通信網(wǎng)絡MAC協(xié)議仿真.doc

通信網(wǎng)絡MAC協(xié)議仿真摘要:本文首先簡要介紹了NS2的原理；然后介紹ALOHA、CSMA/CA和CSMA/CD協(xié)議的具體流程，然后分別對這三種協(xié)議進行了仿真驗證，通過分析它們的延時抖動，傳輸延時，網(wǎng)絡吞吐量和丟包率，并結合仿真環(huán)境的參數(shù)配置對對這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了比較分析。1. NS-2概述NS是Network Simulator的英文縮寫，字面翻譯即為網(wǎng)絡模擬器，又稱網(wǎng)絡仿真器。NS-2（Network Simulator，Version 2）是一款開放源代碼的網(wǎng)絡模擬軟件，最初由加州大學伯克利分校（UC Berkeley）開發(fā)。它最初的開發(fā)目的是為了研究大規(guī)模網(wǎng)絡以及當前和未來網(wǎng)絡協(xié)議的交互行為。它為模擬研究有線和無線網(wǎng)絡上的TCP、路由和多播等協(xié)議提供了強有力的支持。NS-2是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡模擬器，它本質(zhì)上是一個離散時間模擬器，其本身有一個虛擬時鐘，所有的模擬都由離散時間驅(qū)動。目前NS-2可以用于模擬各種不同的通信網(wǎng)絡。它功能強大，模塊豐富，已經(jīng)實現(xiàn)的主要模塊有：網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，如TCP和UDP；業(yè)務源流量產(chǎn)生器，如FTP、Telnet、Wed、CBR和VBR；路由隊列管理機制，如Droptail、RED和CBQ；路由算法，如Dijkstra；以及無線網(wǎng)絡WLAN、移動IP和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡等模塊。NS-2也為進行局域網(wǎng)的模擬而實現(xiàn)了多播協(xié)議以及一些MAC子層協(xié)議。NS2采用兩級體系結構，為了提高代碼的執(zhí)行效率，NS2 將數(shù)據(jù)操作與控制部分的實現(xiàn)相分離，事件調(diào)度器和大部分基本的網(wǎng)絡組件對象后臺使用C+實現(xiàn)和編譯，稱為編譯層，主要功能是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的處理；NS2的前端是一個OTcl 解釋器，稱為解釋層，主要功能是對模擬環(huán)境的配置、建立。從用戶角度看，NS2 是一個具有仿真事件驅(qū)動、網(wǎng)絡構件對象庫和網(wǎng)絡配置模塊庫的OTcl腳本解釋器。NS2中編譯類對象通過OTcl連接建立了與之對應的解釋類對象，這樣用戶間能夠方便地對C+對象的函數(shù)進行修改與配置，充分體現(xiàn)了仿真器的一致性和靈活性。2. 通信網(wǎng)絡MAC協(xié)議介紹通信網(wǎng)絡按照覆蓋范圍可分為廣域網(wǎng)（WAN）、城域網(wǎng)（MAN）、局域網(wǎng)（LAN）以及個域網(wǎng)（PAN：Personal Area Network）。LAN（局域網(wǎng)）覆蓋有限的地理范圍，它適用于公司、機關、校園等有限范圍內(nèi)的計算機聯(lián)網(wǎng)需求；局域網(wǎng)比廣域網(wǎng)有更高的數(shù)據(jù)率，較低的時延和較小的誤碼率。目前以太網(wǎng)已經(jīng)在局域網(wǎng)市場中占據(jù)了絕對優(yōu)勢，并幾乎成為局域網(wǎng)的同義詞，因為本文中討論的LAN主要就是指以太網(wǎng)。覺得局域網(wǎng)特性的主要技術要素為網(wǎng)絡拓撲、傳輸介質(zhì)與介質(zhì)訪問控制方法。從介質(zhì)訪問控制方法的角度來看，局域網(wǎng)可分為共享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)兩類。2.1 ALOHA協(xié)議2.1.1 純ALOHA法發(fā)送站點向網(wǎng)絡傳送的報文分組內(nèi)，包含目的地址和源地址，并啟動計時器，如果在預定時間內(nèi)收到應答信號就認為這個報文分組安全到達目的地，反之則未到達。這種方法由于不限制用戶的發(fā)送，所以很容易發(fā)生沖突，使得發(fā)送站點必須重發(fā)報文分組。發(fā)生沖突后的解決措施有兩種：第一種方法，給每個用戶設定一個互不相同的重發(fā)時延(即根據(jù)優(yōu)先程度給予用戶設定重發(fā)權利)，阻止再次發(fā)生沖突;第二種方法，給每個用戶隨機地設定重發(fā)時延（例如時延可在0.35到1.45的范圍內(nèi)選?。ＴO定最小時延時需要考慮用戶從中央IMP收到的確認ACK，如果最小時延太短，用戶有可能還沒收到確認ACK就執(zhí)行了不必要的重發(fā)。