第 25 卷 第 6 期 2004 年 6 月小型微型计算机系统 M IN I- M ICR O SY ST EM SV ol . 25 N o. 6 June 2004 NS2 网络仿真器功能扩展方法及实现王晓曦, 王秀利, 周津慧, 王永吉( 中国科学院 软件研究所 互联网软件技术实验室, 北京 100080)摘 要: NS 2 作 为开源软件缺少对最 新研究算法的模拟 能力. 在现 有软件基础上对其进 行功能扩展 极其必要, 是模拟 研究新理论新算法的基础. 本文着重探讨网络仿真软件 NS 2 的功能扩展原理及 设计实现, 展示运用 N S 2 仿真器对网络 行为进行研究的过程. 最后对该算法进行模拟实验, 并与已 有 RED 和 PI 算法进行性能对比分析. 关 键 词: 网络仿真器; 网络拥塞控制; NS 2; 功能 扩展; PID 控制 中图分类号: T P393 文献标识码: A 文 章 编 号: 10001220( 2004) 061009-06Function Extension of NS2 Network Simulator and its ImplementationW A N G Xiao-xi, W AN G Xiu-li, ZHO U Jinhui, W A N G Y ong ji( L aborat ory f or I nter net S of tw are T echnol og ies, I nsti tute of S of tw ar e, Ch inese A cad emy of S cie nc es, B eij ing 100080, China)Abstract: NS 2 ( N etw or k Simulator V ersio n 2) as open so urce soft war e, it lacks t he a bility t o simulate some latest developed alg or ithms. T his leads to t he r equir ement o f the functio na l ex tension of the cur rent ver sio n. T his paper fo cuses on the descr iptio n of the ex tension principle and implementation details of NS 2, a nd presents the entire pr ocess of resear ch o n netw or k behavior by using NS 2 sim ulato r. T he str uctur e o f N S2 and the P ID ( P ro po rt ional I nt egr al Differ ent ial ) contr ol principle fo r the netw or k co ng estio n contr ol ar e first described, and then the det ails of the ex tensio n pr inciple and its implementat ion pr ocedur es ar e pr esented w it h the PID cong est ion co ntro l algo rithm as an ex ample. F inally, the simulation of P ID is carr ied out and t he r esult is com par ed w it h t ho se g enerat ed fr om the RED a nd PI alg orithms. Key words: net wo rk simulato r; net wo rk cong est ion contr ol; NS2; functio n ex tensio n; PID co ntro l1 引 言互联网的迅速发展与膨胀对网络规 划和设计提出了新的 挑战. 在网络 研究中, 网络仿真 扮演着越 来越重要的 角色. 它 给研究人员提供了一个方便、 高效的验证和分析方法. 对于 任何一个仿 真软件而 言, 往往 都会缺少 对于一些 最 新出 现的技术、 协议或 方法的支持 与实现. 因此, 能在现有 仿 真软件的基础上, 对其进行功能扩展是极其重要的, 是跟上科 学研究前沿的基础. 在 众多仿 真软件 中, N S 2( N etw o rk Simulato r V er sio n 2) 是 一 个 很 好 的 开 放 源 代 码 软 件 [ 1] . 它 由 位 于 美 国 加 州 的 L N BL 网络研究组于 1989 年开始研究开 发, 其前身 是 REA L netw or k simulato r [ 2] . N S 2 在国内外均 具有极高的 知名度, 是 进行网络研究的首选软件之一. 国内现有 的一些中文文献重 在讨论 N S2 的模块组成、 仿 真脚 本的编 写技巧 等方面 [ 3-5] , 但对 N S2 扩展 原理的 讨论 相 对较少. 