基于NS2的网络仿真研究与应用

1、第 21 卷 第 12 期 计 算 机 仿 真 2004 年 12 月 文章编号: 1006- 9348( 2004 12- 0128- 04 基于 NS2 的网络仿真研究与应用 王晓燕, 郑明春 ( 山东师范大学计算机系, 山东 济南 250014 摘要: 通信网络的日新月异, 各种网络方案和协议日趋复杂、 网络规模日趋庞大, 对网络研究人员而言, 掌握网络 仿真的重要 性是不言而喻的。该文主要介绍了免费网络仿真软件 NS2 软件包构成、 工作原理及 NS 仿真环境的搭建, 并详细介绍了该软 件使用中的难点问题。在此基础上以 NS2 为平台对基于一种新 的速率的 组播拥塞 控制算法 IRBM

2、CC 性能 进行了大 量仿真 实验, 并以此为例介绍了仿真过程中代码层修改、 拓扑构建, 以及如何将感兴趣 的数据转换成 X、 坐标图像, 并 对最终结果 Y 进行了分析。同时还介绍了一些必要的系统安装知识。 关键词: 模拟器; 仿真; 组播拥塞控制 中图分类号: TP393 文献标识码: A Study and Application of Network Simulation Technology Based on NS2 WANG Xiao- yan, ZHENG Ming- chun ( Dept. of Computer Science , Shandong Normal Unive

3、rsity, Jinan Shandong 250014, China ABSTRACT: The mastery of the network simulative tools is important for the increasing of complexity and scale of network. This paper mainly analyzes the architecture of NS simulator, describes the details of the build of the simulated environment and explains how

4、user to develop his own objects under NS2 in combination with the new rate- based multicast congestion control algorithm IRBMCC. The paper also introduces some necessary knowledge of the related OS installation. KEYWORDS: Simulator; Simulation;Multicast congestion- control 1 引言 在研究 和设计 网络协议 时通常 需要利

5、用仿真 软件对 其 性能仿真中的应用。 性能进行测 试和评价, NS 作为 一种免 费软件, 以其 协议代 码 与真实网络应用代码的相似性和仿真结果 的可靠性, 成为 众 多仿真软件 中的首选。NS 是 一种面 向对象 的离散 事件驱 动 的网络 模 拟 器, 支 持 多 个 流 行 的 网 络 协 议 如 各 个 版 本 的 TCP、 UDP 和路由调度、 拥塞 控制算法等, 当前版本是 NS2。NS 源代码完全 公开, 可 供使用 者在 Unix 、 Linux、 Windows 等系 统 平台上使用和进 行二 次开 发, 并 可以 提供 有线网 络、 无线 网 络中链路层 及其高层精 确

6、到 数据包 的诸 多网 络行为 的模 拟 与仿真, 目前国内利用该模拟器来仿 真和分析的 研究人员 也 逐渐开始增多。但是 NS 模拟器对于初次接触的 人来说是 比 较复杂的, 关于该模 拟器 的用户 使用 手册 也很少, 由 开发 者 撰写的文档 2, 3 只适合于比较熟悉该模 拟器的用户。本文 旨 在用比较浅显的语言介绍 NS2 软件包 的组成、 NS2 的基本 结 构及其仿真原理, 并 以此 为基础 , 介 绍 NS2 在 网络协 议算 法 基金项目: 山东省中青年科学家奖励基金项目( 304068 收稿日期: 2004- 03- 16 2 NS 构成与仿真原理 NS 是一个面向 对象

7、的、 一个 可扩 展的、 易配 置 的、 容 可 编程 的 事 件 驱 动 仿 真 引 擎 ( simulation engine , 由 LBNL ( Lawrence Berkeley National Laboratory 的 网 络 研 究 组 研 制 开 发, 是 DARPA 支持的 VINT 项目 的核 心 部分, 其 源代 码全 部 公开, 提供开放的用户接口, 可用于各类 IP 网络模拟 7 。 2. 1 NS 软件包及 NS2 的基本结构 NS 软件包主要包括 T cl/Tk、 OTcl、 Tclcl 四部分。软 件 NS、 包各个部分的相互联系可由图 1 来简单 刻画。OT

