NS2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議虛擬仿真實驗平臺研究

周德榮，夏 齡，舒 濤, 田關(guān)偉

(四川民族學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)信息中心，四川 康定 626001)

計算機網(wǎng)絡(luò)課程作為高校計算機類專業(yè)和電氣信息類專業(yè)的核心課程之一，涉及大量的概念、原理以及各種協(xié)議和算法，這些內(nèi)容大多抽象、晦澀，單純通過理論教學(xué)難以讓學(xué)生理解和掌握。實踐教學(xué)是使學(xué)生學(xué)好計算機網(wǎng)絡(luò)基本原理和技術(shù)的有效方法[1-2]。

目前，網(wǎng)絡(luò)實驗室主要有2類：一類是由傳統(tǒng)的計算機機房改建而成，實驗設(shè)備主要由終端計算機和軟件構(gòu)成，側(cè)重網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)訓(xùn)練，主要開設(shè)Web、DNS、FTP,DHCP等常規(guī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及應(yīng)用的實驗；另一類是專門的網(wǎng)絡(luò)實驗室[3]，實驗設(shè)備有交換機、路由器、服務(wù)器、終端機等，主要完成交換機配置、路由器配置、NAT轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等實驗，偏重組網(wǎng)技術(shù)實驗。2類實驗室均存在以下不足：

(1) 投入經(jīng)費大、維護困難；

(2) 對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及算法的學(xué)習(xí)輔助力度不夠；

(3) 實驗室設(shè)施、設(shè)備不能及時更新，不能適應(yīng)最新網(wǎng)絡(luò)知識的學(xué)習(xí)和實踐能力培養(yǎng)的要求；

(4) 實驗室位置固定，不利于學(xué)生課后做實驗。

針對以上問題，本文提出采用虛擬機軟件和NS2仿真軟件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真實驗平臺，并將其運用于計算機網(wǎng)絡(luò)的實踐教學(xué)。

1 仿真實驗平臺相關(guān)技術(shù)

1.1 虛擬機軟件及虛擬機

利用虛擬機軟件，可以在一臺物理計算機上虛擬出若干臺獨立的邏輯計算機(即虛擬機)[4]。虛擬機是一種嚴密隔離的軟件容器，它可以運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，完全類似物理計算機。VMware虛擬機具有以下特點:

(1) 兼容性好：虛擬機與所有標(biāo)準的X86操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動程序完全兼容，支持多種操作系統(tǒng)，如Windows、Linux、FreeBSD、NetWare等；

(2) 隔離性好：虛擬機共享一臺物理計算機資源，但彼此完全隔離，如果一臺虛擬機崩潰，其他虛擬機完全不受影響，在安全性方面有一定優(yōu)勢；

(3) 可移動性好：虛擬機實質(zhì)上是一個軟件容器，它將虛擬硬件資源、操作系統(tǒng)及所有應(yīng)用程序封裝在一個軟件包內(nèi)，由物理硬盤上的配置文件(*.vmx)、磁盤文件(*.vmdk)、CMOS配置信息(*.nvram)、日志文件(*.log)和*.vmx.lck(啟動時生成)等5個文件組成，具備很強的可移動性和易管理性；

(4) 系統(tǒng)安裝簡便、克隆快捷：VMware虛擬機虛擬出來的硬件具有固定型號,與物理計算機無關(guān),安裝速度快,且不易產(chǎn)生設(shè)備兼容問題；通過已建立的虛擬機可快速產(chǎn)生新的虛擬機。

1.2 NS2基本原理

NS2是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)模擬器[6]。NS2免費使用、開放源碼、支持眾多協(xié)議，并且提供豐富的測試腳本，具有良好的擴展性和廣泛網(wǎng)絡(luò)用戶支持等特點，已成為最流行的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。NS2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。事件調(diào)度器計算仿真時間，激活事件隊列中的當(dāng)前事件，執(zhí)行一些相關(guān)的事件；網(wǎng)絡(luò)組件通過傳遞分組來相互通信，所有需要花費仿真時間來處理分組的網(wǎng)絡(luò)組件都要使用事件調(diào)度器。

NS2中常用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件有節(jié)點、鏈路、代理、應(yīng)用、隊列、跟蹤對象等。節(jié)點主要用于模擬實際網(wǎng)絡(luò)上的主機、交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，節(jié)點可配置節(jié)點類型、節(jié)點地址類型、路由算法等屬性；鏈路是將節(jié)點連接起來的一條通路，通過鏈路中的隊列和延時實現(xiàn)實際網(wǎng)絡(luò)中的包緩沖和傳輸延時；代理可以用來模擬傳輸層的TCP、UDP協(xié)議，也可用來模擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量，如CBR、VBR等；應(yīng)用對象用來模擬各種應(yīng)用層對象，如FTP、HTTP等；跟蹤對象用于記錄并存儲NS2中的模擬結(jié)果，可配置需要跟蹤的一些參數(shù)，將其寫入跟蹤日志文件。