本文将着重探讨网 络仿真软件 N S2 的功能扩展 原理及设计实现, 并全面展示了运用 NS 2 仿真 器对网络进行研究 的整个过程.2 NS2 网络模拟器的结构和特点NS 2 是 一种很好 的开源软件, 在国 内外具有极 高的知名 度. 在 A Q M ( A ctive Queue M ana gement 主 动 队 列 管 理 ) 中 [ 6] , 最著 名的 RED 算 法( R ando m Ear ly D etectio n) [ 7] 采用 的是 N S 模拟 器的前 身 REA L [ 2] 进行 的模拟 仿真. 其 他一些 著 名 的 A QM 控 制 算 法, 如 P I ( Pr opo rtional Integ r al) [ 8] 、 REM ( Random Expo nential M ar king ) [ 9] 、 U E [ 10] 等 都 采用 BL NS 2 作为验证算法的模拟平台. 本文 重在 讨 论 对N S 2的 功能 扩 展 , 本 节后 面 部 分 仅对 NS 2 的软件模块和特点进行讨论 . 关于如何编写 T CL 仿真脚 本等方面更详尽的资料, 请 读者参考文献[ 1, 3, 4, 5] . 2. 1 软件模块 NS allino ne 2. 26 包含 11 个模块, 如表 1 所示. 其中, 必选模块缺一不 可, 否则 N S2 不能正常工作, 而可 收稿日期: 2003-10-07 基金项目: 国家自然科学基金项目( 60373053) 资助; 中国科学院与英国皇家学会 联合项目( 20030389, 20032006) 资 助; 中国科学院百人计划项目( BCK 35873) 资助; 教育 部留学回国人员科研启动基金资助项目( 教外司留[ 2003] 406 号) . 作者简介: 王晓曦, 硕 士研究生, 主要研究领域为计算机网络和实时系统; 王秀利, 硕士, 主要研究领域为计算机网络、 入式实时系统; 周津慧, 副研究员, 主要研究领 嵌 域为智能软件工程, 软件 过程技术与质量保证; 王永吉, 研究员, 博士生导师, 主要研究领域为实时系统、 网络优化、 智能软件工 程、 优化理论、 机 器人、 控制理论. { xiaoxi , w xl, jinh ui, yw ang} @ it echs. is cas. ac. cn1010 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2004 年选模块能够增 强 NS 2 的 功能. T cl 与 T k 是安 装在 U nix / L inux 环境下的两个包, 它们一起构成了一套开 发系统应用程序 表 1 N S2 模块组成 T able 1 M odule components of N S 2模块 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 T c1 Tk O Tc1 T clc1 Ns N am Xg raph G t - tm i Sgh Cw eb Zl ib 版本号 Tc1 releas e 8. 3. 2 Tk releas e 8. 3. 2 rel ease 1. 0a8 Tclc1 release 1. 0b13 N s rel ease 1. 9 N am releas e 1. 9 Xgraph release 12. 1 Georgia Tech In ternet work Topol ogy M odels St an dford G raphBas e CWeb Zl ib r eleas e 1. 1. 4 必选/ 可选 必选 必选 必选 必选 必选 可选 可选 可选 可选 可选 可选SunO S 、 indo w s 等平台 上. 为 了运行 N S 2, 还 要求系 统装有 W C+ + 编译器. 在 W indo w s 平台上有两种安装方式: 一种是安 装 V C + + 6. 0; 一种 是安 装 Cyg Win . N S -allinone-2. 26 包含 了比较完整的工具包, 但是 只能在 Linux 平台 上运行; ・ 使用 两种语 言 C + + 和 O T cl 编 写代码, 兼顾 效率和 灵活性. C + + 程序模块的运行 速度非常快, 适合 用于实现具 体的协议. O T cl 是面向对象的 T CL 脚本程序设计 语言, 适合 用来 进行仿 真的 配置. T clcl 模 块把 出现 在两 种语 言里 的变 量、 对象胶合起来; ・ 具 有支 持多 重协 议、 网络 传输 详细 的图 表 描述 的能 力. NS 2 的 缺点是对 卫星网络提 供的支持 有限, 另 外还存在 一些 Bug, 有些方 面的功能 还有待 进一步 完善, 比如, 对卫星 网络的无线链路支持还不完善, 当开发路由算法时, 开发者需 要较大的工作量来修改各种链路接口的定义.3 NS2 的功能扩充及实现网络研究人员的任务之一是要不断研究新的网络协议和 算法, 为网络发展做前瞻性 的基础研究. 在研究新的网络协议 和算法的过程中, 仅仅进行 理论分析是不够的, 还需要对其进 行模拟验证. 由于是新的协 议和算法, 已有的模拟软件往往无 法直接提供 该协议算 法, N S 2 也不例 外. 