8、cl 是 T cl 8 (Tool Command Language 的面向对象扩 展, 是 NS 的 仿真描 述 语言。NS 仿真器共用 到了 六种 Otcl 接 口类, 分 别是 Tcl 类、 TclObject 类、 TclCommand 类、 EmbededTcl 类和 InstVar 类。其中 TclObject 在类的层次结构中处 于最高 层, 所 有其他 主要的 类 都从它派生而来。它有 一个 静态 链表记 录了 用户创 建的 所 有对 象, 每一个对象 都有 一个 唯一的 标识, 记 录了每 个对 象 所属的类名。InstVar 类定义了一些 方法和机 制, 在 编译类 结 构

9、对 象的成员变量和对 应的 解释 类结构 对象 的成员 变量 之 128 间建立映 射, 使两 类变量 一致 共享; TK 8 是 Tcl 的图 形界 面 开发工具, 帮助用户在图形环境中开发图形界 面。 NS 是 整 个 软 件 的 核 心, 采 用 编译和解释双层 结构, 编 译层由 C + + 类组成, 它的 前端 是一 个 Otcl 解释 器。仿 真器 内 核 定义 了 有层 次结构的 多 种 类, 称 为 编 译 类结 构; 在 Otcl 解释器 中有相似 的类结 构, 称为解释类 结构。用户 通过解 释器创立新的仿 真对 象之 后, 解 释器 对它 进行初 始化, 与 编 译类结构

10、中相应的对象建 立映 射。从用 户的 角度看, C+ + 代码层与 OTcl 代码层是一一对应的。NS 中同时 使用两种 语 言是因为 C+ + 语言执行速度 快而修 改和编 译速度慢 , 故 只 用于编译层协议细节的实现, 而 Otcl 修改快且可 用于交互 操 作, 用于解释层 中仿 真对 象的 设置。NS 采 用策 略跟 机制 分 离的原则, 提高了代 码的 重用率 ; 同 时为 了降 低分组 和事 件 的处理时间, 事件调度器和基本 的网络 元素用 C+ + 进行 编 译, C+ + 对象的控制权 交给 Otcl。 NS 由 事件调度器( Event Schedualer 、 网络 元

11、素对 象库 和 网络设置模型库三 个主要 部分 组成。其 中调 度器是 仿真 器 的重要组成部分, 它 记录 当前时 间, 调度 网络 事件链 表中 的 事件。它有一个静态成员变量 instance_供所有的 类访问同 一 个调度器, 并 提供 函 数产 生新 事 件, 指定 事 件发 生 的时 间。 事件和 TCP 分组( Event&TCP Packet 事件 表示 仿真器 产生 的 实际事件, 包括事件产生的时间、 处理事件 的事件处理 器( 是 指所有处理事件 类的 基类, 它只 是一 个虚 拟函数, 每 个继 承 类实现自己 的功 能 。网 络元 素 对象 包括 节 点、 路

12、、 理 链 代 ( Agent 、 业务追踪( Trace 和 数据源 等; 节点、 链路、 理同 时 代 继承了 NsObject 和事件 处理 器类, 来处 理多 项事务 ; 代理 是 实际产生和消费 分组 的对 象, 它 们属 于传 输层实 体, 运行 在 端主机( 模拟 , 节点的每一个代理自 动被赋与一 个唯一的 端 口号( 模拟 TCP/ UDP 端口 。NS 提供 了丰 富的网 络元 素, 使 用者只需要 熟悉相关研 究方 向的基 本元 素, 其它的 可做 透 明 处理。T clcl 用于提供 C+ + 和 OT cl 之 间的接 口, 使对 象 和变量能同时出现在两种语言中。

13、2. 2 NS 仿真原理 用户在用 NS 仿真器 进行仿 真工 作以 前, 首先需 要分 析 该仿真过程所涉及是解释层还是编译层。 如果仅涉及解释层, 则只需要利 用现成的网 络元素编 写 OT cl 脚本, 构造合适 的网络 拓扑 并确定 链路 的基本 特性 ( 如 延迟、 带宽和丢包策略等 以及对节点的特 性化配置( 如进 行 节点的代理、 路由 协议、 事件 调度 等的初 始化 ; 此外 还要 建 立追踪文件 对仿真过程 中用 户感兴 趣的 网络 元素的 变化 或 特定的网络现象进行跟踪, 以便于仿真过 程结束后 用 XGraph 进行静态或 者用 NAM ( Network Anima