NS2由OTCL和C++兩種編程語言實現(xiàn)[7]，所有的構(gòu)件已編寫成相應(yīng)的C++類和OTCL對象。C++類對象是算法和協(xié)議的具體實現(xiàn)；OTCL對象是用戶接口對象，用于編寫模擬腳本，主要是建立OTCL對象、設(shè)置屬性，通過事件調(diào)度器調(diào)度網(wǎng)絡(luò)模擬事件的發(fā)生。針對實際要求，采用構(gòu)件對象配置研究項目的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型進行仿真模擬。

采用NS2進行網(wǎng)絡(luò)模擬的基本過程如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)仿真實驗涉及2個層次:基于OTCL編程的層次、C++和OTCL編程的層次。前者利用NS2現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)組件編寫OTCL腳本實現(xiàn)仿真,不需要擴展網(wǎng)絡(luò)組件；后者是對第一個層次的擴展,向NS2中添加所需的新的C++和OTCL類,編寫新的OTCL腳本來實現(xiàn)仿真模擬操作。

圖1 NS2模擬仿真的基本過程

2 NS2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真實驗平臺構(gòu)建

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真實驗平臺是通過一系列的軟件實現(xiàn)的(見圖2)。平臺基于X86硬件平臺構(gòu)建，采用主流的Windows操作系統(tǒng)，虛擬機軟件采用VMware Workstation 9.0，仿真軟件采用NS2-allinone-2.34。由于NS2必須運行于UNIX/Linux平臺，因而虛擬機中網(wǎng)絡(luò)仿真平臺操作系統(tǒng)采用Ubuntu10.04。

圖2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真平臺的層次結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真實驗平臺構(gòu)建過程如下：

(1) 在Windows平臺上安裝虛擬機軟件VMware Workstation 9.0，進行簡單配置，確保虛擬機和物理機間能正常通信；

(2) 在VMware Workstation 9.0中建立虛擬機，安裝Ubuntu10.04操作系統(tǒng)，配置網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)環(huán)境中安裝gcc,make 和Nam相關(guān)庫文件，如libxmu-dev；

(3) 進入Ubuntu10.04操作系統(tǒng)，下載仿真軟件NS2-allinone-2.34.tar.gz，解壓執(zhí)行NS2-allinone-2.34/ns-2.34/./install進行安裝，配置系統(tǒng)環(huán)境變量；

(4) 測試安裝成功與否，若成功，則對虛擬機進行備份，方便實驗環(huán)境遷移，或在進行實驗前對虛擬機建立快照，防止進行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真時破壞實驗環(huán)境。

3 無線網(wǎng)絡(luò)暴露節(jié)點問題測試實驗

3.1 暴露節(jié)點問題概述

暴露節(jié)點問題是指當(dāng)一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)給另一個節(jié)點時，因偵聽到鄰近節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)而推遲自身發(fā)送數(shù)據(jù)，因而產(chǎn)生不必要的延時，影響節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送[8]。如圖3所示，有4個節(jié)點S0、S1、R0、R1,其中R0、R1都不在對方的傳送范圍內(nèi)，而S0、S1均在彼此的傳送范圍內(nèi)。當(dāng)S0正傳送數(shù)據(jù)給R0時，S1卻不能將數(shù)據(jù)傳送給R1,因為S1會檢測到S0正在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果其他也發(fā)送數(shù)據(jù)的話，就會影響S0的數(shù)據(jù)發(fā)送。但事實上，S1是可以正確無誤地將數(shù)據(jù)發(fā)給R1的，因為R1并不在S0的傳送范圍內(nèi)。

圖3 暴露節(jié)點問題示意圖

為了解決暴露節(jié)點問題，802.11 DCF協(xié)議采用RTS/CTS機制[9]。當(dāng)一個節(jié)點偵聽到鄰近節(jié)點發(fā)出的RTS,但沒有偵聽到相對應(yīng)CTS時，判定自身是一個暴露節(jié)點，所以允許傳送數(shù)據(jù)到其他鄰近節(jié)點。這個節(jié)點可以成功送出RTS，但相應(yīng)的CTS不一定能被成功收到。當(dāng)S1收到S0發(fā)出的RTS，但未能收到對應(yīng)CTS時，S1可推測自己是暴露節(jié)點，則可同時發(fā)送數(shù)據(jù)。此時，雖然S1發(fā)出的數(shù)據(jù)不會沖突，但其他節(jié)點發(fā)給S1的數(shù)據(jù)(CTS/ACK)卻可能與S0發(fā)出的數(shù)據(jù)沖突，影響傳輸質(zhì)量。

3.2 構(gòu)建仿真模型

本實驗的任務(wù)是觀察RTS/CTS機制對暴露節(jié)點問題的影響。無線網(wǎng)絡(luò)暴露節(jié)點問題與傳輸距離有關(guān)，NS2提供TwoRayGround、FreeSpace和Shadowing 3種無線傳輸模型預(yù)測接收端所收到的信號強度，以此判斷傳輸數(shù)據(jù)能否成功被接收。本實驗采用TwoRayGround模型，它主要考慮發(fā)送端到接收端直線距離的路徑損耗和地面反射因素，模型[10]為：

