NS2网络模拟的原理

TOMATOFAN

1. 网络模拟和网络仿真  此处参考《NS与网络模拟》--徐雷鸣

 

    （仅仅在此处，我们需要分别对待这两个术语，其他时刻请依据语境判断）

    徐老师在该书的开头详细阐明了“网络模拟”和“网络仿真”这两个有着本质差别的概念；

 

    网络模拟 Simulation

        模拟，即针对一个物理的或抽象的系统，选取某些行为特征，用另一个系统来表示他们的过程；

 

    网络仿真 Emulation

        仿真，即用另一个数据处理系统（主要是硬件），来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以至于模仿系统能像被模仿系统一样接受相同的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。

        （模仿系统和被模仿系统，在我们考虑范围内在功能上是等价的！）

   

    故而：

    Simulation强调的是模仿一个系统过程的 某些行为特征；

    Emulation 强调的是模仿者可以取代被模仿者或者嵌入到被模仿的系统中，并且表现出等价的行为；

 

    NS的设计之初是兼有“模拟”和“仿真”两大功能的。NS首先是可以模拟一个网络的运行过程，在此基础上做仿真的扩展，再嵌入到一个活动的网络中去。 NS中特定的对象可以把真实网络的分组数据引入到模拟器中，并将模拟器中产生的分组数据输出到真实的网络中。 不过，NS中的这种仿真功能一直都没有得到充分开发，现在还相当不成熟，平台移植性也比较差，很少被人使用。

  

    注意： （以下是个人心得）

    1. NS2模拟时，传递的每个数据包实际上只有包头信息，并且默认情况下该包头信息包含几乎各种协议规定的字段，而每一次具体的模拟仅仅在相应的字段上进行操作（只使用与协议相关的包头字段）； 因为模拟过程中数据包的数据毫无作用，所以根本不必传输，即仅仅包头信息就已完整表征实际网络中的一个分组（数据包）。

    2. 网络模拟的关键之一就是时间的控制（事件是按时序产生的、行为是时间依赖的、况且TCP/IP协议本身就时分依赖于计时器。  模拟过程的时间显然是无法与真实网络同步的，而且也没必要同步（仿真时才需要同步），因此模拟的时间戳通过NS2计时器功能模块统一控制，每一个计时器的实现也是依赖于模拟时间的，而不是实际时间。

 

2. NS是一个离散事件模拟器    此处参考《NS Manual》

 

    上面我提到NS2的仿真时间与实际时间是不一致的（模拟处理过程的速率不直接对应着实际时间），而是通过统一时钟控制和分组包头对应的时间戳字段标志来完成的。 因此不难理解NS的离散时间模拟的本质，也可以说是时间驱动的网络模拟。

 

    NS是一个离散事件模拟器。简单来说，系统状态的改变由事件决定，状态变迁仅仅发生在事件发生时进行。 在NS2网络模拟过程中，典型的事件包括分组到达、时钟超时等。

    模拟器所做的工作就是不停地处理事件容器（一般是FIFO队列）中一个个的事件，而一个事件的处理又可能会引发后续的事件（被加入到时间容器中），直到所有时间被处理完成或者某一个特定事件的发生位置，模拟过程终止。

 

    NS的核心部分是一个离散事件模拟引擎，对应为Scheduler类，负责记录当前时间，调度网络事件队列中的时间，并调用与事件相关联的处理函数，提供产生新事件的函数，指定事件发生的时间（即，给相应的Event类实例的时间变量赋值），等等。

 

3. NS2软件编写   此处看考《NS Manual》

 

     NS2是由UC Berkely结合C++和OTCL语言开发的面向对象的离散事件模拟器。

     关于采用这两种语言的解释：

     （1） 网络模拟的任务为两类

        高效灵活的操作： 

           具体网络协议的详细模拟和实现需要一种系统编程语言， 它应该具有高效操作字节、包头等数据结构，便于特定的算法在大规模数据集合上的实现，而且这些算法往往是需要重复执行的，所以高效是很重要的。  对于这类任务而言，运行效率是关键，而编程开发、重编译、与其他模块的组合耗时则不影响网络模拟过程。

        便捷的网络场景配置：

           我们的网络模拟实际上是围绕着网络组件（节点、链路、队列、特定协议、路由算法）和网络环境的具体参数进行的，换句话说，我们利用不同的网络组件创建我们的网络场景，更改网络组件的参数和网络环境的参数，进行不断的重复测试和对比测试。 因此我们需要高效的网络配置方案，以便在较短的时间开发出大量的网络场景。

    （2）选择C++和OTCL语言  

       C++ 程序运行效率高，是强制类型语言，容易实现复杂的数据结构和精确的、复杂的算法， 不过修改、debug和重新编译的耗时比较长， 因此被选做用于具体协议的开发实现。

       OTCL运行速度比较慢，但是可以很方便地（并且是交互地）修改，不需要编译（解释性语言），而且OTCL不是强制类型的，不容易出错， 因此适合用来做模拟的配置。

    （3）拓展NS2时语言选取的建议

       ＯＴＣＬ： 模拟场景的建立、具体参数的配置，以及模拟中只需要运行一侧的程序；

                   如果通过Otcl脚本操作已经存在的C++对象很方便达到目的时；

        C++ ：     需要对一个数据流的每个分组进行处理的任何工作；

                   如果必须修改已存在的C++类的行为时（以实现特定网络协议）。

 

 

4. NS2 软件结构的初识

 

       前面已经说到NS2模拟的核心是离散事件模拟引擎。 原则上用户可以利用该引擎对任何系统进行模拟，而不陷于通信网络系统。  通过很多NS设计者的努力，NS已经针对网络模拟预先做了大量的模型化工作，从而方便用户将焦点集中在所关注的协议本身，快速实现协议、方便完成测试。

       NS2对网络系统中一些通用的实体已经进行了建模，例如链路、队列、分组、节点等， 并用对象来实现这些实体的特性和功能，这就是NS的构件库。

       相对于一般的离散事件模拟器来说，NS的优势就在于它所具有的丰富的构件库，并且它们易于组合，易于扩展。用户可以充分利用这些已有的对象，进行少量的扩展，组合出所要研究的网络系统的模型，然后进行模拟（测试）。 这样，减轻了进行网络模拟研究的工作量，提高了效率。

 

       NS的构件库所支持的网络类型包括： 广域网、局域网、移动通信网、卫星通信网等；

                 所支持的路由方式包括： 层次路由、动态路由、多播路由等；

 

       NS还提供了跟踪和监测的对象，可以把网络系统的状态和事件记录下来以便分析。

       NS的构件库还提供了大量的数学方面的支持，包括随机数产生、随机变量、积分等

 

       NS2的结构示意图：

                                              

 

         该图Legend： 这是NS2 的整体框架， 网络模拟用户使用OTCl脚本进行场景创建，并通过命令是的Event Scheduler执行； OTCL脚本的命令和网络构件库，则是通过Tclcl机制实现对应的。

 

     简化的NS2 网络模拟用户的视图：        

    

     该图Legend：用户OTCL脚本由Otcl解释器解释执行， 最后得到模拟结果，进而进行分析或利用NAM显示模拟的整个过程。