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(yùn)行。編程實(shí)現(xiàn)四種典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線型、星型、環(huán)型、網(wǎng)型，選取網(wǎng)絡(luò)傳輸中的數(shù)據(jù)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(biāo)為實(shí)驗(yàn)采集對象。通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同拓?fù)漕愋蛯P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?fù)洌恍阅苤笜?biāo)

    隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的研究也越來越受到人們的關(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，滿足現(xiàn)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(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最高效能。IP網(wǎng)絡(luò)性能的分析是實(shí)現(xiàn)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(yàn)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(jì)算機(jī)程序?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型化，通過程序的運(yùn)行模擬仿真網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程。網(wǎng)絡(luò)仿真利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò)行為，通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型，模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。
    筆者主要研究不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵P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。通過對四種典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难訒r(shí)、抖動(dòng)、丟包率和吞吐量等關(guān)鍵性能指標(biāo)的提取，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)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(yàn)室等單位開發(fā)的開源免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。NS2是一個(gè)面向?qū)ο?、可擴(kuò)展的離散事件驅(qū)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)，執(zhí)行效率高，且仿真結(jié)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(shù)據(jù)傳輸如FTP、CBR等以及路由隊(duì)列的管理機(jī)制如DropTa il，RED和CBQ等。同時(shí)，NS2可以進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)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(diào)度器”類，負(fù)責(zé)記錄當(dāng)前的時(shí)間，調(diào)度事件隊(duì)列中的事件，提供所需函數(shù)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發(fā)機(jī)制，采用兩級(jí)體系結(jié)構(gòu)，NS2將數(shù)據(jù)通道與控制通道的實(shí)現(xiàn)相分離，事件調(diào)度器和大部分基本的網(wǎng)絡(luò)組件對象后臺(tái)使用C++實(shí)現(xiàn)和編譯，稱為編譯層，主要功能是實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的處理；NS2的前端可以說是Otcl的腳本解釋器，稱為解釋層，主要功能是對模擬環(huán)境的配置、建立。在NS2中，通過TclCL把C++和Otcl兩種語言中的對象和變量聯(lián)系起來，一個(gè)Otcl對象映射到一個(gè)C++對象上，呈現(xiàn)一一對應(yīng)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OTcl腳本來進(jìn)行仿真，無需改動(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(kuò)展，包括使用C++添加新的類以滿足所需的網(wǎng)絡(luò)元素以及修改Otcl腳本，然后進(jìn)行仿真。在仿真過程中同時(shí)開啟Trace跟蹤文件，記錄仿真過程中各種網(wǎng)絡(luò)元素的變化或出現(xiàn)的現(xiàn)象，以便仿真結(jié)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(shù)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析。

2 IP網(wǎng)絡(luò)及其性能指標(biāo)
2．1 IP網(wǎng)絡(luò)簡介
    IP是英文Internet Protocol的縮寫，即網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議，中文簡稱為“網(wǎng)協(xié)”，也就是為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接實(shí)現(xiàn)通信及數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計(jì)算機(jī)在因特網(wǎng)上進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則。
2．2 IP網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的定義及選取
    隨著網(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)的重要研究內(nèi)容，也是改善網(wǎng)絡(luò)性能的前提。一般按照屬性分類，性能指標(biāo)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(yàn)中主要對以下幾個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行測量來評估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(xiàn)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(shè)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)分析總線型、星型、環(huán)型和網(wǎng)型這四種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋蛯W(wǎng)絡(luò)傳輸性能的影響。

3 仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析
3．1 實(shí)驗(yàn)概述
    本次實(shí)驗(yàn)主要對上文所述的四種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行仿真分析。每種拓?fù)淠Ｐ桶?個(gè)節(jié)點(diǎn)，總線型、星型、網(wǎng)型采用帶寬2 M，鏈路延時(shí)為10 ms，隊(duì)列管理機(jī)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(duì)列管理機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真過程，在該仿真實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)發(fā)送一個(gè)cbr數(shù)據(jù)流和兩個(gè)ftp數(shù)據(jù)流，性能參數(shù)的分析以cbr數(shù)據(jù)流作為研究對象。cbr本身是固定數(shù)據(jù)包大小的數(shù)據(jù)源，為了體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的變化，在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，對cbr數(shù)據(jù)源進(jìn)行了設(shè)置，使其在一定時(shí)間內(nèi)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(shù)據(jù)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。
3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    對于仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，首先使用AWK語言編寫提取性能參數(shù)，再使用Gnuplot工具繪制性能參數(shù)圖形。
    4種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳輸延時(shí)如圖1所示。從中可以看出，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較少的環(huán)境下，相對于星型與網(wǎng)型拓?fù)涠裕偩€型與環(huán)型拓?fù)鋫鬏斞訒r(shí)明顯高出。這是因?yàn)樾切屯負(fù)渲械乃泄?jié)點(diǎn)都連接到同一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，連接訪問時(shí)只牽涉到一個(gè)節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)，控制訪問方法較簡單。網(wǎng)型拓?fù)涞膫鬏敻切皖愃?，不用?jīng)過其他節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)。這樣一來，這兩種網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)相對而言就比較小了。

