網(wǎng)絡(luò)仿真——協(xié)議評估的第三種途徑

劉行兵 范黎林

摘要：網(wǎng)絡(luò)仿真是繼網(wǎng)絡(luò)模擬和實際測試之后第三種協(xié)議評估手段，是網(wǎng)絡(luò)模擬和實際測試的折衷，兼有兩者的優(yōu)點，又可避開其不足?？梢詾閰f(xié)議評估提供可控制、低成本、高真實度和可重復(fù)的測試平臺。文中分析了網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)為實例，并對網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)，包括設(shè)計思想、體系結(jié)構(gòu)、仿真優(yōu)缺點等，最后，歸納了網(wǎng)絡(luò)仿真的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)仿真 協(xié)議評估 設(shè)計思想 MANET

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0231-02

1 網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)

1.1 基于模擬擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)

該類仿真系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是對原有的網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，使之支持網(wǎng)絡(luò)仿真。這種設(shè)計可以充分利用原有網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)的各種協(xié)議支持和分析工具，典型的代表是NSE，NSE（NS Emulation extension）是NS2[1]模擬器的擴(kuò)展，NS2是一個離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)，它是通過執(zhí)行一系列離散事件的處理函數(shù)來運行協(xié)議，NS2 內(nèi)部原有的調(diào)度器是非實時的，它按照時間先后順序取出事件，執(zhí)行其處理函數(shù)，直至模擬過程結(jié)束。在事件執(zhí)行的過程中有可能又引入其它事件，現(xiàn)實已有協(xié)議或操作的復(fù)雜度用處理函數(shù)的復(fù)雜度來近似表示。NSE的目標(biāo)是子網(wǎng)仿真，即實現(xiàn)NS2與真實數(shù)據(jù)流的交互。擴(kuò)展NS2使其具有仿真功能可帶來兩個方面的影響：其一，如果能實現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)流的交互。則NS2內(nèi)部的協(xié)議就可以經(jīng)過外界真實流量的檢驗，從而使得模擬的結(jié)果更加可靠；其二，NS2 可以對經(jīng)過的數(shù)據(jù)流施加各種影響，比如突發(fā)的丟包現(xiàn)象、擁塞等，從而可以驗證真實協(xié)議或程序在某些特殊情況下的行為。

為了實現(xiàn)仿真功能，首先需要對NS2內(nèi)部的調(diào)度機制進(jìn)行擴(kuò)展，實現(xiàn)一個實時的調(diào)度器，這種擴(kuò)展是很直接的，只需要引入真實的延遲，防止調(diào)度器直接進(jìn)入下一個事件的處理即可。另外，NS2內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)層的編址方案與真實協(xié)議棧中網(wǎng)絡(luò)層編址方案之間存在一些差異，比如，NS2網(wǎng)絡(luò)層的地址中包含了端口號，而該端口號在真實協(xié)議棧中只有在運輸層才會出現(xiàn)。因此，除了調(diào)度方面要進(jìn)行擴(kuò)展之外，需要增加一些功能模塊來訪問外部流量和進(jìn)行包格式的轉(zhuǎn)換。NSE向NS2中引入了網(wǎng)絡(luò)對象（Network Objects）和TAP 代理（TAP Agent），網(wǎng)絡(luò)對象可以訪問外部的UDP、原始IP（rawIP）和MAC層的流量，UDP和原始IP流量是通過Socket機制來訪問的，而MAC層的流量是通過擴(kuò)展的BPF[2]（Berkeley Packet Filter）來訪問的。當(dāng)外部流量進(jìn)入時，首先是網(wǎng)絡(luò)對象獲取外部流量，然后相應(yīng)的TAP代理把該流量轉(zhuǎn)換成NS2內(nèi)部的表示形式，向外部發(fā)送流量的過程與此相反。NS2的包格式中有一個Object域，其原始含義是數(shù)據(jù)包的凈荷，然而NS2內(nèi)部并沒有對該域進(jìn)行處理（它們簡單地假定該域永遠(yuǎn)是空指針），因此原先數(shù)據(jù)包的凈荷部分被放在NS2數(shù)據(jù)包頭的Extern指針上，如圖1所示。

NSE得到了相當(dāng)廣泛的使用，主要是由于NS2豐富的協(xié)議支持。但也存在，由于NS2內(nèi)部處理數(shù)據(jù)流速度的限制，NSE僅適用于外部流量的速率較小的情形，此外，現(xiàn)有的實現(xiàn)僅僅局限于系統(tǒng)與外界UDP、原始IP 和MAC 層流量的交互，卻沒有實現(xiàn)與TCP流量的交互，因此其使用范圍受到很大限制。

