Reti di Comunicazione e Internet

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1 Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione Reti di Comunicazione e Internet Laboratorio 1. Introduzione e Fondamenti di NS2

2 Informazioni organizzative Responsabile di Laboratorio: Antimo Barbato Contatti: Ufficio: stanza 3.10 Terzo Piano Viale delle Rimembranze di Lambrate, 14 (ANTLab) Ricevimento: su appuntamento Sito web del corso: home.dei.polimi.it/barbato/teaching.html Date previste: 15/10 - S1.7 22/10 - S1.7 29/10 - S1.7 05/11 - S1.7 15/10/2012 2

3 Programma dei Laboratori Introduzione e fondamenti di NS2 (Lab 1) Sorgenti di traffico (Lab 2) Multiplazione statistica e sistemi di attesa (Lab 3 e 4) 15/10/2012 3

4 Laboratorio di Reti Cosa si fa? Nuovi protocolli Nuove applicazioni Nuovi sistemi Analisi delle prestazioni 15/10/2012 4

5 Laboratorio di Reti Che strumenti si usano? Simulatori\Emulatori Prototipi Analizzatori Programmazione Modelli matematici 15/10/2012 5

6 Cosa faremo noi Non svilupperemo nuove idee, prima dobbiamo conoscere le basi Useremo il laboratorio per Vedere realizzati in pratica i concetti studiati in teoria Mettere le mani sugli strumenti usati in laboratorio L obiettivo è rafforzare la vostra confidenza con i concetti spiegati durante le lezioni 15/10/2012 6

7 Agenda della lezione Simulazione ed emulazione Introduzione a Network Simulator (NS) 2 NS2: Da dove si inizia? The floor is yours!!! 15/10/2012 7

8 Agenda: Simulazione ed Emulazione Laboratorio 1. Introduzione e Fondamenti di NS2 15/10/2012 8

9 Sistema & Modelli Sistema E una collezione di componenti interagenti: Interazione spontanea Interazione organizzata in modo da soddisfare certe specifiche Modello E una rappresentazione del sistema Può assumere varie forme: Replica fisica Matematico (variabili ed equazioni) Programma software 15/10/2012 9

10 Simulazione ed emulazione La simulazione ricostruisce un sistema che evolve come il sistema reale (modello) per alcuni importanti aspetti La simulazione deve fornire indicazioni sul comportamento del sistema dati alcuni parametri iniziali Esempi: gallerie del vento, simulatori di volo, previsioni del tempo, simulatore di reti Un emulatore duplica le funzioni di un sistema usandone un altro differente, di modo che quest ultimo si comporti a tutti gli effetti come se fosse il primo sistema Un emulatore può essere hardware e software; Esempi: emulatori per console (MAME) o O.S. (QEMU). 15/10/

11 Simulazione ad eventi discreti In alcuni modelli le variabili di stato cambiano valore solo ad istanti discreti di tempo; Il cambiamento di stato del sistema prende il nome di evento Un evento non ha durata ed è caratterizzato da un istante di occorrenza Un attività rappresenta una condizione del sistema che è solitamente caratterizzata da un event di inizio e fine Ad esempio l inizio e la fine della trasmissione di un pacchetto sono eventi, mentre la trasmissione stessa è un attività La simulazione ad eventi discreti è di fondamentale importanza per le reti di telecomunicazione. 15/10/

12 Esempio A B C Stato iniziale: Node A, nodo B e nodo C in IDLE Evento 1: Istante t: 1s Azioni: A IDLE > TX B IDLE > RX Inizio Attività 1: TX da A a B Calendario eventi (scheduler) Stato iniziale t: 0s Evento 1 T: 1s 15/10/

13 Esempio A B C Evento 2: Istante t: 1.5s Azioni: C IDLE > SLEEP Rimuovi link B-C Calendario eventi (scheduler) Stato iniziale t: 0s Evento 1 T: 1s Evento 2 T: 1.5s 15/10/

14 Esempio A B C Evento 3: Istante t: 1.7s Azioni: A TX > IDLE B RX > IDLE Fine Attività 1: TX da A a B Calendario eventi (scheduler) Stato iniziale t: 0s Evento 1 T: 1s Evento 2 T: 1.5s Evento 3 T: 1.7s 15/10/

