网络协议模拟与分析

  协议模拟

Ø  工具：NS2，awk，shell，perl等；

Ø  要求：掌握NS2网络模拟的基本流程；

Ø  内容：NS2网络模拟基本流程

编写TCL脚本，搭建如下图所示的一个网络，共6个节点，其中2、3节点用做ftp服务器和客户端，4、5节点用做cbr流量的源和目的，而0、1节点用做转发设备。各节点间的链路属性见图。

模拟时间设为13秒钟，在0.1秒开始产生cbr流量，在1.0秒开发发送发ftp流量；8.0秒ftp流量结束，12.0秒cbr流量结束。编写脚本（可用shell，awk，或perl等）分析模拟日志文件，统计每0.5s内0、1节点间链路通过的分组数以及字节数。

设计与实现

1.仿真脚本代码与详细注解 

#Create a simulator object  #创建一个模拟器对象
set ns [new Simulator]      #将模拟器对象赋值给变量ns

#Define different colors for data flows (for NAM)   #对不同的数据流定义不同
$ns color 1 Blue                                    #的颜色，是给NAM用的
$ns color 2 Red

#Open the NAM trace file
set nf [open out.nam w] #打开一个nam文件，若存在则清空，若不存在则新建
$ns namtrace-all $nf

#Open the Trace file
set tf [open out.tr w]  #打开一个trace file，方式同上。用来记录封包传送的过程
$ns trace-all $tf

#Define a  'finish' procedure   #定义一个finish过程
proc finish {} {
    global ns nf tf
    $ns flush-trace
    close $nf       #关闭nam文件
    close $tf       #关闭trace 文件
    exec nam out.nam &  #以后台方式执行nam
    exit 0
}

#Create four nodes      #创建六个节点
set n0 [$ns node]
set n1 [$ns node]
set n2 [$ns node]
set n3 [$ns node]
set n4 [$ns node]
set n5 [$ns node]

#Create links between the nodes     #根据条件创建节点之间的连接
$ns duplex-link $n0 $n2 1.5Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n0 $n4 1.5Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n1 $n3 1.5Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n1 $n5 1.5Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n1 $n0 2Mb 20ms DropTail

#Give node position (for NAM)       #设置节点的位置，供NAM使用
$ns duplex-link-op $n2 $n0 orient right-down
$ns duplex-link-op $n4 $n0 orient right-up
$ns duplex-link-op $n0 $n1 orient right
$ns duplex-link-op $n0 $n1 orient right
$ns duplex-link-op $n1 $n3 orient right-up
$ns duplex-link-op $n1 $n5 orient right-down

#Set Queue Size of link (n0-n1) to 10   #设置n0和n1之间的最大队列长度为10
$ns queue-limit $n1 $n0 10

#Setup a TCP connection #建立一条TCP链接
set tcp [new Agent/TCP]
$tcp set class_ 2
$ns attach-agent $n2 $tcp
set sink [new Agent/TCPSink]
$ns attach-agent $n3 $sink
$ns connect $tcp $sink
$tcp set fid_ 1     #在NAM中，TCP的连接以蓝色表示

#Setup a UDP connection     #建立一个UDP连接
set udp [new Agent/UDP]
$ns attach-agent $n4 $udp
set null [new Agent/Null]
$ns attach-agent $n3 $null
set null [new Agent/Null]
$ns attach-agent $n5 $null
$ns connect $udp $null
$udp set fid_ 2     #在NAM中，UDP的链接以红色表示

#Setup a FTP over TCP connection        #在TCP连接之上建立FTP应用
set ftp [new Application/FTP]
$ftp attach-agent $tcp
$ftp set type_ FTP

#Setup a CBR over UDP connection    #在UDP连接之上建立CBR应用
set cbr [new Application/Traffic/CBR]
$cbr attach-agent $udp
$cbr set type_ CBR
$cbr set packet_size_ 1000
$cbr set rate_ 1mb
$cbr set random_ false

#Schedule events for the CBR and FTP agents #设置FTP和CBR开始的时间
$ns at 0.1 "$cbr start" #在0.1秒开始产生cbr流量
$ns at 1.0 "$ftp start" #在1.0秒开发发送发ftp流量
$ns at 8.0 "$ftp stop"  #8.0秒ftp流量结束
$ns at 12.0 "$cbr stop" #12.0秒cbr流量结束

#Call the finish procedure after 13 seconds of simulation time
#在13秒调用finish过程结束模拟
$ns at 13.0 "finish"

#Run the simulation #执行模拟
$ns run

2.仿真过程示意图

3.日志分析脚本设计（设计思路与代码、注解）

设计思路：首先按取出每行的时间（第二字段）、分组大小（第六字段）；
若时间大于当前的时间段（interval）$i*0.5，令变量i加1，开始统计下一个时间段信息；
数组count1记录分组的数目，它的下标与时间段的序号对应（比如0~0.5时间段内的通过的分组数的值为$count1[1]）。
数组count2记录每个时间段通过的分组的总字节数，它的下标也与时间段的序号对应。

 perl脚本：

#!/usr/bin/perl
#count the number of packets between node0 and node1 ,the interval is 0.5 seconds.

