NS2条件网络性能分析实践

马元飞

(内蒙古集宁师范学院，内蒙古 乌兰察布 012000)

1.引言

网络性能分析[1]一般有以下3种手段：数学分析法、实验探究法和仿真模拟法。然而前两种方法都存在很大的局限性：数学分析法的有效性和精确性受假设限制很大，一些假设无法对复杂网络系统进行准确的限定和描述；实验探究法局限于成本居高不下，重新配置与资源共享难度大，运行缺少灵活性，实验床规模难以做到很大，不能实现网络中多种通信量和拓扑的融合。而仿真模拟的方法可以弥补前两种方法的不足，它采用计算机程序对网络进行模型化，通过程序的运行模拟仿真网络的运行过程。仿真模拟法利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，通过建立网络设备和网络链路的统计模型，模拟网络流量的传输，从而获取网络设计及优化所需要的网络性能数据。

NS2[2]是一个面向对象、可扩展的离散事件驱动的网络仿真器，其核心部分是一个离散事件模拟引擎。NS2仿真器具有强大的数据处理功能，可扩展性强，执行效率高，且仿真结果的可靠性高。NS2支持TCP、UDP等传输层网络协议，可以模拟网络数据传输如FTP、CBR等以及路由队列的管理机制如DropTail，RED和CBQ等。同时，NS2可以进行无线通信网络和卫星网络进行仿真。

NS2中并未直接提供性能分析工具，但是NS2会将仿真过程中的封包事件进行记录[3]，本文以此为据，通过对其进行数据采集来完成性能分析。封包事件记录每条由11个字段构成，字段含义从左到右依次为：(1)封包事件发生原因：“r”表示接收封包，“+”表示封包入队、"-"表示封包出队、“d”表示丢弃封包；(2)事件发生的时间；(3)发生地点；(4)封包类型；(5)封包大小；(6)封包标志标注；(7)封包数据流归属；(8，9)源端、目的端；(10，11)封包序号、封包 ID。为了便于执行分析，我们将上述记录文件分割为接收端和发送端两个部分，其中发送端包含：序号、时间、和封包大小，接收端包含序号、传送时间、到达时间、封包延迟时间、封包大小。

2.性能分析指标

常用的网络性能分析指标[4]有吞吐量、丢包率、抖动率等，具体内容说明如下：(1)吞吐量定义为在一个时隙内成功发送的数据包数量，一般指链路上所有通信数据总的传输速率，计算时采用接收的封包总大小除以所花费的时间即可；(2)丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率，计算采用发送端的封包数量减去接收端封包数量并除以封包总数；(3)抖动率是网络延迟的变化量，它是由同一应用的任意两个相邻数据包在传输路由

中经过网络延迟而产生，计算采用封包延迟时间差距除以封包序号差距得到，计算公式如下：

3.实验拓扑

实验网络环境(图1)包括两个传输节点s1和s2，路由器r和数据接收端d。s1到r之间和s2到r之间的网络带宽都是2Mbps，传递时延为10ms。网络中的带宽瓶颈在r和d之间，带宽为1.7Mbps，传递时延为20ms。所有链路管理机制都采用DropTail，r到d之间的最大队列长度是10个封包。s1与d之间会有一条FTP联机，另外，s2到d之间有一条CBR[3]联机，其传送速度为1Mbps，每一个封包大小为1KB。

图1 实验拓扑图

4.性能分析

我们假设CBR数据流持续时间从0.1秒到4.5秒，FTP数据流持续时间从1.0到4.0秒。按照上述网络环境编写TCL程序代码，并在NS2中仿真执行，得到sd_udp(发送端s2)，rd_udp(接受端d)两个记录文件。我们以这两个文件为数据样本，针对CBR，完成性能分析。本文性能分析关注点有3个方面：丢包率、抖动率、吞吐量。

(1)丢包率计算。从sd_udp文件中，可以得知共有550条记录(550行)：从rd_udp文件中，可以得知共有542笔记录，所以共有8个封包遗失，因此udp封包遗失率为8/550=1.45%.

(2)抖动率计算。计算采用AWK[5]脚本语言编写，脚本代码如下：

###执行方法：###

###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；

}{}

执行后生成cbr_jitter文件，用GNUPLOT[6]作图，得到图2，从中发现在[1，4]秒时间段内，由于受到FTP数据流干扰，CBR数据流呈现较大的抖动，实验结果与预期相符。

图2 抖动率变化

(3)吞吐量计算

计算采用PERL脚本[7]编写，脚本代码如下：

#使用方法：perl measure-throughput.pl

#记录文件文件名

$infile=$ARGV[0]；

#多少时间计算一次(单位为秒)

$granularity=$ARGV[1]；

$sum=0；

$sum_total=0；

$clock=0；

$maxrate=0；

$init=0；

#打开记录文件

open(DATA，"<$infile")

||die"Can't open$infile$!"；

#读取记录文件中的每行数据，数据是以空白分成众多字段while(){

@x=split('')；

if($init==0){

$start=$x[2]；$init=1；

}

#读取的第零个字段是pkt_id

#读取的第一个字段是封包传送时间

#读取的第二个字段是封包接收时间

#读取的第三个字段是封包end to end delay

#读取的第四个字段是封包大小

#判断所读到的时间，是否已经达到要统计吞吐量的时候

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

{

#计算单位时间内累积的封包大小

$sum=$sum+$x[4]；

#计算累积的总封包大小

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

}

else

{

#计算吞吐量

$throughput=$sum*8.0/$granularity；

if($throughput>$maxrate){

$maxrate=$throughput；

}

#输出结果：时间吞吐量(bps)

print STDOUT"$x[2]：$throughput bps "；

#设定下次要计算吞吐量的时间

$clock=$clock+$granularity；

$sum_total=$sum_total+$x[4]；

$sum=$x[4]；

}

}

$endtime=$x[2]；

#计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 "；

#关闭档案

close DATA；

exit(0)；

采用命令perl measure-throughput.pl rd_udp 0.5执行后，结果如图3，从中可以发现CBR最高吞吐量大约出现在4.5秒，也就是FTP停止后一段时间，此时正是信道被CBR独占的时段，实验结果与预期相符。

图3 吞吐量变化

5.结语

随着网络的不断发展，网络结构越来越复杂，人们对网络的要求也越来越高，随之对网络性能的分析也变得越来越重要。本文从丢包率、抖动率、吞吐量3个角度对NS2环境下网络性能分析方法进行了研究，下一步的工作可以在此基础上，将该方法扩展到更加复杂的网络应用场景，发现网络性能的瓶颈，进一步对网络环境进行改善，使网络资源得到充分利用。

[1]赵吉波，周宇，周红琼.基于NS2仿真的IP网络性能分析与研究[J].电子设计工程，2012，20(4)：113-115.

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

[3]柯志亨，程荣祥，邓德隽.NS2仿真实验-多媒体和无线网络通信[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4]杨雅辉，李小东.IP网络性能指标体系的研究[J].通信学报，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语言入门.http：//wenku.baidu.com/view/c8dbc908f12d2af90242e629.html[EB/OL]，2006.