通信网络MAC协议仿真课案

通信网络MAC协议仿真

摘要:本文首先简要介绍了NS2的原理；然后介绍ALOHA、CSMA/CA和CSMA/CD 协议的具体流程，然后分别对这三种协议进行了仿真验证，通过分析它们的延时抖动，传输延时，网络吞吐量和丢包率，并结合仿真环境的参数配置对对这些统计数据进行了比较分析。

1.NS-2概述

NS是Network Simulator的英文缩写，字面翻译即为网络模拟器，又称网络仿真器。

NS-2（Network Simulator，Version 2）是一款开放源代码的网络模拟软件，最初由加州大学伯克利分校（UC Berkeley）开发。它最初的开发目的是为了研究大规模网络以及当前和未来网络协议的交互行为。它为模拟研究有线和无线网络上的TCP、路由和多播等协议提供了强有力的支持。

NS-2是一种面向对象的网络模拟器，它本质上是一个离散时间模拟器，其本身有一个虚拟时钟，所有的模拟都由离散时间驱动。目前NS-2可以用于模拟各种不同的通信网络。它功能强大，模块丰富，已经实现的主要模块有：网络传输协议，如TCP和UDP；业务源流量产生器，如FTP、Telnet、Wed、CBR和VBR；路由队列管理机制，如Droptail、RED和CBQ；路由算法，如Dijkstra；以及无线网络WLAN、移动IP和卫星通信网络等模块。NS-2也为进行局域网的模拟而实现了多播协议以及一些MAC子层协议。

NS2采用两级体系结构，为了提高代码的执行效率，NS2 将数据操作与控制部分的实现相分离，事件调度器和大部分基本的网络组件对象后台使用C++实现和编译，称为编译层，主要功能是实现对数据包的处理；NS2的前端是一个OTcl 解释器，称为解释层，主要功能是对模拟环境的配置、建立。从用户角度看，NS2 是一个具有仿真事件驱动、网络构件对象库和网络配置模块库的OTcl脚本解释器。NS2中编译类对象通过OTcl连接建立了与之对应的解释类对象，这样用户间能够方便地对C++对象的函数进行修改与配置，充分体现了仿真器的一致性和灵活性。

2.通信网络MAC协议介绍

通信网络按照覆盖范围可分为广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）以及个域网（PAN：Personal Area Network）。

LAN（局域网）覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、校园等有限范围内的计算机联网需求；局域网比广域网有更高的数据率，较低的时延和较小的误码率。目前以太网已经在局域网市场中占据了绝对优势，并几乎成为局域网的同义词，因为本文中讨论的LAN主要就是指以太网。觉得局域网特性的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。从介质访问控制方法的角度来看，

局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。

2.1ALOHA协议

2.1.1纯ALOHA法

发送站点向网络传送的报文分组内，包含目的地址和源地址，并启动计时器，如果在预定时间内收到应答信号就认为这个报文分组安全到达目的地，反之则未到达。这种方法由于不限制用户的发送，所以很容易发生冲突，使得发送站点必须重发报文分组。发生冲突后的解决措施有两种：第一种方法，给每个用户设定一个互不相同的重发时延(即根据优先程度给予用户设定重发权利)，阻止再次发生冲突;第二种方法，给每个用户随机地设定重发时延（例如时延可在0.35到1.45的范围内选取）。设定最小时延时需要考虑用户从中央IMP收到的确认ACK，如果最小时延太短，用户有可能还没收到确认ACK就执行了不必要的重发。纯ALOHA法的传输效率约为18.4%，是比较低的。

2.1.2开糟ALOHA法

把信道事件划分成相等的时间片，每个时间片对应一个帧所需的发送时间，规定用户在每个时间片的开始端发送数据，不允许终端在任何时候发送，这种限制可以减少时间片内中间时刻发生冲突的概率。如果在开始端发生了冲突，也只是浪费这个时间片而已。每个时间片的长度需要合理的设计。因为从各个用户的报文分组到达中央系统的传输延迟不同，最大的报文分组长度相关于第一个报文分组首部到达时刻与最后一个报文分组尾部到时刻之时间差值，由这个先后到达的时间差值，选择每个时间片的宽度。对拥有中等数量用户的系统，时间片法的传输效率约为36.8%，如果用户数量效少，传输效率还可提高。

2.2CSMA/CD协议

局域网的特点就是介质资源的共享和竞争。因此需要有一定的机制协调同一网段各个计算机对共享资源的公平竞争。以太网采用的是载波侦听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）技术。所有的以太网均采用CSMA/CD。“载波侦听”是指所有计算机的以太网卡侦听网络，只有在检测倒网段上没有其他站点发送数据时才能发送数据，如果有其他站点在发送数据，则暂时不发送数据，以免发送碰撞。“多路访问”是值多个以太网节点连接在同一个网段上，并能同时检测信道是否空闲。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，当几个站点同时发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加），当一个站点检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上出现了至少有两个站点同时在发送数据，表明发生了碰撞（冲突）。这时它将停止发送并等待一个随机的时间（或者采用特定退避算法得到的时间）后再进行侦听发送操作。