純ALOHA法的傳輸效率約為18.4%，是比較低的。2.1.2 開糟ALOHA法把信道事件劃分成相等的時間片，每個時間片對應一個幀所需的發(fā)送時間，規(guī)定用戶在每個時間片的開始端發(fā)送數(shù)據(jù)，不允許終端在任何時候發(fā)送，這種限制可以減少時間片內(nèi)中間時刻發(fā)生沖突的概率。如果在開始端發(fā)生了沖突，也只是浪費這個時間片而已。每個時間片的長度需要合理的設計。因為從各個用戶的報文分組到達中央系統(tǒng)的傳輸延遲不同，最大的報文分組長度相關于第一個報文分組首部到達時刻與最后一個報文分組尾部到時刻之時間差值，由這個先后到達的時間差值，選擇每個時間片的寬度。對擁有中等數(shù)量用戶的系統(tǒng)，時間片法的傳輸效率約為36.8%，如果用戶數(shù)量效少，傳輸效率還可提高。2.2 CSMA/CD協(xié)議局域網(wǎng)的特點就是介質(zhì)資源的共享和競爭。因此需要有一定的機制協(xié)調(diào)同一網(wǎng)段各個計算機對共享資源的公平競爭。以太網(wǎng)采用的是載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）技術。所有的以太網(wǎng)均采用CSMA/CD。“載波偵聽”是指所有計算機的以太網(wǎng)卡偵聽網(wǎng)絡，只有在檢測倒網(wǎng)段上沒有其他站點發(fā)送數(shù)據(jù)時才能發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有其他站點在發(fā)送數(shù)據(jù)，則暫時不發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)送碰撞。“多路訪問”是值多個以太網(wǎng)節(jié)點連接在同一個網(wǎng)段上，并能同時檢測信道是否空閑?！芭鲎矙z測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小，當幾個站點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加），當一個站點檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上出現(xiàn)了至少有兩個站點同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明發(fā)生了碰撞（沖突）。這時它將停止發(fā)送并等待一個隨機的時間（或者采用特定退避算法得到的時間）后再進行偵聽發(fā)送操作。CSMA/CD的發(fā)送流程如圖所示：圖1 CSMA/CD發(fā)送流程2.3 CSMA/CA協(xié)議IEEE 802.11的MAC層協(xié)議與以太網(wǎng)的MAC子層不同，因為與有線環(huán)境相比，無線環(huán)境具有一些內(nèi)在的復雜性。在以太網(wǎng)中，一個站只要等到以太網(wǎng)介質(zhì)空閑下來，就可以開始傳輸了。如果在前64個字節(jié)以內(nèi)沒有收到送回來的噪聲尖峰的話，則幾乎可以肯定該幀已經(jīng)被正確地遞交了，但在無線環(huán)境中這樣的條件并不成立。在無線環(huán)境中存在著隱藏站和暴露站問題，它們會造成監(jiān)聽的錯誤。為了解決這些問題，IEEE 802.11的MAC層協(xié)議定義了兩種介質(zhì)訪問控制機制：(1)分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)，(2)點協(xié)調(diào)功能(PCF)，其中DCF是必須支持的功能，PCF是可選功能。圖2是CSMA/CA協(xié)議的具體流程：圖2 CSMA/AD發(fā)送流程在PCF中，采用利用接入點AP的中心控制器，通過輪詢的方式，使得各個無線站點依次接入總線，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。DCF是一種基于載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和可選的RTS/CTS(request to send/clear to send)訪問方法。在基本訪問方法中，一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，首先通過偵聽信道確定是否有其它節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道是空閑的并持續(xù)DIFS 時間，這個節(jié)點就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道被偵聽到是忙狀態(tài)，這個節(jié)點將堅持偵聽直到信道空閑一個DIFS 時間，然后產(chǎn)生一個隨機的退避時間(backoff time)，并保存在一個計數(shù)器中。