14、tor 进 行动 态 分析。 其 中 NAM 可以表现 仿真 的全部 宏观 过程, 显 示从 开始 到结 束 整个过程中的 拓扑 结构、 理行 为和 链路 状态; XGRAPH 用 代 图1 NS 的内部结构图 于对网络微观特性 进行跟 踪纪 录并 生成图 形。此类 模拟 主 要用 于加深对网络协议 和算 法的 形象理 解和 网络协 议类 教 学。 如果仿真 方案涉 及 C+ + 代 码层, 途径 有二, 其 一根 据 现有网络元素的 C+ + 代码 进行 某个 算法 修改 或增 加某 个 功能的实现来满足对一些现有协议功能 完善的类的 仿真; 其 二通过编写全新的协议代码, 满足一 些网络工

15、 程师新的设 计 需要。建立新的协议必须注意以下几个问题 2,7 : 1 首先必须定义头文件, 包括数据 结构和新 代理的继 承 结构, 并建立适当的类定义; 2 定义 C+ + 代码和 OTcl 代码之间的接 口连接; 3 定义接收 函数 recv ( 和 Tcl 命令触发 函数 Command( 及时钟类函数等必要的函数; 4 新协议代码完成后需对 相关程序进 行必要改 动, 并 在 NS 目录下运行 Make Depend 和 Make, 重新编译 NS 内核, 直至 生成新的 NS。 使用 NS2 进行 网 络仿 真, 最 终目 的 是要 得 到 实验 的 结 果。NS 提供跟踪和监视

16、 2 两种方式 收集输 出数据 并存到 指 定文件中, 来对仿真结果进行评价。 其中跟踪是指使用 trace- all 记录 每个包 在队列 或链 路 的行为( 到达、 离开、 丢弃等 ; 它的输出文件为: + 1. 13450 tcp 1000 - 1. 13450 tcp 1000 + 1. 13450 tcp 1000 - 1. 13450 tcp 1000 + 1. 26454 cbr 300 r 1. 26570 ack 40 21. 1. 3. 2. 24 184 21. 1. 3. 2. 24 184 21. 1. 3. 2. 24 184 21. 1. 3. 2. 24 184

17、 13. 01. 0 37 186 23. 21. 1 12 179 各列的具体含义解释如下: 第 1 列表 示跟踪类 型( + 入队列、 - 出队列、 接收、 丢弃 ; 第 2 列表 示事件发 生时间; 第 3、 r d 4 列是源和目的节点号; 第 5 列是包类 型; 第 六列表示 包大小; 第七列表示当前支持 ECN; 第 8 列 是 IP 流标 识号; 9、 两 列 10 表示源和目的地址; 第 11 列是 流内顺序号; 第 12 列表示仿真 生成包的标识号。而监视是指有选择的记 录包的行为 ( 如 某 链路上丢包的数目 或使 用流监 视器 ( flow monitor 记 录每 个

18、流的 情况。其 输出数 据包 括事先 约定 的流标 识、 包类 型、 流 的字节数, 丢包数、 包字 节数 等, 最 多可 有 19 项。 监视 获 丢 得的 数据可在 Linux 下 用 Xgraph 或 Xmgr9 , 也可 在 Windows 下用 Excel 或 Orig in 等画图工具转换成便于观察和分析 的 X、 Y 坐标图。 此外, 在仿真的过程中可以 启动 NAM 进 行动态 模拟, 但 是无法进行定量分析。 整个流程从用户的角度看来如图 2 所示。 所以说, 用 NS2 进行仿真的过程就是根据需要先对C+ + 编译层进行修改或建立新的协议集, 然后编写 OTcl 脚本源程

19、序, 包括用 NS 命令定义网络拓扑结构、 配置业务源、 业务接收 点、 收集统计信息, 然后启动 NS 仿真器, 调用 其 C+ + 程序内 129 往造成了 TCP 的不友 好性; 同 时, 现有的 可靠 组播拥 塞控 制 算法根据包丢失来 判断拥 塞, 将 NACK ( Negative Acknowledge ment 作为拥塞反馈信号, 这 种机制不具有扩展性。针对上述 问题, 本文就一种改进的基于速率的 可靠组播 拥塞控制机 制 IRBMCC( improved rate - based multicast congestion control 进 行 图2 用户角度的 NS 仿真