这时, 就需 要对 N S 2 的功能进 行扩充, 需要研究 人员自己在 模拟平台 上实现新的 协议算法, 然后 才能按照需 要, 定 义网络拓扑 结构, 设定网络 特性参数, 模拟 网络行为, 观察各 种性能指标 参数, 对算法效 果进行验证. 由此可见, 能够在现有软件平台上对新的协议算 法进行扩充是极其重要的, 是模拟、 验证的基础. 3. 1 NS2 的功能扩充原理及实现 NS 2 对很多 平台都 有支 持, 如 L inux、 indo ws 等. 由于 W 在 Window s 下开发与调 试都比较方便, 现 在越来越多的用户 都 在 Window s 下 安 装 和 运 行 N S 2 软 件. 笔 者 是 在 W indow s2000 下安 装的 ns-2. 26 版本, 并 安装 了 V C + + 6. 0 和 Cy gw in 软件. 详细的安装操作过程可以参照文献 [ 11] . 在表 1 所 示的各个 模块中, N s 无疑 是最重 要的部 分. 成 功安装 后, 在 nssrc-2. 1b9a 目录 下可以 看到许 多子目 录. 它 们各自实 现了相应 的一部分功 能. 比 如 queue 目录下 的文件和图形 用户 界 面 接口 ( G U I ) 应 用程 序 的 环境; O T cl 是 M IT O bject T cl 的简称, 是 T cl 面向对 象的扩 展; T clcl 模 块 包含 T cl/ C+ + 的 接口; N s 是 N S2 的主体代 码模块, 内含 一 个节 点移 动产生 器、 两个 传输事 件产 生器; N am 即 N etw or k A nimato r, 它与 N s 协同工作, 将 N s 仿真过 程动态表现出来; Xg raph 是 X- indow s 应用程序, 完成交互式 测量和绘制、 W 动 画效果, 显示网络运 行的数值特征; Gt itm 产生模 拟 Inter net 网络结构 的拓扑图; SG B 是图形产生器; Cweb 模块是与网 页 相 关 的 工 具; Zlib 是 通 用 数 据压 缩 库 ( da ta compressio n libr ar y) .图 1 N S 模块示意图 Fig . 1 A rchitectur e of N S N S2 软件模块示意图如图 1 所示. 图中粗 框里为 N S2 的 模块, 方框外的 Scr ipt 为脚本文件. N s 解释 脚本, 将输出 写到 输出文件中, 然后调用 N am 或 X gr aph 显示输出文件. 2. 2 软件特点 N S2 的主要优点有: ・ 基于离散事件驱动的仿真方式, 仿真效率高; ・ 面向对象的建模方式, 易于对现实网络进行建模; ・ 真实网络交互; ・ N S 2 与 N A M ( N etw or k A nimato r ) 软 件结合, 能够 动 画显示仿真结果; ・ 多平台的支持. N S2 可以运行在 L inux 、 nix 、 lar is、 U So包含了路 由器的丢 包算法, 而与 T CP 有 关的协议 实现在 tcp 目录下. 此外, ns -sr c- 1 b 9a 目录下还有 一些 makefile 文件. 2. 这些文件 包含了 每次编 译、 成新的 ns. ex e 时, 需要 编译的 生 文件信息. 一般 进 行功 能扩 充 所需 要添 加 的新 协 议都 可 以 在 nssr c- 1b9a 目录下 找到实 现相应 功能的 结构部 分. 可 以在该 2. 目录下直 接添加 实现新 协议的 文件, 这样使 得 N S 的 文件结 构比较 清晰. 然后 再重 新编译 生成 ns. ex e, 使之 加进 新的文 件. 扩充的文 件, 往往可 以通过继承等方法部 分利用 N S 原来 的一些代码. 因此, 需要 使用者对原有的 N S 代码进行仔细研 究. 扩充新协议的具体步骤如下: a. 定义或继承 C+ + 协议类.6 期 王晓曦 等: N S 2 网络仿真器功能扩展方法及实现 1011b . 编写该类成员 函数和协议算法. c. 定义 T CL 相关的类和变量. d. 把 C+ + 代码绑定到 T CL . e. 修改 makefile 文件, 重新编译 生成 ns. ex e 文件. 如 果 所 用操 作系 统是 L inux , 需 要修 改 makefile. in 文 件; 如果 在 Windo ws 操作 系统下, 需要对 makefile. vc 进行相应的改动. 3. 2 改进的 PID 算法简述 在 举例说 明如 何对路 由器 的队 列管理 算法 进行 扩充 之 前, 首先对与队列管理有关的概念进行几点补充. 在路由器拥塞控制算法中有两个容 易混淆的概念: “ 队列 管理” 时序管理” 队列管理算法管理路由器缓冲区中 包队 和“ . 列的长度, 即在必要或合适的时候主动丢掉一些包; 而时序管 理算法决定下次发哪个包和分配各个流 的带宽[ 6] . N S2 已 经 实 现 的 路 由 器 队 列 管 理 算 法 已 有 许 多, 如 Dr opT ail, RED, PI , REM , F Q 等, 但在现 有版本中, NS 2 并 没 有 实现 PID ( Pr opor tio nal Integr al Differentia l) 算 法. 