Network Simulator 2. UE Réseau et Commande Master ISTR Spécialité ASTR Université Paul Sabatier Année Lionel Bertaux Doctorant aulaas-cnrs

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1 Network Simulator 2 UE Réseau et Commande Master ISTR Spécialité ASTR Université Paul Sabatier Année Lionel Bertaux Doctorant aulaas-cnrs

2 Pourquoi la simulation? Network Simulator 2 (ns-2) : Présentation du logiciel, Conception et langages utilisés, Simulation de composants réseaux, Applications. Analyse des résultats : Network AniMator (NAM), Les événements réseau, Exploiter les données. Exemple de simulation. 2 Sommaire

3 3 Des liens utiles Le site officiel de ns-2 : Le manuel de ns : Le site contient aussi des tutoriaux et des aides. Doxygen, un outil pour «lire» un programme (attention, version 2.29) :

4 Avantages et Inconvénients 4

5 5 Simulation = émulation? Simulation «Représentation d un processus au moyen d un modèle dont les paramètres et les variables sont les images du processus étudié.» Emulation «Simulation par des moyens matériels et logiciels d un ordinateur d un certain type sur un ordinateur d un autre type.»

6 6 Le système réel et l émulation Tests sur un système réel : Coût autant élevé que la mise en place finale, Mise en œuvre compliquée, Résultats probants (réels!). Test sur une plateforme d émulation : Passage à l échelle difficile, Reconfiguration complexe et couteuse, Résultats plus proches de la réalité (prise en compte de plus de facteurs).

7 7 La simulation Mise en œuvre «relativement» aisée, Rejeu facile : Environnement extérieur identique, Choix des paramètres Quasiment pas de limites. Mais la fiabilité d une simulation dépend du modèle utilisé (étalonnage et comparaison) : Une infinité de modèles peuvent représenter un même système.

8 Présentation du logiciel et de composants réseaux présents. 8

9 9 Network Simulator 2 Simulateur d évènements orienté réseau, Lancé en 1989 comme une variante de Real Network Simulator, Conception en modules : facilement «patchable» ou modifiable, Très utilisé dans le monde de la recherche, Possibilités d émulation (moins efficace que dans ns-3).

10 10 Script de simulation Tool Command Language (TCL), Configuration du système simulé : Déclaration des composants du réseau, Etablissement des liens entre les composants, Paramétrage de la simulation : Durée simulée et événements introduits, Paramètres observés. Choix du script : exécution plus lente mais pas de compilation.

11 11 Le logiciel ns-2 Composants réseaux définis par des objets C++ : Utilisation de l héritage, Possibilité de «surcharger» les méthodes. Les classes de base définissent des objets standards : Files d attente, Liens, Sources et Puits A chaque variable TCL du script correspond un objet C++ (le lien étant assuré en TCL), Choix du C++ : exécution rapide mais besoin d une compilation.

12 12 Conception de ns-2 Script TCL NS exécutable g++ compilation Objets C++ : Nodes Links Queues Protocols Commande Unix : ns script.tcl

13 13 Qu est-ce qu un réseau? Ensemble de noeuds (routeurs, terminaux,...) interconnectés entre eux.

14 14 Sa simulation Définition des nœuds et des liens avec leurs caractéristiques : n4, n5 : points d accès sans-fils, n1, n2, n3 : nœuds sansfils, Lien n0-n4 : faible débit et délai moyen, Lien n4-n5 : débit moyen et délai moyen, Lien n6-n7 : très haut débit et délai faible. n1 n0 n2 n4 n5 n3 n6 n7

15 15 La simulation d un nœud Classifiers Couche Réseau Agents Couche Transport et protocole de routage Links Couches Link Layer, MAC et Physique

16 16 L entité Link Représente les couches inférieures à la couche Réseau, Sa composition dépend du support physique : from routing agent to Node->entry Satellite: Wi-Fi:

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19 19 Couche Link en filaire Classe Link: permet de relier 2 nœuds. Définit aussi le type de file d attente.

20 20 Les files d attente Définies dans la classe Queue, Composants de base : Méthode enque : Ajoute un paquet dans la file, Méthode deque : Enlève un paquet dans la file, Paramètre len_ : Taille de la file. Différentes files sont présentes : Drop-Tail, RED (Random Early Discard), SFQ (Stochastic Fair Queueing),

21 21 Les politiques des files Drop-Tail : Définition d un seuil limite, Au dessus de ce niveau, les paquets sont supprimés. Random Early Discard (RED) : Définition de plusieurs seuils (threshold), Les paquets sont supprimés proportionnellement au niveau de la file, D autres paramètres peuvent intervenir : taille des paquets, identifiant du flux (priorité),

22 22 Exemples de files Quelles différences voyez vous? Une politique basée sur un PI est aussi faisable!

