RETI DI TELECOMUNICAZIONI LS

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1 RETI DI TELECOMUNICAZIONI LS Attività di Laboratorio A.A Introduzione ad ns2 - D.E.I.S. Università di Bologna DEISNet IC3N 2000 N. 1 Informazioni generali Obiettivi Utilizzo del simulatore di rete ns2 per approfondire lo studio del protocollo TCP al fine di comprenderne al meglio i molteplici aspetti attraverso semplici esempi applicativi Materiale didattico Codice sorgente del simulatore Slides delle lezioni Esercizi applicativi Manuale ufficiale del simulatore... N. 2

2 Il simulatore: ns2 Network Simulator ver. 2 Simulatore di reti di telecomunicazioni sviluppato presso l University of Southern California's Information Sciences Institute (ISI) software di simulazione di pubblico dominio Motore di simulazione (engine): linguaggio C++ Interazione utente-simulatore: linguaggio OTcl Otcl (Object-oriented Tool Command Language) Linguaggio di scripting natura interpretata non compilata alta efficienza a livello di utente nello sviluppo del codice N. 3 ns2: simulatore tempo-discreto ad eventi L istante in cui si presenta un evento attiva l esecuzione di azioni specificate dal programma Gli eventi sono caratterizzati dall istante di simulazione ed inseriti in una lista degli eventi Il simulatore agisce sulla lista eventi inserisce un nuovo evento nella lista processa l evento attuale estraendolo dalla lista esegue le azioni associate all evento elimina l evento processato L accesso alla lista è gestito da uno scheduler N. 4

3 Gestione degli eventi La gestione degli eventi coinvolge l unità di elaborazione, lo scheduler e la lista eventi Lista Eventi t 0 :evento 0 t 1 : evento 1 t 2 : evento t n : evento n select next event add new event remove old event event i Scheduler Elaborazione Invocazione N. 5 Il linguaggio C++ Evoluzione del linguaggio C introduzione di una particolare struttura dati: classe Classe: tipo di dato con struttura definita dal programmatore permette un elevato livello di astrazione interazione solo con gli oggetti della classe attraverso particolari funzioni proprie della stessa (metodi) Le funzionalità della classe si sfruttano facendo un istanza della stessa: L istanza è denominata oggetto Possibilità di rappresentare il compotamento di entità reali N. 6

4 Linguaggio OTcl Permette di descrivere tutte le operazioni fondamentali per la simulazione Attraverso opportuni comandi consente l impostazione del set-up: Topologia di rete, caratteristiche dei link, tipo di traffico, protocolli supportati,... Elaborazione e presentazione dei risultati di una simulazione N. 7 La simulazione con script OTcl OTcl è il mezzo con il quale l utente può simulare il funzionamento di una rete reale User Space OTcl Script User Space ns2 Risultati... N. 8

5 Caratteristiche e comandi Otcl: esempi (1) Creare, inizializzare ed eliminare una varaibile: Chiamata per riferimento e per valore per riferimento: per valore: Input di parametri esterni: N. 9 Caratteristiche e comandi Otcl: esempi (2) Cicli FOR!"# Cicli WHILE #$!"# Istruzioni IF %& $ & N. 10

6 Le procedure OTcl Sono un componente fondamentale di Otcl facilitano la programmazione permettono l esecuzione di azioni ricorsive caratterizzano il programma in blocchi logici Esempio: %%' %' (qual è il risultato? N. 11 Il modello di rete in ns2 Il modello di rete è realizzato interconnettendo diversi componenti denominati oggetti ns Gli oggetti ns2 sono costruiti a partire da una struttura gerarchica di classi C++ Tutti gli oggetti sono derivabili dalla classe NSObject che è la base per tutte le classi TclObject Connector NSObject Classifier Queue Agent Delay Trace Address Replicator Multiclass RED Drop tail Reno New Reno Vegas SACK Enq Deq Hop Drop N. 12

