ns-3 este un simulator de rețele (Ethernet, Wi-Fi, 4G etc.) ce oferă:

• modele pentru studiul circulației unui pachet în rețea
• un engine pentru simulări de rețele complexe (noduri, modele de propagare, trafic UDP/TCP etc.)
• un mecanism de tracing atat in format text, cat și în format pcap.

Simulatorul este scris în C++, iar modelele se pot dezvolta în C++ sau Python. In cadrul laboratoarelor vom folosi și vom dezvolta modele în C++ deoarece capabilitatile si suportul oferite in ns-3 sunt mai bune decat cele pentru Python.

Obiectiv: Acest laborator 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.
• in principal vom discuta experimente simple, familiare unui student care a luat un curs introductiv de rețele.

Cele mai importante pagini de parcurs despre ns-3 la început, dar și în timpul laboratoarelor sunt:

• Tutorial pentru utilizatori
• Development & Manual

In cadrul laboratoarelor, vom folosi masina virtuala pe care o puteti descarca de aici. Pe VM au fost deja executati pasii de configurare de mai jos.

student@isrm-vm:~$ sudo apt update
student@isrm-vm:~$ sudo apt -y install libgsl-dev gsl-bin libgslcblas0 \
    autoconf cvs bzr unrar \
    sqlite sqlite3 libsqlite3-dev \
    libxml2 libxml2-dev

student@isrm-vm:~$ git clone --branch ns-3.35 https://gitlab.com/nsnam/ns-3-dev.git
student@isrm-vm:~$ cd ~/ns-3-dev

student@isrm-vm:~$ cd ~/ns-3-dev/examples
student@isrm-vm:~$ git clone https://github.com/isrm-lab/ns3-labs.git
student@isrm-vm:~$ cd ~/ns-3-dev/examples/ns3-labs && git log -1
commit 5214caf7fbc39b280edf47154ed95f2fcca78a7c (HEAD -> master, origin/master, origin/HEAD)

student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ ./waf configure --build-profile=debug --enable-examples --enable-tests
student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ ./waf build -j4

CXXFLAGS="-std=c++17" ./waf -d debug --enable-examples --enable-tests configure

student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ git diff wscript
 
diff --git a/wscript b/wscript
index 4283a2899..c0dd18ccd 100644
--- a/wscript
+++ b/wscript
@@ -250,7 +250,7 @@ def options(opt):
                    dest='enable_desmetrics')
     opt.add_option('--cxx-standard',
                    help=('Compile NS-3 with the given C++ standard'),
-                   type='string', default='-std=c++11', dest='cxx_standard')
+                   type='string', default='-std=c++14', dest='cxx_standard')
 
     # options provided in subdirectories
     opt.recurse('src')

student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ ./waf --check-profile
Waf: Entering directory `/home/student/ns-3-dev/build'
Build profile: debug
student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ ./waf --run hello-simulator
Waf: Entering directory `/home/student/ns-3-dev/build'
Waf: Leaving directory `/home/student/ns-3-dev/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (2.256s)
Hello Simulator
student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ ./test.py
(...)
'build' finished successfully (1.799s)
(...)
92 of 92 tests passed (92 passed, 0 failed, 0 crashed, 0 valgrind errors)

student@isrm-vm:~$ sudo apt-get update
student@isrm-vm:~$ sudo apt-get install python3-pip
student@isrm-vm:~$ pip3 install matplotlib jupyter
student@isrm-vm:~$ sudo ln -s ~/.local/bin/jupyter-notebook /usr/bin/jupyter-notebook

student@isrm-vm:~$ jupyter-notebook

Pentru inceput, puteti parcurge Tutorial ns-3, indeosebi urmatoarele sectiuni:

1. Conceptual Overview
2. Building Topologies
3. Tracing

În cadrul laboratorului ne vom concentra pe simulări Wi-Fi (IEEE 802.11). Puteti gasi exemple de simulări (în afara celor pe care le veți primi pentru laboratorul de ISRM) în ns3/examples/wireless

Ne propunem să rulăm un exemplu simplu: ns3/examples/wireless/wifi-tcp.cc. Acesta constă dintr-o stație (STA) care se conectează la un access point (AP) folosind 802.11n. Traficul este uplink de la STA la AP. Putem rula orice exemplu astfel:

student@isrm-vm:~/ns3$ ./waf --run wifi-tcp
Waf: Entering directory `/home/student/ns3/build'
Waf: Leaving directory `/home/student/ns3/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (1.282s)
1.1s:   45.8086 Mbit/s
1.2s:   55.3472 Mbit/s
(...)
10.9s:  50.8723 Mbit/s
 
Average throughput: 52.1959 Mbit/s

Alternativ puteți specifica calea completă către codul sursă:

student@isrm-vm:~/ns3$ ./waf --run examples/wireless/wifi-tcp

Dacă vrem să transmitem parametrii în linia de comandă simulării (deoarece wifi-tcp suportă), o putem face cu ghilimele:

student@isrm-vm:~/ns3$ ./waf --run "wifi-tcp --pcap --simulationTime=3"
Waf: Entering directory `/home/student/ns3/build'
Waf: Leaving directory `/home/student/ns3/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (1.287s)
1.1s:   45.8086 Mbit/s
1.2s:   55.3472 Mbit/s
(...)
3.9s:   52.7565 Mbit/s
 
