NS2條件網絡性能分析實踐

馬元飛

(內蒙古集寧師范學院，內蒙古 烏蘭察布 012000)

1.引言

網絡性能分析[1]一般有以下3種手段：數學分析法、實驗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：數學分析法的有效性和精確性受假設限制很大，一些假設無法對復雜網絡系統進行準確的限定和描述；實驗探究法局限于成本居高不下，重新配置與資源共享難度大，運行缺少靈活性，實驗床規模難以做到很大，不能實現網絡中多種通信量和拓撲的融合。而仿真模擬的方法可以彌補前兩種方法的不足，它采用計算機程序對網絡進行模型化，通過程序的運行模擬仿真網絡的運行過程。仿真模擬法利用數學建模和統計分析的方法模擬網絡行為，通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型，模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計及優化所需要的網絡性能數據。

NS2[2]是一個面向對象、可擴展的離散事件驅動的網絡仿真器，其核心部分是一個離散事件模擬引擎。NS2仿真器具有強大的數據處理功能，可擴展性強，執行效率高，且仿真結果的可靠性高。NS2支持TCP、UDP等傳輸層網絡協議，可以模擬網絡數據傳輸如FTP、CBR等以及路由隊列的管理機制如DropTail，RED和CBQ等。同時，NS2可以進行無線通信網絡和衛星網絡進行仿真。

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

2.性能分析指標

常用的網絡性能分析指標[4]有吞吐量、丟包率、抖動率等，具體內容說明如下：(1)吞吐量定義為在一個時隙內成功發送的數據包數量，一般指鏈路上所有通信數據總的傳輸速率，計算時采用接收的封包總大小除以所花費的時間即可；(2)丟包率是指測試中所丟失數據包數量占所發送數據包的比率，計算采用發送端的封包數量減去接收端封包數量并除以封包總數；(3)抖動率是網絡延遲的變化量，它是由同一應用的任意兩個相鄰數據包在傳輸路由

中經過網絡延遲而產生，計算采用封包延遲時間差距除以封包序號差距得到，計算公式如下：

3.實驗拓撲

實驗網絡環境(圖1)包括兩個傳輸節點s1和s2，路由器r和數據接收端d。s1到r之間和s2到r之間的網絡帶寬都是2Mbps，傳遞時延為10ms。網絡中的帶寬瓶頸在r和d之間，帶寬為1.7Mbps，傳遞時延為20ms。所有鏈路管理機制都采用DropTail，r到d之間的最大隊列長度是10個封包。s1與d之間會有一條FTP聯機，另外，s2到d之間有一條CBR[3]聯機，其傳送速度為1Mbps，每一個封包大小為1KB。

圖1 實驗拓撲圖

4.性能分析

我們假設CBR數據流持續時間從0.1秒到4.5秒，FTP數據流持續時間從1.0到4.0秒。按照上述網絡環境編寫TCL程序代碼，并在NS2中仿真執行，得到sd_udp(發送端s2)，rd_udp(接受端d)兩個記錄文件。我們以這兩個文件為數據樣本，針對CBR，完成性能分析。本文性能分析關注點有3個方面：丟包率、抖動率、吞吐量。

(1)丟包率計算。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個封包遺失，因此udp封包遺失率為8/550=1.45%.

(2)抖動率計算。計算采用AWK[5]腳本語言編寫，腳本代碼如下：

###執行方法：###

###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；

}{}

執行后生成cbr_jitter文件，用GNUPLOT[6]作圖，得到圖2，從中發現在[1，4]秒時間段內，由于受到FTP數據流干擾，CBR數據流呈現較大的抖動，實驗結果與預期相符。

圖2 抖動率變化

(3)吞吐量計算

計算采用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]；

#多少時間計算一次(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據，數據是以空白分成眾多字段while(){

@x=split('')；

if($init==0){

$start=$x[2]；$init=1；

}

#讀取的第零個字段是pkt_id

#讀取的第一個字段是封包傳送時間

#讀取的第二個字段是封包接收時間

#讀取的第三個字段是封包end to end delay

#讀取的第四個字段是封包大小

#判斷所讀到的時間，是否已經達到要統計吞吐量的時候

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

{

#計算單位時間內累積的封包大小

$sum=$sum+$x[4]；

#計算累積的總封包大小

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

}

else

{

#計算吞吐量

$throughput=$sum*8.0/$granularity；

if($throughput>$maxrate){

$maxrate=$throughput；

}

#輸出結果：時間吞吐量(bps)

print STDOUT"$x[2]：$throughput bps "；

#設定下次要計算吞吐量的時間

$clock=$clock+$granularity；

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

$sum=$x[4]；

}

}

$endtime=$x[2]；

#計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 "；

#關閉檔案

close DATA；

exit(0)；

采用命令perl measure-throughput.pl rd_udp 0.5執行后，結果如圖3，從中可以發現CBR最高吞吐量大約出現在4.5秒，也就是FTP停止后一段時間，此時正是信道被CBR獨占的時段，實驗結果與預期相符。

圖3 吞吐量變化

5.結語

隨著網絡的不斷發展，網絡結構越來越復雜，人們對網絡的要求也越來越高，隨之對網絡性能的分析也變得越來越重要。本文從丟包率、抖動率、吞吐量3個角度對NS2環境下網絡性能分析方法進行了研究，下一步的工作可以在此基礎上，將該方法擴展到更加復雜的網絡應用場景，發現網絡性能的瓶頸，進一步對網絡環境進行改善，使網絡資源得到充分利用。

[1]趙吉波，周宇，周紅瓊.基于NS2仿真的IP網絡性能分析與研究[J].電子設計工程，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仿真實驗-多媒體和無線網絡通信[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]楊雅輝，李小東.IP網絡性能指標體系的研究[J].通信學報，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.