（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）基于windows平臺ipv6網(wǎng)絡(luò)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

摘要 作為網(wǎng)絡(luò)性能測試工具之一，網(wǎng)絡(luò)模擬器不僅要能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展， 同時它還要具有易于使用和高效等特點(diǎn)。i p v 6 被視為下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的核心， w i n d o w s 操作系統(tǒng)也被越來越多的人所接受，但目前在相關(guān)研究領(lǐng)域中仍然沒有 一個廣泛應(yīng)用在w i n d o w s 平臺下并支持i p v 6 的網(wǎng)絡(luò)模擬器。 針對這一問題，作者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個可以運(yùn)行在w i n d o w s 平臺上并對i p v 4 和i p v 6 均支持的網(wǎng)絡(luò)模擬器。本文以目前已經(jīng)存在的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)模擬器的核心算 法為基礎(chǔ)，以w i n d o w s 下內(nèi)核驅(qū)動編程為技術(shù)手段，通過w d m 驅(qū)動與網(wǎng)絡(luò)驅(qū) 動程序接口規(guī)范( n d i s ) 相結(jié)合的方法來進(jìn)行模擬器的構(gòu)建工作。在設(shè)計(jì)方面， 作者充分考慮到w i n d o w s 操作系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，將模擬器的核心模塊與用戶模 塊進(jìn)行分離構(gòu)建，從而使模擬器能夠達(dá)到一定的高效性和精確度并仍能夠保持良 好的易用性；在實(shí)現(xiàn)方面，本文所構(gòu)建的模擬器不僅利用n d i s 來截獲操作系統(tǒng) 中較底層的封包，還采用了w d m 驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與驅(qū)動層的通信功能以及高 精度的定時功能，從而能夠較好地模擬出i p v 6 網(wǎng)絡(luò)中的各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境( 延遲、 丟包、及帶寬限制) 。 本文使用該網(wǎng)絡(luò)模擬器在i p v 6 環(huán)境下搭建實(shí)驗(yàn)床，進(jìn)行了關(guān)于i p v 6 網(wǎng)絡(luò)性 能參數(shù)( 帶寬、延遲和丟包率) 的測試工作。通過測試本文發(fā)現(xiàn)模擬器的工作效 果是令人滿意的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)模擬器能夠有效地對各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行 改變和控制，可以較為方便地搭建出研究人員所需要的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，能夠成為i p v 6 環(huán)境下的測試工作中一個有用的工具。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)模擬網(wǎng)絡(luò)模擬器w i n d o w si p v 6n d i s a b s t r a c t a so n eo ft h ee v a l u a t i o nt o o l s ，n e t w o r ke m u l a t o rs h o u l dn o to n l yc a t c hu pw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，b u ta l s ob eu s e a b l ea n de f f i c i e n t i p v 6i sc o n s i d e r e d a st h eb a c k b o n ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h en g i a n dw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mi su s e d b ym o r ea n dm o r ep e o p l e b u tu n f o r t u n a t e l y ，t h e r eh a sn og e n e r a lp u r p o s ea n dw i d e l y u s e dn e t w o r ke m u l a t o rr u n n i n go nw i n d o w sp l a t f o r mf o ri p v 6n o w a d a y s t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fau s e a b l ea n da c c u r a t e n e t w o r ke m u l a t o rw h i c hs u p p o r t sb o t hi p v 4a n di p v 6p r o t o c o l s i tw o r k so nw i n d o w s p l a t f o r m f o l l o w i n gt h eb a s ei d e ao fe m u l a t i o n ，t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h i se m u l a t o ri s o nt h eb a s i so ft h er e f e r e n c eo ft h en e t w o r ke m u l a t o r st h a ta l r e a d ye x i s t i ti s i m p l e m e n t e dw i t ht h en d i sa n dw d m d r i v e r o nt h ed e s i g np a r t , c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fw i n d o w sk e r n e l ，t h i sp a p e rg u a r a n t e e st h ep r e c i s i o na n da m i a b i l i t y o nt h ei m p l e m e n t a t i o np a r t , t h i se m u l a t o ru s e sn d l st oc a p t u r ep a c k e t sa n dw d m f o rt i m i n g b ym a n i p u l a t i n gt h ep a c k e t si nd a t al i n kl a y e r , i tc a ng e n e r a t ev a r i o u s n e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n d i t i o n si n c l u d i n gb a n d w i d t h ，d e l a ya n dp a c k e tl o s s i n t h i sp a p e rt h ea u t h o ra l s ob u i l d sa ni p v 6t e s t b e dw i t ht h ee m u l a t o rt og e n e r a t e v a r i o u sn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n d i t i o n si n c l u d i n gb a n d w i d t h ，d e l a ya n dp a c k e t l o s s t h r o u g hi m p l e m e n t a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o ns t u d y ，i th a