（计算机应用技术专业论文）交换机及交换网仿真技术研究.pdf

摘要 随着互联网的迅猛发展，对网络性能的研究已经引起越来越多的 人的关注。而交换机作为网络的基本构成，在网络性能研究中具有十 分重要的地位。因此为研究交换机和交换网络而设计的交互式实验环 境和仿真工具具有非常重要的意义和作用。本论文在对当前流行的仿 真工具和交换式局域网进行了深入的分析和研究的基础上，设计开发 了一个交换机和交换网络仿真系统，并使用该系统对单个交换机和三 级交换机网络进行了仿真。 论文首先介绍了网络仿真技术在国内外的发展现状和交换机的 基本特点。深入研究了时下流行的几种网络仿真工具，并在资料缺乏 的情况下，通过分析数量庞大的程序行代码，重点对s t a n f o r d 大学开 发的交换机仿真工具s i m 进行了深入剖析。 其实没有一种网络仿真工具是万能的，能够很好地仿真所有的网 络。我们的研究目标是一种新的局域网环境i n t e m e t 的尽力服务 与控制系统的实时传输并存的网络环境，我们把它称之为i 沿 ( r e a l t i m ea n db e s t e f f o r t ) 网络环境。文章通过分析现有三种典型 局域网的结构特点和新的网络应用要求，引出了我们的r b 设想和研 究意义。通过分析这种网络的特点，进而设计了适合该类型网络的仿 真工具。 由于现有的s i m 是一个单交换机仿真工具，所以其并不适用于 交换网络的仿真。本文借鉴s i m 工具的交换机仿真技术，并结合设 想中的网络环境的特点，设计和实现了我们的交换机与交换网络仿真 工具s w i t c h s i m ，同时也为工具选择和实现了具有典型特点的负载模 型和分组调度算法。通过深入研究时间片系统仿真机制的工作原理和 仿真方法，为工具设计了贴近r b 交换机和交换网的时间片仿真策 略。文中还借鉴和分析了现有仿真工具n s 2 的随机数实现方法，实 现了工具的随机数发生器。 论文的最后使用我们设计的s w i t c h s i m 系统对单个交换机和三级 交换机网络进行了仿真和演示，体现出了其良好的仿真能力和效果。 关键词：网络仿真，交换机，s w i t c h s i m ，时间片系统 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，m o r ea n dm o r e p e o p l ep a yt h e i ra t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho fn e t w o r k c a p a b i l i t y a sab a s i ce l e m e n to ft h en e t w o r k ，as w i t c hp l a y s av e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h i sr e s e a r c h s t a r t i n gf r o mt h i sp o i n t ， t o d e s i g n a ni n t e r a c t i v ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n to r s i m u l a t i o nt o o lf o rt h er e s e a r c ho fs w i t c h e sa n ds w i t c h i n g n e t w o r k sh a sv e r yi m p o r t a n tsig nif ic a n c e b a s e do nt h er e s e a r c h o nt h ep r e s e n tp o p u l a rs i m u l a t i o nt o o l sa n ds w i t c h e dl o c a la r e a n e t w o r k s ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p s as w i t c ha n d s w i t c h i n gn e t w o r ks i m u l a t i o ns y s t e m ，a n ds i m u l a t e sas i n g l e s w i t c ha n dat h r e e l a y e rs w i t c h i n gn e t w o r kw i t ht h i ss y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ks i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es w i t c h i tm a k e sa n i n t e n s i v es t u d yo fs e v e r a lp o p u l a rn e t w o