1.2 基于過濾控制

該類仿真系統(tǒng)的基本思想是：基于實驗室環(huán)境下的全連通局部網(wǎng)絡(luò)，通過MAC層幀過濾的方式來構(gòu)造多跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從而實現(xiàn)對MANET的仿真。典型的代表為MobiEmu。MobiEmu的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

MobiEmu的特點在于概念清晰，系統(tǒng)構(gòu)造簡單；但，MobiEmu的MAC層是非真實的考慮仿真網(wǎng)絡(luò)有三個節(jié)點A、B、C的情形，由于A、B、C是全聯(lián)通的，任何兩個節(jié)點在任意時刻都有可能發(fā)生競爭，這與多跳的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層是不吻合，在這個意義上，MobiEmu僅實現(xiàn)了MAC層上連接性的有效仿真。

1.3 基于參數(shù)評估

該類仿真系統(tǒng)的基本思想是：一方面，通過實驗控制來減小兩次不同實驗運行實例中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的差異，另一方面，通過關(guān)鍵參數(shù)的評估來判斷兩次實驗過程是否具有重復(fù)性。典型的代表是APE。

APE通過高度動作化的場景文件的執(zhí)行，使得不同實驗過程的場景具有高度的重復(fù)性，并通過簡化系統(tǒng)安裝和控制命令來提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。APE的實驗設(shè)施是為每個實驗人員配備移動節(jié)點，實驗人員根據(jù)屏幕上顯示的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如向某個位置移動、停止運動等。APE由3個基本模塊組成，其一是場景解析模塊，圖3中的scenario interpreter，它通過解析場景文件來選擇實驗中所使用的流量發(fā)生器、路由模型和用于同步的TSB（timestamp broadcast）；其二是實驗數(shù)據(jù)的記錄和收集模塊，圖3中的networkdriver，logging 等，它負(fù)責(zé)對MAC層和IP層的相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計和記錄，并將結(jié)果存儲在日志文件中，待實驗結(jié)束時把實驗結(jié)果上傳到指定節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；最后是分析工具，負(fù)責(zé)日志文件的整合與分析，其主要功能是從日志文件中計算出一些網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)，比如虛擬移動性參數(shù)（Virtual Mobility）、用鄰居總數(shù)度量的連接性、鏈路變化速率、丟包率等等。

2 網(wǎng)絡(luò)仿真發(fā)展趨勢

一是無線網(wǎng)絡(luò)的仿真將得到快速發(fā)展。像DummyNet、NIST Net 和Netbed等，都是有線網(wǎng)絡(luò)的仿真系統(tǒng)，最近的一系列仿真系統(tǒng)包括MVLE、APE、MobiEmu和MobiNet等，都是無線網(wǎng)絡(luò)的仿真系統(tǒng)。究其原因，一方面，無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議研究最近幾年已成為研究熱點；另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)本身的復(fù)雜性使得網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)中所使用的模型缺乏足夠的描述能力，網(wǎng)絡(luò)模擬的結(jié)果與在真實網(wǎng)絡(luò)中測試的結(jié)果出現(xiàn)了很大差別，無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議開發(fā)迫切需要有效的協(xié)議評估途徑。

二是仿真系統(tǒng)設(shè)計將更加接近真實性網(wǎng)絡(luò)。越靠近低層的仿真越能接近反映真實的網(wǎng)絡(luò)，如DummyNet和NIST Net，其仿真局限于網(wǎng)絡(luò)層及以上各層，而后來的仿真系統(tǒng)，如MVLE、APE和MobiNet，仿真的層次深入到了MAC層。

3 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)是一種不同于實際測試和模擬的協(xié)議評估途徑，它為協(xié)議評估提供了一種可控制、低成本、高真實度、可重復(fù)的測試平臺。本文分析不同的類別的仿真系統(tǒng)有著不同的設(shè)計思想，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)仿真存的優(yōu)缺點。由無線網(wǎng)絡(luò)的快速普及應(yīng)用，以及仿真的復(fù)雜性，這也將是網(wǎng)絡(luò)仿真發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]Bajaj， Sandeep，et. al. Virtual internetwork testbed： Status and research agenda[R]. 1998：98-678.

[2]S. McCanne and V. Jacobson. The bsd packet filter： A new architecture for user-level packet capture[C].USENIX Winter Conference， 1993：259-269.