NS-2

一篇简单介绍NS2的文章 转自新浪博文
NS是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，研究人员使用它可以很容易的进行网络技术的开发，而且发展到今天，它所包含的模块已经非常丰 富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。所以，NS成了目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件。在每年国内外发表的有关网络技术的学术论文中，利用NS给出 模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果也是被学术界所普遍认可的，此外，NS也可作为一种辅助教学的工具，已被广泛应用在了网络技术的教学方 面。因此，目前在学术界和教育界，有大量的人正在使用或试图使用NS。

然而，对初学者来说，NS是非常难于掌握的，一般人从学习NS到上手至少需要半年多时间。原因是多方面的：一方面，NS内容庞杂，随软件所提供的手册更新 不够快，初学者阅读起来非常困难；另一方面，使用NS还要掌握其它很多必备的相关知识以及相关工具，这会使初学者感到无从入手；有的使用者可能还不了解网 络模拟的过程或是对NS软件的机制缺乏理解，这也影响了对NS的掌握。另外，不论在国外还是国内，还没有一本书能集中回答和解决这些问题，这也是NS难于 被掌握的一个重要原因。


1、NS2简介

NS2（Network Simulator, version 2）是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。由UC Berkeley开发而成。它本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。目前NS2可以用于仿真各种不同的IP网，已经实现的一些仿真有：网络 传输协议，比如TCP和UDP；业务源流量产生器，比如FTP, Telnet, Web CBR和VBR；路由队列管理机制，比如Droptail , RED和CBQ；路由算法，比如Dijkstra等。NS2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC 子层协议。

NS2使用C++和Otcl作为开发语言。NS可以说是Otcl的脚本解释器，它包含仿真事件调度器、网络组件对象库以及网络构建模型库等。事件调度器计 算仿真时间，并且激活事件队列中的当前事件，执行一些相关的事件，网络组件通过传递分组来相互通信，但这并不耗费仿真时间。所有需要花费仿真时间来处理分 组的网络组件都必须要使用事件调度器。它先为这个分组发出一个事件，然后等待这个事件被调度回来之后，才能做下一步的处理工作。事件调度器的另一个用处就 是计时。NS是用Otcl和C++编写的。由于效率的原因，NS将数据通道和控制通道的实现相分离。为了减少分组和事件的处理时间，事件调度器和数据通道 上的基本网络组件对象都使用C++写出并编译的，这些对象通过映射对Otcl解释器可见。

当仿真完成以后，NS将会产生一个或多个基于文本的跟踪文件。只要在Tcl脚本中加入一些简单的语句，这些文件中就会包含详细的跟踪信息。这些数据可以用于下一步的分析处理，也可以使用NAM将整个仿真过程展示出来。


2、使用NS进行网络仿真的方法和一般过程。

进行网络仿真前，首先分析仿真涉及哪个层次，NS仿真分两个层次：一个是基于OTcl编程的层次。利用NS已有的网络元素实现仿真，无需修改NS本身，只 需编写OTcl脚本。另一个是基于C++和OTcl编程的层次。如果NS中没有所需的网络元素，则需要对NS进行扩展，添加所需网络元素，即添加新的 C++和OTcl类，编写新的OTcl脚本。

