移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬器比較與開發(fā)

李 軍

(1.哈爾濱工程大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.安慶師范學院 數(shù)學與計算科學學院，安徽 安慶 246133)

移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬器比較與開發(fā)

李 軍1,2

(1.哈爾濱工程大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.安慶師范學院 數(shù)學與計算科學學院，安徽 安慶 246133)

為了確定已有的通用網(wǎng)絡模擬器和P2P網(wǎng)絡模擬器能否很好的支持移動對等網(wǎng)絡模擬，比較和分析了已有的二十余種網(wǎng)絡模擬器的特性，得出了僅有極少數(shù)網(wǎng)絡模擬器較適合移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬的結論，并以其中一種模擬器為例，給出了移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬的開發(fā)步驟，最后提出了移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬器的發(fā)展方向。

移動對等網(wǎng)絡；覆蓋網(wǎng)；網(wǎng)絡模擬器；并行性；觸發(fā)方式

驗證對等網(wǎng)絡協(xié)議的性能主要有3種方法：一是通過理論分析，計算其路由算法的時間和空間復雜度；二是通過部署真實設備來進行系統(tǒng)仿真實驗，如著名的PlanetLab[1]仿真網(wǎng)絡，由1 160臺主機組成，遍布全世界25個國家和地區(qū)，一百多所大學和研究機構，包括我國部分高校都加入了該網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡可以用來進行覆蓋網(wǎng)協(xié)議，內容分發(fā)協(xié)議，網(wǎng)絡安全協(xié)議等多種虛擬網(wǎng)絡協(xié)議的仿真；三是通過網(wǎng)絡模擬器來進行網(wǎng)絡協(xié)議的模擬，從而進行性能的比較、分析及優(yōu)化。

網(wǎng)絡模擬器中最著名的莫過于NS2[2]網(wǎng)絡模擬器，它可以模擬成千上萬個網(wǎng)絡設備的運行，只需要在一臺主機上幾個小時即可完成。網(wǎng)絡模擬器的優(yōu)點是操作簡單、維護方便、系統(tǒng)投入較小、生成的實驗結果可信度較高。對于P2P網(wǎng)絡來說，網(wǎng)絡模擬器主要分為兩種，一種是通用網(wǎng)絡模擬器，另一種是專門的P2P網(wǎng)絡模擬器。前面提到的NS2是一種通用網(wǎng)絡模擬器，它的優(yōu)點是對網(wǎng)絡層及以下層的支持較好，但對網(wǎng)絡層以上，尤其是應用層的支持較差。P2P網(wǎng)絡模擬器專門針對P2P網(wǎng)絡開發(fā)，其中很多模擬器都實現(xiàn)了一些經(jīng)典P2P網(wǎng)絡模型，方便用來進行對比分析。但P2P網(wǎng)絡模擬器通常忽略了某些實現(xiàn)細節(jié)，對底層網(wǎng)絡的支持普遍不好。

1 通用網(wǎng)絡模擬器

網(wǎng)絡模擬器按照觸發(fā)方式分，可以分為離散事件觸發(fā)的模擬器和基于周期觸發(fā)的模擬器。離散事件模擬器將計劃好的事件存放在事件隊列中，按照觸發(fā)條件依次執(zhí)行事件，每個事件是指模擬器需要執(zhí)行的相應動作?；谥芷谟|發(fā)的模擬器按照時間周期來執(zhí)行相應的動作，效率相對較高，但與實際情況的符合程度不如離散事件模擬器。除此以外，模擬器的運行方式有串行和并行兩種，并行方式可以提高模擬器的運行效率，縮短實驗時間。為了模擬不同的網(wǎng)絡，大多數(shù)通用模擬器支持生成特定類型的網(wǎng)絡拓撲結構，有些還支持專門的網(wǎng)絡拓撲生成器。典型通用網(wǎng)絡模擬器分類與對比如表1所示。

