用NS2开发不同版本TCP协议的性能对比实验

第３１卷第３期　２０１０年６月　韩山师范学院学报　Ｖｌ０ｌ＿３１　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１０　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｎｓｈａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　用ＮＳ２开发不同版本ＴＣＰ协议的性能对比实验　黄镇建　，蔡群英２　（１．韩山师范学院物理与电子工程系，广东潮州５２１０４１；２．韩山师范学院数学与信息技术系，广东潮卅Ｉ　５２１０４１）　摘要：ＮＳ２在教学和科研中已得到广泛的应用．文章提出用ＮＳ２设计一个ＴＣＰ协议性能对比　实验，并详细介绍了实验开发过程．实验中，学生能直接观察到拥塞窗口的变化，从而领会　实验现象的本质，有助于学生实践能力和创新能力的培养．　关键词：网络模拟；ＮＳ２；ＴＣＰ协议；拥塞窗口　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１Ｏ０７＿６８８３（２０１０）０３—００５７－０４　网络实验室投资大、管理难，因为它不同于一般的程序设计实验，只需要提供一个软件环境就能　进行编程、测试以完成正常的教学实验［１］，比如在讲授不同版本的ＴＣＰ协议的性能差异时，学生由于　不能用“看”的方式直接观察到ＴＣＰ拥塞窗口的变化，从而难以领会现象的本质，一知半解，教学效果　大打折扣，“计算机网络”课程的实验一直是许多学校在进行正常教学过程中难以解决的问题．基于上　述原因，本文尝试用ＮＳ２开发一个“不同版本ＴＣＰ协议的性能对比”的实验项目，通过该实验，学生分　析相关的实验数据，能直观地观察￣ｌＪＴａｈｏｅ￥１Ｒｅｎｏ协议中ＴＣＰ拥塞窗口的变化，能很好地体会到两种　不同版本的ＴＣＰ协议的性能差异，获得较好的教学效果．　１　网络模拟软件ＮＳ２的概述　ＮＳ２的最大价值体现在为网络研究者　提供各种模拟网络环境，目前大部分的网　络实验都是利用ＮＳ２进行的．网络模拟并不　是研究网络的唯一方法，但却非常有效，　因为模拟比构建真实网络环境节省了大量　的时间和成本［２．利用ＮＳ２进行模拟的流　２］程如图１所示，ＮＳ２采用开放的体系结构，　集成了局域网、广域网、蜂窝和卫星网络　的大量构件．这些构件都采用对象模　型来实现，也就是说构件的主要功能通常　在Ｃ＋十（编译类）中实现，而ＯＴＣＬ（解释　收稿日期：２００９－１２－０８　图１　ＮＳ２模拟流程图　作者简介：黄镇建（１９７５一），男，广东潮州人，韩山师范学院物理与电子工程系实验师　５７　类）语言则被用来配置网络模拟场景．由于仅仅是要观察Ｔａｈｏｅ和Ｒｅｎｏ协议ＴＣＰ拥塞窗口的变化，所　以实验中，学生只要运行老师编写的ＴＣＬ脚本，把精力集中到实验数据和实验现象的分析就可以了．　也就是说，实验中只要利用ＮＳ２中提供的现成构件Ｔａｈｏｅ］￣Ｒｅｎ９来编写ＴＣＬ脚本，而不用花大量的时　间和精力去编写Ｃ＋＋源代码实现相关的网络构件，大大减轻了学生编写源代码的压力［。～４。．　２　Ｔａｈｏｅ和Ｒｅｎｏ协议ＴＣＰ拥塞窗口观察实验　２．１　Ｔａｈｏｅ￣Ｒｅｎｏ协议的概述　ＴＣＰ是运输层的协议，现行使用的ＴＣＰ协议分为几个版本，￣ＨＴａｈｏｅ、Ｒｅｎｏ、ＮｅｗＲｅｎｏ、Ｖｅｇａｓ、　Ｓａｃｋ等，实际应用中，不同版本的ＴＣＰ协议，其性能也是不同的．ＴＣＰ使用ＡＣＫ以及重送的方法　来提供全双工的可靠性服务【５】，ＴＣＰ使用拥塞窗口机制控制分组被传送到网络上的数量．一般情况　下，ＴＣＰ的拥塞控制分为慢启动、拥塞避免价段、快重传、快恢复和超时重传五个价段［６］．