(完整word版)NS2网络仿真实验

1、移动自组织网络验报告口NS2网络仿真实验何云瑞13120073电信研1301班1实验目的和要求1.学会NS2的安装过程，并熟悉NS2的环境；2 .观察并解释NAM动画，分析Trace文档。3 .学会用awk和gnuplot分析吞吐量、圭寸包延迟、抖动率和圭寸包丢失率。2. 实验环境先在 PC 上安装 VMware 虚拟机，再在虚拟机上安装 Ubuntu 系统，最后再 Ubuntu系统上安装NS2软件，本次实验采用的是 NS-2.34版本。3. 基本概念3.1 NS2 简介NS2是一款开放源代码的网络模拟软件，最初由 UC Berkeley开发。它是一 种面向对象的网络模拟器， 它本质上是一个离

2、散事件模拟器， 其本身有一个模拟 时钟，所有的模拟都由离散事件驱动。 其采用了分裂对象模型的开发机制， 采用 C+和OTcl两种语言进行开发。它们之间采用 TclCL进行自动连接和映射。考 虑效率和操作便利等因素，NS2将数据通道和控制通道的实现相分离。 为了减少 圭包和事件的处理时间，事件调度器和数据通道上的基本网络组件对象都使用 C+编写，这些对象通过TclCL映射对OTcl解释器可见。目前，NS2可以用于模拟各种不同的通信网络，它功能强大，模块丰富，已 经实现的主要模块有：网络传输协议，如 TCP和UDP;业务源流量产生器，如 FTP、Tel net、CBR、Web 和 VBR ;路由队

3、列管理机制，女口 Droptail、RED 和 CBQ; 路由算法；以及无线网络 WLAN 、移动 IP 和卫星通信网络等模块。也为进行局 域网的模拟实现了多播协议以及一些 MAC 子层协议。3.2 NS2的功能模块NS2仿真器封装了许多功能模块，最基本的是节点、链路、代理、数据包格 式等，下面对各个模块进行简单的介绍：(1) 事件调度器：目前NS2提供了四种具有不同数据结构的调度器，分别是链表、堆、日历表和实时调度器（2） 节点（n ode）:是由TclObject对象组成的复合组件，在 NS2中可以 表示端节点和路由器。（3）链路（link）:由多个组件复合而成，用来连接网络节点。所有的链

4、路 都是以队列的形式来管理封包的到达、离开和丢弃。（4）代理（age nt）:负责网络层封包的产生和接收，也可以用在各个层次 的协议实现中。每个age nt连接到一个网络节点上，由该节点给它分配一个端口 号。（5） 封包（packet）:由头部和数据两部封包成。一般情况下，packet只有 头部、没有数据部分。（6）应用层（Application ）:流量产生器（Traffic generatorS创建了各种不同的概率模型来模拟产生实际网络中的业务流，它建立在UDP代理之上；应用模拟器（Simulated即plication）产生建立在TCP代理之上的业务流。（7）数据记录：Trace，功能是

5、能够详细记录模拟过程，同时，用户也可以根据自己的需要记录模拟过程中的任何一个细节，模拟结束后会产生out.tr文件；Monitor, NS2中有两种监测，队列监测（Queue Monitoring）和流量监测（Per-Flow Mon itori ng ）。（8）动画演示Nam，是基于Tcl/Tk的动画演示工具，用来把模拟的过程用可视化的方式呈现出来，模拟结束后会产生out.man文件。（9）数据分析：gawk。awk是一种程序语言。它具有一般程序语言常见的功能。由于awk语言具有使用直译器（Interpreter）不需先行编译；变量无型别之分 （Typeless）,可使用文字当数组的注标（A