假设用户已经完成了对NS的扩展，或者NS所包含的构件已经满足了要求，那么进行一次仿真的步骤大致如下：

（1）开始编写OTcl脚本。首先配置模拟网络拓扑结构，此时可以确定链路的基本特性，如延迟、带宽和丢失策略等。

（2）建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。

（3）配置业务量模型的参数，从而确定网络上的业务量分布。

（4）设置Trace对象。NS通过Trace文件来保存整个模拟过程。仿真完后，用户可以对Trace文件进行分析研究。

（5）编写其他的辅助过程，设定模拟结束时间，至此OTcl脚本编写完成。

（6）用NS解释执行刚才编写的OTcl脚本。

（7）对Trace文件进行分析，得出有用的数据。

（8）调整配置拓扑结构和业务量模型，重新进行上述模拟过程。

NS2采用两级体系结构，为了提高代码的执行效率，NS2 将数据操作与控制部分的实现相分离，事件调度器和大部分基本的网络组件对象后台使用C++实现和编译，称为编译层，主要功能是实现对数据包的处理；NS2 的前端是一个OTcl 解释器，称为解释层，主要功能是对模拟环境的配置、建立。从用户角度看，NS2 是一个具有仿真事件驱动、网络构件对象库和网络配置模块库的OTcl脚本解释器。NS2中编译类对象通过OTcl连接建立了与之对应的解释类对象，这样用 户间能够方便地对C++对象的函数进行修改与配置，充分体现了仿真器的一致性和灵活性。


3、NS2的功能模块

NS2仿真器封装了许多功能模块，最基本的是节点、链路、代理、数据包格式等等，下面分别来介绍一下各个模块。

（1）事件调度器：目前NS2提供了四种具有不同数据结构的调度器，分别是链表、堆、日历表和实时调度器。

（2）节点（node）：是由TclObject对象组成的复合组件，在NS2中可以表示端节点和路由器。

（3）链路（link）：由多个组件复合而成，用来连接网络节点。所有的链路都是以队列的形式来管理分组的到达、离开和丢弃。

（4）代理（agent）：负责网络层分组的产生和接收，也可以用在各个层次的协议实现中。每个agent连接到一个网络节点上，由该节点给它分配一个端口号。

（5）包（packet）：由头部和数据两部分组成。一般情况下，packet只有头部、没有数据部分。


4、NS2的软件构成

NS2包含Tcl/Tk, OTcl, NS，Tclcl。其中Tcl是一个开放脚本语言，用来对NS2进行编程；Tk是Tcl的图形界面开发工具，可帮助用户在图形环境下开发图形界 面；OTcl是基于Tcl/Tk的面向对象扩展，有自己的类层次结构；NS2为本软件包的核心，是面向对象的仿真器，用C++编写，以OTcl解释器作为 前端；Tclcl则提供NS2和OTcl的接口，使对象和变量出现在两种语言中。为了直观的观察和分析仿真结果，NS2 提供了可选的Xgraphy、可选件Nam。


5、NS现有的仿真元素

从网络拓扑仿真、协议仿真和通信量仿真等方面介绍NS的相应元素：

（1）网络拓扑主要包括节点、链路。NS的节点由一系列的分类器（Classifier，如地址分类器等）组成，而链路由一系列的连接器（Connector）组成。

（2）在节点上，配置不同的代理可以实现相应的协议或其它模型仿真。如NS的TCP代理，发送代理有：TCP，TCP/Reno，TCP /Vegas，TCP/Sack1，TCP/FACK，TCP/FULLTCP等，接收代理有：TCPSINK，TCPSINK/DELACK。 TCPSINK/SACK1，TCPSINK/SACK1/DELACK等。此外，还提供有UDP代理及接收代理Null（负责通信量接收）、Loss Monitor（通信量接收并维护一些接收数据的统计）。

（3）网络的路由配置通过对节点附加路由协议而实现。NS中有三种单播路由策略：静态、会话、动态。

（4）在链路上，可以配置带宽、时延和丢弃模型。NS支持：Drop-tail（FIFO）队列、RED缓冲管、CBO（包括优先权和Round-robin 调度）。各种公平队列包括：FQ，SFQ，DRR等。

（5）通信量仿真方面，NS提供了许多通信应用，如FTP，它产生较大的峰值数据传输；Telnet则根据相应文件随机选取传输数据的大小。此外，NS提 供了四种类型的通信量产生器：EXPOO，根据指数分布（On/Off）产生通信量，在On阶段分组以固定速率发送，Off阶段不发送分组，On/Off 的分布符合指数分布，分组尺寸固定；POO，根据Pareto分布（On/Off）产生通信量，它能用来产生长范围相关的急剧通信量；CBR，以确定的速 率产生通信量，分组尺寸固定，可在分组间隔之间产生随机抖动；Traffic Trace，根据追踪文件产生通信量。

