高级计算机网络实验报告-ns3模拟数据中心

Project1-ns3模拟数据中心实验要求根据上面的数据中心拓扑图，完成以下要求：1.根据给定的数据中心的拓扑结构，利用ns3进行仿真2.模拟两种通信模式(traffic pattern)o all-to-all：每个服务器都发送消息给其他服务器消息，由拓扑结构可知，超过50%的消息传送将跨越两个簇(cluster)o many-to-one：每个服务器都发送消息给其中一个服务器3.测量两种模式下网络的仿真可以达到的吞吐量，找出网络瓶颈，并且说明如何改进注：拓扑中的网络都是Ethernet网实验内容数据中心模拟①实现及主要代码解释a. 设置自定义的attribute为了做实验方便，设置如下自定义attribute：pattern:通信模式，all-to-all或many-to-one，默认为1defaultDst:多对一模式下，接收消息的默认服务器序号，默认为0verbose:enable或者disable PacketSink和OnOffApplication的日志，默认为false DataRate1:定义数据中心拓扑第一层的数据传输速率(Mbps)，默认为DataRate2:定义数据中心拓扑第二层的数据传输速率(Mbps)，默认为DataRate3:定义数据中心拓扑第三层的数据传输速率(Mbps)，默认为实现代码如下：uint16_t pattern = 1;uint16_t nodesNum = 8;uint16_t defaultDst = 0;float DataRate1 = ;float DataRate2 = ;float DataRate3 = ;uint16_t port = 50000;bool verbose = false;CommandLine cmd;("pattern", "number of traffic pattern", pattern);创建结点根据实验要求，总共需要创建15个结点，包括:8 servers4 ToR switches2 Aggregation switches1 Core switch实现代码如下：创建CSMA网络节点整个数据中心网络拓扑从下往上可以分为三层，即第一层：由服务器与ToR组成的ethernet网络，共有4个，编号为CSMA11,CSMA12,CSMA13,CSMA14第二层：由ToR与Aggregation组成的ethernet网络，共有2个，编号为CSMA21,CSMA22第三层：由Aggregation与Core组成的ethernet网络，共有1个，编号为CSMA3将创建好的15个网络结点分配到这7个CSMA网络中，实现代码如下：设置CSMA网络attribute，并将其安装到相应结点上根据实验要求中的网络拓扑，设置相应网络的属性所有直接相连的两个结点之间的延迟都为500ns第一层和第二层CSMA网络的数据传输速率都为，第三层为然后安装到相应的网络结点上，实现代码如下（DataRate可以通过命令行参数设置，默认值即为原实验要求）：分配网络IP根据实验要求，为每个结点安装协议栈，并为7个CSMA网络分配IP，实现代码如下;InternetStackHelper stack;(n1_8);(t1_4);(a12);(c1);Ipv4AddressHelper address;("", "");Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces11 = (csmaDevices11);("", "");Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces12 = (csmaDevices12);("", "");Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces13 = (csmaDevices13);("", "");Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces14 = (csmaDevices14);("", "");Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces21 = (csmaDevices21);("", "");Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces22 = (csmaDevices22);("", "");Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces3 = (csmaDevices3);f. 初始化路由表这里直接调用了ns3自带的路由实现，实现代码如下Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables ();g. 创建和分配PacketSink和OnOffClient首先，创建sink和OnOff，实现代码如下tart(Seconds );sinkApp[i].Stop(Seconds );}再然后，分配OnOffClient到server结点上，并且根据pattern不同，进行不同的配置pattern 1：每个服务器都发送消息给其他服务器消息，即发送消息给在另一个簇上面的4个服务器（每个服务器上建立4个OnOffClient）pattern 2：每个服务器都发送消息给同一个服务器，可以默认为n1（每个服务器（n1除外）上建立1个OnOffClient）实现代码如下for(int i = 0; i < nodesNum; i++){uint16_t dst = 0;if(pattern==1){tart(Seconds );clientApp[i][j].Stop (Seconds );sprintf(buf,"OnOffClient @Node %d aims at Server@Node %d",i+1,dst+1);NS_LOG_INFO (buf);}}else if(pattern==2){tart(Seconds );clientApp[i][0].Stop (Seconds );sprintf(buf,"OnOffClient @Node %d aims at Server@Node %d",i+1,dst+1);NS_LOG_INFO (buf);}这里解释一下一个函数getAddress：根据server的标号产生相应的IP:port地址getAddress实现代码如下InetSocketAddress getAddress(int i,uint16_tport,Ipv4InterfaceContainer i1,Ipv4InterfaceContaineri2,Ipv4InterfaceContainer i3,Ipv4InterfaceContainer i4){switch(i){case0:return InetSocketAddress(0),port);break;h. 配置相应的trace这里采用pcap文件来trace所有的device，方便利用wireshark来分析实验结果，实现代码如下②实验结果与分析a. pattern 1 实验结果件），实验运行结果如下所示从上面的结果可以看出，每个结点上的OnOffClient都有一半以上跨越了两个簇，产生的pcap文件如下所示为了分析patten 1的网络吞吐量，根据all-to-all模式下网络的对称性，选取测量位置CSMA11：通过server n1(node 0/device 0)来估计CSMA21：通过ToR t1(node 8/device 1)来估计CSMA3?：通过Aggregation a1(node 12/device 1)来估计选取的测量标准为吞吐量，具体方法是使用wireshark分析相应的pcap文件中的tcp包使用statistics->TCP Stream Graph->Throughput Graph来查看整个过程中该结点上的吞吐量变化情况使用statistics->Summary来查看当前结点上网络平均吞吐量，以此估计相应CSMA网络的吞吐量server n1上的测量结果如下Throughput GraphSummaryToR t1上的测量结果如下Throughput GraphSummaryThroughput GraphSummaryb. pattern 1 实验结果分析首先对实验结果进行简单汇总网络结点带宽(Mbps)网络平均吞吐量(Mbps) CSMA11server n1CSMA21ToR t1CSMA3Aggregation a1从上面的结果可以看出第1层CSMA网络平均吞吐量是，带宽利用率为%；第2层CSMA网络平均吞吐量是，带宽利用率为%；第3层CSMA网络平均吞吐量是，带宽利用率为%。