CSMA/CD的发送流程如图所示：

图1

CSMA/CD 发送流程

2.3 CSMA/CA 协议

IEEE 802.11的MAC 层协议与以太网的MAC 子层不同，因为与有线环境相比，无线环境具有一些内在的复杂性。在以太网中，一个站只要等到以太网介质空闲下来，就可以开始传输了。如果在前64个字节以内没有收到送回来的噪声尖峰的话，则几乎可以肯定该帧已经被正确地递交了，但在无线环境中这样的条件并不成立。在无线环境中存在着隐藏站和暴露站问题，它们会造成监听的错误。为了解决这些问题，IEEE 802.11的MAC 层协议定义了两种介质访问控制机制：(1)分布式协调功能(DCF)，

(2)点协调功能(PCF)，其中DCF 是必须支持的功能，PCF 是可选功能。

图2是CSMA/CA 协议的具体流程：

图2 CSMA/AD 发送流程

在PCF 中，采用利用接入点AP 的中心控制器，通过轮询的方式，使得各个无线站点依次接入总线，进行数据的发送。

DCF是一种基于载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)和可选的RTS/CTS(request to send/clear to send)访问方法。在基本访问方法中，一个节点要发送数据帧时，首先通过侦听信道确定是否有其它节点正在发送数据。如果信道是空闲的并持续DIFS 时间，这个节点就开始发送数据。如果信道被侦听到是忙状态，这个节点将坚持侦听直到信道空闲一个DIFS 时间，然后产生一个随机的退避时间(backoff time)，并保存在一个计数器中。随后，在每个时隙中，如果信道为空闲状态，退避时间计数器将减 1，直到退避时间计数器减到 0 时，这个节点开始发送数据帧；在退避过程中，如果在某个时隙中信道上有其它节点发送，退避时间计数器将被冻结(freeze)，退避过程暂时中断，直到信道重新变成空闲状态并持续 DIFS 时间后再次被激活。目标节点成功收到一个数据帧后，经过一个SIFS时间后，向源节点发送一个确认帧(ACK)，如果源节点在超时(ACK_Timeout)设置的时间内收到 ACK，则认为数据帧发送成功，否则，认为数据帧发送失败并进行重发。在 RTS/CTS 访问方法中，一个节点需要发送一个数据帧时，等待信道空闲并持续 DIFS 时间，经过退避时间后，该节点将先发送一个短帧 RTS，目标节点收到RTS 后，将在 SIFS 间隔后返回一个 CTS 帧，源节点只有成功收到这个 CTS 后才能进行数据帧的发送。RTS 和 CTS 帧中都包含着到本次数据帧发送完成所需的持续时间，其它能够收到 RTS 或 CTS 的节点将根据这个持续时间信息修改其变量NAV(Network Allocation Vector)，并在该段时间内保持沉默。因此 RTS/CTS 访问方法能够在一定程度上解决隐藏节点（Hidden Node）问题。

3.基于NS-2的通信网络MAC协议仿真

3.1ALOHA协议仿真

图3 ALOHA拓扑图

网络拓扑中建立了3个UDP链接，分别为UDP0：节点0与节点1(0->1)；UDP1:节点0与节点2(0->2);UDP2:节点2与节点3(2->3)。总仿真时间为5秒，各连接持续时间分别为UDP0:0~5S;UDP1:0.2~5S;UDP2:0.3~5S。线路带宽采用15Mbps，MAC层采用ALOHA协议，路由协议采用AODV，传输层采用UDP协议。

图4 ALOHA平均延时分析

从图4中可以看出，在分组传输速率逐渐增大时，网络可能会出现拥塞，导致平均延时逐渐增加。

图5 ALOHA吞吐量分析

同样，在图5中可以看出，随着分组速率的逐渐增加，在某以特定点达到最好的网络吞吐量。但是，继续增加传输速率，网络会出现一定程度的拥塞，导致吞吐量下降。

3.2CSMA/CD协议仿真

图6 CSMA/CD拓扑图

仿真实验所用的NS版本为ns-2.35，MAC层协议使用NS自带的802.3 MAC 层协议。实验拓扑图如图6所示。

整个局域网由九个节点组成，节点9与节点0相连接，其他8个节点都连接在同一条总线上，所有链路都为全双工链路，链路带宽为10Mb，延时为10ms，传输层协议使用TCP协议。

