毕业设计（论文）-基于NS-2的TCP的模拟研究.docx

论文题目： 基于NS-2的TCP的模拟研究 姓名： 学 号： 院 系： 信息科学学院 专 业： 计算机科学与技术 指导教师： 二一六 年 六 月论 文 题 目： 基于NS-2的 TCP的模拟研究 全套设计加扣3012250582 院 系： 信息科学学院 专 业： 计算机科学与技术 学 生 姓 名： 指导教师姓名： 论文完成日期： 2016年6月 目 录中文摘要IAbstractII第一章 绪论1 11 网络协议与网络模拟1 12 研究内容1 13 论文内容2第二章 NS-2与TCP协议理论综述3 2. 1 NS-23 2.1.1 NS-2概述3 2.1.2 NS-2网络仿真方法及一般过程3 2.1.3 语言基础4 2.1.4 分析工具5 2.2 TCP协议简述5 2.2.1 TCP协议5 2.2.2 TCP拥塞控制机制简介6 2.2.3 TCP协议的版本发展6 2.2.4 TCP同步化现象9第三章 TCP协议的模拟及性能分析9 3.1 TCP与UDP的模拟9 3.1.1 网络结构图9 3.1.2 TCL脚本及代码分析10 3.1.3 数据处理13 3.1.4 结果显示14 3.2 TCP版本（一）-TCP Tahoe与TCP Reno16 3.3 TCP版本（二）-TCP Reno，TCP NewReno与TCP SACK20 3.4 TCP版本（三）-TCP Reno与TCP Vegas24 3.5 TCP 同步化现象26 3.6 仿真结果的分析与结论27 致谢29 参考文献30基于NS-2的TCP的模拟研究摘要：网络仿真是指采用计算机软件对网络协议、网络拓扑、网络性能进行模拟分析的一种研究手段。随着网络规模和复杂性的迅速增加，网络研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算法，为网络发展做前瞻性的基础研究；另一方面也要研究如何利用和整合现有的网络资源，使网络达到最高效能。无论是哪一方面都需要对新的网络方案进行验证和分析。分析方法的有效性和精确性受假设的限制很大。实验方法的局限在于成本很高，实验床的规模很难做到很大，不能实现网络中的多种通信流量和拓扑的融合。而模拟方法在很大程度上可以弥补前两种方法的不足。NS-2是面向对象的网络仿真器，NS是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，掌握在NS-2中模拟无线网络并学会对协议进行分析和评价的方法，对于网络研究工作是十分重要的 。TCP协议作为目前使用最广泛的一组通信协议，其重要地位以及灵活的变化决定了其研究价值。通过对TCP几个版本的仿真分析比较，深度了解TCP协议机制以及考虑TCP未来可发展的前景。关键词：NS-2，TCP Tahoe，TCP Reno，TCP Vegas，TCP 同步化现象ISimulation and Study of TCP based on NS-2Author: Hu Shenghong Tutor: Cui YajuanAbstract: Network Simulation is a research tool which simulates network protocol, network topology and network performance by using simulation software. With the growing of the scale and complication of network, researchers have to keep thinking of new protocols and arithmetic; On the other hand, they have to study how to use and verify new protocols. Both of these need to validate andanalyze the new scenario. But its accuracy is limited by hypothesis. NS-2 is an object-oriented network simulator which is free and has open sources. Master the skill of using NS-2 is significant for network simulation. TCP is Currently the most widely used protocol. By comparison of several versions of TCP, TCP protocol mechanisms can be deeply understood.Key Words: NS-2, TCP Tahoe, TCP Reno, TCP Vegas, TCP TCP synchronization phenomenonII北京语言大学信息科学学院学士学位论文第一章 绪论11 网络协议与网络模拟就像我们说话用某种语言一样，在网络上的各台计算机之间也有一种语言，这就是网络协议，不同的计算机之间必须使用相同的网络协议才能进行通信。 