NS-2 được xây dựng theo kiến trúc phân tầng, tương tự với các tầng tương ứng trong mô hình OSI. Việc làm này nhằm mục đích giúp người dùng NS-2 kết hợp các giao thức phù hợp với yêu cầu của riêng họ.
NS-2 được phát triển bởi ngôn ngữ C++, tuy nhiên mô-đun điều khiển mô phỏng được viết bằng OTcl. Điều này cho phép người sử dụng chỉ định một cách rõ ràng và có khả năng tùy biến cao với mô phỏng mà không cần can thiệp vào mã nguồn C++.
Hình 4. 1: Tổng quan kiến trúc của NS2 đƣợc đơn giản hóa
Trong bộ chương trình mô phỏng mạng NS-2, chương trình mô phỏng NS- 2 là thành phần chính, được tích hợp các mô hình lưu lượng hay được sử dụng trong nghiên cứu. Các ứng dụng phổ biến khác cũng được tích hợp trong NS-2 như WEB, FTP, Telnet… Các giao thức như TCP, UDP, SCTP cũng được NS-2 hỗ trợ rất tốt. Nhiều phương pháp định tuyến phổ biến trong các mạng có dây và không dây cũng như các môi trường vật lý khác nhau đã và sẽ được đưa vào bộ mô phỏng NS-2.
Thành phần thứ hai là các công cụ hiển thị thực quan NAM và và công cụ vẽ đồ thị XGRAPH. NAM là công cụ hiển thị cho phép người dùng thấy được hình ảnh trực quan của các đối tượng tham gia mô phỏng cũng như các hoạt động cụ thể của chúng, sự chuyển động của các gói số liệu trên mạng. XGRAPH là một ứng dụng có khả năng vẽ đồ thị trong không gian hai chiều, dựa trên dữ liệu nhận vào từ các tệp dạng văn bản, do chương trình mô phỏng sinh ra. Người nghiên cứu thường sử dụng XGRAPH để hiển thị và so sánh các kết quả nhận được dưới dạng đồ thị và các kết quả này có thể được lưu lại phục vụ cho các chương trình khác. NAM và XGRAPH đều sử dụng tệp vết (trace file), là tệp chứa thông tin vết các sự kiện trong thời gian tiến hành chạy mô phỏng, làm tệp đầu vào. Ngoài ra, người dùng có thể dùng các công cụ khác như các ngôn ngữ Awk, Perl hoặc Tcl để xử lý tệp kết quả này phục vụ cho mục đích nghiên cứu.