网络模拟器NS2应用分析

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摘要随着Internet的迅猛发展，网络模拟占有十分重要的位置。文中探讨和分析了NS-2的结构、功能及其使用方法，最后给出一个实例，具体解释了NS-2的使用方法和用相关工具对输出结果进行处理的方法，得到了预期的模拟结果。

关键词网络模拟；NS；应用

引言

随着Internet的迅猛发展，网络规模和复杂性的迅速增加，网络研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算法，为网络发展做前瞻性的基础研究；另一方面也要研究如何利用和整合现有的网络资源，使网络达到最高效能。无论是哪一方面都需要对新的网络方案进行验证和分析。分析方法的有效性和精确性受假设的限制很大。实验方法的局限在于成本很高，实验床的规模很难做到很大，不能实现网络中的多种通信流量和拓扑的融合。而模拟方法在很大程度上可以弥补前两种方法的不足。NS-2是美国DARPA支持的项目VINT(theVirtualInterNetTested)中的基础和核心部分。由USI/ISI,XeroxPARC,LBNL和UCBerkeley这些美国大学和实验室合作研究开发，其目的在于建立一个网络仿真平台，为网络研究人员提供一系列的仿真工具，来实现新的网络协议的设计和实现。

1NS-2体系结构及功能模块

1.1NS-2简介

NS-2是面向对象的，基于离散事件驱动的网络环境模拟器。它实现了多种网络协议的模拟，如网络协议TCP、UDP，流量源行为，如FTP、Telnet、Web、CBR、VBR；实现了DropTail、RED、CBQ等几种路由器队列管理机制以及Dijkstra,动态路由、静态路由、组播路由等路由算法。此外，NS-2还支持组播协议SRM及部分MAC层协议。

NS-2用C++和Otcl语言编写而成。它是免费的，开放源代码的，可以很方便地扩展NS-2的功能，将自己开发的新协议模块集成到NS-2环境中。

1.2NS-2体系结构

NS-2的结构如图1所示。

NS-2采用了两级体系结构，为了提高代码的执行效率，NS-2将数据操作与控制部分的实现相分离，事件调度器和基本的网络组件使用C++编写和编译，其主要功能是实现对数据包的处理；NS-2的前端是一个Otcl解释器，主要的功能是对模拟环境的配置、建立。从图1的左下角看，用户利用Otcl库中的模拟对象设计和运行TCL仿真，事件调度器和网络组件通过OTcl链接（tclcl类）和Otcl相关联，这样用户可以在Otcl空间能够方便地对C++对象的函数和变量进行修改与配置。

1.3NS-2的功能模块

在NS-2中，整个模拟过程由一个名为Simulator的Tcl类来定义和控制的，Simulator类提供了一系列对模拟进行配置的接口，这其中包括选择“事件调度器（eventscheduler）”的接口。进行模拟通常要首先创建一个Simulator类的实例对象，并调用该对象的一系列方法来创建节点（Node）、拓扑（Topology）等模拟所必需的对象。

模拟器封装了许多功能模块：节点、链路、分组、、流量发生器、应用模拟器等。

1)事件调度器:NS-2是一个事件驱动的模拟器，调度器也就成为NS-2的调度中心，主要功能是处理分组（packet）的延迟和充当定时器。从所有事件中选择发生时刻最早的事件执行，调用它的handle函数，把该事件执行完毕，然后从剩余的所有事件中选择发生时刻最早的事件执行，如此反复执行。NS-2只支持单线程，如果有多于一个事件安排在同一时刻，那么会按照事件代码插入的先后次序执行。

2)节点（Node）：表示端节点和路由器，主要由地址分类器、端口分类器、多播分类器和复制器等模拟组件构成。分类器从逻辑上匹配一个分组，并基于匹配的结果把该分组传递给相应的对象。复制器是生成一个分组的多份拷贝，并把这些拷贝转发到各个订阅了某一多播组G的输出链路。

3)链路（Link）:用来连接网络节点，所有的链路都是以队列的形式来管理分组的到达、离开和丢弃。主要由DelayLink、Queues和TTLChcker等连接器（Connector）构成。DelayLink构造链路带宽和延迟特征；Queues构造和模拟与该链路相连的路由器的输出缓冲；TTLChcker对该链路的数据包的TTL字段减1操作，并丢弃TTL值为0的数据包。（图2）

