導(dǎo)語：網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2應(yīng)用分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要隨著Internet的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)模擬占有十分重要的位置。文中探討和分析了NS-2的結(jié)構(gòu)、功能及其使用方法，最后給出一個(gè)實(shí)例，具體解釋了NS-2的使用方法和用相關(guān)工具對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行處理的方法，得到了預(yù)期的模擬結(jié)果。

關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)模擬；NS；應(yīng)用

引言

隨著Internet的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和復(fù)雜性的迅速增加，網(wǎng)絡(luò)研究人員一方面要不斷思考新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法，為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展做前瞻性的基礎(chǔ)研究；另一方面也要研究如何利用和整合現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最高效能。無論是哪一方面都需要對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行驗(yàn)證和分析。分析方法的有效性和精確性受假設(shè)的限制很大。實(shí)驗(yàn)方法的局限在于成本很高，實(shí)驗(yàn)床的規(guī)模很難做到很大，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的多種通信流量和拓?fù)涞娜诤?。而模擬方法在很大程度上可以彌補(bǔ)前兩種方法的不足。NS-2是美國DARPA支持的項(xiàng)目VINT(theVirtualInterNetTested)中的基礎(chǔ)和核心部分。由USI/ISI,XeroxPARC,LBNL和UCBerkeley這些美國大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室合作研究開發(fā)，其目的在于建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，為網(wǎng)絡(luò)研究人員提供一系列的仿真工具，來實(shí)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1NS-2體系結(jié)構(gòu)及功能模塊

1.1NS-2簡介

NS-2是面向?qū)ο蟮?，基于離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器。它實(shí)現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的模擬，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP、UDP，流量源行為，如FTP、Telnet、Web、CBR、VBR；實(shí)現(xiàn)了DropTail、RED、CBQ等幾種路由器隊(duì)列管理機(jī)制以及Dijkstra,動(dòng)態(tài)路由、靜態(tài)路由、組播路由等路由算法。此外，NS-2還支持組播協(xié)議SRM及部分MAC層協(xié)議。

NS-2用C++和Otcl語言編寫而成。它是免費(fèi)的，開放源代碼的，可以很方便地?cái)U(kuò)展NS-2的功能，將自己開發(fā)的新協(xié)議模塊集成到NS-2環(huán)境中。

1.2NS-2體系結(jié)構(gòu)

NS-2的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

NS-2采用了兩級(jí)體系結(jié)構(gòu)，為了提高代碼的執(zhí)行效率，NS-2將數(shù)據(jù)操作與控制部分的實(shí)現(xiàn)相分離，事件調(diào)度器和基本的網(wǎng)絡(luò)組件使用C++編寫和編譯，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的處理；NS-2的前端是一個(gè)Otcl解釋器，主要的功能是對(duì)模擬環(huán)境的配置、建立。從圖1的左下角看，用戶利用Otcl庫中的模擬對(duì)象設(shè)計(jì)和運(yùn)行TCL仿真，事件調(diào)度器和網(wǎng)絡(luò)組件通過OTcl鏈接（tclcl類）和Otcl相關(guān)聯(lián)，這樣用戶可以在Otcl空間能夠方便地對(duì)C++對(duì)象的函數(shù)和變量進(jìn)行修改與配置。

1.3NS-2的功能模塊

在NS-2中，整個(gè)模擬過程由一個(gè)名為Simulator的Tcl類來定義和控制的，Simulator類提供了一系列對(duì)模擬進(jìn)行配置的接口，這其中包括選擇“事件調(diào)度器（eventscheduler）”的接口。進(jìn)行模擬通常要首先創(chuàng)建一個(gè)Simulator類的實(shí)例對(duì)象，并調(diào)用該對(duì)象的一系列方法來創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)（Node）、拓?fù)洌═opology）等模擬所必需的對(duì)象。

模擬器封裝了許多功能模塊：節(jié)點(diǎn)、鏈路、分組、、流量發(fā)生器、應(yīng)用模擬器等。

1)事件調(diào)度器:NS-2是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的模擬器，調(diào)度器也就成為NS-2的調(diào)度中心，主要功能是處理分組（packet）的延遲和充當(dāng)定時(shí)器。從所有事件中選擇發(fā)生時(shí)刻最早的事件執(zhí)行，調(diào)用它的handle函數(shù)，把該事件執(zhí)行完畢，然后從剩余的所有事件中選擇發(fā)生時(shí)刻最早的事件執(zhí)行，如此反復(fù)執(zhí)行。NS-2只支持單線程，如果有多于一個(gè)事件安排在同一時(shí)刻，那么會(huì)按照事件代碼插入的先后次序執(zhí)行。

