通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議仿真.doc

通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議仿真摘要:本文首先簡要介紹了NS2的原理；然后介紹ALOHA、CSMA/CA和CSMA/CD協(xié)議的具體流程，然后分別對這三種協(xié)議進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，通過分析它們的延時(shí)抖動(dòng)，傳輸延時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量和丟包率，并結(jié)合仿真環(huán)境的參數(shù)配置對對這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。1. NS-2概述NS是Network Simulator的英文縮寫，字面翻譯即為網(wǎng)絡(luò)模擬器，又稱網(wǎng)絡(luò)仿真器。NS-2（Network Simulator，Version 2）是一款開放源代碼的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，最初由加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）開發(fā)。它最初的開發(fā)目的是為了研究大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)以及當(dāng)前和未來網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的交互行為。它為模擬研究有線和無線網(wǎng)絡(luò)上的TCP、路由和多播等協(xié)議提供了強(qiáng)有力的支持。NS-2是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)模擬器，它本質(zhì)上是一個(gè)離散時(shí)間模擬器，其本身有一個(gè)虛擬時(shí)鐘，所有的模擬都由離散時(shí)間驅(qū)動(dòng)。目前NS-2可以用于模擬各種不同的通信網(wǎng)絡(luò)。它功能強(qiáng)大，模塊豐富，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的主要模塊有：網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，如TCP和UDP；業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器，如FTP、Telnet、Wed、CBR和VBR；路由隊(duì)列管理機(jī)制，如Droptail、RED和CBQ；路由算法，如Dijkstra；以及無線網(wǎng)絡(luò)WLAN、移動(dòng)IP和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等模塊。NS-2也為進(jìn)行局域網(wǎng)的模擬而實(shí)現(xiàn)了多播協(xié)議以及一些MAC子層協(xié)議。NS2采用兩級體系結(jié)構(gòu)，為了提高代碼的執(zhí)行效率，NS2 將數(shù)據(jù)操作與控制部分的實(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的前端是一個(gè)OTcl 解釋器，稱為解釋層，主要功能是對模擬環(huán)境的配置、建立。從用戶角度看，NS2 是一個(gè)具有仿真事件驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件對象庫和網(wǎng)絡(luò)配置模塊庫的OTcl腳本解釋器。NS2中編譯類對象通過OTcl連接建立了與之對應(yīng)的解釋類對象，這樣用戶間能夠方便地對C+對象的函數(shù)進(jìn)行修改與配置，充分體現(xiàn)了仿真器的一致性和靈活性。2. 通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議介紹通信網(wǎng)絡(luò)按照覆蓋范圍可分為廣域網(wǎng)（WAN）、城域網(wǎng)（MAN）、局域網(wǎng)（LAN）以及個(gè)域網(wǎng)（PAN：Personal Area Network）。LAN（局域網(wǎng)）覆蓋有限的地理范圍，它適用于公司、機(jī)關(guān)、校園等有限范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)需求；局域網(wǎng)比廣域網(wǎng)有更高的數(shù)據(jù)率，較低的時(shí)延和較小的誤碼率。目前以太網(wǎng)已經(jīng)在局域網(wǎng)市場中占據(jù)了絕對優(yōu)勢，并幾乎成為局域網(wǎng)的同義詞，因?yàn)楸疚闹杏懻摰腖AN主要就是指以太網(wǎng)。覺得局域網(wǎng)特性的主要技術(shù)要素為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸介質(zhì)與介質(zhì)訪問控制方法。從介質(zhì)訪問控制方法的角度來看，局域網(wǎng)可分為共享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)兩類。2.1 ALOHA協(xié)議2.1.1 純ALOHA法發(fā)送站點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)傳送的報(bào)文分組內(nèi)，包含目的地址和源地址，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，如果在預(yù)定時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答信號就認(rèn)為這個(gè)報(bào)文分組安全到達(dá)目的地，反之則未到達(dá)。這種方法由于不限制用戶的發(fā)送，所以很容易發(fā)生沖突，使得發(fā)送站點(diǎn)必須重發(fā)報(bào)文分組。發(fā)生沖突后的解決措施有兩種：第一種方法，給每個(gè)用戶設(shè)定一個(gè)互不相同的重發(fā)時(shí)延(即根據(jù)優(yōu)先程度給予用戶設(shè)定重發(fā)權(quán)利)，阻止再次發(fā)生沖突;第二種方法，給每個(gè)用戶隨機(jī)地設(shè)定重發(fā)時(shí)延（例如時(shí)延可在0.35到1.45的范圍內(nèi)選?。?。設(shè)定最小時(shí)延時(shí)需要考慮用戶從中央IMP收到的確認(rèn)ACK，如果最小時(shí)延太短，用戶有可能還沒收到確認(rèn)ACK就執(zhí)行了不必要的重發(fā)。