图2链路

4)分组（Packet）:是对象间交互的基本单元。由一系列分组头和一个可选的数据空间组成。分组头的结构在Simulator对象创建时就被初始化了，同时每个分组头相对于分组的起始地址的偏移量也被记录下来,提供用户来存取各个头部所包含的信息。

5）（Agent）:代表了网络层分组的起点和终点，并被用于实现如TCP和UDP等网络协议。Agent类支持分组的产生和接收，C++的Agent包含一系列的内部状态变量来表示分组的各个域。Agent可以实现多个层次的协议，对于一些运输层的协议，分组的大小和发送时间通常由Agen提供的应用程序接口（API）来控制，对于在低层使用的Agent（路由Agent），分组的大小和发送时间通常由Agent自己控制。

6）流量发生器(trafficgenerator)、应用模拟器(simulatedapplication):是构建在运输层之上，流量发生器是模拟应用程序产生网络通信量，有四类：(1)EXPOO_Traffic、(2)POO_Traffic、(3)CBR_Traffic、(4)TafficTrace，它们一般用在UDP之上，应用模拟器有FTP，Telnet，一般用在TCP之上。

2用NS-2进行网络模拟

进行模拟之前，首先要分析模拟涉及哪个层次。NS模拟分两个层次：一个是基于Otcl编程的层次，利用NS已有的网络元素实现模拟，无需对NS本身进行任何修改，只要编写Otcl脚本,另一个层次是基于C++和Otcl编程的层次，如果NS中没有所需的网络对象，就需要对NS扩展，利用Otcl和NS的接口类实现NS的更新，然后再编写Otcl脚本。整个模拟的过程如图3所示：

图3利用NS-2进行网络模拟的过程

2.1Otcl实现模拟的一般过程

（1）建立networkmodel:描述模拟网络拓扑结构，确定链路的基本特性，如延迟、带宽和丢失策略等。

（2）建立trafficmodel:包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立,配置业务量模型的参数，从而确定网络上的业务量分布。

（3）设置Trace对象。Trace对象能够把模拟过程中发生的特定类型的事件记录在Trace文件中。NS通过Trace文件来保存整个模拟过程。模拟完成后，用户可以对Trace文件进行分析研究。

（4）编写其他的辅助过程，设定模拟开始/结束时间，运行Otcl脚本仿真。

（5）追踪分析结果：对Trace文件进行分析，利用gawk、xgraph、gnuplot得出有用的数据曲线,或者用Nam观看网络模拟运行过程。

2.2C++建立新协议或修改已有网络对象进行扩展要考虑的问题

如果模拟只要求对现有的协议进行简单修改即可完成，无需建立新的协议，则找到相应的待修改协议代码进行预期的修改，然后直接编译生成新的NS。然而，当建立新协议时一般需要考虑以下问题：

（1）首先定义头文件，包括数据结构和决定新的继承结构，并建立恰当的类定义。

（2）定义C++代码和Otcl代码之间的接口连接，即定义OTcl连接函数。

（3）至少定义接收函数recv()和命令函数command()。

（4）新协议代码完成后，要对相关文件进行改动。例如，如果定义了一个新分组头，要改动NS目录下packet.h文件的enumpacket_t{}和classp_info{}相应部分；改动tcl/lib/ns-default.tcl文件，定义Tcl对象的缺省值；改动tcl/lib/ns-packet.tcl文件，在该文件中为新的分组增加一个入口；改动Makefile文件，将*.o文件加入到该文件NS对象文件列表中。

（5）在NS目录下运行MakeDepend和Make，重新编译NS，至此生成了新的NS。

3应用实例

本例将介绍如何使用一些工具来分析和呈现模拟结果，主要是测量端到端的延迟，而采用的方法一是去分析Trace文件，方法二是去修改NS核心，把所需要测量的数据直接记录下来，限于篇幅我们不在此进一步介绍方法二。模拟场景如图4所示,包含四个节点（n0,n1,n2,n3）,假设n0，n2和n1,n2之间链路带宽2Mbps，延迟为10ms;n2和n3之间链路带宽1.7Mbps，延迟为20ms;每个链路用DropTail策略；n2和n3之间链路最大队列长度为10；n0,n3之间有一条建立在TCP上的FTP连接，n1,n3之间有一条建立在UDP上CBR连接；CBR是在

0.1秒开始发送，在4.5秒结束，FTP是在1.0秒开始发送，在4.0秒结束。

图4模拟场景

3.1建立Otcl模拟代码文件

#创建一个模拟对象

setns[newSimulator]

