網(wǎng)絡(luò)性能的仿真

1、實驗一：網(wǎng)絡(luò)性能的仿真一、 實驗要求1) 對64個計算機結(jié)點，每個計算機采用若干100Mbps集線器（HUB）的方式連接到一臺服務(wù)器上。采用NS2仿真軟件，對于以上的具體環(huán)節(jié)進行網(wǎng)絡(luò)性能的仿真，給出網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，丟包率，總時延，抖動率等參數(shù)的仿真曲線，并對結(jié)果進行分析。2) 將以上環(huán)境中的集線器（HUB）換成交換機（switch）,給出網(wǎng)絡(luò)的信道利用率，吞吐量，傳輸時延，排隊延遲等參數(shù)的仿真曲線，并對結(jié)果進行分析。二、 實驗?zāi)康?通過本次實驗的完成，首先能夠?qū)W會在Ubuntu環(huán)境下安裝搭建NS2運行的環(huán)境。其次對于tcl語言有了更加全面的了解。通過對具體環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行仿真，可以加深對網(wǎng)絡(luò)的

2、信道利用率，吞吐量，傳輸時延，排隊延遲等參數(shù)的計算及了解。最后通過仿真環(huán)境中集線器（HUB）和交換機（Switch）之間的仿真的區(qū)別，加深對HUB和交換機之間差別的理解。三、 實驗原理 1、NS2（Network Simulator version 2），NS（Network Simulator）是一種針對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的源代碼公開的，免費的軟件模擬平臺。計算機網(wǎng)絡(luò)是一個相當復雜的系統(tǒng)，包含了各種通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而網(wǎng)絡(luò)仿真是網(wǎng)路通信技術(shù)研究的重要手段之一，網(wǎng)絡(luò)仿真是指采用計算機軟件對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓撲，網(wǎng)絡(luò)性能進行模擬分析的一種研究手段。NS2是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器，本質(zhì)是一個離散事件模擬器

3、，它可以仿真各種不同的IP網(wǎng)，實現(xiàn)一些網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，比如TCP和UDP，還包括業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器，比如FTP,CBR等。NS2使用C+和Otcl作為開發(fā)語言。NS可以說是Otcl的腳本解釋器，它包含仿真事件調(diào)度器、網(wǎng)絡(luò)組件對象庫以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型庫等。NS是用Otcl和C+編寫的。由于效率的原因，NS將數(shù)據(jù)通道和控制通道的實現(xiàn)相分離。為了減少分組和事件的處理時間，事件調(diào)度器和數(shù)據(jù)通道上的基本網(wǎng)絡(luò)組件對象都使用C+寫出并編譯的，這些對象通過映射對Otcl解釋器可見。當仿真完成以后，NS將會產(chǎn)生一個或多個基于文本的跟蹤文件。只要在Tcl腳本中加入一些簡單的語句，這些文件中就會包含詳細的跟蹤信息。這些數(shù)

4、據(jù)可以用于下一步的分析處理，也可以使用NAM將整個仿真過程展示出來。NS2 軟件仿真出的nam圖界面如圖1所示：圖1 nam界面NS2仿真軟件生成的trace文件如圖2所示： 圖2 NS2仿真生成的trace文件每一行記錄的格式如表1所示：eventtimeFrom nodeTo nodePkt typepkt sizeflagsfidSrc addrDst addrpktid表1 trace文件每一行的格式解釋如下：event：時間描述符，一共有4個，分別為人r,+,-,d 其中r(received)表示數(shù)據(jù)包被to_node 接收，+（enqueued）表示數(shù)據(jù)包進入from_node的隊

5、列，-（dequeued）表示數(shù)據(jù)包離開（from_node）的隊列，d(dropped)表示數(shù)據(jù)包被from_node丟棄。time：時間發(fā)生的時間。From_node/to_noed：事件發(fā)生的起始結(jié)點。Pkt_type：數(shù)據(jù)報的類型。Pkt_size：數(shù)據(jù)包的大小。Flags：數(shù)據(jù)包的標志字段。Fid：流標識，標明該數(shù)據(jù)包屬于哪一個數(shù)據(jù)流。Src_addr/dst_addr：數(shù)據(jù)包的源地址和目的地址。Seq_num：數(shù)據(jù)包的序列號。Pkt_id：數(shù)據(jù)包的唯一標識。 2、集線器（HUB）是計算機網(wǎng)絡(luò)中連接多個計算機或其他設(shè)備的連接設(shè)備,是對網(wǎng)絡(luò)進行集中管理的最小單元。英文HUB就是中心的意