2 P2P網(wǎng)絡模擬器

P2P網(wǎng)絡模擬器按照網(wǎng)絡模式分，可以分為流模式和包模式。采用流模式的模擬器工作在應用層上，對網(wǎng)絡進行了簡化，節(jié)點之間直接計算通過端的帶寬和延遲。采用包模式的模擬器按照數(shù)據(jù)包來計算網(wǎng)絡帶寬、延遲等，是比較精確的網(wǎng)絡模式。大部分的P2P模擬器采用了流模式。

除此以外，不同的P2P網(wǎng)絡模擬器支持不同類型的P2P網(wǎng)絡，如非結構化網(wǎng)絡或結構化網(wǎng)絡，也有同時支持兩種的。和通用網(wǎng)絡模擬器一樣，P2P網(wǎng)絡模擬器也有并行與否、是否支持擾動和節(jié)點移動性等方面的不同。典型P2P網(wǎng)絡模擬器分類與對比如表2所示。

表1 典型通用網(wǎng)絡模擬器分類與對比表

注：文獻[3-4]對帶寬模擬沒作說明，文獻[6]對并行沒作說明。

表2 典型P2P網(wǎng)絡模擬器分類與對比表

從表2可以看出，與通用網(wǎng)絡模擬器大多數(shù)由C++語言編寫不同，P2P網(wǎng)絡模擬器大部分是由Java語言編寫的，P-Sim[23]是由解釋性語言Python編寫的。部分P2P網(wǎng)絡模擬器沒有采用離散事件的觸發(fā)方式，而是采用了周期方式。PeerSim[11]與dPeerSim[25]同時支持離散事件和周期觸發(fā)兩種方式，其中dPeerSim是PeerSim的并行化改進版本。有近一半的P2P網(wǎng)絡模擬器沒有能夠支持并行化模擬操作，從而影響了執(zhí)行效率，尤其對于多處理器計算平臺來說，并行化模擬操作能夠有效縮短模擬時間。

3 P2P網(wǎng)絡模擬器的選擇與應用

對于P2P網(wǎng)絡模擬器，按照以下標準進行移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬器的選擇：

1)能夠同時支持結構化和非結構化的P2P網(wǎng)絡模擬；

2)觸發(fā)方式為離散事件；

3)能夠模擬網(wǎng)絡擾動；

4)能夠支持移動節(jié)點的模擬；

5)主程序仍在更新、有技術支持。

按照以上5條標準，只有Oversim和PeerfactSim兩種P2P網(wǎng)絡模擬器滿足要求。兩種模擬器都提供了詳細的技術文檔，始終在進行版本更新，并且都是開源免費的。相比較而言，PeerfactSim模擬器對移動網(wǎng)絡的支持更加簡單方便、其開發(fā)語言Java較Oversim的開發(fā)語言C++更加規(guī)范、學習周期更短。實踐證明，PeerfactSim模擬器完全能夠滿足移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬實驗的各種要求。

3.1 PeerfactSim的基本結構

PeerfactSim是一個基于Java開發(fā)的離散事件模擬器，采用了分層的體系結構，共分為5層，自底而上分別為網(wǎng)絡層、傳輸層、覆蓋層、服務層和應用層。節(jié)點擾動模型在網(wǎng)絡層實現(xiàn)，目前支持KAD、指數(shù)、常數(shù)3種模型。模擬器引擎貫穿各層，并通過登錄與統(tǒng)計模塊提供與外部軟件的接口。

3.2 PeerfactSim的應用與開發(fā)

PeerfactSim模擬器提供了詳細的操作手冊和開發(fā)技術文檔，開發(fā)者需熟悉Java程序設計語言和開發(fā)模式的相關知識。整個PeerfactSim的應用開發(fā)過程可分為以下步驟：

