（无线电物理专业论文）基于网络模拟软件（ns2）的ip网络性能仿真技术研究.pdf

摘要 随着i n t e r n e t 的广为普及，i p 网络的规模同益扩大，复杂性不断增 加。如何进行高效，科学的网络研究，如何改善和优化i p 网络性能、最 大量的满足用户的需要，成为摆在人们面前的重要任务。只有在对网络深 刻理解的情况下，才能优化网络资源配置，改善网络性能，从而满足网络 不断增加的技术需求。而网络仿真技术正是达到这一目的的最佳手段。网 络模拟软件n s - 2 以其功能强大，可扩展性能好等显著优点，成为网络仿 真技术中首选工具之一。 本文介绍了网络模拟软件n s 一2 的结构和原理，分析了i p 网络性能 参数及其影响因素。在此基础上，研究和总结了基于n s 一2 模拟软件进行 i p 网络仿真及其性能研究的方案、方法和实验步骤。然后，建立了基于 n s 一2 的i p 网络仿真w i n d o w s 实验平台和应用程序，进行仿真实验，对实 验结果进行了研究。 通过仿真实验，研究和分析了不同网络拓扑结构以及不同网络协议 对i p 网络性能的影响。针对拓扑结构、，设计了星型、总线型、网型和环 型四种不同拓扑结构的仿真实验，模拟网络行为得到网络性能参数，分 析评价四种拓扑结构对i p 网络的性能影响，实验结果表明采用不同拓扑 类型会获得不同的i p 网络性能参数，网络规划时拓扑类型要根据实际服 务的需要来选择。针对网络协议，设计t c p 协议和u d p 协议的网络传输 仿真实验，分析评价两种不同协议对i p 网络性能的影响，并在实验中观 察t c p 传输的全局同步现象和分析影响全局同步现象的因素。实验结果 表明u d p 协议拥有更高的传输效率，t c p 协议拥有更高的可靠性，但是同 链路的多线t c p 传输会造成网络拥塞，影响i p 网络的性能。 关键词：网络仿真、n s - 2 、i p 网络性能 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e t ，t h es c a l eo f i pn e t w o r kg r o wf a s ta n di tb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x i t y am o r e e f f i c i e n tm e t h o dt os t u d yn e t w o r ka n dan e ww a yt oi m p r o v ea n do p t i m i z e i pn e t w o r k sp e r f o r m a n c ef o rp e o p l e sg r o w i n gn e e d e db e c o m ea g r e a t c h a l l e n g et or e s e a r c h e r s n e t w o r ks i m u l a t i o nt e c h n i q u ei st h ek e ym e t h o d t om e a s u r ea n du n d e r s t a n dn e t w o r k n s 一2i so n eo ft h em o s tp o p u l a r s o f t w a r e sw h i c hc a nb eu s e di nn e t w o r ks i m u l a t i o nf o ri t sp o w e r f u l f u n c t i o na n df r i e n d l yd e v e l o pe n v i r o n m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fn s 2 ，a sw e l l a st h ep e r f o r m a n c es t u d yo ni pn e t w o r k t h r o u g hc a r e f u ll ya n a l y z e ，w e d e s i g n e dt h ei pn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n dp r o t o c o l sr e s e a r c he x p e r i m e n t p r o j e c tw i t hs i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nn s 2 b a s eo nt w oe x p e r i m e n t ，w es t u d ya n da n a l y z ed i f f e r e n tk i n d so f t o p o l o g i cs t r u c t u r e sa n dp r o t o c o l s i m p a c to ni pn e t w o r k t h i sp a p e r d e s i g n e df o u re x p