基于NS-3的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

胡晉彬，羅望卿，王 進(jìn)

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和通信工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有理論內(nèi)容多、范圍廣和知識(shí)更新速度快的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)特別注重理論教學(xué)與實(shí)踐操作教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)具體的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制及其工作原理。然而，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方案設(shè)計(jì)中很少考慮目前工業(yè)界的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求變化，具體教學(xué)方案設(shè)計(jì)未采用工業(yè)界實(shí)際部署的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，使得學(xué)生難以真正了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)際工業(yè)環(huán)境應(yīng)用中的需求變化，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中部署的具體問(wèn)題和所面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)。為了改變這種狀況，教師應(yīng)及時(shí)了解實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迭代和更新，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中將網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)與社會(huì)發(fā)展需求和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方案，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)的發(fā)展。

本文以目前工業(yè)界在生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際部署的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議［1-3］為例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制的實(shí)驗(yàn)方案，幫助學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本概念和傳輸機(jī)制原理的同時(shí)，更深刻地理解網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包從發(fā)送端經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)中間設(shè)備交換機(jī)，再傳輸?shù)浇邮斩说耐暾麄鬏斶^(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，在NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)軟件［4］環(huán)境下，學(xué)生通過(guò)C++語(yǔ)言編寫程序搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、輸入網(wǎng)絡(luò)流量、配置路由、部署基于不同擁塞反饋信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，并測(cè)試實(shí)時(shí)吞吐率和數(shù)據(jù)流完成時(shí)間等網(wǎng)絡(luò)性能［5］，以達(dá)到了解網(wǎng)絡(luò)傳輸控制的工作流程和深入理解網(wǎng)絡(luò)傳輸控制原理的目的。

1 NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)軟件

NS-3是基于事件驅(qū)動(dòng)的仿真軟件，具有免費(fèi)的源代碼公共源，可滿足學(xué)術(shù)研究和教學(xué)對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真模擬的需求［6］。在NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中，可以采用C++和Python兩種編程語(yǔ)言編寫程序，其源代碼可以應(yīng)用于Linux、Mac OS、Cygwin和Mingw等不同操作系統(tǒng)。一個(gè)完整的NS-3 模型具有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層。與NS-2相比，NS-3在各個(gè)層面都有了很大改進(jìn)。NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)軟件只支持C語(yǔ)言和OTcl Tool語(yǔ)言，其仿真結(jié)果演示需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫模擬器進(jìn)行。此外，NS-2的很多模塊都采用C語(yǔ)言編寫，有些模塊采用OTcl腳本語(yǔ)言編寫，如果只采用C語(yǔ)言而不用OTcl腳本無(wú)法運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。然而在NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)軟件中，所有模擬器均采用C++編寫，具有良好的繼承性和多態(tài)性［6］。學(xué)生在NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)軟件中可采用C++和Python兩種編程語(yǔ)言編寫程序和模擬腳本，為C++程序生成相應(yīng)的跟蹤文件，還可以靈活地生成跟蹤文件以分析仿真模擬過(guò)程。該軟件還有一些其他特點(diǎn)，例如使用IP地址處理節(jié)點(diǎn)端口，更有助于學(xué)生理解傳輸過(guò)程［7］。

采用NS-3進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)一般有4個(gè)步驟：①確定仿真場(chǎng)景；②編寫網(wǎng)絡(luò)仿真腳本配置拓?fù)浜蛻?yīng)用程序；③運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn)；④分析仿真數(shù)據(jù)。

模擬場(chǎng)景由用戶根據(jù)所研究的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景確定，編寫網(wǎng)絡(luò)仿真程序和腳本可分為6個(gè)步驟：①通過(guò)仿真場(chǎng)景確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所需的仿真模塊，搭建相應(yīng)節(jié)點(diǎn)；②通過(guò)仿真場(chǎng)景確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型，并根據(jù)拓?fù)浒惭b在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；③為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧并分配IP地址；④通過(guò)模擬場(chǎng)景確定流量模式，利用Application的子類生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)包；⑤根據(jù)需要啟動(dòng)相應(yīng)的記錄和跟蹤系統(tǒng)，生成數(shù)據(jù)供后期分析仿真結(jié)果；⑥Simulator：：Run（）函數(shù)啟動(dòng)仿真程序。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)軟件平臺(tái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，編寫C++程序測(cè)試流完成時(shí)間和實(shí)時(shí)吞吐率，深入理解數(shù)據(jù)包從發(fā)送端通過(guò)交換機(jī)傳輸?shù)浇邮斩说膫鬏斎^(guò)程以及傳輸過(guò)程的擁塞反饋。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 拓?fù)鋭?chuàng)建