网络协议是网络上所有设备（网络服务器、计算机及交换机、路由器、防火墙等）之间通信规则的集合，它规定了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。大多数网络都采用分层的体系结构，每一层都建立在它的下层之上，向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。一台设备上的第 n层与另一台设备上的第n层进行通信的规则就是第n层协议。在网络的各层中存在着许多协议，接收方和发送方同层的协议必须一致，否则一方将无法识别另一方发出的信息。网络协议使网络上各种设备能够相互交换信息，没有网络协议，计算机将互相不能通信。计算机网络是一个相当复杂的系统，包含了各种通信协议和网络技术。网络仿真作为网络通信技术研究的重要手段之一，受到网络研究行业的青睐。网络仿真是指采用计算机软件对网络协议、网络拓扑、网络性能进行模拟分析的一种研究手段。网络研究要求网络研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算法，为网络发展做前瞻性的基础研究；另一方面也要研究如何利用和整合现有的网络资源，使网络达到最高效能。无论是哪一方面都需要对新的网络方案进行验证和分析。但由于分析方法的有效性和精确性受假设的限制很大，实验方法的局限在于成本很高，实验床的规模很难做到很大，不能实现网络中的多种通信流量和拓扑的融合。而模拟方法在很大程度上可以弥补前两种方法的不足。它使很多研究人员能够在硬件条件不具备的情况下研究大规模网络，因此网络仿真已被网络研究者广泛用于网络各方面性能的研究,它有着周期短、风险小和成本低等特点,且在许多情况下,仿真是唯一可行和高效的方法。12 研究内容TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）-传输控制协议/互联网协议是Internet采用的一种标准网络协议。它是由ARPA于1977年到1979年推出的一种网络体系结构和协议规范。随着Internet网的发展，TCP/IP也得到进一步的研究开发和推广应用，成为Internet网上的“通用语言”。TCP在网络协议中具有重要地位，internet通讯的基础就是TCP/IP协议，没有TCP/IP协议，就无法将各局域网连接。其次，TCP是一个复杂的协议，TCP的状态变换、拥塞控制机制等的灵活性，不仅影响到自身连接，对整个网络稳定和有条不紊的进行有决定性作用。因此不断改进TCP协议，优化拥塞控制机制，对提高整个网络的利用率以及网络的稳定性十分重要。NS-2是指 Network Simulator version 2，是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台。研究人员使用它可以很容易的进行网络技术的开发，而且目前它所包含的模块几乎涉及到了网络技术的所有方面。NS-2最可在在Unix平台或是Windows系统Cywgin支持下安装。安装时为了后续数据分析工具的使用，可以摒弃简易安装包，安装完全体（目前最新版本为ns-allinone-2.35）最佳。利用NS-2，可以很方便地模拟一个算法。首先需要建立自己的仿真环境，设定相关的参数、通讯协议等，由NS2执行，得到相关过程模拟记录文件，再利用辅助软件如Nam，Gnuplot等进一步的分析，得出结论。不仅花费小，实现简单而且性能研究准确性也有所提高。13 论文内容本文首先介绍在理论上介绍NS-2软件与TCP协议的发展过程，同化现象。使用NS-2开源网络仿真软件，对TCP的性能，TCP协议的五个版本，TCP同步化现象等模拟比较分析，得出结论。具体论文结构如下：首先简介NS-2工具的优势与工作原理，数据处理的辅助工具。接着对TCP协议研究的必要性，以及要研究的内容，TCP的性能标准，版本发展以及同构化现象一个理论的描述。对TCP性能标准的模拟，从模拟过程到实验结果，数据处理，结果显示进行细致描述。对TCP的版本发展，同步化现象的网络结构图和实验结果进行分析，由于模拟过程类似，不再赘述。