e r i m e n tp r o j e c t sf o re a c ho ft o p o l o g i cs t r u c t u r e s ，t h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra n ds i m u l a t i o nr e s u l ta r eg o ta n dw em a k es o m e c o n c l u s i o nf o rt h ep e r f o r m a n c ei m p a c to fd i f f e r e n tt o p o l o g i c s t r u c t u r e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l tp r o v et h a tt h ei pn e t w o r kw i1 lg o t d i f f e r e n tn e t w o r kp e r f o r m a n c ew h i t hd i f f e r e n td i f f e r e n tk i n d so f t o p o l o g i cs t r u c t u r e s w es h o u l dc h o o s eaa p p r o p r i a t et o p o l o g i cs t r u c t u r e w h e nw ep r o j e c tan e wi pn e t w o r k w ea l s od e s i g n e dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n tb a s e do nt c pp r o t o c o la n d u d pp r o t o c o la n da n a l y z et h ee f f e c t o ni pn e t w o r kp e r f o r m a n c ed e p e n do nt h e2d if f e r e n c ep r o t o c 0 1 a sg l o b a l s y n cp h e n o m e n o nm a yo c c u rd u r i n gt c pt r a n s m i s s i o na n dt h i sp h e n o m e n o n w i l lc a u s en e t w o r kc o n g e s t i o nt ob r i n gb a di n f l u e n c ef o rn e t w o r k p e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra l s od e s i g n e dp r o j e c tt oo b s e r v eg l o b a ls y n c p h e n o m e n o n ，a n da n a l y z et h ef a c t o rw h i c hc a u s et h isp h e n o m e n o na n dit s i m p a c tt on e t w o r k sp e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tr e s u ltp r o v et h a tt w o p r o t o c o l sh a dd i f f e r e n tc h a r a c t e r s u d pp r o t o c o lh a sh i g h e re f f i c i e n c y a n dt c pp r o t o c o li sm o r ec r e d i b l e b u ti ft h e r ea r em o r et h a no n et c p t r a n s f e r so i lo n eli n k ，t h ei pn e t w o r kp e r f o r m a n c ew i1 1b ed e b a s e d k e y s ：n e t w o r ks i m u l a t i o n 、n s 一2 、i pn e t w o r kp e r f o r m a n c e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 牛玮原 功d 7 年石月痂日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( v 5 ( 请在以上相应括号内打“4 ) 日期：z 0 0 7 年6 月弓a 日 日期：切- 7 年6 月了。日 l 绪论 1 1 引言 第一章绪论 i n t e r n e t 网络在近几年的发展速度可以用突飞猛进来形容，网络越来 越深入到我们每个人的生活当中。