在此 提 出一种改进的 P ID 算法, 并在现有 N S 2 平台上对其进行 扩充 实现. 本文重点讨论如何对这种改进算法进行扩充, 所扩充的 15] PI D 算法的具体原理请参考文献[ 12- . 在 PID 算 法中, 当缓 冲未 满时, 新到 达的 包将按 一定 概 率丢弃( 或标记) . 丢包概率的计算按照下式进行: p= a* ( q - qref ) - ( q - old-qr ef) + c* ( q - o ldold -qr ef) + b* p- old ( 1) 其中 q 为当前队 列长度, qr ef 为期 望队列长度, q - o ld 为 上一时刻队列长度, q- oldo ld 为上两个 时刻的队列长度, a、 、 b c 为 P ID 控制器 的参数, 由相应的网络模型和调度算法提供. 在 R ED 算 法中, 每当有包到 达时, 路由器就将 对丢包 概 率重 新计算. 而 P ID 则不 同, 它对丢 包概 率 p 的更新 并不 是 时刻 进行的. P ID 中有一 个采样 频率, 每过一 个周期, 算法 才 需要 对丢包概率 重新进行 一次计算. 与 RED 相比, 这将省 下 路由器的大量资源. 3. 3 改进的 PID 算法代码结构 下面说 明 PID 队列调度 算法的扩充 方法及实 现. 在此 仅 描述实现的步骤, 并列举部分关键代码. 为实现新的 P ID 算法, 需要建立一个新的 PIDQ ueue 类. 由式( 1) 可以看出, 在 PID Queue 的结 构中应该有一组变 量来 记录 相关参数的 初始值, 如 a、 c 及采 样频率 等. 此 外, 还 需 b、 另有一组参数记录 PIDQ ueue 的一些 历史状态以计算新 的丢 包率, 如上一 时刻队列 长度及丢包 率等. 为此, 我 们提供两 个 结 构: edp 和 edv. Edp( Early dr op paramet ers) 来记 录初始 参 数 情况, 这 些 参数 的数 值 由用 户提 供, 在 程 序中 不 再 更改. Edv ( Early dr op var iables) 来记录 队列的历史状态 信息, 这 些 变 量值在 程序 运行中 根据 队列状 态动 态更 改, 由 P IDQ ueue 自己维护. edp 具体结构如下:st ruct edp { / * U ser s upplied. * / int mean- pkt size; / * avg pkt size, linked int o T cl * / int bytes; / * t rue if queue in bytes, fals e if pack et s * / }; };int s et bit ; / * tr ue t o s et conges t ion in dicat ion bit * / dou ble a, b , c; / * paramet ers t o pid cont roll er * / dou ble w ; int qref; / * sampling f requency ( t imes / s econ d) * / / * desired qu eue s ize * /其中, mean - pkt size 为 平均包 大小; bytes 和 set bit 为两 个标志, byt es 通过 0、 设置指出队列长度是通过缓存中包的 1 个数来 计算还 是通 过字 节来计 算, setbit 指 出当 检测 到拥塞 时是否采用标记位的办法 [ 16] ; a、 c 为 P ID 控 制器中的参数; b、 w 为采样频率; qref 为期望队列长度. edv 具体结构如下:st ruct edv { / * maint ained by PID . * / TracedDoub le v - prob; / * prob . of packet drop bef ore "count ". * / int cou nt ; int cou nt - byt es; int qold, qoldold ; / * # of packet s since last drop * / / * # of byt es s ince l as t drop * /其中, v- pro b 为丢 包概率, count 和 count - bytes 分别为 目前丢包的个 数和丢包字节数, q- old 为上 一时刻队列 长度, q- oldo ld 为上两时刻 队列长度. 由于 P ID 算 法需要每隔一 段时间对丢 包概率更新 一次. 为 了 保 证 这 个 过 程 能 周 期 性 进 行, 需 要 建 立 一 个 P IDCalcT im er 类, 它是 T imerHandler 的子类. PIDQ ueue 类无疑 是最 重要的 类, 它将 完成 PID 的 算法 调度. 以上 结构是对 其建立 的必要 支持. 