在调整传　送速度时，则以慢启动门槛（ｓｓｔｈｒｅｓｈ）Ｓｎｃｗｎｄ来区分慢启动和拥塞避免，其关系如式（１）所示【７】．　Ｉ慢启动　Ｃｗ　＝｛Ｉ拥塞避免　Ｉ　　Ｃｗｎｄ（ｔ）＋１，ｉｆｃｗｎｄ（ｔ）＜ｓｓｔｈｒｅｓｈ　‘　（１）　Ｉ　Ｃｗｎｄ（ｔ）＝１／ｃｗｎｄ（ｔ），ｉｆｃｗｎｄ（ｔ）＞＝ｓｓｔｈｒｅｓｈ　ＴＣＰ早期版本称之为Ｔ￡Ｌｈｏｅ，它可以分为以下４个步骤：　￣：ｃｗｎｄｄ，于ｓｓｔｈｒｅｓｈ时，采用慢启动机制来获取网络可用带宽．收到一个应答包后，ｃｗｎｄ＝ｃｗｎｄ＋１；　当ｃｗｎｄ大于ｓｓｔｈｒｅｓｈ时，进入拥塞避免状态，并重新探测可用带宽．收到窗中所有包应答后，ｃｗｎｄ＝　ｃｗｎｄ＋１：　当收到３个相同ＡＣＫ时，重发ＡＣＫ指示的包，并重新对ｃｗｎｄ￣ｓｓｔｈｒｅｓ赋值，ｓｓｔｈｒｅｓｈ＝ｃｗｎｄ／２，ｃｗｎｄ＝１；　当重传定时器超时，则再次进入慢启动价段．　ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ是目前最广泛使用的ＴＣＰ版本，与Ｔａｃｈｏｅ的不同的是，ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ以快速重传取　代ＴＣＰ　Ｔａｃｈｏｅ在重送丢失的分组后就立即进入慢启动方式．ＴＣＰ　Ｒｅｎｏ在使用快速重传丢失的分组　后，会将ｓｓｔｈｒｅｓｈ￣ｃｗｎｄ值都设为１／２，ｃｗｎｄ值从拥塞避免价段开始．　２．２构建实验模型　因为ｃｗｎｄ的值能直接反映ＴＣＰ协议的传输性能，所以本文实验的主要目的就是观察Ｔａｈｏｅ及Ｒｅｎｏ　两种协议ＴＣＰ拥塞窗口的变化．实验中，可以利用ＮＳ２提供的现成构件，用ＴＣＬ语言构建如图２的实　验模型，非常方便快捷．图中，Ｒ１和Ｒ２是路由器，Ｒ１ＳｎＲ２之间的链路是１　Ｍ，延迟时间为４　ｍｓ，队列　管理机制为ｄｒｏｐｔＭ１，且只建立一条ＦＴＰ连接．构建实验环境的部分ＴＣＬ代码如下所示：　ＦＴＰＳｏｕｒｃｅ　ＦＴＰＳ触　图２实验模型　５８　２．３实验结果分析　实验中，设定队列长度为１８，ＦＴＰ　Ｓｏｕｒｃｅ　１．０Ｎ１０．０　ｓ向ＦＴＰ　Ｓｉｎｋ发送流量，与此同时，设定　一个文件ｆ来记录ｃｗｎｄ的数值，每隔０．０１　ｓ就记录一次，然后利用ｇｎｕｐｌｏｔ￣Ｅ具来画图．当ＴＣＰ协议　为Ｔａｈｏｅ时，可以看到拥塞窗Ｄｃｗｎｄ变化情况如图３所示，当ＴＣＰ协议为Ｒｅｎｏ，ｃｗｎｄ变化情况如　图４所示，对比图３５Ｈ图４，我们能清楚地比较Ｔａｈｏｅ协议和Ｒｅｎｏ协议性能上的差别．　ＴａＩ—，ｏｅ　ｃｏ￣ｔｉｏｎⅥｉｎｄＯ０　图３　Ｔａｈｏｅ协议ｃｗｎｄ窗口变化　竹穑ｃ　Ｉ　＃ｔｌ硼　ｉｎ　０　图４　Ｒｅｎｏ协议ｃｗｎｄ窗口变化　从图３中不难发现，Ｔａｈｏｅ协议开始执行时，ｃｗｎｄ从１开始进入慢启动价段，当收到接收端一　个ＡＣＫ时，ｃｗｎｄ便增加１，当ｃｗｎｄ的值超过慢启动门槛ｓｓｔｈｒｅｓｈ时，进入拥塞避免阶段．当Ｒ１和Ｒ２之　间的链路的分组不断增加而超过允许传送到网络上的个数时，就会产生丢包现象，这时路由器就会使　用Ｄｒｏｐｔａｉｌ机制将包丢弃．Ｔａｈｏｅ协议这时将ｓｓｔｈｒｅｓｈ设为包丢失时窗口值的一半，并将ｃｗｎｄ的值重设　为１，从图３中可以发现，这是一个重复变化的周期性过程．每次发生包丢失，Ｔａｈｏｅ都从慢启动开始．　５９　图４为Ｒｅｎｏ协议的拥塞窗Ｈｃｗｎｄ变化情况，当探测到包丢失时，ｓｓｔｈｒｅｓｈ和ｃｗｎｄ的值都会被设为　先前ｃｗｎｄ￣ｌ／２，重发丢失的包后，Ｒｅｎｏ会由拥塞避免价段开始，ｃｗｎｄ值也由先前ｃｗｎｄ的１／２处开　始增加，所以Ｒｅｎｏ的平均吞吐量较Ｔａｈｏｅ好一点．　３　小结　本文介绍了利用ＮＳ２现有构件开发一个ＴＣＰ协议性能对比实验的过程．实际应用中，还开发　￣ＩＮｅｗＲｅｎｏ、Ｓａｃｋ、Ｖｅｇａｓ等协议的分析和比较以及影响ＴＣＰ性能因素等实验项目，希望为“计算机　网络”课程的实验教学提供一种新的思路和方法．