7 Interazione fra classi C++ e classi OTcl Le classi C++ che costituiscono ns2 implementano l insieme dei protocolli disponibili L ambiente OTcl : permette la definizione di classi OTcl direttamente connesse alle classi C++ (linkage) fornisce i metodi per l utilizzo delle classi ns2 utilizza le due tipologie di classe e consente di creare gestire ed analizzare una rete di telecomunicazioni lo script OTcl è il mezzo per creare gli oggetti della rete ed i relativi collegamenti fra gli stessi N. 13 Le classi di ns2 ns2 presenta un ampia varietà di classi utili per la definizione di svariati scenari di rete ns2 è uno strumento in continua evoluzione permette la definizione di nuove classi per la caratterizzazione di nuovi componenti di rete, collegamenti, protocolli, ecc,... ns2 definisce alcune classi standard ampiamente sufficienti per lo scopo del corso La descrizione completa di tutte le funzionalità è reperibile sul manuale ufficiale N. 14

8 Le classi standard di ns2 Le classi standard utili per implementare un modello di rete per lo studio del protocollo TCP sono: SIMULATOR NODE LINK AGENT ERROR MODEL TRACE MONITOR N. 15 La classe SIMULATOR Classe fondamentale di ns2 Permette di istanziare il motore di simulazione Primo oggetto creato da uno script OTcl # I metodi della classe simulator permettono di configurare la simulazione schedulare gli eventi I metodi della classe simulator: 3 categorie configurazione della topologia (creazione dei nodi, dei link,...) monitoraggio dell evoluzione temporale di oggetti (trace) configurazione dello scheduler N. 16

9 La classe NODE: generalità Classe implementata in Otcl Implementano le funzionalità del protocollo IP definizione dell indirizzamento routing consegna delle unità informative al protocollo di trasporto Due tipi: Unicast Node: per gestire pacchetti con un solo mittente ed un solo destinatario Multicast Node: per gestire pacchetti con un solo mittente e più destinatari N. 17 La classe NODE: comandi Creazione dell oggetto NODE: Ritorno dell identificatore di nodo Creazione di N oggetti NODE ) N. 18

10 La classe LINK: generalità Oggetti che permettono i collegamenti fra gli oggetti NODE Definita da 5 elementi principali: $( puntatore al punto d ingresso *( puntatore alla coda del link +( puntatore all oggetto che descrive il link in termini di ritardo di propagazione, capacità,... ( puntatore all oggetto adibito alla gestione del TTL %$(puntatore all ingresso di una oggetto per gestire lo scarto dei pacchetti sul link N. 19 La classe LINK: la struttura head_ enqt_ queue_ deqt_ link_ ttl_ rcvt_ drophead_ drpt enqt_: puntatore all oggetto che processa i pacchetti che accedono all oggetto queue_ deqt_: puntatore all oggetto che registra i pacchetti che lasciano l oggetto queue_ drpt_: puntatore all oggetto che registra i pacchetti che vengono scartati dall oggetto queue_ rcvt_: puntatore all oggetto che registra i pacchetti ricevuti dal nodo collegato attraverso Link N. 20

11 La classe LINK: creazione dell oggetto Esempio: #, ' - invocazione della classe simulator creazione di 4 oggetti NODE %.+ / 0%1 %.+'- /2 0%1 Creazione di 2 collegamenti fra i nodi specificandone il tipo, la capacità, il ritardo e la politica di coda all interfaccia fra il nodo ed il link d uscita N. 21 La classe LINK: creazione dell oggetto Esempio: #, ' - %.+ / 0%1 %.+'- /2 0%1 3 / / N. 22

12 La classe LINK: alcuni comandi queue-limit: massima dimensione della coda *. * $link up: attiva un collegamento $link down: disabilita un collegamento $link up?: interrogazione sullo stato di un link N. 23 La classe AGENT: generalità Gli agent sono gli elementi dove si realizza: la generazione delle unità informative che devono essere trasmesse (es.:applicazione che invia dati) la rimozione delle stesse dopo la ricezione (es.: applicazione che riceve i dati) Applicazione A Applicazione B AGENT A AGENT B NODO 1 LINK NODO 2 LINK NODO 3 LINK N. 24

