基于NS2仿真的IP網(wǎng)絡(luò )性能分析與研究

摘要：采用網(wǎng)絡(luò )模擬仿真方法，選用NS2仿真軟件模擬IP網(wǎng)絡(luò )運行。編程實(shí)現四種典型的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：總線(xiàn)型、星型、環(huán)型、網(wǎng)型，選取網(wǎng)絡(luò )傳輸中的數據包延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)、丟包率以及吞吐量等關(guān)鍵性能指標為實(shí)驗采集對象。通過(guò)大量的仿真實(shí)驗數據分析不同拓撲類(lèi)型對IP網(wǎng)絡(luò )性能產(chǎn)生的不同影響。
關(guān)鍵詞：NS2仿真；性能分析；拓撲；性能指標

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )的研究也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，一方面需要不斷研究新的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和各種算法，滿(mǎn)足現有網(wǎng)絡(luò )存在的不足，提升性能，為網(wǎng)絡(luò )發(fā)展做出前瞻性的研究；另一方面也要考慮如何整合、利用現有的網(wǎng)絡(luò )資源，完善網(wǎng)絡(luò )結構，使現有網(wǎng)絡(luò )達到最高效能。IP網(wǎng)絡(luò )性能的分析是實(shí)現以上兩個(gè)方面的重要手段。
一般而言，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )性能分析的研究時(shí)一般有以下3種手段：分析方法、實(shí)驗方法和仿真方法。采用網(wǎng)絡(luò )仿真，網(wǎng)絡(luò )仿真就是用計算機程序對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行模型化，通過(guò)程序的運行模擬仿真網(wǎng)絡(luò )的運行過(guò)程。網(wǎng)絡(luò )仿真利用數學(xué)建模和統計分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò )行為，通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò )設備和網(wǎng)絡(luò )鏈路的統計模型，模擬網(wǎng)絡(luò )流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò )設計及優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò )性能數據。
筆者主要研究不同網(wǎng)絡(luò )拓撲對IP網(wǎng)絡(luò )性能的影響，選用網(wǎng)絡(luò )模擬軟件NS2進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對四種典型網(wǎng)絡(luò )拓撲的延時(shí)、抖動(dòng)、丟包率和吞吐量等關(guān)鍵性能指標的提取，進(jìn)而進(jìn)行相應的研究和探討。

1 網(wǎng)絡(luò )仿真軟件NS2
NS2即Network Simulator Version 2，是由美國加州Lawrence Berkeley國家實(shí)驗室等單位開(kāi)發(fā)的開(kāi)源免費網(wǎng)絡(luò )仿真軟件。NS2是一個(gè)面向對象、可擴展的離散事件驅動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )仿真器，其核心部分是一個(gè)離散事件模擬引擎。NS2仿真器具有強大的數據處理功能，可擴展性強，執行效率高，且仿真結果的可靠性高。NS2支持TCP、UDP等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，可以模擬網(wǎng)絡(luò )數據傳輸如FTP、CBR等以及路由隊列的管理機制如DropTa il，RED和CBQ等。同時(shí)，NS2可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )和衛星網(wǎng)絡(luò )的仿真，以及多播和MAC層上協(xié)議的仿真。
NS2具有一個(gè)模擬時(shí)鐘，同時(shí)又有一個(gè)“調度器”類(lèi)，負責記錄當前的時(shí)間，調度事件隊列中的事件，提供所需函數產(chǎn)生新的事件，并指定事件發(fā)生的時(shí)間。
NS2采用分裂對象模型開(kāi)發(fā)機制，采用兩級體系結構，NS2將數據通道與控制通道的實(shí)現相分離，事件調度器和大部分基本的網(wǎng)絡(luò )組件對象后臺使用C++實(shí)現和編譯，稱(chēng)為編譯層，主要功能是實(shí)現對數據包的處理；NS2的前端可以說(shuō)是Otcl的腳本解釋器，稱(chēng)為解釋層，主要功能是對模擬環(huán)境的配置、建立。在NS2中，通過(guò)TclCL把C++和Otcl兩種語(yǔ)言中的對象和變量聯(lián)系起來(lái)，一個(gè)Otcl對象映射到一個(gè)C++對象上，呈現一一對應的形式。
NS2對于網(wǎng)絡(luò )的仿真也分為兩個(gè)層次：一個(gè)是基于OTcl編程的層次，也就是只需編寫(xiě)OTcl腳本來(lái)進(jìn)行仿真，無(wú)需改動(dòng)C++定義的各種已有的網(wǎng)絡(luò )元素。另一個(gè)是基于C++和OTcl編程的層次，即如果在NS2中找不到仿真所需的網(wǎng)絡(luò )元素，則要對NS2進(jìn)行擴展，包括使用C++添加新的類(lèi)以滿(mǎn)足所需的網(wǎng)絡(luò )元素以及修改Otcl腳本，然后進(jìn)行仿真。在仿真過(guò)程中同時(shí)開(kāi)啟Trace跟蹤文件，記錄仿真過(guò)程中各種網(wǎng)絡(luò )元素的變化或出現的現象，以便仿真結束后利用各種分析工具提取追蹤文件中各種相關(guān)的參數數據并對其進(jìn)行分析。