i p 网络技术的研究工作得到越来越多国 家和个人的注意，网络技术在不断发展创新，比如a t m 、帧中继等技术的应 用，t c p i p 协议等技术的发展。伴随着技术的发展，i p 网络业务也从传统 的向着多元化发展，如语音v o i p 业务，实时视频业务，虚拟专用网v p n 等 等。 随着互联网络应用的广为普及，网络的规模日益扩大，复杂性不断增 加，网络的异构性越来越高。伴随着网络技术的发展，一方面需要对已有的 网络硬件设备进行合理的应用，进行系统化的网络规划与设计，解决由于 网络复杂性带来的问题；另一方面还需要不停的改进原有的网络协议和算 法，进行新协议和新算法的开发，以提高i p 网络的基本应用技术。而i p 网络的性能分析是达到以上两方面目标的重要手段，对i p 网络性能进行分 析、评价，获得网络性能的总体情况，不仅可以有效的评估、鉴定和优化 一个现有网络，而且可以作为一个待建网络的规划参考。规划网络是i p 网 络建设的关键，在网络建立之前，进行网络性能的分析与评价，从而指导网 络建设工作。例如根据用户的业务特点，选择相应的拓扑结构，根据网络 性能评价，分析网络可能受到哪些限制、扩充的余地还有多大等等，这些 都需要有充足的理论分析和针对性的实验来验证。 网络仿真是i p 网络性能分析的一个重要手段，应用网络仿真技术，可 以在网络建设之前就虚拟出网络的运行环境，模拟网络行为，观察网络现 象，获取网络性能，结合相应的理论分析做出综合测评等等。将网络仿真 技术应用到i p 网络性能分析当中，具有重要的意义。 网络模拟软件n s - 2 逐渐在国际上流行开来，n s - 2 以其源码公开，功能 强大等多方面优点，受到越来越多的网络工作者的青睐。使用n s 进行i p 网络性能分析，可以有效的完成一般仿真工作需求，例如模拟i p 网络行为， 基于网络仿真软件( n s 2 ) 的i p 网络性能仿真技术研究 观察i p 网络传输现象，研究i p 网络协议，获取特定的网络性能参数。同 时内置可视化工具，将网络行为模拟过程利用动画的形式展现出来，配合 第三方的数据处理工具和绘图工具，获取i p 网络性能参数，直观的表现性 能参数统计结果。所以本文选择n s - 2 3 0 作为仿真工具 1 ，进行i p 网络 性能分析的仿真实验，研究不同拓扑类型和不同传输协议对网络性能的影 响，分析i p 网络性能。 1 2 网络性能研究技术概述 1 2 1 网络性能分析的方法 进行网络性能分析的方法可以分为三类，包括分析方法，实验方法和 模拟方法。 分析方法：分析方法又包括模型分析和协议分析。模型分析是对网络模 型和网络结构方面的分析，协议分析是对网络中各种传输协议、控制协议 等协议进行分析。通用表达式、集合论、概率论、随机过程论和排队论等 数学工具在分析方法中有着广泛的应用。特别是排队论，是进行网络性能 分析的有力武器，因为一个网络系统往往可以等价为一个排队系统。只要 得到了每一个性能指标的量度与其他量度及影响因素之间的数学表达式， 那么整个网络的性能就可以准确地把握了。这对于网络的设计、优化具有 重要的意义。分析前需要为网络建立适当的数学模型，把一个实际的网络 抽象成一个理论上的相对简单又能真实反映网络情况的模型。建立模型的 过程中必须做一些合理的假设，否则建模是很困难的，且假设不能太多、 太牵强，这样会使模型失去实际意义，而且即使建立了模型，分析过程也 是非常复杂，需要拥有较丰富的建模经验，专业的数学知识和分析知识。 实验方法：直接使用已有软件或专用硬件设备，在实际的网络上实现 对网络协议、网络行为和网络性能的研究，并对网络进行动态数据的收集 和统计分析。根据实验规模又可以细分为网络实验床( t e s t b e d ) 和实验室 测试网，根据实验范围可以划分为实际网络、小规模试验网。实验方法得 到的结果清晰明了，准确度高。相应的网络性能分析准确可信，参考价值 2 绪论 最大。但是实验方法需要大量的网络设备提供实验环境，成本造价高。而 且对于较大型网络，搭建实验网络的工程难度和开销太大，这种情况下就 不适合利用实验方法进行网络性能的研究。 仿真方法：在虚拟网络实验床( v i r t u a ln e t w o r kt e s t b e d ) 上对所研 究的对象和所依存的网络系统进行初步分析。研究者选用已有的或者自己 编写的仿真软件，设计一个实际的或理论的网络仿真模型，在计算机上运 行这个模型，并模拟网络行为，分析运行的输出结果。仿真方法很灵活， 可以根据需求设计所需的网络模型，用相对很少的时间和费用了解网络在 不同条件下的各种特性，获取网络研究的有效数据，从而选出最佳方案， 而不必去构造实际的系统。仿真方法具有局限性，网络的实际情况往往是 不可预知具有突发性，仿真方法受软硬件资源的限制，集中于对已知的可 能进行仿真推断，而对未知变化的判断能力差，无法同时展现现实网络的 全部特性。 三种方法相辅相成，各自有不同的侧重点。分析方法适用于早期研究与 设计阶段，对新算法和新技术进行理论准备和验证，除了人力和知识，几乎 不需要什么额外成本；实验方法是网络和系统在投入实际使用前的一次系统 的演练，能够发现网络设计与用户需求之间的相合度以及检验网络实际使用 的效用和性能。