Laboratorul 1

Citim tutoriale și rulăm exemple. Textul de mai jos este bazat pe ghidul NS by example de J. Chung și M. Claypool.

Introducere în ns2

NS-2 este un simulator bazat pe evenimente dezvoltat la UC Berkely scris in C++ si OTcl. NS-2 este în primul rând util pentru simularea rețelelor LAN și WAN, dar și pentru rețele wireless, adhoc, de senzori. Cu toate ca NS este destul de ușor de utilizat pentru avansați, poate părea dificil la prima utilizare, deoarece există puține manuale user-friendly. Chiar dacă există o mulțime de documente scrise de către dezvoltatori, care conțin explicații aprofundate ale simulatorului, acestea sunt scrise pentru utilizatorii NS-2 avansați. Această secțiune oferă o idee de bază a modului în care funcționează simulatorul, cum se pregătește o simulare, unde se găsesc componentele interne, cum se configurează componentele de rețea, etc. În principal se prezintă exemple simple și explicații bazate pe experimente simple, familiare unui student care a luat un curs introductiv de rețele.

Limbajul OTcl

NS-2 este în esență un interpretor de OTcl cu biblioteci de obiecte C++ specializate în simularea rețelelor. Este necesar să se cunoască sumar programarea în OTcl pentru a utiliza NS-2. Această secțiune prezintă un exemplu OTcl care ilustrează ideea de bază a programării în OTcl, exemplu importat din manualul oficial NS-2. Această secțiune, ca și secțiunile următoare presupun că cititorul a instalat NS-2, și este familiarizat cu shell și cu C++.

Primul exemplu este un script general OTcl, care arată modul de declarare o procedură și a o apela, modul de a atribui valori variabilelor, și modul de a implementa o buclă. OTcl este de fapt extensia orientată obiect a Tcl(pronunțat “tickle”), relația dintre Tcl și Otcl este la fel ca și cea dintre C și C++, dar în acest laborator rareori sunt folosite obiectele în OTcl. Pentru a rula acest script rulați “ns ex-tcl.tcl” la promptul shell - comanda “ns” execută NS-2 (interpretorul OTcl). Veți obține aceleași rezultate dacă tastați “tclsh ex-tcl.tcl”, în cazul în care tcl8.0 este instalat pe mașina dumneavoastră.

ex-tcl.tcl
# Writing a procedure called "test"
proc test {} {
    set a 43
    set b 27
    set c [expr $a + $b]
    set d [expr [expr $a - $b] * $c]
    for {set k 0} {$k < 10} {incr k} {
	if {$k < 5} {
	    puts "k < 5, pow = [expr pow($d, $k)]"
	} else {
	    puts "k >= 5, mod = [expr $d % $k]"
	}
    }
}
 
# Calling the "test" procedure created above
test

În Tcl, cuvântul cheie proc este folosit pentru a defini o procedură, urmat de un nume de procedură și argumentele în acolade. Cuvântul cheie set este folosit pentru a atribui o valoare unei variabile. [Expr …] este pentru a calcula valoarea expresiei între paranteze drepte, după cuvântul cheie. Un lucru de remarcat este faptul că pentru a obține valoarea atribuită unei variabile, $ este utilizat cu numele variabilei (ca în shell). Cuvântul cheie puts imprimă șirul de caractere la consolă. Rulând exemplul de mai sus, se obține: 

k < 5, pow = 1.0
k < 5, pow = 1120.0
k < 5, pow = 1254400.0
k < 5, pow = 1404928000.0
k < 5, pow = 1573519360000.0
k >= 5, mod = 0
k >= 5, mod = 4
k >= 5, mod = 0
k >= 5, mod = 0
k >= 5, mod = 4
Primul exemplu de simulare

Această secțiune prezintă un script simplu NS-2 si explica ce face fiecare linie. Exemplul este un script OTcl care creează o configurație de rețea simplă și rulează scenariul de simulare din figura de mai jos. Pentru a rula această simulare, descărcați “ns-simple.tcl” și rulați “ns ns-simple.tcl” în shell.

