馬元飛

(內(nèi)蒙古集寧師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

1.引言

網(wǎng)絡(luò)性能分析[1]一般有以下3種手段：數(shù)學(xué)分析法、實(shí)驗(yàn)探究法和仿真模擬法。然而前兩種方法都存在很大的局限性：數(shù)學(xué)分析法的有效性和精確性受假設(shè)限制很大，一些假設(shè)無法對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的限定和描述；實(shí)驗(yàn)探究法局限于成本居高不下，重新配置與資源共享難度大，運(yùn)行缺少靈活性，實(shí)驗(yàn)床規(guī)模難以做到很大，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中多種通信量和拓?fù)涞娜诤?。而仿真模擬的方法可以彌補(bǔ)前兩種方法的不足，它采用計(jì)算機(jī)程序?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型化，通過程序的運(yùn)行模擬仿真網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程。仿真模擬法利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò)行為，通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型，模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。

NS2[2]是一個(gè)面向?qū)ο?、可擴(kuò)展的離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真器，其核心部分是一個(gè)離散事件模擬引擎。NS2仿真器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)，執(zhí)行效率高，且仿真結(jié)果的可靠性高。NS2支持TCP、UDP等傳輸層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以模擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸如FTP、CBR等以及路由隊(duì)列的管理機(jī)制如DropTail，RED和CBQ等。同時(shí)，NS2可以進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。

NS2中并未直接提供性能分析工具，但是NS2會(huì)將仿真過程中的封包事件進(jìn)行記錄[3]，本文以此為據(jù)，通過對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來完成性能分析。封包事件記錄每條由11個(gè)字段構(gòu)成，字段含義從左到右依次為：(1)封包事件發(fā)生原因：“r”表示接收封包，“+”表示封包入隊(duì)、"-"表示封包出隊(duì)、“d”表示丟棄封包；(2)事件發(fā)生的時(shí)間；(3)發(fā)生地點(diǎn)；(4)封包類型；(5)封包大小；(6)封包標(biāo)志標(biāo)注；(7)封包數(shù)據(jù)流歸屬；(8，9)源端、目的端；(10，11)封包序號、封包 ID。為了便于執(zhí)行分析，我們將上述記錄文件分割為接收端和發(fā)送端兩個(gè)部分，其中發(fā)送端包含：序號、時(shí)間、和封包大小，接收端包含序號、傳送時(shí)間、到達(dá)時(shí)間、封包延遲時(shí)間、封包大小。

2.性能分析指標(biāo)

常用的網(wǎng)絡(luò)性能分析指標(biāo)[4]有吞吐量、丟包率、抖動(dòng)率等，具體內(nèi)容說明如下：(1)吞吐量定義為在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量，一般指鏈路上所有通信數(shù)據(jù)總的傳輸速率，計(jì)算時(shí)采用接收的封包總大小除以所花費(fèi)的時(shí)間即可；(2)丟包率是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，計(jì)算采用發(fā)送端的封包數(shù)量減去接收端封包數(shù)量并除以封包總數(shù)；(3)抖動(dòng)率是網(wǎng)絡(luò)延遲的變化量，它是由同一應(yīng)用的任意兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)包在傳輸路由

中經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)延遲而產(chǎn)生，計(jì)算采用封包延遲時(shí)間差距除以封包序號差距得到，計(jì)算公式如下：

3.實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/h2>

實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(圖1)包括兩個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)s1和s2，路由器r和數(shù)據(jù)接收端d。s1到r之間和s2到r之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬都是2Mbps，傳遞時(shí)延為10ms。網(wǎng)絡(luò)中的帶寬瓶頸在r和d之間，帶寬為1.7Mbps，傳遞時(shí)延為20ms。所有鏈路管理機(jī)制都采用DropTail，r到d之間的最大隊(duì)列長度是10個(gè)封包。s1與d之間會(huì)有一條FTP聯(lián)機(jī)，另外，s2到d之間有一條CBR[3]聯(lián)機(jī)，其傳送速度為1Mbps，每一個(gè)封包大小為1KB。

圖1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

4.性能分析

我們假設(shè)CBR數(shù)據(jù)流持續(xù)時(shí)間從0.1秒到4.5秒，F(xiàn)TP數(shù)據(jù)流持續(xù)時(shí)間從1.0到4.0秒。按照上述網(wǎng)絡(luò)環(huán)境編寫TCL程序代碼，并在NS2中仿真執(zhí)行，得到sd_udp(發(fā)送端s2)，rd_udp(接受端d)兩個(gè)記錄文件。我們以這兩個(gè)文件為數(shù)據(jù)樣本，針對CBR，完成性能分析。本文性能分析關(guān)注點(diǎn)有3個(gè)方面：丟包率、抖動(dòng)率、吞吐量。

(1)丟包率計(jì)算。從sd_udp文件中，可以得知共有550條記錄(550行)：從rd_udp文件中，可以得知共有542筆記錄，所以共有8個(gè)封包遺失，因此udp封包遺失率為8/550=1.45%.