$i=0;       #定义变量i
@info;      #定义三个数组
@count1;
@count2;
while(<>){      #从标准输入读入数据
@info = split(/ +/,$_); #split函数以一个以上的空格为分隔符对每行数据进行分割。分割后的数据返回给info数组
$reason = $info[0]; #封包事件发生原因
    $time = $info[1];       #info中的下标1对应的数据(第二字段)为时间
$src = $info[2];    #开始节点
$dst = $info[3];            #结束节点
    $length = $info[5];     #info中下标5对应数据(第六字段)为分组大小
if($reason==’r’ && ($src==0 && $dst==1) || ($src==1 && $dst==0)){
#封包进入队列，且在0——1链路上，执行以下操作
if($time > $i*0.5){     #若时间大于当前的时间段，则开始统计下一
            $i++;                   时间段的信息
    }
    $count1[$i]++;      #对应时间段的分组数加1
    $count2[$i]+=$length;       #对应时间段的字节数累加
}
}#end of while
printf("intervals(s)\t\tpackets\t\tbytes\n");
$i=1.0;
while($count1[$i]){ #只要count1数组不为空就打印
    printf("%4.1f~%4.1f\t\t$count1[$i]\t\t$count2[$i]\n",($i-1)*0.5,$i*0.5,);
    $i++;
}

4.分析结果展示（通过自绘图来说明）

第一列：时间段，每0.5秒分成一个时间段；第二列为分组数；第三列为通过的分组的总字节数。

绘制成统计图如下：

 

注：

NS2

NS2是指 Network Simulator version 2，NS（Network Simulator） 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。

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

1.节点（node）：由tclobject对象组成的复合组件，在NS2中表示端节点和路由器

2.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。

3.代理（agent）：负责网络层分组的产生和接收，也可以用在各层次的协议实现中。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。

4.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。

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。

 

NAM ——The Network Animator(网络动画绘制者)

Animate  vt,使有生气；驱动。adj,有生气的，生气勃勃的，活的

 

#模拟结束后，会产生两个文件。一个是out.nam，这是给NAM用的，用来把模拟的过程用视觉化的方式呈现出来，这可以让使用者“看”的方式去了解封包传送是如何从来源端送到接收端。另一个文件是out.tr，这个文件记录了模拟过程中封包传送中所有的事件，例如第一笔记录是一个cbr的封包，长度为1000bytes，在事件0.1秒的时候，从n1传送到n2.这个问价你对我们做效能分析很重要。

 

日志文件(out.tr)各个字段的含义：

 

第一个字段：都是封包事件发生的原因：r表示这个封包被某个节点接受，+表示进入队列，-表示离开队列，d表示封包被队列丢弃；

第二个字段：事件发生的时间

第三个字段：开始节点

第四个字段：结束节点

第五个字段：封包的类型

第六个字段：封包的大小，单位为byte

第七个字段：封包的标记标注

第八个字段：表示封包属于哪一个数据流。即在TCL脚本中所定义的类似$udp set fid_ 2

第九、十两个字段表示封包的来源端和目的端，格式为a.b，a代表节点编号，吧表示端口号；

第十一字段表示封包的序号；第十一个字段表示的是网络层包的顺序号，需要注意的是，对于UDP应用来说是不需要顺序号的，但是对于NS2依然保持这个顺序号是为了方便分析。
第十二字段表示封包的id。

 

CBR（Constants Bit Rate）即固定码率，就是恒定比特率的意思。
题目汇总图的意思是节点4以1Mbps的恒定速率发送大小为1KB的IP包。

 

以上为本人《网络协议模拟与分析》课程设计的内容，我只是通过短暂的学习完成了课程要求，搞出了合格的结果（感觉已经很牛掰了），但是对其中涉及的东西并非很熟悉，比如TCL脚本语言，如有错误，请大神指正。