純ALOHA法的傳輸效率約為18.4%，是比較低的。2.1.2 開糟ALOHA法把信道事件劃分成相等的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片對應(yīng)一個(gè)幀所需的發(fā)送時(shí)間，規(guī)定用戶在每個(gè)時(shí)間片的開始端發(fā)送數(shù)據(jù)，不允許終端在任何時(shí)候發(fā)送，這種限制可以減少時(shí)間片內(nèi)中間時(shí)刻發(fā)生沖突的概率。如果在開始端發(fā)生了沖突，也只是浪費(fèi)這個(gè)時(shí)間片而已。每個(gè)時(shí)間片的長度需要合理的設(shè)計(jì)。因?yàn)閺母鱾€(gè)用戶的報(bào)文分組到達(dá)中央系統(tǒng)的傳輸延遲不同，最大的報(bào)文分組長度相關(guān)于第一個(gè)報(bào)文分組首部到達(dá)時(shí)刻與最后一個(gè)報(bào)文分組尾部到時(shí)刻之時(shí)間差值，由這個(gè)先后到達(dá)的時(shí)間差值，選擇每個(gè)時(shí)間片的寬度。對擁有中等數(shù)量用戶的系統(tǒng)，時(shí)間片法的傳輸效率約為36.8%，如果用戶數(shù)量效少，傳輸效率還可提高。2.2 CSMA/CD協(xié)議局域網(wǎng)的特點(diǎn)就是介質(zhì)資源的共享和競爭。因此需要有一定的機(jī)制協(xié)調(diào)同一網(wǎng)段各個(gè)計(jì)算機(jī)對共享資源的公平競爭。以太網(wǎng)采用的是載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）技術(shù)。所有的以太網(wǎng)均采用CSMA/CD?！拜d波偵聽”是指所有計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)卡偵聽網(wǎng)絡(luò)，只有在檢測倒網(wǎng)段上沒有其他站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有其他站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，則暫時(shí)不發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)送碰撞?！岸嗦吩L問”是值多個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接在同一個(gè)網(wǎng)段上，并能同時(shí)檢測信道是否空閑?！芭鲎矙z測”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小，當(dāng)幾個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號電壓擺動(dòng)值將會增大（互相疊加），當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)檢測到的信號電壓擺動(dòng)值超過一定的門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上出現(xiàn)了至少有兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明發(fā)生了碰撞（沖突）。這時(shí)它將停止發(fā)送并等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間（或者采用特定退避算法得到的時(shí)間）后再進(jìn)行偵聽發(fā)送操作。CSMA/CD的發(fā)送流程如圖所示：圖1 CSMA/CD發(fā)送流程2.3 CSMA/CA協(xié)議IEEE 802.11的MAC層協(xié)議與以太網(wǎng)的MAC子層不同，因?yàn)榕c有線環(huán)境相比，無線環(huán)境具有一些內(nèi)在的復(fù)雜性。在以太網(wǎng)中，一個(gè)站只要等到以太網(wǎng)介質(zhì)空閑下來，就可以開始傳輸了。如果在前64個(gè)字節(jié)以內(nèi)沒有收到送回來的噪聲尖峰的話，則幾乎可以肯定該幀已經(jīng)被正確地遞交了，但在無線環(huán)境中這樣的條件并不成立。在無線環(huán)境中存在著隱藏站和暴露站問題，它們會造成監(jiān)聽的錯(cuò)誤。為了解決這些問題，IEEE 802.11的MAC層協(xié)議定義了兩種介質(zhì)訪問控制機(jī)制：(1)分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)，(2)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)，其中DCF是必須支持的功能，PCF是可選功能。圖2是CSMA/CA協(xié)議的具體流程：圖2 CSMA/AD發(fā)送流程在PCF中，采用利用接入點(diǎn)AP的中心控制器，通過輪詢的方式，使得各個(gè)無線站點(diǎn)依次接入總線，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。DCF是一種基于載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和可選的RTS/CTS(request to send/clear to send)訪問方法。在基本訪問方法中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，首先通過偵聽信道確定是否有其它節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道是空閑的并持續(xù)DIFS 時(shí)間，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道被偵聽到是忙狀態(tài)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)將堅(jiān)持偵聽直到信道空閑一個(gè)DIFS 時(shí)間，然后產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間(backoff time)，并保存在一個(gè)計(jì)數(shù)器中。隨后，在每個(gè)時(shí)隙中，如果信道為空閑狀態(tài)，退避時(shí)間計(jì)數(shù)器將減 1，直到退避時(shí)間計(jì)數(shù)器減到 0 時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀；在退避過程中，如果在某個(gè)時(shí)隙中信道上有其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送，退避時(shí)間計(jì)數(shù)器將被凍結(jié)(freeze)，退避過程暫時(shí)中斷，直到信道重新變成空閑狀態(tài)并持續(xù) DIFS 時(shí)間后再次被激活。