计算机网络实验ns2实验

网络仿真器NS2的配置与应用

这个实验环境配置很麻烦，但是实验内容很简单......

配置环境一上午，实验只要十分钟......

1. 实验要求

安装并运行网络仿真器NS2，了解其功能模块及配套工具的使用，掌握利用NS2进行网络仿真的方法，为进一步的网络系统性能分析设计创造良好的条件。

2. 实验条件

硬件：一台计算机

软件：Ubuntu操作系统、NS2工具包

3. 实验指导

1) NS2仿真流程

采用NS2进行仿真实验之前，必须先掌握本书7.2.1节中的相关内容。一般来说，采用NS2进行仿真大致可分为3个步骤：

●建立Networkmodel：描述整个网络的拓扑、带宽等信息。

●建立traffic model：描述所有的网络流量或错误情况的时间、类型、或呈何种数学分布。

●追踪分析结果：仿真完成后，可调用nam观察整个仿真流程，或是将namfile中的信息抽取出来加以分析。

下面是一些具体的实现语句，其中#后的说明为该语句的相关注释。（根据本人测试运行，最好文件中不要加注释，否则会报错）

a) 建立Networkmodel

●建立ns对象

set ns[new Simulator]

●建立节点

set n0[$ns node]

●建立连接

$ns duplex-link $n0 $n1 <bandwidth><delay><queue_type>

队列（queue）是保持（held）或丢弃（drop）数据包的地方，目前NS2所支持的队列缓冲管理机制有drop-tail（FIFO）队列、RED缓冲管理、公平队列（Fair Queueing，FQ）、随机公平队列（StochasticFair Queueing，SFQ）、DRR（Deficit Round-Robin）和基于类的队列（class-based queuein，CBQ）。

●建立局域网

$ns make-lan <node_list><bandwidth><delay>LLQueue/DropTail MAC/802.3 Channel

若只想建立点对点的网络，则无需建立局域网这个步骤。

b) 建立Trafficmodel

建立连接

根据不同的流量类型，可分为

TCP连接

set tcp[new Agent/TCP] #建立TCP代理，用以产生流量

set tcpslink[new Agent/TCPSink] #建立TCPSink代理，用以接收流量

$ns attach-agent $n0 $tcp #将所建立的tcp配置给节点n0

$ns attach-agent $n1 $tcpsink #将所建立的tcpsink配置给节点n1

$ns connect $tcp $tcpsink #连接

UDP连接

set udp[new Agent/UDP] #建立UDP代理，用以产生流量

set null[new Agent/NULL] #建立NULL代理，用以接收流量

$ns attach-agent $n0 $udp #将所建立的udp配置给节点n0

$ns attach-agent $n1 $null #将所建立的null配置给节点n1

$ns connect $udp $null #连接

●产生流量

对应TCP连接，产生FTP（or Telnet）流量：

set ftp[new Application/FTP]

$ftp attach-agent $udp

●建立排程

$ns at<time><event> #<event>为任何合法的ns/tcl命令

$ns run

c) 追踪分析结果

$ns namtrace-all[open test.nam w]

其中test.nam为记录仿真过程的输出文件，内容包含网络的拓扑（node、link、queues、…），以及所有数据包的信息。用户可以使用该文件中的有关数据包的信息来作一些追踪分析。

2) NS2仿真示例—nam方式

下面给出一个具体的NS2仿真示例，一遍可以更快更清楚地了解网络仿真的实际操作流程。例如，在文本编辑器中写入OTcl脚本。

脚本内容如下：

set ns [new Simulator] #建立一个ns对象

#设定第一条数据流在nam中用蓝色表示，第二条数据流用红色表示，主要是为了便于观察被传送和丢弃的数据包是属于哪个数据流，其中参数1、2为数据流所对应的flowid（流量标识符）

$ns color 1 Blue

$ns color 2 Red

set nf [open out.nam w] #打开跟踪文件out.nam，其中nf为文件句柄

$ns namtrace-all $nf

proc finish {} { #定义结束过程

global ns nf

$ns flush-trace

close $nf #关闭跟踪文件

exec nam out.nam & #调用nam

exit 0

}

set ns0 [$ns node] #建立四个节点：n0、n1、n2、n3

set ns1 [$ns node]

set ns2 [$ns node]

set ns3 [$ns node]

