在网络教学中基于NS2仿真Ethernet的应用研究

【摘 要】本研究了使用NS2仿真Ethernet网络的原理和步骤，设置LAN仿真场景，并使用数据处理工具对结果进行分析。分析结果给出网络带宽、延迟对网络吞吐量的影响。研究的步骤和结果对于仿真技术在网络课程教学中的应用具有一定的参考价值。

【关键词】网络仿真 局域网 网络课程教学

陕西省科技厅项目（2013JM8037）；咸阳师范学院科研基金项目（12XSYK067）；咸阳师范学院教改项目（201202010）。

引 言

Ethernet已经成为局域网的事实标准，它在局域网市场上的占有率超过90%。随着计算机价格的下降，组建并运行局域网不是一件非常难的事情。然而，在网络教学中，如何去体会和理解局域网中协议的运行机理不是一件容易的事情。

网络仿真是一种使用软件模拟实际网络的运行，跟踪记录网络运行过程中的各种参数，对不同类型的数据进行分析，得出网络性能的评估结果的方法。网络仿真工具多种多样，其中应用较为广泛的是NS2[1]（SimulationNetworkversion2）。

NS2仿真原理

1.NS2的特点：（1）采用面型对象、离散事件驱动的仿真方法，便于对实际网络建模，仿真效率高，系统易于扩展。（2）采用两种语言即C++和Otcl，兼顾仿真效率和系统建模的灵活性。可以使用Otcl进行仿真场景配置，采用C++编写网络组件扩充系统的仿真能力。（3）支持802.3Mac协议；可生成指定的业务流；支持链路失败、出错处理。（4）仿真结果使用NAM进行动态显示。

2.Ethernet仿真原理

LAN连接实现网络协议栈中低三层的功能：逻辑链路层（LL）、介质访问控制层（MAC）、物理层。

物理层有两个仿真对象：Channel和Classifier/Mac。Channel仿真共享介质，并在发送过程中支持MAC对象的介质访问机制；接收时，Classifier/Mac负责将复制包传送给接收的MAC对象。

MAC依赖物理层的功能完成载波侦听、冲突检测和冲突避免等功能，CSMA/CD的所有功能都在MAC对象中实现。

链路层实现排队和地址解析。Queue实现发送队列机制，LL对象实现地址解析。

每个局域网中有一个默认的LanRouter对象，该对象在局域网初始化时被创建。对于LAN上的每一个节点，链路层对象（LL）有一个指向LanRouter的指针，它能为局域网上发送的每个包找到目的节点[2]。

Ethernet仿真实现与分析

根据NS2仿真所使用的语言，仿真分为解释层和编译层。解释层用来配置仿真场景及参数；编译层用来实现仿真元素，如物理层、链路层、MAC协议等。

1.配置网络场景

图1构架了一个总线型的以太网，总线上共有0-7号站点，总线带宽为10Mb，延时为30ms，0号节点为发送者，6号节点为接收者。在二者进行通信的过程中，分别设定延时为15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms时，改变其带宽，分别为2Mb、4Mb、6Mb、8Mb、10Mb、12Mb、14Mb，来分析时延、带宽与吞吐量之间的关系。仿真时间4.5秒。

2.仿真结果分析

仿真结果以两种形式给出，一种是使用NS提供的动画软件NAM，可以动态地演示局域网通信的整个过程。

由于LAN只实现了OSI参考模型的低三层功能，缺少传输层和应用层。在仿真LAN时，为了仿真数据包在LAN中的传送过程，仿真实例中加入了9号节点，它具有传输层功能，作为0号节点和6号节点通信时的数据源。

第二种仿真结果是以trace文件形式给出。

仿真结束后，使用grep和gawk数据处理工具对trace文件中的数据进行处理，得到网络吞吐量随时延和带宽的变化情况如上图2所示。

从图2可以看出，当总线上延时和带宽分别为10Mb、30ms不变时，0号给6号传送数据，当设定延时不变时，随着带宽的增大，吞吐量会随之增加；但是当带宽的值增加到超过总线上总带宽时，吞吐量保持不变；当设定带宽值不变时，网络的吞吐量随着延迟的增加大而减小。

结 论

NS2已经成为一个广泛应用的网络仿真工具，其中集成了大量典型的有线、无线甚至卫星网络下各个层协议，同时NS2研究者及用户又在对NS2进行不断的修改和完善。NS2的这种开放性，使得NS2在教育和研究方面有着广泛的应用。

本文使用NS2仿真Ethernet网络的通信过程，特别是使用NAM工具动态演示了Ethernet的通信原理。通过演示，可以直观地看到网络协议的行为，了解各种环境或者因素对网络带来的影响。为了进一步深入研究，本文通过相关工具对仿真结果进行分析，给出网络吞吐量与时延、带宽之间的关系。研究的步骤和结果对于仿真技术在网络课程教学中的应用具有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]徐雷鸣.NS2与网络模拟[M].北京：人民邮电出版社，2006，11.

[2]KevinFall.Thens Manual（for merlyns Notesand Documents）[OL].2012.

作者单位：咸阳师范学院信息工程学院 陕西咸阳