NS2 (Network Simulator - version 2)

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WLAN課程報告

WeiFeng Hu@ant.comm.ccu
Introduction 為什麼要用Simulator作模擬？為什麼要用NS2？ Open source Object-Oriented OTcl WLAN 2005 WeiFeng

Outline 什麼是NS2 Tcl簡介開始模擬模擬結果分析分析結果圖形化 WLAN 2005 WeiFeng

什麼是NS2? Network Simulator – Version 2 1989年由Real Network Simulator 改版，目前由SAMAN和CONSER維護 NS is a discrete event simulator targeted at networking research. Discrete event是指 NS2在模擬送封包時，是採用單一執行序的方式，也就是說同一個Node在同一時間是沒有辦法送出兩個以上封包。 WLAN 2005 WeiFeng

NS2架構 Event Scheduler UI Network Component Tclcl OTcl TCL 上面這個圖可以用來做一個簡單的 NS 結構說明. 對一般使用 NS 的使用者來說, 你可能會用 OTcl 這個 script language 來撰寫網路拓撲的部分, 而 OTcl 其實就是架構在 Tcl 之上的 Object-Oriented 後所延伸出來的. 在 Event Scheduler 和 Network Component 這二部分, 主要是以 C++ 所寫出來的東西. NS 是以 event-driven 的概念在做模擬, 比如說 : 在 1.2 秒的時候開始做 FTP 資料的傳輸, 在 2.0 秒的時候結束傳輸. 這是 Event Scheduler 的部分. 至於 Network Component 則是 NS 中的 Agent (TCP、UDP...)、Traffic Generator (FTP、CBR...) 這部分. C++ 畫在最底層則是表示 NS 的核心主要就是 C++. 最後就是一個用來溝通 OTcl 及 C++ 的橋樑 : Tclcl. 最後搭配一個 User Interface, 這就構成了 NS 本身. C++ WLAN 2005 WeiFeng

為什麼要用二種語言 ? 用 C++ : 處理封包傳送更改一些底層或新增 protocols 之類的 C++ Class 不常更動，執行速度快用 OTcl : 負責設定檔部分運作已編譯過的 C++ Objects 常會更動，執行時需花一點直譯的時間用 2 種主要的語言：C++、OTcl. 使用 2 種語言的原因在於, 像一些比較底層架構的東西, 或者是封包傳送、繞送方法...等, 這些是屬於比較需要考慮時間、速度的部分, 選擇用 C++ 來處理是比較適當的做法. 通常這些底層的東西也不太常常會變動, 所以利用編譯式的語言也比較恰當, 只需編譯過一次就可以一直使用. 除非當有需要新增或修改這些底層的架構時, 才會另外再做編譯的動作. 而 OTcl 則主要用來處理網路情境模擬的部分, 也就是大部分時間在寫的 script, 雖然這 OTcl Script 在每次要執行時可能會花一點時間, 但是因為情境模擬的部分會比較常在改變, 若用 C++ 這類要做編譯動作的語言並不合適. 另外 OTcl 主要還有負責一些設定檔, 及使用編譯過的 C++ Objects. 整理如上 WLAN 2005 WeiFeng

Tcl簡介(Tool Command Language)
ns使用MIT發展的OTcl (Object Tcl)做為描述、配置、執行模擬的語言，OTcl是Tcl的物件導向延伸版本。在使用ns進行網路模擬之前，必須先學會這個語言，可以參考ns/otcl/doc目錄下有一份OTcl Tutorial，是一份不錯的入門文件。 WLAN 2005 WeiFeng

Tcl簡介(Tool Command Language) cont.
1: #範例：遞迴解費氏數 2: set count 20 ; # The number of Fibonacci numbers to print 3: set num(0) 0; set num(1) 1 ; # First and second seed values 4: puts "The first $count Fibonacci numbers:" 5: for { set i 1 } { $i < $count } { incr i 1 } { 6: puts "$i:\t$num(0)" 7: set num(1) [ expr $num(0) + $num(1) ] 8: incr i 1 9: puts "$i:\t$num(1)" 10: set num(0) [ expr $num(0) + $num(1) ] 11: } WLAN 2005 WeiFeng

