計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)式NS-3仿真案例教學(xué)模式

蔡文郁， 劉曉玲

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)》[1]是本科教學(xué)體系中的一個(gè)重要分支，其旨在讓學(xué)生掌握抽象的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)知識(shí)的同時(shí)，并能通過自己的操作和改進(jìn)的協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能仿真結(jié)果的分析，如果只靠黑板教學(xué)是難以達(dá)到這一教學(xué)目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)仿真[3]是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的模擬網(wǎng)絡(luò)行為，是一項(xiàng)重要的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)。相比于搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)可以使用相對(duì)較少的時(shí)間和較低的費(fèi)用基本實(shí)現(xiàn)所需要研究的網(wǎng)絡(luò)模型，作為《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)》課程中一種重要的輔助實(shí)驗(yàn)手段。NS-3[4]作為一種開源、免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真，其具有開源性，學(xué)生可以在其提供的已有的模塊下進(jìn)行改進(jìn)，大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文將這種開源的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS-3應(yīng)用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)過程中，通過設(shè)計(jì)一些啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)案例，讓學(xué)生了解NS-3仿真軟件，讓學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議有直觀深入的理解，進(jìn)而提高教學(xué)效果。

1 NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)仿真(Network Simulator-3,NS-3)是一種旨在學(xué)術(shù)研究和教學(xué)需要的離散事件模擬器，其在可擴(kuò)展性、移植性、開源性和完整性等方面的特征都優(yōu)于現(xiàn)有的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)模擬器。NS-3可以構(gòu)建各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以仿真模擬各種協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行比較和改進(jìn)。NS-3中的模塊支持兩種語言編寫，分別是C++和Python。NS-3的仿真結(jié)果有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式，其中靜態(tài)結(jié)果有文本文件和圖表方式，動(dòng)態(tài)圖包括離線動(dòng)畫演示工具NetAnim和在線可視化模塊PyViz。NS-3組織結(jié)構(gòu)[5]和模型間的依賴關(guān)系如圖1所示，依次為核心模塊(Core)、網(wǎng)絡(luò)模塊(Network)、互聯(lián)網(wǎng)模塊(Internet)、移動(dòng)模塊(Mobility)、應(yīng)用模塊(Applications)和Helper類。每個(gè)模塊都有自己的類和實(shí)現(xiàn)方法，各個(gè)模塊相互獨(dú)立和實(shí)現(xiàn)功能。NS-3這種分層次的模塊組織結(jié)構(gòu)，類似于TCP/IP協(xié)議，使各層各負(fù)其責(zé)，在物理上、邏輯上相互獨(dú)立，便于研究者設(shè)計(jì)自己的網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 NS-3組織結(jié)構(gòu)

NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)搭建包括8個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 NS-3仿真平臺(tái)搭建流程圖

2 啟發(fā)式案例設(shè)計(jì)

2.1 有線無線混合實(shí)驗(yàn)案例

此案例的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，多個(gè)無線客戶端節(jié)點(diǎn)需要訪問PC服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，其中無線客戶端節(jié)點(diǎn)首先與無線AP節(jié)點(diǎn)連接，無線AP節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)連接PC服務(wù)器。該案例通過NS-3仿真演示實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的混合通信，仿真過程的動(dòng)畫演示使用PyViz輔助工具，讓學(xué)生掌握無線WiFi通信技術(shù)以及異型網(wǎng)絡(luò)的綜合使用能力。

圖3 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

2.1.1仿真場(chǎng)景

仿真網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，n5、n6是WiFi移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，n0是無線訪問節(jié)點(diǎn)(Access Point,AP)，n1～n4是有線局域網(wǎng)，n0和n1是點(diǎn)到點(diǎn)的通信鏈路[10]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

2.1.2仿真腳本的關(guān)鍵代碼

//“include”函數(shù)來引入NS-3中已編譯模塊，如：點(diǎn)到點(diǎn)模塊(point-to-point)、移動(dòng)模塊(mobility)等。

#include "ns3/point-to-point-module.h"

#include "ns3/mobility-module.h"

//此代碼中使用了NS-3提供的日志模塊功能，可根據(jù)Logging給出的信息點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行程序調(diào)試。

NS_LOG_COMPONENT_DEFINE ("ThirdScriptExample");