15 Simulazione ad eventi discreti La simulazione (esecuzione del simulatore/programma) consiste: Scorrere il calendario (scheduler) e quando si trova un evento eseguire le modifiche alle variabili di stato corrispondenti Effettuare misure sulle variabili di uscita In questo corso si fa uso di uno strumento freeware: Network Simulator (NS) 2 Molto adatto per le reti a commutazione di pacchetto Livello di astrazione: IL PACCHETTO Eventi: inizio/fine trasmissione/ricezione di pacchetti Attività: trasmissione di pacchetti 15/10/

16 Emulazione Emulatori di reti Consentono di riprodurre il funzionamento di una rete su uno o più calcolatori mediante virtualizzazione Apparati di rete virtuali Si associa un processo ad ogni apparato di rete I processi si scambiano messaggi e informazioni utilizzando i protocolli come se fossero apparati di rete connessi tramite una rete reale Molto spesso la rete emulata può essere connessa a segmenti di una rete reale utilizzando le interfacce di rete dei calcolatori coinvolti nell emulazione 15/10/

17 Emulazione Obiettivo: Collaudare nuove funzioni o protocolli Estendere le dimensioni o l estensione della rete reale Effettuare misure in condizioni di traffico controllate Valutare gli effetti di eventi che nella realtà avverrebbero raramente (es. guasti) Esempi di emulatori di rete CISCO Packet Tracer accordo su licenza accademica tool utilizzato nel laboratorio del corso Protocolli per Internet NETKIT (Università di Roma III) Freeware 15/10/

18 Agenda: Introduzione a Network Simulator (NS) 2 Laboratorio 1. Introduzione e Fondamenti di NS2 15/10/

19 Network Simulator (NS) Si tratta di un simulatore di reti a pacchetto ad eventi discreti È adottato molto spesso per la simulazione di reti IP, ma è utile per lo studio di molti aspetti di base delle reti dati È un software FREEWARE Software in continua evoluzione continuamente aggiornato Sito di riferimento da cui è possibile scaricarlo: Sistema Operativo: Linux Windows (Cygwin o Macchina Virtuale Linux) 15/10/

20 Simulare con NS Per effettuare una simulazione con NS occorre: Descrivere lo scenario simulativo (nodi, link, sorgenti di traffico, ecc.) Eseguire la simulazione Visualizzare i risultati 15/10/

21 Descrizione dello scenario simulativo La descrizione dello scenario simulativo avviene mediante uno script; Il linguaggio utilizzato è OTcl, una versione orientata agli oggetti del Tool Command Language (Tcl); Gli oggetti OTcl utilizzati nello script sono collegati ad oggetti descritti in C++ nel software di simulazione. set ns [new Simulator] set n0 [$ns node] set n1 [$ns node] set n2 [$ns node] set n3 [$ns node] $ns duplex-link $n0 $n2 $ns duplex-link $n1 $n2 $ns duplex-link $n3 $n2... mio-script.tcl 15/10/

22 Esecuzione della simulazione L esecuzione della simulazione avviene facendo interpretare lo script OTcl ad NS: ns mio-script.tcl NS viene fornito nei sorgenti in C++ e può essere compilato per ottenere l eseguibile Esistono gli eseguibili in binario per alcuni sistemi operativi (Linux, Windows, Solaris) 15/10/

23 Visualizzazione dei risultati La visualizzazione dei risultati può essere ottenuta in molti modi in base allo scopo che ci si prefigge. File di trace: E possibile chiedere al simulatore di generare dei file di trace in cui si registrano tutti gli eventi che si verificano Risultati statistici si possono ottenere elaborando offline il file Animazione: un particolare file di trace generato da NS permette di visualizzare una animazione della simulazione mediante Network Animator Module (NAM) 15/10/

24 Animazione in NAM 15/10/

25 Network Simulator Imparare ad utilizzare NS equivale dunque ad imparare a descrivere gli scenari simulativi mediante OTcl 15/10/

26 Oggetti base di NS Il primo oggetto base è Simulator; Ogni script OTcl inizia con la creazione di una variabile di tipo Simulator: set ns [new Simulator] una volta creata la variabile viene utilizzata facendo precedere al nome il simbolo $: $ns 15/10/