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)成功收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)過一個(gè)SIFS時(shí)間后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀(ACK)，如果源節(jié)點(diǎn)在超時(shí)(ACK_Timeout)設(shè)置的時(shí)間內(nèi)收到 ACK，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，否則，認(rèn)為數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗并進(jìn)行重發(fā)。在 RTS/CTS 訪問方法中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，等待信道空閑并持續(xù) DIFS 時(shí)間，經(jīng)過退避時(shí)間后，該節(jié)點(diǎn)將先發(fā)送一個(gè)短幀 RTS，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到RTS 后，將在 SIFS 間隔后返回一個(gè) CTS 幀，源節(jié)點(diǎn)只有成功收到這個(gè) CTS 后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。RTS 和 CTS 幀中都包含著到本次數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成所需的持續(xù)時(shí)間，其它能夠收到 RTS 或 CTS 的節(jié)點(diǎn)將根據(jù)這個(gè)持續(xù)時(shí)間信息修改其變量NAV(Network Allocation Vector)，并在該段時(shí)間內(nèi)保持沉默。因此 RTS/CTS 訪問方法能夠在一定程度上解決隱藏節(jié)點(diǎn)（Hidden Node）問題。3. 基于NS-2的通信網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議仿真3.1 ALOHA協(xié)議仿真圖3 ALOHA拓?fù)鋱D網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲薪⒘?個(gè)UDP鏈接，分別為UDP0：節(jié)點(diǎn)0與節(jié)點(diǎn)1(0-1)；UDP1:節(jié)點(diǎn)0與節(jié)點(diǎn)2(0-2);UDP2:節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3(2-3)?？偡抡鏁r(shí)間為5秒，各連接持續(xù)時(shí)間分別為UDP0:05S;UDP1:0.25S;UDP2:0.35S。線路帶寬采用15Mbps，MAC層采用ALOHA協(xié)議，路由協(xié)議采用AODV，傳輸層采用UDP協(xié)議。圖4 ALOHA平均延時(shí)分析從圖4中可以看出，在分組傳輸速率逐漸增大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可能會出現(xiàn)擁塞，導(dǎo)致平均延時(shí)逐漸增加。圖5 ALOHA吞吐量分析同樣，在圖5中可以看出，隨著分組速率的逐漸增加，在某以特定點(diǎn)達(dá)到最好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。但是，繼續(xù)增加傳輸速率，網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)一定程度的擁塞，導(dǎo)致吞吐量下降。3.2 CSMA/CD協(xié)議仿真圖6 CSMA/CD拓?fù)鋱D仿真實(shí)驗(yàn)所用的NS版本為ns-2.35，MAC層協(xié)議使用NS自帶的802.3 MAC層協(xié)議。實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖6所示。整個(gè)局域網(wǎng)由九個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)9與節(jié)點(diǎn)0相連接，其他8個(gè)節(jié)點(diǎn)都連接在同一條總線上，所有鏈路都為全雙工鏈路，鏈路帶寬為10Mb，延時(shí)為10ms，傳輸層協(xié)議使用TCP協(xié)議。在本次試驗(yàn)中定義了兩條TCP傳輸鏈路，節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)0之間的TCP鏈路和節(jié)點(diǎn)2至節(jié)點(diǎn)0之間的鏈路，它們的滑動(dòng)窗口大小均為32，數(shù)據(jù)報(bào)大小采用默認(rèn)值。當(dāng)它們同時(shí)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MAC層就會對鏈路狀態(tài)進(jìn)行檢測，以免發(fā)生沖突。在應(yīng)用層，我們使用FTP發(fā)送數(shù)據(jù)，其中節(jié)點(diǎn)1在0.0s時(shí)刻開始發(fā)送，節(jié)點(diǎn)2在5s時(shí)刻開始發(fā)送，仿真時(shí)間為15s。對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析。實(shí)驗(yàn)給出了CSMA/CD協(xié)議在所給場景和參數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)性能，其中包括網(wǎng)絡(luò)吞吐量，傳輸時(shí)延以及延時(shí)抖動(dòng)。1. 時(shí)延包的延時(shí)就是指包的接收時(shí)間與包的發(fā)送時(shí)間差。圖7 有線環(huán)境下的時(shí)延2. 延時(shí)抖動(dòng)延時(shí)抖動(dòng)描述網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的變化情況，時(shí)延抖動(dòng)越大，則網(wǎng)絡(luò)越不穩(wěn)定。注意：本實(shí)驗(yàn)中延時(shí)抖動(dòng)分析的模型是：（封包n2的延時(shí)封包n1的延時(shí)）/（n2的包序號n1的包序號）圖8 有線環(huán)境下的時(shí)延抖動(dòng)3. 