基于NS2軟件 的網絡協(xié)議仿真.doc

基于網絡模擬軟件NS2的網絡協(xié)議仿真【摘要】：網絡模擬是網絡協(xié)議性能及研究中非常重要的一個組成部分。本文介紹了網絡模擬軟件 NS2 的結構和特點以及仿真過程，并實例介紹了基于NS2的網絡協(xié)議仿真?！娟P鍵詞】：NS2；TCP；UDP；路由；仿真一、引言網絡模擬是網絡協(xié)議性能及研究中非常重要的一個組成部分，算法是否合理、是否具有實用價值、是否能夠提高網絡的性能等都需要通過實驗證明。由于在真實的網絡環(huán)境中進行實踐驗證耗資巨大，多數高校和科研機構并不具備完整有效的實驗環(huán)境，而且真實網絡中實驗數據的收集和分析也有一定困難。網絡仿真軟件通過在計算機上建立一個虛擬的網絡環(huán)境來實現(xiàn)對真實網絡環(huán)境的模擬，科研人員在這個平臺上不僅能對網絡的通信、設備、協(xié)議、結構以及應用進行研究，還能對網絡的性能進行分析和評估。仿真軟件大大提高了網絡設計開發(fā)的效率，同時也降低了費用和風險，已經成為研究中不可或缺的工具。二、NS2 的結構和特點目前，使用較多的網絡仿真軟件有OPNET，Matlab，NS2 和GloMoSim 等。選擇免費且開放源代碼的NS2作為仿真平臺，是因為該平臺是一種離散事件網絡仿真平臺，可以運行在Linux或Windows操作系統(tǒng)上。作為一種可擴展、易配置、可編程的事件驅動的網絡仿真軟件，NS2能夠近乎真實地在各個層次上模擬網絡運行，并支持多種協(xié)議。其主要功能包括以下幾點。一）靈活的仿真環(huán)境作為一款開源軟件，NS2所有源代碼公開，任何人都可以獲得、使用和修改其源代碼。這對于利用NS2來構建特殊的網絡仿真實驗環(huán)境非常方便和迅速。二）結果分析及再現(xiàn)容易 研究人員通過配置環(huán)境參數獲得理想的網絡環(huán)境，即可實時跟蹤并記錄關鍵節(jié)點的重要信息，從而獲得網絡性能參數，并可以隨時再現(xiàn)某些特殊情況，這在真實網中是難以做到的。三）良好的可擴展性NS2使用C+和OTCL兩種程序設計語言，分別完成具體協(xié)議的模擬，實現(xiàn)與網絡仿真環(huán)境的配置和建立。對于有一定編程基礎的人員來說，可以根據自身的需要方便地設計新協(xié)議，擴展新的功能模塊。四）在線資源支持NS2的官方網站建立圖書館性質的庫，收集了很多經典的演示場景和案例。三、NS2 網絡仿真過程（一）NS2 仿真的層次 網絡仿真要經歷模型建立、模擬實現(xiàn)和結果分析3個階段。NS2仿真分為2 個層次。1.基于OTCL編程的用戶層次，只需編寫OTCL腳本。 2.基于C+ 和OTCL 的系統(tǒng)層次，能夠對NS2內核進行功能擴展，增加新的 C+和OTCL類，添加所需的網絡元素。仿真過程如圖1所示。 （2） NS2 仿真的步驟1. 配置網絡拓撲結構，確定鏈路的基本特性，如延時、帶寬和選擇策略等。2. 建立協(xié)議代理，包括端設備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務量模型的建立。 3. 配置業(yè)務量模型參數，確定網絡上的業(yè)務量分布。4. 設置Trace對象，把仿真中發(fā)生的特定類型事件記錄在Trace文件中，通過Trace 文件保存整個仿真過程。仿真完成后，用戶對Trace文件進行分析研究。四、網絡協(xié)議仿真實例（一）TCP 協(xié)議仿真TCP協(xié)議是重要的傳輸層協(xié)議。不僅要理解TCP協(xié)議的工作原理，而且還要理解在網絡發(fā)生擁塞時，如何在TCP協(xié)議控制下實現(xiàn)擁塞控制的過程。針對這一內容，建立如圖2所示的仿真場景，節(jié)點n0，n1與節(jié)點n3之間分別建立一條TCP連接，鏈路帶寬及傳輸延時如圖2所示。