6、思,像樹的主干一樣,它是各分支的匯集點。許多種類型的網(wǎng)絡(luò)都依靠集線器來連接各種設(shè)備并把數(shù)據(jù)分發(fā)到各個網(wǎng)段。HUB基本上是一個共享設(shè)備,其實質(zhì)是一個中繼器,主要提供信號放大和中轉(zhuǎn)的功能,它把一個端口接收的全部信號向所有端口分發(fā)出去。集線器有多種類型,各個種類具有特定的功能、提供不同等級的服務(wù)。依據(jù)總線帶寬的不同，HUB分為10M、100M和10M/100M自適應(yīng)三種；根據(jù)端口數(shù)目的不同主要有8口、16口和24口幾種。交換機（Switch），它是集線器的升級換代產(chǎn)品，從外觀上來看的話，它與集線器基本上沒有多大區(qū)別，都是帶有多個端口的長方形盒狀體。交換機是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設(shè)備自動

7、完成的方法把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)統(tǒng)稱。廣義的交換機就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備。交換機除了能夠連接同種類型的網(wǎng)絡(luò)之外，還可以在不同類型的網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)）之間起到互連作用。如今許多交換機都能夠提供支持快速以太網(wǎng)或FDDI等的高速連接端口，用于連接網(wǎng)絡(luò)中的其它交換機或者為帶寬占用量大的關(guān)鍵服務(wù)器提供附加帶寬。它是一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，擁有路由器的一部分功能，它可以決定接收到的數(shù)據(jù)向什么地方發(fā)送，它的速度比路由器要快。交換機和集線器的主要區(qū)別在于以下幾方面：1) 集線器屬于OSI的第一層物理層設(shè)備，而交換機屬于OSI的第二層數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備。也就意味著集線器只是

8、對數(shù)據(jù)的傳輸起到同步、放大和整形的作用，對數(shù)據(jù)傳輸中的短幀、碎片等無法進行有效的處理，不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性；而交換機不但可以對數(shù)據(jù)的傳輸做到同步、放大和整形，而且可以過濾短幀、碎片等。2) 集線器的工作機理是廣播（broadcast），無論是從哪一個端口接收到什么類型的信包，都以廣播的形式將信包發(fā)送給其余的所有端口，由連接在這些端口上的網(wǎng)卡（NIC）判斷處理這些信息，符合的留下處理，否則丟棄掉，這樣很容易產(chǎn)生廣播風暴，當網(wǎng)絡(luò)較大時網(wǎng)絡(luò)性能會受到很大的影響。從它的工作狀態(tài)看，HUB的執(zhí)行效率比較低（將信包發(fā)送到了所有端口），安全性差（所有的網(wǎng)卡都能接收到，只是非目的地網(wǎng)卡丟棄了信包）

9、。而且一次只能處理一個信包，在多個端口同時出現(xiàn)信包的時候就出現(xiàn)碰撞，信包按照串行進行處理，不適合用于較大的網(wǎng)絡(luò)主干中。交換機的工作就完全不同，它通過分析Ethernet包的包頭信息（其中包含了原MAC地址、目標MAC地址、信息長度等），取得目標MAC地址后，查找交換機中存儲的地址對照表（MAC地址對應(yīng)的端口），確認具有此MAC地址的網(wǎng)卡連接在哪個端口上，然后僅將信包送到對應(yīng)端口，有效的有效的抑制廣播風暴的產(chǎn)生。3) 集線器不管有多少個端口，所有端口都是共享一條帶寬，在同一時刻只能有二個端口傳送數(shù)據(jù)，其他端口只能等待，同時集線器只能工作在半雙工模式下；而對于交換機而言，每個端口都有一條獨占的帶寬