采用數(shù)據(jù)中心廣泛部署的葉—脊（Leaf-Spine）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［8］，其中脊交換機(jī)為核心交換機(jī)；葉交換機(jī)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的接入層，其承上啟下，連接終端服務(wù)器與核心交換機(jī)。葉—脊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o(wú)法適應(yīng)數(shù)據(jù)中心流量急劇增加和數(shù)據(jù)中心規(guī)模日益擴(kuò)大而帶來(lái)的數(shù)據(jù)中心高速互聯(lián)要求問(wèn)題。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，葉—脊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)可以降低網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)、緩解網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶寬。

本文實(shí)驗(yàn)需搭建一個(gè)擁有2 Leaf和2 Spine的葉—脊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（發(fā)送端和接收端之間有2條并行路徑）。如圖1所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩臺(tái)Spine交換機(jī)S1、S2，兩臺(tái)Leaf交換機(jī)L1、L2和4臺(tái)終端服務(wù)器組成。

Fig.1 Leaf-spine topology圖1 葉—脊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)置拓?fù)浜?，配置主機(jī)的IP地址。在算法中，IP地址的分配需要定義Ipv4addressHelper對(duì)象地址；然后通過(guò)IP地址調(diào)用SetBase進(jìn)行網(wǎng)關(guān)與子網(wǎng)掩碼設(shè)置；最后在Assign函數(shù)調(diào)用IP地址的基礎(chǔ)上自10.1.1.1起對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配地址。Assign函數(shù)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系進(jìn)行分析得到網(wǎng)絡(luò)上任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑信息，然后將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)樹(shù)型結(jié)構(gòu)中，這個(gè)樹(shù)即為網(wǎng)絡(luò)圖。該拓?fù)渖隙喙?jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以這種方式進(jìn)行地址分配時(shí)需要使用Address Assign（devices）進(jìn)行地址分配，而代碼設(shè)置的對(duì)象接口Ipv4InterfaceContainer用于保存和管理成功分配好的IP地址。具體IP地址分配代碼為：

2.2.2 NS-3 C++程序

（1）首先添加相應(yīng)模塊的頭文件，具體代碼為：

然后定義節(jié)點(diǎn)容器nodes，由nodes.get（i）獲取第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)使用Create（）函數(shù)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，具體代碼為：

最后配置基本參數(shù)node節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、servers服務(wù)器個(gè)數(shù)、leaf-spine交換機(jī)個(gè)數(shù)、flow數(shù)量等，具體代碼為：

（2）確定所需網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型，并根據(jù)第一步設(shè)置好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將其分別安裝在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。編寫代碼定義點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接對(duì)象pointToPoint，用于配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，設(shè)置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道的鏈路速率，設(shè)置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道的鏈路延時(shí)。定義好點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接對(duì)象后需要定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備容器對(duì)象設(shè)備，用于調(diào)用安裝節(jié)點(diǎn)函數(shù)，將對(duì)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與通道安裝到該節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝完成后需將其分配到devices。

（3）為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧并分配IP地址。首先需要安裝Internet協(xié)議棧，在C++中采用代碼InternetstackHelper定義對(duì)象堆棧；然后堆棧調(diào)用節(jié)點(diǎn)安裝函數(shù)為nodes中包含的節(jié)點(diǎn)安裝網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中部署數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的基于顯式擁塞通知（Explicit Congestion Notification，ECN）標(biāo)記的DCTCP［8-9］傳輸協(xié)議。DCTCP于2010年首次被提出，其是數(shù)據(jù)中心第一個(gè)專用的擁塞控制協(xié)議。DCTCP調(diào)整機(jī)制涉及發(fā)送端、交換機(jī)和接收端，其利用交換機(jī)隊(duì)列長(zhǎng)度信息判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞程度，對(duì)超過(guò)一定隊(duì)列長(zhǎng)度閾值的數(shù)據(jù)包標(biāo)記ECN位。當(dāng)接收端接收到ECN標(biāo)記的數(shù)據(jù)包，將相應(yīng)的確認(rèn)包標(biāo)記ECN-echo并發(fā)送到發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)ECN標(biāo)記比例對(duì)發(fā)送窗口進(jìn)行調(diào)整。

