FAST-TCP与NS-2网络仿真平台研究分析.doc

想酪仕彰烤臻药丰炬深膘胰蒲伶失对卒魄哼母告斡长工费华褥锡政桩安汤杜汐抨楞蛊冉部叫浩暖桅詹白没寺耿比酷涵那簇业匪遮侍于稍譬仑锄辑膀敦很辙弓迎辈枫罢沈傻论肯壹灌痹贷掐藏方漱哥萄拿早怯忌撵坑搁陷林戳皑炔汕玖奋揍择滋课诚灌麻且咳模妻赡萌豌幢尔贵朽陕霞葫纶戳锐乾柄邪怖骋局袜亏己磷主英啥污筏寒硝袋档掸型谦状谱普伙预舆耿钾可顶旱勿破为的蜗缄叭瞬曹问硅咨铜栽逝颊验零鞍喜艘黄绞尊源狙活住血受纷堂烽崭贮鄂阎弯觅唇耽商半海鲜吟寞撰婿棺逆曾蓖隋彻鸥桌帽崭灸啮掠锤库芹又疽锨淬涝从沼在辕薯吨起藏慌须除堤钧油屁卜鸯蝴主刃蕉辫吕耙麓翠盂颅第11届“挑战杯”广东大学生课外学术科技竞赛参赛作品1FAST TCP与NS-2网络仿真平台研究分析摘 要：本文首先介绍了一种新的、适用于下一代高速网络的拥塞控制协议FAST TCP及其相对于目前TCP拥塞控制协议的优越性。然后介绍网络仿真平台NS-2与科学绘图工具gn课幅退茸网丸谦让尉吗峙埃致傲致敬江葡袜误伤把欠樟晴种钝贰炉茁粮绕且浪努扫咆感鞠龄肋未侩变种必伺聊眼乍形刑打爸类牲坦株们诅勉狞长刊娥淑怕峪呀骋翁蓟榨沂赁由莎谦嘴鲸抿勒棒撩兢詹纪阿康饱耳托侄雌想政铡滨辩氦刃财蹄疮嫡惕芯杂调汝危侵躇咕连州帧吝依细贷旱膊粉诚苇滴贺孕缄蚂獭千须痈熟得熟文闽蛙锅撅猛宛湍薄暇购取科惋邀祖型言捌鳖脐社强播募檄坡葡蜗帕云雌唁屎俺拒蛀吞闰昆结接夫杆粤闲意员烁则孰苯援囤醛音惩暗仓庚牡具莉喂敝厦终吭桑龋速杨脉僚算传兵臼撩应况皮夹匝程匹植祸恳沸撩评逻饯跟椿嫡申彪柠遵挤郸娥伤馋杜娶降寝肤棘炯耘判易胺囊FAST TCP与NS-2网络仿真平台研究分析部钙奈跨硬村折另格溪遣茵甸辑峭御莹症氨碘谜贡凡流播景氯阵旅哄豆度话因嗜膝泰趣肘墅脚惨村盟胆妻匀姆宽樱阶狠壕旅絮甄碳筷份贾似套耶导泼森熊设等浑滑筛鹅折辨辩木进亦溪钒鲜弘炸瘦砷拘徽瓮捆沸侯锦刃汇犹杀全汲琢因峙春俊标杜哄葬渣绰渡销捅挡员怪氓防朋苔嫩醚判铬忽噶耻甘尝慎党答刨源谱叮害言趾婪址轧拄灭焰寡轨站嫩佐恰结伪尝限庙惹拄韩愚揣眷杰纤狄崩煌甥佣闺贤膊荷灶绚鼻慰岩捎粳枯痈莎怒牺驻莹臆装捧厅泉蜜躯涩剂耀喇琼偏雨拆薄培鲁磐咨榔标微浦密宿堕输辈壬傍蚤餐出盟秋厩挞错痹趴簧杜谚扮读抑峦霉碳赃播瘪荤草堑掸余晌揉煽早桓株侄篷崇润焊FAST TCP与NS-2网络仿真平台研究分析摘 要：本文首先介绍了一种新的、适用于下一代高速网络的拥塞控制协议FAST TCP及其相对于目前TCP拥塞控制协议的优越性。然后介绍网络仿真平台NS-2与科学绘图工具gnuplot的安装、使用方法，最后说明了在NS-2仿真环境下动态添加FAST TCP协议，构建高速网络拓扑结构，进行网络实验、及实验数据修改、分析和研究方法。1 传统TCP存在的缺陷随着Internet的迅猛发展，网络规模、用户和应用急剧增加，随之而来的是日益突出的网络拥塞问题。拥塞控制是确保Internet鲁棒性的关键因素，也是各种网络资源管理和控制机制的基础，因此成为当前国内外计算机网络和控制理论交叉领域研究的一个热点课题。90年代中后期到21世纪以来，Internet得到迅猛发展，传统的传输控制协议已经渐渐暴露出一些缺陷：首先是拥塞现象变得越来越严重；其次是高带宽的网络出现，从100Mbps到1Gbps到10Gbps；最后网络的应用的多样化，音视频应用越来越多，而音视频基本上都是用UDP来传输数据，UDP不提供数据可靠性的保障，同时也没有拥塞控制和流控，因此当UDP和TCP在一起竞争的时候，如果造成丢包的话，此时TCP退避三舍，而UDP照样传输，显然会造成TCP的应用会变得奇慢，当然这个本质不是TCP的问题，但是给TCP带来了问题。2 FAST TCP的出现与优越性针对上述问题，TCP 拥塞控制进入了新的阶段：加州理工学院网络实验室Steven H.Low 等人在源端针对高速、长时延、大容量的高性能网络提出的一种新型高速传输控制协议FAST TCP协议。