universit e paul sabatier master istr { sp ecialit e astr
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Universite Paul SabatierMaster ISTR – Specialite ASTR
Simulation de systemes en reseau avec ns2
Guthemberg Silvestre(http://guthemberg.co.nr)
UE Reseau et Commande
Annee 2014-2015.
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Sommaire.
I Les objectifs du cours,
I Les systemes connectes en reseau,
I La simulation,
I Une introduction au ns2,
I Collecte et analyse des resultats,
I Exemple de simulation.
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Les objectifs du cours.
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Le cours a les objectifs suivants :
I Comprendre le phenomene de congestion pouvant apparaıtre dans unreseau,
I Acquerir des connaissances sur les files d’attente et leurs politiquesd’ordonnancement,
I Appliquer les connaissances acquises dans d’autres modules.
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Les etapes pour atteindre nos objectifs :
I Etude du comportement d’un protocole de transport comme TCP,
I Utilisation de mecanismes d’asservissement issus de l’automatique,
I Realisation de simulations et analyse des resultats obtenus.
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Les systemes connectes en reseau.
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Nous nous interessons aux systemes connectes en reseau.
Nœud A Routeur Routeur Nœud B
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Les couches reseau se communiquententre nœuds voisins ou en pair-a-pair.
NœudA
Routeur RouteurNœud
B
Application
Transport
IP
Accès réseau
Application
Transport
IP
Accès réseau
IP IP
nœud-à-nœud
Accès réseau
Accès réseau
Fibre,Satellite,
etc.Ethernet
Flux de données
Topologie du réseau
Ethernet
processus-à-processus
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Encapsulation de donnees et pile de protocoles TCP/IP.
Nœud B
Ethernet IP TPC FTP
Ethernet
IP ARP
TCP UDP
FTP Telnet
Routeur Routeur
Nœud A
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Les couches Application et Transport.
I Application: Telnet (terminal a distance), FTP (transfert de fichier),etc.
I Transport: TCP (fiabilite et performance), UDP (performance), etc.
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Le TCP utilise un espace en memoirepour stoker les segments.
window size window size
application application
TCP
Nœud A Nœud B
I Window size: pour ecriture et lecture des segments TCP,
I Utile pour le controle de congestion,
I Exemples d’algorithmes: tahoe, Reno, New Reno, et SACK TCP.
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Les couches Internet, Acces Reseau et les queues.
queue queueNœud A
Routeur
Accesreseau
IP IP
Accesreseau
Transport
Application
queue
I Les files d’attente :I Presentes dans tout interface reseau / routeur,I Classer les paquets suivant des priorites (Qualite de Service),I Algorithmes d’ordonnancement: Drop-Tail, SFQ (Stochastic Fair queu-
ing), FQ (Fair Queuing), DRR (Deficit Round Robin), RED (RandomEarly-Detection) et CBQ (Class-Based Queueing).
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Algorithmes d’ordonnancement.
Nœud A
Routeur Routeur
Nœud BFlux 1Flux 2
Transport
IP
I DropTail :Routeur
IPqueue
F1F2F2F2F2F1
F2F2F2
F1
I SFQ (Stochastic Fair queuing) :Routeur
IPqueue
F1F2F2F2F2F1
F2F2F2
F1
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La couche Acces Reseau.
I Permet de gerer l’acces au support (si partage),
I Types basiques de lien : Simplex et Duplex.I Protocoles dependant du support physique :
I Ethernet/LAN : CSMA-CD,I Wi-Fi : 802.11*, TDMA,I Satellite : Unslotted Aloha, TDMA/DAMA.
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Nous pouvons emuler l’envoi de donneespar TCP en utilisant l’outil iperf.
Clientip:localhostport:56500
Serveurip:localhost
port: 5001 (commplex-link)
window size window size
application: iperf iperf
I Les outils pour emuler l’exemple:
I iperf: un outil pour mesurer la bande-passante,I tcpdump: un outil pour capturer du trafic reseau.
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Les etape pour faire tourner l’exempled’envoi de donnees par TCP.
I Le Serveur attend des connexions sur le port 5001 :
I Le tcpdump permet la collecte de paquets pour l’analyse :
I le Client ouvre une nouvelle connexion pour envoyer 1KByte :
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Analyse : les paquets de notre connexion TCP peuventetre regroupes en trois types selon leur flags.
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Ou trouver des informations complementairessur les systemes connectes en reseau ?
