网络仿真平台NS上的编程实现

网络仿真平台NS上的编程实现Ξ肖艳华　魏蛟龙　张弛(华中科技大学电信系　武汉　430074)摘　要:网络仿真软件是网络性能理论分析、评估网络设计方案以及网络故障诊断的有力工具。

随着网络规模的增大,各种网络方案和协议日趋复杂,仿真技术在现代通信网络设计中的作用越来越大。

着重探讨网络仿真免费软件NS,首先分析了NS网络仿真器的体系结构,然后介绍了如何在NS环境下编程实现开发用户自己的仿真对象,对网络进行更加自主的仿真。

关键词:网络;仿真;NS(Network Simulator);接口中图分类号:TP393Application of N et w ork SimulatorXiao Yanhu a　Wei Jiaolong　Zhang Chi(Dept.of the EI,HUST,Wuhan430074)Abstract:Network Simulation is very important in designing network and evaluating the performance of network,and the network simulator is a much powerful tool.Simulation is playing the more and more important role in designing modern telecommunication network due to increasing of complexity,scale of networks.This paper analyzed the architecture of NS sim2 ulator,and explained how user to develop objects under NS environment.K ey w ords:network;simulation;NS(Network Simulator);interfaceClass number:TP3931　前言在网络迅速膨胀的今天,网络研究人员一方面要不断思考新的网络协议和算法,为网络发展做前瞻性的基础研究;另一方面也要研究如何利用和整合现有的网络资源,使网络达到最高效能。

无论是哪一方面都需要对新的网络方案进行验证和分析,网络仿真[1]无疑提供了一个方便、高效的验证和分析方法。

NS[2],[3]是一个面向对象的仿真工具,既能进行现有网络元素的仿真分析,又是一个开发新协议、新方案的强大工具。

但目前国内介绍和研究NS的文献较少,许多研究人员对NS知之不多,因此,本文所做的工作对利用NS进行网络研究的科研人员来说无疑具有帮助。

2　NS体系结构NS鼓励用户对其进行扩展,它是一个开放、免费使用的软件。

NS软件体系提供的基本抽象是“可编程组合”,仿真程序动态地把对象组合到任意的仿真配置中。

2.1NS构成NS[4]软件是一个软件包,包括Tcl/Tk,O T2 cl,NS,Tclcl。

其中Tcl是一个开放脚本语言;Tk 是Tcl的图形界面开发工具;O Tcl是基于Tcl/Tk 的面向对象扩展,有自己的类层次结构;NS为本软件包的核心,是面向对象的仿真器,用C++编写,以O Tcl解释器作为前端;Tclcl则提供NS和O Tcl的接口,使对象和变量出现在两种语言中。

总第139期2004年第1期 舰船电子工程Ship Electronic EngineeringVol.24No.1 58　Ξ收稿日期:2003年6月21日,修回日期:2003年10月22日 湖北省自然科学基金资助项目(项目编号:No.99J041,No.2001ABB104)NS能向用户提供最大的自由度而不影响到系统的性能,针对不同的仿真功能,提供了C++和O Tcl两种编程语言模型,在不限制仿真性能的前提下表现了充分的灵活性:一个方面来说,对于需要涉及处理字节、分组以及大量数据集的算法操作,而不会频繁修改的任务,使用编译型语言C++来编写;另一方面,对于需要频繁的修改协议对象的配置和数据流的配置,脚本解释性语言O Tcl修改起来很快,而且是交互的,便于多次模拟配置,能够很灵活的满足这方面的需求。

这种方法的好处在于:通过提供易用、重配置、可编程的仿真环境,降低了仿真器设计、维护、扩展、调试的负担;而且,它鼓励将机制和策略分离的编程风格,有利于代码重用。

2.2C++与OT cl的接口在NS中,调度器(scheduler)是仿真器的心脏,它提供了一套接口去配置仿真器和选择驱动仿真的事件调度类型。

用户为了让自己编写的C ++类能在解释其中可见,需要借助类TCLclass 的帮助,TCLclass类可以实现将解释器中的对象与NS编译类的映射,这样通过创建一个从TCLclass继承而来的静态类,用户就可以在O Tcl 脚本中直接使用C++类。

假设用C++语言创建了一个网络对象类,需要通过O Tcl来创建一个此对象的一个实例,这时就需要定义一个从TclClass类派生出的接口元素,它生成一个特定名称的O Tcl对象,使之与C ++类建立一对一的映射,通过creat成员函数调用C++类。

