Laboratorio di Fondamenti di Reti di Telecomunicazioni

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1 Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione Laboratorio di Fondamenti di Reti di Telecomunicazioni Corso Fratta Pattavina Maier Lezione n : 1

2 Responsabili Laboratorio e Contatti Sito Internet di riferimento del corso -> NS 2010 Contatti Prof Maier Responsabile: Massimo Tornatore (tornator@elet.polimi.it) Tutor: Domenico Siracusa (siracusa@elet.polimi.it) Prof Pattavina Responsabile: Massimo Tornatore (tornator@elet.polimi.it) Tutor: Giuseppe Rizzelli (rizzelli@elet.polimi.it) Tutor: Francesco Musumeci (fmusumeci@elet.polimi.it) 2

3 Indice Operazioni preliminari Concetti base di simulazione ed emulazione Introduzione a Network Simulator (NS) 3

4 Indice Operazioni preliminari Concetti base di simulazione ed emulazione Introduzione a Network Simulator (NS) 4

5 Operazioni Preliminari Avviare il PC con il S.O. Linux (RH CentOS) (Aula EG8) Username/password: utente_eg8 (Aula D31, D32, D33, S17) Username/password: tlc 5

6 Accessori utili How To Aprire un terminale Applications System Tools Terminal Editor di testo (x.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. (da term.) firefox File manager Applications System Tools File Browser 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 6

7 home Home folder pwd /home/utente_eg8 ls { Desktop workspace } cd Desktop cambia folder cd.. cartella superiore Download da firefox Salva automaticamente in /home/tlc (in EG8 /home/utente_eg8) Per comodità conviene mettere tutti i file in /home/tlc (in EG8 /home/utente_eg8) 7

8 NS suite Aprire un terminale ns ns nomefile.tcl o./ns nomefile.tcl nam nam nomefile.nam o./nam nomefile.nam nscript Aprire un altro terminale nscript 8

9 Indice Operazioni preliminari Concetti base di simulazione ed emulazione Introduzione a Network Simulator (NS) 9

10 Sistema Sistema & Modelli (1) è una collezione di componenti interagenti: Modello interazione spontanea; interazione organizzata in modo da soddisfare certe specifiche. è una rappresentazione del sistema; può assumere varie forme (ad esempio la replica fisica); ci baseremo sui Modelli Matematici 10

11 Sistema & Modelli (2) Stato del Sistema: descrive la condizione istantanea di tutti i suoi componenti ha corrispondenza con uno stato del modello del sistema il modello è l evoluzione del sistema mediante la storia dei passaggi di stato è semplificato rispetto allo stato del sistema. Livello di astrazione: indica che alcune caratteristiche dello stato del sistema sono omesse è strettamente funzionale alle misure che si vogliono effettuare sul modello Il miglior modello è quello più semplice che consente di ottenere le misure desiderate 11

12 Sistema & Modelli (3) Variabili sono comunemente utilizzate nei modelli matematici; relazioni o funzioni tra variabili sono fondamentali per descrivere il modello variabili di stato: definiscono completamente lo stato del modello e permettono di seguirne l evoluzione variabili di ingresso: indicano le sollecitazioni esterne sul sistema variabili di uscita: dipendono dalle variabili di ingresso e dalle variabili di stato rappresentano le grandezze che si intende misurare (sonde di misura) 12

13 Soluzione del Modello Sistema & Modelli (4) consiste nell ottenere i valori delle variabili di uscita; soluzione analitica: coinvolge metodi matematici di risoluzione delle equazioni che descrivono le relazioni tra le variabili; soluzione simulata: riproduce l evoluzione del sistema mediante l evoluzione delle variabili di stato la misurazione diretta delle variabili d uscita 13

14 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 su 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). 14