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离散事件

我们周围的世界似乎是连续的：我们观察到的绝大部分过程由连续的变化构成。然而，当我们分析那些过程时，很多情况下我们需要从连续特性中抽象出一些事件来，只对系统生命中的一些重要“瞬间”和“事件”加以考虑。用这些事件来接近真实世界过程的建模方式就叫做离散事件建模。

下面是一些例子：一个顾客到了一家商店;一辆卡车完成了卸载;一台运输机停止工作；新产品的推出；库存达到了一定程度等。在离散事件建模中，如一辆 火车从A地到达B地的运动可以建模成出发和到达这两个事件，实际的运动就是这两者间的时间间隔。（但这并不是说你不能将火车动态化，事实上你可以用 AnyLogic为逻辑上的离散模型制造出视觉上连续的动画）。

离 散事件这个术语主要采用它的狭义定义，用来表示以过程为中心的建模，以过程为中心的建模建议将系统作为一系列连续的操作过程来分析：（到达、延迟、使用资 源、分裂、结合等），将操作程序看作是在某些类型的实体（顾客、文件、零件、数据包、车辆、电话）上运行。实体是消极的，但它们的某些特性却可以影响处理 方式（例如，通话类型、任务的复杂度），或随着实体在过程（累计等待时间或费用）中的流动而改变。以过程为中心的建模的复杂度为中等偏下：虽然每个对象作 为实体单独进行建模，但建模者通常丢掉了很多“物理层”的细节，如精确的几何、加速、减速。以过程为中心的建模广泛运用于商业流程、制造、物流和保健领 域。

在决定使用这种方法前，我们建议先（从项目目标的角度）验证系统确实被描述为（可能是分层的）一系列的操作秩序。同时我们还要清楚其他方法，例如，如果描述单个实体的行为比试图建立一个完整的工作流程更简单，建模是最好的选择。同样的，如果你对总体交互而非个体交互感兴趣，就应采用建模。AnyLogic支持全部的三种建模方法，因此，只需一种工具，你就可以在理论层进行试验或者是对具体的方法进行试验。

AnyLogic企业库

以过程为中心建模使用的AnyLogic主要工具是企业库。企业库集合了所有定义工作流程的对象如原始码、接受器、延时、服务、输出选择等以及相关 的资源。所有对象都可以自定义：它们的参数可以进行动态改变，行动可能取决于实体的属性等。对象有输入/输出扩展点，你就能定义需要在实体上执行的行动。 泛型类的实体（实际上属于Java类）反过来也能通过添加自定义字段和方法而得到扩展。基于企业库的模型组成部分能自然地和、模型组成部分或AnyLogic的要素（如事件，状态图）相互操作。

如果你所建模的系统很复杂，可以将其分解为几个部分，然后在不同的活动对象里进行分别建模。你可以定义子进程的起始和结束点，将它们作为模型组件的 界面进行展示，或者隐藏子进程的执行过程。在最高级模型中，你将对那些高层组件进行实例化，并将它们联系在一起。由于每个活动对象都可以进行多次实例化和 参数化，这为模型内和跨模型组件的重复使用提供了一个很好的基础。

企业库和AnyLogic的显示/动画框架能密切配合，能使您开发非常复杂的过程动画。动画可以分为不同的层级，提供多种视角，如关于高层可能只显示关键的总指标，但你可以转换到一些子过程，那里有详细的子过程动画。

基于网络的建模

企 业库还包含一系列特别为“空间感知”所设计的对象，这些对象在某类物理空间中发生并涉及实体和资源的运动。对象集很大程度上简化了建模，被称为网络建模。 使用这项技术，你需要定义网络布局（通过绘制作为背景的设施地图的AnyLogic形状）、资源地和流程本身。流程定义可能由特定网络对象（“移向定点” 或“附加资源单位”）和常规企业库对象结合而成。实体和资源会自动活动，沿着网络成分移动或待在节点，并能和常规动画交错。