2)節(jié)點(diǎn)（Node）：表示端節(jié)點(diǎn)和路由器，主要由地址分類器、端口分類器、多播分類器和復(fù)制器等模擬組件構(gòu)成。分類器從邏輯上匹配一個(gè)分組，并基于匹配的結(jié)果把該分組傳遞給相應(yīng)的對(duì)象。復(fù)制器是生成一個(gè)分組的多份拷貝，并把這些拷貝轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)訂閱了某一多播組G的輸出鏈路。

3)鏈路（Link）:用來連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所有的鏈路都是以隊(duì)列的形式來管理分組的到達(dá)、離開和丟棄。主要由DelayLink、Queues和TTLChcker等連接器（Connector）構(gòu)成。DelayLink構(gòu)造鏈路帶寬和延遲特征；Queues構(gòu)造和模擬與該鏈路相連的路由器的輸出緩沖；TTLChcker對(duì)該鏈路的數(shù)據(jù)包的TTL字段減1操作，并丟棄TTL值為0的數(shù)據(jù)包。（圖2）

圖2鏈路

4)分組（Packet）:是對(duì)象間交互的基本單元。由一系列分組頭和一個(gè)可選的數(shù)據(jù)空間組成。分組頭的結(jié)構(gòu)在Simulator對(duì)象創(chuàng)建時(shí)就被初始化了，同時(shí)每個(gè)分組頭相對(duì)于分組的起始地址的偏移量也被記錄下來,提供用戶來存取各個(gè)頭部所包含的信息。

5）（Agent）:代表了網(wǎng)絡(luò)層分組的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并被用于實(shí)現(xiàn)如TCP和UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Agent類支持分組的產(chǎn)生和接收，C++的Agent包含一系列的內(nèi)部狀態(tài)變量來表示分組的各個(gè)域。Agent可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)層次的協(xié)議，對(duì)于一些運(yùn)輸層的協(xié)議，分組的大小和發(fā)送時(shí)間通常由Agen提供的應(yīng)用程序接口（API）來控制，對(duì)于在低層使用的Agent（路由Agent），分組的大小和發(fā)送時(shí)間通常由Agent自己控制。

6）流量發(fā)生器(trafficgenerator)、應(yīng)用模擬器(simulatedapplication):是構(gòu)建在運(yùn)輸層之上，流量發(fā)生器是模擬應(yīng)用程序產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)通信量，有四類：(1)EXPOO_Traffic、(2)POO_Traffic、(3)CBR_Traffic、(4)TafficTrace，它們一般用在UDP之上，應(yīng)用模擬器有FTP，Telnet，一般用在TCP之上。

2用NS-2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬

進(jìn)行模擬之前，首先要分析模擬涉及哪個(gè)層次。NS模擬分兩個(gè)層次：一個(gè)是基于Otcl編程的層次，利用NS已有的網(wǎng)絡(luò)元素實(shí)現(xiàn)模擬，無需對(duì)NS本身進(jìn)行任何修改，只要編寫Otcl腳本,另一個(gè)層次是基于C++和Otcl編程的層次，如果NS中沒有所需的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象，就需要對(duì)NS擴(kuò)展，利用Otcl和NS的接口類實(shí)現(xiàn)NS的更新，然后再編寫Otcl腳本。整個(gè)模擬的過程如圖3所示：

圖3利用NS-2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬的過程

2.1Otcl實(shí)現(xiàn)模擬的一般過程

（1）建立networkmodel:描述模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和丟失策略等。

（2）建立trafficmodel:包括端設(shè)備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務(wù)量模型的建立,配置業(yè)務(wù)量模型的參數(shù)，從而確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布。

（3）設(shè)置Trace對(duì)象。Trace對(duì)象能夠把模擬過程中發(fā)生的特定類型的事件記錄在Trace文件中。NS通過Trace文件來保存整個(gè)模擬過程。模擬完成后，用戶可以對(duì)Trace文件進(jìn)行分析研究。

（4）編寫其他的輔助過程，設(shè)定模擬開始/結(jié)束時(shí)間，運(yùn)行Otcl腳本仿真。

（5）追蹤分析結(jié)果：對(duì)Trace文件進(jìn)行分析，利用gawk、xgraph、gnuplot得出有用的數(shù)據(jù)曲線,或者用Nam觀看網(wǎng)絡(luò)模擬運(yùn)行過程。