6、ssociative Array）等特色，所以使用 awk 撰写程序比起使用其它语言更简洁便利且节省时间。awk还具有一些内建功能，使得awk擅于处理具资料列（Record），字段（Field）型态的资料。此外，awk内建 有pipe的功能，可将处理中的资料传送给外部的 Shell命令加以处理，再将Shell 命令处理后的资料传回awk程序，这个特点也使得awk程序很容易使用系统资 源。而gawk是GNU所开发的awk，最初在1986年完成，之后不断改进和更新， gawk包含awk的所有功能。3.3 Trace文件的格式(1)(2)(8)(9)(10)(11)(12)Eve ntTimeFro

7、mToPktPktFlagsFidSrcDstSeqPkt icnodenodetypesizeaddraddrnum(1) Eve nt发生的事件类型+表示圭寸包进入链路队列(Enqueue)-表示封包离开链路队列(Dequeue)r表示目的队列接受(receive)事件d表示队列丢弃(drop)封包事件(2) time表示事件发生的时间(3) From node表示圭寸包发送节点的id(4) From node表示圭寸包传送目的节点的id(5) Pkt type表示圭寸包类型(6) Pkt size表示封包的大小(7) Flags表示标志项(8) Fid为Flow id的简写，流标识符(9

8、) Src addr表示源地址，格式为：node.port。node为圭寸包发送节点的id, port代表发送封包节点的端口号。(10) Dst addr表示目的地址，格式为：node.port。node为圭寸包接收节点的 id, port代表接收封包节点的端口号。(11) Seq num圭寸包的序列号(12) Pkt id封包的唯一标识符，表示封包的id。3.4 CBR和FTP简介CBR: Constant Bit Rate，固定传输速率。这是一个用来形容通信服务质量(Quality of Service, QoS)的术语。和该词相对应的词是可变码率或可变比特 率(Variable Bit

9、Rate,缩写VBR )。当形容编解码器的时候，CBR编码指的是编 码器的输出码率(或者解码器的输入码率)应该是固定制(常数)。当在一个带宽受限的信道中进行多媒体通信的时候CBR是非常有用的，因为这时候受限的是最高码率，CBR可以更好的易用这样的信道。但是 CBR不适合进行存储，因 为CBR将导致没有足够的码率对复杂的内容部分进行编码(从而导致质量下降)，同时在简单的内容部分会浪费一些码率。FTP： File Transfer Protocol，文件传输协议，中文简称为 文传协议”用于 In ternet上的控制文件的双向传输。同时，它也是一个应用程序（Application ）。用户可以通过

10、它把自己的PC与世界各地所有运行FTP的服务器相连，访问服务 器上的大量程序和信息。FTP的主要作用，就是让用户连接上一个远程计算机（这 些计算机上运行着FTP服务器程序）查看远程计算机有哪些文件，然后把文件 从远程计算机上复制到本地计算机，或把本地计算机的文件送到远程计算机去。3.5其他概念（1）丢包率：是一个比率，表示在单位时间内未收到的数据封包数与发送的数据封包数的比率，由于信号衰减、网络质量等诸多因素的影响，可能产生数 据封包的丢失。（2）端到端时延：是由各种因素引起的，包括打包和解包时延，以及网络 传送时延，本文中主要讨论的是网络传输时延。（3） 吞吐量：单位时间内某个节点发送和接受

11、的数据量，单位一般为b/s。（4）抖动率：网络延迟的变化量，它是由同一应用的任意两个相邻数据包 在传输路由中经过网络延迟而产生的，由相邻数据包延迟时间差除以数据包序号 差得到。4. 实验步骤4.1 NS2的安装本文NS2的安装参照博文：http:/blog.s in .c n/s/blog_53e4f67d0101f5tr.html最终运行NS2自带simple.tcl得到图1，以示成功：uf j* H n anir ou trn3 旧 N4)ni ConfJ 斗ElieQr-eluSit； 3 i On |.HAH - X M?Ldork*1.1*NAJH Ihe Network

