网络协议分析与仿真

无线局域网IEEE 802.11aj协议设计及仿真分析1、引言由于电子技术的不断创新，IEEE802.11系列设备大量涌现，无线局域网正以飞快的速度发展着。

2012年9月，中国根据CWPAN标准工作组的提议正式成立了IEEE802.11aj任务组，由CWPAN标准工作组相关专家作主要职位，主要对中国毫米波频段制定下一代无线局域网标准。

本文将对IEEE802.11aj拟设计协议标准并进行仿真评估。

2、国内标准IEEE802.11aj标准中除了包括已颁布的59-64GHz频段外，还有45GHz的毫米波频段，我国的60GHz标准中有以下内容：（1）、信道划分：我国的60GHz可用频段在59-64GHz，带宽为5 GHz；把2.16GHz的带宽划分为两个1.08GHz的频道，因此带宽中将包含6个可变带宽信道，其中有4个1.08GHz带宽的信道；支持可变带宽的信道划分，可以把应用场景扩展到更低功耗的手持设备；此信道划分方案可与IEEE802.11ad共存。

（2）、支持可变带宽方案：MAC层的协议设计方案支持可变带宽，当使用2.16GHz带宽信道时可以与IEEE802.11ad设备互相操作，使用1.08GHz带宽信道时通过在2.16GHz带宽上发公共信标，可与IEEE802.11ad设备互相操作，其帧结构仍以IEEE802.11ad的帧结构为基础；可根据信道使用情况灵活组网，可在组网过程中切换使用2.16GHz带宽信道或者 1.08GHz带宽信道；此方案既实现了与IEEE802.11ad标准共存，又可有效利用中国60GHz毫米波的5GHz的频段带宽。

（3）、增加网络吞吐量：由PCP分配利用空床信道进行传输以提高网络吞吐量，理想状态下能提高吞吐量高达15Gb/s。

（4）、新增1.08GHzPHY：增加Preamble帮助消除和减少IQ失衡、PA非线性、相位噪声影响来提高性能；通过设计一种简单的且不依赖于PA模型的非线性消除方案；（5）、波束成形/搜索：用快速波束搜索/跟踪能够降低波速的训练和搜索时间。

基于NS—3的OLSR路由协议性能仿真随着近年来Ad hoc网络的发展，Ad hoc网络的各项性能得到越来越多的研究，而路由协议的性能好坏将直接影响到Ad hoc网络的性能。

本文选用NS-3网络模拟器作为仿真环境，对Ad hoc网络中的OLSR路由协议进行仿真性能分析。

标签：Ad hoc网络；NS-3网络模拟器；OLSR路由协议0 引言近年来，由于在消防救灾、应急通信等行业中占着重要地位，Ad hoc网络得到越来越多的重视，而路由协议作为Ad hoc网络中最重要的组成部分之一，也相应的成为了研究的热点方向。

本文将选择OLSR协议作为仿真协议，在NS-3网络模拟器下对其进行性能仿真评估。

1 NS-3网络模拟器在现代通信网络发展中，网络技术得到了广泛的应用，因此对于网络技术的研究与开发有着越来越大的需求，网络模拟技术也应运而生，目前现有的网络模拟工具主要包括：OPNET，NS-2，GloMoSim，OMNET++等等，然而在研究过程中发现，当前的模拟工具都存在着各种各样的不足。

针对这样的问题，美国华盛顿大学的Thomas R.Henderson 教授及其小组在美国自然科学基金NSF的支持下开发出了全新的网络模拟工具NS-3。

NS-3是一部全新的网络模拟软件，是目前最受欢迎的网络模拟软NS-2的最终替代软件，而不是NS-2的升级版本。

NS-3可以说既摒弃目前的主流网络模拟软件OPNET和NS-2的缺点，又整合这两部软件的一些优点。

NS-3是一个离散事件模拟器，它的体系结构主要由模拟器内核和网络组件组成。

模拟器内核主要由事件调度器和网络模拟支持系统组成。

网络模拟器支持系统主要包括：Attribute系统，Logging系统和Tracing系统。

Attribute系统主要实现对NS-3仿真实体进行仿真参数的设置、组织、访问、修改等；Logging系统是NS-3中新引入的概念，类似于一种基于控制台的消息记录模块，这种机制在进行仿真过程的追踪和模块扩展的时候极其方便有效；Tracing系统主要用来实现NS-3中的仿真结果输出。

网络协议分析实验指导书实验目的：本实验旨在通过对网络协议的分析和实际操作，加深对网络协议的理解，提升学生对网络通信的认识和应用能力。

实验材料：1. 一台计算机；2. 网络协议分析工具软件，例如Wireshark等；3. 网络环境，包括网络设备和互联网连接。

实验步骤：1. 准备工作：a. 确保计算机联网并能够正常访问互联网；b. 下载并安装网络协议分析工具软件。

2. 抓包分析：a. 打开网络协议分析工具软件，选择合适的网络接口进行抓包；b. 连接到目标网站，观察网络协议分析软件中的抓包数据；c. 选择合适的抓包数据进行分析，包括协议类型、源IP地址和目标IP地址等；d. 分析数据包中的协议类型，并对其进行解释和理解。