23 23 Couche MAC Permet de gérer l accès au support (si partagé), Protocoles dépendant du support physique : Ethernet/LAN : CSMA-CD, Wi-Fi : *, TDMA, Satellite : Unslotted Aloha, TDMA/DAMA. Si le support n est pas partagé, l impact et l utilisation de la couche MAC sont restreintes : Ethernet commuté.

24 24 Couche Réseau et Transport Deux types d adressage : Adressage hiérarchique : déclaration de plusieurs niveaux, proche de IP mais plus complexe. Adressage plat : utilisation de l identifiant du nœud, plus abstrait donc plus simpliste. Utilisation de ports : Similaire aux ports réels, Permettent de retrouver un agent, Port 255 utilisé par l agent de routage.

25 25 Les agents et les applications Un agent est une entité du nœud qui communique avec l extérieur : Protocole de Transport, Protocole de Routage. L application est attachée à l agent : En source : émission des données, En puits : réception des données. Si aucune action n est nécessaire en réception, l agent null peut être utilisé.

26 26 Les protocoles de Transport (1) TCP (Transmission Control Protocol) : Fiable (utilisation d acquittements), Contrôle du flux et de la congestion. Agent Source : set tcp [new Agent/TCP/Newreno] Emission des données, Gestion de la fenêtre de congestion, Agent Puits : set sink [new Agent/TCPSink] Réception des données, Emission des acquittements.

27 27 TCP: versions et options Reno: Ajout de l état «Fast Recovery» à l algorithme de base. New Reno: Améliore Reno en envoyant des paquets en plus pendant le «Fast Recovery». Selective ACKnowledgement (SACKs) : Permettent de diminuer le nombre d acquittements (groupé en un seul SACK).

28 28 Les protocoles de Transport (2) UDP (User Datagram Protocol) : Non-fiable et sans connexion, Pas de contrôle de congestion. Agent Source : set udp [new Agent/UDP] Emission des données, Agent Puits : set null [new Agent/Null] Réception des données, Aucun action nécessaire, Autres Protocoles présents: SCTP, SRM, PLM

29 29 Applications FTP (File Transfert Protocol) : Génération de paquets (limité à n ou infini), Pas de rythme d émission fixé. CBR (Constant Bit Rate) : Génération à un débit précis, Choix de la taille des paquets. HTTP (Hyper Text Transfert Protocol)

30 Comment utiliser les données générées par ns-2? 30

31 31 Network AniMator Affichage graphique des évènements réseaux, Permet de visualiser une communication mais pas de faire des mesures

32 32 Comment obtenir les données? Le fichier de sortie de NS contient tous les évènements réseau : enque «+», deque «-», réception «r» et droppé «d». Event Time From node To node Pkt type Pkt size Flags Fid Src addr Dst addr Seq num Pkt id Source : out.tr tcp tcp r tcp ack ack r ack

33 33 Obtenir un débit ou un délai Utilisation d une solution externe qui va parcourir le fichier de données: Perl : langage de script puissant et abordable, Awk : langage de traitement de ligne. Calcul de délai : Différence entre le moment du départ d un nœud et le moment de l arrivée à un certain nœud. Calcul de débit : Quantité de donnée émise et/ou reçue pendant un intervalle donné.

34 34 Calcul du délai Script délai.pl, Prend en paramètres : Le fichier contenant les données, Le nœud et le port source : nœud.port, Le nœud et le port de destination : nœud.port, Le type de trafic. Renvoi : Le moment de réception du paquet en secondes, Le temps écoulé entre l émission et la réception.

35 35 Calcul du débit Script debit.pl, Prend en paramètres : Le fichier contenant les données, Les nœuds.ports source et destination, La granularité du calcul, Le type de trafic. Retourne : Le moment de réception du paquet en secondes, Le débit de la communication à l arrivée.

36 36 Obtenir la fenêtre de Congestion Utilisation d une procédure dans la simulation : Source : script_simulation.tcl proc plotwindow {tcpsource file} { global ns Duration intervalle set time $intervalle set now [$ns now] set cwnd [$tcpsource set cwnd_] if {$now <= $Duration} { puts $file $now $cwnd } $ns at [expr $now+$time ] plotwindow $tcpsource $file } # Lancée par : $ns at 0.5 "plotwindow $tcp0 $winfile

37 37 Obtenir les événements des files Déclaration d un moniteur et définition d un procédure : Source : script_simulation.tcl set q_file [$ns monitor-queue $n0 $n1 [open queue.tr w] 0.005] [$ns link $n0 $n1] queue-sample-timeout proc record_queue_event {} { global ns q_stat n0 n1 q_file intervalle_queue set time $intervalle_queue set now [$ns now] set compt 0.0 $q_file instvar parrivals_ pdepartures_ bdrops_ bdepartures_ pdrops_ pkts_ puts $q_stat $now [expr $pkts_] [expr $bdepartures_*8/1024/$time] [expr $pdrops_] [expr $pdepartures_] set bdepartures_ 0 $ns at [expr $now+$time] "record }