Average throughput: 52.9017 Mbit/s

Întrucât opțiunea --pcap activează mecanismul de pcap tracing din ns-3 (vom discuta mai târziu despre acesta), putem vizualiza cu wireshark următoarele capturi care se generează în directorul curent:

student@isrm-vm:~/ns3$ ls AccessPoint*.pcap Station*.pcap
AccessPoint-0-0.pcap  Station-1-0.pcap

Iată un exemplu de schimb de pachete Wi-Fi pentru procedura de asociere a stației la access point:

Avem si un al doilea exemplu care arată traficul TCP schimbat între dispozitive:

Parcurgem codul sursă din ns3/examples/wireless/wifi-tcp.cc

Urmariți și explicațiile de aici: https://www.nsnam.org/docs/tutorial/html/building-topologies.html#building-a-wireless-network-topology

În cadrul laboratorului ne vom concentra pe simulări Wi-Fi (IEEE 802.11). ns-3 ne oferă posibilitatea de a configura toate nivelele din stiva OSI:

• PHY - modelul de canal, propagare, atenuare, senzitivitatea receptorilor
• MAC:
  • LMAC (lower MAC): accesul la mediu (DCF/EDCA ca algoritmi de backoff pentru evitarea coliziunilor), RTS/CTS, ACK-uri de nivel 2
  • UMAC (upper MAC): beacon, probe request/probe response, WPA2 etc.
• IPv4, TCP/UDP - tipul de trafic între noduri

Mai multe detalii pe wiki-ul ns-3

Întrucât putem comite greseli in cadrul script-urilor, waf ne oferă posibilitatea de a ne rula scriptul cu valgrind, respectiv gdb.

Pentru exemplul nostru:

student@isrm-vm:~/ns3$ ./waf --command-template="valgrind \
    --leak-check=full --show-reachable=yes %s" \
    --run wifi-tcp
 
Waf: Entering directory `/home/student/ns3/build'
Waf: Leaving directory `/home/student/ns3/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (0.936s)
==2901== Memcheck, a memory error detector
==2901== Copyright (C) 2002-2017, and GNU GPL'd, by Julian Seward et al.
==2901== Using Valgrind-3.13.0 and LibVEX; rerun with -h for copyright info
==2901== Command: /home/student/ns3/build/examples/wireless/ns3-dev-wifi-tcp-debug
 
==2901== 
(...)
=2901== LEAK SUMMARY:
(...)
==2901== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==2901== ERROR SUMMARY: 0 errors from 0 contexts (suppressed: 0 from 0)

Exemple de pe wiki-ul nsnam pentru lucrul cu:

• valgrind
• gdb - sesiune de debug cu waf
• Exemplu de folosire gdb din Visual Studio Code

# Clonați repo-ul ns-3-dev 
git clone --branch ns-3.35 https://gitlab.com/nsnam/ns-3-dev.git
 
# Clonați repo-ul ns-3-labs în folderul ns-3-dev/examples
cd ns-3-dev/examples
git clone https://github.com/isrm-lab/ns3-labs.git
 
# Rulați build-ul sistemului de ns3
./waf configure --build-profile=debug --enable-examples --enable-tests
./waf build -j4

Pe mașina virtuală laboratoarele sunt deja descărcate și sunt disponibile în folderul /home/student/ns-3-dev/examples/ns3-labs. Pentru a valida funcționalitatea rulați:

student@isrm-vm-2020:~$ cd ns-3-dev
student@isrm-vm-2020:~$ student@isrm-vm-2020:~/ns-3-dev$ ./waf --run lab3
Waf: Entering directory `/home/student/ns-3-dev/build'
Waf: Leaving directory `/home/student/ns-3-dev/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (1.453s)
Flow 1 (10.0.0.2 -> 10.0.0.1)
  Tx Packets: 9341
  Tx Bytes:   14011500
  TxOffered:  11.2117 Mbps
  Rx Packets: 5962
  Rx Bytes:   8943000
  Throughput: 7.15599 Mbps
 
Average throughput: 7.02085 Mbit/s

Scriptul ns3/examples/wireless/wifi-tcp.cc afiseaza la fiecare 100ms throughput-ul TCP. Realizati un grafic care sa arate evolutia throughput-ului TCP in timp.

Tineti cont de faptul ca datele afisate in urma rularii scriptului de ns3 arata in felul urmator:

1.1s: 	45.8086 Mbit/s
1.2s: 	55.936 Mbit/s
1.3s: 	55.936 Mbit/s
1.4s: 	49.6947 Mbit/s
1.5s: 	56.1715 Mbit/s
1.6s: 	53.2275 Mbit/s
1.7s: 	49.3414 Mbit/s
1.8s: 	56.2893 Mbit/s
1.9s: 	49.3414 Mbit/s

Primul pas este stabilirea formatului in care trebuie sa arate fisierul CSV/text in care veti salva datele care vor urma sa fie trasate in grafic. In cazul nostru, o sa avem nevoie de 2 coloane: momentul de timp si throughput (date afisate in urma rularii scriptului de ns3).