I Les outils iperf et tcpdump: iperf −−help (ou man iperf), tcpdump-help (man tcpdump)
I Un cours introductoire en ligne :
http://courses.cs.washington.edu/courses/csep561/13au/
I Autres references :I Seth, Sameer, and M. Ajaykumar Venkatesulu. TCP/IP architecture,
design and implementation in Linux. Vol. 68. John Wiley & Sons,2009.
I Anderson, Al, and Ryan Benedetti. Head First Networking. O’ReillyMedia, Inc., 2009.
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La simulation.
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La simulation permet de comprendre le comportementd’un systeme avec moins d’efforts.
réalisme
efforts
simulation
émulation
systèmeréel
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Le systeme reel et son emulation.
I Experiences sur le systeme reel :I Resultats probants,I (Quand il est possible) La mise en place est eventuellement couteuse.
I Son emulation :I La prise en compte de plusieurs facteurs (logiciels et/ou materiels)
contribuent a l’obtention des resultats plus fiables,I Problemes liees au passage a l’echelle.
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Exemples des systemes de diffusion de video sur Internet.
I Exemples: YouTube, Netflix, etc..
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Les plate-formes cloud publiques nouspermettent d’emuler des systemes en reseaux.
I Exemples: PlanetLab.
I Autres: Microsoft Azure, Amazon EC2, etc.
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La simulation utilise des modelespour representer le systeme.
I Avoir une comprehension du comportement du systeme,
I Permet de passer a l’echelle plus facilement,I Pour valider le modele, les resultats peuvent etre croises avec des
donnees du systeme reel,I Modelisation mathematique : Monte Carlo simulation, bootstrap, theorie
des reseaux, etc.I Modelisation informatique : transmission de messages d’une simulation
orientee evenements, protocoles de routages de paquets, etc.
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Exemples des simulateurs.
I PeerSim ( http://peersim.sourceforge.net/).
I OMNeT++ ( http://www.omnetpp.org/).
I SimGrid (http://simgrid.gforge.inria.fr/).
I ns2 (http://www.isi.edu/nsnam/ns/) et ns3 (http://www.nsnam.org/) .
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Temps de transmission de donnees entre deux nœuds.
Client Serveurdonnées
écriture
lecture
temps de transmission= temps d'écriture+ délai + temps de lecture
délai
10 Mbps
20 ms
10KB
données
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Ou trouver des informations complementairessur la simulation ?
I Jain, Raj. The art of computer systems performance analysis. JohnWiley & Sons, 2008.
I Wehrle, Klaus, Mesut Gunes, and James Gross. Modeling and toolsfor network simulation. Heidelberg: Springer, 2010.
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Une introduction au ns2.
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ns2, le network simulator 2, est un simulateur aevenements discrets concu pour la recherche sur reseau.
I L’ordonnanceur d’evenements discret maintient l’etat du systeme.
Ordonnanceurd'événements
tête
time_uid_next_handlerhandler()
Objetréseau
time_uid_next_handlerObjetréseau
handler()
chemin de donées
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ns2 a une riche librairie d’objets reseau et protocoles.
I Conception modulaire qui facilite la mise en place de modifications,
I ns2 utilise deux langages principales:
I Une librairie d’objets reseau et protocoles ecrite en C++ (Files d’attente,Liens, Sources et Puits. . . ),
I Un interpreteur script OTcl (une version du Tool Command Languageorientee objet).
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La representation d’un nœud.
unicast node
agent
application
link
link
addrclassifier
portclassifier
nodeentry
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La representation d’un lien simplex.
I Lien entre deux noeud,
I Parametres: delai, bande passante, type de file d’attente, etc..
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Les files t’attente sont presentes dans toutes interfacesreseau et sont indispensables pour l’echange de paquets.
I Stocker les paquets en attendant l’envoi :I Presence de congestion,I Volonte de reguler le flux de donnees.
I Classifier les paquets suivant des priorites :I Mecanismes de Qualite de Service (QdS).I Indispensables dans les reseaux de communication.
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Gestion de la congestion avec les files d’attente.
I Definies dans la classe Queue,I Composants de base :
I Methode enque : Ajoute un paquet dans la file,I Methode deque : Enleve un paquet dans la file,I Parametre len : Taille de la file.
I Algorithmes disponibles: DropTail, RED, SFQ, etc.
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Les adresses et ports des couches Reseau et Transport.
I Deux types d’adressage :I Adressage hierarchique : declaration de plusieurs niveaux, proche de
IP mais plus complexe.I Adressage plat : utilisation de l’identifiant du nœud, plus abstrait donc
plus simpliste.
I Utilisation de ports :I Similaire aux ports reels,I Permettent de retrouver un agent,I Port 255 utilise par l’agent de routage.