27 Descrizione della rete di ns La descrizione della rete in ns è strutturata a strati, sul modello dell architetture di protocolli TCP/IP anche se in modo molto semplificato, per cogliere solo gli aspetti essenziali Si identificano tre livelli Application Transport Livelli inferiori ( comprendenti: network, data-link e fisico opp. IP, NetAcc) Generatore di traffico (Applicazione) Livello di Trasporto Livelli inferiori (non creati/gestiti in modo esplicito) 15/10/

28 Nodi Applicazione Trasporto Livelli inferiori I nodi sono oggetti gestiti da Simulator e sono creati in questo modo: set n0 [$ns node] n1 set n1 [$ns node] n0 La funzione node di Simulator crea il nuovo oggetto e gli associa un indirizzo interno le variabili $n0 e $n1 consentono di manipolare i due nodi nello script 15/10/

29 Link Applicazione Trasporto Livelli inferiori I nodi possono essere collegati da link; Sono definiti due tipi di link: simplex-link (link monodirezionale); duplex-link (link bi-direzionale); $ns duplex-link $n0 $n1 1Mb 10ms DropTail $ns simplex-link $n0 $n1 1Mb 10ms DropTail n0 n1 n0 n1 15/10/

30 Link Applicazione Trasporto Livelli inferiori Sintassi: $ns <link_type> <node0> <node1> <bandwidth> <delay> <queue_type> <link_type> indica il tipo di link (simplex o duplex) <bandwidth> indica la capacità del link 10Mb (10 Mb/s), 1.2kb (1.2 kb/s), 1.5e6 (1.5 Mb/s) <delay> indica il ritardo di propagazione del link 13s (13 secondi), 1.34ms (1.34 ms) <queue_type> indica il metodo di gestione della coda DropTail indica una gestione FIFO (First In First Out) Esistono anche altre discipline È possibile stabilire le dimensioni della coda (in pacchetti): $ns queue-limit $n0 $n /10/

31 Agenti e Applicazioni Dopo aver creato la topologia occorre aggiungere allo scenario simulativo la parte attiva che gestisce il traffico di pacchetti in NS questo compito è assegnato agli Agent e alla Application Di tipo Agent sono le entità che rappresentano il livello di trasporto Di tipo Application sono le entità che generano il traffico. Generatore di traffico (Applicazione) Livello di Trasporto Livelli inferiori (non creati/gestiti in modo esplicito) 15/10/

32 Agenti TX Applicazione Trasporto Livelli inferiori Essendo nato come strumento per il mondo IP i livelli di trasporto definiti in NS sono di tipo UDP e di tipo TCP; L Agent più semplice è Agent/UDP che modella un livello di trasporto datagram puro lato sender: set UDP0 [new Agent/UDP] L Agent deve essere collegato ad un nodo mediante la funzione attach-agent di Simulator: $ns attach-agent $n0 $UDP0 UDP0 n0 n1 15/10/

33 Agenti TX Applicazione Trasporto Livelli inferiori L agente UDP svolge funzioni di multiplazione e di segmentazione/riassemblamento È possibile configurare la dimensione massima del pacchetto (in byte!!!): $UDP0 set packetsize_ 100 E l identificativo del flusso di pacchetti trasmessi: $UDP0 set fid_ 10 15/10/

34 Agenti RX Applicazione Trasporto Livelli inferiori Ogni agente deve essere collegato con un altro agente con cui scambia i dati Nel caso del sender UDP abbiamo bisogno di un Receiver Allo scopo possiamo utilizzare un Agent/Null che semplicemente riceve i pacchetti e li distrugge; Oppure un Agent/LossMonitor che in più tiene alcune statistiche sui pacchetti ricevuti: set Null0 [new Agent/Null] $ns attach-agent $n1 $Null0 Infine occorre effettuare il collegamento: $ns connect $UDP0 $Null0 UDP0 Null0 n0 n1 15/10/

35 Applicazioni Applicazione Trasporto Livelli inferiori La classe Application definisce delle sorgenti di traffico La più semplice sorgente di traffico è la Application/Traffic/CBR che genera pacchetti di lunghezza fissa a ritmo costante: set CBR0 [new Application/Traffic/CBR] La sorgente deve essere collegata ad un Agent mediante la funzione attach-agent: $CBR0 attach-agent $UDP0 CBR0 UDP0 Null0 n0 n1 15/10/