12、Animator圧咎严E 5 M V叭并” E EZ网 cmt-Birw rcurcfl code mi th the Fcllcwinc cDPMrirfttEJCoPwruelTt 1591 -1934 Repents cf the UhiwrsltM of 匚aliFurniM* 匚 1567-19-=? UhiMersiti-i of Soijthffrn 匚曰业丄forma 一 i irr !*_r丄 i . r i 亠：. _.rcotfiiast e n /horme/kln gc/n 5-fllLlnon-e-Z134/ns-Z.34/td/EM 1.4 kfiFetched

13、91L4 kB tn fls (135 kB/s)FIL L 1 III I JU.l Lil LL丄11J 11.11.ISelecting previously unselected package xgraph.(Reading database * 225 files and directories currently installed.Unpacking xgraph (from .B /xgraph_12. ! 15_i3S6.deb)Processing triggers for man-db Setting up xgraph (12.1b15) .rcwt(masterE-

14、9 cd /home/ktngc/ra - iSlltniMie - Z B 34/ns - 2 B 34/ tcl/ew rootma生ter:/heme/kingc/nsallinon&a2.34/ns-2.34/tel/exW ns simpletel 21日6 .盹3科轴対射彌轴対阳rynritng n$R? + +roDtmaster;/hoine/kingcfnsalltnone-2.34/ns-2.34/tel/ex# ；|图1 NS2安装成功4.2 Tel脚本运行本实验中编写的脚本simulator.tcl见附录一。实际模拟的网络结构图如图2所示。包含4个node,各节点之间都

15、是以全双工的链路相连。 nO和n2之间链路的带 宽为2Mbps，延迟为10ms,为DropTail队列方式；n1和n2之间链路带宽为2Mbps, 延迟为10ms，也为DropTail队列方式；n2和n3之间链路的带宽为1.7Mbps,延迟为20ms,也为DropTail方式。n0处有一个FTP的TCP流量产生器，n1处为CBR的UDP流量产生器，n3有一个接收TCP的sink和接收UDP的NULLEile Uieucs Qnalysiscut.namIIIIIIIU fffffl Illi IIHUIIIIIHUIIIHill刑档赛* 个是Quin茁加方式呈现出廉.这可UVw$ns color

16、 1 Blue1*(file stHULator.tcl* lirw 2) r ootgnastert/hcne/ktngc/ns - alltnoi roatnaster:/hcne/kingc/ns - llinoi rootnaster:/hone/klngc/ns-dHtnoi rootnaster:/hon&/ktngc/ns-alltnoi roo tgr ：/hcne/kingc/ns - slltrnji cant read ns: no such variablewhile execLJti.ng Sns color 1 blue11图2网络结构图仿真结束后，会产生两个档案，

17、一个是 out.nam,这是给NAM用的，用来把 仿真的过程用可视化的方式呈现出来，这可以让我们很直观的方式去了解封包传 送是如何从来源端送到接收端。另一个档案是out.tr，这个档案记录了仿真过程中封包传送中所有的事件，例如第一笔记录是一个CBR的封包，长度为 lOOObytes,在时间0.1秒的时候，从n1传送到n2。4.3吞吐量、封包延迟、抖动率和封包丢失率 4.3.1封包延迟measure-delay.awk 中。测量CBR封包端点到端点间延迟时间的程序写在measure-delay.awk的 具体代码查看附录。在终端输入如下命令：gawk -f measure-delay.awk o

18、ut.tr cbr_delay此指令将运行结果存储到cbr_delay文件中，以便进行绘图 接着输入gnuplot，得到下图rootmaster:/hone/kingc/ns-allinone-2*34/ns-2.34/t匚萍 gnuplotG N U P L 0 TVersion 4,4 patchlevel 3last modified March 2Q11Systen: Linux 3*2*0-56-generic-paeCopyright (C) 1986-1993, 1998, 2004# 2007-2019 Thomas Williams, Colin Kelley and man