3. 协议解析：a. 选择其中一个数据包，进行具体协议的解析；b. 从包头开始，分析各个字段的含义和作用；c. 理解各个协议层之间的关系和交互方式；d. 分析数据包中的信息传输过程，包括源地址、目标地址、端口号等。

4. 实际操作：a. 根据实际情况，进行一次网络通信的实际操作；b. 使用网络协议分析工具软件捕捉该通信过程的数据包；c. 分析捕捉到的数据包，理解通信过程中各个协议的作用和流程。

5. 总结和展望：a. 总结本次实验的收获和体会；b. 分析网络协议分析在实际应用中的重要性和作用；c. 展望未来网络协议分析的发展方向和趋势。

实验注意事项：1. 本实验需要在合适的网络环境下进行，确保网络连接正常；2. 在进行网络抓包分析时，需要注意不要过度干扰正常网络通信；3. 在进行协议解析时，需要仔细观察并理解各个字段的含义；4. 在进行实际操作时，需要注意保护个人隐私和网络安全。

通过本次实验的分析和操作，理论与实践相结合，将帮助学生更好地理解和应用网络协议。

网络协议作为互联网通信的基础，对于网络工程师和网络安全专家来说，具有重要的意义和作用。

通过深入理解和掌握网络协议，可以提高网络通信的效率和安全性，并为网络技术的发展做出贡献。

网络协议仿真课程设计总结一、课程目标知识目标：1. 让学生理解网络协议的基本概念、功能和分类，掌握常见网络协议的工作原理。

2. 使学生掌握网络协议仿真的基本方法，学会运用仿真软件进行网络协议的分析与设计。

3. 帮助学生了解网络协议在实际应用中的优势和局限性，认识网络协议的发展趋势。

技能目标：1. 培养学生运用网络协议仿真软件进行实验操作的能力，提高学生的实践操作技能。

2. 培养学生分析和解决网络协议相关问题的能力，提升学生的逻辑思维和创新能力。

3. 培养学生团队协作和沟通表达的能力，学会与他人共同完成网络协议仿真项目。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对网络协议的兴趣，培养学生热爱网络技术、主动探索新知识的情感。

2. 培养学生严谨的科学态度，养成良好的实验习惯，增强学生的责任心。

3. 通过团队合作，培养学生的集体荣誉感，提高学生的团队协作精神和沟通能力。

课程性质：本课程为计算机网络相关课程的实践环节，侧重于网络协议仿真技术的应用与实践。

学生特点：学生已具备一定的计算机网络基础知识，具有较强的学习能力和实践操作欲望。

教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，充分调动学生的积极性，提高学生的实践能力和创新能力。

在教学过程中，关注学生的学习进度，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。

将课程目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。

二、教学内容1. 网络协议基本概念：介绍网络协议的定义、组成要素和功能，结合教材相关章节，让学生掌握网络协议的基本知识。

2. 网络协议分类与工作原理：分析各类网络协议（如TCP/IP、HTTP、FTP 等）的工作原理，通过实例讲解，使学生了解不同网络协议的特点和应用场景。

3. 网络协议仿真技术：讲解网络协议仿真的基本方法，介绍仿真软件（如Wireshark、NS3等）的使用，让学生学会运用仿真工具分析网络协议性能。

4. 实践操作与案例分析：组织学生进行实际操作，通过完成具体项目，巩固网络协议仿真的方法和技巧。

XCP协议的仿真分析摘要：对XCP协议的结构和执行算法进行了详细分析，并对协议做了相应仿真。

仿真结果表明，在高带宽时延乘积网络中，XCP协议能更好地保持效率、公平性和稳定性。

关键词：XCP；拥塞控制；高带宽时延乘积TCP是目前在Internet中使用最广泛的传输协议。

它是针对当时带宽时延乘积较小的网络设计的，随着高带宽和高延迟网络越来越普遍的应用，TCP算法的效率比较低。

实验和理论推导都证明随着带宽时延乘积的增加，不管是用什么排队模式，如RED[1]、REM[2]、PI[3]，AVQ[4]等算法都使TCP变得越来越低效和不稳定。

根据TCP存在的问题和高带宽时延乘积网络的特点，美国麻省理工大学的Dina Katabi提出了一种新的Internet拥塞控制框架，该协议称为显式控制协议XCP(eXplicit Control Protocol)[5]。