通过这样的实验，一是有利于培养学生研究和创新能　力，二是有利于加深对学习内容的理解．面对以能力培养为中心的教学模式，开发类似的研究性实验　项目，将在培养学生创新能力和综合素质方面发挥更大的作用．　参考文献：　【１】王绍卜．“计算机网络”课程实验教学探讨［Ｊ］．实验室研究与探索，２００５，２４（１）：６５—６６．　ｆ２徐雷鸣，庞博，赵耀．ＮＳ与网络模拟ｆ２ＪＭ１．北京：人民邮电出版社，２００３：１—１０．　【３］张遥，王群．用ＮＳ２开发计算机网络性能测试实验【Ｊ］．实验室研究与探索，２００８，２７（８）：６０—６３．　【４】方路平，刘世华等．ＮＳ．２网络模拟基础与应用【Ｍ】．北京：国防工业出版社，２００８：１６—１７．　［５】冯博琴．计算机网络【Ｍ】．第二版．北京：高等教育出版社，２００４：３３１—３３６．　『６】谢希仁．计算机网络【Ｍ】．第４版．北京：电了工业出版社，２００４：２６２—２６６．　ｆ７】茹新宇，刘渊．ＣＯＳ．Ｓｌｏｗ．Ｓｔａｒｔ：一种新的ＴＣＰ慢启动策略ｆＪ】．计算机工程，２００８，３４（５）：１１６—１１８．　Ａ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　Ｖ－ｅｒｓｉｏｎｓ　ＴＣＰ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＮＳ２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＨＵＡＮＧ　Ｚｈｅｎ－ｊｉａｎ　，ＣＡＩ　Ｑ　礼一ｙｉｎｆ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｓｈａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｏｚｈｏｕ　５２１０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｓｈａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｏｚｈｏｕ　５２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＮＳ２　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＴＣＰ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｃａｎ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｏｂｓｅｒｖｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｗｉｎｄｏｗ，ｔｈｅｎ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ．Ｔｈｉｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｃｏｕｒｓｅｓ　ａｂｏｕｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｔ　ｃａｒｌ　ｈｅｌｐ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ａｎｄ　ｃｒｅａｔｉｖｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＮＳ２；ＴＣＰ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ　ｗｉｎｄｏｗ　责任编辑朱本华