Ejemplos de Modelos en Matlab y NS-2

Ejemplos de Modelos en
Matlab y NS-2
Jhon Jairo Padilla Aguilar, PhD.
Ejemplo: Simulación de tráfico de
paquetes hacia un Router en
Matlab
Objetivo del experimento
• Analizar los retardos de los
paquetes al pasar por routers
con dos tipos de algoritmos de
procesamiento de los datos.
• La diferencia se identificó que
iba en el módulo de clasificación
de paquetes.
• Se modeló el algoritmo de
clasificación de paquetes en sus
dos versiones (original y
modificada)
Estrategia
Arquitectura Interna del Router
Contar el número de operaciones de lectura de memoria
que se realizan en cada módulo al pasar el paquete.
El retardo se obtiene multiplicando el número de
operaciones por los tiempos respectivos de cada tipo de
operación
IXP 1200 Parámetros del Procesador de Red
Parámetro
Valor
Lsdram
(tiempo de lectura sdram)
160 ns
Lsram
(tiempo de lectura sram)
80 ns
Tamaño de palabra del procesador
32 bits
Tiempos de Procesamiento
ti =1Lsram ;
(tiempo de verificación de la tabla
80ns
hash - IntServ, IntServ6)
te =2Lsram+ 32Lsdram ;(tiempo de enrutamiento de
5280ns
paquete,es
el
mismo
para IntServ e IntServ6)
tcomp =10*Lsram
(tiempo de comparación de la
800ns
quíntupla para el proceso de
resolución de colisiones)
tq =10*Lsram
(tiempo de lectura de la quíntupla
800ns
para búsqueda de la tabla hash
DFD del Proceso clasificación de paquetes en
un Router
DTE del proceso de clasificación de paquetes
en un Router
Llegada del paquete
Sólo existe en los
routers IntServ
estándar.
Para los routers
IntServ6, estos pasos
no existen
1. Lectura de la quíntupla (tq)
2. Cálculo del número hash (th)
No existe la etiqueta
3. Búsqueda en tabla hash y verificación de colisión (tb
para IntServ, ti para IntServ6)
6. Enrutamiento normal Beteffort
Se encuentra
etiqueta y no
hay colisión
5. Enrutamiento del paquete (tc para
ambas tecnologías)
Se encuentra la etiqueta
y hay colisión
4. Búsqueda en tabla de resolución
de colisiones (tx’ para IPv4, tx para
IPv6)
Se resolvió
la colisión
Condiciones del experimento
• Para este ejemplo se supone que hay un número de comunicaciones
simultáneas (reserv)
• Cada comunicación genera paquetes de una longitud fija que puede
ser programada (longpaqu)
• Los módulos reciben una traza en forma de matriz con los instantes
de llegada de los paquetes
Simulación de tráfico de paquetes hacia un
Router
• Se calcula el tiempo medio entre llegadas de paquetes (la5):
lambda1=(64*1024)/(longpaqu); %
%
%
lambda_i=lambda1*reserv;
%
%
%
la5=1/lambda_i;
%
%
Xcin1=la5*1000;
%
%
Donde lambda1 es la tasa media de
llegadas de paquetes y longpaqu es la
longitud del paquete.
lambda_i es la tasa media de llegada de
paquetes que dependerá del la cantidad de
flujos ‘reserv’.
la5 es el tiempo medio entre-llegada de
paquetes dado en segundos.
Escala de 1000 para obtener valores
manejables.
Generación de tiempos exponenciales
• Una vez creado el tiempo medio entre-llegadas de paquetes Xcin1, se
procede a generar los paquetes, como se muestra en el siguiente
código:
Pin=0;
% Inicialización
while Pin<paqord(1,1)
%
%
Pin=Pin+1;
%
tone(Pin,1)=exprnd(Xcin1);
%
%
%
%
end
ttwo=cumsum(tone);
%
%
%
%
%
del contador.
