基于NS2的网络性能仿真
基于NS2的网络性能仿真[20191215144527]
摘 要
网络仿真是现代网络规划和设计中广泛使用的一种重要手段，本文基于NS2软件分别对典型的有线、无线和混合网络进行计算机仿真，得到了时延、时延抖动、吞吐量、丢包率等常见的网络性能指标。
论文首先概述了常用网络的结构、性能指标，有线/无线混合网络的特点。其次分析了NS2仿真平台组成，介绍NS2软件及其相关绘图工具的安装与使用方法，然后利用NS2的编程语言：C++以及OTCL语言，编写仿真程序，分别实现了对有线网络、无线网络以及混合网络的计算机仿真，得到了代表网络性能参数的仿真曲线，如网络的时延、时延抖动、吞吐量、丢包率曲线，并对仿真结果进行分析。为了进一步提高无线网络的性能，对无线网络的内部参数值进行优化，寻找到通过修改发送功率和门限阈值来控制信号传输距离的方法。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:NS2；网络仿真；网络性能
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题设计的背景及意义 1
1.2 有线与无线混合网络的特点 2
1.3 论文主要内容及章节安排 3
第2章 网络仿真理论基础 4
2.1 网络结构 4
2.1.1 局域网 4
2.1.2 城域网 5
2.1.3 广域网 5
2.1.4 互联网 5
2.2 常用的网络性能指标 6
2.2.1 网络时延 6
2.2.2 时延抖动 7
2.2.3 吞吐量 7
2.2.4 丢包率 7
2.3 本章小结 8
第3章 NS2仿真平台分析及使用 9
3.1 NS2软件简介 9
3.2 NS2结构分析 9
3.3 NS2中各种协议和对象之间的关系 10
3.4 使用NS2的流程 11
3.5 NS2中的画图工具XGRAPH 12
3.5.1 XGRAPH的安装流程简介 12
3.5.2 使用XGRAPH作图方法 12
3.6 NS2中画图工具GNUPLOT 13
3.6.1 GNUPLOT工具的安装说明 13
3.6.2 用GNUPLOT工具作图方法 13
3.7本章小结 14
第4章 典型网络的NS2仿真与分析 15
4.1 网络仿真平台的搭建 15
4.2 有线网络的仿真与过程分析 15
4.2.1 仿真参数设置 16
4.2.2 程序调试过程 16
4.2.3 仿真结果与分析 16
4.3 无线网络的仿真与参数优化 18
4.3.1 仿真参数的设置 20
4.3.2 程序调试过程 21
4.3.3 仿真结果与分析 22
4.3.4 网络参数优化与分析 24
4.4 混合网络的仿真与分析 26
4.4.1 仿真参数设置 27
4.4.2 程序调试过程 27
4.4.3仿真结果与分析 28
4.5 本章小结 30
第5章 总结与展望 31
5.1 总结 31
5.2 展望 32
参考文献 33
致 谢 35
附录 36
英文翻译 53
第1章 绪论
1.1 课题设计的背景及意义
随着现代网络规模越来越大、结构越来越复杂化以及网络的应用越来越多样化，单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应网络的发展的需要，需要一种有效的科学手段来预测现代网络的性能[1]。本课题正是基于NS2网络仿真软件分别对典型的有线、无线和混合网络进行性能仿真。
传统的网络实验方法，需要用很多的机器来测试网络的性能，有的负责做路由器，有的负责做服务器，有的做客户机，甚至需要建造较多的实验室，仅仅是购买设备就要花费掉一笔不菲的经费。另外，即使网络性能测试达到了预期的要求，也不能保证实际使用就不会出现问题。因为实验室中用来测试网络性能的计算机较少，测试的环境也比较简单，而且测试时间也较短，因此一旦在真实的网络环境中使用，编写的程序代码是否仍然有效，网络运行效率是不是依旧良好，网络的性能是否还能达到预期的要求，都是一个未知数。
网络仿真能有效提高网络规划和设计的可靠性和准确性，明显地降低网络投资风险、减少不必要的投资浪费，这正是本课题所做工作的意义。
NS2使用C++和Otcl作为开发语言[2]，是目前网络性能仿真中使用较广泛的一款软件，因此本课题利用NS2仿真平台来测试网络的性能。另外目前与NS-2配套使用的作图软件越来越完善，使得仿真结果的输出更加形象化。运用NS2软件不仅节省了昂贵的设备费用，而且还高度模拟了网络信息传输的场景，并且NS2是开放源代码[3]，现在因特网上有不少源代码和应用实例可供参考，因此可以很方便地在NS2中新增自己所设计的仿真协议。
仿真中通过哪些场景可以形象的看出网络的拥塞情况，各种网络在NS2中是如何运作的，NS2又是通过何种方式模拟网络的各种参数传输情况，网络各参数之间如何搭配成最优化组合，使得网络的传输性能达到最佳，这些都是本文需要完成的工作。
1.2 有线与无线混合网络的特点
(1) 无线网络与有线网络的异同
与有线网络不同的是，无线移动环境下误码率（BER）明显加大，延迟尖峰出现得更加频繁，出现突发的设备噪声，并且无线信道质量不稳定，因此无线网络要比有线网的传输环境更恶劣。这些特点将导致频繁产生丢包[4]。可是传统网络协议主要是针对有线网络设计的，在有线网络中，把所有的丢包简单归结为网络拥塞，而路径上一旦出现丢包现象，则该路径的拥塞窗口减半，但是，在无线网络中，丢包现象的发生并不完全是由于网络拥塞所引起的，一旦出现丢包现象就减少拥塞窗口则是不明智的，并且此行为会极大地降低无线网络中的性能。