sb e e ns h o w nt h a tt h i s n e t w o r ke m u l a t o rd o e sp r o v i d et h er e a l t i m ec o n t r o la n dc h a n g eo nt h ep a r a m e t e r so f i p v 6n e t w o r kc o n d i t i o n se f f e c t i v e l ya n de x p e d i e n t l yo nw i n d o w s i ta l s og i v e s e n o u g ha c c u r a c ya n d m o r es a t i s f a c t o r yc o n v e n i e n c et ot h ed e v e l o p m e n ta n dt e s tw o r k f o rt h en e wp r o t o c o l s t h ea u t h o rb e l i e v e st h a ti tw i l lb eau s e f u lt o o lf o rp r o t o c o l s a n ds e r v i c e st e s t i n gw o r ku n d e ri p v 6 k e yw o r d s ：n e t w o r ke m u l a t i o n ，n e t w o r ke m u l a t o r , w i n d o w s ，i p v 6 ，n d i s 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨壅盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：越、媽 簽字日期： 加礦- 7 年歹月7 尹日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解墨盜盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)鑫鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：越莎 簽字日期：z 口1 年 石月，壚e l 導(dǎo)師簽名：企太聞1 i 簽字目期：o 7 年石月f 鏟日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 網(wǎng)絡(luò)模擬( n e t w o r ke m u l a t i o n ) 概述 隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在有越來越多的應(yīng)用程序及協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn) 行，而這些應(yīng)用程序或者協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需求也是千差萬別的。測試這些協(xié)議 或者應(yīng)用程序的性能本身就是一件非常困難的工作。在網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天，如 何準(zhǔn)確和全面的測試與評價一個網(wǎng)絡(luò)的性能，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)性能測試工作面臨的一 個日益嚴(yán)峻的問題。特別是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議大量涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò) 所提供的服務(wù)也日趨多樣，因此開發(fā)者要想分析和研究它們的性能，不僅需要構(gòu) 建龐大而復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還需要能夠可控并可再生網(wǎng)絡(luò)條件，這要求都對網(wǎng)絡(luò) 性能評價工作提出了巨大的挑戰(zhàn)。 在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究過程中，可供選擇的測試、評估和驗(yàn)證的手段主要有三種： 1 構(gòu)建數(shù)學(xué)分析模型。此種方法就是對所要研究的對象和所依存的網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)進(jìn)行初步分析，根據(jù)一定的限定條件和合理假設(shè)，對研究對象和系統(tǒng)進(jìn)行描述， 從而抽象出研究對象的數(shù)學(xué)分析模型川。這種方法主要是通過數(shù)學(xué)推理證明、與 現(xiàn)實(shí)實(shí)例對照或與仿真的結(jié)果比較等方法來驗(yàn)證模型的有效性和精確性，最后利 用求精后的數(shù)學(xué)分析模型對問題進(jìn)行解答。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是具有一定的靈活 性，不受軟件或者硬件等物質(zhì)資源的限制，但其模型的有效性和精確性受假設(shè)的 限制很大。當(dāng)一個系統(tǒng)很復(fù)雜時，無法用一些限制性的假設(shè)來對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì) 性的描述，所以這種方法比較適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的理論研究及簡單的網(wǎng)絡(luò) 行為分析，而不大適用于當(dāng)前的比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 2 仿真測試( s i m u l a t i o n ) 。它是指開發(fā)或者使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來搭建網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)模型，并根據(jù)模型運(yùn)行后輸出的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析【。這種方法是一種在全 人工合成的環(huán)境中用代碼來描述網(wǎng)絡(luò)模型的運(yùn)行過程，被用于這種仿真的軟件統(tǒng) 稱為s i m u l a t o r 。s i m u l a t o r 是在一個節(jié)點(diǎn)上建立一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)平臺，以此來模 擬整個網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)和行為。網(wǎng)絡(luò)仿真器( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 可以方便的產(chǎn)生一 個可控，可再現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的分析環(huán)境，但是這個環(huán)境僅僅是在一 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上模擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)行為。目前有許多仿真軟件存在，例如 o p l n e t 、n s 和o m n e t + + 。 由于仿真是基于模型而非真實(shí)對象本身進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，所以仿真的結(jié)果不可能 完全精確的代表真實(shí)的對糾引。也就是說在仿真測試中，在仿真器s i m u l a t o r 上 第一章緒論 跟本沒有真正的業(yè)務(wù)流穿過，也沒有網(wǎng)絡(luò)各部分真正的相互影響的邏輯網(wǎng)絡(luò)。而 且，在進(jìn)行仿真之前要將被分析的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的代碼修改成適應(yīng)仿真器之后才能在 仿真器一 = 運(yùn)行，由此得出的運(yùn)行結(jié)果很可能是會有別于其運(yùn)行在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的結(jié) 果，所以軟件仿真的最大缺點(diǎn)就是失真。 