19、y othershttp:/www.gnuplot.tnfo type help seeking-assistance type ”hMphit hgnuplot home: faq, bugs, etc: tmnedtate help: plot window：Teni.nal type to接着按下图输入，为接下来要画的时延图做标识:gnuplot plot,Fcbr_delay,Tgnuplot plot,rcbr_delay,Tgnuplot set title cbr_delaygnuplot set xlabel simulationgnuplot set ylabet 1hdel

20、ay timegnuplot unset keygnuplotn set label *constant delay=O*038706 sec/at 0*1,0*05gnuplot set arrow from 0.5,0.05 to 0.5,0.04gnuplot plot cbr_delaygnuplot plot cbrdelay with linespoints运行上图最后一条指令后得到图 3:為 0 B Q %?0.0B50.080.0750.07岸 0.065M 0.06g 0.0550.050.0450.040,03500.511.522.533,544.5srmulation

21、timecbr detay3.Q7669, 0.0858785图3封包延迟随时间的变化4.3.2抖动率抖动率就是延迟时间变化量delay varia nee,由于网络的状态随时都在变化， 有时候流量大，有时候流量小，当流量大的时候，许多封包就必需在节点的队列 中等待被传送，因此每个封包从传送端到目的地端的时间不一定会相同，而这个不同的差异就是所谓的Jitter。Jitter越大，则表示网络越不稳定。量测CBR flow抖动率的代码写在 measure-jitter.awk内，具体见附录。运行方法仿照431，可得下图4：矗、r Gnuplot (window Id : 0)届 S ffl Q 电

22、？0.0150.0140.0130.0120.0110.0100090.0080.0070.0060 0050.004 L0cbrjitterseqNum图4抖动率随封包序列的变化4.3.3封包丢失率测量CBR圭寸包丢失率的代码写在measure-drop.awk内，具体见附录。运行 awk -f measure-drop.awk out.tr cbr_drop后，可在 cbr_drop 中找到如下信息：i cbr drop Mnumber of packets sent:550 lost:8lost rate ofpackets:0,01454510.1G00600,000000乩16800

23、00 + OOGOO0e.1160000,000000G.124060o,ooGoaee.1320000.0060008*146060o.oeoooee.i4saoo0.0000000,156060o,oo0ooeG.1646809 * 0000060,1720000,0000000.1800600,0000001880609.000000其中第一行表示CBR总共送出了 550个封包，丢失了 8个。第二行表示总的丢包率为0.014545。接下来的几行中，第一列表示时间，第二列表示丢包率。仿照上两例，只不不过为了利用gn uplot，要把先把前两行删除。最终可得丢包率随时间的变化如图5所示:G?

24、 Gnuplot (window id : 0)00 B Q %?图5封包丢失率随时间的变化EEJ SA204.3.4吞吐量量测CBR吞吐量的代码写在 measure-throughput.aw内，具体见附录。列 * Gnuplot (window id : 0)曲 % 3 Q ?cbr throughput1000InFBnallp00860001.522.533.544.55srmulation time图6吞吐量随时间的变化5实验结果分析从丢包率、时延、吞吐量和抖动率的变化图中，可以看出当丢包率增加时， 端到端之间的时延也在增加， 而吞吐量则下降， 丢包率、 时延和吞吐量在表示网 络性能

25、的好坏时有一定的关系。在时延的变化图中，在一刚开始的时候，由于只有 CBR 的封包，所以端到 端时延都是固定的，但在1.0秒后，网络多了 FTP的封包，这使得CBR封包和 FTP 封包必须互相的抢夺网络的资源，因此端到端时延变得不在固定，但等到 FTP 传输结束后， CBR 封包的端到端时延又变成是固定值了。在抖动率的变化图中， 抖动率产生变化的原因同时延变化的原因相同， 都是 由于 FTP 封包的加入才使得端到端时延产生变化。6附录6.1 网络拓扑仿真脚本 simulator.tcl:# 有线场景，四个节点， FTT+TCP 用蓝色表示， CBR+UDP 用红色表示set ns new Si

