高级计算机网络实验报告 ns3模拟数据中心要点.docx
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高级计算机网络实验报告ns3模拟数据中心要点
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（trafficpattern）
oall-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）
omany-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1
∙defaultDst:
多对一模式下，接收消息的默认服务器序号，默认为0
∙verbose:
enable或者disablePacketSink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1.0
∙DataRate2:
定义数据中心拓扑第二层的数据传输速率（Mbps），默认为1.0
∙DataRate3:
定义数据中心拓扑第三层的数据传输速率（Mbps），默认为1.5
实现代码如下：
uint16_tpattern=1;
uint16_tnodesNum=8;
uint16_tdefaultDst=0;
floatDataRate1=1.0;
floatDataRate2=1.0;
floatDataRate3=1.5;
uint16_tport=50000;
boolverbose=false;
CommandLinecmd;
cmd.AddValue（"pattern","numberoftrafficpattern",pattern）;//pattern1:
all-to-allpattern2:
many-to-one
cmd.AddValue（"defaultDst","defaultdestinationservernodeinpattern2",defaultDst）;
cmd.AddValue（"DataRate1","datarateofcsmanetworkatlevel1",DataRate1）;
cmd.AddValue（"DataRate2","datarateofcsmanetworkatlevel2",DataRate2）;
cmd.AddValue（"DataRate3","datarateofcsmanetworkatlevel3",DataRate3）;
cmd.AddValue（"verbose","Tellsinkandonoffapplicationstologiftrue",verbose）;
cmd.Parse（argc,argv）;
LogComponentEnable（"DataCenterSimulation",LOG_LEVEL_INFO）;
if（verbose）
{
LogComponentEnable（"PacketSink",LOG_LEVEL_INFO）;
LogComponentEnable（"OnOffApplication",LOG_LEVEL_INFO）;
}
b.创建结点
根据实验要求，总共需要创建15个结点，包括:
∙8servers
∙4ToRswitches
∙2Aggregationswitches
∙1Coreswitch
实现代码如下：
//createnodes
NodeContainern1_8;
n1_8.Create（8）;
NodeContainert1_4;
t1_4.Create（4）;
NodeContainera12;
a12.Create
（2）;
NodeContainerc1;
c1.Create
（1）;
c.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：
//createcsmanodes
NodeContainercsmaNodes11=NodeContainer（n1_8.Get（0）,n1_8.Get
（1）,t1_4.Get（0））;
NodeContainercsmaNodes12=NodeContainer（n1_8.Get
（2）,n1_8.Get（3）,t1_4.Get
（1））;
NodeContainercsmaNodes13=NodeContainer（n1_8.Get（4）,n1_8.Get（5）,t1_4.Get
（2））;
NodeContainercsmaNodes14=NodeContainer（n1_8.Get（6）,n1_8.Get（7）,t1_4.Get（3））;
NodeContainercsmaNodes21=NodeContainer（t1_4.Get（0）,t1_4.Get
（1）,a12.Get（0））;
NodeContainercsmaNodes22=NodeContainer（t1_4.Get
（2）,t1_4.Get（3）,a12.Get
（1））;
NodeContainercsmaNodes3=NodeContainer（a12.Get（0）,a12.Get
（1）,c1.Get（0））;
d.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1.0Mbps，第三层为1.5Mbps
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）：
//createthechannelsfirstwithoutanyIPaddressinginformation
CsmaHelpercsma1;
sprintf（buf,"%1.1fMbps",DataRate1）;
csma1.SetChannelAttribute（"DataRate",StringValue（buf））;
csma1.SetChannelAttribute（"Delay",StringValue（"500ns"））;
NetDeviceContainercsmaDevices11=csma1.Install（csmaNodes11）;
NetDeviceContainercsmaDevices12=csma1.Install（csmaNodes12）;
NetDeviceContainercsmaDevices13=csma1.Install（csmaNodes13）;
NetDeviceContainercsmaDevices14=csma1.Install（csmaNodes14）;
CsmaHelpercsma2;
sprintf（buf,"%1.1fMbps",DataRate2）;