Această rețea este formată din 4 noduri (n0, n1, n2, n3), așa cum se arată în figura de mai sus. Link-urile duplex între n0 și n2, și n1 și n2 au capacitatea 2Mbps[Megabit/s] și 10ms de întârziere. Link-ul duplex între n2-n3 are capacitatea de 1.7Mbps și 20ms de întârziere. Fiecare nod folosește la ieșire o coadă DropTail, a cărei mărime este de 10 pachete. Un agent “TCP” este atașat la n0, și este stabilită o conexiune la un sink TCP atașat la n3. În mod implicit, dimensiunea maximă a unui pachet pe care un agent de TCP poate genera este 1KByte. Un sink TCP generează și trimite pachete ACK către expeditor (agent TCP) și livrează la aplicație pachetele primite. Un agent UDP, care este atașat la n1 este conectat la un agent sink (LossMonitor) atașat la n3. Un agent LossMonitor doar contorizează pachetele primite. Aplicații de tio FTP și generator de trafic CBR sunt atașate la agenții TCP șiUDP respectivi, iar CBR este configurat pentru a genera pachete de 1000 bytes la rata de 1Mbps. Aplicația CBR este setată să pornească de la 0.1s, și să se oprească la 14,5 sec, iar FTP pornește de la 1.0s și se oprește la 14.0s.

ns-simple.tcl
#Create a simulator object
set ns [new Simulator]
 
#Define different colors for data flows (for NAM)
$ns color 1 Blue
$ns color 2 Red
 
#Open the NAM trace file
set nf [open out.nam w]
$ns namtrace-all $nf
 
#ns trace file
set tracefd        [open simple.tr w]
$ns use-newtrace
$ns trace-all $tracefd
 
 
#Create four nodes
set n0 [$ns node]
set n1 [$ns node]
set n2 [$ns node]
set n3 [$ns node]
 
#Create links between the nodes
$ns duplex-link $n0 $n2 2Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n1 $n2 2Mb 10ms DropTail
$ns duplex-link $n2 $n3 1.7Mb 20ms DropTail
 
#Set Queue Size of link (n2-n3) to 5
$ns queue-limit $n2 $n3 5
 
#Give node position (for NAM)
$ns duplex-link-op $n0 $n2 orient right-down
$ns duplex-link-op $n1 $n2 orient right-up
$ns duplex-link-op $n2 $n3 orient right
 
#Monitor the queue for link n2-n3 (for NAM)
$ns duplex-link-op $n2 $n3 queuePos 0.5
 
#Setup a TCP connection
set tcp [new Agent/TCP]
$tcp set class_ 2
$ns attach-agent $n0 $tcp
set sinkt [new Agent/TCPSink]
$ns attach-agent $n3 $sinkt
$ns connect $tcp $sinkt
$tcp set fid_ 1
 
#Setup a FTP over TCP connection
set ftp [new Application/FTP]
$ftp attach-agent $tcp
$ftp set type_ FTP
 
#Setup a UDP connection
set udp [new Agent/UDP]
$ns attach-agent $n1 $udp
set usink [new Agent/LossMonitor]
$ns attach-agent $n3 $usink
$ns connect $udp $usink
$udp set fid_ 2
 
#Setup a CBR over UDP connection
set cbr [new Application/Traffic/CBR]
$cbr attach-agent $udp
$cbr set type_ CBR
$cbr set packet_size_ 1000
$cbr set rate_ 1mb
$cbr set random_ false
 
#Define a 'finish' procedure
proc finish {} {
    global ns nf fout
    $ns flush-trace
    #Close the NAM trace file
    close $nf
    #Execute NAM on the trace file
    exec nam out.nam &
    exit 0
}
 
#Schedule events for the CBR and FTP agents
$ns at 0.1 "$cbr start"
$ns at 1.0 "$ftp start"
$ns at 14.0 "$ftp stop"
$ns at 14.5 "$cbr stop"
 
#Call the finish procedure after 15 seconds of simulation time
$ns at 15.0 "finish"
 
#Print CBR packet size and interval
puts "CBR packet size = [$cbr set packet_size_]"
puts "CBR interval = [$cbr set interval_]"
 
#Run the simulation
$ns run
Descrierea script-ului

În general, un script NS-2 începe cu o instanță a obiectului simulator:

Cele mai multe dintre funcții sunt pentru configurarea simularii și pentru planificare, iar unele dintre ele sunt pentru animatorulul NAM. Multe alte setări ale simulatorului pot fi consultate în fișierul ns-2 / TCL / lib / ns-lib.tcl.