36 Applicazioni Applicazione Trasporto Livelli inferiori La Application/Traffic/CBR può essere configurata: $CBR0 set rate_ 128Kb (medio) $CBR0 set packetsize_ 100 (in byte) o in alternativa: $CBR0 set interval_ 6.25ms $CBR0 set packetsize_ 100 rate_ = packetsize_ * 8 / interval_ RATE: bit (al secondo) PACKET SIZE: byte 15/10/

37 Eventi Con nodi, link, agenti e applicazioni abbiamo costruito lo scenario simulativo E poi necessario, in generale, inserire degli eventi legati alla generazione di traffico Tutte le sorgenti di traffico supportano i comandi (funzioni) di start e stop Per fissare lo start e lo stop in determinati istanti di tempo occorre inserire degli eventi: $ns at 0.5 "$CBR0 start" $ns at 5.0 "$CBR0 stop" 15/10/

38 Fine Script OTcl Occorre inserire una riga per definire quando la simulazione deve terminare $ns at 5.5 "exit 0" La riga finale di ogni script OTcl che fa partire la simulazione deve essere: $ns run 15/10/

39 Trace e NAM Per poter ottenere un file di trace utile per l animazione con NAM basta inserire i comandi: set nf [open file-animazione.nam w] $ns namtrace-all $nf Il file aperto deve essere chiuso alla fine della simulazione; è conveniente inserire le procedure di fine in una funzione: proc finish {} { global ns nf $ns flush-trace close $nf exit 0 } modificando l evento di chiusura così: $ns at 5.5 "finish" 15/10/

40 Esempio set ns [new Simulator] set nf [open esercizio1b.nam w] $ns namtrace-all $nf set n0 [$ns node] set n1 [$ns node] $ns simplex-link $n0 $n1 1Mb 10ms DropTail set udp0 [new Agent/UDP] $udp0 set packetsize_ 50 $ns attach-agent $n0 $udp0 set null0 [new Agent/Null] $ns attach-agent $n1 $null0 $ns connect $null0 $udp0 set cbr0 [new Application/Traffic/CBR] $cbr0 set packetsize_ 100 $cbr0 set interval_ $cbr0 attach-agent $udp0 $ns at 0.5 "$cbr0 start" $ns at 4.5 "$cbr0 stop" $ns at 5.0 "finish proc finish {} { global ns nf $ns flush-trace close $nf exit 0 } $ns run 15/10/

41 Agenda: Da dove si inizia? Laboratorio 1. Introduzione e Fondamenti di NS2 15/10/

42 Operazioni Preliminari Riavviare il PC per usare RH CentOS 5.2 Al menu d avvio di CentOS premere un tasto freccia per evitare l avvio automatico di Windows Selezionare CentOS dall elenco di sistemi operativi Attendere la schermata di login di Linux Premere invio, oppure Attendere il login automatico dell utente USER_S21 15/10/

43 Accessori utili How To Aprire un terminale Applications Accessories Terminal Editor di testo (per.tcl) Applications Accessories Text Editor opp. doppio click su icona di file testo in File Browser opp. (da term.) gedit & Web Browser Applications Internet Firefox Opp. Icona su barra pannello in alto opp. (da term.) firefox & File manager Places Computer opp. Places Home folder opp. (da term.) nautilus & Pdf reader Doppio click su icona di file pdf in File Browser opp. (da term.) evince & Un-packing, da terminale: 1. gunzip nomefile.tgz 2. tar xvf nomefile.tar Oppure: 1. tar -xvfz esercizio1.tgz 15/10/

44 Home Home folder pwd /home/user_s21 ls { Desktop workspace } cd Desktop cambia folder cd.. cartella superiore Download da firefox Salva automaticamente in /home/user_s21/desktop Per comodità conviene mettere tutti i file in /home/user_s21/desktop 15/10/

45 NS suite Aprire un terminale ns ns nomefile.tcl opp./ns nomefile.tcl nam nam nomefile.nam opp./nam nomefile.nam nscript Aprire un altro terminale java jar nscript.jar 15/10/

46 Agenda: The floor is yours!!! Laboratorio 1. Introduzione e Fondamenti di NS2 15/10/

47 Esercizio 1a Scrivere lo script OTcl per il seguente scenario simulativo: 2 nodi con un link monodirezionale che li collega (capacità 1 Mb/s, ritardo prop. 10 ms); livello di trasporto UDP; 1 sorgente di traffico CBR (pacchetti 100 bytes, interarrivo 5 ms); la sorgente CBR inizia a trasmettere al tempo 0.5s e finisce al tempo 4.5s; la simulazione termina al tempo 5s. esercizio1a.tcl 15/10/