13 La classe AGENT: caratteristiche L agent non riceve realmente dati dall applicazione ma solo la dimensione dell unità informativa (bytes) Diversi tipi di agent per gestire diversi tipi di protocolli di trasporto (es. TCP, UDP, ) Per ogni protocollo di trasporto è definito: Un agent trasmettore Un agent ricevitore Al nodo ricevitore i pacchetti vengono scartati dall agent ricevitore (libera la memoria associata alla struttura dati del pacchetto) AGENT NULL (scarto) AGENT TCPSink (scarto +ACK) N. 25 La classe AGENT: agent UDP Riceve unità dati dall applicazione di dimensione variabile Genera pacchetti di dimensione massima specificata dalla variabile membro Esempio: % #56708 %%+,9 2 #56) $. % N. 26

14 La classe AGENT: agent TCP Due categorie possibili: Agent TCP unidirezionali Agent trasmettitori Agent ricevitori Agent TCP bidirezionali Possibilità di impostare diverse versioni del TCP Tahoe, Reno, NewReno, Vegas etc. La classe Agent/TCP è caratterizzata da numerose variabili membro Senza nessuna specifica -> valore di default Possibilità di modificare i valori di default : 561;8 N. 27 Agent/TCP: variabili membro e significato window: dimensione massima della finestra di congestione/ricezione packetsize: dimensione in byte del pacchetto trasmesso tcptick: granularità temporale nella stima del RTT maxrto: valore massimo per il RTO dupacks: contatore degli ack duplicati Ack: il valore più alto di ACK ricevuto cwnd: dimensione della finestra di congestione (in pacchetti) sstresh: valore della soglia di slow start rtt: campione del RTT srtt: valor medio del campione di RTT rttvar: varianza del campione di RTT maxseq: massimo numero di sequenza trasmesso... N. 28

15 La classe AGENT: utilizzo Esempio: #, %.+ / 0%1 # #56) $. $. agent1 node Link node 2 agent2 N. 29 Agent TCP bidirezionali Classe: Agent/TCP/FullTcp Permettono di: simulare il three-way handshake; Gestiscono lo scambio di pacchetti SYN/FIN Trasferiscono dati in entrambe le direzioni simultaneamente Necessitano di: oggetti duplex-link Indicazione esplicita dell agent TX e dell agent RX Dichiarazione di stato d ascolto per una richiesta di connessione!) N. 30

16 La classe APPLICATION: generalità Ha lo scopo di emulare le applicazioni più comuni e le caratteristiche di profili di traffico noti Le unità dati generate da oggetti application sono passati all oggetto agent tramite funzioni di interfaccia Nei sistemi reali è la socket che realizza l interfacciamento con la suite protocollare TCP/IP Anche in ns2 si hanno funzioni di interfacciamento (API-Application Programming Interface) che interagiscono con funzioni della classe agent N. 31 La classe APPLICATION: simulatore di applicazioni Possibilità di: generare traffico tipico di applicazioni del mondo reale (FTP, Telnet, WEB) Configurare le caratteristiche dell applicazione In ns2 l applicazione non genera veri dati ma solo delle dimensioni di file (es.: numero di byte inviati per trasferire un file mp3) I byte generati vengono incapsulati in segmenti TCP dall agent corrispondente inserimento delle intestazioni TCP ed IP N. 32

17 Simulatore di applicazioni: esempio (FTP) #, %.+ / 0%1 #561;8 #561;8,+ $. $. %% #5%%6<18 %% $. =&%% & N. 33 La classe APPLICATION: generatori di traffico In ns2 sono implementate 4 classi derivate dalla classe TrafficGenerator: EXPOO_Traffic. generazione di traffico On/Off con distribuzione exp dei tempi di permanenza in ogni stato POO_Traffic: tempi di permanenza in ciascuno stato distribuiti secondo una distribuzione di Pareto (bursty) CBR_Traffic: generazione di traffico a rate costante, con pacchetti di dimensione fissa TrafficTrace: generazione di traffico effettivo ottenuto da misurazioni sulla rete N. 34

18 La classe ERRORMODEL: generalità Consente di riprodurre il verificarsi di errori a livello fisico e/o la perdita di unità dati Si basa sull utilizzo di due stratagemmi: Attivazione dei flag di errore nella struttura del pacchetto come indicazioni di presenza di bit errati (opzione di default) Invio del pacchetto ad un unità di scarto (drop target) invece che al destinatario per simulare la perdita del pacchetto L evento di errore può quindi essere definito sia a livello di bit sia di pacchetto N. 35 La classe ERRORMODEL: esempio Creazione dell oggetto ErrorModel ed impostazione del tasso d errore #>/ = %+ %.#56) N. 36