15 Introduzione alla simulazione Simulazioni di sistemi deterministici: completamente definite dal modello; l evoluzione è funzione dei parametri d ingresso. Esempio: descrizione del moto delle bocce sul tavolo di biliardo. Simulazioni di sistemi casuali: basate su modelli stocastici; includono variabili/processi aleatori, ottenuti con la generazione di numeri casuali ; riavviando la simulazione con gli stessi parametri iniziali si ottiene un evoluzione diversa; non interessa studiare la singola simulazione nel dettaglio; si studia il comportamento medio del sistema e le sue altre caratteristiche statistiche. 15

16 Simulazione ad eventi discreti (1) 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; L attività rappresenta una condizione del sistema che è solitamente caratterizzata da un eventi 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. 16

17 Simulazione ad eventi discreti (2) Un simulatore ad eventi discreti effettuato al calcolatore necessita: dei tipi di eventi che possono verificarsi; delle modifiche da apportare allo stato del sistema per ogni evento; di una variabile temporale t che consenta ordinare gli eventi in un calendario sulla base dell istante di occorrenza; della definizione dello stato iniziale. La simulazione ( = esecuzione del simulatore/programma) consiste: nello scorrere il calendario (scheduler) e quando si trova un evento eseguire le modifiche alle variabili di stato corrispondenti; nell effettuare misure sulle variabili di uscita. Esempio di simulazione casuale ad eventi discreti: Simulazione di concentratore telefonico: l arrivo delle chiamate dai tributari e la loro durata sono variabili casuali (tempi di inter-arrivo e durate casuali); noto il numero di linee telefoniche di ingresso e di uscita del concentratore si determinano le prestazioni del sistema (percentuale di chiamate perse ovvero probabilità di non trovare la linea). 17

18 Come fare una simulazione? Un simulatore è quindi un software: un simulatore ad-hoc è scritto con i normali linguaggi di programmazione (C, C++, Java, ecc.); si possono usare dei simulatori che descrivono il modello simulativo con strumenti grafici o linguaggi ad alto livello; esistono simulatori di reti di telecomunicazione commerciali molto sofisticati (OPNET è il più noto); In questo corso si fa uso di uno strumento freeware: Network Simulator (NS) 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 18

19 Emulazione (1) 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 19

20 Emulazione (2) Scopo 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 NAVTEL (GMPLS emulator) Prodotto commerciale 20

21 Indice Operazioni preliminari Concetti base di simulazione ed emulazione Introduzione a Network Simulator (NS) 21

22 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; non è finito : è un software in continua evoluzione continuamente aggiornato e modificato da ricercatori e studenti di moltissime università. Sito di riferimento da cui è possibile scaricarlo: 22

23 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. 23

24 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 24

25 Esecuzione della simulazione L esecuzione della simulazione avviene facendo interpretare lo script OTcl ad NS: ns mia-simulazione.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). 25

26 Visualizzazione dei risultati (1) La visualizzazione dei risultati può essere ottenuta in molti modi in base allo scopo che ci si prefigge. File di trace: è 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. 26

27 Visualizzazione dei risultati (2) Animazione: un particolare file di trace generato da NS permette di visualizzare una animazione della simulazione mediante Network Animator Module (NAM) 27

28 Visualizzazione dei risultati (3) Variabili statistiche: È infine possibile inserire nello script Tcl alcuni comandi che consentono di registrare in un file alcune valori specifici che descrivono le variabili d uscita desiderate; Non sono purtroppo forniti strumenti generali per questo tipo di approccio (occorre prima prendere familiarità con NS e con OTcl). 28

29 Network Simulator Imparare ad utilizzare NS equivale dunque ad imparare a descrivere gli scenari simulativi mediante OTcl. 29

30 Il nostro percorso A rigore dovremmo: imparare a programmare OTcl; conoscere gli oggetti definiti da NS, le loro variabili e funzioni accessibili tramite script; costruire gli strumenti per l analisi statistica dei risultati. Noi però: adotteremo un approccio semplificato basato su esempi; ci serviremo di uno strumento grafico per la descrizione dello scenario che genera lo script OTcl. 30

31 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) 31

32 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 il nome il simbolo $: $ns 32

