基于NS-2的网络运作过程的演示系统设计 （毕业设计57页、25858字）
摘要：计算机网络教学中，传统的辅助教学工具不能动态、形象地展现复杂的网络行为。为了解决以上问题，实现对网络行为的仿真和演示，可以引入网络仿真工具NS-2构建网络演示系统来进行计算机网络课程的辅助教学。NS-2(Network Simulator-2)是一种开源的、免费的、基于离散事件驱动、面向对象的、可扩展的、可重用的网络仿真工具，可以支持局域网、广域网、无线移动网和卫星网络的仿真。本文分析了NS-2在演示网络运作过程和分析网络性能方面相比于其它网络仿真工具的优点，设计并实现了一个基于NS-2的网络运作过程的演示系统，该系统运行在VMware Workstation＋Linux平台下，实现了对TCP/UDP数据传输过程和静态/动态路由的数据转发过程的仿真，并完成了上述过程的可视化。同时在NS-2平台下实现了MFlood路由协议组件的扩展。

关键词： 网络仿真；NS-2；演示系统；组件扩展
 
Design of Network-Operation Demonstration System Based on NS-2
Abstract: In teaching Computer Networks, it is difficult for a traditional teaching tool to animate and demonstrate complex behaviors of networks. In order to overcome these problems, a network simulator NS-2 could be employed to help building of a Network Behavor Demonstration System in teaching Computer Networks. NS-2 is a free, open source network simulator, it is object-oriented, discrete event-driven, scalable and reusable. NS-2 provides supports for simulation of wired and wireless (local and satellite) networks. In this dissertation, firstly, the advantages of NS-2 compared to other network simulators are discussed. Then the design and implematation of a NS-2 based network behavor demonstration system are presented. This system runs on VMware Workstation + Linux. It can simulates transfering of TCP/UDP datagrams and static/dynamic routing of these datagrams. It also provides visualitation of the simulation. In final chapter, the creation and extension of a MFlood routing protocol componet for NS-2 are presented.

Key words:  Network Simulation, NS-2, Demonstration System, Component Extension
目    录
第1章  绪论 1
1.1  课题的目的及意义 1
1.1.1  课题来源 1
1.1.2  选题目的及意义 1
1.2  国内外研究现状及存在的问题 2
1.3  本课题的主要研究内容 2
第2章  演示系统的方案比较与选择 3
2.1  传统的演示工具 3
2.2  主流网络仿真软件 3
2.2.1  OPENT 3
2.2.2  MATLAB 5
2.3  基于NS-2的网络行为演示系统 5
2.4  方案的对比和选择 6
第3章  NS-2仿真软件工作原理和使用基础 8
3.1  NS-2的基本结构和仿真原理 8
3.2  分裂对象模型和TclCL 9
3.3  NS-2的仿真模型 11
3.3.1  拓扑模型 11
3.3.2  协议模型 11
3.3.3  流量模型 11
3.4  NS仿真的一般过程 12
3.4.1  用户层次的仿真 12
3.4.2  系统层次的仿真 13
3.5  Tcl语言简介 13
第4章  开发平台的搭建和演示系统的设计 15
4.1  开发平台的搭建 15
4.1.1  虚拟机VMware Workstation 15
4.1.2  Linux操作系统 16
4.1.3  ns-2.30的安装 18
4.2  演示系统的设计 19
4.2.1  NS-2中动画显示工具NAM介绍 20
4.2.2  TCP/UDP数据传输过程演示实现 20
4.2.3  静态/动态路由数据转发过程演示实现 26
4.3  本章小结 29
第5章  NS-2扩展的实现 30
5.1  MFlood路由协议的添加 30
5.1.1  添加包头类型 31
5.1.2  添加协议类 32
5.1.3  编译代码 34
5.2  本章小结 35
第6章  实验仿真及结果分析 36
6.1  演示系统的调试和结果分析 36
6.1.1  TCP/UDP数据传输过程演示与分析 36
6.1.2  静态/动态路由数据转发过程演示与分析 36
6.2  MFlood路由协议的测试和trace文件分析 39
结论 41
致谢 42
参考文献 43
附录1：TCP/UDP数据传输演示部分程序 44
附录2：动态/静态路由数据转发演示部分程序 47
附录3：MFlood场景测试程序 49
 