3 全真測試。此種方法是在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之中，測試人員運(yùn)行被分析的 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以在現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)行為 的研究。但這樣做的難點(diǎn)在于，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議越來越復(fù)雜，搭建所需拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的難度也不斷加大，使得此種測試方法的成本不斷增加；其次，即使建立起網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也很難產(chǎn)生出為測試所需要的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這種測試方法雖然能如實(shí)的反 映網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的性能狀態(tài)，但是因?yàn)榇罱ɡщy且不便于分析，往往只 在實(shí)驗(yàn)后期才會采用。 為了更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)日益增加的多樣性以及解決這種多樣性所帶來的網(wǎng)絡(luò) 性能測試方面的問題，一種被稱為網(wǎng)絡(luò)模擬( e m u l a t i o n ) 的測試方法被提出來， 它更像是仿真測試和全真測試兩種方法的調(diào)和，也像是這兩種測試方法的結(jié)合 體。在網(wǎng)絡(luò)模擬測試中，會在真實(shí)的物理網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行真正的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流，所以它 能提供給研究員一個更加接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的模擬環(huán)境；另外，它還提供給研究者以 控制接口以便于動態(tài)地調(diào)控實(shí)驗(yàn)所處的網(wǎng)絡(luò)條件。除此之外，它還提供給研究者 一個可控并可再生的物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境：在一個真實(shí)的物理網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)模擬能 在不需要針對仿真環(huán)境重新編碼的情況下便可重復(fù)地運(yùn)行真實(shí)的業(yè)務(wù)流，從而在 此基礎(chǔ)上運(yùn)行有待分析的協(xié)議和服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)模擬繼承了仿真測試和全真測試的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)，它的產(chǎn) 生為網(wǎng)絡(luò)性能評價技術(shù)注入了新的活力。它可以像仿真測試一樣，提供可控制的， 可重復(fù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，但避免了為仿真而重新編寫的代碼的麻煩；同時它 又同全真測試一樣如實(shí)的反映網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)行在物理網(wǎng)絡(luò)上的種種表現(xiàn)和特征，而 且還消除了構(gòu)建龐大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所帶來的困難。因此，網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 已被廣泛地應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)性能測試工作中去。 1 2i p v 6 的產(chǎn)生和意義 就如同計(jì)算機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展一樣，因特網(wǎng)在過去的2 0 年內(nèi)經(jīng)歷了巨大的發(fā) 展。i p v 4 作為網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施被廣泛地應(yīng)用因特網(wǎng)和難以計(jì)數(shù)的小型專用網(wǎng)絡(luò) 上，雖然它是一個比較成功的協(xié)議，但隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，i p v 4 的局限性及 缺點(diǎn)被越來越多的暴露出來，這些局限性或者缺點(diǎn)成為促使其進(jìn)行i p 協(xié)議升級 的主要原副3 】： 2 第一章緒論 地址空間的局限性：目前占有因特網(wǎng)地址的主要設(shè)備早已由2 0 年前的大型 機(jī)變?yōu)閜 c 機(jī)，而且越來越多的其它設(shè)備也連接到因特網(wǎng)上，包括p d a 、手機(jī)和 傳感器等。i p v 4 的地址容量顯然無法滿足當(dāng)前因特網(wǎng)的業(yè)務(wù)發(fā)展需求，這是促 使其升級的主要動力。 性能：從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史上看，很明顯在性能方面i p 還有可改進(jìn)的余地， 而且新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和產(chǎn)品的開發(fā)導(dǎo)致修改i p 的呼聲越來越高。所以i p v 4 中些 源自2 0 年前或者是更早的設(shè)計(jì)還能夠進(jìn)一步得到改進(jìn)。 安全性：在許多情況下，i p v 4 被設(shè)計(jì)為只具備最少的安全性選項(xiàng)，而安全性 也被認(rèn)為由網(wǎng)絡(luò)層以上的層進(jìn)行負(fù)責(zé)。雖然有一些基于i p 選項(xiàng)關(guān)于i p v 4 安全性 的機(jī)制，但在實(shí)際應(yīng)用中并不成功【3 j 。 自動配置：對于i p v 4 的節(jié)點(diǎn)的配置一直比較復(fù)雜，而用戶則更喜歡類似于 “即插即用”的功能，即將計(jì)算機(jī)插到網(wǎng)絡(luò)上然后就可以開始使用。而l p 主機(jī) 移動性的增強(qiáng)也要求當(dāng)主機(jī)在不同的網(wǎng)絡(luò)間移動和使用不同的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)時能 提供更好的配置服務(wù)，而目前的i p v 4 顯然無法滿足這些功能。 早在2 0 世紀(jì)9 0 年代，因特網(wǎng)工程任務(wù)組( i e 盯) 就開始著手下一代因特網(wǎng) 協(xié)議i p n g ( i p n e x tg e n e r a t i o n ) 的制定工作。1 9 9 4 年7 月，因特網(wǎng)工程任務(wù)組決 定以s i p p ( s i m p l ei n t e r a c tp r o t o c o lp l u s ) 作為i p n g 的基礎(chǔ)，同時把地址長度從 3 2 比特增加到1 2 8 比特，這種新的i p 協(xié)議被稱為i p v 6 。制定i p v 6 的專家們充 分總結(jié)了早期制定i p v 4 的經(jīng)驗(yàn)以及因特網(wǎng)的發(fā)展和市場需求，將容量和性能作 為下一代因特網(wǎng)協(xié)議的重點(diǎn)。i p v 6 在地址容量、安全性、網(wǎng)絡(luò)管移動性以及服 務(wù)質(zhì)量等方面有明顯的改進(jìn)，是下一代因特網(wǎng)可采用的比較合理的協(xié)議。可以說， i p v 6 繼承了i p v 4 的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了它的缺點(diǎn)。 