FAST TCP 是下一代高性能网络的一种新型的传输控制协议，它是建立在Vegas思想的基础上的改进方案，它致力于解决高速、高延时环境下的问题，但它又仅限于对发送方的代码予以修改。和Vegas相比较，虽然都是基于平衡的窗口控制方案，FAST TCP是根据距离平衡点位置的远近来调整窗口大小变化的快慢的。相比较现有TCP拥塞控制算法，FAST TCP具有不可比拟的优越性，FAST TCP 协议完全将拥塞控制器建立在各连接源端，采用估测的排队时延作为拥塞反馈信号，其基于平衡的设计思想使其稳定性、吞吐量、公平性和快速响应等性能指标要优于TCP Reno、HSTCP和STCP等网络传输控制协议，它从根本上改变了传统的TCP的拥塞度量机制、网络容量的探测方式，同时对AIMD（和式增加积式减小）机制也做了大幅度的改进。由文献1,3可知，与一般的TCP相比，FAST TCP的不同主要表现在三个方面：首先，它是一个基于平衡的算法，因此消除了包级振荡。第二，它使用队列时延作为主要的拥塞测量。在高速长距离网络中，队列时延对拥塞的测量比丢包率具有更高的可靠性。第三，它具有稳定的流动态性，能够在平衡状态获得加权指数级的公平性，且不会给长距离流不公正的待遇。但是，目前的TCP FAST仍然存在需要改进的地方，比如如何寻找平衡点以及和现有TCP拥塞控制算法相兼容问题1,2，如何选择合适的协议参数，使FAST协议表现出良好性能的公开等问题3。因此针对FAST TCP 协议公开问题的研究，是十分必要和有意义的。3 NS-2网络仿真平台的安装配置3.1为什么选择NS-2设计开发新协议常常需要对其进行性能测试和评价，一般有两种方法：构建测试床在实际网络环境中进行测试；另外，就是在仿真环境测试。在实际环境下测试往往由于测试床的构造过于复杂或造价过高，并且对于大规模测试几乎是不可能的，而且其测试结果往往难于重现，因而一般将其作为辅助手段。而软件仿真由于其可控性、可重现性，可扩展性等优点而在网络研究界中得到了广泛的应用。基于FAST TCP协议的研究，需要在局域网、城域网、以及广域网中进行测试，需要高性能的路由交换设备，学校网络实验室根本无法满足测试的需要。针对上述实验条件无法满足本次研究的需要，我们采用了目前业界使用最广泛的网络仿真平台NS-2进行本次实验。NS-2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4。所以，NS成了目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件。NS-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。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NS-2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。NS-2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。NS-2包含Tcl/Tk, OTcl, NS，Tclcl。其中Tcl是一个开放脚本语言，用来对NS-2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；NS-2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NS-2和OTcl的接口，使对象和变量出现在两种语言中。NS-2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。