1、目录目录 II摘要 .IABSTRACT II引言 .11 电子图书检索 .21.1 中国知识资源总库 .21.2 IEEE/IET ELECTRONIC LIBRARY (IEL)全文数据库 21.3 超星数字图书馆 .22 网络仿真工具 NS.22.1 NS 简介 .22.2 NS 的应用领域及研究范围 .32.3 NS 的组件 .32.4 NS 的功能 .33 NS 的仿真原理 .43.1 基本感念 .43.2 系统结构 .43.3 NS2 体系结构 .53.4NS 模拟过程 54 NS 的基本构件及 TCL 语言 74.1NS 基本构件 74.2TCL 语言 .95 NS 的实例仿真及
2、分析 .105.1 OTCL 脚本编写 .105.2 模拟器执行 TCL 脚本 .125.3 用 AWK 对结果进行数据分析 125.4 用 GUNPLOT 对结果进行图形分析 126 结论 .13致谢 .14参考文献 .14不要页眉页脚摘要二十一世纪是一个信息爆炸的时代，人们对各种信息的需求量越来越大。作为未来信息交换的主要渠道之一，网络在人们的生活和工作中扮演者越来越重要的角色。在信息高速流通的今天，人们对于信息的准确性、实时性提出了新的要求，这也就对传输信息的网络听出了更高的要求。NS(Network Simulator)即 网 络 仿 真 器 ， 是 一 种 针 对 网 络 技 术 的
3、 源 代 码 公 开的 、 免 费 的 软 件 模 拟 平 台 ， 研 究 人 员 使 用 它 可 以 很 容 易 的 进 行 网 络 技 术 的 开 发 ， 而且 发 展 到 今 天 ， 它 所 包 含 的 模 块 已 经 非 常 丰 富 ， 几 乎 涉 及 到 了 网 络 技 术 的 所 有 方 面 。所 以 ， NS 成 了 目 前 学 术 界 广 泛 使 用 的 一 种 网 络 模 拟 软 件 。 NS2（Network Simulator, version 2）是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。由 UC Berkeley 开发而成。它本身有一个虚拟时钟，所有的仿
4、真都由离散事件驱动的。目前 NS2 可以用于仿真各种不同的 IP 网，已经实现的一些仿真有：网络传输协议，路由队列管理机制，路由算法，也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些 MAC 子层协议。设计者可以利用 NS 及其他一些组件，如：Awk，Gunplot,对设计的网络进行模拟和仿真，分析网络是否符合设计的标准，为网络的设计提供极大地方便。关键字：NS; Nam； Awk; Gunplot; 网络仿真。IABSTRACTThe twenty-first century is an era of information explosion, people demand more and mor
5、e kinds of information. The future one of the main channel of information exchange, networking and work in peoples lives more and more important role in the actor. Today, high-speed flow of information, people information accuracy, real-time raised new requirements, which also transmit information o
6、n the network hear the higher demand. NS (Network Simulator) that is, network simulator, is one for the source code public network technology, free software simulation platform for researchers to use it can be Rongyi the development of network technology, and development today, Tasuobaohan The modul
7、e is already very rich, almost involve all aspects of the network technology. Therefore, NS has become a widely used in the current academic network simulation software. NS2 (Network Simulator, version 2) is an object-oriented network simulator, is essentially a discrete event simulator. Development