csma2.SetChannelAttribute（"DataRate",StringValue（buf））;
csma2.SetChannelAttribute（"Delay",StringValue（"500ns"））;
NetDeviceContainercsmaDevices21=csma2.Install（csmaNodes21）;
NetDeviceContainercsmaDevices22=csma2.Install（csmaNodes22）;
CsmaHelpercsma3;
sprintf（buf,"%1.1fMbps",DataRate3）;
csma3.SetChannelAttribute（"DataRate",StringValue（buf））;
csma3.SetChannelAttribute（"Delay",StringValue（"500ns"））;
NetDeviceContainercsmaDevices3=csma3.Install（csmaNodes3）;
e.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
//assignIPaddress
NS_LOG_INFO（"AssignIPaddress."）;
InternetStackHelperstack;
stack.Install（n1_8）;
stack.Install（t1_4）;
stack.Install（a12）;
stack.Install（c1）;
Ipv4AddressHelperaddress;
address.SetBase（"10.0.1.0","255.255.255.0"）;
Ipv4InterfaceContainercsmaInterfaces11=address.Assign（csmaDevices11）;
address.SetBase（"10.0.2.0","255.255.255.0"）;
Ipv4InterfaceContainercsmaInterfaces12=address.Assign（csmaDevices12）;
address.SetBase（"10.0.3.0","255.255.255.0"）;
Ipv4InterfaceContainercsmaInterfaces13=address.Assign（csmaDevices13）;
address.SetBase（"10.0.4.0","255.255.255.0"）;
Ipv4InterfaceContainercsmaInterfaces14=address.Assign（csmaDevices14）;
address.SetBase（"10.1.1.0","255.255.255.0"）;
Ipv4InterfaceContainercsmaInterfaces21=address.Assign（csmaDevices21）;
address.SetBase（"10.2.1.0","255.255.255.0"）;
Ipv4InterfaceContainercsmaInterfaces22=address.Assign（csmaDevices22）;
address.SetBase（"192.168.1.0","255.255.255.0"）;
Ipv4InterfaceContainercsmaInterfaces3=address.Assign（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
//Createrouternodes,initializeroutingdatabaseandsetuptherouting
//tablesinthenodes.
Ipv4GlobalRoutingHelper:
:
PopulateRoutingTables（）;
g.创建和分配PacketSink和OnOffClient
首先，创建sink和OnOff，实现代码如下
//CreatesinkAppandOnOffClient
ApplicationContainerclientApp[nodesNum][4];
ApplicationContainersinkApp[nodesNum];
然后，分配sink到所有的server结点上，实现代码如下（其中nodesNum表示server个数）：
for（unsignedinti=0;i{
PacketSinkHelperpacketSinkHelper（"ns3:
:
TcpSocketFactory",getAddress（i,port,csmaInterfaces11,csmaInterfaces12,csmaInterfaces13,csmaInterfaces14））;
sinkApp[i]=packetSinkHelper.Install（n1_8.Get（i））;
sinkApp[i].Start（Seconds（1.0））;
sinkApp[i].Stop（Seconds（60.0））;
}
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
∙pattern1：
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）
∙pattern2：
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（inti=0;i{
uint16_tdst=0;
if（pattern==1）{//all-to-allpattern
for（intj=0;j<4;j++）{
if（i<=3）
dst=j+4;
else
dst=j;
OnOffHelperclient（"ns3:
:
TcpSocketFactory",getAddress（dst,port,csmaInterfaces11,csmaInterfaces12,csmaInterfaces13,csmaInterfaces14））;
client.SetAttribute（"OnTime",StringValue（"ns3:
:
ConstantRandomVariable[Constant=50]"））;
client.SetAttribute（"OffTime",StringValue（"ns3:
:
ConstantRandomVariable[Constant=0]"））;
client.SetAttribute（"DataRate",DataRateValue（DataRate（"1.0Mbps"）））;
client.SetAttribute（"PacketSize",UintegerValue（2000））;