20、流程简化图 仿真 , 考察该算法对网络条件 变化反 应的灵 敏性以 及与 TCP 协议的公平性。 算法思想是选一些关键的接收者作 为代表, 根据延迟 和 带宽乘积来检测网络中数据的排队情况 来判断拥塞 状态, 积 极反馈拥塞控制信号 CC( Congestion Control , 源 端根据来自接 收者代表的 CC 信号来进 行速率调节而不是等到数据包丢 失 后才进行拥塞控制。 此算 法 涉及 C+ + 代码 层, 其 中包 括 主要 包 括拥 塞 检 测、 速率调节两部分, 伪码如下: / / 拥塞检测部分伪码 if currentseq= = lastseq+ 1; delay= R_i

21、nv- S_inv; if delay< 1* S_inv r_status= increase; else if delay> 3* S_inv r_status= decrease; else r_status= normal; else r_status= loss; / / 速率调节 S_inv= ave_RTT; / / initial if r_status= = normal S_rate= 1 packetsize; S_inv else if r_status= = increase S_inv( t+ 1 = S_inv ( t * ave_RTT/ ( S_i

22、nv( t + ave _ RTT ; else if r_status= = decrease S_inv( t+ 1 = S_inv ( t * ave_RTT/ ( ave_RTT- 2* S_ inv( t ; else if r_status= = loss S_inv( t+ 1 = S_inv( t * 2; 同时, 为了避免 反馈内 陷, 算法 采用基 于代 表的 反馈 控 制。初始时, 没有 代表, 所有 接收 者都有 资格 发送 反馈。 发 送者选择反馈最先到达的接收者作为代 表, 发 送方在下一 个 发送的数据包中携带代表通告, 只有 权值比当 前代表更高 的 接收者才发

23、送反馈代表更新报告, 申请加入 代表集合。非 拥 塞时 成周期性反馈, 拥塞 时及时 反馈。其 信号 CC( Congestion Control 主要选项如图 3。 S_address arrive_time Rep_id pkt_seq pktSend_time r_status 核运行仿真, 输出感兴趣的仿真结果, 并对结果进行分析。 3 仿真环境的搭建 NS 仿真软件 对于 初次 接触 的人 来说 比较 复杂 , 单仿 真 环境的 搭 建 就 是一 大 障 碍。NS 的 安 装 在 Unix 、 Linux、 Win dows、 FreeBSD 以及 Sun Solaris 等 平 台

24、下 都可 以 进行, 我 们 选 择 Linux 作为 NS 的安装平台。 3. 1 Linux 安装应注意的几个 问题 Linux 支持的文件 系统 有很 多种, 其 默认 的文 件格 式 为 Ext2, 并能兼容 FAT 、 32 及 NTFS 等格 式, 多系统 并存时 一 FAT 般先 装 Windows 系 统 再 安 装 Linux , 而 且, 因 为 操 作 系 统 的 Loader 必须安装在硬盘 的前 8. 4GB 内 5, 6 , 否则 BIOS 无法 在 启动时将控制权交给活动分区上的操作系 统, 解 决的办法 是 将 Win2000 的 OS loader 和 Lin

25、ux 的 Loader( LILO: Linux Loader 安装在硬盘的 8. 4GB 前, 其余各区不受 8. 4GB 约束。此外 在 选择 LILO 的 位 置 时, 一 定不 要 选 择 安装 在 MBR( Main Boot Record 上, 否则, Win2000 不能启动。 3. 2 NS 的安装 系统平台安装好以后, 可在 http: / / www. isi. edu/ nsnam/ ns 上获得最新的 NS 软件包, 然 后执 行 tar - xzvf ns- allinone 2. 26. tar. gz 进行解压, 解压结束后所 有的软 件包都 被安装 在 用户所选

26、目录下的 ns- allinone- 2. 26 文件 夹下。然 后进 行 NS 的安装, 结束后, 根 据系 统给 出的 提示 进行 路径 修 改, 这 一步是必需 的, 否则 NS2 不 能正常 使用。修 改分 为两 步: 在 环境变量 PATH 中加 入 ns - 2. 26 下 的 bin、 3. 2/ unix 以 tk8. 及 tcl8. 3. 2/ unix 的 完整 路 径; 在 环 境 变 量 LD_LIBRARY PATH 、 LD_LIBRARY_PATH 以 及 TCL_LIBRARY 加 入 相 关 的完整路径。修 改 完在 * / ns- 2. 26 下, 键 入