8、 made by the UC Berkeley. Itself has a virtual clock, all by the discrete event driven simulation. NS2 simulation currently available for a variety of IP network, has achieved some of the simulation are: the network protocol, routing queue management mechanism, routing algorithm, but also for local
9、area network simulation and realization of a multicast MAC sub-layer protocol as well as some.Designers can use the NS and some other components, such as: Awk, Gunplot, the design of network modeling and simulation, analysis of network meets the design standards for the design of the network very ea
10、sy.Keywords：NS; Nam； Awk; Gunplot; Network Simulation基于 NS 的网络仿真0引言21 世纪是一个信息高速交互的时代，掌握越多的有效信息就意味着提升成功的可能的性，因此人们对信息的需求量越来越大。作为信息传输的主要手段，网络越来越被人们所关注，人们对信息传输的准确性、实时性和可靠性要求越来越高，因此对网络的要求也越来越高。企业和个人开始关注网络，许多人正在或正准备学习网络知识，进行网络开发或创建自己的网站。NS(Network Simulator)即 网 络 仿 真 器 ， 是 一 种 针 对 网 络 技 术 的 源 代 码 公 开的 、 免
11、 费 的 软 件 模 拟 平 台 ， 研 究 人 员 使 用 它 可 以 很 容 易 的 进 行 网 络 技 术 的 开 发 ， 而且 发 展 到 今 天 ， 它 所 包 含 的 模 块 已 经 非 常 丰 富 ， 几 乎 涉 及 到 了 网 络 技 术 的 所 有 方 面 。所 以 ， NS 成 了 目 前 学 术 界 广 泛 使 用 的 一 种 网 络 模 拟 软 件 。本次毕业设计基于 NS 的网络模拟和仿真，是在 Windows XP 下，以 NS2为基础，采用 awk 和 gunplot（选作）对数据进行分析的。论文中介绍了 NS2 的基本常识，包括其基本组件，基本功能，应用领域和研
12、究范围，着重介绍了 NS 的仿真原理和仿真过程。第 1 部分为绪论，包括 NS 的基本概念，及其应用范围，基本组件等；第 2 部分为仿真原理，介绍基于 NS2 的网络仿真原理和理论支持；第 3 部分为 NS 的基本构件，主要是 NS 中对网络实体的抽象和定义；第 4 部分为应用实例的仿真及分析。基于 NS 的网络仿真11 电子图书检索1.1 中国知识资源总库中国最大的知识资源共享网格平台中国知识资源总库网 格 资 源 共 享 平台 （简称“CNKI 平台”）在清华大学建成并投入运行。作为“CNKI 平台” 资源基础的中国知识资源总库,目前已容纳了包括 CNKI 系列数据库和来自国内外的加盟数据
13、库 2600 多个,全文和各类知识信息数据超过了 5000 万条,是目前全球最大的知识资源全文数据库集群。刚刚建成运行的“CNKI 平台”则连接了其中 1400 多个数据库,这些巨大的数据库, 分布在全球的不同地方、不同行业、不同媒体性质、不同数据格式、不同检索方法、不同应用环境下,由采用当前最先进计算机网格技术和知识挖掘技术的 “CNKI 平台” 集成整合为一个整体统一管理,做到了跨库、跨平台、跨语言的无缝链接,实现了计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源和知识资源的社会化全面共享,便于用户在同一界面、用同一导航系统、用同样的检索操作方法,进行跨库跨平台的一站式检索应用。 “CNK