clientApp[i][j]=client.Install（n1_8.Get（i））;
clientApp[i][j].Start（Seconds（1.0））;
clientApp[i][j].Stop（Seconds（51.0））;
sprintf（buf,"OnOffClient@Node%daimsatServer@Node%d",i+1,dst+1）;
NS_LOG_INFO（buf）;
}
}elseif（pattern==2）{//many-to-onepattern
if（i==defaultDst）continue;
dst=defaultDst;
OnOffHelperclient（"ns3:
:
TcpSocketFactory",getAddress（dst,port,csmaInterfaces11,csmaInterfaces12,csmaInterfaces13,csmaInterfaces14））;
client.SetAttribute（"OnTime",StringValue（"ns3:
:
ConstantRandomVariable[Constant=50]"））;
client.SetAttribute（"OffTime",StringValue（"ns3:
:
ConstantRandomVariable[Constant=0]"））;
client.SetAttribute（"DataRate",DataRateValue（DataRate（"1.0Mbps"）））;
client.SetAttribute（"PacketSize",UintegerValue（2000））;
clientApp[i][0]=client.Install（n1_8.Get（i））;
clientApp[i][0].Start（Seconds（1.0））;
clientApp[i][0].Stop（Seconds（51.0））;
sprintf（buf,"OnOffClient@Node%daimsatServer@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
InetSocketAddressgetAddress（inti,uint16_tport,Ipv4InterfaceContaineri1,Ipv4InterfaceContaineri2,Ipv4InterfaceContaineri3,Ipv4InterfaceContaineri4）{
switch（i）{
case0:
returnInetSocketAddress（i1.GetAddress（0）,port）;break;
case1:
returnInetSocketAddress（i1.GetAddress
（1）,port）;break;
case2:
returnInetSocketAddress（i2.GetAddress（0）,port）;break;
case3:
returnInetSocketAddress（i2.GetAddress
（1）,port）;break;
case4:
returnInetSocketAddress（i3.GetAddress（0）,port）;break;
case5:
returnInetSocketAddress（i3.GetAddress
（1）,port）;break;
case6:
returnInetSocketAddress（i4.GetAddress（0）,port）;break;
case7:
returnInetSocketAddress（i4.GetAddress
（1）,port）;break;
default:
returnInetSocketAddress（"10.0.0.1",port）;
}
}
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
csma1.EnablePcapAll（"DataCenterSimulation"）;
②实验结果与分析
a.pattern1实验结果
执行命令./waf--run"scratch/DC--pattern=1"（scratch/DC.cc为本次实验源程序文件），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patten1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servern1（node0/device0）来估计
∙CSMA21：
通过ToRt1（node8/device1）来估计
∙CSMA3 ：
通过Aggregationa1（node12/device1）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->TCPStreamGraph->ThroughputGraph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
servern1上的测量结果如下
ThroughputGraph
Summary
ToRt1上的测量结果如下
ThroughputGraph
Summary
Aggregationa1上的测量结果如下
ThroughputGraph
Summary
b.pattern1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）
CSMA11
servern1
1.0
0.255
CSMA21
ToRt1
1.0
0.541
CSMA3
Aggregationa1
1.5
0.993
从上面的结果可以看出
∙第1层CSMA网络平均吞吐量是0.255Mbps，带宽利用率为25.5%；
∙第2层CSMA网络平均吞吐量是0.541Mbps，带宽利用率为54.1%；
∙第3层CSMA网络平均吞吐量是0.993Mbps，带宽利用率为66.2%。
c.pattern1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coreswitch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：
oCSMA11-14：
1.0Mbps
oCSMA21-22：
1.0Mbps
oCSMA3：
2.0Mbps
∙改进结果
执行命令行./waf--run"scratch/DC--DataRate1=1.0--DataRate2=1.0--DataRate3=2.0"，以相同方式测量
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