该阶段建设成本很高，要求技术和设备开发相对成熟，网络 系统基本成型，一般主要是针对业务和系统稳定性和服务性能的检验；而网 络仿真阶段可以说是理论方法和实验方法的中间阶段，它可以对新协议进行 初步实现和验证，并有利于及时调整和改进，这个阶段，由于采用计算机软 件进行仿真，使得很多研究人员能够研究大规模网络和学习新协议新算法的 设计和实现。并且能够在实用前对其进行检验和改进，此外，他还可以在各 种新老系统和算法之间进行比较而不必花费巨资去建立多个实际系统。所以 基于仿真技术的网络性能分析是网络研究中非常重要的一种方法。 1 2 2ip 网络性能研究概述 目前，对口网络性能的研究主要有两个方面：一是网络性能保证技术的 研究，如综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 2 、区分服务 3 基于网络仿真软件( n s 2 ) 的i p 网络性能仿真技术研究 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 3 ，以及可以为因特网提供流量 工程的多协议标记交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，m p l s ) 技术 4 等： 二是对网络性能分析方法的研究。国内对网络性能分析的研究还属于起步 期，中科院的研究人员从不同角度对i p 网络的性能指标进行了综合分析， 提出一套系统的指标体系、并进行了形式描述、引入了泛化指标和确定性 指标的概念。在使用测量法的进行网络性能研究方面进行了一些理论研究 5 6 ，总结了网络性能研究的方法和基础。而使用计算机仿真法的网络 性能研究在国内还比较少见，文献 7 中利用网络仿真技术进行了 m u l t i c a s t i n g 网络性能的研究，也有利用仿真技术进行局域网性能的研究 8 ，但是总体来说，国内相关研究还很少，缺乏有说服力的研究成果或文 献。随着网络仿真技术的发展和完善，计算机仿真法在网络性能分析研究 中逐渐成为主流研究方法，本文从实际应用的角度出发，利用模拟软件n s - 2 对i p 网络性能体系指标、测量方法及影响因素进行了研究。 1 3 网络仿真技术研究概况 1 3 1 网络仿真技术简介 网络仿真技术就是应用仿真方法对现有网络或待建网络在计算机上 进行虚拟仿真的技术。利用数学建模和统计方法模拟网络行为，从而获得 特定网络参数。网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计量、 网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等，由此既可以获取某些 业务层的统计数据，也可以得到协议内部的某些特殊的参数的统计结果。 从而使研究人员通过计算机的仿真就可以了解掌握网络的性能和参数。 1 网络仿真的目的 网络仿真是网络性能分析的重要手段之一，实际上，网络仿真的目的 不仅如此。 网络仿真的目的主要有： ( 1 ) 学习：学习协议和算法的实现，包括它们的行为和性能。 ( 2 ) 测试：对未实现和未投入实际应用的协议和算法进行测试。 4 绪论 ( 3 ) 比较：对各种研究结果、协议和算法的优缺点进行比较直观和客 观的比较。 ( 4 ) 观察：对各种网络行为进行仿真模拟，观察网络现象的产生发展。 2 网络仿真的优点 ( 1 ) 成本低：仿真方法相对于实验方法而言，网络设备、构件和系统均 通过计算机软件模拟实现，无须配备网络的硬件设备，仿真成本低，这也是 仿真技术最显著的优点。 ( 2 ) 方法灵活，手段多样：由于采用软件实现，仿真的实用、配置的改 变更加灵活可靠，对大规模网络也可以轻松进行重新构建。 ( 3 ) 侧重点显著：因为仿真的基础是软件研究，有针对性的选择在研究 中感兴趣的方面，而忽略掉相对次要的问题，这样更加有利于对侧重点问题 重点研究，提高研究效率。 ( 4 ) 对大规模网络仿真：大规模网络不一定每人都有机会参与建设和研 究，而网络仿真平台给了无这样条件的科研人员一个研究大规模网络的机 会。仿真方法也是大规模网络性能研究的首选研究方法。 3 网络仿真的实现方法 网络是由节点和链路组成的。节点包括一系列的终端机( 包括计算机) 、 具有信息处理与交换功能的节点，链路主要指节点间的传输线路。用户通 过终端机访问网络，其信息通过具有交换功能的节点与链路在网络中传输。 信息网络是一个离散系统，不论是i p 网络还是其他通信网络，在任意时刻 进入网络的分组数、分组长度、以及分组到达网络入口的时间间隔等参数 都是随机变量，引起网络系统状态的变化是在数据信息产生与接收的离散 时刻出现的；系统状态的变化是由于随机事件的发生而引起的，而且变化 是时间上可数( 或有限) 的。离散系统的状态变化只在离散时刻发生，且往 往是随机的，通常即用“事件来表示这种变化，所以又称离散事件系统。 所以，网络仿真是基于对离散事件系统仿真扩展开来的。离散事件系 统主要由四种因素组成，即实体、设备、事件和活动。对信息网络进行仿 真，参照o s l 模型的分层概念，建立相应于各层功能性能描述的仿真模型， 再用计算机语言编制成对应仿真模型的计算机程序，应用程序可以模拟各 基于网络仿真软件( n s 2 ) 的m 网络性能仿真技术研究 层的通信和行为，然后通过运行这些程序来模拟计算机网络的工作，从而 对网络的各种工作性能进行研究。 