r ks i m u l a t i o nt o o l s w h a t sm o r e ，i ns p i t eo fl o c ko fd e t a ild e m o n s t r a t i o n s ， a n i n d e p t ha n a l y s i so ft h es i mt o o l sd e v e l o p e db yt h eu n i v e r s i t y o fs t a n f o r dh a sb e e nm a d et h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h o u s a n d so f c o d e s i nf a c t ，t h e r ei sa c t u a l l yn o tan e t w o r ks t i m u l a t i o nt o o l s t h a tc a ns t i m u l a t ee v e r yk i n do fn e t w o r k s ，o u rr e s e a r c ha i m s a ta n e wk i n do fl a ne n v i r o n m e n t ，i nw h i c hb e s t e f f o r t b u s i n e s s e sa n dr e a l t i m et r a f f i c s f o rc o n t r o lp u r p o s ea r e c o e x i s t e d t h i st y p e s y s t e m i nt h i sp a p e ri sc a ll e dr b ( r e a l ti m ea n db e s t e f f o r t ) n e t w o r ks y s t e m t h er bn e t w o r k e n v i r o n m e n ti si n t r o d u c e da n di t ss i g n i f i c a n c ei sd e s c r i b e d 1 i i t h r o u g ht h ea n a l y s iso ft h ef e a t u r e so ft h r e et y p i c a lk i n d so f l a n sa n dt h en e wn e t w o r ka p p l i c a t i o nd e m a n d s ，as t i m u l a t i o n t o o list ob ed e s i g n e db a s e do nt h ef e a t u r e so fr be n v i r o n m e n t b e c a u s et h ep r e s e n ts i mi sas i n g l es w i t c hs t i m u l a t i o nt o o l ， i tc a n n o tb ea p p li e dt ot h es t i m u l a t i o no fs w i t c hn e t w o r k t h i s p a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h en e t w o r ks i m u l a t i o ns y s t e mn a m e d s w i t c h s i mt h r o u g hr e f e r e n c i n gt h et e c h n o l o g yu s e di ns i ma n d r e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er bn e t w o r ke n v i r o n m e n t ， a n dt y p i c a ll o a dm o d e l sa n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ed e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d t h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n ds i m u l a t i o ns k i l l s o ft h et i m es l o ts y s t e ma r ed e e p l ys t u d i e d t h e nt i m es l o t m e c h a n i s mi sd e s i g n e df o rr bs w i t c h e sa n ds w i t c h i n gn e t w o r k s i na d d i t i o n ，t h ew a yt op