48 Esercizio 1a Soluzione # crea l'oggetto simulator set ns [new Simulator] # crea i due nodi della topologia set n0 [$ns node] set n1 [$ns node] # crea il link tra i due nodi $ns simplex-link $n0 $n1 1Mb 10ms DropTail 15/10/

49 Esercizio 1a Soluzione # crea l'agente UDP e setta la massima dimensione del segmento set udp0 [new Agent/UDP] $udp0 set packetsize_ 100 # attacca l'agente al nodo n0 $ns attach-agent $n0 $udp0 # crea un agente Null per la ricezione set null0 [new Agent/Null] # attacca l'agente null0 al nodo n1 $ns attach-agent $n1 $null0 # collega gli agenti udp0 e null0 $ns connect $null0 $udp0 15/10/

50 Esercizio 1a Soluzione # crea la sorgente di traffico CBR e setta i parametri set cbr0 [new Application/Traffic/CBR] $cbr0 set packetsize_ 100 $cbr0 set interval_ # attacca la sorgente cbr0 all'agente udp0 $cbr0 attach-agent $udp0 15/10/

51 Esercizio 1a - Eventi e Fine # inserisce gli eventi di start e stop della sorgente $ns at 0.5 "$cbr0 start" $ns at 4.5 "$cbr0 stop" # inserisce l evento che richiama la procedura di fine simulazione $ns at 5.0 "finish" # lancia la simulazione $ns run 15/10/

52 Esercizio 1a Procedure accessorie # apre un file e lo associa al trace di ns per nam da inserire subito dopo l oggetto Simulator set nf [open esercizio1a.nam w] $ns namtrace-all $nf # procedura di fine simulazione proc finish {} { global ns nf $ns flush-trace close $nf exit 0 } 15/10/

53 Esecuzione e risultati Per lanciare la simulazione Aprire un terminale ns esercizio1a.tcl Per visualizzare l animazione Attendere la fine della simulazione Controllare l esistenza del file esercizio1a.nam con il comando ls nam esercizio1a.nam 15/10/

54 Variazioni Es. 1a 1a_2: ritardo di propagazione 100ms 1a_3: rate CBR 160Kb/s 1a_4: capacità link 10Kb/s Cosa succede nei vari casi? Confrontare i risultati con nam Cosa accade ai pacchetti in transito? Come si potrebbe calcolare il numero di pacchetti in volo? 15/10/

55 Osservazioni con nam Il ritardo di propagazione è legato alla lunghezza fisica del link (l) è alla velocità di propagazione del segnale sul canale (v), ovvero il tempo necessario affinché il segnale copra una certa distanza ad una certa velocità Il tempo di trasmissione dipende dal sistema di comunicazione e dalla lunghezza in bit del pacchetto Nei sistemi più semplici (come nel nostro caso) il tempo di trasmissione dipende dal rate del canale (C) e dalla lunghezza in bit del pacchetto (L b ) T prop l v delay T trasm Lb C 8 packetsize _ bandwidth Noto l intervallo tra due pacchetti successivi t, Il numero di pacchetti in volo si può trovare come T prop t delay interval _ 15/10/

56 Esercizio 1b Vedi impostazione Esercizio 1(a) Utilizzare la funzione di segmentazione di UDP settando la massima dimensione del segmento a 50 bytes esercizio1b.tcl 15/10/

57 Esercizio 1b - Soluzione set ns [new Simulator] set nf [open esercizio1b.nam w] $ns namtrace-all $nf set n0 [$ns node] set n1 [$ns node] $ns simplex-link $n0 $n1 1Mb 10ms DropTail set udp0 [new Agent/UDP] $udp0 set packetsize_ 50 $ns attach-agent $n0 $udp0 set null0 [new Agent/Null] $ns attach-agent $n1 $null0 $ns connect $null0 $udp0 set cbr0 [new Application/Traffic/CBR] $cbr0 set packetsize_ 100 $cbr0 set interval_ $cbr0 attach-agent $udp0 $ns at 0.5 "$cbr0 start" $ns at 4.5 "$cbr0 stop" $ns at 5.0 "finish proc finish {} { global ns nf $ns flush-trace close $nf exit 0 } $ns run 15/10/