2: set count 20 ; # The number of Fibonacci numbers to print 3: set num(0) 0; set num(1) 1 ; # First and second seed values set count 20 int count = 20; set num(0) 0; set num(1) 1 ; int num[2]; num[0] = 0; num[1] = 1; WLAN 2005 WeiFeng

puts "The first $count Fibonacci numbers:" " …" do variable substitution {…} variable substitution does not take place Puts “the first $count Fibonacci numbers” the first 20 Fibonacci numbers Puts {the first $count Fibonacci numbers} the first $count Fibonacci numbers WLAN 2005 WeiFeng

for { set i 1 } { $i < $count } { incr i 1 } { for ( i = 1 ; i < count ; i++ ) { 流程控制 (control flow) if-else、switch、while、for、foreach set i 0 while {$i < 5} { puts "In the while loop, and i == $i" incr i 1 } set num_legs 4 switch $num_legs { 2 {puts "It could be a human."} 4 {puts "It could be a cow."} 6 {puts "It could be an ant."} 8 {puts "It could be a spider."} default {puts "It could be anything."} } set my_planet "earth" if {$my_planet == "earth"} { puts "I feel right at home." } elseif {$my_planet == "venus"} { puts "This is not my home." } else { puts "I am neither from Earth, nor from Venus." } WLAN 2005 WeiFeng

set num(1) [ expr $num(0) + $num(1) ] num[1] = num[0] + num[1]; [] indicate command substitution puts "I am [expr 10 * 3] years old, and my I.Q. is [expr ]" 執行的結果: I am 30 years old, and my I.Q. is 175 WLAN 2005 WeiFeng

開始NS2模擬：模擬環境介紹這個網路的環境包含了四個網路節點(n0，n1，n2，n3)，如下圖所示。網路節點n0到節點n2之間，和節點n1到節點n2之間的網路頻寬(bandwidth)是2Mbps，延遲時間(propagation delay)是10ms。網路拓樸中的頻寬瓶頸是在節點n2到節點n3之間，頻寬為1.7Mbps，延遲的時間為20ms。每個網路節都是採用DropTail queue的方式，且在節點n2到節點n3之間的最大佇列長度是10個封包的長度。在節點n0到n3之間會有一條FTP的連線，FTP應用程式是架構在TCP之上，所以在寫模擬環境的描述語言的時候，必需先建立一條TCP的連線，在來源端n0上使用TCP agent產生”tcp”來發送TCP的封包；在目的地端n3使用TCPsink agent產生”sink”來接受TCP的資料、並產生回覆封包(ACK)回傳送端、最後把接收的TCP封包釋放。最後要把這兩個agent連起來(connect)，連線才能建立。若是沒有額外的參數設定，TCP封包的長度為1Kbytes。在這裡順便補充說明一下，對於ns2模擬參數內定值設定是在ns-allinone-2.27\ns-2.27\tcl\lib目錄下的ns-default.tcl，有想要進一步瞭解的人，可以去查看此檔。另外，在節點n1到n3之間有一條固定的傳輸速率的連線(Constant Bit Rate，CBR)，CBR應用程式是架構在UDP之上，因此必需在n1使用UDP agent來產生”udp”用來發送UDP封包，在n3上使用Null agent來產生”sink”以接收由n1傳送過來的UDP封包，然後把接收的封包釋放。CBR的傳送速度為1Mbps，每一個封包大小為1Kbytes。CBR是在0.1秒開始傳送，在4.5秒結束傳輸；FTP是在1.0秒開始傳送，4.0秒結束傳輸。 WLAN 2005 WeiFeng

NS2模擬：Tcl Script # 產生一個模擬的物件 set ns [new Simulator] #針對不同的資料流定義不同的顏色，這是要給NAM用的 $ns color 1 Blue $ns color 2 Red #開啟一個NAM trace file set nf [open out.nam w] $ns namtrace-all $nf #開啟一個trace file，用來記錄封包傳送的過程 set nd [open out.tr w] $ns trace-all $nd WLAN 2005 WeiFeng