r o d u c er a n d o m n u m b e ri nn s 2i sa n a l y z e d ， a n dt h er a n d o m n u m b e rg e n e r a t o ri ns w it c h s i mt o o lisd e v e l o p e d a tl a s t ，s w i t c h s i mi su s e dt os i m u l a t eas i n g l es w i t c ha n d at h r e e l a y e rs w i t c h i n gn e t w o r k a n dt h ea c t u a lr e s u l t sp r o v e t h a tt h ed e s i g n e ds w i t c h s i mh a sg o o ds i m u l a t i n gc a p a b i l i t ya n d s a t i s f i e de f f e c t s k e yw o r d s ：n e t w o r ks i m u l a t i o n ，s w i t c h ，s w i t c h s i m ， t i m es l o ts y s t e m i v 湖南! j 币范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：，书匀乏 口f9 年 月乙严e t 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：f 育翔乏日期：pf 啤r 月砂日 锄张谫扒魄z 。口年f 月印日 交换机及交换网仿真技术研究 1 绪论 i n t e m e t 自上世纪六十年代出现以来发展迅速，近年来更是以惊 人的速度增长。随着互联网用户的数量成指数增长，网络的应用也越 来越广泛。伴随着计算机各种应用技术的不断发展，基于网络的综合 数据、图像、语音等多媒体的综合业务已经出现，多媒体应用和实时 业务不断增加，对网络带宽、服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 、可 扩展性以及对新业务的适应性方面提出了更高的要求n 3 。 随着高速传输介质和技术的飞速发展，宽带应用成为可能，对路 由交换设备的性能提出的要求越来越高。处于中间层的路由交换处理 设备在网络的整体性能上已经扮演着越来越重要的角色。随着高性能 网络交换机或路由器内部交换结构的技术的日趋成熟。设计易于在硬 件中实现的、高效的队列调度算法成为提高交换机性能的重要手段。 然而随着通信网络规模日趋庞大，技术日趋复杂，网络的性能也变得 越来越不可预测，采用有效的手段研究与评估目标网络系统的性能、 技术、协议成为了越来越迫切的需求。 在一般的研究中通常采用现场实验、数学分析、仿真模拟三种方 法来对目标系统进行研究和评估陀1 。然而在网络研究中由于仿真模拟 与现场实验、数学分析比较起来具有资金投入少、操作简便、结果直 观可靠、接近实际等特点，从而在网络研究中应用越来越广泛，已经 成为一项研究、规划、设计计算机网络不可或缺的工具。从上世纪 8 0 年代开始，西方等发达国家就已经开始致力于研究和开发商业和 非商业用途的网络仿真产品。近年来，o p n e t ，n s 等网络仿真软件 也被我国很多单位在协议开发，网络规划设计和应用等研究领域广泛 使用。 硕十学位论文 随着各种实时性网络应用对交换机的q o s 支持能力提出了更高 要求，更高效更优越功能更完善的交换机调度算法的研究和开发成为 一种必然的趋势。因此，更易学易用功能更贴合目标网络系统的仿真 模拟方法与工具自然也成为了现今世界上一些大学研究机构的研究 热点。 1 2 网络仿真的现状 国际上，仿真技术在高科技中所处的地位日益提高。早在1 9 9 2 年美国提出的国家关键技术和国防关键技术中，仿真技术就被列在了 重要位置。北约在1 9 8 9 年制定的“欧几里德计划”中，仿真技术也 成为了十一项优先合作发展的项目之一。而伴随着网络的发展，网络 仿真技术的研究与应用也已经有了2 0 多年的历史。美国等西方国家 在上世纪八十年代已经开始了商业和非商业用途的仿真产品的开发。 而上世纪九十年代末网络仿真的研究在我国也得到了发展，除了引进 一些国外的优秀商业仿真软件用于网络协议开发、网络规划设计和应 用的研究以外，在1 9 9 7 年，c e r n e t 网络中心等机构也开始了自己 的网络仿真软件的开发。 在过去，网络仿真技术主要应用于网络协议和网络设备的开发和 研究，使用者大都是各个研究机构的研究和开发人员。网络仿真软件 的操作相对复杂，使用者通常需要经过较长时间的学习和培训才能熟 练应用。而近年来伴随着网络应用的日趋复杂，网络规模的日趋庞大， 网络仿真技术的应用领域越来越广泛。网络技术仿真工具的使用人群 也越来越多样化，不再局限于研究和开发人员。网络仿真软件厂商近 年来也纷纷把应用和开发的重点转向更为广泛的网络领域，将用户由 原来的研究开发人员转向更为广泛的人群，如网络规划和设计人员 等。