14、I 平台”将在互联网上,以“知识超市”形式体现,任何一个知识资源的生产者,都可以通过“ 中 国 知 网 ”,发布其数据库产品,并在“CNKI 平台 ”统一管理下 ,实现数据的全社会共享。为了不断提高“CNKI 平台”的设计和技术水平,清华大学通过“中国知网” 设置了为期三个月的发现问题奖、功能改进建议奖、最佳组织奖和最佳设计奖等奖项,奖金总额 80 万元,奖励名额 500 名。下图为中国知识资源总库免费注册界面：注册完成后我们可以进入中国知识资源总库的登录界面，用刚才注册的用户名和密码登录该网站即可搜索相关资源，如搜索本次实验的相关文件信息 NS2 的相关软件等。基于 NS 的网络仿真2基于
15、NS 的网络仿真31.2IEEE/IET Electronic Library (IEL)全文数据库提供美国电气电子工程师学会（IEEE）和英国工程技术学会（IET）出版的 360种期刊、11902 种会议录、3231 种标准的全文，并可看到出版物信息。总共提供超过 200 万篇全文文献，最早回溯至 1913 年，一般提供 1988 年以后的全文，部分期刊还可以看到预印本（Forthcoming Articles） 。IEL 汇集了当今科技最重要的信息，是电气和电子工程领域最重要的文献资料，约占全世界该领域核心文献的 30%。 据 ISI 每年的期刊引用报告显示，IEEE 连续高居众多技术领域
16、的前列1.3 超星数字图书馆海量电子图书资源丰富，其中包括文学、经济、计算机等五十余大类，数十万册电子图书，300 万篇论文，全文总量 4 亿余页，数据总量 30000GB，大量免费电子图书，并且每天仍在不断的增加与更新。是目前世界最大的中文在线数字图书馆；先进、成熟的超星数字图书馆技术平台和“超星阅览器” ，给您提供各种读书所需功能。专为数字图书馆设计的 PDG 电子图书格式，具有很好的显示效果、适合在互联网上使用等优点。 “超星阅览器”是国内目前技术最为成熟、创新点最多的专业阅览器，具有电子图书阅读、资源整理、网页采集、电子图书制作等一系列功能；超星图书馆为全文数字图书馆，由时代超星公司与
17、广东中山图书馆合作开发。进入超星数字图书馆，可在线阅读数字图书 30 万种。该数字图书馆除具有浏览、检索功能外，还辅以插入书签、标注等功能。数据库访问采用 IP 地址控制方式，凡网址在校园网内的用户可通过西安邮电学院图书馆主页“电子资源”中的“超星图书馆“ 链接，直接进入该数据库进行访问，不需要帐号和口令，也不用购买阅读卡。下图为超星数字图书馆登录界面：2 网络仿真工具 NS2.1 NS 简介NS 是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，研究人员使用它可以很容易的进行网络技术的开发，而且发展到今天，它所包含的模块已经非常丰富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。所以，NS 成了目前学
18、术界广泛使用的一种网络模拟软件。此外，NS 也可作为一种辅助教学的工具，已被广泛应用在了网络基于 NS 的网络仿真4技术的教学方面。因此，目前在学术界和教育界，有大量的人正在使用或试图使用NS。2.2 NS 的应用领域及研究范围A应用领域最初，NS 是一款在 UNIX 下运行的免费网络协议模拟软件。现在可在Lunix、 windows 环境下均可模拟。NS 采用开放的体系结构，有大量的协议库支持，可应用于 LAN、WAN 、蜂窝网和卫星网络模拟。B研究范围NS 支持网络协议的研究，可用于通信协议的设计，数据流的研究分析等。还可以用于不同协议的比较。其优点在于与运行平台无关，有大量的协议、代码以
19、及可供使用的模型，很容易的对开源的、不同的协议进行比较。2.3 NS 的组件A. ns: 网络模拟器网络模拟器用于执行 tcl 脚本，进行模拟，并将所有的模拟结果以 trace 文件的结果输出。B.nam: 网络 AniMator网络 AniMator 将 ns 的结果可视化。2.4 NS 的功能NS2 是一种面向对象的网络仿真器，它本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。目前 NS2 可以用于仿真各种不同的 IP 网，已经实现的一些仿真有: A. 有线网络 路由层 DV, LS, PIM-SM 传输层: TCP and UDP 流量产生:web, ftp, telnet, cbr,
20、 stochastic 队列模型:drop-tail, RED, FQ, SFQ QoS: IntServ and Diffserv B. 无线网络 网络类型：MANET, Sensor Networks 路由：AODV, DSR, DSDV ，Mobile IP 以及 HMIPv6 等 MAC: 802.11, 802.15.4,Smac 等 传输层、多种数据流模拟3 NS 的仿真原理3.1 基本感念A离散事件系统是事件规定了系统状态的改变，状态的改变仅在事件发生时进行。B模拟：通过为实际系统建立模型，以研究各种条件下的行为的技术。C模拟时间：就是由事件的发生来推进的D模拟过程：看作模拟时间
