ns-2与TCP拥塞模拟 之四 ns-2仿真脚本中的元素



ns-2与TCP拥塞模拟 之四 ns-2仿真脚本中的元素

一般的网络仿真脚本，需要有模拟器类（Simulator类）、事件、节点、链路、代理、应用等元素。

1）模拟器类（Simulator类）

在ns-2中，每个仿真过程都需要一个类对整个过程进行控制和管理，这个类就是模拟器类（Simulator类）。整个模拟过程从创建一个模拟器类对象开始，通过调用这个对象的各种过程实现：创建节点、构建拓扑结构图、对模拟的各方面进行配置、定义事件、根据定义的事件模拟整个网络的运行等。

对应的脚本语句如下（通常都在脚本的开头部分）：

set ns [new Simulator]      ;#新建一个Simulator对象（如要使用这个ns对象，写作$ns）

模拟器类对象创建的同时，还会完成以下相关的初始化操作：

（1）初始化分组格式（调用create_packetformat）；

（2）创建一个事件调度器（scheduler，默认为calendar scheduler）；

（3）创建一个空代理（null agent）。

2）事件和事件调度器

目前ns-2支持4种事件调度器：

（1）链表式（linked-list）调度器；

（2）堆式（heap）调度器，适用于大量事件的情况；

（3）时间队列式（calendar）调度器，这个是默认的事件调度器；

（4）实时（real-time）调度器。

常用的语句有如下4种：

$ns halt                                       ;#停止或暂停调度器

$ns run                                    ;#启动调度器

$ns at <time> <event>                               ;#在一个特定时间<time>调度一个事件<event>

$ns cancel <event>                                 ;#取消<event>事件，将事件从准备好的调度器中删除

这样，就很容易理解示例1中“$ns at 5.0 "finish"”、“$ns run”这样的语句了。

3）节点

根据网络节点之间通信方式的不同，分组的传输方式有两类：单播（unicast）和多播（multicast），在ns-2中对应单播节点和多播节点。以下仅介绍最相关的单播节点。

一个单播节点本质上是一个组合对象，主要包括两个Tcl对象：地址分类器（address classifier）和端口分类器（port classifier）。节点主要完成以下操作。

（1）每种不同的分类器分别查看报文的一个特殊部分，再依次转发报文；

（2）地址分类器的主要功能是用来判断报文的地址，转发报文到下一个接收器；

（3）端口分类器的主要功能是匹配报文的目的端口，将报文传递给相应的代理对象。

节点相关的命令比较多，下面只介绍脚本中最常用的几个：

set nodename [$ns node]                                  ; #创建了一个单播节点nodename

$node attach <agent><optional:port_num>     ;#将<agent>绑定到节点上

$node detach <agent> <null_agent>       ;#从节点上撤除代理，然后在这个端口上绑定一个空代理

上述的attach绑定命令中，如果用户没有指定端口号<port_num>，节点将自动为代理分配一个端口号，并将该代理绑定到节点上。

4）链路

ns-2的链路（link）同时实现了物理层、数据链路层及部分网络层的功能，按通信方式可以分为单工、半双工和全双工三种方式。

ns-2中有多种连接器，每种连接器执行不同的功能。一条链路是由一系列的连接器（connector）逐步构成的。组成链路的队列（Queues）、延迟链路对象（DelayLink）和TTL检查器对象（TTLChecker）都是连接器类（Connector类）的子类。以下简要说明之。

（1）队列对象（Queues）：用来存放或丢弃分组的缓冲区。不同的队列类型拥有不同的队列管理及分组调度机制。目前ns-2支持的队列类型有以下4种：

①丢弃队尾（Drop-tail）的先进先出队列（最常见类型）；

②RED缓冲区管理；

③CBQ（包括优先级和轮换调度）；

④各种公平队列（FQ、SFQ、DRR）。

（2）延迟链路对象（DelayLink）：主要用来模拟链路延迟和带宽特性的对象。

（3）TTL检查器对象（TTLChecker）：代表了报文的生存期，是报文中的一个域。TTL通常表示报文在被丢弃前最多能经过的路由器个数。当记数到0时，路由器决定丢弃该报文，并发送一个ICMP报文给最初的发送者。

脚本通常使用双向链路，实际上一条双向链路由两条方向不同的单向链路构成。以下仅列举常用的两种命令（可以参考示例1中的语句）。

#创建一条node1到node2的双向链路，并且定义一些特性

$ns duplex-link <node1> <node2><bandwidth> <delay> <queue_type>

#设置链路的属性，主要包括方向、颜色等，用于Nam的动画显示

$ns duplex-link-op <node1> <node2><option> <args>

5）代理

代理（Agent）用于构建和销毁网络层的分组报文，是网络层分组报文的起点和终点。同时，代理还可以实现各种不同层的网络协议。

典型的代理是ns-2中的Agent/TCP和Agent/UDP，分别实现了传输层的两个重要协议TCP和UDP。ns-2支持的各种协议代理都是Agent类的子类。字符“/”作为分隔符的类命名规则表示OTcl类中的继承关系。在ns-2中，所有的OTcl类都是从SplitObject类继承来的。