(2)抖動(dòng)率計(jì)算。計(jì)算采用AWK[5]腳本語言編寫，腳本代碼如下：

###執(zhí)行方法：###

###awk-f measure-jitter.awk rd_udp>cbr_jitter###BEGIN{

last_pkt_id=-1；

last_e2e_delay=-1；

}{

pkt_id=$1；

send_time=$2；

rcv_time=$3；

e2e_delay=$4；

pkt_size=$5；

if(last_pkt_id!=-1){

jitter=(e2e_delay-last_e2e_delay)/

(pkt_id-last_pkt_id)；

printf("%f%f "，send_time，jitter)；

}

last_pkt_id=pkt_id；

last_e2e_delay=e2e_delay；

}{}

執(zhí)行后生成cbr_jitter文件，用GNUPLOT[6]作圖，得到圖2，從中發(fā)現(xiàn)在[1，4]秒時(shí)間段內(nèi)，由于受到FTP數(shù)據(jù)流干擾，CBR數(shù)據(jù)流呈現(xiàn)較大的抖動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符。

圖2 抖動(dòng)率變化

(3)吞吐量計(jì)算

計(jì)算采用PERL腳本[7]編寫，腳本代碼如下：

#使用方法：perl measure-throughput.pl

#記錄文件文件名

$infile=$ARGV[0]；

#多少時(shí)間計(jì)算一次(單位為秒)

$granularity=$ARGV[1]；

$sum=0；

$sum_total=0；

$clock=0；

$maxrate=0；

$init=0；

#打開記錄文件

open(DATA，"<$infile")

||die"Can't open$infile$!"；

#讀取記錄文件中的每行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是以空白分成眾多字段while(){

@x=split('')；

if($init==0){

$start=$x[2]；$init=1；

}

#讀取的第零個(gè)字段是pkt_id

#讀取的第一個(gè)字段是封包傳送時(shí)間

#讀取的第二個(gè)字段是封包接收時(shí)間

#讀取的第三個(gè)字段是封包end to end delay

#讀取的第四個(gè)字段是封包大小

#判斷所讀到的時(shí)間，是否已經(jīng)達(dá)到要統(tǒng)計(jì)吞吐量的時(shí)候

if($x[2]-$clock<=$granularity)

{

#計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)累積的封包大小

$sum=$sum+$x[4]；

#計(jì)算累積的總封包大小

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

}

else

{

#計(jì)算吞吐量

$throughput=$sum*8.0/$granularity；

if($throughput>$maxrate){

$maxrate=$throughput；

}

#輸出結(jié)果：時(shí)間吞吐量(bps)

print STDOUT"$x[2]：$throughput bps "；

#設(shè)定下次要計(jì)算吞吐量的時(shí)間

$clock=$clock+$granularity；

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

$sum=$x[4]；

}

}

$endtime=$x[2]；

#計(jì)算最后一次的吞吐量大小

$throughput=$sum*8.0/$granularity；

print STDOUT"$x[2]：$throughput bps "；

$clock=$clock+$granularity；

$sum=0；

#print STDOUT"$sum_total$start$endtime "；

$avgrate=$sum_total*8.0/($endtime-$start)；

print STDOUT"Average rate：$avgrate bps "；

print STDOUT"Peak rate：$maxrate bps "；

#關(guān)閉檔案

close DATA；

exit(0)；

采用命令perl measure-throughput.pl rd_udp 0.5執(zhí)行后，結(jié)果如圖3，從中可以發(fā)現(xiàn)CBR最高吞吐量大約出現(xiàn)在4.5秒，也就是FTP停止后一段時(shí)間，此時(shí)正是信道被CBR獨(dú)占的時(shí)段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符。

圖3 吞吐量變化

5.結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，人們對網(wǎng)絡(luò)的要求也越來越高，隨之對網(wǎng)絡(luò)性能的分析也變得越來越重要。本文從丟包率、抖動(dòng)率、吞吐量3個(gè)角度對NS2環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)性能分析方法進(jìn)行了研究，下一步的工作可以在此基礎(chǔ)上，將該方法擴(kuò)展到更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸，進(jìn)一步對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行改善，使網(wǎng)絡(luò)資源得到充分利用。

[1]趙吉波，周宇，周紅瓊.基于NS2仿真的IP網(wǎng)絡(luò)性能分析與研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(4)：113-115.

[2]NS2.http：//www.isi.edu/nsnam/ns/[EB/OL].2013

[3]柯志亨，程榮祥，鄧德雋.NS2仿真實(shí)驗(yàn)-多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]楊雅輝，李小東.IP網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)體系的研究[J].通信學(xué)報(bào)，2002，23(11)：1-7.

[5]AWK.[EB/OL].(2012-11-22)[2013-01-11].http：//www.grymoire.com/Unix/Awk.html.

[6]GNUPLOT.[EB/OL].(2012-09-03)[2013-01-11].http：//www.gnuplot.info/.

[7]Brian d foy，Tom Phoenix，Randal L，Schartz.Perl語言入門.http：//wenku.baidu.com/view/c8dbc908f12d2af90242e629.html[EB/OL]，2006.