CN102064957A - 一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法 - Google Patents

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刘建伟
刘哲
宋璐
郑志明
毛剑
修春娣
尚涛
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Abstract

一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，它依据开源网络模拟软件——NS-2仿真系统来实现，以交换特定的分组来模拟真实无线网络情况，并将执行情况记录到trace即日志文件中，以提供给仿真用户进行分析解读，获取仿真结果，计算模拟无线网络性能参数；该方法有四大步骤。步骤一：计算端到端延迟(End-to-End Delay)；步骤二：计算抖动率(Jitter)；步骤三：计算吞吐量(Throughput)；步骤四：计算丢包率(Packet Loss Rate)。本发明计算简单，方法高效，运算时间少，运行速度快，占用系统内存空间小，它成为使用者分析和改进无线网络性能和提高无线网络利用率的重要手段；本发明在无线网络技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法
(一)技术领域
本发明是根据模拟无线网络的仿真系统生成的trace文件(日志文件)来计算端到端延迟、抖动率、吞吐量、丢包率等无线网络性能参数，更具体而言，是涉及一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，属于无线网络技术领域。
(二)技术背景
随着无线网络应用的发展，无线网络的规模扩大，复杂性不断增加，无线网络的异构性越来越高。伴随着无线网络技术的发展，需要对已有的无线网络硬件设备进行合理的应用，进行系统化的规划与设计，解决由于无线网络复杂性带来的问题；还需要不停的改进原有的无线网络算法和协议，进行新算法和新协议的开发，以提高无线网络的基本应用技术。而无线网络的性能分析是达到以上两方面目标的必要手段和方式，对无线网络性能进行分析、评价，获得无线网络性能的总体情况，不仅可以有效的评估、鉴定和优化一个现有无线网络，而且可以作为一个待建无线网络的规划参考。规划无线网络是无线网络建设的关键，在无线网络建立之前，进行无线网络性能的分析与评价，从而指导无线网络建设工作。例如根据用户的业务特点，选择相应的拓扑结构，根据无线网络性能评价，分析无线网络可能受到哪些限制、扩充的余地还有多大等等，这些都需要有充足的理论分析和针对性的实验来验证。
无线网络仿真是无线网络性能分析的一个重要手段，应用无线网络仿真技术，可以在无线网络建设之前就虚拟出无线网络的运行环境，模拟无线网络行为，观察无线网络现象，获取无线网络性能，结合相应的理论分析做出综合测评等等。将无线网络仿真技术应用到无线网络性能分析当中，具有重要的意义。
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的是为了提供一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，它能对无线网络的性能参数如端到端延迟，抖动率，吞吐量，丢包率等进行计算模拟和综合测评。
2、技术方案：本发明所述方法流程见图1。
本发明主要依据了模拟无线网络的仿真系统所生成的trace文件，通过分析该trace文件来计算端到端延迟，抖动率，吞吐量，丢包率等无线网络性能参数。trace文件的后缀为tr，举例：aodvd0.tr就是一个trace文件，图2为trace文件内容格式示意图。
本发明所选用的仿真系统是功能强大的开源网络模拟软件NS-2(Network Simulator version 2，以下可以简称NS，因为NS-2是NS的第二代，即第二个版本。)。NS-2是一种面向对象的网络仿真器，它本质上是一个离散事件模拟器，其本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。目前NS-2可以用于仿真各种不同的通信网络。它功能强大，模块丰富，已经实现的一些仿真模块有：网络传输协议，如TCP和UDP；业务源流量产生器，如FTP和Telnet；路由队列管理机制以及路由算法，如Droptai、RED和CBQ；以及无线通信网络如Ad hoc路由，移动IP和卫星通信网络等。NS-2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC子层协议。NS使用了被称为分裂对象模型的开发机制，采用C++和Otcl两种开发语言进行开发，通过制定仿真场景和仿真进程，交换特定的分组来模拟真实网络情况，并将执行情况记录到trace文件(日志文件)中，以提供给仿真用户进行分析解读，获取仿真结果。图3为NS-2生成trace文件并进行分析计算示意图。