Realiza el conteo de uno en uno
hasta el número máx. de paquetes 'paqord'
Conteo de posición del vector
La función R = EXPRND (MU) genera
exponencialmente tiempos aleatorios
con tiempo medio 'Xcin1' y son
guardados en 'tone'
La función CUMSUM(X) toma la matriz
'tone' sumando la fila siguiente con
la anterior para obtener los tiempos
de llegada de cada paquete y son
guardados en la nueva matriz 'ttwo'.
Generación del tráfico de entrada
tthre=round(ttwo*scal);
% Con la funcion ROUND(X) redondea al
% entero más cercano y lo multiplica
% por una escala de 1000 con el fin de
% utilizar tiempos más manejables.
ttotal=tthre(length(tthre));% Obtenemos el ultimo numero o ultimo
% tiempo generado
exponencialmente,
% escalado y redondeado, determinando
% el tiempo máximo en el que se genero
% el último paquete.
Corrección tiempos de llegadas
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
tone
0.020677
0.016708
0.011388
0.0011644
0.00032835
0.01677
0.001279
0.0026112
0.0047002
0.00064122
0.030458
0.0069445
.
.
ttwo
tthre
0.020677
21
0.037385
37
0.048773
49
0.049938
50 *
0.050266
50 *
0.067036
67
0.068315
68
0.070926
71
0.075627
76 **
0.076268
76 **
0.10673
107
0.11367
114
% Observamos para este ejemplo que
algunos tiempos se repiten en la
columna 'three', 50 y el 76, esto se
debe a que se escala y redondea
los valores de la columna 'ttwo' al
entero más cercano.
Corrección tiempos de llegadas
• El siguiente algoritmo corrige el anterior problema, Incrementa en
uno los tiempos de llegada de paquetes que se repiten con el fin de
que existan todos los paquetes solicitados por el usuario o
predeterminado por el simulador.
if tthre(1,1)==0
% si el el primer tiempo de llegada de
% paquetes es cero, se coloca un uno con
% fin de que exista el paquete
% incrementa a uno y asi exista el paquete
num3(1,1)=1;
else
Corrección
tiempo de
llegadas
num3=tthre(1,1);
end
k=0;
while k<=paqu-2
k=k+1;
var=num3(k,1);
% Inicializacion de conteo
% del vector.
de la posicion
%
% Se guardas en la variable 'var' el
% primer tiempo
a compara.
var2=tthre(k+1,1); % Se guarda el siguiente tiempo de la
% columna 'tthree' del valor a comparar
if var2<=var
% Si el primer tiempo 'var' es
mayor e
% igual que el siquiente tiempo
de la
% primera columna del vector 'tthre' y que
% es guardado en 'var2' se incrementa en
inc=var2+1;
% uno 'inc= var2+1' y luego se crea una
num3(k+1,1)=inc;% nuevo vector llamado 'num' y asi guardar
% los tiempos actualizados.
else
% ahora si no se cumple la
condicion
num3(k+1,1)=... % 'if var2<=var' se guardara en el vector
tthre(k+1,1);%directamente sin aumentar en uno ya que
% quiere decir que no se repite estos
% tiempos de llegada de paquetes.
end
end
intime(:,1)=num3;
intime(:,2)=longpaqu;
% 'num3'
es
donde
guarda la
nueva matriz
con lo tiempos de los
paketes existentes,
para
esta
linea
se
inicializa
la
matriz
num3 con el primer
tiempo
de a matriz
'tthre'.
Este while finaliza cuando
se analizan
todos
los tiempos del vector
'tthre', se decrementa el
total de paquetes en dos
debido a que el programa
analiza los tiempos de
dos
en dos.
Por
tanto se
debe
decrementar 'paqu' para
no exceda las dimensiones
de la matriz la matriz.
Algoritmo de clasificación
VARIABLES DE ENTRADA:
-La variable simple paqord, que es el número de paquetes a
simular.