越来越简化的软件界面和操作流程和越来越强化的软件的工程应 用能力，成为网络仿真工具的特点，使得网络仿真的能力和效率得到 交换机及交换网仿真技术研究 很大的提高。 目前网络仿真主要通过两种途径：一种是基于已有的仿真工具进 行二次开发，例如使用商业工具o p n e t 和开源工具n s 等。另一种 是自己编写仿真系统进行仿真。随着网络应用的发展，目标网络系统 的服务越来越趋于个性化。而商业软件的版本更新显然难以及时的满 足对所有特定目标系统的仿真需求。而一些大型的开源软件，由于其 自身功能的强大，导致其系统的庞大和复杂，对新手有一定的学习和 应用的难度。开发自己的简易仿真系统，方便灵活的贴合特定网络仿 真的需求显然将成为一种必然的需要。同时这种方式除了满足对个性 化网络仿真的需要以外，也同时有利于对网络仿真技术本身的研究， 促进网络仿真技术的发展。 1 3 交换机概述 随着网络技术和应用的发展，网络数据传递的实时性越来越好， 网络服务的质量越来越高。提高交换设备性能对网络性能的改善起到 了关键作用1 。交换机中排队结构的排队策略可分为输出排队、输入 排队和结合的输入输出排队三种n 1 。这三种排队结构划分的主要依据 是信元在交换机中缓存的位置。输出排队是将信元在输出端缓存，由 于多个输入端很可能要把多个信元同时发送到同一个输出端，所以这 种排队策略要求更高的交换机内部带宽。输入排队是将信元在输入端 缓存，这种排队策略不要求更高的交换机内部带宽，但是需要通过调 度将输入端缓存的信元调度到输出端。组合输入输出排队 1 ( c o m b i n e di n p u t o u t p u t q u e u e d ，c i o q ) 是输入排队和输出排队策略 的折衷策略，最早由m c k e o w n 和p r a b h a k a r 提出，这种策略综合了 前面两种策略的优点。但这种排队策略尚不成熟，还处于研究阶段， 还有很多问题有待解决。 传统交换机多采用输出队列结构，即分组缓存在交换机的输出 硕士学位论文 端。输出排队的优点在于其所有信元都具有固定的延迟，这使得通过 交换控制延迟成为可能。所以输出排队常被用来提供完全统计意义上 的性能保证哺m m m 叭1 1 3 。但由于缓存器的工作速率必须是输入链路的 速度的n 倍，使得其虽然具有优越的性能，但是随着交换机端口的 增加输出排队交换机的实现变得越来越复杂，所以不适用于高速交换 的场合。随着虚拟输出队y l j ( v i r t u a lo u t p u tq u e u i n g ，v o q ) 的应用，输 入排队结构由于链头阻塞( h e a do fl i n e ，h o l ) 而导致的f i f o 调度时 的吞吐率只能达到5 8 6 n 23 的性能瓶颈得到突破，其性能大幅度提 高。同时输入排队交换机的易实现性，使得其在高速交换场合得到了 广泛应用。 为了进一步提高交换机性能，当今许多高性能骨干数据交换机在 采用输入排队结构的同时，其内部都采用固定长度单元( c e l l s ) 进行 数据交换，这样使得每个c e l l s 的处理时间都是一致的。结合时间 片( t i m es l o t ) 概念，具有固定长度的c e l l s 可以使得每一个时间 片结束时，入1 2 1 ( i n p u t ) 队列和出口( o u t p u t ) 队列同时达到空闲， 这将极大的提高交换机效率。结合v o q ( 虚拟输出队列) 技术，避 免了h o l ( 链头阻塞) 对交换机性能的影响。从而使得在时间片到 来时，通过调度算法的调度输入缓存中的数据可以直接进入输出缓 存。这极大的提高了交换机的性能。 1 4 本文的主要工作 网络仿真技术对网络应用的发展起着至关重要的作用，研究和开 发适用于目标网络系统的仿真系统的目的是为了高效率，低成本的研 究与评估目标网络系统的性能、技术、协议。为了深入研究网络仿真 技术，本文提出了一种“实时与尽力服务 局域网环境设想，并设计 和开发了一个适用于该类网络仿真的网络仿真系统s w i t c h s i m 。 所作工作主要集中在以下几个方面： 交换机及交换网仿真技术研究 第一，仿真工具的研究。除了介绍和分析了现在被广泛应用的网 络仿真工具n s 2 和o p n e t 以外，我们还在资料缺乏的情况下，通过 分析数量庞大的实现代码对s t a n f o r d 大学开发的s i m 仿真工具进行 了剖析。 第二，提出实时与尽力服务并存的交换式局域网设想。通过分析 几种典型的局域网络的结构特点。我们提出了一种新的局域网环境设 想i n t e m e t 的尽力服务与工业控制系统的实时传输并存的网络环 境。这种设想的网络环境考虑将实时数据，如工业实时信息、实时火 警报警信息等，与i n t e m e t 的“尽力服务信息等合多网并一网，从 而降低整个网络的安装和维护工作量，我们预计对于工业现场网络和 校园网络而言这是一种发展趋势。 第三，s w i t c h s i m 系统的设计。我们通过深入的分析和研究时间 片系统仿真的理论和仿真工具s i m 的实现方式。