综上所述，本发明主要对trace文件中的数据进行分析，来计算模拟无线网络的性能参数如端到端延迟，抖动率，吞吐量，丢包率，以图4举例，该图是一个trace文件所表示的模拟无线网络，其中节点N1为发送端节点，节点N2为接收端节点，数据包从发送端节点N1到接收端节点N2。
本发明一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，其具体步骤如下：
步骤一：计算端到端延迟(End-to-End Delay)
在无线网络环境中，延迟主要包括打包与解包延迟，排队延迟，网络传输时间延迟等等，这里主要讨论网络传输时间延迟，而网络传输时间延迟一般指端到端延迟。
端对端延迟(End-to-End Delay)：在发送端产生的数据包传送到接收端所需的时间。换句话说，端到端延迟就是指数据包的接收时间与发送时间之差。
仍以图4举例，接收端节点N2收到数据包的时间减去发送端节点N1发出数据包的时间，就是端到端延迟。公式如下：
端到端延迟＝数据包的接收时间-数据包的发送时间
步骤二：计算抖动率(Jitter)
抖动率是网络延迟的变化量，是由于同一应用的任意两个相邻数据包在传输路由中经过不同的网络延迟产生的。抖动率由相邻数据包延迟时间差除以数据包序号差得到。抖动率越大，则表示网络越不稳定。
设数据包Pi和数据包Pj是相邻数据包，数据包Pi的序号为i，数据包Pj的序号为j，抖动率计算的公式如下：
抖动率＝(数据包Pj的延迟-数据包Pi的延迟)/(数据包Pj的序号j-数据包Pi的序号i)
数据包Pj的延迟＝数据包Pj接收时间-数据包Pj发送时间
数据包Pi的延迟＝数据包Pi接收时间-数据包Pi发送时间
步骤三：计算吞吐量(Throughput)
吞吐量是网络性能的一个重要参数，在这里的吞吐量是指平均吞吐量。仍以图4举例，吞吐量指接收端节点N2接收的数据包大小总和除以数据包传输所花费的时间总和，公式如下：
吞吐量＝接收端节点接收的数据包大小总和/每个数据包从发送端节点到接收端节点所花费的时间总和
步骤四：计算丢包率(Packet Loss Rate)
丢包率是一个比率，网络中数据的传输以发送和接收数据包的方式进行，理想状态下发送多少数据包就能接收到多少数据包，但是由于信号衰减、网络质量等诸多因素的影响下，可能产生数据包的丢失。仍以图4举例，丢包率指接收端节点N2未接收到的数据包数量与发送端节点N1发送的数据包数量的比率，公式如下：
丢包率＝(发送端节点发送数据包的数量-接收端节点接收数据包的数量)/发送端节点发送数据包的数量
经过以上四个步骤，完成了基于trace文件的模拟无线网络性能参数的分析和计算。
3、优点及功效
优点：本发明-种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，它的主要优点是：方法高效，计算简单，运算所花时间少，运行速度快，占用系统内存空间小。
功效：本发明可以成为使用者分析无线网络性能的重要手段。使用者要在了解无线网络性能的基础上合理分配无线网络资源、提高无线网络利用率，配置无线网络性能测试系统来监测无线网络行为特征，从而确定应用系统提供的无线网络服务质量状况，进而配置应用系统，使之提供更高的服务质量，提供稳定、可靠和最优化的服务，使应用程序的效率更好地发挥出来。
本发明的应用，不仅在无线网络搭建前具有预测和指导作用，如：确定无线网络扑拓类型、确定无线网络协议提供不同的服务等，而且在已有无线网络的优化和维护方面也大有用武之地。宏观方面，可以引导企业发展方向与投资重点；微观方面，可以在无线网络细节部分做到最优化。
(四)附图说明
图1为本发明所述方法流程图；
图2为trace文件内容格式示意图；
图3为NS-2生成trace文件并进行分析计算示意图；
图4为一个trace文件所表示的模拟无线网络示意图；
图中符号说明如下：
NS-2：功能强大的开源网络模拟软件，也就是一个仿真系统；
trace：一种文件格式，存储数据以供分析，类似于xml、txt、doc等格式的文件；
N1：发送端节点；
N2：接收端节点；
(五)具体实施方式
本发明是一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，该方法流程如图1所示。具体实施方式以图4所示的模拟无线网络举例，该模拟无线网络对应一个trace文件，trace文件内容格式见图2。整个过程就是NS-2模拟无线网络并生成trace文件，然后分析trace文件内容计算端到端延迟，抖动率，吞吐量，丢包率等模拟无线网络性能参数，整个过程如图3所示。