4 网络仿真的建模方法 网络仿真的基础是就是对仿真目标的建摸。通常在网络仿真系统中需建 立的模型主要有协议模型、拓扑模型、流量模型等等。 ( 1 ) 拓扑模型建模方法 网络拓扑类型是影响网络性能的最重要的因素，所以拓扑类型的建模也 是网络仿真建模的关键。根据拓扑类型确定仿真方案，建立符合仿真对象 拓扑结构的虚拟网络模型。拓扑模型包括稳定拓扑模型和临时拓扑模型两 种。 稳定拓扑模型：网络参数存储与数据库中，独立于应用程序之外。每次 仿真工作都可以调用，无须再次编写。这种方法实现起来比较复杂，但参 数可以重用，网络针对性强。 临时拓扑模型：在仿真应用程序中设定网络参数和拓扑结构，这种方法 网络拓扑模型实现简单，适用于小规模的仿真，技术针对性强。 ( 2 ) 协议模型建模方法 建立完全协议模型：完全按照协议在现实网络中的实现创建模型。这种 方法需要的软硬件资源很大，因此一般情况下不采用。 建立简化协议模型：抛弃一些细节，按限定的策略实现主要的操作。 建立抽象协议模型：应用等效的方式，用不同的方法实现协议的功能。 例如，在本文所研究的模拟软件n s 一2 中，就是利用中心计算的方式代替节 点之间的路由消息传送。 ( 3 ) 流量模型建模方法 流量模型可以采用已有的流量模型，利用前人的经验，可以花较少的时 间精力去建模。也可以建立自己的流量模型，虽然要花费一定的时间精力 去调试其有效性，但是自己建模针对性强，可以通过采集特征的流量数据， 分析确定合适的概率分布，确定流量模型。 5 网络仿真的系统 ( 1 ) 系统引擎 6 绪论 仿真引擎驱动方式一般采用事件驱动的方式，调度方式可以有多种形 式。按实现方式可划分为： 单机实现：所有的仿真过程在一台计算机上实现。 并行分布式：并行分布式又分为对等方式和客户服务器方式。由于对网 络仿真需要处理的数据量很大，大型的网络仿真工具都向并行化发展。 ( 2 ) 系统方法 当前的大多数方法着重于网络抽象化，即通过抛弃不必要的细节，抽象 网络。网络抽象化技术包括： 集中计算：集中计算路由，代替网络中节点问路由消息传送、路由表更 新等工作，不在网络每个节点上进行分布路由控制。 抽象包的分发：计算延迟和丢包的特性，直接根据这些特性对收到的事 件进行调度。 旁路：是另一种常用的方法，通过简略协议栈中发生的事件，简化仿真 过程。 6 网络仿真的基本流程 ( 1 ) 根据需求分析，确定仿真对象。 ( 2 ) 根据研究对象，编写仿真脚本 利用网络仿真系统提供的基本函数和功能，描述被仿真网络，即确定被 仿真网络的拓扑、协议、承载的数据流量和控制参数等，编写可具体执行 的仿真脚本。 ( 3 ) 运行仿真脚本 ( 4 ) 数据采集和分析 数据采集和分析可利用网络仿真系统提供的统计工具，也可自己开发专 用的统计分析工具。 1 3 2 网络仿真技术研究概况 网络仿真技术被广泛应用于教学、科研、国防、通信行业等多种领域， 仿真工具除了本课题采用的n s - 2 模拟软件以外，还有许多优秀的网络模拟 软件，其中应用比较广泛的主流模拟或仿真软件有o p n e t 、s p w 、g l o m o s i m 基于网络仿真软件( n s 2 ) 的i p 网络性能仿真技术研究 等。也有不少网络研究人员自行编写仿真软件对研究对象进行仿真研究。 1o p n e t o p n e t 网络仿真软件是m i l 3 公司的产品该系列主要包括四个产品。 ( 1 ) p l a n n e r ，亦称i td e c i s i o n g u r u ，是一个独立的网络规划设计工具， 不具有网络节点和协议建模功能，仅限于基于基本模型库的网络建模和模 拟。( 2 ) m o d e l e r ，m i l 3 公司起家的拳头产品，支持在网络各个层次的设各、 链路和协议的精确建模，提供丰富的外界开发接口，同时还内含p l a n n e r 的 全部功能。( 3 ) m o d e l e r r a d i o ，在m o d e l e r 的基础上增加对无线和移动网络 仿真的支持，目前包括移动电话、卫星、无线l a n 等。( 4 ) o x d ，利用 “c o s i m u l a t i o n ”技术，在模型网络环境中验证硬件的设计。 o p n e t 拥有强大的仿真功能，被广泛应用与多方面的网络仿真，国内对 o p n e t 的研究已经取得了一定的成果，文献 9 中利用o p n e t 对移动w i m a x 网络 进行仿真，文献 1 0 利用o p n e t 进行t c p 拥塞控制的仿真研究。 o p n e t 作为商业软件，其价钱昂贵，开放性比较差，学习的进入障碍很 高，需要通过一段时问的专门培训才能掌握。此外，o p n e t 软件提供的标准 参数，往往不能满足实际用户的全部需要，而且厂家提供的网络协议的模型 一般都滞后于标准颁布之日数月甚至一年，而涉及底层编程的网元建模具有 较高的技术难度，一般需要经过专门培训的专业技术人员才能完成。这些都 阻碍了o p n e t 的推广。 