21、 0 增加到模拟的终止时间的过程。E. 离散事件的模拟器。负责记录当前时间、调度网络事件队列中的事件，并提供函数产生新事件，制定事件发生的时间。基于 NS 的网络仿真53.2 系统结构NS2 把世界上的一切都看成事件，并形成一个队列，其实只是维护一个基于发生时间排序的事件（events ）队列，维护一个系统的时间virtual time ，并重复的执行以下的过程:1. 从对首取出一个事件 , set virtual time=events time，2.处理这个事件 3.如果在处理时间过程中产生新的 event，插入 queue。每一个事件都有一个预定的执行（虚拟的）时间，独立于真实执行时间。
22、 Time:调度时间。 Uid：时间的标识 Next：指向事件列表中下一个事件。 Handler：一个指针。事件被调度的处理函数。 类 packet 是类 event 的一个子类。 事件被不断插入事件列表中，然后一个个被调度和执行，直到事件列表中为空，模拟就结束。3.3 NS2 体系结构NS2 面向对象设计，支持重用,容易维护,方便扩展，如添加新协议。Ns 中的组件一般都是由两个相关的类来实现的，一个在 c+，一个 otcl,这种方式被称为分裂对象模型，NS2 采用采用分裂对象模型，C+是高效的编译执行语言，功能模拟，性能较好。执行速度快。Otcl 解释执行的，进行多次场景配置。不必重新编译更
23、灵活。主要功能在 c+， otcl 主要提供 c+对象面向用户的接口。Tclcl 连接 c+和 otcl，用户在解释器下建立模拟对象，然后映像到编译层的对象。编译-c+,otcl 作为前台来使用来使用 ns，访问 c+里的成员函数。NS2 采用两级体系结构，为了提高代码的执行效率，NS2 将数据操作与控制部分的实现相分离，事件调度器和大部分基本的网络组件对象后台使用 C+实现和编译，称为编译层，主要功能是实现对数据包的处理；NS2 的前端是一个 OTcl 解释器，称为解释层，主要功能是对模拟环境的配置、建立。从用户角度看，NS2 是一个具有仿真事件驱动、网络构件对象库和网络配置模块库的 OTc
24、l 脚本解释器。NS2 中编译类对象通过 OTcl 连接建立了与之对应的解释类对象，这样用户间能够方便地对C+对象的函数进行修改与配置，充分体现了仿真器的一致性和灵活性。3.4NS 模拟过程1、执行模拟脚本。2、初始化，实例化组件，然后放在 simulator3、启动事件，开始执行模拟过程。4、所有事件完成，模拟结束。基于 NS 的网络仿真6NS 是一个离散事件调度器，模拟的时间是由调度器的事件来推进的。调度器管理列表，使模拟得以进行。NS2 使用 C+和 Otcl 作为开发语言。 NS 可以说是 Otcl的脚本解释器，它包含 1.仿真事件调度器 2.网络组件对象库 3.网络构建模型库等。离散
25、事件调度器用于计算仿真时间并且激活事件队列中的当前事件，执行一些相关的事件，并有计时功能。网络组件对象库将网络中的各个实体抽象，已有的网络组件可以实现模拟的目标，不需对 ns 组件进行修改，直接编写 otcl 脚本。现有的网络组件不能实现模拟的目标，需对 ns 新组件进行建立，已有的组件进行修改，需要添加 c+类和 otcl 类，然后再编写 otcl 脚本。然后将模拟的网络实体按要求进行互联。在仿真过程中，NS2 把世界上的一切都看成事件，并形成一个队列，其实只是维护一个基于发生时间排序的事件（events）队列，维护一个系统的时间virtual time ，并重复的执行以下的过程:1. 从对
26、首取出一个事件, set virtual time=events time，2.处理这个事件 3.如果在处理时间过程中产生新的 event，插入 queue每一个事件都有一个预定的执行（虚拟的）时间，独立于真实执行时间。网络是确定模拟目标编写 otcl 脚本现有的组件可否完成运行分析是否修改脚本/组件结束修改组件是修改组件否修改脚本基于 NS 的网络仿真7通过过传递分组来相互通信，但这并不耗费仿真时间,所有需要花费的仿真时间来处理分组的网络组件都必须要使用事件调度器,它先为这个分组发出一个事件，然后等待这个事件被调度回来之后，才能做下一步的处理工作。这样一次进行，直至所有的事件都执行完。在执行
