在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中基于NS2 仿真Ethernet 的應(yīng)用研究

弋改珍

引 言

Ethernet已經(jīng)成為局域網(wǎng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，它在局域網(wǎng)市場上的占有率超過90%。隨著計(jì)算機(jī)價(jià)格的下降，組建并運(yùn)行局域網(wǎng)不是一件非常難的事情。然而，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，如何去體會(huì)和理解局域網(wǎng)中協(xié)議的運(yùn)行機(jī)理不是一件容易的事情。

網(wǎng)絡(luò)仿真是一種使用軟件模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，跟蹤記錄網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中的各種參數(shù)，對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)估結(jié)果的方法。網(wǎng)絡(luò)仿真工具多種多樣，其中應(yīng)用較為廣泛的是NS2[1]（SimulationNetworkversion2）。

NS2 仿真原理

1.NS2 的特點(diǎn)：（1）采用面型對(duì)象、離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真方法，便于對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建模，仿真效率高，系統(tǒng)易于擴(kuò)展。（2）采用兩種語言即C++和Otcl，兼顧仿真效率和系統(tǒng)建模的靈活性?？梢允褂肙tcl進(jìn)行仿真場景配置，采用C++編寫網(wǎng)絡(luò)組件擴(kuò)充系統(tǒng)的仿真能力。（3）支持802.3Mac協(xié)議；可生成指定的業(yè)務(wù)流；支持鏈路失敗、出錯(cuò)處理。（4）仿真結(jié)果使用NAM進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

2.Ethernet 仿真原理

LAN連接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中低三層的功能：邏輯鏈路層（LL）、介質(zhì)訪問控制層（MAC）、物理層。

物理層有兩個(gè)仿真對(duì)象：Channel和Classifier/Mac。Channel仿真共享介質(zhì)，并在發(fā)送過程中支持MAC對(duì)象的介質(zhì)訪問機(jī)制；接收時(shí)，Classifier/Mac負(fù)責(zé)將復(fù)制包傳送給接收的MAC對(duì)象。

MAC依賴物理層的功能完成載波偵聽、沖突檢測和沖突避免等功能，CSMA/CD的所有功能都在MAC對(duì)象中實(shí)現(xiàn)。

鏈路層實(shí)現(xiàn)排隊(duì)和地址解析。Queue實(shí)現(xiàn)發(fā)送隊(duì)列機(jī)制，LL對(duì)象實(shí)現(xiàn)地址解析。

每個(gè)局域網(wǎng)中有一個(gè)默認(rèn)的LanRouter對(duì)象，該對(duì)象在局域網(wǎng)初始化時(shí)被創(chuàng)建。對(duì)于LAN上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，鏈路層對(duì)象（LL）有一個(gè)指向LanRouter的指針，它能為局域網(wǎng)上發(fā)送的每個(gè)包找到目的節(jié)點(diǎn)[2]。

Ethernet 仿真實(shí)現(xiàn)與分析

根據(jù)NS2仿真所使用的語言，仿真分為解釋層和編譯層。解釋層用來配置仿真場景及參數(shù)；編譯層用來實(shí)現(xiàn)仿真元素，如物理層、鏈路層、MAC協(xié)議等。

1.配置網(wǎng)絡(luò)場景

圖1構(gòu)架了一個(gè)總線型的以太網(wǎng)，總線上共有0-7號(hào)站點(diǎn)，總線帶寬為10Mb，延時(shí)為30ms，0號(hào)節(jié)點(diǎn)為發(fā)送者，6號(hào)節(jié)點(diǎn)為接收者。在二者進(jìn)行通信的過程中，分別設(shè)定延時(shí)為15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms時(shí)，改變其帶寬，分別為2Mb、4Mb、6Mb、8Mb、10Mb、12Mb、14Mb，來分析時(shí)延、帶寬與吞吐量之間的關(guān)系。仿真時(shí)間4.5秒。

圖1Ethernet 拓?fù)鋱D

2.仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果以兩種形式給出，一種是使用NS提供的動(dòng)畫軟件NAM，可以動(dòng)態(tài)地演示局域網(wǎng)通信的整個(gè)過程。

由于LAN只實(shí)現(xiàn)了OSI參考模型的低三層功能，缺少傳輸層和應(yīng)用層。在仿真LAN時(shí)，為了仿真數(shù)據(jù)包在LAN中的傳送過程，仿真實(shí)例中加入了9號(hào)節(jié)點(diǎn)，它具有傳輸層功能，作為0號(hào)節(jié)點(diǎn)和6號(hào)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的數(shù)據(jù)源。

第二種仿真結(jié)果是以trace文件形式給出。

圖2 吞吐量隨時(shí)延、帶寬的變化情況

仿真結(jié)束后，使用grep和gawk數(shù)據(jù)處理工具對(duì)trace文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨時(shí)延和帶寬的變化情況如上圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)總線上延時(shí)和帶寬分別為10Mb、30ms不變時(shí)，0號(hào)給6號(hào)傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)定延時(shí)不變時(shí)，隨著帶寬的增大，吞吐量會(huì)隨之增加；但是當(dāng)帶寬的值增加到超過總線上總帶寬時(shí)，吞吐量保持不變；當(dāng)設(shè)定帶寬值不變時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量隨著延遲的增加大而減小。

結(jié) 論

NS2已經(jīng)成為一個(gè)廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，其中集成了大量典型的有線、無線甚至衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下各個(gè)層協(xié)議，同時(shí)NS2研究者及用戶又在對(duì)NS2進(jìn)行不斷的修改和完善。NS2的這種開放性，使得NS2在教育和研究方面有著廣泛的應(yīng)用。

本文使用NS2仿真Ethernet網(wǎng)絡(luò)的通信過程，特別是使用NAM工具動(dòng)態(tài)演示了Ethernet的通信原理。通過演示，可以直觀地看到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的行為，了解各種環(huán)境或者因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。為了進(jìn)一步深入研究，本文通過相關(guān)工具對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，給出網(wǎng)絡(luò)吞吐量與時(shí)延、帶寬之間的關(guān)系。研究的步驟和結(jié)果對(duì)于仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中的應(yīng)用具有一定的借鑒作用。

[1]徐雷鳴.NS2 與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京：人民郵電出版社，2006，11.

[2]Kevin Fall.Thens Manual(for merlyns Notes and Documents)[OL].2012.