基于ns2軟件的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真

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1、基于網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS2的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真【摘要】：網(wǎng)絡(luò)模擬是網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS2的結(jié)構(gòu)和特點以及仿真過程，并實例介紹了基于NS2的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真?！娟P(guān)鍵詞】：NS2；TCP；UDP；路由；仿真一、引言網(wǎng)絡(luò)模擬是網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的性能等都需要通過實驗證明。由于在真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行實踐驗證耗資巨大，多數(shù)高校和科研機構(gòu)并不具備完整有效的實驗環(huán)境，而且真實網(wǎng)絡(luò)中實驗數(shù)據(jù)的收集和分析也有一定困難。

2、網(wǎng)絡(luò)仿真軟件通過在計算機上建立一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來實現(xiàn)對真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬，科研人員在這個平臺上不僅能對網(wǎng)絡(luò)的通信、設(shè)備、協(xié)議、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用進行研究，還能對網(wǎng)絡(luò)的性能進行分析和評估。仿真軟件大大提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計開發(fā)的效率，同時也降低了費用和風險，已經(jīng)成為研究中不可或缺的工具。二、NS2的結(jié)構(gòu)和特點目前，使用較多的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)仿真平臺，可以運行在Linux或Windows操作系統(tǒng)上。作為

3、一種可擴展、易配置、可編程的事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，NS2能夠近乎真實地在各個層次上模擬網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建特殊的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗環(huán)境非常方便和迅速。二）結(jié)果分析及再現(xiàn)容易研究人員通過配置環(huán)境參數(shù)獲得理想的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，即可實時跟蹤并記錄關(guān)鍵節(jié)點的重要信息，從而獲得網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，并可以隨時再現(xiàn)某些特殊情況，這在真實網(wǎng)中是難以做到的。三）良好的可擴展性NS2使用C++和OT

4、CL兩種程序設(shè)計語言，分別完成具體協(xié)議的模擬，實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的配置和建立。對于有一定編程基礎(chǔ)的人員來說，可以根據(jù)自身的需要方便地設(shè)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(wǎng)站建立圖書館性質(zhì)的庫，收集了很多經(jīng)典的演示場景和案例。三、NS2網(wǎng)絡(luò)仿真過程（一）NS2仿真的層次網(wǎng)絡(luò)仿真要經(jīng)歷模型建立、模擬實現(xiàn)和結(jié)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?qū)S2內(nèi)核進行功能擴展，增加新的C++和OTCL類，

5、添加所需的網(wǎng)絡(luò)元素。仿真過程如圖1所示。（二）NS2仿真的步驟1.配置網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，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(shè)備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務(wù)量模型的建立。3.配置業(yè)務(wù)量模型參數(shù)，確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布。4.設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)

6、絡(luò)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)仿真拓撲結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)流，將初始擁塞窗口大小設(shè)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

7、丟失的數(shù)據(jù)包，并減小發(fā)送窗口。其數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流，接收方并不返回確認，仿真結(jié)果對理論分析提供了有力的支持

8、。從NAM動畫中還可以看到，應(yīng)用UDP協(xié)議時，當網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點丟棄數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)單播路由協(xié)議仿真根據(jù)IP網(wǎng)絡(luò)單播路由協(xié)議的定義和運行機制，建立一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的NS2運行場景。再利用NS2模擬器產(chǎn)生NAM動畫播放器需要的輸入文件，以NAM動畫的方式演示網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運行過程。1.IP網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由6個節(jié)點組成，通過雙向鏈路