AI時代系列(4)：AI 驅動的電信網路規劃與設計 🌐
93/100 第十章：電信網路規劃與未來展望
93. 拓撲設計 🧩 模擬工具與案例
👉 使用 NS-3、OPNET 進行模擬。
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🎯 單元導讀
在網路建設與研究中，實體部署前的模擬分析是必不可少的環節。
透過拓撲設計與模擬工具（如 NS-3、OPNET/IT Guru），工程師可預測：
• 網路佈建效能是否足夠
• 封包流量是否會形成瓶頸
• QoS、延遲與吞吐量表現如何
• 新技術（如MPLS、5G切片）是否會穩定運作
此單元將介紹網路拓撲設計的基本概念、模擬工具的選擇，並結合實務案例說明模擬流程。
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🧠 一、什麼是網路拓撲設計？
網路拓撲是指各節點（Router、Switch、Server、Client）之間的連線方式，類似於道路網的配置方式。
🔗 常見拓撲類型：
星狀 (Star)：
中心設備（如交換器）負責所有連線，架構簡單、易管理，但中心故障全網癱瘓，單點風險高。
匯流排 (Bus)：
所有節點共用一條傳輸媒介，施工成本低，擴充容易，但訊號碰撞多，適合小型或暫時性網路。
環狀 (Ring)：
節點串成一圈，可單向或雙向傳遞，常用於 SONET 等高速網路。傳輸有序但某一點故障會影響整圈。
網狀 (Mesh)：
任意節點可直接相連，路徑眾多，可靠性極高、抗故障力強，但建置成本與複雜度也最高
混合型 (Hybrid)：
將多種結構組合，兼顧彈性、成本與可靠性，實務最常見於大型企業與電信網路。
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🧠 二、模擬工具介紹
🧪 NS-3（Network Simulator 3）
• 📌 開源、C++/Python 編寫
• 支援 IPv4/IPv6、Wi-Fi、LTE、5G 模組
• 適合教育訓練與科研模擬
• 可模擬節點數千以上的大型拓撲
• 可與仿真平台（如 SUMO 車聯網）結合
🧪 OPNET / Riverbed Modeler
• 📌 商用等級，圖形化介面強大
• 模組齊全（包括 ATM、Frame Relay、MPLS、VoIP）
• 詳細協定棧模擬（Layer 1~7）
• 中華電信過去曾以其進行 NGN 架構效能評估
• 免費版本為 IT Guru Academic Edition
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🧠 三、模擬案例流程（以 NS-3 為例）
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│ 🧩 拓撲設計 (Network Topology Design) │
│ 規劃節點、連線、流量與協定 │
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│ 🧠 模擬工具 Simulation Tools │
│ NS-3：開源網路模擬（C++/Python） │
│ OPNET：商用模擬（GUI + 精準流量模型） │
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│ 📊 模擬案例 Simulation Scenarios │
│ ① RAN 架構延遲分析 │
│ ② QoS 與流量分配策略測試 │
│ ③ 節點故障與冗餘驗證 │
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│ ✅ 結果分析 (Result Analysis) │
│ 驗證拓撲效能、瓶頸、可靠性 │
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這張圖展示了電信網路拓撲設計的完整模擬流程。工程師首先在「拓撲設計階段」規劃節點、鏈路與協定，接著利用 NS-3 或 OPNET 進行模擬，驗證延遲、流量分配與QoS等關鍵指標。透過模擬案例（如RAN延遲分析或節點冗餘測試），可提前發現瓶頸與風險，最後再經由「結果分析」回饋設計，形成持續優化的閉環，使網路方案在實際部署前即達到高效、穩定與可驗證的水準。
目標：評估兩種拓撲下的吞吐量與延遲差異
💡 模擬場景：
拓撲 A 拓撲 B
星狀網路（中心為 Router） 網狀網路（全部互聯）
💡 參數設定：
• 每節點資料流：UDP 封包，每秒 1 Mbps
• 網段延遲：10ms，錯誤率 0.01%
• 模擬時間：20 秒
💻 範例 NS-3 程式碼片段：
PointToPointHelper p2p;
p2p.SetDeviceAttribute("DataRate", StringValue("5Mbps"));
p2p.SetChannelAttribute("Delay", StringValue("10ms"));
Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables();
Simulator::Stop(Seconds(20.0));
Simulator::Run();
Simulator::Destroy();
📊 模擬輸出：
• 星狀網路總吞吐量 = 3.5 Mbps
• 網狀網路總吞吐量 = 4.9 Mbps
• 延遲分別為 18 ms vs 12 ms
📌 結論：拓撲結構對效能有明顯影響，網狀架構雖成本高但效能更佳。
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🧩 四、挑戰與反思任務
1️⃣ 為何在實務中大多採用「混合型拓撲」而非單一類型？
• 單一拓撲結構難以同時兼顧彈性、可靠性、擴充性與成本控制。
• 不同區域或子系統需求不同，必須根據流量、容錯、成本靈活設計。
• 混合型拓撲能發揮各類結構的優點（如主幹採用網狀、末端採用星狀或匯流排），達到最佳平衡。
• 大型企業或電信網路架構複雜，單一拓撲無法應付多元業務場景。
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2️⃣ OPNET 模擬 VoIP 和 FTP 同時進行時，QoS 要如何配置？
• VoIP對延遲、抖動非常敏感，需設高優先級、保證頻寬、啟用低延遲排程（如 EF，Expedited Forwarding）。
• FTP為大量資料傳輸，對即時性不敏感，可設為較低優先順序，採用標準或後送（BE，Best Effort）排程。
• 利用 OPNET 可分配不同流量類型的 QoS 等級，確保語音不會被資料傳輸擠壓導致品質下降。
• 建議設定合適的隊列管理（如 WFQ），並監控模擬結果調整策略。
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3️⃣ 如果你是 5G 網路設計師，會如何運用 NS-3 模擬 Network Slicing？
• 利用 NS-3 建立多個虛擬切片（slices），各自對應不同業務（如 eMBB、URLLC、mMTC）。
• 設定每個切片的獨立資源分配、QoS 參數與流量特性，模擬其在同一物理網路上的競合與隔離效果。
• 可針對切片間的資源搶佔、擁塞控制、動態調度等進行實驗，觀察效能與服務品質變化。
• 最後分析不同切片策略下網路整體的效能、穩定度與用戶體驗，為實務部署提供依據。
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✅ 五、小結與啟示
• 拓撲設計是網路建設的骨架規劃，直接影響效能與穩定性。
• 模擬工具如 NS-3、OPNET 可在部署前預測瓶頸與問題，節省建設成本。
• 在 AI、IoT、大量即時應用興起下，模擬技術更顯重要。
• 📌 一句話總結： 網路拓撲模擬，是讓理論設計「先預演一次未來」，避免事後重工！