33 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Nodi I nodi sono oggetti gestiti da Simulator e sono creati in questo modo: set n0 [$ns node] n0 set n1 [$ns node] n1 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. 33

34 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Link (1) 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 34

35 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Link (2) 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

36 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) 36

37 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Agenti (1) 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 37

38 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Agenti (2) 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 38

39 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Agenti (3) 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 39

40 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Applicazioni (1) 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 40

41 Applicazione Trasporto Livelli inferiori Applicazioni (2) La Application/Traffic/CBR può essere configurata: o in alternativa: $CBR0 set rate_ 128Kb (medio) $CBR0 set packetsize_ 100 (in byte) $CBR0 set interval_ 6.25ms $CBR0 set packetsize_ 100 rate_ = packetsize_ * 8 / interval_ 41

42 Eventi (1) Con nodi, link, agenti e applicazioni abbiamo costruito lo scenario simulativo; Ora occorre animare lo scenario legandolo alla variabile temporale mediante degli Eventi; Anche se la maggior parte degli eventi sono nascosti all utilizzatore, occorre comunque inserire dei comandi nello script OTcl; La riga finale di ogni script OTcl che fa partire la simulazione deve essere: $ns run 42

43 Eventi (2) 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: Per fermare la simulazione: $ns at 0.5 "$CBR0 start" $ns at 5.0 "$CBR0 stop" $ns at 5.5 "exit 0" 43

44 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" 44

45 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 45

46 Esercizio 1a Soluzione (1) # 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 46

47 Esercizio 1a Soluzione (2) # 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 47

48 Esercizio 1a Soluzione (3) # 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 48

49 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 #exec nam esercizio1a.nam & exit 0 } 49

50 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 50

51 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 ) l Lb 8 packetsize _ T prop delay Ttrasm v C bandwidth Noto l intervallo tra due pacchetti successivi t, Il numero di pacchetti in volo si può trovare come T prop t delay interval _ Verificate con i seguenti esempi 51

52 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? 52

53 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 53

54 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 #exec nam #esercizio1b.nam exit 0 } $ns run 54

55 BACUK-UP SLIDES 55

56 Numeri Pseudo Casuali La simulazione di un modello stocastico coinvolge delle variabili d ingresso di tipo casuale; Il modello richiede di solito la descrizione delle caratteristiche statistiche delle variabili d ingresso; Per la simulazione al calcolatore occorre: la generazione di numeri pseudo-casuali; la sintesi di variabili aventi le caratteristiche descritte dal modello; Le sequenze prodotte dai generatori (PRNG) sono sequenze di numeri generate tramite opportuni algoritmi a partire da un insieme (piccolo) di valori iniziali ( stato ), e quindi non effettivamente casuali ma che nel loro insieme superano alcuni test statistici. 56

57 TCP (controllo a finestra) 57

58 Agenti (4) Gli agenti TCP che implementano il protocollo in modo completo non sono di diretto interesse per questo corso (lo saranno per il corso di Infrastrutture e Protocolli per Internet ) Noi faremo comunque uso di un agente TCP semplificato (solo lato sender) per studiare le funzioni di controllo di flusso a finestra: set TCPedu0 [new Agent/TCP/RFC793edu] $ns attach-agent $n0 $TCPedu0 TCPedu0 n0 n1 58

59 Agenti (5) Il ricevitore di dell agente TCP è un Agent/TCPSink: set TCPSink0 [new Agent/TCPSink] $ns attach-agent $n1 $TCPSink0 gli agenti sono poi connessi con la solita funzione connect di Simulator: $ns connect $TCPedu0 $TCPSink0 TCPedu0 TCPSink0 n0 n1 59

60 Agenti (6) Anche gli agenti TCP possono essere configurati: $TCPedu0 set window_ 2 $TCPedu0 set packetsize_ 100 $TCPedu0 set fid_ 1 Nel caso del TCPedu il valore della finestra configurato è fisso mentre per gli altri TCP è solo il valore iniziale. 60