最后对研究内容进行总结，得出结论。第二章 NS-2与TCP协议理论综述2. 1 NS-22.1.1 NS-2概述NS-2是面向对象的网络仿真器，NS是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，研究人员使用它可以很容易的进行网络技术的开发，而且发展到今天，它所包含的模块已经非常丰富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。所以，NS成了目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件。其本质上是一个离散事件模拟器，所有事件都由离散事件驱动。NS-2有很多优点：支持大规模多协议网络仿真，对同一个仿真模型提供不同粒度的仿真实现；提供一个仿真接口，可把真实网络结点流量输入到仿真模型中的结点，从而同步模拟真实网络的行为；提供可视化工具，动画显示网络仿真过程，图形显示数据结果等。在每年国内外发表的有关网络技术的学术论文中，利用NS给出模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果也是被学术界所普遍认可的，此外，NS也可作为一种辅助教学的工具，已被广泛应用在了网络技术的教学方面。2.1.2 NS-2网络仿真方法及一般过程使用NS-2进行网络模拟设计两个层次。一个是Otcl脚本编程的层次，利用NS本身支持的协议实现模拟，拖过编写Otcl脚本描述场景后就可以实现模拟。另一个层次是基于C+和Otcl编程的层次，如果所需的网络组件不能满足或者不存在，就需要对NS扩展，修改已有的或者添加新的C+类及OTCL类，重新编译，最后再重新编写Otcl脚本完成模拟。本文只应用到第一个层次，对其整个模拟的过程如图2.1所示1： 图 2.1 NS2的仿真过程Otcl实现模拟的一般过程： 建立network model: 描述模拟网络拓扑结构，确定链路的基本特性，如延迟、带宽和丢失策略等。建立traffic model: 包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立,配置业务量模型的参数，从而确定网络上的业务量分布。设置Trace对象。Trace对象能够把模拟过程中发生的特定类型的事件记录在Trace文件中。NS通过Trace文件来保存整个模拟过程。模拟完成后，用户可以对Trace文件进行分析研究。编写其他的辅助过程，设定模拟开始/结束时间，运行Otcl脚本仿真。追踪分析结果：对Trace文件进行分析，利用gawk、xgraph、gnuplot得出有用的数据曲线,或者用Nam观看网络模拟运行过程。2.1.3 语言基础l TCL语言Tcl是一种脚本语言，由John Ousterhout创建。TCL很好学，功能很强大。经常被用于快速原型开发,脚本编程，GUI和测试等方面。Tcl的特性包括: 任何东西都是一条命令，包括语法结构(for, if等)。 任何事物都可以重新定义和重载。 所有的数据类型都可以看作字符串。 语法规则相当简单 很容易用C,C+,或者Java扩展。 解释语言，代码能够动态的改变。 完全的Unicode支持。 平台无关。支持多个如Win32,UNIX,Mac等主流平台 代码紧凑，易于维护。l AWK语言awk是一种程序语言。它具有一些特点，例如使用直译器不需要先行编译；变量无类型之分，可使用文字作为数组的标注。另外，awk还具有一些内建功能，使得awk善于处理数据列，字段类型的数据；awk内建有pipe的功能，可将处理中的数据传送给外部的shell命令加以处理，再将shell命令处理后的数据返回awk程序，这个特点使得awk命令很容易使用系统资源。2.1.4 分析工具在设置好模拟网络试验环境，也就是编辑好TCL脚本文件之后，通过NS运行TCL脚本文件，就可以开始模拟试验了，NS-2可以根据我们的需要输出一系列的称为跟踪信息的文件（trace）。采取最新的NS-2.35-allinone文件安装的时候，其中自带一些工具，比如NAM，GNUPLOT。NAM可以将特定的trace文件变为动画显示出来，再用awk语言从trace文件中提炼出需要的信息或者关系，用gnuplot用图形的方式显示出来，它们都是分析trace文件的极好的工具。l NAMNAM的全称是Network Animator，它具有友好的用户界面。我们可以通过调整NAM界面右上角的步进选项（Step）来调整动画的演示速度，通过最上面的五个按钮来停止、启动、加速或者回放整个演示过程，通过左边的按钮来放大或者缩小演示画面。更重要的是，我们还可以通过用鼠标单击图中的数据包，来查看它的TCP序列号，或者跟踪它在不同时刻的状态。