#建立节点间的链路Link、设置带宽1Mbit/s，时延10ms，队列DropTail，即先进先出（FIFO）

$ns duplex-link $ns0 $ns2 1Mb 10ms DropTail

$ns duplex-link $ns1 $ns2 1Mb 10ms DropTail

$ns duplex-link $ns3 $ns2 1Mb 10ms DropTail

#设定节点在拓扑图中的位置，使得整个图看起来布局更为合理

$ns duplex-link-op $ns0 $ns2 orient right-down

$ns duplex-link-op $ns1 $ns2 orient right-up

$ns duplex-link-op $ns2 $ns3 orient right

#设定nam中queue的位置，便于检测节点n2和n3之间链路的队列

$ns duplex-link-op $ns2 $ns3 queuePos 0.5

#为节点n0建立一个UDP代理udp0，用于产生流量，并设定flowid（流量标识符）为1

set udp0 [new Agent/UDP]

$udp0 set class_ 1

$ns attach-agent $ns0 $udp0

#设置udp0产生CBR流量，每隔0.005s发送大小为500B的数据包

set cbr0 [new Application/Traffic/CBR]

$cbr0 set packetSize_ 500

$cbr0 set interval_ 0.005

$cbr0 attach-agent $udp0

#为节点n1建立一个UDP代理udp1，用于产生流量，并设定flowid（流量标识符）为2

set udp1 [new Agent/UDP]

$udp1 set class_ 2

$ns attach-agent $ns1 $udp1

#设置udp1产生CBR（Constant BitRate，固定比特率）流量，每隔0.005s发送大小为500B的数据包

set cbr1 [new Application/Traffic/CBR]

$cbr1 set packetSize_ 500

$cbr1 set interval_ 0.005

$cbr1 attach-agent $udp1

#为节点n3建立一个Null代理null0，用以接收流量

set null0 [new Agent/Null]

$ns attach-agent $ns3 $null0

#分别连接流量产生代理udp0、udp1和流量接收代理null0

$ns connect $udp0 $null0

$ns connect $udp1 $null0

#排程，设置cbr0在仿真0.5s后开始传输数据，4.5s后停止传输数据；设置cbr1在仿真1.0s后开始传送数据，4.0s后停止传送数据

$ns at 0.5 "$cbr0 start"

$ns at 1.0 "$cbr1 start"

$ns at 4.0 "$cbr1 stop"

$ns at 4.5 "$cbr0 stop"

#仿真5.0s后，调用结束过程

$ns at 5.0 "finish"

#执行仿真

$ns run

保存脚本文件为example1.tcl，运行命令：ns example1.tcl

运行结果如下图所示：

点击窗口上的“PLAY”按钮，将动态显示仿真过程：

仿真0.5s后，结点n0开始向结点n2传送数据包，该数据流以蓝色动态显示，此时可以拖动窗口右上方的“Step”滑尺以减缓nam的速度：

仿真1.0s后，节点n1开始向节点n2传送数据包，以红色动态显示：

经过一段时间后，可观察到链路队列上的数据包如何被丢弃，因为脚本采用的是FIFO队列机制，所以两种颜色的数据包并没有被“公平”地丢弃，所丢弃的都是蓝色的数据包，这可以通过修改链路配置的队列机制来提高公平性。

3) NS2仿真示例—Xgraph方式

由上面的仿真示例可以看出，采用nam方式显示的是整个仿真的动态过程，如数据包的传输、链路的断开、丢包等；若想显示仿真过程中的内部状态，如传输速率、各种峰值等，可采用NS2提供的另外一种方式—Xgraph方式。

下面给出另一个采用Xgraph显示方式的NS2仿真示例。其网络拓扑结构如下图所示，链路Link都是带宽1Mbit/s、时延100ms、采用FIFO队列，udp连接从节点n0、n1、n2到节点n4，对应的OTcl脚本如后面所示。

在文本编辑器中写入OTcl脚本，脚本内容如下：

#建立一个ns对象

set ns [new Simulator]

#打开输出文件

set f0 [open out0.tr w]

set f1 [open out1.tr w]

set f2 [open out2.tr w]

#for循环，建立n0~n4共5个节点

for { set i 0 } { $i<5 } {incr i}{

setn$i [$ns node]