（4）使用Application的子類生成相應(yīng)數(shù)據(jù)包。定義監(jiān)聽(tīng)對(duì)象echoServer，代碼為UdpEchoServerHelper echoServer（）。echoServer使用Install（nodes.Get（）））安裝echo服務(wù)器程序，安裝成功后返回的echo服務(wù)器程序由serverApps保存。調(diào)用ServerApps設(shè)置ServerApps中包含應(yīng)用程序的開(kāi)始和停止時(shí)間，代碼為serverApps.Start（Seconds（1.0）），serverApps.Stop（Seconds（10.0））。定義被監(jiān)控的客戶端對(duì)象echoClient。獲取服務(wù)器的IP地址，向服務(wù)器端口發(fā)送數(shù)據(jù)，并設(shè)置要發(fā)送的最大數(shù)據(jù)包數(shù)量、設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔以及設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小，代碼為echo-Client.SetAttribute（"MaxPackets"，UintegerValue（1））；echo-Client.SetAttribute（"Interval"，TimeValue（Seconds（1.0）））；echoClient.SetAttribute（"PacketSize"，UintegerValue（1024））。調(diào)用Install函數(shù)在節(jié)點(diǎn)上安裝客戶機(jī)應(yīng)用程序，調(diào)用Start函數(shù)設(shè)置應(yīng)用程序啟動(dòng)的秒數(shù)，調(diào)用Stop函數(shù)設(shè)置應(yīng)用程序啟動(dòng)的時(shí)間，代碼為clientApps.Start（Seconds（2.0））；clientApps.Stop（Seconds（10.0））。

（5）根據(jù)需要激活相應(yīng)的記錄和跟蹤系統(tǒng)，為后續(xù)模擬結(jié)果分析生成數(shù)據(jù)，并開(kāi)始模擬實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

運(yùn)行以上C++實(shí)驗(yàn)程序，深入理解傳輸協(xié)議的工作過(guò)程，分析數(shù)據(jù)包如何在網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)交換機(jī)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?，并給出流完成時(shí)間和實(shí)時(shí)吞吐率的計(jì)算方法。

（1）數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程分析。首先要對(duì)是否有數(shù)據(jù)從發(fā)送端發(fā)往接收端進(jìn)行編碼判斷，如果發(fā)包成功，程序需繼續(xù)判斷發(fā)包成功目的IP是否在同一網(wǎng)段中。如果發(fā)包方目的IP與發(fā)包方地址所歸屬的網(wǎng)段一致，程序就會(huì)判斷正確，進(jìn)行編碼，將數(shù)據(jù)包封裝成一幀，再通過(guò)接入層進(jìn)入?yún)R聚層中，經(jīng)過(guò)匯聚層中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將數(shù)據(jù)包送到目的IP；如果發(fā)包方目的地址與發(fā)包方不在一個(gè)網(wǎng)段中，那么發(fā)包方就會(huì)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送到目的IP，再通過(guò)匯聚層將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送到網(wǎng)關(guān)中。如果沒(méi)有收到目的IP，那么該數(shù)據(jù)包將被丟棄；若接收到目的IP，則該數(shù)據(jù)包會(huì)繼續(xù)傳送下去，直至所有數(shù)據(jù)包都收到為止，如此循環(huán)重復(fù)多次即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程。最后將數(shù)據(jù)包回傳至目的IP中，選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑及轉(zhuǎn)發(fā)端口，IP包被確認(rèn)后可轉(zhuǎn)發(fā)至下一路由器。IP包在到達(dá)路由器時(shí)先從IP頭讀取目的IP地址并查找路由表，IP包按照路由協(xié)議算法選擇最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）流完成時(shí)間和實(shí)時(shí)吞吐率測(cè)試。流完成時(shí)間是指從發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)包至接收最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間。用戶通常想讓網(wǎng)頁(yè)搜索、傳輸文件、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等業(yè)務(wù)在最短時(shí)間內(nèi)完成，因此流完成時(shí)間成為衡量傳輸性能的重要指標(biāo)［9-11］。從C++程序運(yùn)行后生成的相應(yīng)trace文件中獲取流號(hào)、第一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間和最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收時(shí)間，然后計(jì)算出一條流的完成時(shí)間。如果需要計(jì)算平均流完成時(shí)間則可編寫腳本計(jì)算所有流的平均時(shí)間［12-13］。網(wǎng)絡(luò)性能的好壞通過(guò)實(shí)時(shí)吞吐率一目了然，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量，然后采用Python腳本計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，即實(shí)時(shí)吞吐率。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)完全建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程。通過(guò)部署目前工業(yè)界實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，學(xué)生不僅深入了解了數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端的傳輸全過(guò)程，學(xué)習(xí)了如何測(cè)試流完成時(shí)間和實(shí)時(shí)吞吐率等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，而且了解了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的實(shí)際需求和面臨挑戰(zhàn)，提高了研究能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和實(shí)際應(yīng)用能力。后續(xù)可結(jié)合最新計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)更符合社會(huì)發(fā)展需求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，以進(jìn)一步提高教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。