l GNUPLOTGnuplot是一个命令行的交互式绘图工具(command-driven interactive function plotting program)。Colin Kelly和Thomas Williams于1986年开始开发的科学绘图工具，支持二维和三维图形。用户通过输入命令，把数据资料和数学函数转换为容易观察的平面或立体的图形，可以逐步设置或修改绘图环境，并以图形描述数据或函数，它可以让使用者很容易地读入外部的数据结果，在屏幕上显示图形，并且可以选择和修改图形的画法，明显地表现出数据的特性。2.2 TCP协议简述2.2.1 TCP协议TCP/IP是目前使用最广泛的一组通信协议。TCP所负责的功能包括：将自应用程序受到的信息分成许多较小的数据区段、提供连接导向的服务、提供可靠性服务、提供应用程序与应用和式之间的流量控制，并依照网络的状况提供拥塞机制。当应用程序有数据要送到网上去时，为了希望能和网络上其他的TCP联机公平地共享频宽并避免网络拥塞，TCP通过拥塞控制机制来控制允许传送到网络上的数据量。也就是说，TCP的拥塞控制机制直接影响到TCP的传输效率。按照拥塞控制方法的不同，现行使用的TCP分为几个版本：Tahoe，Reno，NewReno，Vegas，SACK等。2.2.2 TCP拥塞控制机制简介一般而言，TCP的拥塞控制机制方法主要可分为：Slow-start、Congestion Avoidance、Fast Retransmission、Fast Recovery、Timeout Retransmission。1) Slow-start/Congestion Avoidance:如上式所示：当cwnd的值小于ssthresh时，TCP处于slow-start阶段。在这个阶段，每收到一个ACK，window的值便会加1，因此每经过一个RTT时间，window的值便会变成上个RTT时window值的2倍。也就是说，在这个阶段，cwnd的值会以指数（2的倍数）的方式增加。当cwnd的值大于ssthresh，TCP进入拥塞避免（Congestion Avoidance）阶段。在这个阶段，cwnd的值以线性方式增长。大约每经过一个RTT，cwnd的值就会增加一个segment，以避免cwnd的值增加太快而发生数据报遗失。如果检测到封包遗失或超时（timeout），则TCP的传送端会将ssthresh值设为发生拥塞时的window值的一半，重设cwnd的值，接着使用Slow-start重传（重新传送）遗失的数据报。2) Acknowledgment机制：TCP的传送端利用ACK来确认数据报是否被接收端收到。当一个封包达到接收端时，接收端会根据收到的数据报号返回一个ACK（Acknowledge），表示这个数据报已经收到，并触发传送端再送出新的数据报，这个机制称为“self-clocking”。若收到非连续的数据报时，则返回号码相同的ACK，称为重复的ACK（duplicate ACK）。TCP使用ACK及重传的方法提供可靠性的传输服务。2.2.3 TCP协议的版本发展1) TCP TahoeTCP最早的版本称之为Tahoe。TCP Tahoe主要有三个机制去控制数据流和拥塞窗口：low start(SS),congestion avoidance (CA),fast retransmit(FS)。SS机制:当connection建立时，把congestion window的大小初始化，并设为一个MSS(maximum segment size)，同时把ssthresh (slow start threshold)设为64 KB。CA机制:为了在发生拥塞的情形下控制流量TCP Tahoe使用Additive Increase Multiplicative Decrease (AIMD)机制。AIMD:只要有一个packet loss就认为网络发生拥塞，Tahoe会把ssthrsh设为目前的congestion window的一半。并且回到SS的状态，之后congestion window继续以指数成长；当到达ssthresh时congestion window会以线性成长来避免拥塞。FS机制:当收到三个重复的ack时，不必等到Retransmit Timeout(RTO)，会认为包丢失，并且马上重传。2) TCP RenoReno是目前应用最广泛且较为成熟的算法。不同于TCP Tahoe（或更早的版本），TCP Reno中加入了Fast Recovery的机制。TCP Reno以Fast Recovery取代TCP Tahoe在重送遗失的封包后就立即进入Slow-start阶段。