隨后，在每個時隙中，如果信道為空閑狀態(tài)，退避時間計數(shù)器將減 1，直到退避時間計數(shù)器減到 0 時，這個節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀；在退避過程中，如果在某個時隙中信道上有其它節(jié)點發(fā)送，退避時間計數(shù)器將被凍結(freeze)，退避過程暫時中斷，直到信道重新變成空閑狀態(tài)并持續(xù) DIFS 時間后再次被激活。目標節(jié)點成功收到一個數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)過一個SIFS時間后，向源節(jié)點發(fā)送一個確認幀(ACK)，如果源節(jié)點在超時(ACK_Timeout)設置的時間內(nèi)收到 ACK，則認為數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，否則，認為數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗并進行重發(fā)。在 RTS/CTS 訪問方法中，一個節(jié)點需要發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀時，等待信道空閑并持續(xù) DIFS 時間，經(jīng)過退避時間后，該節(jié)點將先發(fā)送一個短幀 RTS，目標節(jié)點收到RTS 后，將在 SIFS 間隔后返回一個 CTS 幀，源節(jié)點只有成功收到這個 CTS 后才能進行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。RTS 和 CTS 幀中都包含著到本次數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成所需的持續(xù)時間，其它能夠收到 RTS 或 CTS 的節(jié)點將根據(jù)這個持續(xù)時間信息修改其變量NAV(Network Allocation Vector)，并在該段時間內(nèi)保持沉默。因此 RTS/CTS 訪問方法能夠在一定程度上解決隱藏節(jié)點（Hidden Node）問題。3. 基于NS-2的通信網(wǎng)絡MAC協(xié)議仿真3.1 ALOHA協(xié)議仿真圖3 ALOHA拓撲圖網(wǎng)絡拓撲中建立了3個UDP鏈接，分別為UDP0：節(jié)點0與節(jié)點1(0-1)；UDP1:節(jié)點0與節(jié)點2(0-2);UDP2:節(jié)點2與節(jié)點3(2-3)?？偡抡鏁r間為5秒，各連接持續(xù)時間分別為UDP0:05S;UDP1:0.25S;UDP2:0.35S。線路帶寬采用15Mbps，MAC層采用ALOHA協(xié)議，路由協(xié)議采用AODV，傳輸層采用UDP協(xié)議。圖4 ALOHA平均延時分析從圖4中可以看出，在分組傳輸速率逐漸增大時，網(wǎng)絡可能會出現(xiàn)擁塞，導致平均延時逐漸增加。圖5 ALOHA吞吐量分析同樣，在圖5中可以看出，隨著分組速率的逐漸增加，在某以特定點達到最好的網(wǎng)絡吞吐量。但是，繼續(xù)增加傳輸速率，網(wǎng)絡會出現(xiàn)一定程度的擁塞，導致吞吐量下降。3.2 CSMA/CD協(xié)議仿真圖6 CSMA/CD拓撲圖仿真實驗所用的NS版本為ns-2.35，MAC層協(xié)議使用NS自帶的802.3 MAC層協(xié)議。實驗拓撲圖如圖6所示。整個局域網(wǎng)由九個節(jié)點組成，節(jié)點9與節(jié)點0相連接，其他8個節(jié)點都連接在同一條總線上，所有鏈路都為全雙工鏈路，鏈路帶寬為10Mb，延時為10ms，傳輸層協(xié)議使用TCP協(xié)議。在本次試驗中定義了兩條TCP傳輸鏈路，節(jié)點1至節(jié)點0之間的TCP鏈路和節(jié)點2至節(jié)點0之間的鏈路，它們的滑動窗口大小均為32，數(shù)據(jù)報大小采用默認值。當它們同時有數(shù)據(jù)傳輸時，MAC層就會對鏈路狀態(tài)進行檢測，以免發(fā)生沖突。在應用層，我們使用FTP發(fā)送數(shù)據(jù)，其中節(jié)點1在0.0s時刻開始發(fā)送，節(jié)點2在5s時刻開始發(fā)送，仿真時間為15s。對實驗所得數(shù)據(jù)進行繪圖分析。實驗給出了CSMA/CD協(xié)議在所給場景和參數(shù)下的網(wǎng)絡性能，其中包括網(wǎng)絡吞吐量，傳輸時延以及延時抖動。1. 時延包的延時就是指包的接收時間與包的發(fā)送時間差。圖7 有線環(huán)境下的時延2. 延時抖動延時抖動描述網(wǎng)絡時延的變化情況，時延抖動越大，則網(wǎng)絡越不穩(wěn)定。注意：本實驗中延時抖動分析的模型是：（封包n2的延時封包n1的延時）/（n2的包序號n1的包序號）圖8 有線環(huán)境下的時延抖動3. 