19 La classe ERRORMODEL: utilizzo L oggetto ERRORMODEL è collegabile ai diversi elementi dell oggetto LINK Due strategie possibili e due metodi possibili per ogni strategia: 1. Prima dell oggetto queue_ :, %A+(( :, (( 2. Dopo l oggetto queue_ e prima dell oggetto delay :, %A+((.+ :, ((+. N. 37 La classe ERRORMODEL: utilizzo (2) :, %A+(( Modulo d errore come parametro Inserito nella classe LINK prima di queue_ Politica di scarto definita nell oggetto LINK Esempio puntatore all oggetto LINK A %.+ / 0%1 A definizione dell oggetto LINK associazione dell ERRORMODEL all oggetto LINK N. 38

20 La classe ERRORMODEL: utilizzo (3) :, (( Chiamata al metodo, %A+(caso prec.) Inserisce un modulo d errore per un SimpleLink che collega e Drop target dato dal Drop head di LINK Esempio N. 39 La classe ERRORMODEL: utilizzo (4) :, %A+((.+ Identico a, %A+(( B ma con inserimento a valle della coda Esempio A %.+ / 0%1 A.+ N. 40

21 La classe ERRORMODEL: utilizzo (5) :, %A+((.+ Identico a, (( B ma con inserimento a valle della coda Esempio +. N. 41 Monitoraggio e raccolta dei risultati Due strategie possibili per raccogliere i risultati della simulazione definizione di due diversi oggetti ns: oggetti trace oggetti monitor Oggetto trace: inserito tra due nodi produce un report su tutti gli eventi che hanno interessato i pacchetti trasmessi sul link durante la simulazione necessità di associare all oggetto trace un elemento di raccolta dei dati di simulazione (TclChannel (un file)) Oggetto monitor: sfrutta l uso di contaori permette di monitorare i parametri d interesse durante la simulazione N. 42

22 La classe TRACE Ogni pacchetto è tracciato grazie ad una intestazione (hdr_cmn) caratterizzata da un identificativo unico il tipo di pacchetto la dimensione del pacchetto (tempo di trasmissione) un identificativo dell interfaccia di trasmissione (per il caso multicast) un identificativo di flusso nodo sorgente nodo destinazione N. 43 La classe TRACE: esempio di utilizzo #, %.+ / 0%1 creazione dei nodi sorgente, destinazione e del link fra essi %=# apertura in scrittura del file di trace traccia.tr.* ==== ==== %= creazione del file traccia.tr con trace-queue chiusura del file a fine simulazione e apertura in lettura per leggere i risultati N. 44

23 La classe TRACE: formato del file Caratterizzato da un formato standard in cui si specifica: tipo di evento (ricezione, accodamento, trasmissione, scarto) istante in cui si verifica l evento nodo sorgente e nodo destinazione tipo di pacchetto dimensione flag per utilizzi specifici (collegamenti wireless, etc,...) identificativo di flusso identificativo univoco di pacchetto numero di sequenza N. 45 La classe TRACE: esempio di file trace N. 46

24 La classe MONITOR: generalità Permette di costruire oggetti in grado di monitorare alcune grandezze (variabili di stato) di utilità per l analisi dei risultati di simulazione size_ :dimensione della coda in byte pkts_ : numero di pacchetti in coda parrivals_ : numero di pacchetti arrivati barrivals_ : numero di byte arrivati pdepartures_ : numero di pacchetti trasmessi pdrops_ : numero di pacchetti scartati Consente anche di specificare l intervallo di campionamento delle variabili monitorate 0.1 sec di default N. 47 La classe MONITOR: esempio Monitoraggio dello stato della coda posta fra due nodi (n1 ed n2): *.*.. : * ( puntatore all oggetto MONITOR :..( comando per definire il puntatore ai dati N. 48

25 ns2 tool: NAM-Network Animator Il NAM è un tool di animazione appositamente implementato per ns2 che fornisce un interfaccia grafica per la gestione della simulazione L insieme degli eventi viene registrato in un file di testo (.nam) processato poi dal NAM il quale produce un animazione della simulazione Risultati... User Space OTcl Script ns2 file.nam N. 49