10、，這樣在速率上對于每個端口來說有了根本的保障。當二個端口工作時并不影響其他端口的工作，同時交換機不但可以工作在半雙工模式下而且可以工作在全雙工模式下。4) 集線器只能采用半雙工方式進行傳輸?shù)?，因為集線器是共享傳輸介質(zhì)的，這樣在上行通道上集線器一次只能傳輸一個任務(wù)，要么是接收數(shù)據(jù)，要么是發(fā)送數(shù)據(jù)。而交換機則不一樣，它是采用全雙工方式來傳輸數(shù)據(jù)的，因此在同一時刻可以同時進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，這不但令數(shù)據(jù)的傳輸速度大大加快，而且在整個系統(tǒng)的吞吐量方面交換機比集線器至少要快一倍以上，因為它可以接收和發(fā)送同時進行，實際上還遠不止一倍，因為端口帶寬一般來說交換機比集線器也要寬許多倍。3、網(wǎng)絡(luò)性能分析包括對

11、信道利用率，吞吐量，傳輸時延，排隊延遲等參數(shù)的分析。信道利用率公式： 參數(shù)a是總線的單程傳播時延與幀的發(fā)送時延之比。A 為某個站發(fā)送成功的概率。網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指在某個時刻，在網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點之間，提供給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的剩余帶寬。即在沒有幀丟失的情況下，設(shè)備能夠接受的最大速率。網(wǎng)絡(luò)吞吐量可以幫組尋找網(wǎng)絡(luò)路徑中的瓶頸。本次實驗中所指的吞吐量為平均吞吐量，定義為單位時間內(nèi)目的節(jié)點接收到的比特數(shù)。端到端時延（end-to-end delay）是指IP數(shù)據(jù)包從源結(jié)點發(fā)送到目的結(jié)點所需的時間。計算公式為接收數(shù)據(jù)包的時間-源端發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間。平均時延的計算公式為唄接收數(shù)據(jù)包的時延之和/被接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)。丟包率的

12、計算公式為丟失的數(shù)據(jù)包個數(shù)、總共發(fā)出的數(shù)據(jù)包個數(shù)。抖動率就是延遲時間變化量，由于網(wǎng)絡(luò)的流量隨時都在變化，當流量大的時候，許多封包就必須在結(jié)點的隊列中等待被傳送，因此每個封包從傳送端到目的地端的時間也不一定會相同，而這個不同的差異就是所謂的抖動率。抖動率越大，則表示網(wǎng)絡(luò)越不穩(wěn)定。四、 仿真過程本次實驗中，隊列管理機制采用雙向連接，分別在交換機和集線器兩種不同的組網(wǎng)條件下，進行仿真實驗。首先是1對結(jié)點分別以2、4、8Mbp的速率雙向收發(fā)UDP數(shù)據(jù)。實驗中共產(chǎn)生三種不同速率的cbr數(shù)據(jù)流,分別為cbr1,cbr2,cnr3，速率分別為2、4、8Mbp。實現(xiàn)雙向收發(fā)，則需建立兩條UDP通信協(xié)議，用起始

13、和結(jié)束時間來控制數(shù)據(jù)流，此時只控制一對計算機結(jié)點進行通信。具體代碼實現(xiàn)如下： #在第10秒改變時的數(shù)據(jù)流cbr1 set cbr1($i) new Application/Traffic/CBR $cbr1($i) attach-agent $udp($i) $cbr1($i) set type_ CBR $cbr1($i) set packet_size_ 1000 $cbr1($i) set rate_ 2mb $cbr1($i) set random_ false #在第20秒改變時的數(shù)據(jù)流cbr2 set cbr2($i) new Application/Traffic/CBR $cb

14、r2($i) attach-agent $udp($i) $cbr2($i) set type_ CBR $cbr2($i) set packet_size_ 1000 $cbr2($i) set rate_ 4mb $cbr2($i) set random_ false #在第30秒改變時的數(shù)據(jù)流cbr3 set cbr3($i) new Application/Traffic/CBR $cbr3($i) attach-agent $udp($i) $cbr3($i) set type_ CBR $cbr3($i) set packet_size_ 4000 $cbr3($i) set ra