27、完成之后，所有相关的数据都会存储在一个自动生成的trace 文件中。4 NS 的基本构件及 tcl 语言4.1NS 基本构件A事件事件是一个事件驱动的模拟器,类型有非实时的和实时两类。事件调度器Scheduler 的主要功能是处理分组的延迟以及充当定时器事件调度器。目前 NS2 提供了四种具有不同数据结构的调度器，分别是链表、堆、日历表和实时调度器。模拟开始， scheduler 对象会完成一系列初始化的工作，包括：初始化 packet 内容，建立一个 Event scheduler，缺省为 calendler scheduler.建立一个 null agent一个事件通常由触发时间和 han
28、dler 函数组成。在执行过程中，从所有的事件中选择发生时刻最早的事件，调用 handler 函数，把事件执行完毕，然后，又从剩余的所有事件中选择发生时刻最早的事件执行，反复执行。其支持单线程，在一个时刻只能执行一个事件。每一次模拟都需要建立一个 simulator 类的实例来控制模拟过程。B节点节点是由 TclObject 对象组成的复合组件，在 NS2 中可以表示端节点和路由器。主要包含两个问题：1.节点的创建 2.节点的管理。节点创建的基本方法为调用Simulator 类的 node 过程。set ns new Simulator$ns node基于 NS 的网络仿真8NS 的节点由一系
29、列的分类器组成 address classifier （地址分类器）：判断分组的目标地址port classifier（端口分类器）：判断分组的目标代理(Agent)节点的管理包括定义它的属性：函数 nodeconfig。包括：节点的地址类型、移动节点各个网络构件的类型、路由协议类型、是否打开各层（Agent,Router,MAC)。nodeconfig的常用选项含义：-addressType:设定节点的地址类型。在 NS 中，节点地址有两种类型： def(也称 flat)是缺省类型，用一个 32bit（3 层）的数表示节点的地址。 hierarchical 是分层地址，把 32bit 分为几
30、层，一般用于组播。C链路由多个组件复合而成，用来连接网络节点。所有的链路都是以队列的形式来管理分组的到达、离开和丢弃.链路由一系列的连接器（Connector）组成。单项链路的建立：Simplex-link$simplex-link双向链路的建立：有两个 Simplex-link 组成$duplex-linkD分组由头部和数据两部分组成。一般情况下，packet 只有头部、没有数据部分。 分组是对象之间交互的基本单元。由一系列分组头和一个可选的数据空间组成。在模拟对象被创建时就初始化了，同时，每个分组的起始偏移量就被记录下来。E代理负责网络层分组的产生和接收，也可以用在各个层次的协议实现中。每
31、个 agent连接到一个网络节点上，由该节点给它分配一个端口号。 代表了网络层分组的起点和终点。分为 udp 和 tcp。可实现网络层、传输层等多个层次的协议。Agent 类由基于 NS 的网络仿真9c+和 Otcl 共同实现的。UDP:Udp agent 是用 c+实现的。工作过程：从应用层接收数据，如果数据太长，Udp agent 要分段，然后把分段的数据封装为 Udp 分组。TCP: 单向代理：包括一系列 TCP 发送者和接受者 TCPSink，接受者向发送者返回一个应答 ack 分组,没接受一个数据分组，就返回一个 ack 分组。双向代理:本身可作为发送者 BayFullTcp 和接受
32、者 FullTcp,FApplication 类包括 telnet 和 ftp。ftp 可以模拟大量的数据传输4.2tcl 语言TCL (Tool Command Language)是 UNIX 下的一种 Shell 语言。TCL 是一种解释执行的简单的脚本语言，其解释器是用 c 编写的，具有很强的扩展性，是一种用来描述 NS2 中所要仿真的网络环境及参数设定。基本概念：脚本、命令、字脚本是由一个命令或多个组成。格式：Command arg1 arg2。命令是脚本执行的基本元素，一个命令后面跟着若干个字，表示命令的参数，用空格或 tab 来分隔。1、变量在 TCL 中变数可用“set”及“un
33、set”来新增或删除，其表示方式为在变量前面加一个“$”即可-表示引用。2、表示式表示式一般有数学表示式、关系表示式等。表示式通常都是使用“expr 表达式 “的方式来执行表示式并求得结果。 3、流程控制 “if-else”、 “while”、 “for”、“switch“等常见的流程控制指令。 4、程序(procedures) 定义一程序的语法为：proc name params body，其中 name 为程序的名称，params 为参数列表，body 为程序主体。5、数组 基于 NS 的网络仿真10使用数组来存放数据 set myarr(0) “I“set myarr(1) “Love“