    在cbr數(shù)據(jù)流中加入ftp數(shù)據(jù)流或者cbr數(shù)據(jù)流自身傳輸速率及包大小發(fā)生變化時(shí)，4種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延時(shí)也都發(fā)生了變化，且星型和網(wǎng)型的變化更加明顯，波動(dòng)也相對較大，說明這兩種網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性方面不如總線型與環(huán)型拓?fù)?。同時(shí)從總線型和環(huán)型拓?fù)溲訒r(shí)中也可以看出，cbr數(shù)據(jù)流的傳輸速率對其傳輸延時(shí)的影響比包大小的影響更加明顯。而對于星型和環(huán)型拓?fù)鋪碚f，這兩者的影響幾乎相同。
    4種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延時(shí)抖動(dòng)如圖2所示。當(dāng)只有cbr數(shù)據(jù)流時(shí)，4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延時(shí)抖動(dòng)都接近為零。加入ftp數(shù)據(jù)流后，4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的延時(shí)抖動(dòng)都發(fā)生了明顯變化，其中環(huán)型拓?fù)涞难訒r(shí)變化最不明顯，而總線型的延時(shí)變化最明顯，星型和網(wǎng)型的延時(shí)變化次之。同時(shí)，從圖中也很明顯地發(fā)現(xiàn)，延時(shí)變化分為前后兩個(gè)階段，前一階段是cbr數(shù)據(jù)流傳輸速率在發(fā)生變化，后一階段是cbr數(shù)據(jù)包大小在發(fā)生變化，由此可知數(shù)據(jù)包大小對延時(shí)抖動(dòng)的影響比數(shù)據(jù)傳輸速率對延時(shí)抖動(dòng)的影響更為明顯。
    4種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的丟包率如圖3所示。從以上4個(gè)圖中很明顯地看出，在環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，至始至終其丟包率都為零，主要是環(huán)型網(wǎng)絡(luò)采用令牌網(wǎng)機(jī)制，只有擁有“令牌”的設(shè)備才能在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)，在此過程中有UDP和TCP兩種不同數(shù)據(jù)流，UDP始終搶占網(wǎng)絡(luò)所以沒有丟包，但可以預(yù)見TCP肯定出現(xiàn)了丟包。其他3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，丟包現(xiàn)象主要發(fā)生在3 s之前，也就是cbr速率較高的時(shí)候，其中總線型拓?fù)涞膩G包率在2．7％左右，網(wǎng)型拓?fù)涞膩G包率在3．8％左右，而星型拓?fù)涞膩G包率最高，在4．2％左右。

    4種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量如圖4所示。當(dāng)只有cbr數(shù)據(jù)流時(shí)，吞吐量始終維持在1 000 kb／s上，當(dāng)加入ftp數(shù)據(jù)流后，吞吐量發(fā)生明顯變化。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量變化最不明顯，即其網(wǎng)絡(luò)吞吐量最穩(wěn)定。而總線型相對于其他3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其吞吐量始終維持在相對較低的水平上。星型和網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的吞吐量變化比較相似，它們的吞吐量水平與環(huán)型拓?fù)湎喈?dāng)，但并沒有環(huán)型的穩(wěn)定。
    通過對總線型、星型、環(huán)型和網(wǎng)型這4種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能分析，可以知道在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少的網(wǎng)絡(luò)中，總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)較大，但其網(wǎng)絡(luò)還比較穩(wěn)定，吞吐量和丟包率都保持在一個(gè)較好的水平上。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，具有較小的延時(shí)并且吞吐量保持在一個(gè)較好的水平上，但其網(wǎng)絡(luò)不夠穩(wěn)定，延時(shí)抖動(dòng)較大，丟包嚴(yán)重。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)最穩(wěn)定，雖然傳輸延時(shí)較高，但其延時(shí)抖動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)吞吐量都比較穩(wěn)定，且具有很低的丟包率，保證了數(shù)據(jù)的完整傳輸。網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜，延時(shí)較低，延時(shí)抖動(dòng)較大，吞吐量和丟包率也都保持在一個(gè)中等水平上。

4 結(jié)束語
    隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，人們對網(wǎng)絡(luò)的要求也越來越高，隨之對網(wǎng)絡(luò)性能的分析也變得越來越重要。通過仿真的的方法模擬網(wǎng)絡(luò)從而了解網(wǎng)絡(luò)各個(gè)方面的性能，在此基礎(chǔ)上，研究人員就可以進(jìn)一步對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行改善，使網(wǎng)絡(luò)資源得到充分利用。同時(shí)也可以通過了解現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源及其存在的問題，從而研究和開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)更加完善且能夠滿足人們不斷發(fā)展的需求。