2s p w s p d s p w ( s i g n a lp r o c e s s i n gw o r k s y s t e m ) 仿真软件是c o w a r ei n c 公司的 产品，现已改名为s p d ( s i g n a lp r o c e s s i n gd e s i g n e r ) ，它提供了面向电 子系统的模块化设计、仿真及实施环境，是进行算法开发，滤波器设计，c 代码生成，硬软件结构联合设计和硬件综合的理想环境。它具有以下技术 特点： 高效便捷的仿真手段：它用c 语言开发，仿真效率高，同时，他提供 图形化的配置仿真界面，友好的消息显示机制。而且可以在不需要 用户干预的情况下进行多速率、动态调度的仿真处理。 多种建模方式支持：只要是c c + + 兼容的建模，系统都可以提供支持， 绪论 其建模参数可以是c 兼容的变量表达式语言定义的复杂函数。 大规模的标准数据模型，可支持x m l 、关系数据库，并提供t c l 、c + + 等编程接口。 丰富的构件库，并支持在原有构件库上的编程微调，直接提供c 源码 的编辑和编译环境。 强大的分析和管理工具，可自动生成信噪比曲线，误码率曲线等。 提供从系统建模到芯片级硬件设计的自动化功能。 s p w 作为专业的d s p 仿真设计开发工具，主要应用在电子设计、通信设 计和芯片设计领域，对移动通信系统也提供了强大的支持，适合做底层开发 和仿真，例如文献 1 1 中使用s p w 进行光纤通信传输系统的仿真。但同o p n e t 一样，它是一款专业性极强的软件，入门难度较高，同时，作为成熟和专业 的商业软件，其价格不菲。 3q u a l n e t g l o m o s i m q u a l n e t 是s c a l a b l en e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，i n c ( s n t ) 的旗舰产品， q u a l n e t 原是美国加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 开发的开放源代码的g l o m o s i m 的商业版，g l o m o s i m ( g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e ms i m u l a t o r ) 是一 款面向无线网络系统的大规模网络仿真平台，它是用并行运算语言p a r s e c 编写的。q u a l n e td e v e l o p e r 是一套先进的用于定制网络模型和进行网络仿 真的软件。q u a l n e t 拥有较快的速度、较好的可扩展性和保真度，通过快速 建模和深入分析工具，使得工程师们易于优化现有的网络性能。模型的源代 码为开发人员提供构建配合新网络功能的实验所需的库。从有线l a n 和w a n ， 到蜂窝、卫星、w l a n 和移动a dh o c 网络，q u a l n e t 支持广泛的联网应用仿 真功能。q u a l n e t 拥有高效的内核，能够以合理的仿真速度模拟具有大话务 量和高移动性的大型网络。q u a l n e t 的特色在于： 支持大规模网络仿真：q u a l n e t 基于已经过验证的p a r s e c 并行仿真内 核。每个结点都独立进行运算，使得仿真能力能达到上万节点的网 络仿真； 采用标准架构：q u a l n e t 按照网络的七层架构采用模块化设计，有利 于用户直接选择想仿真的协议模块，各个层之间采用标准的a p i 接 9 基于网络仿真软件( n s 一2 ) 的l p 网络性能仿真技术研究 口： 批量仿真，用户在需要验证自己开发的协议性能是否在某些脾1 2 上厶匕d e 上 超越了已有的协议时，需要在同样条件下进行协议的对比仿真，用 户一次选择某些参数的不同取值( 比如同一场景中的不同路由协议 算法) ，只发一次命令，就可以立刻得到这些路由算法的性能优劣 的比较图形，便于开发者找到问题。 g l o m o s i m 主要应用于无线通信领域，国内已经有网络研究人员使用 g l o m o s i m 进行研究工作，文献 1 2 中使用g l o m o s i m 进行a dh o c 网络的仿真研 究，文献 1 3 应用g l o m o s i m 进行无线网卡能耗建模方面的研究，但是整体来 说国内对g l o m o s i m 的应用还比较少，研究处于初级阶段。 4 自行开发仿真软件 有很多网络研究人员在仿真所研究的网络时，没有合适的仿真工具或现 有工具无法满足需要的时候，往往自行开发仿真软件进行仿真研究文献 1 4 中作者就是使用自行开发仿真工具进行3 g 端到端的仿真研究。 1 3 3 国内外n s - 2 研究概况 n s 一般被认为起源于1 9 8 9 年由u cb e r k e l e y 开发的r e a l 网络仿真器 ( r e a ln e t w o r k s i m u l a t o r ) 。