在 PIDQ ueue 类中, 最主要成员变 量包括: P IDCalcT imer CalcT imer 、edp edp - 、 edv edv - 、 curq( 当前队列长度) 、 acketQ ueue q- . int P PIDQ ueue 类中最主要的方法包括: ・ PID Queue: : PID Queue( co nst char * trace) ; PIDQ ueue 的构造函数, 主要负责将一些 C + + 变量绑定 到 T CL 变 量. 如将 edp - . a 绑定 到 a- , 将 edp - . qref 绑 定到 qr ef - 等. 然后调用 r eset ( ) 对相应变量进行初始化. ・ vo id r eset ( ) ; reset 需要对队列中的变量进行初始化. 这包括edv - . count = 0; edv - . count - b ytes = 0; edv - . v - prob = 0; edv - . qol d = 0; edv - . qol dold = 0; curq- = 0; cal cul at e - p( ) ;最后还需 要调用 calculate- p( ) . 在这里 是第一次 调用该 方法, 对丢包率进行了初始 计算, 此后对丢包率的更新计算周 期进行. ・ vo id enque ( Packet * pkt ) ; 当包 到达路 由器 时调 用此方 法. 它首 先更 新 curq, 如果 缓冲区已满, 则只 有丢包; 如 果未满, 调 用 dr op - early ( ) 方法, 按一定概率丢掉或标记最近到达的包. 如果不丢包, 把新到达1012 的包加入缓冲区中.小 型 微 型 计 算 机 系 统Q ueue / PID set qref - 150 Q ueue/ PID set mean - pkt s ize- 500 Q ueue / PID set set bit - f al se Q ueue/ PID set prob- 0 Q ueue/ PID set cu rq- 0 2004 年・ int dro p - ear ly ( P acket * pkt , int qlen) ; dro p- ear ly 方法在 缓冲未满 时决定 是否提 前丢包. 它 首 先产生一个随机数, 然后比较随机数和丢包率, 当 随机数大于 丢包率时丢包, 返回 1, 否则返回 0. ・ Packet * deque( ) ; 当路由器中有包被发送时调用此方 法. 返回出队列的包, 并对 curq 进行更新. ・ double calculate- p( ) ; calculate- p 根据采 样频率, 每隔一段 时间周期 就执行 一 次, 然后按照式( 1) 对丢包概率重新进行计算. 程序中, 首先得到当前队列长度: > > int qlen = qib - ? q- - byt eLeng th ( ) : q - - leng th ( ) ; 然后对丢包概率进行更新:doubl e p; if ( qib- ) { p = edv - . v - prob + ed p- . a * ( ql en * 1. 0/ edp - . mean- pkt si ze -edp- . qr ef ) + edp- . b* ( edv - . qold * 1. 0/ edp- . m ean- p kt size - edp- . qref ) + edp- . c* ( edv - . qol dold* 1. 0/ edp - . mean- pkt si ze -edp- . qr ef ) ; } el se { p = edv - . v - prob + ed p- . a * ( ql en - edp- . qref ) + edp- . b * ( edv - . qold - edp- . qref ) + edp- . c * ( edv - . qol dol d -edp- . qref ) ; }这些语句对 P ID 算法中的 一些变量值 进行了默认 设置, 包括: 队列长度使用包进行 计算而不是使用字节, 采样频率为 160Hz, 期望队列长度为 150 个包, 平均包大小为 500 字节, 检 测到拥塞时直 接丢包而不是采用标 记位的办法 [ 16] , 设置初始 的丢包率和队列长度为 0. 3. 5 重新编译得到新的 ns. exe 最后 打开 ns- c- 1b9a 目录 下的 makefile. vc 文件, 在 sr 2. 其输出文件列表中加入新协议的输出文件 queue / pid. o . 然后 在 ns - 1 b 9a 根 目录下 执行 nmake makefile. vc, 此命 令将对 2. 新添 加 的协 议文 件 进行 编译. 之后, 新 的协 议 被加 入 到 N S 中, 模拟软件的功能得以扩 充.4 对比仿真实验为了对新 协议的性 能进行分析, 我们 采用如图 2 所示的 网络拓扑结构 对新扩充的 P ID 算法进行仿 真实验, 并将其与 RED 和 PI 算法进行比较.其中 qib- 标 志队 列长度 是用 包的个 数来 表示还 是用 字 节数来表 示. 当 qib - 为 1 时, 表示用字节 数来表示 队列长度. edv - 结构记录了一 组状态变量. 