34、set myarr(2) “nmlab“for set i 0 $i TCP - FTP1set ftp1 new Application/FTP$ftp1 attach-agent $tcp$ftp1 set type_ FTP#- Connect Agent -#Connect the traffic source with the traffic sink$ns connect $tcp $sink #set the color -tcp-color_1 $tcp set fid_ 1E使用模拟器对象的 at 过程设置节点事件和时间的对应关系例：#Set time$ns at 5 “$c
35、br start“$ns at 15 “$ftp1 start“$ns at 35 “$cbr stop“$ns at 45 “$ftp1 stop“$ns at 50 “finish“#Run the simulation$ns runF使用模拟器对象 run 开始模拟例 1：#Run the simulation$ns run基于 NS 的网络仿真125.2 模拟器执行 tcl 脚本作业 1：执行脚本后，会生成可视化的网络拓扑，如下图所示：共有六个节点，五条链路，节点 0 的数据传给节点 4，节点 1 的数据传给节点 5，在传输过程中出现了丢包情况作业 2：如图所示，一共有六个节点，数据从
36、节点 0 传向节点 5，在传输过程中出现了一次路由选择开始是传输路径为：0145,重新选择路由后路径为：01235。在重新路由选择后，链路 14 的数据会丢失。5.3 用 Awk 对结果进行数据分析AWK 是一种程序式语言，它具有一般程序式语言常見的功能，因 AWK 語言具有某些特点，如： 使用直译器(Interpreter)不需先行编译;AWK 处理列(Record) ，字段(Field)形态的数据。 分析的数据按照一定的格式显示，如下所示：5.4 用 Gunplot 对结果进行图形分析gnuplot 是一个命令导向的交谈式绘图程序(command-driven interactive fu
37、nction plotting program)。由使用者输入命令，以设定或修改绘图环境。使用者可透过图形基于 NS 的网络仿真13化的显示数据数据，而进行进一步的分析。下图为 TCP 和 UDP 传包数和丢包数的曲线图：下图为 TCP 和 UDP 的丢包数：下图为 TCP 和 UDP 发包数和丢包数的比值：6 结论本科研训练完成的是基于 NS 的网络仿真，包括脚本的编写，数据文件的生成，将结果可视化，对生成数据进行分析和绘图。在本次课程设计的过程中，以两个作业题为基础，通过完成对网络的模拟和仿真，使我基本掌握了 NS 的仿真原理，并完成了对数据的分析；当然，我对于 NS 的理解还不够深刻，对
38、其应用也还不够熟练，只能完成一些简单的模拟，不过我会在今后的设计和学习中将它们实现。通过两个周的课程设计，完成了基于 NS 的网络仿真和数据分析，更重要的是学习了一遍 NS 脚本语言和 NS 的仿真原理，看了许多关于 NS 的书，不仅丰富了学识，而且从中学到了网络设计的应注意的问题，相信通过这次课程设计，对以后的学习和程网络设计和迷你仿真会有很大的帮助。基于 NS 的网络仿真14致谢经过两周的科研训练，我基本掌握了 NS2 的仿真原理，能应用 NS2 和awk，gunplot 进行网络仿真，并能对生成的数据进行基本的分析，使我学到了很多东西。这其中由我自己的努力，更多的是老师和同学的帮助，为此
39、我要对老师和同学给予我的帮助表示深深地感谢，同时也感谢学校给我们提供实验仪器和设备。实习刚开始，由于我们以前没有接触过 NS 这一款软件，老师自己备课，细心地为我们讲述 NS 的发展过程，其应用领域，研究范围，基本的构件，仿真原理等等。老师的讲解使我对 NS 有了初步的认识，也为我之后的学习打下了来那个好的基础。在之后的学习过程中，我也遇到了很多问题，对于这些问题，老师和同学给予了我耐心的回答，使我能顺利的完成实习，并对 NS 及其仿真原理有了更为深刻的理解和认识。我再次向帮助我的老师和同学表示深深地谢意。参考文献(1)柯志亨 程荣祥 邓德隽 NS2 实现方针-多媒体和无限通信网络 北京：电子工业出版社 2009.3IBSN 978-7-121-08360-0(2)于斌 孙斌 温暖 王绘丽 陈江锋 网络仿真技术与应用个丛书-NS2 与网络模拟人民邮电出版社 2007.4IBSN 978-7-115-14475-1/TN(3)方路平 刘世华 陈盼 郭笋 陈小乐 NS-2 网络模拟基础与应用 北京：国防工业出版社 2008.5IBSN 978-7-118-05638-9
