基于NS2仿真的IP網絡性能分析與研究

摘要：采用網絡模擬仿真方法，選用NS2仿真軟件模擬IP網絡運行。編程實現四種典型的網絡拓撲結構：總線型、星型、環型、網型，選取網絡傳輸中的數據包延時、延時抖動、丟包率以及吞吐量等關鍵性能指標為實驗采集對象。通過大量的仿真實驗數據分析不同拓撲類型對IP網絡性能產生的不同影響。
關鍵詞：NS2仿真；性能分析；拓撲；性能指標

隨著網絡的不斷發展，網絡的研究也越來越受到人們的關注，一方面需要不斷研究新的網絡協議和各種算法，滿足現有網絡存在的不足，提升性能，為網絡發展做出前瞻性的研究；另一方面也要考慮如何整合、利用現有的網絡資源，完善網絡結構，使現有網絡達到最高效能。IP網絡性能的分析是實現以上兩個方面的重要手段。
一般而言，在進行網絡性能分析的研究時一般有以下3種手段：分析方法、實驗方法和仿真方法。采用網絡仿真，網絡仿真就是用計算機程序對網絡進行模型化，通過程序的運行模擬仿真網絡的運行過程。網絡仿真利用數學建模和統計分析的方法模擬網絡行為，通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型，模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計及優化所需要的網絡性能數據。
筆者主要研究不同網絡拓撲對IP網絡性能的影響，選用網絡模擬軟件NS2進行仿真分析。通過對四種典型網絡拓撲的延時、抖動、丟包率和吞吐量等關鍵性能指標的提取，進而進行相應的研究和探討。

1 網絡仿真軟件NS2
NS2即Network Simulator Version 2，是由美國加州Lawrence Berkeley國家實驗室等單位開發的開源免費網絡仿真軟件。NS2是一個面向對象、可擴展的離散事件驅動的網絡仿真器，其核心部分是一個離散事件模擬引擎。NS2仿真器具有強大的數據處理功能，可擴展性強，執行效率高，且仿真結果的可靠性高。NS2支持TCP、UDP等網絡協議，可以模擬網絡數據傳輸如FTP、CBR等以及路由隊列的管理機制如DropTa il，RED和CBQ等。同時，NS2可以進行無線通信網絡和衛星網絡的仿真，以及多播和MAC層上協議的仿真。
NS2具有一個模擬時鐘，同時又有一個“調度器”類，負責記錄當前的時間，調度事件隊列中的事件，提供所需函數產生新的事件，并指定事件發生的時間。
NS2采用分裂對象模型開發機制，采用兩級體系結構，NS2將數據通道與控制通道的實現相分離，事件調度器和大部分基本的網絡組件對象后臺使用C++實現和編譯，稱為編譯層，主要功能是實現對數據包的處理；NS2的前端可以說是Otcl的腳本解釋器，稱為解釋層，主要功能是對模擬環境的配置、建立。在NS2中，通過TclCL把C++和Otcl兩種語言中的對象和變量聯系起來，一個Otcl對象映射到一個C++對象上，呈現一一對應的形式。
NS2對于網絡的仿真也分為兩個層次：一個是基于OTcl編程的層次，也就是只需編寫OTcl腳本來進行仿真，無需改動C++定義的各種已有的網絡元素。另一個是基于C++和OTcl編程的層次，即如果在NS2中找不到仿真所需的網絡元素，則要對NS2進行擴展，包括使用C++添加新的類以滿足所需的網絡元素以及修改Otcl腳本，然后進行仿真。在仿真過程中同時開啟Trace跟蹤文件，記錄仿真過程中各種網絡元素的變化或出現的現象，以便仿真結束后利用各種分析工具提取追蹤文件中各種相關的參數數據并對其進行分析。

2 IP網絡及其性能指標
2．1 IP網絡簡介
IP是英文Internet Protocol的縮寫，即網絡之間互連的協議，中文簡稱為“網協”，也就是為計算機網絡相互連接實現通信及數據傳輸而設計的協議。IP網絡就是指傳輸通信采用TCPIP協議族的通信網絡。在因特網中，TCP／IP協議族是使網上的所有計算機網絡實現相互通信的一套規則，規定了計算機在因特網上進行通信時應當遵守的規則。
2．2 IP網絡性能參數的定義及選取
隨著網絡的發展和網絡技術的不斷進步，人們對網絡的要求越來越高。對于網絡性能的分析，成為研究人員對網絡進行評價的重要研究內容，也是改善網絡性能的前提。一般按照屬性分類，性能指標可以分為連通性、吞吐量、帶寬、信道利用率、信道容量、帶寬利用率、包損失率、傳輸延時、延時抖動等。本文仿真實驗中主要對以下幾個性能參數進行測量來評估IP網絡性能：端點到端點的延時、延時變化、吞吐量、丟包率。
2．3 影響IP網絡性能的因素
現代網絡中，影響網絡性能的因素很多，包括網絡設備影響、人為因素影響等，本文主要研究網絡傳輸中的影響因素，重點分析總線型、星型、環型和網型這四種網絡拓撲類型對網絡傳輸性能的影響。

3 仿真實驗的結果分析
3．1 實驗概述
本次實驗主要對上文所述的四種網絡拓撲進行仿真分析。每種拓撲模型包含8個節點，總線型、星型、網型采用帶寬2 M，鏈路延時為10 ms，隊列管理機制為Droptail的雙向連接，環型采用帶寬2 M，鏈路延時為10 ms，隊列管理機制為Droptail的單向連接。
在對網絡性能分析之前，使用NAM工具演示4種不同網絡拓撲結構的仿真過程，在該仿真實驗中，同時發送一個cbr數據流和兩個ftp數據流，性能參數的分析以cbr數據流作為研究對象。cbr本身是固定數據包大小的數據源，為了體現網絡數據量的變化，在本次仿真實驗中，對cbr數據源進行了設置，使其在一定時間內可以發生變化，初始速率為1mb／s，包大小為1 000 B。在2．0 s、3．0 s、4．0 s和5．0 s這4個時刻分別將cbr數據源改變為2 mb／s，包大小1 000 B、0．5 mb／s，包大小1 000 B、0．5 mb／s，包大小4 000 B、0．5 mb／s包大小2 000 B。