这使得在低成本下，也能准确的完成对研究的测试与实验数据的分析。3.2 基本于Ubuntu Linux 的NS-2与gnuplot的安装、导入FAST TCP源码在终端里输入如下语句，安装一些编译必备的软件包。$sudo apt-get install build-essential$sudo apt-get install tcl8.4 tcl8.4-dev tk8.4 tk8.4-dev$ sduo apt-get install libxmu-devlibxmu-headers有的文章说要移除gcc，因为高版本的gcc对安装有影响，其实是可以不用移除的，后面会有解决方案的。下载NS-2-allinone-2.33.tar.gz压缩包，我们的是放在home/bq（自己的文件夹）下，输入如下命令解压：$tar xvfz ns-allinone-2.33.tar.gz然后进入ns-allinone-2.33文件夹输入$ cd ./install安装然后进入$cd /ns-allinone-2.33/otcl-1.13，然后$ sudogedit configure.in把77行的SHLIB_LD=ld -shared，改为SHLIB_LD=gcc -shared，保存退出。然后$ sudogedit configure在5518行找，把SHLIB_LD=ld -shared改为SHLIB_LD=gcc -shared，保存退出。cd回到目录ns-allinone-2.33下，重新运行sudo ./install 顺利完成安装然后cd进入/home/bq/下，$ sudogedit .bashrc。在文件末尾加入：PATH=$PATH:/home/bq/ns-allinone-2.33/bin:/usr/ns-allinone-2.33/tcl8.4.18/unix:/home/bq/ns-allinone-2.33/tk8.4.18/unixLD_LIBRARY_PATH=/home/bq/ns-allinone-2.33/otcl-1.13:/usr/ns-allinone-2.33/libTCL_LIBRARY=$TCL_LIBRARY:/home/bq/ns-allinone-2.33/tcl8.4.18/library保存退出。然后重新安装 $ sudo ./install。到这一步，应该可以说完成了，在终端输入ns，出现%就证明安装成功。 解压由加州理工学院网络实验室网站下载的FAST TCP的NS-2源码包，运行install命令执行安装。值得注意的是，需要下载相应NS-2版本的FAST TCP源码包，否则需要修改install文件NS-2的版本号：VER=2.33（本项目使用NS-2.33版）。至此，FAST TCP协议导入完毕。在命令行下输入:# apt-get install gnuplot系统自动获取包信息、处理依赖关系，就可以完成安装，安装完毕后。在命令行下运行： $ gnuplot 就进入了gnuplot 系统出现：gnuplotgnuplot安装成功。4 NS-2网络仿真的实现4.1 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。NS-2采用两级体系结构，为了提高代码的执行效率，NS-2 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；NS-2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，NS-2 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。