其中 edv- . v- pro b 为上一 时 刻 的 丢 包 概 率 , edv- . qo ld 为 上 一 时 刻 队 列 长 度, edv - . qo ldold 为 上两 时刻队 列长 度. 而 edp- 结 构记 录了一 组初 始 的 参数. 其 中 edp - . mean - pktsize 为平 均 包大 小, edp - . qr ef 为期望队列长度, edp - . a、 - . b 、 - . c 为算法和模型 提供 edp edp 的参数. 上面 的代码和前 面关于丢 包概率的计 算讨论是一 致 的. 随后添加以下代码, 以对状态变量进行更新:edv - . v - prob = p; edv - . qoldold = edv - . qold ; edv - . qold = qlen;图 2 仿真网络拓扑结构 F ig . 2 Simulat ion netw or k topolo gy 瓶颈链路 位于节点 A 和 节点 B 之 间, 链路容量 15M bps ( 3750packets / s , 分组 缺省大 小为 500bytes ) , 延时 5ms . 取图 中的 n 为 60, 所有的 60 个业务源均为持久性的 F T P 业务源. 它们与节点 A 之间的链路容量均 为 10 M bps , 延时 5 ms , 且均 在 0 时刻 启动. 除 节点 A 的 队列 分 别由 RED、 I、 D 控制 P PI 外, 其 余 队 列 均 为 Dr opT ail . R ED 的 高 低 门 限 值 分 别 为 100packet s 和 200packets, PI 和 P ID 的队列长 度的期 望值为 150packet s . 节点的缓 存大小均为 300 packets , 接收端窗口大18] 小采用默认值 20packets [ 17、 . RED 算法中, 采 用自适应的 方法 [ 19] , q - w eig ht 经过计算最 后再 将 新得 到的 丢 包 概率 作 为返 回 值返 回 前, 调 用 CalcT imer . r esched ( 1. 0/ edp - . w ) ; 使得此方法在下一个周期能够再被 自动调用. 3. 4 对 TCL 变量初始化 最 后应该 在 ns- c- 1b9a/ tcl/ lib 目录 下的 nssr 2. default. tcl 文件里, 对 PID 算法中的一些 T CL 变量 设置默认值. 进行 的设置如下:Q ueue/ PID set byt es- fals e Q ueue/ PID set queue - in- byt es - f al se Q ueue/ PID set w - 160为 0. 00027. 而 PI 中, 采 样频 率为 160Hz, a、 分 别 为 1. 822 b - 5 - 5 ( 10) , 1. 816( 10) . 在 P ID 中, 采样频率 为 160Hz , a、 、 分 b c 别 为 1. 596894( 10) - 3 , - 162576 ( 10) - 3 , 1. 565766 ( 10) - 3 . 3. 中 a 、 、 三 个参数 的计算理 论不在 本文的 讨论范 围内, PID b c 有兴趣的读者可以参考文献[ 12-15] .6 期 王晓曦 等: N S 2 网络仿真器功能扩展方法及实现 1013 当 B 到 C 的时 延为 30ms 时 , RED 、 I、 ID 的仿真结 果 P P 如图 3 所示. 图中, 横坐标为时间, 单位为秒, 纵坐标为队列长PI 仍存 在着需 要较长时 间才能 使队列 长度趋 于期望 值的问 题. 相比之下, PID 体现了较好的性能. 表 2 给出了 在 B 到 C 的时延分 别为 30ms 和 70 ms 的不 同情况下, RED 、 和 PID 三 种算法 的链路利 用率和 平均队 PI 列长度.图 3 R ED、 I、 ID 队列长度( d= 30ms) P P F ig . 3 Queue leng th plo ts of RED 、 and PI D ( d= 30ms) PI 度, 单 位为 包的 个数. 从 结果 可以 看出, 当 延时 为 30ms 时, R ED 和 P ID 的队列长度很快稳定到期望 长度, 而 P I 则需 要较长时间才能使队列长度趋于期望值 . 表 2 不同时延下三种算法性能比较 T able 2 P erfo rmance compar ison of t hr ee algo rithms o ver different r ound- ip times trA Q M 算法 RED PI PID d= 30ms d= 70ms d= 30ms d= 70ms d= 30ms d= 70ms 链路利用率 97. 682% 96. 978% 97. 714% 96. 811% 98. 434% 97. 485% 平均队列长度 144. 40 110. 75 202. 57 174. 46 158. 20 137. 62图 4 RED 、 、 ID 队列长度( d= 70ms) PI P . 