提出了交换机与交 换网络仿真系统s w i t c h s i m 的总体设计方案。s w i c h s i m 由交换机输 入端口、交换机调度算法、交换机输出端口、随机数发生器等模块组 成。结合“实时与尽力服务 网络环境的特点，在工具中实现并提供 了几种典型的负载流量和交换机调度算法，以满足用户的仿真需求。 同时依据高性能交换机的特点，我们设计了时间片调度机制作为系统 的运行机制。并为系统设计了随机数发生器类，以方便用户获得更高 精度的随机数。此系统结构清晰，使用它进行网络的仿真工作是非常 简单方便的。用户可以通过界面操作，配置整个仿真系统，并完成仿 真工作。 第四，s w i t c h s i m 系统的应用。最后我们使用我们设计和实现的 s w i t c h s i m 工具进行了单个交换机和三级交换机网络的仿真，整个过 程证明了本文提出的s w i t c h s i m 系统有较强的灵活性和可视性，功能 较为强大。 我们的s w i t c h s i m 系统首先是依据高速输入排队交换机的特点 硕十学位论文 ( 即各个模块的工作都在一个时隙内完成) 并结合对由s t a n f o r d 大学 开发的仿真工具s i m 的深入研究，使用面向对象技术对将要实现的 仿真系统进行了设计和分析。然后结合“实时与尽力服务 网络的特 点，选择和设计了几种具有典型特点的网络流量负载模型和调度算 法。最后使用c + + 语言完成了该系统的编写和实现。 1 5 论文结构 本文共分六章。 第一章绪论为总体概述。 第二章主要研究了时下较流行的仿真工具，并在资料缺乏的情况 下，通过分析数量庞大的程序代码，重点对s t a n f o r d 大学开发的s i m 仿真工具进行了深入的剖析。 第三章主要分析了几种典型的局域网络的结构特点。并提出了一 种新的局域网环境设想i n t e m e t 的尽力服务与工业控制系统的实 时传输并存的网络环境。我们预计这种实时信息与i n t e r n e t “尽力服 务信息多网并一网的网络环境是一种网络的发展趋势。 第四章由于o p n e t 有严格的许可证限制，n s 对很多新手来说 存在一定的学习难度。而s i m 工具由于其主要针对的仿真对象是单 个交换机，且对仿真过程的展现并不直观。所以很有必要设计一个可 以仿真交换机和交换网络的仿真工具，来仿真我们设想的r b 网络环 境。本章主要介绍了s w i t c h s i m 的设计，包括s w i t c h s i m 支持的组网 形式，系统中的交换机结构，程序结构，负载模型，以及关键技术等。 第五章使用s w i t c h s i m 对单个交换机和三级交换机网络进行仿 真，从而通过该仿真过程，展现了s w i t c h s i m 对交换机和交换网络较 强的仿真能力。 结语对本文进行总结，对论文的不足进行了分析并对下一步工作 进行展望。 交换机及交换网仿真技术研究 最后是参考文献和致谢。 7 交换机及交换网仿真技术研究 2 仿真工具研究 随着信息时代的到来，网络的规模变得越来越庞大，结构变得越 来越复杂。无论是现有网络的升级、还是新网络的搭建、或是新协议 的测试都需要对网络的性能进行有效而客观的评估。为了对网络规划 提供可靠的定量依据，促进科学的网络设计和网络建设的进行，并提 高网络的利用率和降低投资风险。通过数学建模和统计分析的方法模 拟网络行为，从而获得特定网络的性能参数和统计报表的网络仿真技 术在近年来得到了长足的发展，一大批优秀的网络仿真工具应运而 生，其中被广泛应用并且声名远播的有o p n e t ，n s 等，也有一批为 专门研究机构提供的工具如美国斯坦福大学的s i m 工具等。对这些 工具的研究，对仿真技术的应用有重要意义。特别是本章在缺乏资料 的情况下深入剖析了s i m 工具。 2 1o p n e t 工具 o p n e t 公司起源于麻省理工学院，并于1 9 8 6 年成立。次年 o p n e t 公司发布了它的第一个商业化的网络性能仿真软件，提供了 具有重要意义的网络性能优化工具，使得具有预测性的网络性能管理 和仿真成为可能。至今o p n e t 已经发行到了1 0 0 以上版本。它的产 品线除了m o d e l e r 外，还包括i tg u r u 、s pg t l r u 、o p n e td e v e l o p m e n t k i t 和w d mg u r u 等。 o p n e tm o d e l e r 提供了三层建模机制n3 | ，分别在进程层，节点层 和网络层进行由下到上的建模。同时在仿真的过程中它采用了离散事 件驱动的模拟机理。其中进程模型( p r o c e s sm o d e l ) 是用有限状态机 f s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) 来描述各种协议。再针对各个状态分别进行 编程实现。节点模型( n o d em o d e l ) 由进程模型构成，可以组成完整的 协议栈，真实的反映所建模设备的特性。