2.2C++建立新協(xié)議或修改已有網(wǎng)絡(luò)對(duì)象進(jìn)行擴(kuò)展要考慮的問題

如果模擬只要求對(duì)現(xiàn)有的協(xié)議進(jìn)行簡單修改即可完成，無需建立新的協(xié)議，則找到相應(yīng)的待修改協(xié)議代碼進(jìn)行預(yù)期的修改，然后直接編譯生成新的NS。然而，當(dāng)建立新協(xié)議時(shí)一般需要考慮以下問題：

（1）首先定義頭文件，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和決定新的繼承結(jié)構(gòu)，并建立恰當(dāng)?shù)念惗x。

（2）定義C++代碼和Otcl代碼之間的接口連接，即定義OTcl連接函數(shù)。

（3）至少定義接收函數(shù)recv()和命令函數(shù)command()。

（4）新協(xié)議代碼完成后，要對(duì)相關(guān)文件進(jìn)行改動(dòng)。例如，如果定義了一個(gè)新分組頭，要改動(dòng)NS目錄下packet.h文件的enumpacket_t{}和classp_info{}相應(yīng)部分；改動(dòng)tcl/lib/ns-default.tcl文件，定義Tcl對(duì)象的缺省值；改動(dòng)tcl/lib/ns-packet.tcl文件，在該文件中為新的分組增加一個(gè)入口；改動(dòng)Makefile文件，將*.o文件加入到該文件NS對(duì)象文件列表中。

（5）在NS目錄下運(yùn)行MakeDepend和Make，重新編譯NS，至此生成了新的NS。

3應(yīng)用實(shí)例

本例將介紹如何使用一些工具來分析和呈現(xiàn)模擬結(jié)果，主要是測(cè)量端到端的延遲，而采用的方法一是去分析Trace文件，方法二是去修改NS核心，把所需要測(cè)量的數(shù)據(jù)直接記錄下來，限于篇幅我們不在此進(jìn)一步介紹方法二。模擬場(chǎng)景如圖4所示,包含四個(gè)節(jié)點(diǎn)（n0,n1,n2,n3）,假設(shè)n0，n2和n1,n2之間鏈路帶寬2Mbps，延遲為10ms;n2和n3之間鏈路帶寬1.7Mbps，延遲為20ms;每個(gè)鏈路用DropTail策略；n2和n3之間鏈路最大隊(duì)列長度為10；n0,n3之間有一條建立在TCP上的FTP連接，n1,n3之間有一條建立在UDP上CBR連接；CBR是在

0.1秒開始發(fā)送，在4.5秒結(jié)束，F(xiàn)TP是在1.0秒開始發(fā)送，在4.0秒結(jié)束。

圖4模擬場(chǎng)景

3.1建立Otcl模擬代碼文件

#創(chuàng)建一個(gè)模擬對(duì)象

setns[newSimulator]

#為數(shù)據(jù)流定義不同的顏色，供NAM用

$nscolor1Blue

$nscolor2Red

#打開一個(gè)NAMtracefile

setnf[openout.namw]

$nsnamtrace-all$nf

#打開一個(gè)tracefile記錄數(shù)據(jù)包的傳送過程

setnd[openout.trw]

$nstrace-all$nd

#定義一個(gè)結(jié)束程序

procfinish{}{

globalnsnfnd

$nsflush-trace

#關(guān)閉NAMtracefile

close$nf

close$nd

#以后臺(tái)方式執(zhí)行NAM

execnamout.nam&

exit0

}

#創(chuàng)建四個(gè)節(jié)點(diǎn)

setn0[$nsnode]

setn1[$nsnode]

setn2[$nsnode]

setn3[$nsnode]

#把節(jié)點(diǎn)連接起來

$nsduplex-link$n0$n22Mb10msDropTail

$nsduplex-link$n1$n22Mb10msDropTail

$nsduplex-link$n2$n31.7Mb20msDropTail

#設(shè)定n2和n3之間最大隊(duì)列長度為10

$nsqueue-limit$n2$n310

#設(shè)定節(jié)點(diǎn)的位置，供NAM用

$nsduplex-link-op$n0$n2orientright-down

$nsduplex-link-op$n1$n2orientright-up

$nsduplex-link-op$n2$n3orientright

#設(shè)定n2-n3間的隊(duì)列位置，供NAM用

$nsduplex-link-op$n2$n3queuePos0.5

#建立一條TCP連接

settcp[newAgent/TCP]

$tcpsetclass_2

$nsattach-agent$n0$tcp

setsink[newAgent/TCPSink]