c. pattern 1 瓶颈及改进瓶颈根据以上的实验结果可以看出来，从网络的平均吞吐量来看：第3层CSMA>第2层CSMA>第1层CSMA2，从带宽利用率上看也是这样，所以作为core switch连接两个子网络但带宽过小的第三层网络成了整个网络的瓶颈。

改进可以加大第3层网络的带宽，防止数据流量过大出现拥塞的情况发生。

因此最后确定的网络带宽如下所示：o CSMA11-14：o CSMA21-22：o CSMA3 ：改进结果执行命令行./waf --run "scratch/DC --DataRate1= --DataRate2= --DataRate3="，以相同方式测量网络，得到的结果如下：网络结点带宽(Mbps)网络平均吞吐量(Mbps)CSMA11server n1CSMA21ToR t1CSMA3Aggregation a1从上面的结果可以看出加大第三层网络的带宽，确实提高了整个网络的吞吐量，尤其是对最底层的server结点来说。

d. pattern 2 实验结果执行命令./waf --run "scratch/DC --pattern=2"，实验运行结果如下所示从上面的结果可以看出，8个OnOffClient都将数据传输到n1，产生的pcap文件如下所示为了分析patten 2的网络吞吐量，根据网络拓扑的对称性，选取测量位置CSMA11：通过server n1(node 0/device 0)来估计CSMA12：通过server n3(node 2/device 0)来估计CSMA13：通过server n5(node 4/device 0)来估计CSMA21：通过ToR t1(node 8/device 1)来估计CSMA22：通过ToR t3(node 10/device 1)来估计CSMA3?：通过Aggregation a1(node 12/device 1)来估计选取的测量标准为吞吐量，具体方法是使用wireshark分析相应的pcap文件中的tcp包使用statistics->TCP Stream Graph->Throughput Graph来查看整个过程中该结点上的吞吐量变化情况使用statistics->Summary来查看当前结点上网络平均吞吐量，以此估计相应CSMA网络的吞吐量server n1上的测量结果如下Throughput GraphSummaryThroughput GraphSummaryThroughput GraphSummaryThroughput GraphSummaryThroughput GraphSummaryThroughput GraphSummarye. pattern 2 实验结果分析首先对实验结果进行简单汇总CSMA22ToR t3CSMA3Aggregation a1从上面的结果可以看出第1层CSMA11网络平均吞吐量是，带宽利用率为%；第1层CSMA11网络平均吞吐量是，带宽利用率为%；第1层CSMA11网络平均吞吐量是，带宽利用率为%；第2层CSMA21网络平均吞吐量是，带宽利用率为%；第2层CSMA21网络平均吞吐量是，带宽利用率为%；第3层CSMA3网络平均吞吐量是，带宽利用率为%。