1 9 9 8 年1 2 月，草案標(biāo)準(zhǔn)r f c 2 4 6 0 發(fā)布后，i p v 6 實(shí)際上已經(jīng)相當(dāng)成熟，但其 在之后的一段時間內(nèi)并未得到推廣和應(yīng)用。近幾年，情況開始發(fā)生變化，商用i p v 6 網(wǎng)布設(shè)進(jìn)入議事日程并開始實(shí)施。在移動數(shù)據(jù)通信市場需求拉動下，各國及各方 面都加大了向i p v 6 過渡的投資力度，紛紛建立各種規(guī)模的i p v 6 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，不少廠 商也推出了各種支持i p v 6 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，各種操作系統(tǒng)也都開始支持i p v 6 。我國 已經(jīng)有多個正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的i p v 6 科研和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，一些電信運(yùn)營商也在建立自己 的i p v 6 網(wǎng)，而且國家的下一代因特網(wǎng)計(jì)劃也已經(jīng)開始實(shí)施。可以說，由龐大的 i p v 4 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換到i p v 6 將是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組歷史上最重要的次升級。 i p v 6 的建設(shè)和開發(fā)向廣大的研究和開發(fā)人員提出了更高的要求，尤其是i p v 6 協(xié)議的很多新特性需要在接近真實(shí)的環(huán)境下并且進(jìn)行大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 才能進(jìn)行更好的優(yōu)化和改進(jìn)，這些都給i p v 6 下的協(xié)議和產(chǎn)品的開發(fā)及測試工作 帶來了新的問題和負(fù)擔(dān)。 第一章緒論 1 3w i n d o w s 下的i p v 6 微軟已經(jīng)在主機(jī)操作系統(tǒng)上領(lǐng)先多年，其開發(fā)出的w i n d o w s 操作系統(tǒng)是一種 操作方便、直觀性強(qiáng)、功能強(qiáng)大的圖形窗口式操作系統(tǒng)，尤其是w i n d o w sx p 整 合了w i n d o w s2 0 0 0 的強(qiáng)大功能( 基于標(biāo)準(zhǔn)盼安全性、可管理性和可靠性) 以及 w i n d o w s9 8 和w i n d o w sm e 的最好特性( 即插即用、簡化的用戶界面和創(chuàng)新的 支持服務(wù)) ，更加利于用戶的使用。 特別是在2 0 世紀(jì)9 0 年代，微軟公司伴隨著因特網(wǎng)而成長。1 9 9 8 年微軟開始 開發(fā)用于w i n d o w sn t 和w i n d o w s2 0 0 0 平臺的i p v 6 協(xié)議棧，眾所周知的w i n d o w s n t 和w i n d o w s2 0 0 0 平臺就支持可用于研究、試驗(yàn)以及用于純學(xué)習(xí)目的的i p v 6 。 2 0 0 0 年微軟發(fā)行了w i n d o w s2 0 0 0 的i p v 6 技術(shù)預(yù)覽( i p v 6t e c h n o l o g yp r e v i e w ) 并向因特網(wǎng)團(tuán)體分發(fā)。2 0 0 1 年，微軟做出了一個明確的支持i p v 6 的承諾，在 w i n d o w sx p 的主流代碼中包括i p v 6 支持。同年，微軟在w i n d o w sx p 中打包了 i p v 6 支持，i p v 6 在w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 、w i n d o w sx p h o m ee d i t i o n 、w i n d o w s x p p r o 是可用的。 不同版本的w i n d o w s 對i p v 6 的支持是相似的，并支持i p v 6 協(xié)議的主要特性， 如無狀態(tài)自動配置和某些過渡機(jī)制。尤其是對w i n d o w sx p 來說，i p v 6 是內(nèi)置的， 用戶只要使用命令啟動它們就可以了。 1 4 網(wǎng)絡(luò)模擬器的現(xiàn)狀 i p v 6 是下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的核心，雖然現(xiàn)在已經(jīng)存在了一些不同工作原理的網(wǎng) 絡(luò)模擬器，但是仍然沒有廣泛應(yīng)用于i p v 6 環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)模擬器。因此，大部分 關(guān)于i p v 6 產(chǎn)品及協(xié)議的相關(guān)測試工作仍然沒有能夠有效的進(jìn)行。 眾所周知，w i n d o w s 操作系統(tǒng)的各個特點(diǎn)決定了它成為目前應(yīng)用最廣泛，用 戶人數(shù)最多的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。與以上問題相近似的是，目前也沒有一個可以應(yīng) 用在w i n d o w s 操作系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)模擬器。相關(guān)的開發(fā)人員為了使用網(wǎng)絡(luò)模擬器 搭建目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，不得不放棄自己熟悉的w i n d o w s 操作系統(tǒng)而改用其它。然而這 種對其它操作系統(tǒng)的不熟悉性一定會影響到工作的效率。隨著網(wǎng)絡(luò)測試工作的進(jìn) 一步發(fā)展，這兩種缺陷勢必會成為阻礙網(wǎng)絡(luò)模擬發(fā)展的一個瓶頸。 目前w i n d o w s 下的技術(shù)不斷成熟，再加之w i n d o w s 本身具有的較好的易用 性和兼容性，尤其是w i n d o w sx p 的推出，使得操作系統(tǒng)與i p v 6 的整合性越來 越好，這也為網(wǎng)絡(luò)性能評價工作提供了一個得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。在此條件下，對于 一個方便的、在w i n d o w s 平臺上并可支持i p v 6 的網(wǎng)絡(luò)模擬器的需求也更加迫切。 4 第章緒論 1 5 本文的主要工作及意義 本文以已經(jīng)存在的幾種非w i n d o w s 平臺的網(wǎng)絡(luò)模擬器為基礎(chǔ)，在w i n d o w s 平臺上對支持i p v 6 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模擬器進(jìn)行了構(gòu)建，主要工作包括如下幾個方面： 1 分析了幾種非w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器的工作原理，并結(jié)合w i n d o w s 內(nèi)核驅(qū)動的特點(diǎn)，從中找出一種適合在w i n d o w s 內(nèi)核中運(yùn)行的模擬器的 框架結(jié)構(gòu)。 2 使用w i n d o w s 內(nèi)核驅(qū)動來截獲數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)封包，并在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn) 模擬器的核心功能算法，達(dá)到對i p v 6 網(wǎng)絡(luò)封包進(jìn)行操作的目的。 3 在構(gòu)建過程中還考慮了一些w i n d o w s 操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，使此w i n d o w s 平臺的網(wǎng)絡(luò)模擬器具有同w i n d o w s 操作系統(tǒng)一樣的易用性及較好的兼 容性等特點(diǎn)。 