，我们将选择一个应用程序将相关的Web用户配置文件。选择第1行并选择“web browsing heavy.”如下图：

 

关闭所有打开的窗口。在这个阶段我们已经创建了一个新的概要文件称为“Web User”，这个概要文件可以应用在我们的拓扑中。

步骤8：应用配置文件“Web User”于所有的工作站。这可以方便地通过按住控制键选择下面的五个工作站,然后做出适当的选择，改变任何一个工作站的属性窗口。必须确保选中“Apply changes to selected objects” 在工作站的属性窗口。第一次打开应用树的时候概要文件就被应用了。在应用程序中支持概要选择编辑的行条目。打开一个新窗口——Supported Profiles window,在第1行选择Web用户。

步骤9：服务器进行配置。选择edit  attributes,打开应用程序树,去应用行支持服务。选择edit。一个新窗口the Applications Services Table window打开了。选择第1行和选择web browsing heavy。这个阶段在这台机器上设置的本质上是一个通用的HTTP服务器。

 

步骤10：选择在模拟运行期间应该收集的统计信息。　在菜单栏选择选择choose individual statistics.” 在结果窗口中选择树“node statistics”。

步骤11：运行仿真, 在DES菜单下选择“Configure/Run DES simulation”。

步骤12：检查结果，通过DES menu -> results ->view statistics.如下图：

 

步骤13：现在找到一个有用的对比让我们在同一个项目下创建另一个场景。这样方便在新场景中复制整个拓扑中心场景的工作区域和和随后对副本进行的更改。根据场景菜单并选择复制场景。名称是“switch scenario.” 一个新的工作区打开了一个重复的集线器的场景。选择一个以太网交换机的对象　　窗口(点击打开对象面板按钮如果它不可见),并将其代替集线器。

 

步骤14：在相同的数据下运行，切换场景。通过选择下拉列表中的场景的选择，在相同的统计图中我们可以进行比较。不同的数据使用不同的颜色。检查所有的性能数据。

3.2 实验数据

Node_0:

 

Node_4:

 

对比：

  

3.3 实验数据分析

通过分析Object Response Time和Page Response Time可以看出两种设备均是围绕着一定的平均值上下波动。但相比switch而言，hub的平均响应时间要少，延迟较低。

3.4 问题讨论

1.In which scenario is there greater page loading delay?Explain why.

 答：通过Page Response可以看出，在小型局域网中使用集线器时Page Response Time会比用交换机时少。  这是由于集线器工作在物理层，而交换机工作在数据链路层，需要进 行交换处理过程，所以工作时间相对较长。  

 2.Are there any worthwhile differences in any of the other statistics that  were  collected? Explain why one would expect differences or identical results. 

答：其他收集到的实验数据中， User Cancelled Connections是不重要的信息。但是像Page Response Time则是很有价值的信息，可以通过两个场景下的相互对比，分析出各自网 络的性能。  实验中产生的差异的数据会比较清楚地显示出不同前提条件下对实验产 生的影响，而相同的结果则比较容易证明一些一致性的问题，或者某个条件的变化不会对结果产生影响。

四、实验内容二

4.1 实验设置（网络拓扑、参数设置、要观察的数据等等）

步骤1：创建一个名为medium_hub_switch的新项目。创建一个空的情况称为“hub_scenario。”

步骤2：选择一个不同于默认的模型库，并选择以太网，从下拉列表中模型库。一个新的对象的列表　　应该会出现。

步骤3：我们将创建一个子网。

步骤4：双击子网图标——这将打开一个新的网的窗口——子网窗口。

置创建一个新的子网。如下图：

 

步骤6：单击OK,它应该自动生成14 个工作站连接在hub上。如下图：

 

步骤7：创建另一个14工作站与中心hub连接的拓扑子网。

步骤8：将应用程序概要文件图标添加到工作区，创建一个名为Web User的概要文件。将这个概要文件应用到所有的工作站。如图：

  

步骤9：将bridge拖到工作区中，连接两个hub中央枢纽。如下图：

 

步骤10：返回上层桌面。

步骤11：复制子网图标并粘贴它，至少三至四个——大约80 - 120工作站。由于版本问题等原因我们这里只能创建不超过80个结点。

步骤12：工作区中加入一个hub，并通过100 Base T数据线连接到子网的桥上。如图：

 

步骤13：设置服务器。如图：

 

步骤14：DES菜单中选择选择统计和选择页面统计时间延迟HTTP客户端。

 

步骤15：运行场景。

步骤16：审查收集到的统计数据。

步骤17：复制当前的场景到一个新的场景称为switch_scenario。

步骤18：用一个switch替换每个子网下的bridges。

步骤19：把最上层的hub也替换成switch。如图：

 

步骤20：选择相同的统计数据。

步骤21：查看结果。

4.2 实验数据

hub_scenario：

 

switch_scenario：

 

对比：

 

 

 

 

4.3 实验数据分析

通过分析上面的实验数据可以得出，在中等规模的以太网中，交 换式以太网性能比共享式以太网要好一些，但由于实验模拟工作主机数目的问题，两者差别不是很大。

4.4 问题讨论

(1) In which scenario is there greater page loading delay? Explain why.

答： 在switch_scenario的场景下页面载入时间延迟要长一些，因为使用的是switch设备，因而进行数据传输时需要对数据包进行封装处理MAC地址，故增加了相应的开销。但是实验由于工作主机数目较少，所以两者差别不是很大。

(2) Are there any worthwhile differences in any of the other statistics that were (optionally) collected? Explain why one would expect differences or identical results.

答： 没有，实验中产生的差异的数据会比较清楚地显示出不同前提条件下对实验产生的影响，而相同的结果则比较容易证明一些一致性的问题，或者某个条件的变化不会对结果产生影响。

(3) Re-run the switch_scenario by replacing switches in the subnets with bridges in all the subnets. What happens to the performance then – to the page delay statistic?

答： 替换所有子网中的switch后，可以通过数据分析和图形发现页面响应时间没有太大变化。

(4) Re-run the hub_scenario by replacing the central hub in the top-level network with a bridge. What happens to the performance then – to the page delay statistic?

答：做出改变之后，可以发现页面响应时间明显要比先前小的多。

(5) Re-run the switch_scenario by replacing the top-level switch with a hub but retaining the switches in all subnets. What happens to the performance then – to the page delay statistic?

答：做出改变之后，可以发现页面响应时间明显要比先前大的多

五、结论

在小规模的以太网中，共享式以太网综合性能比交换式以太网要好一些。从上面的分析可以得出，交换式以太网的传输延迟要大一些，这是由于交换式以太网中switch会对数据包进行封装处理，分析和解析数据包里的MAC地址，并转发至目标端口，因而这些操作会造出一定的延时。相反hub则不会对数据包进行任何处理而是直接发送，故延时药要小一些。所以在小规模以太网中，共享式以太网的综合性能要比交换式以太网好一些。 

然而，共享式以太网是基于广播的方式来发送数据的，因为集线器不能识别帧，故在进行数据传输时，直接进行数据传输而不对数据包进行封装处理，也就是在该网络中所有的主机均可以收到这些数据。所以当网络中的节点增多时，通过广播方式传输数据的共享式以太网容易发生信息的阻塞和冲突，进而导致工作效率的下降。 

综上所述，虽然在中小型规模的以太网中，二者性能相差不大，或者说共享式以太网的综合性能要比交换式以太网好一些，但由于网络规模的增大，冲突发生几率大大增加的情况下，大规模以太网中采用交换式以太网可以提高网络性能。