各模块间通过数据包和状态 9 硕士学位论文 信息的传递来进行各种操作，进而实现设备的功能。网络模型( n e t m o d e l ) 由节点模型组成，可以通过不同的拓扑设计来构造出各种不同 的网络结构。三层模型和实际的协议、设备、网络完全对应，全面反 映了网络的相关特性。同时o p n e t 提供了多种业务模拟方式，具有 丰富的收集分析统计量，查看动画和调试功能。它可以直接收集常用 的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。 o p n e t 通过循环进行五个建模步骤( 了解建模对象、确定建模 目的、模型设计、仿真调试、验证结果) 直到得到预定的结果的方法 来完成建模的过程。使用其仿真大体可以分为配置网络拓扑，配置业 务，收集结果统计量，运行仿真，调试模块，再次仿真，最后发布结 果和拓扑报告六个步骤。同时它支持基于包的通信，基于链路的通信 和使用接口控制信息进行的通信三种通信机制。o p n e t 作为当前一 种主流的网络仿真软件，为通信网络和分布式系统的构建提供了全面 的模拟仿真开发环境。它通过执行离散时间仿真来分析各种模拟系统 的行为和性能。其将各个仿真研究阶段所需要的工具相结合，组成了 一个由模拟设计工具、仿真核心、数据收集工具和数据分析工具有机 结合起来的大型仿真系统。 o p n e t 具有层次化、模块化、灵活的建模机制，面向对象、图 形化的建模方式，丰富的模型库，强大的统计数据的生成，综合分析 工具，动画演示等特点，并在国内很多研究机构得到了广泛的应用。 然而由于其是一个商业软件，有严格许可证限制，所以在使用时需要 缴纳一定的费用，同时虽然其具有大而全的功能和灵活的组合能力， 但是在一些贴合目标系统的仿真研究上，特别需要对仿真的底层参数 进行修改时并不一定总能非常方便，快捷的满足要求，例如对网络时 间粒度的修改和对一些新的仿真数据的统计等，在使用上存在一定的 难度。 交换机及交换网仿真技术研究 2 2n s 工具 n s 起源于1 9 8 9 年的r e a l 网络模拟器，并在后续的几年中发生 了实质性的演进。1 9 9 5 年，n s 的开发获得了d a r p a 的支持，通过 v i n t 项目，由l b l 、x e r o xp a r c 、u c b 和u s c d s i 合作进行。目 前n s 的开发由d a r p a 的s a m a n 项目和n s f 的c o n s e r 项目支 持。n s 具有开放性结构和良好的扩充性。n s 从其他研究者那里吸收 了很丰富的模块，包括从u c bd e a d e l u s 和c m um o n a r c h 计划以及 s u n 微系统公司获得的无线代码。以为了研究分组交换数据网络中 的流量控制和拥塞控制方案的动态性而产生的模拟器r e a l 为基础， l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y 的网络研究组开发了n s 1 ，在 不断改进n s 1 的过程中，u cb e r k e l e y 发布了n s 2 。 n s 模拟分为基于o t c l 编程和基于c + + 和o t c l 编程两个层次n 。 前者利用n s 已有的网络元素实现模拟，无需对n s 本身进行任何修 改。后者是通过扩展n s ，添加用户所需的网络元素，这样需要添加 新的c + + 类和o t c l 类。使用n s 进行模拟仿真可以分为编写o t c l 脚 本、执行o t c l 脚本、分析仿真结果和观察仿真过程、调整配置拓扑 结构和业务量模型四个步骤。其中编写o t c l 脚本需要完成建立协议 代理、配置业务量模型的参数、设置t r a c e 对象、编写其他的辅助过 程，设定模拟结束时间四个方面的工作。这整个过程是一个循环的过 程，直到得到用户期望的仿真目标。 目前n s 还在发展当中，还不是一个完善的产品。虽然n s 包含 的构件库已经相当丰富，但是不可能包括所有特定用户所需要的模 块，而且软件中的b u g 还在不断的发现和改正，n s 的用户必须自己 去核实是否因为软件中的b u g 而造成了他们的模拟结果的错误，所以 在现有n s 的基础上，进行源代码的修改和再开发对于网络研究的用 户来说是不可避免的。 硕十学位论文 2 3slm 工具剖析 由于资料极其缺乏，所以我们通过分析s i m 工具的数量庞大的 代码对它进行了深入的剖析。除了o p n e t 、n s 等非常著名的仿真工 具以外，正在使用的模拟器还有很多，除了交换机模拟器，也有不少 互连网络模拟器 1 5 1c i s c i t 。s i m 是其中较为著名的一款，它是由s t a n f o r d 大学开发的交换机仿真软件。提供多种流量负载模型和队列调度算 法。可以对不同实现技术的交换机的性能进行模拟、统计和评价。s i m 工具采用a n s ic 语言编写，并在l i n u x 平台运行。 s i m 具有三个突出的特点： ( 1 ) 时间片驱动 代替离散事件的仿真方式( 从事件列表中取出事件，并将仿真时 间推进到事件发生的时间) ，s i m 采用时间片驱动方式。