//通過調(diào)用CommandLine命令為程序引入命令行模式，用戶通過命令行模式去設(shè)定參數(shù)來改變程序中參數(shù)值，

CommandLine cmd; cmd.Parse (argc,argv);

//創(chuàng)建2個(gè)節(jié)點(diǎn)用于連接點(diǎn)到點(diǎn)鏈路

NodeContainer p2pNodes; p2pNodes.Create (2);

//構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，通過PointToPointHelper類設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和信道屬性

PointToPointHelper pointToPoint;

pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps"));

pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms"));

//借用Install方法將設(shè)備安裝到節(jié)點(diǎn)中

NetDeviceContainer p2pDevices;

p2pDevices = pointToPoint.Install (p2pNodes);

//創(chuàng)建3個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并將點(diǎn)到點(diǎn)節(jié)點(diǎn)容器中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到CSMA設(shè)備的節(jié)點(diǎn)容器

NodeContainer csmaNodes; csmaNodes.Add (p2pNodes.Get (1)); csmaNodes.Create (3);

//通過CsmaHelper類設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和信道屬性，并用Install方法將設(shè)備安裝到節(jié)點(diǎn)中

CsmaHelper csma;

csma.SetChannelAttribute ("DataRate", StringValue

("100Mbps"));

csma.SetChannelAttribute ("Delay", TimeValue (NanoSeconds (6560)));

NetDeviceContainer csmaDevices; csmaDevices = csma.Install (csmaNodes);

//創(chuàng)建2個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再將剩余的一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路節(jié)點(diǎn)作為接入點(diǎn)AP

NodeContainer WiFiStaNodes; WiFiStaNodes.Create (2); NodeContainer WiFiApNode = p2pNodes.Get (0);

//通過配置PHY和通道助手來構(gòu)建無線設(shè)備和無線節(jié)點(diǎn)之間的互連通道

YansWiFiChannelHelper channel = YansWiFiChannelHelper::Default ();

YansWiFiPhyHelper phy = YansWiFiPhyHelper::Default ();

WiFiHelper WiFi;

WiFi.SetRemoteStationManager ("ns3::AarfWiFiManager");

WiFiMacHelper mac;

staDevices = WiFi.Install (phy, mac, WiFiStaNodes);

//配置AP節(jié)點(diǎn)

mac.SetType ("ns3::ApWiFiMac", "Ssid", SsidValue (ssid));

NetDeviceContainer apDevices;

apDevices = WiFi.Install (phy, mac, WiFiApNode);

//使用MobilityHelper類設(shè)置WiFi節(jié)點(diǎn)的初始位置和移動(dòng)模型

MobilityHelper mobility;

mobility.SetPositionAllocator ("ns3::GridPositionAllocator",

"MinX", DoubleValue (-50.0), "MinY", DoubleValue (50.0),

"DeltaX", DoubleValue (5.0),"DeltaY", DoubleValue (-50.0),

"GridWidth", UintegerValue (1),"LayoutType", StringValue ("RowFirst"));

//WiFi節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型是隨機(jī)游走模型：RandomWalk2dMobilityModel

mobility.SetMobilityModel ("ns3::RandomWalk2dMobilityModel",

"Bounds", RectangleValue (Rectangle (-150, 150, -150, 150)));

//通過InternetStackHelper類安裝協(xié)議棧

InternetStackHelper stack; stack.Install (csmaNodes);stack.Install (WiFiApNode); stack.Install (WiFiStaNodes);

//配置IP地址，點(diǎn)到點(diǎn)鏈路節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)段10.1.1.0/24，CSMA節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)段10.1.2.0/24，WiFi節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)段10.1.3.0/24

Ipv4AddressHelper address;

address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0"); p2pInterfaces = address.Assign (p2pDevices);

address.SetBase ("10.1.2.0", "255.255.255.0"); csmaInterfaces = address.Assign (csmaDevices);

address.SetBase ("10.1.3.0", "255.255.255.0"); address.Assign (staDevices);address.Assign (apDevices);

//設(shè)置以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)3為echo服務(wù)端程序，同時(shí)設(shè)置服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)間。

UdpEchoServerHelper echoServer (9);

ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install (csmaNodes.Get (3));

serverApps.Start (Seconds (1.0));