在完成對此w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器構(gòu)建的基礎(chǔ)上，本文在以太網(wǎng)中環(huán)境下 使用此模擬器搭建基于i p v 6 協(xié)議的實(shí)驗(yàn)床，并用它模擬出各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如帶寬 限制、延遲和丟包等以進(jìn)行模擬器功能的驗(yàn)證工作。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測試數(shù)據(jù)表明，本文所構(gòu)建的w i n d o w s 平臺上的i p v 6 網(wǎng)絡(luò)模擬 器能夠達(dá)到既定的要求，可以較為精確并快速地產(chǎn)生出研究人員所需要的i p v 6 的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，相信它可以為i p v 6 下產(chǎn)品的開發(fā)和測試工作帶來極大的方便。 1 6 全文安排 本論文共分為六章，第一章為緒論，首先結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)，對一些概念及其 術(shù)原理進(jìn)行了綜述，而后結(jié)合了當(dāng)前的模擬器的應(yīng)用現(xiàn)狀分析了作者所要做的主 要工作及意義；第二章則對網(wǎng)絡(luò)模擬及已有的網(wǎng)絡(luò)模擬器進(jìn)行更深一步的分析和 比較，并指出當(dāng)前模擬器在應(yīng)用方面上的問題，并給出了w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模 擬器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；第三章主要介紹了與模擬器構(gòu)建相關(guān)的技術(shù)手段，主要包括 n d i s 驅(qū)動以及w d m 驅(qū)動在模擬器構(gòu)建中的應(yīng)用；第四章是本論文的重點(diǎn)，這 一章首先給出了作者所設(shè)計(jì)的整個模擬器的體系結(jié)構(gòu)，接著對模擬器的核心定時 器隊(duì)列的構(gòu)建做出了闡述，最后介紹了模擬器核心功能模塊( 延遲、丟包及帶寬 限制) 和輔助功能模塊( 封包截獲和封包匹配) 的算法設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)；第五章是 對此模擬器核心功能的測試，本章在i p v 6 的環(huán)境下應(yīng)用此模擬器搭建相應(yīng)的實(shí) 驗(yàn)床，進(jìn)行了關(guān)于模擬器核心功能部分的實(shí)驗(yàn)，不僅給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對結(jié)果進(jìn) 行了一定的分析；第六章是對全文工作的總結(jié)，以及在此基礎(chǔ)上對整個模擬器系 統(tǒng)可深入改進(jìn)的地方提出展望。 第二章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 第二章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)模擬概念的提出是為了解決目前網(wǎng)絡(luò)上所運(yùn)行的軟硬件的日益多樣化 所帶來的在網(wǎng)絡(luò)性能評測工作方面的困難。它可以使研究人員輕而易舉地將那些 待測試的代碼轉(zhuǎn)換到真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中去運(yùn)行。 2 1 網(wǎng)絡(luò)模擬的概念 網(wǎng)絡(luò)模擬( e m u l a t i o n ) 在這里可以理解為測試網(wǎng)絡(luò)性能的兩種實(shí)驗(yàn)性方法( 仿 真測試和全真測試) 的集成，它是一種在半人工的環(huán)境中來運(yùn)行真正代碼的網(wǎng)絡(luò) 測試方法1 4 】。其中半人工環(huán)境是指運(yùn)行了真正的網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行，但其所提供的網(wǎng)絡(luò)延 遲和其環(huán)境是人工制造出來的。與仿真測試和全真測試這兩方法相比較，網(wǎng)絡(luò)模 擬可以提供很多的優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)用它可以最大的減少網(wǎng)絡(luò)測試的投入代價。另 外，對于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究的人員，這個工具可以使他們在實(shí)驗(yàn)室的條件下就能 模擬出各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而且真正的業(yè)務(wù)流就在這些需要被測試的協(xié)議或者算法上 傳輸，這對于了解網(wǎng)絡(luò)的各種情況和研究網(wǎng)絡(luò)的性能是很有幫助的。 目前，網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及產(chǎn)品的開發(fā)、調(diào)試及測 試的工作中去。這種方法可以用于發(fā)現(xiàn)和研究與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的問題或者用于評估已 經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法的性能p j 。 2 2 常見的網(wǎng)絡(luò)模擬器( n e t w o r ke m u l a t o r ) 近年來，各研發(fā)部門和企業(yè)生產(chǎn)出多種用于測試網(wǎng)絡(luò)性能的網(wǎng)絡(luò)模擬器。其 中較有影響的產(chǎn)品如下： 1 o h i on e t w o r ke m u l a t o r ( o n e ) o n e 是由俄亥俄大學(xué)網(wǎng)絡(luò)研究小組開發(fā)的。它是基于s u n 工作站的模擬軟 件，可工作在s o l a r i e s 操作系統(tǒng)上f 6 j 。o n e 有兩個物理的網(wǎng)絡(luò)接口，可以分別連 接兩個不同的網(wǎng)絡(luò)。在這兩個不同網(wǎng)絡(luò)間的主機(jī)要經(jīng)過o n e 才能進(jìn)行通信，o n e 跟據(jù)用戶的配置來影響需要轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流，從而模擬出需要的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)環(huán)境 和網(wǎng)絡(luò)條件。如圖2 1 所示，o n e 在這里相當(dāng)于是一個路由器。 6 第章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 圖2 1o n e 模擬 “的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) o n e 可以跟據(jù)用戶配置模擬出網(wǎng)絡(luò)延遲及基于網(wǎng)絡(luò)擁塞的丟包機(jī)制。另外， 它還能提供傳輸延遲及排隊(duì)延遲的功能。 2 d u m m y n e t d u m m y n e t 是一種運(yùn)行在f r e e b s d 操作系統(tǒng)上的模擬器【4 】。它通過截獲協(xié)議 棧中相關(guān)協(xié)議層之間的通訊來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)條件的模擬。d u m m y n e t 主要通過控制 被截獲的業(yè)務(wù)流來模擬出網(wǎng)絡(luò)的帶寬、隊(duì)列的大小以及延遲和丟包率等環(huán)境。 d u m m y n e t 的原始版本工作在傳輸層和i p 層的接i ：i 之間，它的構(gòu)建是使用 f r e e b s d 的核心代碼1 4 】。