（2）影响有线与无线混合网络性能的主要因素
有线网络中运行良好的传输协议在无线环境下性能会急剧下降，因此有线与无线混合网络环境下传输协议会遇到许多意想不到的问题，产生这些问题的原因可归纳为以下几个方面[5]：
1）链路不对称
无线网络一般采用非对称方式，上行信道的传输速率往往比下行信道慢很多。链路不对称会引起应答包在中间节点累积，同时在发送端会造成突发数据流，使网络产生拥塞。
2）无线信道与有线信道丢包率、误码率和时延迟不等
由于无线信道会产生多径衰落、时延扩展、噪声和多址干扰等，导致无线信道的丢包率比有线信道大得多。并且由于无线信道的时延不断变化及高误码率的特点，使得有线与无线混合网络环境下会影响到传输协议的性能。
3）无线网络状态会发生动态改变
无线网络是一个动态网络，网络节点可随处移动，可能由于电池能源耗尽或其他故障而退出网络，也可能由于节点突然加电被添加到网络中。网络节点经常改变位置，路由必须频繁地更新，这会导致数据包的丢失或乱序到达。
4）无线网络路由不稳定
负载过大是致使路由不稳定的原因之一，严重时会导致路由失败。在有多个无线节点使用同一信道时，有可能出现信道不恶化甚至掉线。一般信号强度下降，传输速度变低，也可能发生掉线。
5）能量受限
无线网络的特点之一是节点的能源是有限的，尤其是无线传感器网络以及车载网，要求网络功耗要小以此延长网络的寿命。依靠端到端的重发协议来提高靠传输的可靠性，意味着消耗更多的能量和带宽。
6）可靠性
网络应用环境不同，对可靠性的要求也不同。例如，在军事应用中，利用传感器节点收集的数据必须到达数据处理中心，而在民用的温度监控中，一些数据可能会丢失。传输协议如能利用不同的可靠性来建模，可节省网络资源。
1.3 论文主要内容及章节安排
本文的主要内容是基于NS2软件仿真平台分别对典型的有线、无线和混合网络进行计算机仿真。利用NS2的编程语言，编写仿真程序，得到了代表网络性能的参数：网络时延、时延抖动、吞吐量、丢包率的仿真曲线，并对无线网络的内部参数值进行优化。
全文共分五章：
第一章概述了课题设计的背景与意义，以及有线与无线混合网络的特点。
第二章给出了网络仿真的基本理论知识，包括典型网络的结构以及常用网络的性能指标含义。
第三章对NS2仿真平台的结构进行了简要分析，给出了该软件的使用方法以及仿真输出结果的常用的绘图工具。
第四章概述了利用NS2仿真工具分别对典型的有线网络、无线网络及其混合网络进行仿真的过程，分别给出仿真环境的搭建、仿真参数的设置方法，以及程序调试过程，最后对相应的仿真结果进行了分析。
第五章是总结与展望。
第2章 网络仿真理论基础
2.1 网络结构
计算机网络通俗地讲就是由多台计算机（或其它计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的[6]。总的来说计算机网络的组成基本上包括：计算机、网络操作系统、传输介质（可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是空气）以及相应的应用软件四部分。要学习网络，首先就要了解目前的主要网络类型，分清哪些是初级学者必须掌握的，哪些是目前的主流网络类型。虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。
2.1.1 局域网
通常“LAN”就是指局域网，这是最常见、应用最广的一种网络。现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台[7]。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。这种网络的特点就是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网：以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。
2.1.2 城域网
这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10-100公里，它采用的是IEEE802.6标准[8]。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。
摘 要
网络仿真是现代网络规划和设计中广泛使用的一种重要手段，本文基于NS2软件分别对典型的有线、无线和混合网络进行计算机仿真，得到了时延、时延抖动、吞吐量、丢包率等常见的网络性能指标。
论文首先概述了常用网络的结构、性能指标，有线/无线混合网络的特点。其次分析了NS2仿真平台组成，介绍NS2软件及其相关绘图工具的安装与使用方法，然后利用NS2的编程语言：C++以及OTCL语言，编写仿真程序，分别实现了对有线网络、无线网络以及混合网络的计算机仿真，得到了代表网络性能参数的仿真曲线，如网络的时延、时延抖动、吞吐量、丢包率曲线，并对仿真结果进行分析。为了进一步提高无线网络的性能，对无线网络的内部参数值进行优化，寻找到通过修改发送功率和门限阈值来控制信号传输距离的方法。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:NS2；网络仿真；网络性能