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Les objets de la classe application permettent degenerer du trafic sur le systeme en reseau simule.
I Les applications communes : Telnet et FTP.
I Autres generateurs de trafic : CBR, Pareto, Exponential, Trace.
![Page 37: Universit e Paul Sabatier Master ISTR { Sp ecialit e ASTR](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022050613/6274720fb9a05477b950a75b/html5/thumbnails/37.jpg)
Une application doit etre attachee unagent pour etablir une communication.
I Un agent est une entite du nœud qui communique avec l’exterieur(e.g. Protocole de Transport, Protocole de Routage, etc.)
0 1
tpcagent
ftpapplication
tcp_sink
I Si aucune action n’est necessaire en reception, l’agent null peut etreutilise.
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L’utilisateur decrit une simulation avec script en OTcl.
I Definition du systeme en reseau a etre simuler et des resultats :I La topologie du reseau, les protocoles et les applications,I Duree simulee et evenements particuliers a etre introduits,I Collecte des metriques de performance.
I A chaque variable TCL du script correspond un objet C++ (le lienetant assure en TCL).
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L’interaction des composants pendant une simulation.
La commande suivante lance la simulation defini dans exemple 01.tcl:
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Le Network AniMator (NAM) nous permetde visualiser la communication simulee.
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L’exercice consiste a simuler les transferts defichiers sur un reseau entre deux nœud avec ns2.
I Le Client envoie des fichiers de 10KB au Serveur en trois configura-tions differentes :
I Premiere, envoie des fichiers par une application CBR (Constant Bi-tRate) sur UDP comme protocole de transport;
I Deuxieme, CBR sur TCP;I Troisieme, FTP sur TCP (en effet, la taille de la fenetre TCP (buffer)
doit avoir approximativement la taille du fichier a etre transfere).
Client Serveur
10 Mbps
20 ms
10KB
I Vous trouvez en ligne un squelette du script tcl pour la premieresimulation. Pour le telecharger par un terminal unix/linux :
wget http://homepages.laas.fr/gdasilva/scripts/squelette.tcl
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Ou trouver des informations complementairessur ns2 ?
I Comment installer ns2 (Mac et linux):
http://www.nsnam.com/2011/11/
installation-of-network-simulator-ns235.html
http://nsnam.isi.edu/nsnam/index.php/Downloading_and_
installing_ns-2
I Comment utiliser ns2 :
http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index.html
http://www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/
http://nile.wpi.edu/NS/
http://nile.wpi.edu/NS/simple_ns.html
I La liste de parametres par defaut :
ns-allinone-RELEASE/ns-x.xx/tcl/lib/ns-default.tcl
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L’exercice de lecture et simulation.
1. Choisir un article a lire. (liste suggeree : http://homepages.laas.fr/gdasilva/liste_de_confs.txt);
2. Faire un resume de l’article, puis indiquer au moins deux points fortset deux points faibles;
3. Ecrire un script tcl qui simule un systeme (inspire) de l’article;
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Collecte et visualisation de resultats dessimulations.
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ns2 permet d’enregistrer les traces d’unesimulation dans un fichier texte.
### Traces en t e x t e b r u t ASCIIset a l l [ open a l l . t r a c e w]$ns t r a c e− a l l $ a l l
### P r o c e d u r e de f i n a l i s a t i o nproc f i n i s h {} {
g l o b a l ns n f a l l$ns f l u s h− t r a c ec l o s e $n fc l o s e $ a l lexec nam out.nam &e x i t 0
}
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Les resultats sont collectes par quatre objets.
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Le fichier texte de traces contient des informationssur les evenements en ordre chronologique.
Event TimeFromNode
ToNode
PktType
PktSize
Flags Fid SrcAddr
DestAddr
SeqNum
PktId
= enqueue= dequeue= recv (at the output of the link)= dropped
+-rd
e.g. cbr, tcp, etc.
From, To are recorded by link events. Addr in "node.port" format.
One can set aFlow ID for each(agent) sourcein OTcl script.
Seq. Number can repeat (retrasmission).Pkt ID is always unique.
− 5 .016736 1 3 c b r 160 −−−−−−− 1 1 . 0 4 . 0 19 2803r 5 .016752 3 0 ack 40 −−−−−−− 0 4 . 1 0 . 0 1374 2765+ 5 .016752 0 3 tc p 1500 −−−−−−− 0 0 . 0 4 . 1 1394 2805− 5 .016752 0 3 tc p 1500 −−−−−−− 0 0 . 0 4 . 1 1394 2805
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Nous pouvons collecter des informationsspecifiques d’une file d’attente.
