網絡模擬器NS2應用分析

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摘要隨著Internet的迅猛發展，網絡模擬占有十分重要的位置。文中探討和分析了NS-2的結構、功能及其使用方法，最后給出一個實例，具體解釋了NS-2的使用方法和用相關工具對輸出結果進行處理的方法，得到了預期的模擬結果。

關鍵詞網絡模擬；NS；應用

引言

隨著Internet的迅猛發展，網絡規模和復雜性的迅速增加，網絡研究人員一方面要不斷思考新的網絡協議和算法，為網絡發展做前瞻性的基礎研究；另一方面也要研究如何利用和整合現有的網絡資源，使網絡達到最高效能。無論是哪一方面都需要對新的網絡方案進行驗證和分析。分析方法的有效性和精確性受假設的限制很大。實驗方法的局限在于成本很高，實驗床的規模很難做到很大，不能實現網絡中的多種通信流量和拓撲的融合。而模擬方法在很大程度上可以彌補前兩種方法的不足。NS-2是美國DARPA支持的項目VINT(theVirtualInterNetTested)中的基礎和核心部分。由USI/ISI,XeroxPARC,LBNL和UCBerkeley這些美國大學和實驗室合作研究開發，其目的在于建立一個網絡仿真平臺，為網絡研究人員提供一系列的仿真工具，來實現新的網絡協議的設計和實現。

1NS-2體系結構及功能模塊

1.1NS-2簡介

NS-2是面向對象的，基于離散事件驅動的網絡環境模擬器。它實現了多種網絡協議的模擬，如網絡協議TCP、UDP，流量源行為，如FTP、Telnet、Web、CBR、VBR；實現了DropTail、RED、CBQ等幾種路由器隊列管理機制以及Dijkstra,動態路由、靜態路由、組播路由等路由算法。此外，NS-2還支持組播協議SRM及部分MAC層協議。

NS-2用C++和Otcl語言編寫而成。它是免費的，開放源代碼的，可以很方便地擴展NS-2的功能，將自己開發的新協議模塊集成到NS-2環境中。

1.2NS-2體系結構

NS-2的結構如圖1所示。

NS-2采用了兩級體系結構，為了提高代碼的執行效率，NS-2將數據操作與控制部分的實現相分離，事件調度器和基本的網絡組件使用C++編寫和編譯，其主要功能是實現對數據包的處理；NS-2的前端是一個Otcl解釋器，主要的功能是對模擬環境的配置、建立。從圖1的左下角看，用戶利用Otcl庫中的模擬對象設計和運行TCL仿真，事件調度器和網絡組件通過OTcl鏈接（tclcl類）和Otcl相關聯，這樣用戶可以在Otcl空間能夠方便地對C++對象的函數和變量進行修改與配置。

1.3NS-2的功能模塊

在NS-2中，整個模擬過程由一個名為Simulator的Tcl類來定義和控制的，Simulator類提供了一系列對模擬進行配置的接口，這其中包括選擇“事件調度器（eventscheduler）”的接口。進行模擬通常要首先創建一個Simulator類的實例對象，并調用該對象的一系列方法來創建節點（Node）、拓撲（Topology）等模擬所必需的對象。

模擬器封裝了許多功能模塊：節點、鏈路、分組、、流量發生器、應用模擬器等。

1)事件調度器:NS-2是一個事件驅動的模擬器，調度器也就成為NS-2的調度中心，主要功能是處理分組（packet）的延遲和充當定時器。從所有事件中選擇發生時刻最早的事件執行，調用它的handle函數，把該事件執行完畢，然后從剩余的所有事件中選擇發生時刻最早的事件執行，如此反復執行。NS-2只支持單線程，如果有多于一個事件安排在同一時刻，那么會按照事件代碼插入的先后次序執行。

2)節點（Node）：表示端節點和路由器，主要由地址分類器、端口分類器、多播分類器和復制器等模擬組件構成。分類器從邏輯上匹配一個分組，并基于匹配的結果把該分組傳遞給相應的對象。復制器是生成一個分組的多份拷貝，并把這些拷貝轉發到各個訂閱了某一多播組G的輸出鏈路。

3)鏈路（Link）:用來連接網絡節點，所有的鏈路都是以隊列的形式來管理分組的到達、離開和丟棄。主要由DelayLink、Queues和TTLChcker等連接器（Connector）構成。DelayLink構造鏈路帶寬和延遲特征；Queues構造和模擬與該鏈路相連的路由器的輸出緩沖；TTLChcker對該鏈路的數據包的TTL字段減1操作，并丟棄TTL值為0的數據包。（圖2）

圖2鏈路

4)分組（Packet）:是對象間交互的基本單元。由一系列分組頭和一個可選的數據空間組成。分組頭的結構在Simulator對象創建時就被初始化了，同時每個分組頭相對于分組的起始地址的偏移量也被記錄下來,提供用戶來存取各個頭部所包含的信息。