圖2的網絡仿真拓撲結構以TCP擁塞控制協(xié)議為例，在仿真開始時，由n0和n1節(jié)點同時向 n3 節(jié)點發(fā)送FTP數據流，將初始擁塞窗口大小設為1，在 NAM 動畫中通過控制播放速度，可以清晰地觀察到在TCP協(xié)議控制下，發(fā)送窗口的大小隨著確認包的返回成倍增加（1，2，4，8），當擁塞窗口增大到一定程度時，n2節(jié)點開始發(fā)生丟包現(xiàn)象，此時n1節(jié)點將重傳丟失的數據包，并減小發(fā)送窗口。其數據包傳輸如圖3所示。通過這個仿真實例，可以很好地理解TCP慢啟動和擁塞控制協(xié)議的工作原理。（二）UDP 協(xié)議仿真 在上述仿真場景中，將傳輸層協(xié)議修改為UDP，令n0和n1節(jié)點在仿真開始時開始向n3發(fā)送CBR數據流，重新運行仿真腳本，圖4是在NAM動畫演示中截 取的圖象。圖3和圖4進行對比可知，圖3中鏈路上方為發(fā)送方n0向n3發(fā)送的數據包，而鏈路下方的小豎 線是由接收方n3向發(fā)送方返回的確認包；在圖4中，僅在鏈路上方有發(fā)送的數據流，接收方并不返回確認，仿真結果對理論分析提供了有力的支持。從NAM動畫中還可以看到，應用UDP協(xié)議時，當網絡中間節(jié)點丟棄數據包，發(fā)送方并不會因此而降低發(fā)送速度，造成嚴重的丟包現(xiàn)象。（三）IP 網絡單播路由協(xié)議仿真根據IP網絡單播路由協(xié)議的定義和運行機制，建立一個網絡協(xié)議的NS2運行場景。再利用NS2模擬器產生NAM動畫播放器需要的輸入文件，以NAM動畫的方式演示網絡協(xié)議的運行過程。1.IP 網絡路由協(xié)議仿真的網絡結構如圖5所示，它由6個節(jié)點組成，通過雙向鏈路連接起來。鏈路帶寬為1 Mbit/s，延時為5 ms。節(jié)點0作為數據源發(fā)送端，在節(jié)點0上綁定一個UDP代理，在UDP代理上綁定一個CBR流量發(fā)生器。2.IP 網絡單播路由協(xié)議仿真。IP網絡單播路由協(xié)議主要包含單播路由協(xié)議 OSPF協(xié)議和RIP協(xié)議。其中，RIP協(xié)議是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協(xié)議，采用Bellman-Ford 算法；OSPF 協(xié)議是分布式的鏈路狀態(tài)協(xié)議，采用最短路徑算法。在NS2中的會期路由采用all-pairs SPF算法，動態(tài)路由采用分布式Bellman-Ford 算法，可以借助會期路由和動態(tài)路由來演示單播路由協(xié)議的動態(tài)運行過程。會期路由可以演示OSPF協(xié)議運行過程，采用圖5所示的網絡結構進行仿真。 采用OTCL語言編寫腳本，以NAM動畫來演示會期路由的運行過程，如圖6所示，假設節(jié)點0發(fā)送的數據流用長虛線表示，可以看到節(jié)點0到節(jié)點5開始傳輸數據時，路徑經過節(jié)點1和節(jié)點3。當節(jié)點1和節(jié)點3之間的鏈路出現(xiàn)故障時，重新計算新的路由，經過節(jié)點1和節(jié)點4傳輸數據，如圖7所示。當節(jié)點1和節(jié)點3之間的鏈路故障修復后，數據又按照圖6來傳輸。通過動態(tài)路由可以演示RIP協(xié)議運行過程，如圖8所示，假設節(jié)點0發(fā)送的數據流用長虛線表示，節(jié)點0到節(jié)點5開始傳輸數據路徑經過節(jié)點1，節(jié)點2和節(jié)點3。當節(jié)點2和節(jié)點3之間的鏈路出現(xiàn)故障時，重新計算新的路由，經過節(jié)點1和節(jié)點3傳輸數據，如圖9所示。五、總結隨著網絡系統(tǒng)復雜度的增大，傳統(tǒng)的分析法和實驗法越來越不適應網絡系統(tǒng)的特點，仿真法成為網絡性能分析的主流方法。NS2作為一種離散事件網絡仿真平臺，可以運行在Linux或Windows 操作系統(tǒng)上。作為一種可擴展、易配置、可編程的事件驅動的網絡仿真軟件，NS2能夠近乎真實地在各個層次上模擬網絡運行，并支持多種協(xié)議。目前NS2已廣泛應用于計算機網絡的研究與設計中。參考文獻：1 徐雷鳴.NS2與網絡模擬M.