吞吐量網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù)，是指在不丟包的情況下單位時(shí)間內(nèi)通過的數(shù)據(jù)包數(shù)量，單位是字節(jié)每秒或比特每秒。計(jì)算其吞吐量是一件復(fù)雜的事情，這里的模型是從第一個(gè)包發(fā)送后，每個(gè)包都疊加累算圖9 有線環(huán)境下的吞吐量4. 分析有線環(huán)境下的丟包率“numbers of packets sent: 6871 losr: 164；the loss rate of the packet id: 0.023868”。由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以知道，在0-5s階段，因?yàn)橹挥泄?jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)0發(fā)送數(shù)據(jù)，所以剛開始不會有數(shù)據(jù)競爭信道沖突，所以剛開始的時(shí)延比較小，而且時(shí)延抖動(dòng)也很平穩(wěn)，吞吐量也保持一個(gè)穩(wěn)定值。從第5s開始，節(jié)點(diǎn)2也開始向節(jié)點(diǎn)0發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)就開始競爭信道。我們可以很明顯的看到，從第5s開始，時(shí)延增大，時(shí)延抖動(dòng)也在增大，吞吐量下降并逐漸趨向一個(gè)穩(wěn)定值。有線環(huán)境下，基于該實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置的丟包率為0.023，如果在MAC層不使用CSMA/CD進(jìn)行媒介訪問控制，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生沖突，會造成丟包率的急劇上升。3.2 CSMA/CA協(xié)議仿真仿真實(shí)驗(yàn)所用的NS版本為ns-2.35，MAC層協(xié)議使用NS自帶的802.11 MAC層協(xié)議。實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖10所示。圖10 CSMA/CA拓?fù)鋱D整個(gè)無線局域網(wǎng)由三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)0的坐標(biāo)位（400,500），節(jié)點(diǎn)2的坐標(biāo)位（500,500），節(jié)點(diǎn)3的坐標(biāo)位（600,500）。節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)1在無線環(huán)境下與節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)1的發(fā)送速率均設(shè)為512Kbps；節(jié)點(diǎn)0發(fā)送的應(yīng)用層數(shù)據(jù)包大小為200B，節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的應(yīng)用層數(shù)據(jù)包大小為150B；采用DSDR無線路由協(xié)議。傳輸層使用UDP協(xié)議，應(yīng)用層使用CBR流量發(fā)生器產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸層使用UDP協(xié)議，應(yīng)用層使用CBR流量發(fā)生器產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)給出了CSMA/CD協(xié)議在所給場景和參數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)性能，其中包括網(wǎng)絡(luò)吞吐量，延時(shí)抖動(dòng)。圖11 無線環(huán)境下的吞吐量圖12 無線環(huán)境下的時(shí)延抖動(dòng)結(jié)果分析：圖11中是無線環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量情況前5s內(nèi)網(wǎng)絡(luò)吞吐量基本穩(wěn)定，這是由于鏈路帶寬大于發(fā)送數(shù)據(jù)的帶寬，網(wǎng)絡(luò)中并沒有發(fā)生擁塞，吞吐量基本取決于源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率，在5s之后由于兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)需要競爭鏈路資源來發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)發(fā)送速率增加，在CSMA/CA的調(diào)節(jié)下，在沒有數(shù)據(jù)沖突的前提下，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量逐漸增多，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量逐漸增加，由于當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送速率超過鏈路帶寬，這時(shí)就會出現(xiàn)丟包圖12表示CSMA/CA協(xié)議仿真過程中的延時(shí)抖動(dòng)變化情況，在前5s內(nèi)只有節(jié)點(diǎn)0向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)，不存在競爭使用鏈路資源和數(shù)據(jù)沖突，所以0到5s內(nèi)的延時(shí)抖動(dòng)和傳輸時(shí)延都比較小，且基本趨于穩(wěn)定；在第5s時(shí)由于節(jié)點(diǎn)1也開始向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)，由于節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)1往同一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)CSMA/CA機(jī)制開始控制節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻，避免數(shù)據(jù)沖突的發(fā)生，所以在5s之后節(jié)點(diǎn)0向節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)2發(fā)包的延時(shí)抖