Agent类是由C++和OTcl共同实现的。对于代理的使用者来说，需要知道使用此特定代理的OTcl Agent中的内部变量。例如，OTcl中Agent/UDP类的内部变量packetSize_实际上是与C++中UDP Agent类中的size_属性绑定在一起的，这样只需创建一个Agent/UDP对象，并使用set命令设置packetSize_的值，模拟器就自动将相应的值赋给C++ Agent类中的size_属性。

（1）Agent/UDP。Agent/UDP类是Agent类的一个子类，模拟了UDP协议的主要功能。

ns-2创建和设置UDP代理可以分为以下4步：

①创建一个Agent/UDP对象，并绑定到相应的节点上作为报文分组的发送器；

②设置Agent/UDP的部分内部变量；

③创建一个Agent/Null对象，并绑定到相应的节点作为报文分组的接收器；

④在发送代理和接收代理之间创建连接（connect）。

具体的脚本代码可以参考以下的OTcl代码示例。

#创建UDP代理（假设节点n0和n1、模拟器对象ns已经建立）

 

set udp [new Agent/UDP]                   ;#创建一个UDP Agent

$ns attach-agent $n0 $udp                     ;#将UDP Agent绑定到节点n0上，作为报文的发送器

$udp set packetSize_ 536                       ;#设置UDP数据分组大小为536B

set null [new Agent/Null]                   ;#创建一个空代理对象null，作为分组的接收器

$ns attach-agent $n1 $null                    ;#将null绑定到节点n1上

$ns connect $udp $null                                  ;#在两个Agent之间建立连接

Agent/Null是空代理类，它通常和UDP代理配合使用，作为数据的接收器。空代理接收到报文分组后，直接丢弃，不做其他处理。这一点也符合UDP协议不要求接收端对报文分组做出任何响应的规范。

（2）Agent/TCP。ns-2中有两类TCP代理：单向代理（one-way agent）和双向代理（two-way agent）。单向代理包括一系列TCP发送器（实现了不同的拥塞算法或者差错控制算法）和接收器（TCPSink），双向代理本身既可以作为发送者也可以作为接收者。

ns-2创建和设置TCP代理可以分为以下4步：

①创建一个Agent/TCP对象，作为报文分组的发送器；

②设置Agent/TCP对象的部分内部变量；

③创建一个Agent/TCPSink对象，作为报文分组的接收器；

④在发送器和接收器之间创建连接（connect）。

具体代码以TCP的单向代理Agent/TCP（Tahoe算法）和Agent/TCPSink为例，OTcl代码如下。

#创建TCP代理（假设节点n0和n1，以及模拟器对象ns已经建立）

 

set tcp [new Agent/TCP]                      ;#创建一个TCP发送代理对象tcp

$ns attach-agent $n0 $tcp                       ;#把这个TCP发送代理绑定在节点n0上

$tcp set fid_ 1                                          ;#设置IP层数据流fid

$tcp set window_ 20                              ;#设置TCP滑动窗口的大小为20

set sink [new Agent/TCPSink]            ;#创建分组的接收代理对象

$ns attach-agent $n1 $sink                     ;#将接收器sink代理绑定到节点n1上

$ns connect $tcp $sink                           ;#在两个Agent之间建立连接

（3）其他协议Agent。ns-2中除了支持UDP、TCP协议外，还支持许多其他的协议，这些协议都是通过继承Agent来实现的，如ICMP（Internet Control Message Protocol）中的Agent/Ping等。

（4）相关的命令。在这里不再赘述已经举例的命令，仅简单举些例子。

$agent port                                            ;#返回绑定的agent端口号

$agent dst-port                                       ;#返回目标端口号

$agent attach-app <s_type>                   ;#在agent上绑定一个类型为<s_type>应用

$agent attach-trace <file>                       ;#将<file>绑定到agent上，允许Nam跟踪Agent的事件

6）应用

在ns-2中，业务流是由应用层产生的。Application类是OTcl中应用层程序的基类，提供了应用层程序的一些行为的基本原型。应用层程序构建在传输层之上，通过在传输层Agent内部预定义一些成员函数来模拟socketAPI的功能。应用可以分为两大类：流量产生器（traffic generator）和应用模拟器（simulated application）。流量产生器一般构建在UDP代理之上，应用模拟器则建构在TCP代理之上。

（1）流量产生器。

网络中的业务流是随机产生的，为此，ns-2中创建了各种不同的概率模型来模拟实际网络中的业务流。在ns-2中，实现了4种流量产生器。

①指数分布流量产生器，在OTcl中对应的类名为Application/Traffic/Exponential。该流量产生器有一个“On/Off”开关。在“On”状态，流量产生器以固定的速率发送报文分组；在“Off”状态，停止发送报文分组；“On”和“Off”两种状态的时间长度符合指数分布。

②泊松分布流量产生器，在OTcl中对应的类名为Application/Traffic/Pareto。

③固定比特流量产生器，在OTcl中对应的类名为Application/Traffic/CBR。该流量产生器按照一个固定的速率产生业务流，分组的长度为一常数值。

④Trace文件流量产生器，在OTcl中对应的类名为Application/Traffic/Trace。

（2）应用模拟器。

①FTP应用模拟器，对应的OTcl类为Application/FTP，主要用来模拟大量数据的传送。

②Telnet应用模拟器，对应的OTcl类为Application/TELNET。

系列1的示例脚本中，使用CBR应用驱动了UDP数据传输，使用FTP驱动了TCP数据传输，因此相应的代码在此不再赘述。