5）（Agent）:代表了網絡層分組的起點和終點，并被用于實現如TCP和UDP等網絡協議。Agent類支持分組的產生和接收，C++的Agent包含一系列的內部狀態變量來表示分組的各個域。Agent可以實現多個層次的協議，對于一些運輸層的協議，分組的大小和發送時間通常由Agen提供的應用程序接口（API）來控制，對于在低層使用的Agent（路由Agent），分組的大小和發送時間通常由Agent自己控制。

6）流量發生器(trafficgenerator)、應用模擬器(simulatedapplication):是構建在運輸層之上，流量發生器是模擬應用程序產生網絡通信量，有四類：(1)EXPOO_Traffic、(2)POO_Traffic、(3)CBR_Traffic、(4)TafficTrace，它們一般用在UDP之上，應用模擬器有FTP，Telnet，一般用在TCP之上。

2用NS-2進行網絡模擬

進行模擬之前，首先要分析模擬涉及哪個層次。NS模擬分兩個層次：一個是基于Otcl編程的層次，利用NS已有的網絡元素實現模擬，無需對NS本身進行任何修改，只要編寫Otcl腳本,另一個層次是基于C++和Otcl編程的層次，如果NS中沒有所需的網絡對象，就需要對NS擴展，利用Otcl和NS的接口類實現NS的更新，然后再編寫Otcl腳本。整個模擬的過程如圖3所示：

圖3利用NS-2進行網絡模擬的過程

2.1Otcl實現模擬的一般過程

（1）建立networkmodel:描述模擬網絡拓撲結構，確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和丟失策略等。

（2）建立trafficmodel:包括端設備的協議綁定和通信業務量模型的建立,配置業務量模型的參數，從而確定網絡上的業務量分布。

（3）設置Trace對象。Trace對象能夠把模擬過程中發生的特定類型的事件記錄在Trace文件中。NS通過Trace文件來保存整個模擬過程。模擬完成后，用戶可以對Trace文件進行分析研究。

（4）編寫其他的輔助過程，設定模擬開始/結束時間，運行Otcl腳本仿真。

（5）追蹤分析結果：對Trace文件進行分析，利用gawk、xgraph、gnuplot得出有用的數據曲線,或者用Nam觀看網絡模擬運行過程。

2.2C++建立新協議或修改已有網絡對象進行擴展要考慮的問題

如果模擬只要求對現有的協議進行簡單修改即可完成，無需建立新的協議，則找到相應的待修改協議代碼進行預期的修改，然后直接編譯生成新的NS。然而，當建立新協議時一般需要考慮以下問題：

（1）首先定義頭文件，包括數據結構和決定新的繼承結構，并建立恰當的類定義。

（2）定義C++代碼和Otcl代碼之間的接口連接，即定義OTcl連接函數。

（3）至少定義接收函數recv()和命令函數command()。

（4）新協議代碼完成后，要對相關文件進行改動。例如，如果定義了一個新分組頭，要改動NS目錄下packet.h文件的enumpacket_t{}和classp_info{}相應部分；改動tcl/lib/ns-default.tcl文件，定義Tcl對象的缺省值；改動tcl/lib/ns-packet.tcl文件，在該文件中為新的分組增加一個入口；改動Makefile文件，將*.o文件加入到該文件NS對象文件列表中。

（5）在NS目錄下運行MakeDepend和Make，重新編譯NS，至此生成了新的NS。

3應用實例

本例將介紹如何使用一些工具來分析和呈現模擬結果，主要是測量端到端的延遲，而采用的方法一是去分析Trace文件，方法二是去修改NS核心，把所需要測量的數據直接記錄下來，限于篇幅我們不在此進一步介紹方法二。模擬場景如圖4所示,包含四個節點（n0,n1,n2,n3）,假設n0，n2和n1,n2之間鏈路帶寬2Mbps，延遲為10ms;n2和n3之間鏈路帶寬1.7Mbps，延遲為20ms;每個鏈路用DropTail策略；n2和n3之間鏈路最大隊列長度為10；n0,n3之間有一條建立在TCP上的FTP連接，n1,n3之間有一條建立在UDP上CBR連接；CBR是在

0.1秒開始發送，在4.5秒結束，FTP是在1.0秒開始發送，在4.0秒結束。

圖4模擬場景

3.1建立Otcl模擬代碼文件

#創建一個模擬對象

setns[newSimulator]

#為數據流定義不同的顏色，供NAM用

$nscolor1Blue

$nscolor2Red

#打開一個NAMtracefile

setnf[openout.namw]

$nsnamtrace-all$nf

#打開一個tracefile記錄數據包的傳送過程

setnd[openout.trw]