27、ns , 若 出 现 % , 则说明安装 成功, 否 则 Logout, 再 次进 入 * / ns- 2. 26, 作同样的检测。 4 用 NS2 进行网络仿真实验 NS 功能强大, 从物 理层 到应 用层、 域网 到广 域 网、 局 有 线网到无线网, NS 都 提供 了丰 富的 支持。 下面 将以 NS2 在 一种改 进的基 于速 率的 组播拥 塞控 制算法 IRBMCC 仿真 中 的应用为例, 对仿真过程中的代码层 修改、 拓扑构建、 实验 实 施及实验结果的分析进行介绍。 4. 1 实验目的和代码层修改 已有的 基于速率的 组播 拥塞控 制算 法 10, 11, 13 acksend

28、_time 主 要着 眼 于稳定性而忽略了 控制 过程 的动态 性, 比 TCP 灵 敏度 低, 往 图 3 CC 信号的主要选项 130 4. 2 网络拓扑结构和实验结果分 析 4. 2. 1 网络拓扑及主要参数 实验 采 用 了 图 4 所 示 的 哑 铃 拓 扑, LAN100Mb/ s、 瓶 颈 2Mb/ s、发 送 者 在 左 边、 收者 在右 边, 共 接 享瓶 颈 链 路; 为 了 能 比较协议与 TCP, 采用 与 TCP 的包大小匹配的 1000 字节作为 包大小, 100Mbps 作 为 非瓶颈链路带宽的缺省值。另外为了说明 该算法的 性能, 我 们与已被作为当前标准组播拥

29、 塞控制 算法的 TFMCC 14 进 行 了多方面比较。 4. 2. 2 实验结果及其分析 针对实验目的, 将实验分组进行。 第一组实验采用 图 4 中 s1- L1- L2- L3- r1 的 部分 拓 扑,L1、 链路为 10Mbps, 瓶颈 L2 带宽为 1Mbps 的路径, 延 迟 L3 20ms, 验证该算法对网络 变化的灵敏性。在 实验中 加入背 景 流, 模拟网络资源变化情况: 当 t= 0 时, IRBMCC 开始 发送, 30 秒后, 一个 CBR 流以 500kbps 的 速率向 瓶颈链 路发送 crosstraffic 流, 在 60 秒后, CBR 的发送速率减至 2

30、50kbps, 以便模 拟 网络带宽变化, 整个过程持续 100 秒, 图 5 给出了实验结果。 图4 实验拓扑 了防止开始阶段行为的不同影响实验结 果, 我 们将每个实 验 前 60 秒排除出去。 图6 IRBMCC, TFMCC 在单 TCP 流下的吞吐量比较 图5 IRBMCC 与 TFMCC 对网络变化反映灵敏度比较 从实验 a, b 可 以看 出, IRBMCC 比 TFMCC 有 更好 的 TCP 友好性, 且随着多路复用程度的增加, IRBMCC 与 TCP 的平 均 吞吐量基本保持一致。 至此, 用仿 真软件 NS2 进行的 新算法 IRBMCC 性能仿 真 实验结束。 从图

31、5 可以看出 IRBMCC 能根 据网络 资源的 变化, 迅 速 调节吞吐量, 做到 有效 地利 用网 络资 源。与 TFMCC 相 比 可 以提前 8 秒左右 检测 到带宽 的变 化, 做出快 速反 应, 在一 定 程度上提高了灵敏性。 第二组考察该算法的 TCP 友好性。实 验 a, 同时 并发 一 个 TCP 流和组播流对 IRBMCC 和 TFMCC 作对比实验, 实验 结 果如图 6 所示。从图中可以看出 IRBMCC 能很快达到平衡状 态, 而 TFMCC 经过 10 几秒后才达到它的公平份额。 实验 b 验证多 路复用时的 TCP 公平性, 采用图 4 的拓 扑 和初始设置, 随