2 IP網(wǎng)絡(luò )及其性能指標
2．1 IP網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)介
IP是英文Internet Protocol的縮寫(xiě)，即網(wǎng)絡(luò )之間互連的協(xié)議，中文簡(jiǎn)稱(chēng)為“網(wǎng)協(xié)”，也就是為計算機網(wǎng)絡(luò )相互連接實(shí)現通信及數據傳輸而設計的協(xié)議。IP網(wǎng)絡(luò )就是指傳輸通信采用TCPIP協(xié)議族的通信網(wǎng)絡(luò )。在因特網(wǎng)中，TCP／IP協(xié)議族是使網(wǎng)上的所有計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)現相互通信的一套規則，規定了計算機在因特網(wǎng)上進(jìn)行通信時(shí)應當遵守的規則。
2．2 IP網(wǎng)絡(luò )性能參數的定義及選取
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對網(wǎng)絡(luò )的要求越來(lái)越高。對于網(wǎng)絡(luò )性能的分析，成為研究人員對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行評價(jià)的重要研究?jì)热?，也是改善網(wǎng)絡(luò )性能的前提。一般按照屬性分類(lèi)，性能指標可以分為連通性、吞吐量、帶寬、信道利用率、信道容量、帶寬利用率、包損失率、傳輸延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)等。本文仿真實(shí)驗中主要對以下幾個(gè)性能參數進(jìn)行測量來(lái)評估IP網(wǎng)絡(luò )性能：端點(diǎn)到端點(diǎn)的延時(shí)、延時(shí)變化、吞吐量、丟包率。
2．3 影響IP網(wǎng)絡(luò )性能的因素
現代網(wǎng)絡(luò )中，影響網(wǎng)絡(luò )性能的因素很多，包括網(wǎng)絡(luò )設備影響、人為因素影響等，本文主要研究網(wǎng)絡(luò )傳輸中的影響因素，重點(diǎn)分析總線(xiàn)型、星型、環(huán)型和網(wǎng)型這四種網(wǎng)絡(luò )拓撲類(lèi)型對網(wǎng)絡(luò )傳輸性能的影響。

3 仿真實(shí)驗的結果分析
3．1 實(shí)驗概述
本次實(shí)驗主要對上文所述的四種網(wǎng)絡(luò )拓撲進(jìn)行仿真分析。每種拓撲模型包含8個(gè)節點(diǎn)，總線(xiàn)型、星型、網(wǎng)型采用帶寬2 M，鏈路延時(shí)為10 ms，隊列管理機制為Droptail的雙向連接，環(huán)型采用帶寬2 M，鏈路延時(shí)為10 ms，隊列管理機制為Droptail的單向連接。
在對網(wǎng)絡(luò )性能分析之前，使用NAM工具演示4種不同網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的仿真過(guò)程，在該仿真實(shí)驗中，同時(shí)發(fā)送一個(gè)cbr數據流和兩個(gè)ftp數據流，性能參數的分析以cbr數據流作為研究對象。cbr本身是固定數據包大小的數據源，為了體現網(wǎng)絡(luò )數據量的變化，在本次仿真實(shí)驗中，對cbr數據源進(jìn)行了設置，使其在一定時(shí)間內可以發(fā)生變化，初始速率為1mb／s，包大小為1 000 B。在2．0 s、3．0 s、4．0 s和5．0 s這4個(gè)時(shí)刻分別將cbr數據源改變?yōu)? mb／s，包大小1 000 B、0．5 mb／s，包大小1 000 B、0．5 mb／s，包大小4 000 B、0．5 mb／s包大小2 000 B。