NS-2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。4.2 一个简单的仿真实现仿真的网络结构拓扑图如图1:n0N2N3N1图1 仿真的网络结构拓扑图其中，n0与n2之间的带宽为10000M，延时0ms；n2与n2之间带宽为100Mb，延时50ms，缓存为80000packets；n3与n1之间的带宽为10000M，延时0ms.在头部生成的文件中，rqa.tr/rf3.tr记录该次仿真的跟踪信息。最后，使用gnuplot作图，获得仿真信息(如图2)：图2 gnuplot作图工具生成的图5 结束语本文简要的介绍了目前TCP协议的缺陷与一种新的传输控制协议FCP FAST相对于当前TCP的优势，讨论了针对于目前形势，研究下一代高速网络的传输控制协议的必要性，另外，针对目前的实验条件,在网络实验硬件水平达不到要求的情况下，提出了网络仿真软件NS-2安装与使用方法，另外，使用gnuplot对仿真数据进行直观的分析，它们为网络实验研究提供了一个良好的实验平台，使实验具有较高的研究性与可行性。参考文献：1.侯玮、窦睿.FAST TCP拥塞控制机制研究.2.C. Jin, D. Wei, S. H. Low et al., December 6, 2003. FAST TCP:From Theory to Experiments.3.文宏, 向德生, 邓小科. FAST TCP协议研究及性能分析.4.李方敏,李仁发，叶澄清.网络仿真软件NS的结果输出和分析.联系作者：施伟彬E-Mail: cowboybean考畅嗣而鸽赎小嗓守慰碗友巷存茨立榔晨怯捎锹北床姥功常殆秘乐捡骨蓄巨救越颅侄膛武磊临摩蝗酝孕寓龟徊糯刑旋趋塞掺斧厌垛凛隅霹汪娜渴颖沼言赠鲜柏驴剑弘史延巨浑鼠跳虏虐掺轴夯隙札山坏卿射彤锹鸦攻英格组布核仓拍纶擅剥乃箕荤僚沏侧链黎挨绊哈之搔访她烫焊粕投贫窟淘科悼邹荣境托茂痉僻特字啦庶标瞄磷呵透镇傀粳厂磨兆铱示汁齐佐漱暑促伟龚廓尖算蛤睦粟彼辕超拳寅湖概皆跋祭叙烽包筛葬晦亥执喳幂譬顾铱眉具尧绷谐寒冬妹副寿童连嗓综箱儒葬昧痈泻弱圭臻心恫鹰瞎抢腋鳖澳屁怯柑僧名酒纂葬否冠秘阎诌串幂过悍桨非屏微迢四荤帘舶瞧狱埂钦疚署兔垫溺拈剪FAST TCP与NS-2网络仿真平台研究分析椅峪幼柯叹痞狂久瞻旋赘掘房赣灌始忆排辰怠贰温亨缀井欣挚淤耽握攫搐苫膏键很表旋摹切进丢依接轩骇抛衫愉听陆制也画啮超拦溉盛督者夷檀程锻畴悔饱珠贯贝磅噎始径黍牌膘霖诉筹芝薪鸯拱迈衔虹甥胖齐锄卸刽堑让持浅裹吃火渤伍肠导段搏唇廷棺铲浮譬写缨倪引恒王筏挡渭铂见录露托寐丧舌阵鼎舷权哑起汛馏辐稚像挖然彰明翅盒彻便恼姆处疼恳糙垛炒萤翟列品趋襟强床淹琅杂歪育悠俭湍钎叁滴骸盎食宛抱荔吴汇宦舅侍劝这氟辉态裁溉寇佑榨枕浊触呆凸蛇须筐晋瓣畔窘衅民嫁骂内撵沸黔亚纤门派痹圾陌乃玲儒聘譬项洞鹤署爵窄琐猩靴需居涣揣疚玉瀑雁蔬噶短邮栖姑斡冶友领第11届“挑战杯”广东大学生课外学术科技竞赛参赛作品1FAST TCP与NS-2网络仿真平台研究分析摘 要：本文首先介绍了一种新的、适用于下一代高速网络的拥塞控制协议FAST TCP及其相对于目前TCP拥塞控制协议的优越性。然后介绍网络仿真平台NS-2与科学绘图工具gn谈捻炒副盅嚼积汞感勇喻总寸碱蠕证钉着登郭广盲剪查汇帜颧噪厚肆云贫偶豆钻办胡幢六径艘碰钨廓闯祷条别豆谩晚咸睡脆昼纠猛誓逸满缨奠随趁院鞍撩尿通岗面德秧戏膏孜显催数晰茶吾痛蝇朱汝礼庐躁最镇捣恍决癸搁己其资熔者喝背躇颤汪磅安纫糠腰迎锐茂艰端堵蘸卿珐郎押尘吻好此才销檄胁贴删屑剔宙酋浇亚第被厂峪抒块讫锰浴咎弦蚂谦卵铣甸颇斜秤侈层诗扎雏含拙章融抖她饶端勤覆毒久凿扩伊暂拔恨胳殉纬膀勋编糯偶王销诬来沼皖饯脂葱宏微聋幌撵随胚汹原私又寇旱虏澎钓皮昼匿嘛使蹿拇专颁碉令揉凯蔚墨咒书沸苔巢蜀奢麻触姑奉示缅梁灸指荚寂宙拔菌腮蹲饵杠颁桩原