吞吐量網(wǎng)絡的吞吐量是網(wǎng)絡性能的一個重要參數(shù)，是指在不丟包的情況下單位時間內(nèi)通過的數(shù)據(jù)包數(shù)量，單位是字節(jié)每秒或比特每秒。計算其吞吐量是一件復雜的事情，這里的模型是從第一個包發(fā)送后，每個包都疊加累算圖9 有線環(huán)境下的吞吐量4. 分析有線環(huán)境下的丟包率“numbers of packets sent: 6871 losr: 164；the loss rate of the packet id: 0.023868”。由實驗所得數(shù)據(jù)可以知道，在0-5s階段，因為只有節(jié)點1向節(jié)點0發(fā)送數(shù)據(jù)，所以剛開始不會有數(shù)據(jù)競爭信道沖突，所以剛開始的時延比較小，而且時延抖動也很平穩(wěn)，吞吐量也保持一個穩(wěn)定值。從第5s開始，節(jié)點2也開始向節(jié)點0發(fā)送數(shù)據(jù)，此時，節(jié)點1和節(jié)點就開始競爭信道。我們可以很明顯的看到，從第5s開始，時延增大，時延抖動也在增大，吞吐量下降并逐漸趨向一個穩(wěn)定值。有線環(huán)境下，基于該實驗環(huán)境配置的丟包率為0.023，如果在MAC層不使用CSMA/CD進行媒介訪問控制，在數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生沖突，會造成丟包率的急劇上升。3.2 CSMA/CA協(xié)議仿真仿真實驗所用的NS版本為ns-2.35，MAC層協(xié)議使用NS自帶的802.11 MAC層協(xié)議。實驗拓撲圖如圖10所示。圖10 CSMA/CA拓撲圖整個無線局域網(wǎng)由三個節(jié)點組成，節(jié)點0的坐標位（400,500），節(jié)點2的坐標位（500,500），節(jié)點3的坐標位（600,500）。節(jié)點0和節(jié)點1在無線環(huán)境下與節(jié)點2進行通信。節(jié)點0和節(jié)點1的發(fā)送速率均設為512Kbps；節(jié)點0發(fā)送的應用層數(shù)據(jù)包大小為200B，節(jié)點1發(fā)送的應用層數(shù)據(jù)包大小為150B；采用DSDR無線路由協(xié)議。傳輸層使用UDP協(xié)議，應用層使用CBR流量發(fā)生器產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸層使用UDP協(xié)議，應用層使用CBR流量發(fā)生器產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)，對實驗所得數(shù)據(jù)進行分析。實驗給出了CSMA/CD協(xié)議在所給場景和參數(shù)下的網(wǎng)絡性能，其中包括網(wǎng)絡吞吐量，延時抖動。圖11 無線環(huán)境下的吞吐量圖12 無線環(huán)境下的時延抖動結果分析：圖11中是無線環(huán)境下的網(wǎng)絡吞吐量情況前5s內(nèi)網(wǎng)絡吞吐量基本穩(wěn)定，這是由于鏈路帶寬大于發(fā)送數(shù)據(jù)的帶寬，網(wǎng)絡中并沒有發(fā)生擁塞，吞吐量基本取決于源節(jié)點的發(fā)送速率，在5s之后由于兩個源節(jié)點需要競爭鏈路資源來發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)發(fā)送速率增加，在CSMA/CA的調(diào)節(jié)下，在沒有數(shù)據(jù)沖突的前提下，網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量逐漸增多，網(wǎng)絡的吞吐量逐漸增加，由于當兩個節(jié)點同時向節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送速率超過鏈路帶寬，這時就會出現(xiàn)丟包圖12表示CSMA/CA協(xié)議仿真過程中的延時抖動變化情況，在前5s內(nèi)只有節(jié)點0向節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)，不存在競爭使用鏈路資源和數(shù)據(jù)沖突，所以0到5s內(nèi)的延時抖動和傳輸時延都比較小，且基本趨于穩(wěn)定；在第5s時由于節(jié)點1也開始向節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)，由于節(jié)點0和節(jié)點1往同一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，這時CSMA/CA機制開始控制節(jié)點0和節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻，避免數(shù)據(jù)沖突的發(fā)生，所以在5s之后節(jié)點0向節(jié)點2和節(jié)點1向節(jié)點2發(fā)包的延時抖