1)設置節(jié)點屬性、賦初值

節(jié)點的屬性與初值由算法決定，一般按照命名規(guī)則在以下3個源文件中進行定義：

xxxnodefactory.java

xxxnode.java

xxxservice.java

2)實現(xiàn)節(jié)點間消息

節(jié)點間如果不需要發(fā)送消息則此步驟可以省略，一般將源程序放在.messages文件夾下，下面是一個程序示例：

public class PingMessage extends BaseMessage

{

public PingMessage(GnutellaOverlayID sender, GnutellaOverlayID receiver, int ttl, int hops, BigInteger descriptor)

{

super(sender, receiver, ttl, hops, descriptor);

}

…

}

3)實現(xiàn)節(jié)點操作

將關于節(jié)點操作的源文件放在.operations文件夾下。此步驟為開發(fā)重點，需要模擬的算法主要需要在這部分實現(xiàn)，其中模擬操作的具體調用機制已被PeerfactSim模擬器封裝在內部，一般情況下在protected void execute()中實現(xiàn)算法即可。

4)設置缺省參數(shù)值

在xxxConfiguration.java文件中設定默認參數(shù)值，方便修改。

5)實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控與結果輸出

通過分析器(analyzer)或Debugger進行實驗數(shù)據(jù)監(jiān)控，是開發(fā)的重點之一。

實驗結果一般輸出到文件，可指定文件夾。

6)修改配置文件并運行

配置文件存放在.config文件夾下，為xml格式。節(jié)點個數(shù)、移動速度、擾動模型、會話時間等都可以自行設定。

7)數(shù)據(jù)整理與展示

數(shù)據(jù)經(jīng)整理可通過GnuPlot軟件直接輸出圖，也可將數(shù)據(jù)手工輸入Matlab作圖。

4 結束語

本文為實現(xiàn)移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)的模擬，對多種網(wǎng)絡模擬器進行了分析和對比，給出了每個網(wǎng)絡模擬器詳細的屬性說明，包括開發(fā)語言、支持的網(wǎng)絡類型、觸發(fā)方式、是否支持節(jié)點的擾動和移動等等。以PeerfactSim模擬器為例介紹了移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)模擬的詳細開發(fā)步驟和示例。

目前雖有些模擬器對大規(guī)模移動對等網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)的模擬實現(xiàn)較好，但這些模擬器對于并行性的支持都較差。近年來，雖然已經(jīng)有學者[27]對大規(guī)模并行P2P模擬器的設計與實現(xiàn)進行積極的探索，但如何開發(fā)新的并行模擬器以及增強現(xiàn)有模擬器的操作并行性仍是一個非常有挑戰(zhàn)的課題。

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Research on Application of Simulators for Overlays in Mobile Peer-to-Peer Networks

LI Jun1，2

(1. College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. School of Mathematics and Computational Science, Anqing Teachers College, Anqing 246133, China)

As the research of mobile peer-to-peer network comes to be in-depth continuously, evaluation and comparison of different overlay networks become a problem, urgently to be solved. Although the network protocols can be compared through theoretical calculation and system emulation, the network simulation method has a unique advantage to solve the problem. Therefore, in order to determine whether the existing general network simulator and peer-to-peer (P2P) network simulator can well support mobile peer-to-peer network simulation, the characteristics of more than twenty kinds of the existing network simulators are compared and analyzed. It is concluded that only few kinds of network simulators are suitable for mobile peer-to-peer network simulation. Taken one of them as an example, it shows the development steps of mobile peer-to-peer network simulation. At the end, it gives the developing direction of mobile P2P overlay network simulators.

mobile peer-to-peer networks, overlays, network simulators, parallelism, trigger mode

2015-03-10

國家自然科學基金(61073042)和安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目(KJ2014A144)。

李軍，男，黑龍江哈爾濱人，博士，安慶師范學院數(shù)學與計算科學學院副教授，主要研究移動對等網(wǎng)絡與復雜網(wǎng)絡。

時間：2016-1-5 13:01 網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160105.1301.010.html

TP302.7

A

1007-4260(2015)04-0037-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.04.010