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题设计的背景及意义 1
1.2 有线与无线混合网络的特点 2
1.3 论文主要内容及章节安排 3
第2章 网络仿真理论基础 4
2.1 网络结构 4
2.1.1 局域网 4
2.1.2 城域网 5
2.1.3 广域网 5
2.1.4 互联网 5
2.2 常用的网络性能指标 6
2.2.1 网络时延 6
2.2.2 时延抖动 7
2.2.3 吞吐量 7
2.2.4 丢包率 7
2.3 本章小结 8
第3章 NS2仿真平台分析及使用 9
3.1 NS2软件简介 9
3.2 NS2结构分析 9
3.3 NS2中各种协议和对象之间的关系 10
3.4 使用NS2的流程 11
3.5 NS2中的画图工具XGRAPH 12
3.5.1 XGRAPH的安装流程简介 12
3.5.2 使用XGRAPH作图方法 12
3.6 NS2中画图工具GNUPLOT 13
3.6.1 GNUPLOT工具的安装说明 13
3.6.2 用GNUPLOT工具作图方法 13
3.7本章小结 14
第4章 典型网络的NS2仿真与分析 15
4.1 网络仿真平台的搭建 15
4.2 有线网络的仿真与过程分析 15
4.2.1 仿真参数设置 16
4.2.2 程序调试过程 16
4.2.3 仿真结果与分析 16
4.3 无线网络的仿真与参数优化 18
4.3.1 仿真参数的设置 20
4.3.2 程序调试过程 21
4.3.3 仿真结果与分析 22
4.3.4 网络参数优化与分析 24
4.4 混合网络的仿真与分析 26
4.4.1 仿真参数设置 27
4.4.2 程序调试过程 27
4.4.3仿真结果与分析 28
4.5 本章小结 30
第5章 总结与展望 31
5.1 总结 31
5.2 展望 32
参考文献 33
致 谢 35
附录 36
英文翻译 53
第1章 绪论
1.1 课题设计的背景及意义
随着现代网络规模越来越大、结构越来越复杂化以及网络的应用越来越多样化，单纯地依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不能适应网络的发展的需要，需要一种有效的科学手段来预测现代网络的性能[1]。本课题正是基于NS2网络仿真软件分别对典型的有线、无线和混合网络进行性能仿真。
传统的网络实验方法，需要用很多的机器来测试网络的性能，有的负责做路由器，有的负责做服务器，有的做客户机，甚至需要建造较多的实验室，仅仅是购买设备就要花费掉一笔不菲的经费。另外，即使网络性能测试达到了预期的要求，也不能保证实际使用就不会出现问题。因为实验室中用来测试网络性能的计算机较少，测试的环境也比较简单，而且测试时间也较短，因此一旦在真实的网络环境中使用，编写的程序代码是否仍然有效，网络运行效率是不是依旧良好，网络的性能是否还能达到预期的要求，都是一个未知数。
网络仿真能有效提高网络规划和设计的可靠性和准确性，明显地降低网络投资风险、减少不必要的投资浪费，这正是本课题所做工作的意义。
NS2使用C++和Otcl作为开发语言[2]，是目前网络性能仿真中使用较广泛的一款软件，因此本课题利用NS2仿真平台来测试网络的性能。另外目前与NS-2配套使用的作图软件越来越完善，使得仿真结果的输出更加形象化。运用NS2软件不仅节省了昂贵的设备费用，而且还高度模拟了网络信息传输的场景，并且NS2是开放源代码[3]，现在因特网上有不少源代码和应用实例可供参考，因此可以很方便地在NS2中新增自己所设计的仿真协议。
仿真中通过哪些场景可以形象的看出网络的拥塞情况，各种网络在NS2中是如何运作的，NS2又是通过何种方式模拟网络的各种参数传输情况，网络各参数之间如何搭配成最优化组合，使得网络的传输性能达到最佳，这些都是本文需要完成的工作。
1.2 有线与无线混合网络的特点
(1) 无线网络与有线网络的异同
与有线网络不同的是，无线移动环境下误码率（BER）明显加大，延迟尖峰出现得更加频繁，出现突发的设备噪声，并且无线信道质量不稳定，因此无线网络要比有线网的传输环境更恶劣。这些特点将导致频繁产生丢包[4]。可是传统网络协议主要是针对有线网络设计的，在有线网络中，把所有的丢包简单归结为网络拥塞，而路径上一旦出现丢包现象，则该路径的拥塞窗口减半，但是，在无线网络中，丢包现象的发生并不完全是由于网络拥塞所引起的，一旦出现丢包现象就减少拥塞窗口则是不明智的，并且此行为会极大地降低无线网络中的性能。
（2）影响有线与无线混合网络性能的主要因素
有线网络中运行良好的传输协议在无线环境下性能会急剧下降，因此有线与无线混合网络环境下传输协议会遇到许多意想不到的问题，产生这些问题的原因可归纳为以下几个方面[5]：
1）链路不对称
无线网络一般采用非对称方式，上行信道的传输速率往往比下行信道慢很多。链路不对称会引起应答包在中间节点累积，同时在发送端会造成突发数据流，使网络产生拥塞。
