NS-2實踐：模擬移動IPv6的快速切換

2019-11-04 20:44:26

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供稿：網友

　　切換是移動ipv6的要害技術，它使得移動節點能夠在更改接入網絡時不需要任何手動配置就可以保持原有通信。切換性能對移動IPv6能否成功具有深刻的影響，它正成為網絡協議研究中的熱門，相信許多研究者都對此非常感愛好，并且對切換也有許多自己的思考，比如安全性，擴展性，健壯性，性能比較，等等。
　　
　　那么如何才能夠將自己對于移動IPv6的切換方案變為現實，并且對方案的效果進行測試，以便驗證其優越的性能，或者是其擴展性與健壯性呢？NS-2作為一個被國內外研究人員廣泛使用的網絡模擬環境，是很好的選擇。下面我們就通過在NS-2環境下進行移動IPv6中基于TCP的性能分析試驗，來給大家展示用NS-2進行網絡試驗整個過程，希望能夠起到拋磚引玉的作用。
　　
　　一預備工作——程序安裝過程
　　
　　1 下載并安裝NS-2軟件。
　　
　　NS-2目前可以在linux下安裝，我們以Redhat Linux 9為例來做一個簡單介紹。NS-2分為兩種安裝方法，所有程序包一次裝完（all in one）或者自己分別安裝每一個程序包（build it from pieces）。推薦使用all in one的安裝方法，比較簡便。對于Redhat Linux 9.0，只需要在解壓縮后運行根目錄下的命令install就可以了。當前的版本是2.28。不過下面我們將做的試驗所需要的NS-2版本為2.1b7a。
　　
　　完成了NS-2的安裝之后，模擬環境下就已經包括一些最基本的協議和驗證代碼。基本協議如TCP協議，UDP協議，802.3協議（LAN）和802.11b協議（Wireless LAN），可以通過編輯TCL腳本文件來構造適當的網絡環境，從而在這些已有協議的基礎上進行模擬試驗。對于這些協議合理性和正確性的驗證，可以通過命令validate來執行。
　　
　　2 安裝無線擴展協議。
　　
　　2.1 進入之前的NS-2安裝目錄，并進入其中的NS目錄，執行命令：make clean; rm config.cache; rm Makefile
　　
　　2.2 把無線擴展協議解壓到一個臨時文件夾
　　
　　2.3 復制sdist.cc, sdist.h, wireless-phy.h, cmu-trace.cc, mip.h, mip-reg.cc, Makefile.in, noah目錄，到/ns-2.1b7a/目錄下
　　
　　2.4 復制noah.tcl到tcl/mobility目錄下，復制ns-default.tcl和ns-lib.tcl到tcl/lib
　　
　　2.5 運行./configure，完成后再運行make
　　
　　完成了這一步后，將可以支持移動IPv4的最基本功能，比如移動節點的地址綁定，支持本地代理和外地代理，等等。
　　
　　3 安裝移動IPv6切換改進協議。
　　
　　3.1 解壓下載的切換改進協議到一個臨時文件夾
　　
　　3.2 復制Makefile.in和所有的.h, .cc文件到ns目錄。
　　
　　3.3 復制tcl/lib目錄下所有的.tcl文件到/ns-2.1b7a/tcl/lib目錄
　　
　　3.4 運行./configure，完成后再運行make
　　
　　完成這一步后，將可以進行移動IPv6下快速切換和層次化切換的模擬。需要注重的是，這部分代碼只是針對兩種改進方案的切換性能進行研究，因此作者并沒有在代碼中實現移動IPv6的IPSec功能，其他與安全相關的功能也并沒有實現。
　　
　　二模擬試驗的結果與分析
　　
　　在設置好模擬網絡試驗環境，也就是編輯好TCL腳本文件之后，通過NS-2運行TCL腳本文件，就可以開始模擬試驗了，NS-2可以根據我們的需要輸出一系列的稱為跟蹤信息的文件（trace）。默認情況下，NS-2 all in one方式安裝的時候，將會自帶一些工具包，比如NAM，XGRAPH。NAM可以將特定的trace文件變為動畫顯示出來，XGRAPH可以將trace文件用圖形的方式顯示出來，它們都是分析trace文件的極好的工具。
　　
　　11 NAM
　　
　　NAM的全稱是Network Animator，它具有友好的用戶界面。為了讓NS-2在模擬試驗的過程中產生NAM能夠解析的trace文件，我們可以在TCL腳本文件中加入如下的命令行：
　　
　　set namfd [open simu.nam w]
　　
　　$ns_ namtrace-all-wireless $namfd $opt(x) $opt(y)
　　
　　namtrace-all-wireless就是生成NAM格式的無線環境trace文件。其中namfd為nam格式的trace文件的文件名，在這里是simu.nam；變量opt(x)和opt(y)都是常量，為網絡拓撲結構的大小。這樣當模擬試驗結束后，NS-2就會產生simu.nam，用NAM工具將其打開，就可以看到試驗的動畫演示，如圖1所示。
　　
　　我們可以通過調整右上角的步進選項（Step）來調整動畫的演示速度，通過最上面的五個按鈕來停止、啟動、加速或者回放整個演示過程，通過左邊的按鈕來放大或者縮小演示畫面。更重要的是，我們還可以通過用鼠標單擊圖中的數據包，來查看它的TCP序列號，或者跟蹤它在不同時刻的狀態。
　　