$nsattach-agent$n3$sink

$nsconnect$tcp$sink

#在NAM中，TCP的連接以藍(lán)色表示

$tcpsetfid_1

#在TCP連接之上建立FTP應(yīng)用

setftp[newApplication/FTP]

$ftpattach-agent$tcp

$ftpsettype_FTP

#建立一條UDP連接

setudp[newAgent/UDP]

$nsattach-agent$n1$udp

setnull[newAgent/Null]

$nsattach-agent$n3$null

$nsconnect$udp$null

#在NAM中，UDP的連接以紅色表示

$udpsetfid_2

#在UDP連接之上建立CBR應(yīng)用

setcbr[newApplication/Traffic/CBR]

$cbrattach-agent$udp

$cbrsettype_CBR

$cbrsetpacket_size_1000

$cbrsetrate_1mb

$cbrsetrandom_false

#設(shè)定FTP和CBR的開始和結(jié)束時(shí)間

$nsat0.1"$cbrstart"

$nsat1.0"$ftpstart"

$nsat4.0"$ftpstop"

$nsat4.5"$cbrstop"

#在5.0秒調(diào)用finish過程結(jié)束模擬

$nsat5.0"finish"

#執(zhí)行模擬

$nsrun

本例子在FedoraCore4，ns-2.29下測(cè)試通過，模擬結(jié)束后，產(chǎn)生兩個(gè)文件，一個(gè)是out.nam，這是供NAM用的，用來可視化整個(gè)模擬過程；另一個(gè)是out.tr，記錄了模擬過程中數(shù)據(jù)包傳送中的所有事件，這是我們分析的重點(diǎn)。

3.2利用awk提取out.tr文件中的數(shù)據(jù)

awk是一種程序語言，可以使用很短的代碼輕易地完成對(duì)文本檔案做修改、分析、提取和比較等處理。根據(jù)Trace文件格式，我們很容易寫出測(cè)量CBR數(shù)據(jù)包端到端延遲時(shí)間的awk程序delay.awk：

#測(cè)量CBR數(shù)據(jù)包端到端延遲時(shí)間

BEGIN{

highest_packet_id=0;

}

{

action=$1;

time=$2;

from=$3;

to=$4;

type=$5;

pktsize=$6;

flow_id=$8;

src=$9;

dst=$10;

seq_no=$11;

packet_id=$12;

if(packet_id>highest_packet_id)

highest_packet_id=packet_id;

if(start_time[packet_id]==0)

start_time[packet_id]=time;

if(flow_id==2&&action!="d"){

if(action=="r"){

end_time[packet_id]=time;

}

}else{

end_time[packet_id]=-1;

}

}

END{

for(packet_id=0;packet_id<=highest_packet_id;packet_id++){

start=start_time[packet_id];

end=end_time[packet_id];

packet_duration=end-start;

if(start<end)printf("%f%f\n",start,packet_duration);

}

}

本例執(zhí)行并把結(jié)果重定向到cbr_delay文件中：$awk–fdelay.awkout.tr>cbr_delay

3.3利用Xgraph繪出圖形

Xgraph是ns-allinone包中自帶的一個(gè)小巧的繪圖工具，它可以根據(jù)數(shù)據(jù)文件里的數(shù)據(jù)繪制出相應(yīng)的圖形。本例執(zhí)行：$xgraphcbr_delay，結(jié)果如圖5所示：

圖5cbr_delay圖

由圖可以看出：在一剛開始的時(shí)候，由于只有CBR的數(shù)據(jù)包，所以端到端的延遲是固定的，但在1.0秒后，F(xiàn)TP數(shù)據(jù)包參與爭(zhēng)奪網(wǎng)絡(luò)資源，因此，端到端的延遲變得不固定，但等到FTP傳輸結(jié)束后，CBR數(shù)據(jù)包的端到端的延遲又變得固定了。

4結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)模擬日益成為分析、研究、設(shè)計(jì)和改善網(wǎng)絡(luò)性能的強(qiáng)大工具，NS-2便是其中功能強(qiáng)大且可以免費(fèi)得到的一種。本文詳細(xì)討論了NS-2的結(jié)構(gòu)、功能及其使用方法，并給出一個(gè)實(shí)例具體解釋NS-2的使用及使用相關(guān)工具對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行處理?？偟膩碚f，NS-2結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有一個(gè)相對(duì)陡峭的學(xué)習(xí)曲線，希望本文對(duì)學(xué)習(xí)NS-2能有所裨益。

參考文獻(xiàn)

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