32、着瓶颈链路处带宽的增加 而增加 TCP 和组 播 流的数量, 在 实验 中 竞争 连 接 的数 目 在 6 到 40 之 间变 化, TCP 和 IRBMCC 各占 一半。有 源端在 0- 5 秒之 间选 择一 个 随机时间开始发送, 整个模拟过程持续 120 秒。然后用 TFM CC 代替上面 拓扑中 的 IRBMCC 进行 模拟。图 7 和 图 8 分 别 给出了连接数为 8 和 16 时 TCP 和 IRBMCC 的平均吞吐量, 为 5 结束语 本文在介绍了 NS 构 成、 仿真 原理以 及仿 真环境 的搭 建 的基础上, 以 NS2 在 一种新的基于速率的组播 拥塞控制算 法 IRBM

33、CC 仿真中的应用为 例, 详细 介绍了 仿真 过程中 代码 层 修改、 拓扑构建、 验实施 及实 验结果 的分 析。随着 网络 规 实 模和复杂度的 不断增 加、 新协 议的不 断生 成, 仿真正 成为 一 种有效的、 必不 可少 的手 段。NS 作为 一个 源代 码公 开的 免 费开放平台, 功能强大, 并可根据需要进 行二次开发, 它在 网 络协议研究领域的广泛应用, 已经成为 必然。 ( 下转第 199 页 131 对用户 自 定 义消 息 调用 WndProc 函 数单 独 处理, 而 对 Windows 操作系 统的鼠 标、 盘等消 息则返 回调用 标准消 息 键 处理过程: Ca

34、llWindowProc ( prevWndProc, lParam ; hWnd, Msg, wParam, 2 卢荣德, 陈宗 海, 王 雷. 复 杂工业过 程计算 机建模、 仿真与 控 制的综述 J . 系统工程与电子技术, 2002, 24( 1 : 27- 30. 王雷. 企业级仿真培训支撑系统设计与开 发 D . 合肥: 中 国 科学技术大学, 1999. Richter J. Windows 高级编程指南 M . 北京: 清华大学出版社, 1999. 尹立民, 等. Visual Basic 6. 0 常用编程技巧 M . 北京: 清华 大 学出版社, 1999. 齐舒创作室.

35、V isual C+ + 6. 0 开发技 巧及实 例剖析 M . 北 京: 清华大学出版社, 1999. 3 4 4 结论 Win32 API 已经被广泛应 用于 Windows 操 作系统 上应 用 5 6 程序的开发。为解决本地进程间的通信问 题, 我 们在过程 实 验平台的开发中使用了 Win32 API 中的管道函数。应用效 果 表明, 管道技术尽管简单却十分有效, 能够充 分满足在 Visual Basic 程序与 Visual C+ + 程序之间进行大 量频繁的数据通信 的要求。 参考文献: 1 刘炳文, 李凤华. Visual Basic 6. 0 Win32 API 程序设计

36、 M . 北 京: 清华大学出版社, 2001. 作者简介 王 雷 ( 1972 - , 男( 汉族 , 安徽宿州人, 讲师, 博 士研究生, 主要研究 方向为 过程仿 真、 程控制 与 过 优化等。 陈宗海 ( 1963- , 男 ( 汉族 , 安徽 桐城人, 教授, 博 士生导师, 校长助理, 中国 计算机 用户协 会仿真 机 分会副会长, 计算机仿真 编委会副主任, 主要研究方向为复杂系 统 建模与控制优化, 模式识别, 定性仿真等。 ( 上接第 131 页 5 6 陆成新, 张卫民, 廖湘科. 中文版 Windows NT4. 0 实用指南 M . 北京: 人民邮电出版社, 1998.

37、 ( 美 Christopher Negus 著, 王玉芬等译. Red Hat Linux 宝典 M . 北京: 电子工业出版社, 2001. 7 8 Jae Chung, Mark Claypool. NS by Example J . Computer Science, Nov. 2002. Brent B Wel ch, 王道义等译. Tcl/ Tk 组合教程( 第二版 M . 北 京: 电子工业出版社. 9 图7 IRBMCC 在多 TCP 流下的吞吐量变化 10 Int roduction to Xmgr- a Tutorial in Publ ication Quality Two- Dimensional Graphics DB . http: / / plasma- agte. weizmann. ac. il/ Xmgr. B Whetten and J Conlan. A