　 NS-2實踐：模擬移動IPv6的快速切換（圖一）

　　22 XGRAPH
　　
　　XGRAPH是一個開源的通用2-D繪圖工具，能夠在多種系統中運行，如Linux, SUN Solaris, Apple Mac, Microsoft Windows等等。它提供的功能類似與Microsoft Office Excel中的圖表功能。根據介紹，它能夠通過輸入數據集或者文件來繪制圖形，并且對于輸入數據集和文件的數目沒有限制，這是其眾多強大功能之一。它還能夠根據需求將圖形輸出不同的格式，如PDF，PostScript，MIF。
　　
　　對于移動IPv6中基于TCP的切換試驗來說，最重要的性能指標，如切換延遲（Handover Delay）和TCP擁塞窗口（TCP Congestion Window），都可以通過XGRAPH繪制出的圖形直觀的反映出來。
　　
　　比如，我們在分別進行了移動IPv6下無切換和有切換的模擬試驗，并提取出兩個試驗中的通信節點（CN）的擁塞窗口變化數據集后，用XGRAPH來處理這些數據集，就可以得到圖2所示的圖形。左半邊的圖形顯示出來一條連續的曲線，它是在無切換的情況下測出來的，擁塞窗口隨著時間按照TCP協議所規定公式一直增長。右半邊的圖形顯示出來兩條斷續的曲線，它是在有切換的情況下測出來的，在切換的過程中，由于通信節點不能夠收到移動節點（MN）發送回來的ACK信息，它認為發生了網絡擁塞情況，于是相應的啟動了擁塞控制策略，直接將擁塞窗口大小降到最低，進入慢啟動（Slow Start）過程。隨著切換過程的完成，通信節點也能夠正常的收到移動節點發送回來的ACK信息，因此，擁塞窗口逐漸增大。
　　

　 NS-2實踐：模擬移動IPv6的快速切換（圖二）

　　同理，在這兩個試驗中，我們又分別提取通信節點、移動節點的接收端所收到的TCP數據包的序列號。可以看到，正常通信時，兩者的TCP序列號是連續增長的；而發生切換時，兩者的接收端都出現了斷續的情況，這個現象實際上和圖2所反映出來的現象是一致的。
　　

　 NS-2實踐：模擬移動IPv6的快速切換（圖三）

　　利用XGRAPH，我們還可以對TCP序列號的任意一部分進行放大，如圖4所示。
　　

NS-2實踐：模擬移動IPv6的快速切換（圖四）

　　綜上所述，我們介紹了如何安裝NS-2，如何模擬移動IPv6試驗，以及如何利用兩個非常強大的工具——NAM和XGRAPH來分析試驗的結果。希望我的這點簡單的介紹能夠給讀者在網絡協議研究方面帶來一些愛好。
　　
　　附錄：程序安裝地址：
　　
　　1. NS-2 http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-build.Html
　　
　　2. Wireless-Extension http://www.icsi.berkeley.edu/~widmer/mnav/ns-extension/
　　
　　3. FHMIP Extension http://mobqos.ee.unsw.edu.au/~robert/nsinstall.php

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