它截獲了由t c p 模型發(fā)起的對函數(shù)i p的調(diào)用，output 也同樣截獲了在i p 層由協(xié)議的多路輸出選擇對于函數(shù)t o p的調(diào)用，其原理input 如圖2 2 所示。 應(yīng)用程序 1 i 物理網(wǎng)絡(luò) 圖2 - 2d u m m y n e t 的工作原理 假如有業(yè)務(wù)流經(jīng)過d u m m y e t 時，比如當(dāng)一個基于t c p 的傳輸發(fā)生時，封包 會進(jìn)入事先準(zhǔn)備好的隊(duì)列。實(shí)現(xiàn)這個請求隊(duì)列的管理是由每若干秒便執(zhí)行的一個 周期性工作來完成的。但是需要注意的是，周期性工作的進(jìn)行是以系統(tǒng)的隊(duì)列中 7 第二章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 有數(shù)據(jù)為前提的。對于模擬器的目的來說，只有在時間粒度t 足夠小的情況下， d u m m y n e t 才對系統(tǒng)要求具有可用性，而這個時問粒度可以由模擬器或者用戶自 己來決定，默認(rèn)的粒度為1 0 毫秒?？梢哉{(diào)整的時鐘粒度對于更高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)或 是帶寬是非常有用的。 d u m m y n e t 具有全真測試和仿真測試的優(yōu)點(diǎn)：使用簡單，對運(yùn)行的參數(shù)的高 度可控制性及高準(zhǔn)確性，它不需要復(fù)雜的硬件設(shè)備，也沒有昂貴的模擬成本，而 且運(yùn)行在真實(shí)的業(yè)務(wù)流之上。但是d u m m y n e t 僅能近似的模擬出一個給定特征的 真實(shí)系統(tǒng)的行為。大多數(shù)的這種近似模擬是來源于用戶的操作系統(tǒng)的時鐘粒度和 準(zhǔn)確性，所以這對模擬器的精度會有一些影響和限制。d u m m y n e t 的第二個問題 是，需要周期進(jìn)行的工作可能晚一些進(jìn)行，也可能甚至錯過一個或更多的時鐘滴 嗒，這主要是取決于系統(tǒng)的整體的負(fù)荷。 3 p a c k e t s t o r m p a c k e t s t o r m 模擬器是由p a c k e t s t o r m 網(wǎng)絡(luò)傳輸公司推出的i 。它可以在實(shí)驗(yàn) 室的條件下，產(chǎn)生關(guān)于l p 網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)的各種環(huán)境。它可以模擬出如延遲、抖 動、丟包、失序( o u t - o f - o r d e r ) 及比特誤碼( b i te r r o r ) 等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。它所模擬 出的環(huán)境是可控制的并可再生產(chǎn)的，而且它還可以重復(fù)產(chǎn)生因特網(wǎng)的動態(tài)行為。 p a c k e t s t o r m 模擬器可提供最多六個網(wǎng)絡(luò)接口插槽：包括以太網(wǎng)橋接、路由 模式和端口映射模式。以太網(wǎng)橋接是提供連接至以太網(wǎng)設(shè)備的簡便方式。路由模 式用于在不同接口類型( 例女f i t l 和以太網(wǎng)) 之間發(fā)送i p 數(shù)據(jù)流量。在端口映射模 式下，可以在任何不同的物理接口之間進(jìn)行流量的映射。此外，p a c k e t s t o r m 還具 有動態(tài)的模擬網(wǎng)絡(luò)能力，它可以動態(tài)的創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)傳輸模型。在這種模型中，網(wǎng)絡(luò) 環(huán)境隨時間或者帶寬等網(wǎng)絡(luò)狀況的不同而不斷地變化，從而為研究人員創(chuàng)建真正 有效的測試環(huán)境。 總的來說，p a c k e t s t o r m 所具有的優(yōu)點(diǎn)包括：可以提供帶有傳輸情況的分散的 服務(wù)；備有t o s 模擬器，i p 監(jiān)視器，包的計(jì)數(shù)器和計(jì)時器等；可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)捕獲 和重放，具有多個網(wǎng)絡(luò)接口。 4 n l s t n e t n i s t n e t 是一種運(yùn)行在l i n u x 上的網(wǎng)絡(luò)模擬器1 8 j ，它工作在l p 層，由于此模 擬器采用了實(shí)時的硬件中斷( m c l 4 6 8 1 8 ) 作為時鐘粒度，因此它的精確度很高。 n i s t n e t 能把一臺運(yùn)行l(wèi) i n u x 的p c 機(jī)作為一個路由器，從而模擬出常見的網(wǎng)絡(luò) 環(huán)境如丟包、延遲、網(wǎng)絡(luò)擁塞及帶寬限制等。由此可見，n i s t n e t 網(wǎng)絡(luò)模擬器是 模擬i p 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)行為的通用軟件，它可以產(chǎn)生可控并可重現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在簡 單的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用n i s t n e t 搭建實(shí)驗(yàn)床就可以分析網(wǎng)絡(luò)行為并控制網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議的運(yùn)行。應(yīng)用n i s t n e t 模擬的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2 3 所示。 第_ 章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 田一 ”洲b ”臥m 時 ，4 一、 、w a n ，i n t e r n e t j 一 = = = - m e a s u f 翻：l ，e ，峙m 州b a l u n , l o t， ， 一。-_，。一 圖2 3n i s t n e t 所模擬的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) bn e t w o n ， n i s t n e t 軟件包作為內(nèi)核可裝載模塊被添加到l i n u x 操作系統(tǒng)中，它通過調(diào) 節(jié)底層設(shè)備驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)條件。它截獲進(jìn)入該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)封 包，并根據(jù)用戶預(yù)定義的規(guī)則來決定對該數(shù)據(jù)包的處理方式。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入模擬 器時，先要通過底層設(shè)備，然后被n i s t n e t 截獲。n i s t n e t 會根據(jù)預(yù)定義的條 件對包進(jìn)行重新調(diào)度，轉(zhuǎn)發(fā)或是丟棄處理。之后，數(shù)據(jù)包向協(xié)議棧的上層傳送。 在進(jìn)行重新調(diào)度的同時，時間加速器會被添加到操作系統(tǒng)中以提高系統(tǒng)的時間粒 度，從而提高模擬精度。 在n i s t n e t 進(jìn)行模擬的過程中，n i s t n e t 分開地對待每一個通過它的數(shù)據(jù)流， 而對每個數(shù)據(jù)流的操作是通過模擬條目( e m u l a t ee n t r y ) 表來產(chǎn)生作用的。模擬 條目可以被手動地添加和修改，或者在網(wǎng)絡(luò)模擬器運(yùn)行期間按預(yù)先寫好的程序?qū)?條目進(jìn)行改動。 n i s t n e t 主要有兩部分組成1 8 j ：( 1 ) 可裝載的內(nèi)核模塊。這部分被添加到正 常l i n u x 的網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時時鐘代碼里，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行固有的網(wǎng)絡(luò)模擬功能和輸出一套 控制模擬器的a p i ；( 2 ) 一套用戶界面。