15、te_ 8mb $cbr3($i) set random_ false for set i 0 $i 1 incr i $ns at 0.0 $cbr1($i) start $ns at 0.0 $cbr1(expr $i+34) start $ns at 1.0 $cbr1($i) stop $ns at 1.0 $cbr1(expr $i+34) stop for set i 0 $i 1 incr i $ns at 1.1 $cbr2($i) start $ns at 1.1 $cbr2(expr $i+34) start $ns at 2.1 $cbr2($i) stop $ns at

16、 2.1 $cbr2(expr $i+34) stop for set i 0 $i 1 incr i $ns at 2.2 $cbr3($i) start $ns at 2.2 $cbr3(expr $i+34) start $ns at 3.2 $cbr3($i) stop $ns at 3.2 $cbr3(expr $i+34) stop 同理2對結(jié)點，4對結(jié)點一直到32對結(jié)點之間分別以2、4、8Mbp速率雙向收發(fā)UDP數(shù)據(jù)，相同的思路只需要在一對結(jié)點通信的基礎(chǔ)上修改通信的結(jié)點的數(shù)量即可。吞吐量是用awk語言來實現(xiàn)。awk 從數(shù)據(jù)文件上讀取基本單元。執(zhí)行awk時會反復進行以下四個步驟：（

17、1） 自動從指定的數(shù)據(jù)文件中讀取一筆數(shù)據(jù)。（2） 自動更新（Update）相關(guān)的內(nèi)建變量的值。（3） 逐次執(zhí)行程序中所有的”PatternActions”指令。（4） 當執(zhí)行完程序中所有的”PatternActions”時，若數(shù)據(jù)文件中還有未讀取的數(shù)據(jù)，則反復執(zhí)行步驟（1）和步驟（4）。（5） 做完數(shù)值分析后，把數(shù)值的結(jié)果畫成圖形呈現(xiàn)出來，本次實驗采用的繪圖工具是gnuplot。五、實驗仿真結(jié)果及分析一對結(jié)點雙向分別以2、4、8Mbp速率雙向收發(fā)UDP仿真結(jié)果如圖3 nam圖所示： 其中結(jié)點32、33 是一對交換機。圖3 一對節(jié)點2M速率雙向收發(fā)UDP圖4 一對節(jié)點4M速率雙向收發(fā)UDP圖5

18、一對節(jié)點8M速率雙向收發(fā)UDP圖6 一對結(jié)點仿真trace文件采用awk分析出的吞吐量，丟包率，時延以及抖動率的圖形如下：圖7 一對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)吞吐量測量圖8 一對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)丟包率測量圖9 一對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)抖動率測量圖10 一對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)端到端時延測量當通信的結(jié)點個數(shù)為一對結(jié)點時，從吞吐量的圖形來看，可以得出數(shù)據(jù)流傳輸速率對一吞吐量的影響較大，當數(shù)據(jù)流的傳輸速率變大時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量自然地也會加大，但是總得吞吐量低于4000。時延也會隨著數(shù)據(jù)流傳輸速率的增加為稍有增加。傳輸速率為8Mbp時很明顯出現(xiàn)抖動。而數(shù)據(jù)流傳輸速率的不同對

19、丟包率性能的影響都差不多。當結(jié)點變?yōu)?對時，所得的結(jié)果圖如下：圖11 兩對結(jié)點TCP雙向通信2Mbp CBR業(yè)務(wù)圖12 兩對結(jié)點TCP雙向通信4Mbp CBR業(yè)務(wù)圖13 兩對結(jié)點TCP雙向通信1Mbp CBR業(yè)務(wù)圖14 兩對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)吞吐量測量圖15 兩對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)丟包率測量圖16 兩對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)總延時測量圖17 兩對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)抖動性能測量圖18兩對結(jié)點仿真trace文件從以上一系列圖形可以看出當結(jié)點變成2對時，數(shù)據(jù)流的傳輸速率對于網(wǎng)絡(luò)性能的吞吐量影響較大，數(shù)據(jù)流的傳輸速率越塊，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也會隨之加快，最大接近于8000。時延也會隨結(jié)點數(shù)的增加而稍微增加。抖動也相較于一對結(jié)點時更加明顯。丟包率依舊變化不明顯。4對結(jié)點時，仿真結(jié)果如下所示：四對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)延時測量圖18 四對結(jié)點TCP雙向通信CBR業(yè)務(wù)抖動率測量圖19 四