在每个时间 片，s i m 的各部分完成一系列操作，相当于交换机在一个时间片内的 动作，其各部件之间是非流水的，但这并不影响仿真效果。 ( 2 ) 模块化的架构 s i m 按照交换机的组件划分为几个模块：t r a f f i c ( 信元产生) ， q u e u e p o l i c y ( 队列管理，包括输入队列和输出队列) ，s c h e d u l e ( 调度算 法) 和f a b r i c ( 交换结构) ，这样便于对这些模块的不同组合情况的仿真， 也方便用户对各个模块的修改和扩充。 ( 3 ) 个性化的统计 用户不但可以依据仿真的需求把个人编写的程序和算法嵌入到 s i m 中，以对它进行扩充。还可以依据仿真需求定义、增加和减少统 计量，从而更加突出和直观的展现仿真结果。 2 3 1 基本结构 s i m 模拟的交换机体系结构分为七个部分，如图2 1 所示。 交换机及交换网仿真技术研究 宣 鼍 - _ - & 宝 t r a f f i c m p u tq u e u e s i - l l i 看i i暑l l1 一u 图2 一ls i m 中的交换机体系结构 ( 1 ) t r a f f i c ( 通信负载) 通过读取跟踪文件或者依据某种特征( 比如独立同分布) 为交换机 产生输入信元流。在每一个时间片，根据每个输入端口的通信负载特 征来判断该端口是否要产生一个信元。将结果提供给i n p u ta c t i o n 模 块，同时通知信元的达到情况。s i m 提供以下几种信元到达模式： b e m o u l l ii i du n i f o r m ：贝努利独立同分布，目的端口选择是 随机且概率相等的。 b e r n o u l l ii i dn o n u n i f o r m ：贝努利不独立同分布，目的端口选 择是依据指定的序列顺序。 b u r s t y ：突发传输，间断地产生连续发往同一目的端口的信元 k e e p f u l ：保持所有的输入端口的v o q 满状态 t r a c e ：根据指定文件中包含的时间，目的端口序列产生信元 t r a c e p a c k e t ：根据指定文件中包含的时间，目的端口，包长序列 产生信元 ( 2 ) i n p u t a c t i o n ( 输入端控制器) 接收t r a f f i c 模块送来的信元，并依据目的端口信息将其送入相 应的v o q 队列。 ( 3 ) i n p u t q u e u e s ( 输入端队列) 交换机的每个输入端口都为各个输出端口维持了一个f i f o 队 硕+ 学位论文 列，从而支持虚拟输出队歹w j ( v o q ) 。具体的队列操作由i n p u ta c t i o n 模块完成。 ( 4 ) f a b r i c ( 交换结构) 位于输入队列和输出队列间的交换机制，可以是c r o s s b a r 或共享 存储器交叉开关。s i m 中对这两种交换结构提供了相应的模拟程序。 ( 5 ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ( 调度算法) 在模拟输入排队交换机时，f a b r i c 会调用一个指定的调度算法用 于确定下一个时间片传送哪些信元。s i m 中已经实现了f i f o ，i s l i p ， i l p f ，i l q f 等常用的调度算法 ( 6 ) o u t p u t q u e u e s ( 输出端队列) 存放从f a b r i c 传送来的信元，一般就是简单的f i f o 队列。 ( 7 ) o u t p u t a c t i o n ( 输出端控制器) 从o u p u t q u e u e s 中调度信元输出并离开交换机。 2 3 2 运行流程与实现 s i m 的运行过程就是s i m 中各个模块循环依次执行的过程。每 个时间片开始，t r a f j f i c 模块被执行为交换机产生输入的信元，通过 i n p u t a c t i o n 模块加入到输入队列中，等待调度。然后s c h e d u l i n g 模块 被执行为当前时间片的交叉开关生成一组交换配置，f a b r i c 模块则根 据这个配置调度信元通过交换结构加入到输出队列，最后执行 o u t p u t a c t i o n 模块调度输出队列中的信元离开交换机。其间会对相关 的统计量进行统计。在整个模拟过程结束后，统计结果将被输出。其 流程图如图2 2 所示。 交换机及交换网仿真技术研究 图2 2s i m 运行流程图 s i m 工具的主函数位于s i m c 中，在该函数中主要包含三个部分 的内容，第一个部分是分析命令行参数，第二个部分的内容是调用解 析配置文件的函数p a r s e c o n f i g u r a t i o n f i l e ，并在该函数里面对交换机 进行初始化。第三个部分是程序的主循环，主要是循环调用各个模块 完成仿真工作。主函数涉及的主要功能函数如图2 3 所示。 