它的作用是主要用來使用這些a p i 來配 置和控制內(nèi)核模擬器的操作。代碼提供的兩個用戶界面為：一個簡單的命令行界 面，適合于腳本編輯；還有一個交互式的圖形界面，允許同時控制和監(jiān)測大數(shù)量 的模擬登錄條目。 模擬器的這種組織結(jié)構(gòu)提供了很多的優(yōu)點(diǎn)：由于所有的內(nèi)核功能都被集成到 一個可裝載的模塊中，網(wǎng)絡(luò)模擬器可能在運(yùn)行時不用中斷任何積極的聯(lián)系就會開 始、掛起、修補(bǔ)和重載，無論這些數(shù)據(jù)流是不是那些正在被此模擬器所影響的。 另外，模塊的分離也提供服務(wù)使n i s t n e t 代碼大程度地隔離于基于內(nèi)核的改變。 9 第_ 章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) n i s t n e t 可以產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)條件有：包延遲( 即可確定不變也可以變動) 包重 組、包丟失、隨機(jī)性的包依賴、包鶯復(fù)和帶寬限制。 n i s t n e t 可以利用各范圍的網(wǎng)絡(luò)情形來仿真端到端的性能。它設(shè)計(jì)成在一般 的實(shí)驗(yàn)室條件下，用網(wǎng)絡(luò)性能試驗(yàn)程序和控制協(xié)議就能實(shí)現(xiàn)，而且能被控制和再 重復(fù)。它可以簡單地在真正的網(wǎng)絡(luò)和模擬的網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)代碼的移植，由很小的 實(shí)驗(yàn)室安裝就可以模擬大范圍的網(wǎng)絡(luò)。 2 3 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)模擬器的應(yīng)用問題 雖然目前已經(jīng)有了各種功能并可以工作在不同操作系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)模擬器，但 有時使用這些網(wǎng)絡(luò)模擬器并不是十分的方便。 例如，在使用o n e 進(jìn)行模擬測試時，根據(jù)其要求，一臺s u n 工作站上只能 安裝兩個網(wǎng)卡，這樣一臺s u n 工作站只能仿一個點(diǎn)，不利于搭建大型仿真環(huán)境。 另外，啟用模擬功能時要關(guān)閉s u n 的其他業(yè)務(wù)，否則影響準(zhǔn)確性，當(dāng)有多臺主 機(jī)通過s u n 相連時，會嚴(yán)重干擾其仿真精度。 對于d u m m y n e t 來說，雖然它運(yùn)行在真實(shí)環(huán)境中，但它僅能近似的模擬出一 個給定特征的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的行為1 4 1 。大多數(shù)的這種近似模擬是來源于操作系統(tǒng)的時 鐘粒度和準(zhǔn)確性。雖然d u m m y n e t 使用了系統(tǒng)時鐘的時間粒度t 限制了對于所有和 時間度量相關(guān)的解決方案，但是在模擬高速的網(wǎng)絡(luò)和較短的管道時，造成了與t 相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)封包的重疊，以上情況會對d u m m y n e t 的模擬精度產(chǎn)生極大的影響。 另外，在使用n i s t n e t 和d u m m y n e t 進(jìn)行模擬時，這些軟件首先必須被編譯 成操作系統(tǒng)的內(nèi)核擴(kuò)展，在這之后它們才能被裝載進(jìn)操作系統(tǒng)進(jìn)行使用。 在實(shí)際的模擬器的應(yīng)用過程中，并不能保證研究或者開發(fā)人員對以上模擬器 所工作的操作系統(tǒng)比較熟悉，所以很多研究人員在使用這些模擬器時遇到了本不 該有的使用方面的困難，這無形中增加了研究人員的開發(fā)周期及測試難度。 另外，i p v 6 協(xié)議的很多新特性需要在接近真實(shí)的環(huán)境下并且進(jìn)行大量重復(fù)性 實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行更好的優(yōu)化和改進(jìn)。雖然i p v 6 協(xié)議及其產(chǎn)品的開發(fā)和實(shí) 現(xiàn)早已在全世界范圍內(nèi)展開，但包括以上常見的各種模擬器在內(nèi)，目前可以支持 i p v 6 協(xié)議并廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模擬器似乎并不多見，這給在i p v 6 環(huán)境下的新協(xié)議 及新服務(wù)的開發(fā)和測試工作帶來了一定的困難。 p a c k e t s t o r m 雖然功能強(qiáng)大并支持i p v 6 ，但其價格卻稍有些昂貴，并不適合 在測試和研究工作中大規(guī)模的使用。 由本文的敘述可見，雖然目前因特網(wǎng)向i p v 6 過渡的步伐不斷加快，而且 w i n d o w s 操作系統(tǒng)的功能也日益強(qiáng)大，但目前仍然沒有廣泛應(yīng)用在w i n d o w s 平 l o 第_ 章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 臺上并支持i p v 6 的網(wǎng)絡(luò)模擬器供研究人員使用。相對來說，網(wǎng)絡(luò)模擬器在這一 部分的領(lǐng)域還是一片空白。 2 4w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 跟據(jù)以上對各個模擬器的分析，可以發(fā)現(xiàn)，在w i n d o w sx p 平臺下，要想讓 所構(gòu)建的模擬器工作在i p v 6 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，它要能夠根據(jù)用戶的設(shè)置來對i p v 6 網(wǎng) 絡(luò)中的特性做出模擬。在充分考慮了w i n d o w sx p 系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，并不斷地 與其它已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)模擬器進(jìn)行比較，作者對于此模擬器的設(shè)計(jì)主要遵循了以 下幾點(diǎn)原則，同時它們也是基于w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器的主要特點(diǎn)： ( 1 ) 保證模擬器的高效性和準(zhǔn)確性。此模擬器要能根據(jù)用戶對模擬參數(shù)的設(shè) 定，可以對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的各種特點(diǎn)能夠做出準(zhǔn)確和快速的模擬。即此模擬器的工作 不能像d u m m y n e t 那樣在很大的程度上受操作系統(tǒng)時鐘精度的干擾，至少應(yīng)該保 證模擬器的工作能在同等條件下優(yōu)先進(jìn)行。 ( 2 ) 保持模擬器的易用性和靈活性。w i n d o w s 操作系統(tǒng)的一個優(yōu)點(diǎn)就是易用 性。此模擬器本身作為w i n d o w sx p 下的一個軟件，一定要繼承w i n d o w s 易用的 特點(diǎn)。即對于它的使用不能像n i s t n e t 或者d u m m y n e t 那樣先要導(dǎo)入系統(tǒng)中才 能工作。除此之外，即使是對各種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行模擬時， 此模擬器也要能夠保持在其自身的層次結(jié)構(gòu)的不變性。 ( 3 ) 保證模擬器的相對獨(dú)立性。網(wǎng)絡(luò)模擬器雖然依附于w i n d o w s 操作系統(tǒng)的內(nèi) 核及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧而存在，但此網(wǎng)絡(luò)模擬器在工作的同時也要有一定的相對獨(dú)立 性，即其模擬的精度不能像o n e 那樣與操作系統(tǒng)的其它功能有較高的耦合性。 ( 4 ) 減少模擬器的副作用。此模擬器雖然要工作在w i n d o w sx p 操作系統(tǒng)中， 并對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬，但在開啟模擬器功能的同時，要保證對原w i n d o w s 操 作系統(tǒng)的影響盡可能的小。 2 5w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器工作的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通過對以上各模擬器的研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)模擬器都是將自身做成了 一個路由器在使用，本文所構(gòu)建的模擬器同樣沿用了此想法，圖2 4 為w i n d o w s 平臺下網(wǎng)絡(luò)模擬器工作的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 第二章網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù) 圖2 4w m d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器工作的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)模擬器作為一個路由器在兩個不同的以太網(wǎng)中進(jìn)行網(wǎng) 絡(luò)封包的轉(zhuǎn)發(fā)。將網(wǎng)絡(luò)模擬器同路由功能綁定在一起有著如下的優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 比較接近真實(shí)情況?；ヂ?lián)網(wǎng)由許多網(wǎng)絡(luò)鏈路及相互連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成， 在每個節(jié)點(diǎn)和每條鏈路上，都存在著網(wǎng)絡(luò)使用者與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間傳輸?shù)男畔⒘?丟失、延遲或錯誤的可能性。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的損傷通過增加接入( 下載) 信息的時 間或反映為“應(yīng)用不可用”而單方面的影響用戶的使用。因此，在網(wǎng)絡(luò)模擬器以 路由器的角色出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲惺且粋€相對比較接近真實(shí)的選擇。 ( 2 ) 可以比較容易地獲得需要的業(yè)務(wù)流。路由器作為連接兩條或更多鏈路并決 定數(shù)據(jù)最有效路徑的硬件設(shè)備，起著在網(wǎng)絡(luò)問截獲發(fā)送到遠(yuǎn)端網(wǎng)段的報文并轉(zhuǎn)發(fā) 的作用。如果網(wǎng)絡(luò)模擬器能在實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)中同時發(fā)揮著路由功能，可以比較容易 并準(zhǔn)確地獲得想要進(jìn)行控制的業(yè)務(wù)流，從而免去了在實(shí)驗(yàn)過程中大量的人為的設(shè) 置步驟。 ( 3 ) 可以模擬出更廣泛的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。將路由功能與網(wǎng)絡(luò)模擬器綁定在一起，可 以模擬出更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并能夠?qū)V域網(wǎng)( w a n ) 的環(huán)境做出模擬，這 是將模擬器作為網(wǎng)橋所不具備的功能。 本章前半部分主要介紹了網(wǎng)絡(luò)模擬的概念及目前已有的網(wǎng)絡(luò)模擬器的工作 原理，隨后本文結(jié)合各個模擬器的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器的 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其工作環(huán)境。構(gòu)建模擬器所需要的技術(shù)手段將在下一章進(jìn)行介紹。 1 2 第三章構(gòu)建w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器的關(guān)鍵技術(shù) 第三章構(gòu)建w i n d o w s 平臺網(wǎng)絡(luò)模擬器的關(guān)鍵技術(shù) 3 1w i n d o w s 中的網(wǎng)絡(luò)模型 o s i 模型將網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)分為7 層【9 】，從下到上依次為物理層，數(shù)據(jù)鏈路層， 網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，會話層，表示層和應(yīng)用層。u n i x ，n e t w a r e ，l i n u x ，w i n d o w s 這些支持網(wǎng)絡(luò)連接的操作系統(tǒng)都用到了這7 層協(xié)議。 但是，盡管o s i7 層協(xié)議在w i n d o w s 中體現(xiàn)得非常明顯，然而在w i n d o w s 中卻無法嚴(yán)格地將各個層次劃分出來。這是因?yàn)樵趙 i n d o w s 操作系統(tǒng)本身就沒 有嚴(yán)格地劃分這些層次，也就是說，這些層次會出現(xiàn)一些功能和行為上的交叉【1 0 1 ， 這是由w i n d o w s 本身對這些各個分層的實(shí)現(xiàn)手段造成的。 應(yīng)用層 習(xí)w 叫i n s o 舢e k a 拳l p i 表示層 會話層 t jl 用戶模式 內(nèi)核模式 傳輸層 1 卜 1r 網(wǎng)絡(luò)層 一爿m 咖坩i 數(shù)據(jù)鏈路層 t 7 ji l l c 1r 、 im i n i p o r td r i v e rl m a c 物理層一7 網(wǎng)卡 o s l 7 層協(xié)議棧 w i n d o w s 廄j 絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖3 - 1o s i 模型在w i n d o w s 中的實(shí)現(xiàn)情況 如圖3 1 所示，w i n s o c k 的a p i 主要用于實(shí)現(xiàn)了o s i 模型的應(yīng)用層、表示層 及會話層并為這些應(yīng)用程序提供接口，而這些程序也都是在w i n d o w s 的用戶模 式下運(yùn)行的。o s i 模型的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層及數(shù)據(jù)鏈路層的l l c 子層是由協(xié)議驅(qū) 1 3 第三章構(gòu)建w i n d o w s - t 臺網(wǎng)絡(luò)模擬器的關(guān)鍵技術(shù) 動( p r o t o c o ld r i v e r ) 實(shí)現(xiàn)的p j 。而數(shù)據(jù)鏈路層的m a c 子層及物理層則是由物理 網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)的，而微端口驅(qū)動程序( m i n i p o r td r i v e r ) 則起著控制網(wǎng)卡的作用。另 外，協(xié)議驅(qū)動程序和微端u 驅(qū)動程序都是n d i s 驅(qū)動的一部分，關(guān)于n d l s 的介 紹會在下一節(jié)中進(jìn)行闡述。 模擬器要能夠截獲在網(wǎng)絡(luò)中真實(shí)的封包，并且能根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)來模擬 和改變網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，模擬器要運(yùn)行在操作系統(tǒng)中處于較低次層上，它或者是 對操作