在本次试验中定义了两条TCP传输链路，节点1至节点0之间的TCP链路和节点2至节点0之间的链路，它们的滑动窗口大小均为32，数据报大小采用默认值。当它们同时有数据传输时，MAC层就会对链路状态进行检测，以免发生冲突。在应用层，我们使用FTP发送数据，其中节点1在0.0s时刻开始发送，节点2在5s时刻开始发送，仿真时间为15s。

对实验所得数据进行绘图分析。实验给出了CSMA/CD协议在所给场景和参数下的网络性能，其中包括网络吞吐量，传输时延以及延时抖动。

1.时延

包的延时就是指包的接收时间与包的发送时间差。

图7 有线环境下的时延

2.延时抖动

延时抖动描述网络时延的变化情况，时延抖动越大，则网络越不稳定。

注意：本实验中延时抖动分析的模型是：（封包n2的延时－封包n1的延时）

/（n2的包序号－n1的包序号）

图8 有线环境下的时延抖动

3.吞吐量

网络的吞吐量是网络性能的一个重要参数，是指在不丢包的情况下单位时间

内通过的数据包数量，单位是字节每秒或比特每秒。计算其吞吐量是一件复杂的

事情，这里的模型是从第一个包发送后，每个包都叠加累算

图9 有线环境下的吞吐量

4.分析

有线环境下的丢包率“numbers of packets sent: 6871 losr: 164；the loss rate of the packet id: 0.023868”。

由实验所得数据可以知道，在0-5s阶段，因为只有节点1向节点0发送数据，所以刚开始不会有数据竞争信道冲突，所以刚开始的时延比较小，而且时延抖动也很平稳，吞吐量也保持一个稳定值。从第5s开始，节点2也开始向节点0发送数据，此时，节点1和节点就开始竞争信道。我们可以很明显的看到，从第5s开始，时延增大，时延抖动也在增大，吞吐量下降并逐渐趋向一个稳定值。有线环境下，基于该实验环境配置的丢包率为0.023，如果在MAC层不使用CSMA/CD进行媒介访问控制，在数据传输时发生冲突，会造成丢包率的急剧上升。

3.2 CSMA/CA协议仿真

仿真实验所用的NS版本为ns-2.35，MAC层协议使用NS自带的802.11 MAC

层协议。实验拓扑图如图10所示。

图10 CSMA/CA拓扑图

整个无线局域网由三个节点组成，节点0的坐标位（400,500），节点2的坐标位（500,500），节点3的坐标位（600,500）。节点0和节点1在无线环境下与节点2进行通信。节点0和节点1的发送速率均设为512Kbps；节点0发送的应用层数据包大小为200B，节点1发送的应用层数据包大小为150B；采用DSDR 无线路由协议。传输层使用UDP协议，应用层使用CBR流量发生器产生发送数据，传输层使用UDP协议，应用层使用CBR流量发生器产生发送数据，对实验所得数据进行分析。实验给出了CSMA/CD协议在所给场景和参数下的

网络性能，其中包括网络吞吐量，延时抖动。

图11 无线环境下的吞吐量

图12 无线环境下的时延抖动

结果分析：

图11中是无线环境下的网络吞吐量情况前5s内网络吞吐量基本稳定，这是由于链路带宽大于发送数据的带宽，网络中并没有发生拥塞，吞吐量基本取决于源节点的发送速率，在5s之后由于两个源节点需要竞争链路资源来发送数据，网络中数据发送速率增加，在CSMA/CA的调节下，在没有数据冲突的前提下，网络传输的数据量逐渐增多，网络的吞吐量逐渐增加，由于当两个节点同时向节点2发送数据时，发送速率超过链路带宽，这时就会出现丢包

图12表示CSMA/CA协议仿真过程中的延时抖动变化情况，在前5s内只有节点0向节点2发送数据，不存在竞争使用链路资源和数据冲突，所以0到5s内的延时抖动和传输时延都比较小，且基本趋于稳定；在第5s时由于节点1也开始向节点2发送数据，由于节点0和节点1往同一个节点发送数据，这时CSMA/CA 机制开始控制节点0和节点1发送数据的时刻，避免数据冲突的发生，所以在5s之后节点0向节点2和节点1向节点2发包的延时抖动和传输时延相比于节点0单独向节点2发送数据时有所增加，但是由于CSMA/CA机制的媒介访问控制，延时抖动和传输延时被控制在一定范围内，性能并没有剧烈下降。

4.参考文献

[1] NS-2网络模拟基础与应用方路平等著北京:国防工业出版社,2008

[2] NS2仿真实验:多媒体和无线网络通信柯志亨等著北京:电子工业出版社,2009

[3] https://www.360docs.net/doc/b612021668.html,/s/blog_620882f401011v0b.html

[4] https://www.360docs.net/doc/b612021668.html,/nsnam/index.php/Main_Page

[5] https://www.360docs.net/doc/b612021668.html,/nsnam/ns/