基于网络模拟软件NS2的网络协议仿真
【摘要】：网络模拟是网络协议性能及研究中非常重要的一个组成部分。本文介绍了网络模拟软件 NS2 的结构和特点以及仿真过程，并实例介绍了基于NS2的网络协议仿真。
【关键词】：NS2；TCP；UDP；路由；仿真
一、引言
网络模拟是网络协议性能及研究中非常重要的一个组成部分，算法是否合理、是否具有实用价值、是否能够提高网络的性能等都需要通过实验证明。由于在真实的网络环境中进行实践验证耗资巨大，多数高校和科研机构并不具备完整有效的实验环境，而且真实网络中实验数据的收集和分析也有一定困难。
网络仿真软件通过在计算机上建立一个虚拟的网络环境来实现对真实网络环境的模拟，科研人员在这个平台上不仅能对网络的通信、设备、协议、结构以及应用进行研究，还能对网络的性能进行分析和评估。仿真软件大大提高了网络设计开发的效率，同时也降低了费用和风险，已经成为研究中不可或缺的工具。
二、NS2 的结构和特点
目前，使用较多的网络仿真软件有OPNET，Matlab，NS2 和GloMoSim 等。选择免费且开放源代码的NS2作为仿真平台，是因为该平台是一种离散事件网络仿真平台，可以运行在Linux或Windows操作系统上。作为一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动的网络仿真软件，NS2能够近乎真实地在各个层次上模拟网络运行，并支持多种协议。其主要功能包括以下几点。
一）灵活的仿真环境
作为一款开源软件，NS2所有源代码公开，任何人都可以获得、使用和修改其源代码。这对于利用NS2来构建特殊的网络仿真实验环境非常方便和迅速。
二）结果分析及再现容易
研究人员通过配置环境参数获得理想的网络环境，即可实时跟踪并记录关键节点的重要信息，从而获得网络性能参数，并可以随时再现某些特殊情况，这在真实网中是难以做到的。
三）良好的可扩展性
NS2使用C++和OTCL两种程序设计语言，分别完成具体协议的模拟，实现与网络仿真环境的配置和建立。对于有一定编程基础的人员来说，可以根据自身的需要方便地设计新协议，扩展新的功能模块。
四）在线资源支持
NS2的官方网站建立图书馆性质的库，收集了很多经典的演示场景和案例。
三、NS2 网络仿真过程
（一）NS2 仿真的层次
网络仿真要经历模型建立、模拟实现和结果分析3个阶段。NS2仿真分为2 个层次。
1.基于OTCL编程的用户层次，只需编写OTCL脚本。
2.基于C++ 和OTCL 的系统层次，能够对NS2内核进行功能扩展，增加新的 C++和OTCL类，添加所需的网络元素。仿真过程如图1所示。
（二）NS2 仿真的步骤
1. 配置网络拓扑结构，确定链路的基本特性，如延时、带宽和选择策略等。
2. 建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。
3. 配置业务量模型参数，确定网络上的业务量分布。
4. 设置Trace对象，把仿真中发生的特定类型事件记录在Trace文件中，通过Trace 文件保存整个仿真过程。仿真完成后，用户对Trace文件进行分析研究。
四、网络协议仿真实例
（一）TCP 协议仿真
TCP协议是重要的传输层协议。不仅要理解TCP协议的工作原理，而且还要理解在网络发生拥塞时，如何在TCP协议控制下实现拥塞控制的过程。针对这一内容，建立如图2所示的仿真场景，节点n0，n1与节点n3之间分别建立一条TCP连接，链路带宽及传输延时如图2所示。图2的网络仿真拓扑结构以TCP拥塞控制协议为例，在仿真开始时，由n0和n1节点同时向 n3 节点发送FTP数据流，将初始拥塞窗口大小设为1，在 NAM 动画中通过控制播放速度，可以清晰地观察到在TCP协议控制下，发送窗口的大小随着确认包的返回成倍增加（1，2，4，8…），当拥塞窗口增大到一定程度时，n2节点开始发生丢包现象，此时n1节点将重传丢失的数据包，并减小发送窗口。其数据包传输如图3所示。
通过这个仿真实例，可以很好地理解TCP慢启动和拥塞控制协议的工作原理。
（二）UDP 协议仿真
在上述仿真场景中，将传输层协议修改为UDP，令n0和n1节点在仿真开始时开始向n3发送CBR数据流，重新运行仿真脚本，图4是在NAM动画演示中截 取的图象。图3和图4进行对比可知，图3中链路上方为发送方n0向n3发送的数据包，而链路下方的小竖 线是由接收方n3向发送方返回的确认包；在图4中，仅在链路上方有发送的数据流，接收方并不返回确认，仿真结果对理论分析提供了有力的支持。从NAM动画中还可以看到，应用UDP协议时，当网络中间节点丢弃数据包，发送方并不会因此而降低发送速度，造成严重的丢包现象。
（三）IP 网络单播路由协议仿真
根据IP网络单播路由协议的定义和运行机制，建立一个网络协议的NS2运行场景。再利用NS2模拟器产生NAM动画播放器需要的输入文件，以NAM动画的方式演示网络协议的运行过程。
1.IP 网络路由协议仿真的网络结构如图5所示，它由6个节点组成，通过双向链路连接起来。链路带宽为1 Mbit/s，延时为5 ms。节点0作为数据源发送端，在节点0上绑定一个UDP代理，在UDP代理上绑定一个CBR流量发生器。
2.IP 网络单播路由协议仿真。IP网络单播路由协议主要包含单播路由协议 OSPF协议和RIP协议。其中，RIP协议是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，采用Bellman-Ford 算法；OSPF 协议是分布式的链路状态协议，采用最短路径算法。在NS2中的会期路由采用all-pairs SPF算法，动态路由采用分布式Bellman-Ford 算法，可以借助会期路由和动态路由来演示单播路由协议的动态运行过程。会期路由可以演示OSPF协议运行过程，采用图5所示的网络结构进行仿真。
采用OTCL语言编写脚本，以NAM动画来演示会期路由的运行过程，如图6所示，假设节点0发送的数据流用长虚线表示，可以看到节点0到节点5开始传输数据时，路径经过节点1和节点3。当节点1和节点3之间的链路出现故障时，重新计算新的路由，经过节点1和节点4传输数据，如图7所示。当节点1和节点3之间的链路故障修复后，数据又按照图6来传输。
通过动态路由可以演示RIP协议运行过程，如图8所示，假设节点0发送的数据流用长虚线表示，节点0到节点5开始传输数据路径经过节点1，节点2和节点3。当节点2和节点3之间的链路出现故障时，重新计算新的路由，经过节点1和节点3传输数据，如图9所示。
五、总结
随着网络系统复杂度的增大，传统的分析法和实验法越来越不适应网络系统的特点，仿真法成为网络性能分析的主流方法。NS2作为一种离散事件网络仿真平台，可以运行在Linux或Windows 操作系统上。作为一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动的网络仿真软件，NS2能够近乎真实地在各个层次上模拟网络运行，并支持多种协议。目前NS2已广泛应用于计算机网络的研究与设计中。
参考文献：
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