$nstrace-all$nd

#定義一個結束程序

procfinish{}{

globalnsnfnd

$nsflush-trace

#關閉NAMtracefile

close$nf

close$nd

#以后臺方式執行NAM

execnamout.nam&

exit0

}

#創建四個節點

setn0[$nsnode]

setn1[$nsnode]

setn2[$nsnode]

setn3[$nsnode]

#把節點連接起來

$nsduplex-link$n0$n22Mb10msDropTail

$nsduplex-link$n1$n22Mb10msDropTail

$nsduplex-link$n2$n31.7Mb20msDropTail

#設定n2和n3之間最大隊列長度為10

$nsqueue-limit$n2$n310

#設定節點的位置，供NAM用

$nsduplex-link-op$n0$n2orientright-down

$nsduplex-link-op$n1$n2orientright-up

$nsduplex-link-op$n2$n3orientright

#設定n2-n3間的隊列位置，供NAM用

$nsduplex-link-op$n2$n3queuePos0.5

#建立一條TCP連接

settcp[newAgent/TCP]

$tcpsetclass_2

$nsattach-agent$n0$tcp

setsink[newAgent/TCPSink]

$nsattach-agent$n3$sink

$nsconnect$tcp$sink

#在NAM中，TCP的連接以藍色表示

$tcpsetfid_1

#在TCP連接之上建立FTP應用

setftp[newApplication/FTP]

$ftpattach-agent$tcp

$ftpsettype_FTP

#建立一條UDP連接

setudp[newAgent/UDP]

$nsattach-agent$n1$udp

setnull[newAgent/Null]

$nsattach-agent$n3$null

$nsconnect$udp$null

#在NAM中，UDP的連接以紅色表示

$udpsetfid_2

#在UDP連接之上建立CBR應用

setcbr[newApplication/Traffic/CBR]

$cbrattach-agent$udp

$cbrsettype_CBR

$cbrsetpacket_size_1000

$cbrsetrate_1mb

$cbrsetrandom_false

#設定FTP和CBR的開始和結束時間

$nsat0.1"$cbrstart"

$nsat1.0"$ftpstart"

$nsat4.0"$ftpstop"

$nsat4.5"$cbrstop"

#在5.0秒調用finish過程結束模擬

$nsat5.0"finish"

#執行模擬

$nsrun

本例子在FedoraCore4，ns-2.29下測試通過，模擬結束后，產生兩個文件，一個是out.nam，這是供NAM用的，用來可視化整個模擬過程；另一個是out.tr，記錄了模擬過程中數據包傳送中的所有事件，這是我們分析的重點。

3.2利用awk提取out.tr文件中的數據

awk是一種程序語言，可以使用很短的代碼輕易地完成對文本檔案做修改、分析、提取和比較等處理。根據Trace文件格式，我們很容易寫出測量CBR數據包端到端延遲時間的awk程序delay.awk：

#測量CBR數據包端到端延遲時間

BEGIN{

highest_packet_id=0;

}

{

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;

if(packet_id>highest_packet_id)

highest_packet_id=packet_id;

if(start_time[packet_id]==0)

start_time[packet_id]=time;

if(flow_id==2&&action!="d"){

if(action=="r"){

end_time[packet_id]=time;

}

}else{

end_time[packet_id]=-1;

}

}

END{

for(packet_id=0;packet_id<=highest_packet_id;packet_id++){

start=start_time[packet_id];

end=end_time[packet_id];

packet_duration=end-start;

if(start<end)printf("%f%f\n",start,packet_duration);

}

}

本例執行并把結果重定向到cbr_delay文件中：$awk–fdelay.awkout.tr>cbr_delay

3.3利用Xgraph繪出圖形

Xgraph是ns-allinone包中自帶的一個小巧的繪圖工具，它可以根據數據文件里的數據繪制出相應的圖形。本例執行：$xgraphcbr_delay，結果如圖5所示：

圖5cbr_delay圖

由圖可以看出：在一剛開始的時候，由于只有CBR的數據包，所以端到端的延遲是固定的，但在1.0秒后，FTP數據包參與爭奪網絡資源，因此，端到端的延遲變得不固定，但等到FTP傳輸結束后，CBR數據包的端到端的延遲又變得固定了。

4結論

網絡模擬日益成為分析、研究、設計和改善網絡性能的強大工具，NS-2便是其中功能強大且可以免費得到的一種。本文詳細討論了NS-2的結構、功能及其使用方法，并給出一個實例具體解釋NS-2的使用及使用相關工具對輸出結果進行處理?？偟膩碚f，NS-2結構復雜，有一個相對陡峭的學習曲線，希望本文對學習NS-2能有所裨益。

參考文獻

[1]www.isi.edu/nsnam/NSDB.

[2]nile.wpi.edu/NSDB.

[3]劉俊，徐昌彪，隆克平.基于NS的網絡仿真探討J.計算機應用研究，2002

[4]140.116.72.80/~smallko/ns2/ns2.htmDB