 
第1章  绪  论
1.1  课题的目的及意义
1.1.1  课题来源
本课题是针对我国目前计算机网络教学中,在理论教学和实验操作方面存在的不足，要求能够在较低的经济成本的前提下，搭建起一个网络实验平台。通过这个实验平台，使用者可以方便的进行网络环境的配置，“透明”的使用各种网络组件，最终能够清晰地观察到网络的各种运作过程，方便地分析网络的各种性能。
1.1.2  选题目的及意义
在计算机网络教学中，一方面，由于所涉及的知识面广，原理概念多，而且抽象难懂，学生很难消化和理解课堂讲授的内容；另一方面，在实验操作上，如果采用真实的网络设备，成本太高，一般高校无法承受。而且由于计算机网络是一门综合性很强的学科，涉及到大量其他学科的知识，操作难度相当的大[1]。因此，我们采用了网络仿真软件NS-2(Network Simulator-2)来解决这两方面的问题。作为一种开源、免费、可扩展、可重用、基于离散事件驱动、面向对象的网络仿真工具，NS-2可以直观的、有针对性的、重复的对某个网络行为进行仿真，使用它来搭建网络实验平台具有以下优点：(1)经济性。使用仿真软件，各高校可基于现有的计算机，花费极少的资金就能为学生提供网络课程学习的软件实验环境，能解决一些高校受资金限制无法构建大规模网络实验平台的问题。(2)方便性。基于NS-2丰富的构件库，使用者可以在很短时间内仿真网络常见协议和算法的运作过程。仿真过程中使用NS-2提供的跟踪和监测的对象，可以记录网络系统的状态和事件。仿真结束后，使用NS-2提供的可选组件xgraph可以将结果转换成易于比较的平面统计图，方便使用者对网络性能进行分析；使用nam可以利用仿真得到的trace文件运行动画，观察数据包传输过程和链路队列管理，同步监测各节点的状态等。这为学生快速、生动地理解抽象的网络协议提供了可能。(3)针对性。仿真时，使用者通过灵活地设置网络仿真环境中每个实体的参数，可以只获取自己感兴趣的网络运行细节的相关数据。通过这种设置方式，使用者就可以有针对性地更改网络仿真环境，从不同的角度获取有用数据，全面理解网络运行过程。(4)可重复性。只要仿真的网络拓扑、网络实体的参数和使用的协议等不改变，仿真结果就不会发生改变[2]。
通过搭建这样一个基于NS-2的网络实验平台，我们就可以利用其中的nam动画演示工具清楚而深刻地演示网络协议的运作过程，了解各种环境或其他因素对网络的影响，并可以对比分析各种网络策略的优缺点。
1.2  国内外研究现状及存在的问题
网络仿真(Network Simulator)，就是用计算机程序对通信网络进行模型化，通过程序的运行来模仿通信网络的运行过程。这种技术最初被应用在军事领域。在国外，网络仿真系统技术研究已经有了10多年的历史。因而他们在网络仿真技术方面的发展已经相当成熟了，已经由小型网络仿真器向大型混合网络仿真器发展，甚至有的发达国家已经实现了联合网络仿真平台。而国内的研究相对比较落后，主要是对一些小型网络进行仿真，仿真方法也主要还是停留在经验、实验和计算基础上，对网络仿真技术还没有进行系统地研究。这与国内信息网络技术快速发展的趋势相矛盾[3]。
目前，网络仿真技术主要应用于网络研究和计算机网络教学这两个方面。教学方面，演示工具已成为当今高等教育提高教学质量的重要手段和措施。但是现在大多采用的PowerPoint幻灯片和CAI课件在进行抽象而复杂的网络行为演示时，缺乏应有的灵活性和交互性。而作为网络仿真技术应用的一个重要方面，基于网络仿真工具的网络行为演示系统在辅助计算机网络教学上已经引起大家的广泛重视和亲睐。
1.3  本课题的主要研究内容
本课题研究的主要内容是：(1)完成系统开发平台的搭建；(2)在Linux环境下，利用目前主流的网络仿真软件NS-2，通过编写OTcl脚本，调用NS-2中的相关组件，最后使用nam动画演示工具设计出一套演示系统，直观地演示各种网络运作过程；(3)利用C++和OTcl编程的相关知识，实现NS-2的扩展。