其实r e a l 网络仿真器是在哥伦比亚大学 ( c o l u m b i au n i v e r s i t y ) 开发的n e s t 网络实验床( n e t w o r ks i m u l a t i o n t e s t b e d ) 的基础上改进而来。1 9 9 5 年，n s 的开发获得美国军方d a r p av i n t ( v i r t u a li n t e r n e t w o r kt e s t b e d ) 项目的资助，由u s c i s i ，x e r o x p a r c ，l b n l 和u cb e r k e l e y 合作开发。目前，n s 一2 的开发还得到t d a r p a s a m a n ( s i m u l a t i o na u g m e n t e db ym e a s u r e m e n ta n da n a l y s i sf o rn e t w o r k ) 项目 和美国国家科学基金n s fc o n s e r ( c 0 1 1 a b o r a t i v es i m u l a t i o nf o re d u c a t i o n a n dr e s e a r c h ) 项目的资助。 n s 的第一个版本，版本号为v 1 o a l 的版本于1 9 9 5 年7 b3 1 推出，推出以 后就受到广泛好评，此后n s 得到开发人员不断的更新和改进。1 9 9 6 年1 1 月6 h n s 一2 o a l 版本推出，n s 正式进入第二代。2 0 0 3 年2 月2 6 1 t 发布n s 一2 1 b l o 版 本后，n s 一2 改变了版本的命名方式，n s - 2 1 b l o 被称为n s 一2 2 6 。目前最新正 l o 绪论 式发布版本n s 一2 3 1 。由于n s 一2 作为一个开源项目开发，因此，世界上的其 他组织和个人也对n s 的发展做出了贡献。n s 一2 也从他们哪里吸收了很多实用 的功能和模块。从1 9 9 9 至u 2 0 0 1 ，a t & t 公司资助的a t & t 互联网研究中, o a c i r i ( 隶属加州大学b e r k e l e y 分校的国际计算机科学系i c s i ) 加入到了n s 的开 发队伍。此外，n s 一2 还吸收t u c b 的d a e d e l u s 工程和c m u 的m o n a r c h 工程以及 s u nm i c r o s y s t e m s 公司开发的无线代码。n s 展现了一个良性发展的趋势，n s 的功能越强大，使用n s 的研究人员就越多，而用的人越多，n s 就可以吸收更 多的优秀代码为己用。因此n s 吸引了越来越多的网络研究人员的关注，基于 n s 的网络仿真技术已经在国际范围内广泛应用，比如在文献 1 5 中用其研究 端到端拥塞控制及组播拥塞控制协议，在文献 1 6 中用其来研究能提供o o s 服务的i n t e r n e t 组播路由协议，在文献 1 7 中对m a o d v 的仿真研究。而在国内 方面，台湾柯志亨教授在n s 的研究领域做出了很多杰出的贡献，他的个人主 页 1 8 展示了许多个人的研究成果。大陆的n s 研究工作刚刚起步，国内的n s 研究人员相对教少，而且相互之间缺乏交流，应用更多是局限在对网络协议 的仿真研究 1 9 ，或者对某一算法的仿真实现上，如在文献 2 0 中用n s 来进 行队列管理机制的研究，在文献 2 1 中研究n s 中多路径路由选择机制。随着 网络技术的发展，包括无线通信网络的新标准的提出，逐渐有越来越多国人 加入至t j n s 的研究队伍当中，相信n s 在国内会有一个良好的发展前景。 2 0 0 6 年6 月1 日，n s 开发组织正式公布了下一代n s 的开发计划，该开发计 划预计通过四年的时间开发出n s 的下一代版本n s - 3 ，此计划也得到了美国国 家科学基金n s fc i s ec r i 项目的部分支持，新一代的n s - 3 会具有更加强大和 完善的仿真功能。 4 论文研究意义和主要工作 1 研究意义 随着互联网络应用层次和深度的扩展与加深，用户对i p 网络提供的服 务具有更高的要求。网络服务对i p 网络传输能力和网络性能质量非常敏感， 网络必须以稳定、可靠和最优化的性能提供服务，才能使应用程序的效率 更好地发挥出来。而如何提供最可靠最优化的网络，如何选择网络扑拓类 基于网络仿真软件( n s 2 ) 的i p 网络性能仿真技术研究 型，如何选择网络协议提供不同的服务，是网络运营商必须要面对的问题。 在这个时刻，网络仿真的重要性就显现出来。网络仿真技术的应用，不仅 在网络搭建前具有预测和指导作用，而且在已有网络的优化和维护方面也 大有用武之地。宏观方面，可以引导企业发展方向与投资重点：微观方面，可 以在网络细节部分做到最优化。由此可见，掌握高水平的网络仿真技术， 对我国电信产业包括网络运营商，设备生产商，科研单位甚至普通用户来 说都有着重要意义。 本课题所选用的研究工具是功能强大的开源网络模拟软件n s 。