基于NS2仿真的IP網(wǎng)絡性能分析與研究

摘要：采用網(wǎng)絡模擬仿真方法，選用NS2仿真軟件模擬IP網(wǎng)絡運行。編程實現(xiàn)四種典型的網(wǎng)絡拓撲結構：總線型、星型、環(huán)型、網(wǎng)型，選取網(wǎng)絡傳輸中的數(shù)據(jù)包延時、延時抖動、丟包率以及吞吐量等關鍵性能指標為實驗采集對象。通過大量的仿真實驗數(shù)據(jù)分析不同拓撲類型對IP網(wǎng)絡性能產(chǎn)生的不同影響。
關鍵詞：NS2仿真；性能分析；拓撲；性能指標

隨著網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡的研究也越來越受到人們的關注，一方面需要不斷研究新的網(wǎng)絡協(xié)議和各種算法，滿足現(xiàn)有網(wǎng)絡存在的不足，提升性能，為網(wǎng)絡發(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)絡資源，完善網(wǎng)絡結構，使現(xiàn)有網(wǎng)絡達到最高效能。IP網(wǎng)絡性能的分析是實現(xiàn)以上兩個方面的重要手段。
一般而言，在進行網(wǎng)絡性能分析的研究時一般有以下3種手段：分析方法、實驗方法和仿真方法。采用網(wǎng)絡仿真，網(wǎng)絡仿真就是用計算機程序?qū)W(wǎng)絡進行模型化，通過程序的運行模擬仿真網(wǎng)絡的運行過程。網(wǎng)絡仿真利用數(shù)學建模和統(tǒng)計分析的方法模擬網(wǎng)絡行為，通過建立網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡鏈路的統(tǒng)計模型，模擬網(wǎng)絡流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡設計及優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)。
筆者主要研究不同網(wǎng)絡拓撲對IP網(wǎng)絡性能的影響，選用網(wǎng)絡模擬軟件NS2進行仿真分析。通過對四種典型網(wǎng)絡拓撲的延時、抖動、丟包率和吞吐量等關鍵性能指標的提取，進而進行相應的研究和探討。

1 網(wǎng)絡仿真軟件NS2
NS2即Network Simulator Version 2，是由美國加州Lawrence Berkeley國家實驗室等單位開發(fā)的開源免費網(wǎng)絡仿真軟件。NS2是一個面向?qū)ο?、可擴展的離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡仿真器，其核心部分是一個離散事件模擬引擎。NS2仿真器具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可擴展性強，執(zhí)行效率高，且仿真結果的可靠性高。NS2支持TCP、UDP等網(wǎng)絡協(xié)議，可以模擬網(wǎng)絡數(shù)據(jù)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，NS2可以進行無線通信網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡的仿真，以及多播和MAC層上協(xié)議的仿真。
NS2具有一個模擬時鐘，同時又有一個“調(diào)度器”類，負責記錄當前的時間，調(diào)度事件隊列中的事件，提供所需函數(shù)產(chǎn)生新的事件，并指定事件發(fā)生的時間。
NS2采用分裂對象模型開發(fā)機制，采用兩級體系結構，NS2將數(shù)據(jù)通道與控制通道的實現(xiàn)相分離，事件調(diào)度器和大部分基本的網(wǎng)絡組件對象后臺使用C++實現(xiàn)和編譯，稱為編譯層，主要功能是實現(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Otcl對象映射到一個C++對象上，呈現(xiàn)一一對應的形式。
NS2對于網(wǎng)絡的仿真也分為兩個層次：一個是基于OTcl編程的層次，也就是只需編寫OTcl腳本來進行仿真，無需改動C++定義的各種已有的網(wǎng)絡元素。另一個是基于C++和OTcl編程的層次，即如果在NS2中找不到仿真所需的網(wǎng)絡元素，則要對NS2進行擴展，包括使用C++添加新的類以滿足所需的網(wǎng)絡元素以及修改Otcl腳本，然后進行仿真。在仿真過程中同時開啟Trace跟蹤文件，記錄仿真過程中各種網(wǎng)絡元素的變化或出現(xiàn)的現(xiàn)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的參數(shù)數(shù)據(jù)并對其進行分析。

2 IP網(wǎng)絡及其性能指標
2．1 IP網(wǎng)絡簡介
IP是英文Internet Protocol的縮寫，即網(wǎng)絡之間互連的協(xié)議，中文簡稱為“網(wǎng)協(xié)”，也就是為計算機網(wǎng)絡相互連接實現(xiàn)通信及數(shù)據(jù)傳輸而設計的協(xié)議。IP網(wǎng)絡就是指傳輸通信采用TCPIP協(xié)議族的通信網(wǎng)絡。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)絡實現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計算機在因特網(wǎng)上進行通信時應當遵守的規(guī)則。
2．2 IP網(wǎng)絡性能參數(shù)的定義及選取
隨著網(wǎng)絡的發(fā)展和網(wǎng)絡技術的不斷進步，人們對網(wǎng)絡的要求越來越高。對于網(wǎng)絡性能的分析，成為研究人員對網(wǎng)絡進行評價的重要研究內(nèi)容，也是改善網(wǎng)絡性能的前提。一般按照屬性分類，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、延時抖動等。本文仿真實驗中主要對以下幾個性能參數(shù)進行測量來評估IP網(wǎng)絡性能：端點到端點的延時、延時變化、吞吐量、丟包率。
2．3 影響IP網(wǎng)絡性能的因素
現(xiàn)代網(wǎng)絡中，影響網(wǎng)絡性能的因素很多，包括網(wǎng)絡設備影響、人為因素影響等，本文主要研究網(wǎng)絡傳輸中的影響因素，重點分析總線型、星型、環(huán)型和網(wǎng)型這四種網(wǎng)絡拓撲類型對網(wǎng)絡傳輸性能的影響。

3 仿真實驗的結果分析
3．1 實驗概述
本次實驗主要對上文所述的四種網(wǎng)絡拓撲進行仿真分析。每種拓撲模型包含8個節(jié)點，總線型、星型、網(wǎng)型采用帶寬2 M，鏈路延時為10 ms，隊列管理機制為Droptail的雙向連接，環(huán)型采用帶寬2 M，鏈路延時為10 ms，隊列管理機制為Droptail的單向連接。
在對網(wǎng)絡性能分析之前，使用NAM工具演示4種不同網(wǎng)絡拓撲結構的仿真過程，在該仿真實驗中，同時發(fā)送一個cbr數(shù)據(jù)流和兩個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)絡數(shù)據(jù)量的變化，在本次仿真實驗中，對cbr數(shù)據(jù)源進行了設置，使其在一定時間內(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個時刻分別將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。