硕士学位论文 c r e a le s w itc h 函数 图2 3s i m 主函数相关的主要函数 p a r s e c o n f i g u r a t i o n f i l e 主要完成依据命令行中指定的配置文件初 始化交换机的工作。它首先调用了函数c r e a t e s w i t c h 用于初始化定义 于t y p e h 文件中的交换机结构体s w i t c h ，并调用f i n d f u n c t i o n 函数为 该结构体中间包含的交换机五个模块结构中的功能函数指针赋值。该 函数需要两个参数，第一个参数是函数描述，第二个参数是指向对应 的函数表的指针。这些函数表分别被定义在了各个模块的函数表头文 件中。例如调度算法的函数表定义于a l g o r i t h m t a b l e h 文件中。函数 表的结构定义如图2 4 所示 交换机及交换网仿真技术研究 t y p e d e fst r u c t c h a r * n a m e ； c h a r d e sc r i p tio n ： v o i d 奉( , f u n c ) 0 ： lf u n c t i o n t a b l ej 图2 4 函数表结构定义 初始化完交换机以后，s i m 工具将进入主循环，在主循环中它依 次调用t r a f f i c m o d e 函数( 产生负载流量) 、i n p u t a c t i o n 函数( 分组进 入交换机) 、s c h e d u l i n g a l g o r i t h m 函数( 调度分组) 、f a b r i c a c t i o n 函数 ( 交换分组) 、o u t p u t a c t i o n 函数( 分组离开) 。这五个函数都是以函 数指针的形式被调用的，而这些指针都定义在s w i t c h 结构中。它们 的赋值就是通过上面提到的f i n d f u n c t i o n 函数完成的。 2 3 3slm 的模块化 从s i m 主函数的实现可以看到s i m 程序组织的特点。由于交换 机各个模块都有着大量的千差万别的算法和程序，所以在s i m 的主 函数中，交换机各个模块的功能的调用是通过五个函数指针实现的。 而这些函数指针的赋值操作，是通过一个特殊的函数f i n d f u n c t i o n 来 完成的。正是这种方式，赋予了s i m 灵活的模块化机制。从而实现 了模块的动态加载。这样的实现方式显然有利于方便灵活的为各个模 块添加新的算法和程序，同时使得这些算法程序的添加不会对其他模 块以及程序的运行过程造成影响，保证交换机的各个模块真正的具有 独立性。同时这种模块化的方式也使得在为交换机的各个模块添加新 的算法程序时，需要注意以下两点。 第一新添加的程序和算法文件，其主功能函数必须按照固定的 格式书写。为了采用固定的方式来完成对交换机的各个模块的各种操 作，例如传递参数、初始化、执行功能、打印结果等。各个模块的算 法和程序文件中的主函数都有固定的s w i t c h c a s e 格式。以调度算法模 硕士学位论文 块为例，所有的调度算法文件，它的主功能函数都必须按照相同的 s w i t c h c a s e 格式。如图2 5 所示。在这个结构中，各种c a s e 项都是必 须的，而且各个c a s e 项都对应了固定的功能，所以不能互换和改变。 同时s i m 工具的主函数也将通过这些c a s e 项来调用算法响应的功能。 例如在调度算法里，s c h e d u l i n gu s a g e 项表示打印该算法的参 数列表。s c h e d u l i n gi n i t 项表示对该算法执行初始化。而 s c h e d u l i n ge x e c 表示算法执行的主体部分。 v o i di s l i p ( a c t i o n ja s w i t c h , & r g c ，a r g v ) s w i t c h a c t i o na c t i o n ； s w i t c h * a s w i t o h ； i n ta r g c ； c h a r * - * a r g v ； s t i t c h ( a c t i o n ) c a ses c h e d u l i n g u s a g e ： c a s es c h e d u l i n g i n i t ： c a s es c h e d u l i n g e x e c ： 图2 - 5 调度算法的s w i t c h c a s e 结构 第二新添加的程序和算法的功能函数名需要添加到对应模块的 函数列表中。虽然对功能函数的结构有要求，但是s i m 工具对功能 函数的命名并没有特定的要求。然而这种灵活性在增加了程序的可读 性和为文件的管理提供了便利以外。同时也要求在添加程序和算法文 件的同时，需要编辑对应模块的功能函数表。从而为功能函数的加载 提供关系链接。例如调度调度算法部分的功能函数表如图2 - 6 所示。 交换机