Odata stabilit formatul datelor din fisierul CSV/text, trebuie sa parsam output-ul obtinut in urma rularii scriptului. Ne intereseaza doar valorile numerice ceea ce inseamna ca va trebui sa scapam de sirurile de caractere s: si Mbit/s folosind utilitarele oferite de Bash precum awk, cut sau tr.

Graficul ar trebui sa arate astfel:

Pe parcursul exercițiului, vom avea nevoie de utilitarul tshark. Pe mașina virtuală ar trebui să fie deja instalat, dacă nu:

student@isrm-vm-2020:~$ sudo apt-get install tshark

Utilitarul Wireshark este un utilitar grafic pentru captură și inspecție de trafic de rețea. Tshark este un wireshark pentru terminal. Are avantajul de a folosi limbajul wireshark pentru filtre (condițiile pot fi create în wireshark si apoi copiate cu copy/paste), dar în același timp oferă controlul afișarii la stdout.

Până acum foloseați de obicei aceste utilitare pentru a analiza o captură real-time de pachete pe o interfață sau o captură pcap/pcapng obținută cu tcpdump.

Simulatorul ns-3 ne oferă un mecanism de tracing foarte puternic de analiză: pcap-tracing

student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ ./waf --run "wifi-tcp --pcap=true"
(...)
student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ ls -al *.pcap
-rw-rw-r-- 1 mihai mihai 76129717 Mar  4 15:44 AccessPoint-0-0.pcap
-rw-rw-r-- 1 mihai mihai 80172767 Mar  4 15:44 Station-1-0.pcap

Deschideți oricare din cele două capturi cu Wireshark. Filtrați și afișați doar pachetele TCP. Fără a citi codul simulării și nici descrierea de la începutul sursei, ci doar PCAP-urile, care credeți că e direcția traficului? Sunt două noduri: 0 și 1 - 0→1 sau 1→0?

Determinați canalul routerului și frecvența centrală a lui analizând câmpurile din secțiunea 802.11 radio information sau Radiotap Header.

Exemplu rulare:

student@isrm-vm:~/ns-3-dev$ tshark -T fields -e frame.time_epoch \
     -e frame.number -e ip.src  \     -r ./AccessPoint-0-0.pcap '(ip.proto == 6) && (ip.src == 10.0.0.1)' > frames.txt

• -T fields indică câmpurile din pachete care se doresc printate

Colecție de câmpuri de interes:

• (ip.proto == 6) && (ip.src == 10.0.0.1) indică condiția de filtrare a pachetelor din .pcap - pachete de tip TCP (proto=6) și IP sursă; folosește acelasi limbaj ca și wireshark

Exerciții:

• Folosind tshark cu filtrul wlan.fc.type_subtype == 0x08 extrageți și numărați câte pachete de tip beacon trimite AP-ul din captura ./AccessPoint-0-0.pcap
  • Hint: pentru contorizare în bash puteți folosi wc -l
  • Folosiți câmpurile frame.time_epoch de la câteva linii consecutive și determinați la ce interval de timp (în ms) AP-ul (access point-ul) trimite beacon-uri

• Folosind tshark extrageți în 2 fișiere separate, fiecare fișier având filtrul wlan.fc.type_subtype ⇐ 0x0011 (subtipul mai mic sau egal cu 0x0011) și celălalt wlan.fc.type_subtype == 0x0028 următoarele câmpuri: frame.time_epoch, wlan_radio.phy, frame.number.
  • Ce puteți spune despre PHY type-ul din primul fișier, dar al doilea? Ce credeți că se întâmplă
  • Dacă sunteți curioși ce inseamna type/subtype, consultați acest tabel din standardul 802.11

Mecanismul de tracing din ns-3 ne permite să logăm și în format ASCII evenimentele. Rulați simularea aferentă laboratorului 3 astfel:

./waf --run "lab3 --numberOfNodes=2 --payloadSize=1400 \
    --offeredRate=11Mbps --phyRate=DsssRate11Mbps --simulationTime=2 --tracing=true"

Vom obține două trace-uri: unul PCAP (cum am analizat mai sus) și unul text: wifi-lab3.tr. Deschideți și inspectați fișierul.

Explicația conținutului fișierului:

Prima literă este:

r for received
d for dropped
+ for enqueued
- for dequeued
t is for transmitted #Relevant for WiFi tracefiles

A doua coloană reprezintă timestamp.

A treia coloană are următoarea semnificație:

Apoi urmează o serie de nume de clase din sistemul de atribute al ns-3 (ns3::Ipv4Header, ns3::TcpHeader) și cu o listă de trace-uri specifice clasei respective.