1 XCP协议分析XCP 协议扩展了ECN显式拥塞指示机制，它通过在拥塞头携带控制信息极大地改善了因特网的拥塞控制。

路由器能通知发送端瓶颈链路的拥塞程度而不是网络是否拥塞，发送端就可以根据网络的状态相应的增加和减少它的发送窗口。

XCP要求网络中的所有路由器和主机都支持XCP 协议。

XCP是基于对每一个包的计算来调节流量。

1.1 XCP协议的框架，发送方维持拥塞窗口cwnd和往返延迟RTT，路由器监控流入它的数据率，根据链路带宽和流入的数据率的差值，路由器通过修改拥塞头的反馈值告知共享这个链路的数据流增加或减少它的拥塞窗口。

当1个ACK到达时，正反馈值将导致发送方拥塞窗口增加，负反馈值将随之减小。

可以用式(1)表示：式中，s为1个包的大小。

XCP接收方收到1个包时，将其数据包的H_ feedback 复制到其ACK中。

其余行为同TCP相同。

1.2 XCP路由器结构分析 XCP路由器包含拥塞控制器和公平控制器，这使得协议的设计和分析简化。

1.2.1 拥塞控制器拥塞控制器根据网络中的剩余带宽和延迟来对利用率进行控制，1个控制周期的聚合反馈值Φ为：式中，α、β是根据定性分析和试验得到的常数，分别为0.4、0.226；d是平均RTT；S是根据链路容量和流入的数据率计算出来的剩余带宽；Φ是持续队列长度。

目录1 绪论11.1无线局域网的概述11.2无线局域网的发展及研究现状11.3本论文的章节安排32 无线局域网802.11 MAC层42.1IEEE802.11MAC协议概述42.2IEEE802.11MAC中的主要技术42.2.1 虚拟载波监听技术42.2.2 帧优先级的设置52.2.3 随机退避机制52.2.4 节能管理52.3IEEE802.11MAC的网络工作方式62.3.1 DCF接入方式62.3.2 PCF接入方式82.4二进制指数退避算法的不公平现象82.5两种工作方式的对比和局限性92.6结论103 IEEE 802.11MAC层性能分析113.1MAC协议的性能指标113.1.1吞吐量(S)113.1.2总业务量(G)113.1.3 帧平均传输时延(D)113.1.4饱和吞吐量123.2RTS/CTS-DCF协议性能分析123.2.1 RTS/CTS-DCF机制原理123.2.2基本模型153.2.3 RTS/CTS接入方式153.3RTS/CTS-DCF存在的问题173.4RTS/CTS-DCF的改进算法思想174 RTS/CTS-DCF机制的仿真194.1网络仿真软件194.2RTS/CTS机制的仿真204.2.1 仿真思路204.2.2 仿真模块介绍204.3仿真结果与分析23总结25谢辞26参考文献27附录28附录A外文翻译-原文部分28附录B外文翻译-译文部分32附录C主要源程序351 绪论1.1无线局域网的概念无线局域网(Wireless Local Network，WLAN)，顾名思义，是一种利用无线方式，提供无线对等(如PC对PC、PC对集线器或打印机对集线器)和点到点(如LAN到LAN)连接性的数据通信系统。

WLAN代替了常规LAN中使用的双绞线或同轴线路或光纤，通过电磁波传送和接收数据。

WLAN执行像文件传输、外设共享、Web浏览、电子和数据库访问等传统网络通信功能。

网络系统仿真设计方法与工具分析随着信息技术和互联网的快速发展，网络系统的设计和仿真成为了重要的领域。

网络系统仿真具有很多优点，例如可以提前检测出潜在问题、减少开发成本、加快系统部署等。

本文将分析网络系统仿真设计方法与工具，讨论其应用和优势。

网络系统仿真设计方法1. 离散事件仿真（DES）：离散事件仿真是一种常用的网络系统仿真方法，其以事件为触发，模拟网络系统中的实时行为。

通过记录和处理事件触发的序列，可以获得系统性能指标、资源利用率等信息。

2. 连续仿真：连续仿真是模拟网络系统中连续变化的过程，例如网络流量、信号传输等。

连续仿真可以模拟实际系统中的连续运行过程，提供更加准确的结果。

3. 混合仿真：混合仿真是将离散事件仿真与连续仿真相结合的方法。

通过将网络系统划分为离散事件和连续变化两个部分，可以更好地模拟实际系统的行为。

网络系统仿真设计工具1. OPNET：OPNET是一种常用的网络系统仿真工具，可以用于网络性能分析、协议设计、网络规划等。

OPNET提供了强大的图形界面和仿真引擎，可以方便地构建和部署复杂的网络系统。

2. NS-3：NS-3是一个开源的网络仿真器，具有强大的建模和仿真功能。

NS-3支持C++和Python等编程语言，用户可以自定义网络协议和拓扑结构，进行系统性能评估和研究。

3. MATLAB/Simulink：MATLAB/Simulink是一种流行的工具，广泛应用于系统建模和仿真领域。

其强大的数学和建模工具可以用于网络系统性能分析、优化和设计。

网络系统仿真设计工具的优势1. 提高系统效率：通过仿真设计工具，可以对网络系统的性能进行评估和优化，提高系统的效率和稳定性。

2. 减少开发成本：通过仿真工具可以在系统实际实施前检测问题，减少开发过程中的试错成本。

3. 加速系统部署：仿真工具可以模拟实际环境下的系统运行情况，提前发现可能的问题，从而加速系统的部署和推广。

4. 提供决策支持：仿真工具可以帮助决策者评估不同方案的可行性和效果，在制定决策时提供科学的依据。