}

#建立链路Link

$ns duplex-link $n0 $n3 1Mb 100msDropTail

$ns duplex-link $n1 $n3 1Mb 100msDropTail

$ns duplex-link $n2 $n3 1Mb 100msDropTail

$ns duplex-link $n3 $n4 1Mb 100msDropTail

#定义结束过程

proc finish {} {

globalf0 f1 f2

close$f0

close$f1

close$f2

#调用Xgraph显示仿真结果

execxgraph out0.tr out1.tr out2.tr -geometry 800x400 &

exit0

}

#定义过程，为节点node和流量接收代理sink建立UDP连接，产生Expoo流量，并设置流量的size（packetSize，数据包大小）、burst（burst_time，突发事件）、idle（idle_time，空闲时间）和rate（burst peakrate，峰率）等

proc attach-expoo-traffic { node sinksize burst idle rate } {

set ns [Simulator instance]

#为节点node建立一个UDP代理source，用于产生流量

set source [new Agent/UDP]

$ns attach-agent $node $source

#产生Expoo流量

set traffic [newApplication/Traffic/Exponential]

#设置Expoo流量的packetSize（数据包大小）、burst_time（突发时间）、idle_time（空闲时间）和rate（burst peakrate，峰率）等

$traffic set packetSize_ $size

$traffic set burst_time_ $burst

$traffic set idle_time_ $idle

$traffic set rate_ $rate

$traffic attach-agent $source

#连接流量产生代理source和流量接收代理sink

$ns connect $source $sink

return $traffic

}

#定义记录过程，周期性地记录3个流量接收代理sink0、sink1、sink2所接受到的数据流带宽，并分别写入3个文件f0、f1、f2中

proc record {} {

globalsink0 sink1 sink2 f0 f1 f2

setns [Simulator instance]

#定义过程再次被调用的时间，即调用周期

settime 0.5

#获取代理已接收的字节数，即变量bytes的值

setbw0 [$sink0 set bytes_]

setbw1 [$sink1 set bytes_]

setbw2 [$sink2 set bytes_]

#获取当前时间

setnow [$ns now]

#计算带宽（单位：Mbit/s），将结果写入文件

puts$f0 "$now [expr $bw0/$time*8/1000000]"

puts$f1 "$now [expr $bw1/$time*8/1000000]"

puts$f2 "$now [expr $bw2/$time*8/1000000]"

#重置接收代理中的变量bytes的值

$sink0set bytes_ 0

$sink1set bytes_ 0

$sink2set bytes_ 0

#重新排程

$nsat [expr $now+$time] "record"

}

#为节点n4建立3个流量接收代理sink0、sink1、sink2

set sink0 [new Agent/LossMonitor]

set sink1 [new Agent/LossMonitor]

set sink2 [new Agent/LossMonitor]

$ns attach-agent $n4 $sink0

$ns attach-agent $n4 $sink1

$ns attach-agent $n4 $sink2

#调用attach-expoo-traffic过程，分别建立节点n0、n1、n2与流量接收代理sink0、sink1、sink2的UDP连接，产生并设置Expoo流量

set source0 [attach-expoo-traffic $n0$sink0 200 2s 1s 100k]

set source1 [attach-expoo-traffic $n1$sink1 200 2s 1s 200k]

set source2 [attach-expoo-traffic $n2$sink2 200 2s 1s 300k]

#排程

$ns at 0.0 "record"

$ns at 10.0 "$source0 start"

$ns at 10.0 "$source1 start"

$ns at 10.0 "$source2 start"

$ns at 50.0 "$source0 stop"

$ns at 50.0 "$source1 stop"

$ns at 50.0 "$source2 stop"

$ns at 60.0 "finish"

#执行仿真

$ns run

保存文件为example2.tcl，运行命令：nsexample2.tcl

运行结果如下所示：

Xgraph显示仿真过程中的内部状态，从图中可以看出，三条数据流的峰值依次为0.1Mbit/s、0.2Mbit/s和0.3Mbit/s

4. 实验总结

在nam辅助分析工具中发现ftp1在零秒开始启动，ftp2在第三秒时刻开始启动，都在第十秒停止，这符合设计目标。在发送端收到新一轮的确认包时发送包的数量也加一，传输的过程中队列的长度超过一定值时开始丢包。这由设定的队列最小的门限值和队列最大门限值决定。当队列长度小于最小门限值时一定不会丢包，只有超过最小门限值时才会发生丢包，且超过的越多丢弃的概率越大。当队列长度超过最大门限值时队列一定丢包。丢包后的确认包不再让发送窗口增大，反而从零开始增加。传送过程中，丢包不再决定于队列的长度了，而是根据平均队列长度随机丢弃，因为采用的是RED丢包机制。

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