#为数据流定义不同的颜色，供NAM用

$nscolor1Blue

$nscolor2Red

#打开一个NAMtracefile

setnf[openout.namw]

$nsnamtrace-all$nf

#打开一个tracefile记录数据包的传送过程

setnd[openout.trw]

$nstrace-all$nd

#定义一个结束程序

procfinish{}{

globalnsnfnd

$nsflush-trace

#关闭NAMtracefile

close$nf

close$nd

#以后台方式执行NAM

execnamout.nam&

exit0

}

#创建四个节点

setn0[$nsnode]

setn1[$nsnode]

setn2[$nsnode]

setn3[$nsnode]

#把节点连接起来

$nsduplex-link$n0$n22Mb10msDropTail

$nsduplex-link$n1$n22Mb10msDropTail

$nsduplex-link$n2$n31.7Mb20msDropTail

#设定n2和n3之间最大队列长度为10

$nsqueue-limit$n2$n310

#设定节点的位置，供NAM用

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

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

$nsduplex-link-op$n2$n3orientright

#设定n2-n3间的队列位置，供NAM用

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

#建立一条TCP连接

settcp[newAgent/TCP]

$tcpsetclass_2

$nsattach-agent$n0$tcp

setsink[newAgent/TCPSink]

$nsattach-agent$n3$sink

$nsconnect$tcp$sink

#在NAM中，TCP的连接以蓝色表示

$tcpsetfid_1

#在TCP连接之上建立FTP应用

setftp[newApplication/FTP]

$ftpattach-agent$tcp

$ftpsettype_FTP

#建立一条UDP连接

setudp[newAgent/UDP]

$nsattach-agent$n1$udp

setnull[newAgent/Null]

$nsattach-agent$n3$null

$nsconnect$udp$null

#在NAM中，UDP的连接以红色表示

$udpsetfid_2

#在UDP连接之上建立CBR应用

setcbr[newApplication/Traffic/CBR]

$cbrattach-agent$udp

$cbrsettype_CBR

$cbrsetpacket_size_1000

$cbrsetrate_1mb

$cbrsetrandom_false

#设定FTP和CBR的开始和结束时间

$nsat0.1"$cbrstart"

$nsat1.0"$ftpstart"

$nsat4.0"$ftpstop"

$nsat4.5"$cbrstop"

#在5.0秒调用finish过程结束模拟

$nsat5.0"finish"

#执行模拟

$nsrun

本例子在FedoraCore4，ns-2.29下测试通过，模拟结束后，产生两个文件，一个是out.nam，这是供NAM用的，用来可视化整个模拟过程；另一个是out.tr，记录了模拟过程中数据包传送中的所有事件，这是我们分析的重点。

3.2利用awk提取out.tr文件中的数据

awk是一种程序语言，可以使用很短的代码轻易地完成对文本档案做修改、分析、提取和比较等处理。根据Trace文件格式，我们很容易写出测量CBR数据包端到端延迟时间的awk程序delay.awk：

#测量CBR数据包端到端延迟时间

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);

}

}

本例执行并把结果重定向到cbr_delay文件中：$awk–fdelay.awkout.tr>cbr_delay

3.3利用Xgraph绘出图形

Xgraph是ns-allinone包中自带的一个小巧的绘图工具，它可以根据数据文件里的数据绘制出相应的图形。本例执行：$xgraphcbr_delay，结果如图5所示：

图5cbr_delay图

由图可以看出：在一刚开始的时候，由于只有CBR的数据包，所以端到端的延迟是固定的，但在1.0秒后，FTP数据包参与争夺网络资源，因此，端到端的延迟变得不固定，但等到FTP传输结束后，CBR数据包的端到端的延迟又变得固定了。

4结论

网络模拟日益成为分析、研究、设计和改善网络性能的强大工具，NS-2便是其中功能强大且可以免费得到的一种。本文详细讨论了NS-2的结构、功能及其使用方法，并给出一个实例具体解释NS-2的使用及使用相关工具对输出结果进行处理。总的来说，NS-2结构复杂，有一个相对陡峭的学习曲线，希望本文对学习NS-2能有所裨益。

参考文献

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

[2]nile.wpi.edu/NSDB.

[3]刘俊，徐昌彪，隆克平.基于NS的网络仿真探讨J.计算机应用研究，2002

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