Odată configurată rețeaua de bază, trebuie configurați agenții de generare/consum trafic, cum ar fi TCP și UDP, aplicațiile de generare/consum trafic, cum ar fi FTP și CBR. Acestea trebuie atașate nodurilor și agenților într-un mod similar cu rularea aplicațiilor peste anumite protocoale în nodurile reale.

Odată configurația rețelei specificată, următorul lucru este implementarea unui scenariu de simulare. Obiectul Simulator are funcția at:

După ce s-au efectuat toate specificațiile de configurare a rețelei, specificat procedura post-simulare, singurul lucru rămas este rularea propriu-zisă. Acest lucru se face cu funcția $ns run.

Trasarea unui grafic

ns2 permite implementarea cu ușurință a procedurilor specializate de generare de loguri. Aceste proceduri sunt apelate periodic în timpul simulării și permit adresarea tuturor datelor specifice nodurilor, fluxurilor, cozilor, și ale celorlalte entități din rețea. În partea de final a scriptului de mai sus, inserați patch-ul următor. Apelată periodic, această procedură contorizează numărul de octe ți primiți de destinația UDP, și numărul de octeți confirmați la sursa TCP. În acest mod, se poate calcula debitul obținut de cele două fluxuri pe intervale fixe de timp. Cele două valori sunt stocate periodic într-un fișier text out.tr. 

#Open a trace file 
set fout [open out.tr w]
 
#save running byte counters 
set tbytes 0
set ubytes 0
 
proc record {} {
    global tcp usink fout ubytes tbytes
 
    set ns [Simulator instance]
    #Set the time after which the procedure should be called again
    set time 0.25
    #How many bytes have been received/acked?
    set tbytes1 [expr [$tcp set ack_]*[$tcp set packetSize_]]
    set ubytes1 [expr [$usink set bytes_]]
    set now [$ns now]
    #Calculate the bandwidth (in MBit/s) and write it to the log
    puts $fout "$now [expr ($tbytes1 - $tbytes)/$time*8/1000000] \
                     [expr ($ubytes1 - $ubytes)/$time*8/1000000]"
    #Reset the bytes_ values on the traffic sinks
    set tbytes $tbytes1
    set ubytes $ubytes1
    #Re-schedule the procedure
    $ns at [expr $now+$time] "record"
}

Procedura finish trebuie actualizată pentru a include închiderea fișierului de trace, și pentru a plota conținutul său: 

  #Close the trace file
    close $fout
    #Call gnuplot to display the results
    exec echo  "plot 'out.tr' using 1:2 t 'TCP' w l, '' using 1:3 t 'UDP' w l" | gnuplot -persist

În plus, înainte de a demara simularea, trebuie să armăm procedura record cu $ns at 0.0 “record”. După execuția scriptului, se vor lansa automat atât fereastra animatorului, cât și o fereastră gnuplot care afișează conținutul fișierului trace out.tr.

Task-uri
  1. examinați cu editorul de text conținutul fișierelor out.nam și out.tr
  2. Ce reprezintă axele x, y? Explicați comportarea graficelor.
  3. Măriți coada de la link-ul bottleneck la 100. Cum explicați noua comportare?
  4. Coada aruncă pachete TCP în mod disproporționat. De ce? Folosiți o coadă SFQ pentru a remedia situația.
  5. În prezent se măsoară debitul la fiecare 250ms. Experimentați cu diverse rezoluții de măsurare în funcția “record”.
  6. Facultativ: monitorizarea cozii ( formatul trace-ului queue)
set qfile [$ns monitor-queue $n2 $n3  [open queue.tr w] 0.1]
[$ns link $n2 $n3] queue-sample-timeout
Ne jucăm!

Wireless Explorer câteva nivele LOL.