但是学 习和使用n s 是一个困难的过程，一方面，n s 结构复杂，使用n s 进行网络 仿真工作，必须有较强的编程能力，同时还需要深刻理解网络协议的原理， 在进行仿真数据处理的时候，使用者还需要掌握多种辅助工具；另一方面， n s 作为一个发展中的开源软件，不时会有新的功能块和新的组件加入其中， 所以学习研究n s 需要有持之以恒的态度和精神；再加上目前关于n s 仿真技 术的中文书籍很少，国内使用n s 的研究人员相对也很少，相互之间缺乏交 流，难以形成大规模的技术上的交流互助。以上多种原因都决定了学习n s 是一个漫长又困难的过程。希望通过本课题的研究，对国内的n s 使用者有 所帮助，对优秀的模拟软件n s 在国内的推广起到一定积极作用。 n s 当初设计的目的是支持网络协议的设计和实施，对于网络协议方面 的研究具有一定的优越性，但对于在网络性能评价 1 2 和网络设计方面 1 3 2 2 等领域的研究还属于起步期，缺乏针对性的模型和工具。本课题使 用n s - 2 和多种辅助工具进行i p 网络性能评价方面的研究，建立了一些仿真 模型，研究使用了一些辅助工具并总结其使用方法，希望通过本课题的研究， 能对n s 应用在i p 网络性能方面的研究起到推动作用。 目前基于仿真技术的网络研究还局限在新协议的实现和算法的开发 上，对i p 网络性能分析的工作还不够，本课题的研究内容对i p 网络的设计， i p 网络建设的规划，i p 网络的维护等方面有较高的参考价值和意义。 2 研究内容 本课题重点研究基于网络模拟软件n s 一2 的网络仿真技术，以及应用 n s 一2 进行i p 网络性能仿真研究的方法。具体研究内容为使用n s 进行i p 网 1 2 绪论 络拓扑模型实验，模拟不同的网络拓扑类型，获取网络性能参数，进行网络 性能分析评价。使用n s 进行i p 网络传输协议模型实验，模拟使用不同协议 的网络传输行为，观察网络现象，获取网络性能参数，进行网络性能分析评 价。 本课题具体工作分两部分，首先使用n s 一2 进行网络拓扑模型实验，获 取i p 网络性能参数，分析和评价四种不同拓扑类型的网络性能和适用条件。 其次利用n s 一2 进行i p 网络传输协议的仿真实验，分析和评价两种不同传输 协议的特性和对i p 网络性能的影响，观察实验中t c p 传输时出现的全局同 步现象，通过仿真实验研究全局同步现象对网络性能的影响及其影响因素。 通过对两组仿真实验过程和分析结果的研究，归纳总结了利用n s 仿真技术 进行i p 网络性能分析研究的方法和实现细节。 3 研究成果 在对网络模拟软件n s 详细剖析的基础上，研究了使用n s - 2 进行i p 网 络性能分析的方法，建立了四种不同拓扑类型和2 种不同传输协议的仿真实 验平台。通过总线型、星型、环形、网型四种拓扑结构的仿真实验，分析了 四种不同的拓扑结构对i p 网络性能及其参数的影响，取得了对四种i p 网络 拓扑结构的特性和适用情况的认识；通过对u d p 和t c p 两种协议的仿真实验， 分析了不同传输协议对网络性能的影响，分析了t c p 传输时产生的全局同步 现象的原因和影响因素，取得了对两种协议的优缺点和适用情况，以及如何 避免网络协议对网络性能造成不良影响的认识。 通过对网络仿真实验过程和网络性能分析过程的归纳总结，研究了基 于模拟软件n s 的网络仿真技术的工作原理和方法；研究了基于n s 模拟仿真 软件进行i p 网络性能研究的方法；研究了利用n s 模拟软件进行不同拓扑结 构和不同网络协议的仿真建模的技术。为网络模拟软件n s 应用到i p 网络性 能分析方面的工作建立了简易模型，在应用仿真技术的i p 网络性能分析方 面进行了深入研究并取得了一定研究成果。 4 论文结构 论文第一章主要阐述i p 网络性能研究的意义，介绍了国内外网络仿真 技术的概括，总结了课题工作和意义。 基于网络仿真软件m s 2 ) 的i p 网络性能仿真技术研究 第二章对本课题的研究工具网络模拟软件n s - 2 进行重点的分析， 包括n s 的原理，结构，网络组件和调度模型。介绍了t c l 和o t c l 语言的 基础知识。 第三章详细介绍本文实验的仿真对象i p 网络、i p 网络性能分析的理论 研究，介绍i p 网络性能分析的意义。 第四章重点介绍如何使用模拟软件n s - 2 进行i p 网络性能分析方面的研 究，介绍了网络性能测量分析的原理，方法，步骤。 第五章提出网络拓扑结构仿真方案，具体描述仿真程序，其中包括定 义网络参数、生成仿真对象、运行仿真程序，对仿真结果进行分析比较， 得出结论。进行网络协议传输试验，观察t c p 传输的全局同步现象，得出 结论。 第六章结论部分对本文的主要内容做一个总结，并展望未来的研究方 向。 1 4 网络模拟软件n s - 2 第二章网络模拟软件n s - 2 2 1n s - 2 的原理和结构 2 1 1n s - 2 的原理 n s - 2 是一种面向对象的网络仿真器，它本质上是一个离散事件模拟器， 其本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。目前n s - 2 可以用 于仿真各种不同的通信网络。它功能强大，模块丰富，已经实现的一些仿真 模块有：网络传输协议，如t c p 和u d p