其中：P為接收端的接收信號強度，Pt為傳送功率，Gt為傳送端天線增益，Gr為接收端天線增益，ht為傳送天線高度，hr為接收天線高度，d為傳送端到接收端的直線距離。

仿真拓撲如圖3所示。建立500 m×500 m的正方形區(qū)域仿真環(huán)境，S0、S1、R0、R1各節(jié)點之間的距離為100 m，節(jié)點之間的偵聽范圍為150 m，分組有效傳送距離為120 m，節(jié)點S0和R0之間建立一條udp連接，節(jié)點S0在1.5～15.0 s之間采用1 Mbit/s的速率向R0發(fā)送分組大小為1 000 Byte的CBR流，節(jié)點S1在10.0～30 s之間采用1 Mbit/s的速率向R1發(fā)送分組大小為1 000 Byte的CBR流。采用TwoRayGround模型，分組傳送距離為120 m，使用NS2提供的threshold工具[11]，計算得到傳送功率為0.281838，發(fā)送頻率為9.14e+8，發(fā)送端天線高度為1.5，接收端天線高度為1.5，發(fā)送端天線增益為1，接收端增益為1，要設(shè)定RxThresh_為6.88081e-9。

3.3 仿真結(jié)果分析

默認情況下，NS2所有的無線傳輸都使用了RTS/CTS機制[12]，通過在模擬腳本文件中設(shè)置RTSThreshold_的值來決定是否使用RTS/CTS機制。當(dāng)設(shè)置Mac/802_11 set RTSThreshold_為3 000時,不使用RTS/CTS機制；當(dāng)Mac/802_11 set RTSThreshold_為0時，使用RTS/CTS機制。通過修改此值，分別執(zhí)行模擬并保存發(fā)送記錄和接收記錄文件，從各結(jié)點的發(fā)送記錄文件和接收記錄文件得知，當(dāng)未使用RTS/CTS時，結(jié)點S0送出1 688個封包，結(jié)點S1送出1 626個封包，但結(jié)點R0只收到891個從S0送出的封包，結(jié)點R1只收到819個從S1送出的封包。當(dāng)使用RTS/CTS時，結(jié)點S0送出1 688個封包，結(jié)點S1送出1 626個封包，但結(jié)點R0收到756個從S0送出的封包，結(jié)點R1收到758個從S1送出的封包。

同時，針對仿真結(jié)果trace文件，編寫awk數(shù)據(jù)分析腳本，測得2種情況下S0→R0和S1→R1之間的吞吐量如圖4、圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在1.5～10 s時,由于只有S0向R0發(fā)送CBR流，所以S0→R0之間的流量比較穩(wěn)定。10 s之后,由于S1向R1發(fā)送CBR流,發(fā)生暴露節(jié)點問題，網(wǎng)絡(luò)流量下降，而17 s之后,S0停止發(fā)送CBR流，暴露節(jié)點問題消失，S1→R1之間的吞吐量逐漸穩(wěn)定?？梢钥闯?圖5與圖4比較沒有明顯改善，這說明使用RTS/CTS并不能有效地解決暴露節(jié)點問題。

圖4 未采用RTS/CTS機制的暴露節(jié)點現(xiàn)象

圖5 采用RTS/CTS機制的暴露節(jié)點現(xiàn)象

4 結(jié)束語

利用NS2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議虛擬仿真平臺，能完成網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)過程中的算法模擬，或通過對C++代碼的修改，自由實現(xiàn)協(xié)議或者算法仿真，通過觀察實驗結(jié)果能直接驗證方案的可行性和優(yōu)劣。本文構(gòu)建的基于虛擬機技術(shù)的NS2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真平臺，簡化了實驗環(huán)境的建立過程，平臺具有可移動性、易用性和較強的實用性，對計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)及協(xié)議研究有一定促進作用。

[1] 林元乖.創(chuàng)新型計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(12):173-176.

[2] 晏弼成,何曼娜,蔡文輝.網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)模式改革的研究與實踐[J].實驗室研究與探索,2007,26(9):93-95.

[3] 歐陽星明，姚小龍，謝欣榮.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程,2004(2):185-186.

[4] 沈敏虎,查德平,劉百祥,等.虛擬機網(wǎng)絡(luò)部署與管理研究[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(5):311-313.

[5] 方路平,劉世華,陳盼.NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[6] 徐雷鳴,龐博,趙耀.NS與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[7] 劉乃安.無線局域網(wǎng)原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].西安:西安電了科技大學(xué)出版社,2004.

[8] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[9] 柯志亨,程榮祥,鄧德雋.NS2仿真實驗：多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[10] 蔡群英,黃鎮(zhèn)建.基于NS2的無線網(wǎng)絡(luò)隱藏節(jié)點問題仿真實驗[J].實驗室研究與探索,2009,28(11):74-76.

[11] 李波,杜德慧,李飛.無線網(wǎng)絡(luò)站點隱藏問題在NS2下的模擬和分析[J].微計算機信息,2006,7(3):122-125.