本发明一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，其具体步骤如下：
步骤一：计算端到端延迟(End-to-End Delay)
下面给出计算端到端延迟的具体实施方式：
(1)记录数据包的编号；
(2)记录目前处理的最大的数据包的编号；
(3)下面重复(4)到(6)循环，分析处理trace文件的每一行记录，即对于trace文件的每一行记录，循环都会重复执行一次；
(4)记录目前最高的数据包编号；
(5)记录数据包的发送时间；
(6)记录数据包的接收时间；
(7)读取完每行记录后，开始计算端到端延迟；
(8)只把接收时间大于传送时间的端到端延迟记录打印出来；
步骤二：计算抖动率(Jitter)
下面给出计算抖动率的具体实施方式：
(1)记录数据包的编号；
(2)记录目前处理的最大的数据包的编号；
(3)下面重复(4)到(6)循环，分析处理trace文件的每一行记录，即对于trace文件的每一行记录，循环都会重复执行一次；
(4)记录目前最高的数据包编号；
(5)记录数据包的发送时间；
(6)记录数据包的接收时间；
(7)初始化计算抖动率所需的变量；
(8)读取完每行记录后，开始计算抖动率；
(9)只计算接收时间大于传送时间的抖动率记录；
(10)将数据包编号以及延时抖动打印出来；
步骤三：计算吞吐量(Throughput)
下面给出计算吞吐量的具体实施方式：
(1)记录数据包的编号；
(2)记录目前处理的最大的数据包的编号；
(3)下面重复(4)到(6)循环，分析处理trace文件的每一行记录，即对于trace文件的每一行记录，循环都会重复执行一次；
(4)记录数据包的发送时间；
(5)记录数据包的接收时间；
(6)记录数据包的大小；
(7)读取完每行记录后，开始计算吞吐量；
(8)只计算接收时间大于传送时间的吞吐量记录；
(9)将数据包编号以及吞吐量打印出来；
步骤四：计算丢包率(Packet Loss Rate)
下面给出计算丢包率的具体实施方式：
(1)记录发送端节点发送的数据包的数目；
(2)记录接收端节点接收的数据包的数目；
(3)记录丢包率；
(4)下面重复(5)到(6)循环，分析处理trace文件的每一行记录，即对于trace文件的每一行记录，循环都会重复执行一次；
(5)统计发送端节点发送数据包的数量；
(6)统计接收端节点接收数据包的数量；
(7)打印发送数据包的数目和丢包率；
经过以上四个步骤，完成了基于trace文件的模拟无线网络性能参数的分析和计算。

Claims (1)

1.一种基于trace文件的计算模拟无线网络性能参数的方法，它依据开源网络模拟软件-NS-2仿真系统来实现，其特征在于：通过仿真模拟无线网络，交换特定的分组来模拟真实无线网络情况，并将执行情况记录到trace即日志文件中，以提供给仿真用户进行分析解读，获取仿真结果，计算模拟无线网络性能参数；该方法具体步骤如下：
步骤一：计算端到端延迟即End-to-End Delay
端到端延迟就是指数据包的接收时间与发送时间之差；接收端节点N2收到数据包的时间减去发送端节点N1发出数据包的时间，就是端到端延迟，公式如下：
端到端延迟＝数据包的接收时间-数据包的发送时间
步骤二：计算抖动率即Jitter
抖动率是网络延迟的变化量，它是由同一应用的任意两个相邻数据包在传输路由中经过网络延迟而产生；抖动率由相邻数据包延迟时间差除以数据包序号差得到；设数据包Pi和数据包Pj是相邻数据包，数据包Pi的序号为i，数据包Pj的序号为j，抖动率计算的公式如下：抖动率＝(数据包Pj的延迟-数据包Pi的延迟)/(数据包Pj的序号j-数据包Pi的序号i)
数据包Pj的延迟＝数据包Pj接收时间-数据包Pj发送时间
数据包Pi的延迟＝数据包Pi接收时间-数据包Pi发送时间
步骤三：计算吞吐量即Throughput
吞吐量指接收端节点N2接收的数据包大小总和除以数据包传输所花费的时间总和，这里的吞吐量是指平均吞吐量，公式如下：
吞吐量＝接收端节点接收的数据包大小总和/每个数据包从发送端节点到接收端节点所花费的时间总和
步骤四：计算丢包率即Packet Loss Rate
丢包率指接收端节点N2未接收到的数据包数量与发送端节点N1发送的数据包数量的比率，公式如下：
丢包率＝(发送端节点发送数据包的数量-接收端节点接收数据包的数量)/发送端节点发送数据包的数量；
经过以上四个步骤，完成了基于trace文件的模拟无线网络性能参数的分析和计算。
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