//設(shè)置WiFi網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為客戶端，并配置相關(guān)屬性

UdpEchoClientHelper echoClient (csmaInterfaces.GetAddress (nCsma), 9);

echoClient.SetAttribute ("MaxPackets", UintegerValue (100));

ApplicationContainer clientApps = echoClient.Install (WiFiStaNodes.Get (nWiFi - 1));

//啟用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由作用與建立好的互連網(wǎng)絡(luò)

Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables ();

//運(yùn)行模擬、清空、退出程序

Simulator::Run (); Simulator::Destroy (); return 0;

2.1.3仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真結(jié)果分析：根據(jù)圖5(a)和(b)可以直觀生動(dòng)的看出節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)。從圖6可以看出，在終端中輸入編譯代碼并執(zhí)行腳本，從輸出的日志信息可以看出模擬通信場(chǎng)景運(yùn)行到2 s時(shí)客戶端發(fā)送1 024 Byte給地址為10.1.2.4的服務(wù)器，客戶端和服務(wù)器處于不同的網(wǎng)段。之后服務(wù)器收到來自10.1.3.2客戶端的數(shù)據(jù)分組，同時(shí)發(fā)送相同字節(jié)給客戶端，而且客戶端成功接收?？梢钥吹椒抡娼Y(jié)果與程序中設(shè)定的發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間點(diǎn)和數(shù)據(jù)包發(fā)送的發(fā)送端和接收端完全一致。

(a) 初始仿真場(chǎng)景

(b) 混合通信場(chǎng)景

圖5 混合通信仿真場(chǎng)景

圖6 編譯結(jié)果

2.2 點(diǎn)到點(diǎn)中繼通信實(shí)驗(yàn)案例

如圖7所示，節(jié)點(diǎn)之間采用點(diǎn)到點(diǎn)通信，且節(jié)點(diǎn)均處于靜止?fàn)顟B(tài)，采用添加中繼節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)連通。此案例主要用于演示點(diǎn)到點(diǎn)中繼通信的原理，提高學(xué)生中繼通信的感官認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握短距離無線組網(wǎng)技術(shù)的興趣。

圖7 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

2.2.1仿真場(chǎng)景

本仿真場(chǎng)景中一共設(shè)置了10個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖8所示，其中n2～n11均位于不同的網(wǎng)段，n0和n1屬于中繼節(jié)點(diǎn)，并且設(shè)置節(jié)點(diǎn)n4和節(jié)點(diǎn)n9進(jìn)行通信。

圖8 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

2.2.2仿真腳本的關(guān)鍵代碼

#include "ns3/netanim-module.h"

//構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如：設(shè)置節(jié)點(diǎn)0分別與節(jié)點(diǎn)1、2、3、4、5和6連接

pAnim->UpdateLinkDescription (0, 1, oss.str ());

pAnim->UpdateLinkDescription (0, 2, oss.str ());

pAnim->UpdateLinkDescription (0, 3, oss.str ());

pAnim->UpdateLinkDescription (0, 4, oss.str ());

pAnim->UpdateLinkDescription (0, 5, oss.str ());

pAnim->UpdateLinkDescription (0, 6, oss.str ());

// 設(shè)置 IP地址

d.AssignIpv4Addresses (Ipv4AddressHelper ("10.1.1.0", "255.255.255.0"),

Ipv4AddressHelper ("10.2.1.0", "255.255.255.0"),

Ipv4AddressHelper ("10.3.1.0", "255.255.255.0"));

// 生成XML文件

std::string animFile = "dynamic_linknode.xml" ;

pAnim = new AnimationInterface (animFile);

2.2.3仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真結(jié)果采用兩種可視化界面PyViz和NetAnim方式觀測(cè)，如圖9所示。仿真結(jié)束后使用NetAnim讀取程序執(zhí)行過程中生成的XML文件，可離線演示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)分組流動(dòng)等動(dòng)畫過程。