38 38 Afficher les données Plusieurs logiciels : Xgraph, Gnuplot, Exemple d un script gnuplot : Source : trace.p set multiplot; set grid; set size 0.5,0.5; set xrange [0:] set origin 0,0; set title 'Débits'; plot 'tcp_debit.dat' title 'Debit TCP' w lines lc 1, 'udp_debit.dat' title 'Debit UDP' w lines lc 2;

39 Configuration d un réseau simple et paramétrage de protocoles. 39

40 40 Le réseau simulé Un réseau simple comportant 2 nœuds et un lien filaire, File d attente basique DropTail, Protocole CBR et TCP. Source CBR sur UDP Source FTP sur TCP n0 Lien Filaire n1 Puits CBR Puits TCP et FTP

41 41 Le simulateur Création de l instance du simulateur, Déclaration des fichiers de trace Source : script_simulation.tcl # instance du simulateur set ns [new Simulator] # ouverture du fichier de trace set ns_file [open out.tr w] $ns trace-all $ns_file # déclaration de variables set intervalle 0.1 set Duration 100 Source : script_simulation.tcl # ouverture du fichier utilisé par NAM set nam_file [open out.nam w] $ns namtrace-all $nam_file # Couleur utilisé par NAM pour le FID $ns color 0 Blue $ns color 1 Red # Choix de certains parametres Queue/DropTail set limit_ 50

42 42 Les nœuds et les liens Création de deux nœuds et d un lien : débit de 1Mb, délai de 20ms et file DropTail. Source : script_simulation.tcl set n0 [$ns node] set n1 [$ns node] $ns duplex-link $n0 $n1 1Mb 20ms DropTail De manière itérative, N sources S et 1 routeur R: Source : script_simulation.tcl for { set j 1 } { $j<=n } { incr j } { set S($j) [$ns node] $ns duplex-link $S($j) $R 1Mb 20ms DropTail }

43 43 Les agents Création de la source et du puits sur un noeud, Etablissement du lien entre les deux agents. Source : script_simulation.tcl set tcp [new Agent/TCP/Newreno] $n0 attach $tcp 1025 set sink [new Agent/TCPSink] $n1 attach $sink 1025 # Choix du flow ID $tcp set fid_ 1 $ns connect $tcp $sink Source : script_simulation.tcl set udp [new Agent/UDP] $n0 attach $udp 1024 set null [new Agent/Null] $n1 attach $null 1024 # Choix du flow ID $udp set fid_ 0 $ns connect $udp $null

44 44 L application Paramétrage de l application, Création de la source et du puits, Attachement à un agent. Source : script_simulation.tcl Application/Traffic/CBR set packetsize_ 500 Application/Traffic/CBR set rate_ 500kb Application/Traffic/CBR set random_ false set cbr [new Application/Traffic/CBR] $cbr attach-agent $udp set ftp [new Application/FTP] $ftp attach-agent $tcp

45 45 Les évènements à générer Lancement des procédures, Source : script_simulation.tcl $ns at 0.1 "record_queue_event $ns at 0.5 "plotwindow $tcp $winfile1 Choix des dates de lancement et de fin des application et des connexions. Source : script_simulation.tcl $ns at 5.0 "$ftp start $ns at 30.0 "$cbr start $ns at 80.0 "$cbr stop $ns at 90.0 "$ftp stop $ns at 95.0 "$tcp close

46 46 Arrêt de la simulation Avant le lancement, définir la procédure de fin: Source : script_simulation.tcl proc finish {} { global ns nam_file ns_file q_stat $ns flush-trace close $ns_file close $nam_file close $q_stat puts "Finished. exit 0 } Et la date de l exécution : Source : script_simulation.tcl $ns at $Duration finish

47 47 Lancement de la simulation Le lancement se fait toujours en dernier : Source : script_simulation.tcl $ns run Toute commande écrite après le lancement de la simulation ne sera pas pris en compte!!! Une fois l exécution terminée, il suffit de traiter les données générées

48 48 Récupération des données Les communications étaient établies entre les nœuds 0 et 1, les ports étants : 1025 pour TCP et 1024 pour UDP. Pour le débit, choix d un granularité de 0.2sec :./debit.pl out.tr tcp > tcp_debit.dat./debit.pl out.tr cbr > udp_debit.dat Pour le délai :./delai.pl out.tr tcp > tcp_delai.dat./delai.pl out.tr cbr > udp_delai.dat

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50 50 Analyse de Drop-Tail Le débit de TCP diminue lorsqu un autre flux est lancé, il y a bien partage du lien, La fenêtre de congestion de TCP réagit en fonction de la congestion, La niveau de la file est «instable» en présence de plusieurs flux et des pertes interviennent, Le délai est directement impacté par le niveau de la file.

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52 Analyse de RED 52