NS2模擬：Tcl Script (cont.)
#定義一個結束的程序 proc finish {} { global ns nf nd $ns flush-trace close $nf close $nd #以背景執行的方式去執行NAM exec nam out.nam & exit 0 } WLAN 2005 WeiFeng

#產生四個網路節點 set n0 [$ns node] set n1 [$ns node] set n2 [$ns node] set n3 [$ns node] #把節點連接起來 $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 #設定ns2到n3之間的Queue Size為10個封包大小 $ns queue-limit $n2 $n3 10 WLAN 2005 WeiFeng

#設定節點的位置，這是要給NAM用的 $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 #觀測n2到n3之間queue的變化，這是要給NAM用的 $ns duplex-link-op $n2 $n3 queuePos 0.5 #建立一條TCP的連線 set tcp [new Agent/TCP] # 創造一個TCP的Agent $ns attach-agent $n0 $tcp # TCP agent 結合到 node(n0) # 但就此範例光是 TCP 無法產生任何 Traffic, 所以通常我們都會再建立一些 # Application 的 Protocol 於 TCP 上(如 FTP、Telnet) set ftp [new Agent/TCP] $ns attach-agent $n3 $sink WLAN 2005 WeiFeng

#設定FTP和CBR資料傳送開始和結束時間 $ns at 0.1 "$cbr start" $ns at 1.0 "$ftp start" $ns at 4.0 "$ftp stop" $ns at 4.5 "$cbr stop" #結束TCP的連線 $ns at 4.5 "$ns detach-agent $n0 $tcp #$ns at < time > < event > #在模擬環境中，5秒後去呼叫finish來結束模擬 $ns at 5.0 "finish“ #開始執行 scheduler. $ns run WLAN 2005 WeiFeng

NS2模擬：模擬結果＋ cbr － cbr ＋ cbr － cbr r cbr ＋ cbr － cbr ＋ cbr － cbr r cbr ＋ cbr 模擬結束後，會產生兩個檔案，一個是out.nam，這是給NAM用的，用來把模擬的過程用視覺化的方式呈現出來，這可以讓使用者用”看”的方式去瞭解封包傳送是如何從來源端送到接收端。另一個檔案是out.tr，這個檔案記錄了模擬過程中封包傳送中所有的事件，例如第一筆記錄是一個CBR的封包，長度為1000bytes，在時間0.1秒的時候，從n1傳送到n2。這個檔案對我們做效能分析很重要，所以要先對這個檔案的格式做仔細的介紹。每一筆記錄的開始都是封包事件發生的原因，若是r則表示封包被某個節點所接收，若是+則表示進入了佇列，若是-則表示離開佇列，若是d則表示封包被佇列所丟棄。接著的第二個欄位表示的是事件發生的時間；欄位三和欄位四表示事件發生的地點(從from node到to node)；欄位五表示封包的型態；欄位六是封包的大小，欄位七是封包的旗標標註；欄位八表示封包是屬於那一個資料流；欄位九和欄位十是表示封包的來源端和目的端，這兩個欄位的格式是a.b，a代表節點編號，b表示埠號(port number)；欄位十一表示封包的序號；最後欄位十二表示封包的id。以前面trace file的第一筆為例，意思就是說有一個封包pakcet id為0，資料流id為2，序號為0，長度為1000 bytes，型態為CBR，它是從來源端1.0要到目的地3.1，在時間0.1秒的時候，從節點1進入了節點2的佇列中。一二三四五六七八九十十一十二 event time from to node pkt node pkt type flag size fid src addr dst addr seq num pkt id WLAN 2005 WeiFeng

awk語言 – 數值分析資料列：awk從資料檔上讀取的基本單位，以trace file為例，awk讀入的第一筆資料列為 ”＋ cbr ” 第二筆資料列為 “－ cbr ” 一般而言，一筆資料列相當於資料檔上的一行資料。 WLAN 2005 WeiFeng