2.3 無線多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)案例

此仿真的場(chǎng)景是多跳無線網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc[11]，如圖10所示，其結(jié)構(gòu)采用一種省略無線中介設(shè)備AP而搭建起來的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只需要安裝無線網(wǎng)卡，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的通信。對(duì)于多跳無線自組網(wǎng)絡(luò)來說，路由協(xié)議是非常重要的。其中主動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議較為典型，因此仿真了DSR和DSDV兩種路由協(xié)議的建立路徑的過程和結(jié)果分析。此案例主要用于演示無線多跳網(wǎng)絡(luò)的工作原理以及不同路由協(xié)議的性能比較，提升學(xué)生參與網(wǎng)絡(luò)傳輸核心路由協(xié)議設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)熱情。

2.3.1仿真場(chǎng)景

本案例是基于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)[12-14]，設(shè)置了20個(gè)可隨機(jī)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)2(Node2)為數(shù)據(jù)發(fā)送端，節(jié)點(diǎn)0(Node0)為數(shù)據(jù)接收端。

(a) 點(diǎn)到點(diǎn)通信可視化界面

(b) 仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

(c) 數(shù)據(jù)分組統(tǒng)計(jì)

(d) 節(jié)點(diǎn)9發(fā)送數(shù)據(jù)

(e) 途徑節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)0

(f) 節(jié)點(diǎn)4發(fā)送數(shù)據(jù)

圖9 無線中繼通信演示

圖10 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

2.3.2仿真腳本的關(guān)鍵代碼

//設(shè)置節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型為隨機(jī)路徑

adhocMobility.SetMobilityModel ("ns3::RandomWaypoint MobilityModel",

"Speed", StringValue (speedUniformRandomVariable Stream.str ()),

"Pause", StringValue (pauseConstantRandomVariable Stream.str ()),

"PositionAllocator", PointerValue (taPositionAlloc));

adhocMobility.Install (adhocNodes);

//通過DsdvHelper類引入DSDV路由協(xié)議，同理也可以引入DSR路由協(xié)議。

DsdvHelper dsdv; InternetStackHelper stack; stack.SetRoutingHelper (dsdv);

//設(shè)置節(jié)點(diǎn)0為數(shù)據(jù)接收端，節(jié)點(diǎn)2為數(shù)據(jù)發(fā)送端，且設(shè)置節(jié)點(diǎn)2在20 s時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)

ApplicationContainer apps_sink = sink.Install (adhocNodes.Get (0));

apps_sink.Start (Seconds (20.0));

OnOffHelper onoff1 ("ns3::UdpSocketFactory", Address (InetSocketAddress (allInterfaces.GetAddress (0), port)));

onoff1.SetAttribute ("OnTime", StringValue ("ns3::ConstantRandomVariable[Constant=1.0]"));

onoff1.SetAttribute ("OffTime", StringValue ("ns3::ConstantRandomVariable[Constant=0.0]"));

ApplicationContainer apps1 = onoff1.Install

(adhocNodes.Get (2));

2.3.3仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖11所示。

(a) DSDV協(xié)議Node2節(jié)點(diǎn)泛洪廣播

(b) DSDV協(xié)議Node2找到的第1條路徑

(c) DSDV協(xié)議Node2找到的第2條路徑

(d) DSR協(xié)議泛洪廣播

(e) DSR協(xié)議Node2找到的第1條路徑

(f) DSR協(xié)議Node2找到的第2條路徑

從可視化動(dòng)態(tài)仿真過程圖中，可以直觀地看出在同一種動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真場(chǎng)景。DSR協(xié)議比DSDV協(xié)議尋找到兩節(jié)點(diǎn)通信路徑所花費(fèi)的時(shí)間要少，這是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，由于鄰居信息表需要實(shí)時(shí)更新，主動(dòng)路由協(xié)議額外負(fù)荷較高。

3 結(jié) 語

本文將NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)引入到《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)》課程的教學(xué)中，通過在NS-3中構(gòu)建設(shè)計(jì)的3種不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議啟發(fā)式案例，運(yùn)用NS-3中多樣化的仿真方式，如Logging、動(dòng)畫演示工具(NetAnim)和可視化模塊(PyViz)等，將網(wǎng)絡(luò)課程中抽象的理論知識(shí)形象直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)點(diǎn)有了較為直觀的了解，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探索網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的欲望，起到事半功倍的效果。當(dāng)學(xué)生熟練掌握NS-3的模塊內(nèi)容和執(zhí)行方式后，還可以繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生向更深層次的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心實(shí)現(xiàn)與編程技術(shù)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了一定基礎(chǔ)。