弋改珍

引 言

Ethernet已經(jīng)成為局域網(wǎng)的事實標準，它在局域網(wǎng)市場上的占有率超過90%。隨著計算機價格的下降，組建并運行局域網(wǎng)不是一件非常難的事情。然而，在網(wǎng)絡教學中，如何去體會和理解局域網(wǎng)中協(xié)議的運行機理不是一件容易的事情。

網(wǎng)絡仿真是一種使用軟件模擬實際網(wǎng)絡的運行，跟蹤記錄網(wǎng)絡運行過程中的各種參數(shù)，對不同類型的數(shù)據(jù)進行分析，得出網(wǎng)絡性能的評估結(jié)果的方法。網(wǎng)絡仿真工具多種多樣，其中應用較為廣泛的是NS2[1]（SimulationNetworkversion2）。

NS2 仿真原理

1.NS2 的特點：（1）采用面型對象、離散事件驅(qū)動的仿真方法，便于對實際網(wǎng)絡建模，仿真效率高，系統(tǒng)易于擴展。（2）采用兩種語言即C++和Otcl，兼顧仿真效率和系統(tǒng)建模的靈活性?？梢允褂肙tcl進行仿真場景配置，采用C++編寫網(wǎng)絡組件擴充系統(tǒng)的仿真能力。（3）支持802.3Mac協(xié)議；可生成指定的業(yè)務流；支持鏈路失敗、出錯處理。（4）仿真結(jié)果使用NAM進行動態(tài)顯示。

2.Ethernet 仿真原理

LAN連接實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議棧中低三層的功能：邏輯鏈路層（LL）、介質(zhì)訪問控制層（MAC）、物理層。

物理層有兩個仿真對象：Channel和Classifier/Mac。Channel仿真共享介質(zhì)，并在發(fā)送過程中支持MAC對象的介質(zhì)訪問機制；接收時，Classifier/Mac負責將復制包傳送給接收的MAC對象。

MAC依賴物理層的功能完成載波偵聽、沖突檢測和沖突避免等功能，CSMA/CD的所有功能都在MAC對象中實現(xiàn)。

鏈路層實現(xiàn)排隊和地址解析。Queue實現(xiàn)發(fā)送隊列機制，LL對象實現(xiàn)地址解析。

每個局域網(wǎng)中有一個默認的LanRouter對象，該對象在局域網(wǎng)初始化時被創(chuàng)建。對于LAN上的每一個節(jié)點，鏈路層對象（LL）有一個指向LanRouter的指針，它能為局域網(wǎng)上發(fā)送的每個包找到目的節(jié)點[2]。

Ethernet 仿真實現(xiàn)與分析

根據(jù)NS2仿真所使用的語言，仿真分為解釋層和編譯層。解釋層用來配置仿真場景及參數(shù)；編譯層用來實現(xiàn)仿真元素，如物理層、鏈路層、MAC協(xié)議等。

1.配置網(wǎng)絡場景

圖1構(gòu)架了一個總線型的以太網(wǎng)，總線上共有0-7號站點，總線帶寬為10Mb，延時為30ms，0號節(jié)點為發(fā)送者，6號節(jié)點為接收者。在二者進行通信的過程中，分別設定延時為15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms時，改變其帶寬，分別為2Mb、4Mb、6Mb、8Mb、10Mb、12Mb、14Mb，來分析時延、帶寬與吞吐量之間的關系。仿真時間4.5秒。

圖1Ethernet 拓撲圖

2.仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果以兩種形式給出，一種是使用NS提供的動畫軟件NAM，可以動態(tài)地演示局域網(wǎng)通信的整個過程。

由于LAN只實現(xiàn)了OSI參考模型的低三層功能，缺少傳輸層和應用層。在仿真LAN時，為了仿真數(shù)據(jù)包在LAN中的傳送過程，仿真實例中加入了9號節(jié)點，它具有傳輸層功能，作為0號節(jié)點和6號節(jié)點通信時的數(shù)據(jù)源。

第二種仿真結(jié)果是以trace文件形式給出。

圖2 吞吐量隨時延、帶寬的變化情況

仿真結(jié)束后，使用grep和gawk數(shù)據(jù)處理工具對trace文件中的數(shù)據(jù)進行處理，得到網(wǎng)絡吞吐量隨時延和帶寬的變化情況如上圖2所示。

從圖2可以看出，當總線上延時和帶寬分別為10Mb、30ms不變時，0號給6號傳送數(shù)據(jù)，當設定延時不變時，隨著帶寬的增大，吞吐量會隨之增加；但是當帶寬的值增加到超過總線上總帶寬時，吞吐量保持不變；當設定帶寬值不變時，網(wǎng)絡的吞吐量隨著延遲的增加大而減小。

結(jié) 論

NS2已經(jīng)成為一個廣泛應用的網(wǎng)絡仿真工具，其中集成了大量典型的有線、無線甚至衛(wèi)星網(wǎng)絡下各個層協(xié)議，同時NS2研究者及用戶又在對NS2進行不斷的修改和完善。NS2的這種開放性，使得NS2在教育和研究方面有著廣泛的應用。

本文使用NS2仿真Ethernet網(wǎng)絡的通信過程，特別是使用NAM工具動態(tài)演示了Ethernet的通信原理。通過演示，可以直觀地看到網(wǎng)絡協(xié)議的行為，了解各種環(huán)境或者因素對網(wǎng)絡帶來的影響。為了進一步深入研究，本文通過相關工具對仿真結(jié)果進行分析，給出網(wǎng)絡吞吐量與時延、帶寬之間的關系。研究的步驟和結(jié)果對于仿真技術(shù)在網(wǎng)絡課程教學中的應用具有一定的借鑒作用。

[1]徐雷鳴.NS2 與網(wǎng)絡模擬[M].北京：人民郵電出版社，2006，11.

[2]Kevin Fall.Thens Manual(for merlyns Notes and Documents)[OL].2012.