例如:从Agent派生出类MyAgent,为实现与O Tcl类的对应,则需定义一个派生自TclClass的MyAgentClass类,他在O Tcl类中有一个特定的名称Agent/MyAgent,通过creat成员函数与MyAgent建立联系,具体代码如下:class MyAgent:public Agent{public:MyAgent();Protected:Int command(int args,const char3const3 argv);Private:Int my var1;Double my var2;Void MyPrivfunc(void);}static class MyAgentClass:public TclClass{ public:MyAgentClass():TclClass(“Agent/MyA2 gent”){}TclObject3create(int,const char3const3){ Return(new MyAgent()); }}class my agent当NS启动的时候,首先执行静态变量class my agent的构造函数,于是产生实例MyAgent2 Class,在这个过程中,Agent/MyAgent以及其成员函数均在O Tcl空间被创建出来。

用户需要生成这个对象的一个实例时,只需要利用O Tcl命令new Agent/MyAgent,仿真器通过静态变量class my agent调用create函数来真正创建一个MyAgent对象。

实际试验中常常需要在O Tcl脚本中改变C ++中的变量值,即让编译层中定义的类的配置参数在解释层可见。

NS提供了一种变量绑定的方法来实现这一个要求,具体是将需要在O Tcl仿真脚本中控制的C++变量与一个O Tcl变量绑定,从而实现O Tcl与C之间的双向控制,具体代码如下:MyAgent::MyAgent():Agent(PT UDP){ Bind(“my var1otcl”,&my var1);Bind(“my var2otcl”,&my var2);}my var1,my var2是新添加类MyAgent的两个参数变量,my var1otcl,my var2otcl则是在O Tcl语言中为之设置的相应的O Tcl变量,从而可以通过在O Tcl脚本中控制my var1otcl, my var2otcl来达到控制my var1,my var2的目的,使得仿真实验更具灵活性。

需要注意的是,绑定函数在MyAgent构造函数中,当创建这个对象实现对变量的绑定,同时需要在ns-lib. tcl文件中对O Tcl变量赋初值,否则NS平台会给出警告信息。

NS支持四种数据类型的绑定,包括实数或整数,带宽变量,时间变量,布尔值。

3　在NS平台上的编程3.1NS工作机制进行仿真前,首先要分析涉及仿真的哪一个层次。

NS仿真分两个层次:一个是基于O Tcl编952004年第1期 舰船电子工程 程的配置、构造层次,利用NS 已有的网络仿真元素实现仿真,只要编写O Tcl 仿真脚本,如图1中流程1-2-3;另一个层次是基于C ++和O Tcl 编程的编译、配置层次,即NS 中没有所需的仿真元素,需要利用O Tcl 和NS 的接口类编程实现NS 更新,流程如图1中4-5-6,然后再进行2-3流程完成仿真。

图1　NS 仿真层次实践表明,网络仿真常常涉及第二个层次。

进行第二层次的仿真开发时,需要在掌握具体课题的NS 元素的基础上,分析要建立的新元素特征,利用NS 面向对象特性来构造新的NS 仿真平台。

可以通过这些方法自己添加各种网络元件,新的应用,代理,队列算法等,从而达到扩展NS 平台的目的。

3.2建立新的网络对象时要考虑的问题如果仿真只要求对现有的代码进行简单修改即可完成,无需建立新的协议代理等,则找到相应的待修改代码进行预期的修改,然后直接编译生成新的NS 。

如果新方案和现有NS 元素差别较大,就需要编写新的C ++程序。

当建立新的网络对象时一般需要考虑以下问题:(1)首先定义头文件,包括数据结构和决定新代理的继承结构,并建立恰当的类定义。

(2)定义C ++代码和O Tcl 代码之间的接口连接,即定义O Tcl 连接函数。

(3)至少定义接收函数recv ()和Tcl 命令触发函数command ()以及必须的时钟类。

(4)新代码完成后,要对各个相关程序进行必要的改动。

(5)在NS 目录下运行MakeDepend 和Make ,重新编译NS ,至此生成了新的NS 。

3.3NS 平台上的编程实例可以通过编写代码为NS 增加新的协议、代理等,下面以一个实例来具体的分析在NS 平台上的编程实现。

为了实现对网络中各业务流的公平对待,合理利用网络资源,我们提出了一种新的队列管理算法———DCHO KE ,以取代NS 平台提供的缺省的队列管理算法(Droptail 或RED ),为了验证这种新的对列管理算法的有效性,我们需要利用NS 平台来进行仿真试验,但是这种算法NS 本身并不提供,于是我们需要自己编写C ++程序并将其编译到NS 平台中,并在最终的O Tcl 仿真脚本中调用DCHO KE 来进行仿真。

下面是我们所作的工作:首先按照我们的思路编写 程序,其中包括基本的enque 和de 2queue 函数,这里主要介绍C ++代码跟O Tcl 代码之间的接口连接。