4 Q ueue lengt h plots o f RED、 and PID ( d = 70m s ) Fig PI 从仿真结 果来看, 在无论 在节点 B 到 C 延时 为 30ms 还 是 70ms 的情况下, 新的 P ID 算 法均体现了良好的 性能. 不仅 链路利用率更好, 而且平均 队列长度更趋于期望值, 队列长度 的抖动也较小. 整体表现优 于 RED 和 P I 算法.5 结 论本文对 N S 2 开放源代码软 件的结构特性进行 了介绍, 并 以 PID 拥塞控制算法为例, 就如何对 N S2 扩展新的算法功能 进行 了详 细描 述. 最 后对 新扩 展 的 P ID 算 法进 行 了仿 真实 验, 并将结果与已有的 R ED 和 P I 算 法做了性能对比分析. 从 实验结果来看, 新的 P ID 算法在上述情 况下体现 了更优的性 能. 基于 反馈机制的 P ID 网络拥塞控制 是目前端 到端拥塞控 制研究 的热点 之一. 在 P ID 算法 中, 根据不 同的 模型 原理计 算得到的 k p 、 i 和 k d 三个 参数是不同 的, 根 据这三个 参数计 k当 B 到 C 的时 延为 70ms 时 , RED 、 I、 ID 的仿真结 果 P P 如图 4 所示. 从结果可以 看出, 当延时 为 70ms 时, R ED 的 队 列出现 了大幅振 荡. 队列 的大幅振 荡一方面增 加了端到端 的 时延抖动; 同时由于空队列出现的概率加大, 链路 利用率的降 低是肯定的, 这两点都违背了最初提出的 A Q M 设计目标. 而1014 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2004 年算得到 的 a、 、 也 是不同的. 因此 P ID 算法本 身具有研究 价 b c 值. 在不同的网络条 件下, 建 立相应的 P ID 控制模 型, 并计 算 给出相 应的控制 参数, 对 其进行模 拟仿真和分 析应该是下 一 步工作的内容之一. Ref erence:1 U C N / LBL/ V IN T. N etw ork sim ulat or -N S2 [ EB/ O L ] . ht t p: / / w w w -mas h. cs . ber kel ey. edu/ ns, 1995. 2 K es hav S . REA L : a net work s imul at or [ R ] . T echnical R eport . U nivers ity of Calif ornia, Berk eley, 1988. 3 Liu Ju n, X u Chang-biao, Long Ke-ping. N et w ork s imulat ion dis cus sion based on N S [ J ] . A pplicat ions R es earch O f Comput er , 2002, 19( 9) : 54-57. 4 W ang Y u, Zhao Q ian-chu an . IP n et w ork s imul at ion bas ed on N S 2 [ J] . Comp ut er A pplicat ions and Sof tw are, 2003, 20 ( 3 ) : 28-29, 71. 5 L i Fang-min , Li R en -fa, Y e Ch eng - g. O ut put ing and analyzing qin t h e res ult s of th e net work simu lat or [ J] . Comput er Engineering , 2000, 26( 9) : 14-16, 94. 6 Braden B, Braden B, Clark D , C rowcroft J , Davie B, D eering S . Recomm endat ions on queue management and congest ion avoid ance in t he Int ern et [ S] . RFC2309, 1998. 7 Floyd S, Jacobs on, V . R an dom earl y det ect ion gat ew ays f or con gest ion avoidance[ J ] . IEEE/ A CM T ransact ions on N et w orking , 1993, 1( 4) : 397-413. 8 Hol lot C , M isra V , Tow sl ey D , et al . On design ing improved con t roll ers f or A Q M rout ers support ing T CP f low s[ J ] . IEEE Com put er S ociety , 2001: 1726-1734. 9 Sanjeew a A , St even HL. REM : act ive queue m anagement [ J ] . IEEE N et w ork, 2001, 15( 3) : 48-53. 