awk語言 – 簡介程式主要節構: Pattern1 { Actions1 } Pattern2 { Actions2 } …………………………… Patternx { Actionsx } 一般常用關係判斷式來當成Pattern。例如： x ＞ 3 用來判斷變數x是否大於3 x == 5 用來判斷變數x是否等於5 awk提供c語言常見的關係運算元，如：＞、＜、＞＝、＜＝、＝＝、！＝等等 Actions是由許多awk指令所構成，而awk的指令與c語言中的指令非常類似。 IO指令：print 、 printf( ) 、getline 流程控制指令： if ( ...) {...} else {…}、 while(…){…} …… WLAN 2005 WeiFeng

awk語言 – 執行流程執行awk時, 它會反複進行下列四步驟自動從指定的資料檔中讀取一筆資料列。自動更新(Update)相關的內建變數之值。逐次執行程式中所有的 Pattern { Actions } 指令。當執行完程式中所有 Pattern { Actions }時，若資料檔中還有未讀取的料，則反覆執行步驟1到步驟4。 WLAN 2005 WeiFeng

awk語言 – 例子 BEGIN { #程式初始化，設定一變數以記錄目前最高處理封包的ID。 highest_packet_id = 0; } { action = $1; time = $2; node_1 = $3; node_2 = $4; type = $5; flow_id = $8; node_1_address = $9; node_2_address = $10; seq_no = $11; packet_id = $12; WLAN 2005 WeiFeng

awk語言 – 例子 (cont.) #記錄封包的傳送時間 if ( start_time[packet_id] == 0 ) start_time[packet_id] = time; #記錄CBR (flow_id=2) 的接收時間 if ( flow_id == 2 && action != "d" ) { if ( action == "r" ) { end_time[packet_id] = time; } else { #把不是flow_id=2的封包或者是flow_id=2但此封包被drop的時間設為 end_time[packet_id] = -1; 執行方法: ($為shell的提示符號)$awk -f measure-delay.awk out.tr若是要把結果存到檔案，可使用導向的方式。(把結果存到cbr_delay檔案中)$awk -f measure-delay.awk out.tr > cbr_delay 量測CBR封包端點到端點間延遲時間的awk程式在一剛開始的時候，由於只有CBR的封包，所以End-to-End Delay Time都是固定的，但在1.0秒後，網路多了FTP的封包，這使得CBR封包和FTP封包必須互相的搶奪網路的資源，因此End-to-End Delay Time變得不在固定，但等到FTP傳輸結束後，CBR封包的End-to-End Delay Time又變成是固定值了。 [xgraph] 在Shell的提示符號後輸入startxwin.bat，接著會出現一個新的視窗，在此視窗輸入xgraph cbr_delay，就可以把前面所存下來的檔案畫出來。xgraph的運作是把第一排當作x軸的資料，第二排當作是y軸的資料，然後把圖給畫出來。 WLAN 2005 WeiFeng

分析結果圖形化 [xgraph] xgraph的運作是把第一排當作x軸的資料，第二排當作是y軸的資料 [gnuplot] 命令導向的交談式繪圖程式(command-driven interactive function plotting program)。圖是畫出來了，但是筆者要的不是把數據用打點的方式畫出來，而是要把這些點連起來。沒關係，接下來，只要學著修改環境變數，就可以畫出理想的圖了。 gnuplot> set title “cbr_delay” gnuplot> set xlabel “simulation time” gnuplot> set ylabel “delay time” gnuplot> unset key gnuplot> set label “constant delay= sec”at 0.1, 0.05 gnuplot> set arrow from 0.5, 0.05 to 0.5, 0.04 gnuplot> plot “cbr_delay” with linespoints WLAN 2005 WeiFeng

一些不錯介紹NS2的網站 NS2使用說明一些已開發的模組 Tcl簡單介紹 AWK Tutorial Guide GNUPLOT使用手冊 WLAN 2005 WeiFeng

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