TCP Reno在使用 Fast Retransmit重送遗失的封包后，会将ssthresh以及cwnd的值都设为检测到封包遗失时cwnd值的1/2，并进入Fast Recovery阶段。在这个阶段中，由于每收到一个重复的ACK，也意味着有一个封包已经离开网络被接收端收到了，因此如果允许的话，TCP Reno还是可以使用Self-clocking的机制继续送出新的封包，以提高link的使用率。如果封包遗失的情形能够在不需要使用Timeout Retransmit的情况下就将其恢复，那么TCP Reno在收到重送封包的ACK后就会直接进入Congestion Avoidance阶段。TCP Reno算法所包含的慢启动、拥塞避免和快速重传、快速恢复机制，是现有的众多算法的基础。3) TCP NewRenoNewReno是修改于Reno的TCP版本。这个版本中主要修改了TCP Reno的Fast Recovery算法。NewReno在收到Partial Ack 时，并不会立即结束Fast Recovery，相反，NewReno的传送端会持续地重送Partial Ack之后的封包，直到将所有遗失的封包重送后才会结束Fast Recovery，这使得NewReno的传送端在大量封包遗失时不需等待Timeout就能更正此错误，减少大量封包遗失对传输效果所造成的影响。NewReno大约每一个RTT时间可重送一个遗失封包，在Fast Recovery阶段，若允许的话，传送端可以继续送出新的封包，以增加Link的使用率。4) TCP SACKSACK是TCP Reno的另一个衍生版本。在这个版本中，加入了一个SACK选项，允许接收端在返回重复的Ack时，将已经收到的数据区段（连续收到的数据范围）返回给传送端，数据区段和数据区段的间隔就是接收端没有收到的数据。通过这些信息，传送端就知道那些是已经收到的，那些是该重送的，因此SACK的传送端可以在一个RTT时间之内重送一个以上的封包。5) TCP VegasVegas是与Reno其他版本有很大不同的衍生版本。它提出了另一种使用RTT测量网络状况的拥塞控制算法，Vegas通过比较预期的效果和实际的效果以决定是否增加或减少拥塞窗口的值。Vegas使用了三个方法来增加传送的吞吐量并减少封包遗失的发生。1 新的重传机制Vegas改进了重送机制,每收到一个重复的Ack时，Vegas会注意RTT是否大于超时的值，以便检查是否有超时发生；若有，Vegas将会直接重发此包而不需等待经过3个重复的Ack。当封包被重发且返回新的Ack值时，Vegas会注意第一个或者第二个返回的 ACK 值，以检测随后的封包是否超时，并重发遗失的包。可见，Vegas能及早检测出是否有封包遗失并立即重送遗失的封包。2 新的拥塞避免机制Vegas通过观察RTT的变化来控制cwnd的大小。Vegas的拥塞控制算法如下： WindowSize bytes transmittedDiff = Expected - Actual = BaseRTT measured RTT (2.1) BaseRTT=minimum of all measured RTT Linearly increases during next RTT, Diff (2.2) unchange, DiffiBEGIN #程序初始化，设置一变量以记录目前最高处理封包的ID highest_packet_id = 0;#将所有数据装入程序 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; #记录目前最高的封包ID if ( packet_id highest_packet_id ) highest_packet_id = packet_id;#记录封包的传递时间 if ( start_timepacket_id = 0 ) pkt_seqnopacket_id = seq_no; start_timepacket_id = time; #记录CBR的接收时间 if ( flow_id = 2 & action != d ) if ( action = r ) end_timepacket_id = time; else #把不是CBR的封包或者是被丢弃的CBR封包的时间设为-1 end_timepacket_id = -1; END #初始化计算抖动率需要变量last_seqno = 0;last_delay = 0;seqno_diff = 0;#读完数据后，开始计算有效封包的端到端延迟时间 for ( packet_id = 0; packet_id = highest_packet_id; packet_id+ ) start = start_timepacket_id; end = end_timepacket_id; packet_duration = end - start;#只把接收时间大于传送事件的记录列出来后计算jitter if ( start set xlabel simulation timegnuplot set ylabel cwndgnuplot set title cbr-jittergnuplot set terminal gifTerminal type set to gif/usr/share/fonts/truetype/liberation/LiberationSans-Regular.ttf,12 fontscale 1.0 size 640,480 gnuplot set output cbr-jitter.gifgnuplot plot cbr-jitter w l lt 1 lw 2图 3.2 抖动率3.2 TCP版本（一）-TCP Tahoe与TCP Reno下面实验3.2主要验证TCP Reno解决TCP Tahoe在封包遗失的情况下必须等到Timeout才能重传的问题，TCP Reno在收到重送封包的ACK之后就会直接进入拥塞避免阶段，提高Link使用率，有效使用频宽。1) 网络结构图如图3.3所示，这是一个由两个路由器组成的简单结构图，其中R0和R1表示网络上的路由器。FTP Source通过R0连上网络，并且假设有大量的数据可持续地传送给FTP Sink。路由器的队列管理机制使用DropTail,频宽为1Mbps,传递延迟的时间为4ms,在这个例子中，我们只建立1条TCP数据流。由于cwnd的值直接反映TCP的传输效果，所以 在接下来的大部分例子里，我们选择以cwnd作为观察测量的参数。版本Tahoe与版本Reno作为参数，执行Tcl代码，意味着TCP Tahoe与TCP Reno将在相同环境中模拟执行过程，通过吞吐量的大小得出版本的优劣，cwnd的变化图会直接反应不同版本TCP的拥塞控制机制的不同处理。图3.3 TCP Tahoe的仿真网络结构图R1R12) 实验结果及分析l 吞吐量结果从图3.4可以看出Reno的平均吞吐量大于Tahoe,说明在加入了快重传机制之后Link的使用率确实有所求提高。图3.4 TCP Tahoe与TCP Reno吞吐量l Cwnd变化趋势1 Tahoe如图3.5，TCP的Congestion Window值会呈现周期性的重复变化。TCP开始执行时，先由Slow-start开始，cwnd超过ssthresh是进入Congestion Avoidance阶段。由于传送到网络上的封包不断增加，当超出允许能传送到网络上的个数时，路由器开始使用Droptail将封包丢掉。当有封包遗失时，Tahoe这个版本会将ssthresh设为发现到封包遗失时的window值的1/2，接着讲window的值设为1。上面的结果中，由于封包遗失，cwnd的值就会被重设为1，因此每次封包遗失，Tahoe都重新又Slow-start开始。图 3.5 Tahoe的cwnd变化图2 Reno如图3.6所示，当检测到封包遗失时，ssthresh和cwnd的值会被设为先前cwnd值的 1/2。在重送遗失的封包后，TCP Reno会由Congestion Avoidance幵始。由于结束Fast recovery后，Reno的cwnd由先前cwnd值的1/2开始增加，所以得到的平均吞吐量较Tahoe为佳。图 3.6 Reno的cwnd变化图从图3.6我们也可以看到，当TCP的传送端观察到端点到端点的路径并没有拥塞的情况时（没有检测到封包遗失），会持续地以累加的方式增加传送速率。但是当检测到路径拥塞的情况时，则以倍数方式减少传送速率。基于上述原因，TCP的拥塞控制算法又常被称为累加递增-倍数递减的算法（Additive-Increase，Multiplicative-Decrease，AIMD)。3.3 TCP版本（二）-TCP Reno，TCP NewReno与TCP SACK下面实验3.3主要模拟解决传送过程中多个封包在网络上遗失而衍生出来的版本。1) 网络结构图图3.7是一个由两个路由器组成的简单结构图，其中R0和R1表示网络上的路由器。FTP Source通过R0连上网络，并且假设有大量的数据可持续地传送给FTP Sink。路由器的队列管理机制使用DropTail，频宽为1Mbps，传递延迟的时间为4ms，我们选择cwnd作为观察测量的参数。为了比较NewReno与Reno (以及Tahoe)之间的差异，我们现在故意将Bottleneck (R0与R1之间）的缓冲区设得小一点，让仿真的网络环