26、mulator#设置颜色$ns color 1 Blue$ns color 2 Redset tracefd open out.tr w$ns trace-all $tracefdset namtracefd open out.nam w$ns namtrace-all $namtracefdproc finish global ns tracefd namtracefd$ns flush-traceclose $tracefdclose $namtracefdexec nam out.nam &exit 0set n0 $ns nodeset n1 $ns nodeset n2 $ns no

27、deset n3 $ns node$ns duplex-link $n0 $n2 2Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $n1 $n2 2Mb 10ms DropTail $ns duplex-link $n2 $n3 1.7Mb 20ms DropTail $ns queue-limit $n2 $n3 10#用于设置 NAM 显示时，各节点的相对位置 $ns duplex-link-op $n0 $n2 orient right-down $ns duplex-link-op $n1 $n2 orient right-up $ns duplex-link-op

28、 $n2 $n3 orient right $ns duplex-link-op $n2 $n3 queuePos 0.5set tcp new Agent/TCP$tcp set class_ 2$ns attach-agent $n0 $tcp set sink new Agent/TCPSink $ns attach-agent $n3 $sink $ns connect $tcp $sink $tcp set fid_ 1 set ftp new Application/FTP$ftp attach-agent $tcp$ftp set type_ FTPset udp new Age

29、nt/UDP$ns attach-agent $n1 $udpset null new Agent/Null$ns attach-agent $n3 $null$ns connect $udp $null$udp set fid_ 2set cbr new Application/Traffic/CBR$cbr attach-agent $udp$cbr set type_ CBR$cbr set packet_size_ 1000$cbr set rate_ 1mb$cbr set random_ false$ns at 0.1 $cbr start$ns at 1.0 $ftp start

30、$ns at 4.0 $ftp stop$ns at 4.5 $cbr stop#以下这一行可有可无$ns at 4.5 $ns detach-agent $n0 $tcp ; $ns detach-agent $n3 $sink$ns at 5.0 finishputs CBR packet size=$cbr set packet_size_puts CBR interval=$cbr set interval_$ns run6.2 丢包率 awk处理脚本 measure-drop.awk:BEGIN dropNum = 0;totalNum = 0i= 0 ;lossratei = 0;

31、timeArri = 0;event = $1;time = $2;fromNode = $3;toNode = $4;pktType = $5;pktSize = $6;flags = $7;fid = $8;srcAddr = $9;stAddr = $10;seqNum = $11;pktId = $12;if(fromNode=1 & toNode=2 & event = +)totalNum+;timeArri=time;lossratei=(float)(dropNum/totalNum);i+;if(fid=2 & event = d)dropNum+;END printf(#n

32、umber of packet sent:%d,lost:%dn, totalNum, dropNum); printf(#lost rate of packets:%fn, dropNum/totalNum); printf(%ft%fn, timeArrj, lossratej);6.3 处理时延的 awk脚本 measure-delay.awk:BEGIN #程序初始化，设定一变量以记录目前最高处理封包的ID 。highest_packet_id = 0;action = $1;time = $2;node_1 = $3;node_2 = $4;type = $5;flow_id = $

33、8; node_1_address = $9; node_2_address = $10; seq_no = $11;packet_id = $12;#记录目前最高的 packet ID if ( packet_id highest_packet_id ) highest_packet_id = packet_id;#记录封包的传送时间 if ( start_timepacket_id = 0 ) start_timepacket_id = time;#记录CBR (flow_id=2)的接收时间if ( flow_id = 2 & action != d ) if ( action = r

34、) end_timepacket_id = time;else #把不是 flow_id=2 的封包或者是 flow_id=2 但此封包被 drop 的时间设为 -1 end_timepacket_id = -1;END #当资料列全部读取完后，开始计算有效封包的端点到端点延迟时间 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时间的记录列出来if ( start end ) printf(%f %fn