10 Feng W , K andlur D , Saha D , Shin K . Blu e: a new cl as s of act ive qu eue management algorit hms [ R ] . Tech nical R eport , CSE-T R 387-99, U nivers it y of M ichig an. w w w . eecs . umich. edu / ～ wu chang/ bl ue, 1999.11 N et w ork S imulat or on W indow s 2000 Profess ional [ EB / O L ] . h t tp : / / cyber . cs. nt ou. edu. t w / ～as huro/ w in2k- as huro. ht m . 12 Wang Y J, Schinkel M , S chmi tt -Hart man n T , Hunt K J . PID and PID -like cont roll er design by pol e assig nmen t w it hin D -st able reg ion s[ J] . A s ian Jour nal of C on tr ol , 2002, 4( 4) : 423-432. 13 W ang Y J, S chink el M , Hun t K J . A n engi neering approach t o simu lt an eous st abiliz at ion and s t rong si mult aneous st abiliz at ion w it h D st abi lit y [ C ] . In: Proceedings of 40th IE EE Conf erence on Decis ion and Cont rol. Florida, U S A , 2001, 967-973. 14 S chink el M , W ang Y J, Hunt K J. A robus t an d perform ance or ient at ed con trol ler des ign approach for nondet erminis t ic h ybrid s yst ems [ J] . Int er nat ional Journal of Cont rol , 2002: 1368-1375. 15 Hun t K J, W ang Y J , Sch inkel M , S chmi tt -Hart man n T . Cont roll er design f or h ybrid syst ems using sim ult an eous D -st ab ilisat ion t echnique and it s appl icat ion t o ant i-l ock braking sys tems ( A BS) [ A ] . N onl inear and Hybrid Cont rol in A ut omot ive A pplicat ions [ M ] . Edit ed b y A nders R ant zer. Springer-V erlag, 2002, 97-124. 16 Floyd S. T he addit ion of ex plici t cong est ion not if icat ion ( E CN ) to IP[ EB/ O L] . RFC 3168, 2001. 17 S tevens W . T CP s low s tart , cong est ion avoid ance, f ast r et ransmit , and fast recovery[ S ] . R FC 2001, 1997. 18 A l lman M . TCP congest ion cont rol [ S ] . R FC 2581, 1999. 19 Feng W, K andlur D , Saha D , Shi n K . A s elf -con figu rat ion R ED gat ew ay [ C] . In: Pr oceedings of t he IN FO CO M ' 99. N ew Y ork: IEEE Compu ter Societ y , 1999: 1320-1328.附中文参考文献:3 刘 俊, 徐昌彪, 隆克平. 基于 N S 的网络仿真 探讨[ J] . 计算机应用 研究, 2002, 19( 9) : 54-57. 4 王 宇, 赵 千川. 用网络仿真 软件 N S2 进 行 IP 网 络的仿真[ J] . 计 算机应用与软件, 2003, 20( 3) : 28-29, 71. 5 李方 敏, 李 仁发, 叶澄 清. 网 络仿 真软 件 n s 的结 果输 出和 分析 [ J] . 计算机工程, 2000, 26( 9) : 14-16, 94.。
![[整理]NetSim网络模拟器的使用](https://img.taocdn.com/s1/m/d69b8177dcccda38376baf1ffc4ffe473368fd81.png)