2）无线信道与有线信道丢包率、误码率和时延迟不等
由于无线信道会产生多径衰落、时延扩展、噪声和多址干扰等，导致无线信道的丢包率比有线信道大得多。并且由于无线信道的时延不断变化及高误码率的特点，使得有线与无线混合网络环境下会影响到传输协议的性能。
3）无线网络状态会发生动态改变
无线网络是一个动态网络，网络节点可随处移动，可能由于电池能源耗尽或其他故障而退出网络，也可能由于节点突然加电被添加到网络中。网络节点经常改变位置，路由必须频繁地更新，这会导致数据包的丢失或乱序到达。
4）无线网络路由不稳定
负载过大是致使路由不稳定的原因之一，严重时会导致路由失败。在有多个无线节点使用同一信道时，有可能出现信道不恶化甚至掉线。一般信号强度下降，传输速度变低，也可能发生掉线。
5）能量受限
无线网络的特点之一是节点的能源是有限的，尤其是无线传感器网络以及车载网，要求网络功耗要小以此延长网络的寿命。依靠端到端的重发协议来提高靠传输的可靠性，意味着消耗更多的能量和带宽。
6）可靠性
网络应用环境不同，对可靠性的要求也不同。例如，在军事应用中，利用传感器节点收集的数据必须到达数据处理中心，而在民用的温度监控中，一些数据可能会丢失。传输协议如能利用不同的可靠性来建模，可节省网络资源。
1.3 论文主要内容及章节安排
本文的主要内容是基于NS2软件仿真平台分别对典型的有线、无线和混合网络进行计算机仿真。利用NS2的编程语言，编写仿真程序，得到了代表网络性能的参数：网络时延、时延抖动、吞吐量、丢包率的仿真曲线，并对无线网络的内部参数值进行优化。
全文共分五章：
第一章概述了课题设计的背景与意义，以及有线与无线混合网络的特点。
第二章给出了网络仿真的基本理论知识，包括典型网络的结构以及常用网络的性能指标含义。
第三章对NS2仿真平台的结构进行了简要分析，给出了该软件的使用方法以及仿真输出结果的常用的绘图工具。
第四章概述了利用NS2仿真工具分别对典型的有线网络、无线网络及其混合网络进行仿真的过程，分别给出仿真环境的搭建、仿真参数的设置方法，以及程序调试过程，最后对相应的仿真结果进行了分析。
第五章是总结与展望。
第2章 网络仿真理论基础
2.1 网络结构
计算机网络通俗地讲就是由多台计算机（或其它计算机网络设备）通过传输介质和软件物理（或逻辑）连接在一起组成的[6]。总的来说计算机网络的组成基本上包括：计算机、网络操作系统、传输介质（可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是空气）以及相应的应用软件四部分。要学习网络，首先就要了解目前的主要网络类型，分清哪些是初级学者必须掌握的，哪些是目前的主流网络类型。虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网四种。局域网一般来说只能是一个较小区域内，城域网是不同地区的网络互联，不过在此要说明的一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分，只能是一个定性的概念。
2.1.1 局域网
通常“LAN”就是指局域网，这是最常见、应用最广的一种网络。现在局域网随着整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。很明显，所谓局域网，那就是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台[7]。一般来说在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题，不包括网络层的应用。这种网络的特点就是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网最快的速率要算现今的10G以太网。IEEE的802标准委员会定义了多种主要的LAN网：以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。
2.1.2 城域网
这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10-100公里，它采用的是IEEE802.6标准[8]。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。城域网多采用ATM技术做骨干网。ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输方法。ATM包括一个接口和一个协议，该协议能够在一个常规的传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。ATM也包括硬件、软件以及与ATM协议标准一致的介质。ATM提供一个可伸缩的主干基础设施，以便能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。ATM的最大缺点就是成本太高，所以一般在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。
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