I Le mecanisme monitor-queue collecte des echantillons de l’etatd’une file :
### f i c h i e r pour l e s queue t r a c e sset queue [ open q u e u e . t r a c e w]
# S u r v e i l l e r l a f i l e d ’ a t t e n t e e n t r e n3 e t n4# , c o l l e c t e r des i n f o s t o u s l e s 0 . 1 s e c , e t# l e s e n r e g i s t r e r dans $queueset qmon [ $ns monitor−queue $n3 $n4 $queue 0 . 1 ][ $ns l i n k $n3 $n4 ] queue−sample−t imeout
I Il y a aussi le monitor-queue, qui enregistre les evenements d’unefile en fichier.
![Page 49: Universit e Paul Sabatier Master ISTR { Sp ecialit e ASTR](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022050613/6274720fb9a05477b950a75b/html5/thumbnails/49.jpg)
Le fichier texte contient des statistiques surune file d’attente specifique.
TimeFromNode
ToNode
Queuesize B
Queuesize P
arr P dep P drop
current queue size in bytes during the monitor interval
From, To are recorded by link events
arrivals (packets) in monitor interval
same, in bytes
arr B dep B drop
current queue size in packets in the monitor interval
departures (packets) in monitor interval.
drops (packets) in monitor interval.
5 3 4 499 . 6 0 . 5 1517 1515 0 2245540 2243880 05 . 1 3 4 489 . 2 0 . 4 1651 1650 0 2415040 2414880 05 . 2 3 4 678 . 8 0 . 6 1794 1793 0 2599420 2597960 05 . 3 3 4 422 . 2 0 . 4 1920 1919 0 2756960 2755500 0
![Page 50: Universit e Paul Sabatier Master ISTR { Sp ecialit e ASTR](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022050613/6274720fb9a05477b950a75b/html5/thumbnails/50.jpg)
ns2 nous permet de surveiller une source TCP.
I Collecte de la taille de la fenetre de congestion et la taille de la fenetres(buffer) :
set c o n g e s t i o n w i n d o w \[ open c o n g e s t i o n w i n d o w . t r a c e w]
proc plotWindow { t c p S o u r c e o u t f i l e } {g l o b a l nsset time 0 . 1set now [ $ns now ]set cwnd [ $ t c p S o u r c e set cwnd ]set window [ $ t c p S o u r c e set window ]puts $ o u t f i l e ”$now\ t$cwnd\ t$window ”$ns a t [ expr $now+$t ime ] ” plotWindow \$ t c p S o u r c e $ o u t f i l e ”}$ns a t 1 ” plotWindow $tcp2 $ c o n g e s t i o n w i n d o w ”
![Page 51: Universit e Paul Sabatier Master ISTR { Sp ecialit e ASTR](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022050613/6274720fb9a05477b950a75b/html5/thumbnails/51.jpg)
Traitement de donnees et visualisation.
![Page 52: Universit e Paul Sabatier Master ISTR { Sp ecialit e ASTR](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022050613/6274720fb9a05477b950a75b/html5/thumbnails/52.jpg)
Ou trouver les scripts pour traiter et generer des graphesdes simulations ?
I Les scripts pour le traitement de donnees des simulations (code enPerl) :
http://homepages.laas.fr/gdasilva/scripts/format_
throughput_data.pl
http://homepages.laas.fr/gdasilva/scripts/format_
queue_data.pl
I Les scripts pour generer les graphes pour visualiser les resultats dessimulations (codes en gnuplot) :
http:
//homepages.laas.fr/gdasilva/scripts/plot_throughput.p
http://homepages.laas.fr/gdasilva/scripts/plot_queue.p
http://homepages.laas.fr/gdasilva/scripts/plot_
congestion_window.p
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Comment utiliser les scripts a partir d’un terminal ?
I D’abord, if faut faire tourner la simulation :
ns s i m u l a t i o n d e f i n i t i o n . t c l
I Puis, traitez les donnees de sortie avec les scripts suivants :
p e r l f o r m a t t h r o u g h p u t d a t a . p l a l l . t r a c e \4 1 1000000 > t h r o u g h p u t . d a t
p e r l f o r m a t q u e u e d a t a . p l q u e u e . t r a c e \0 . 2 > q u e u e . d a t
I Finalement, generez les graphes :
g n u p l o t p l o t t h r o u g h p u t . pg n u p l o t p l o t q u e u e . pg n u p l o t p l o t c o n g e s t i o n w i n d o w . p