-Otra variable es la hashtab que es una matriz de reservas
depurada, es decir, sin colisiones. Esta consta de dos columnas,
en las cuales se encuentra almacenada la identificación de flujo
correspondiente a cada reserva, además de una bandera que
identifica la presencia o ausencia de colisiones respectivamente.
-Y finalmente, una última variable de entrada es coltab que es la
matriz de resolución de colisiones, la cual consta de dos
columnas, en las cuales se encuentra almacenada la identificación
de flujo correspondiente a cada reserva, así como la quíntupla que
identifica a la misma respectivamente.
VARIABLE DE SALIDA:
La variable datatab es la matriz de datos obtenida de este
subprograma, la cual consta de cuatro columnas que contienen
datos de identificación de flujo, número de instrucciones de lectura
en tabla Hash, número de instrucciones de lectura en la tabla de
resolución de colisiones, e instrucciones de lectura de quíntupla.
Esta última columna se refiere a cuantos flowid iguales tuvo que
leer en la tabla de resolución de colisiones, antes de encontrar el
indicado, organizados respectivamente para cada paquete
procesado.
hashn  abs(1* (10000 1).* rand(1,1))
Algunos resultados obtenidos
Simulador NS-2
• Es gratuito
• Funciona sobre Linux
• Es ampliamente utilizado
• Permite simulaciones de redes compuestas de diferentes protocolos y
dispositivos
• Simula redes fijas e inalámbricas
Componentes generales de una simulación en
NS-2
• El programa simulador NS-2
• Características de la simulación
(dadas en el archivo en TCL):
• Topología de la red
• Dispositivos que la componen
• Protocolos usados en los
dispositivos
• Aplicaciones utilizadas
• Graficadores de resultados
• Planificación en el tiempo
Archivo TCL
(Características de la
simulación)
Simulador NS-2
• Resultados de la simulación:
• Se almacenan en un archivo de
texto plano
• Los resultados pueden ser
graficados por algún programa
como Xgraph, NAM
Resultados de la
simulación (Tablas
y/o gráficos)
Cómo se especifican las características de la
simulación?
• Se describen en un archivo de texto plano con extensión “.tcl”
• Se utiliza un lenguaje llamado TCL
simple.tcl
set
$ns
$ns
$ns
ns [new Simulator]
at 1 “puts \“Hello World!\””
at 1.5 “exit”
run
swallow 74% ns simple.tcl
Hello World!
swallow 75%
Los dispositivos
• Se crean los dispositivos uno a
uno
#Creación de Nodos en Tcl:
set n0 [$ns node]
set n1 [$ns node]
Topología de la red
• Se describe la forma en que se
interconectan los dispositivos
mediante los enlaces
#Creación de enlaces en Tcl:
$ns duplex-link $n0 $n1 <bandwidth>
<delay> <queue_type>
<queue_type>: DropTail, RED, CBQ,
FQ, SFQ, DRR
Protocolos Utilizados
• Para cada dispositivo se definen:
• La capa de acceso (MAC):
Ethernet, Token Ring, Wi-Fi, WiMAX, Zig-Bee, etc.
• La capa de red se asume IP
• La capa de transporte puede ser:
TCP, UDP
• La capa de Aplicación:
• Generador de paquetes (algún
comportamiento estadístico
particular)
• Sumidero de paquetes
Aplicación
Transporte
Red
Acceso
Física
#Creación de protocolos de la capa de
transporte con Tcl:
set udp [new Agent/UDP]
$ns attach-agent $n0 $udp
set tcp [new Agent/TCP]
$ns attach-agent $n1 $tcp
Definición de la capa MAC
Aplicaciones utilizadas
• Son las encargadas de generar
los paquetes y recibirlos
• Pueden tener diferentes
comportamientos estadísticos:
•
•
•
•
CBR: Tasa de bits constante
Exponencial
Poisson
etc
• Los receptores o sumideros
permiten llevar estadísticas de
los parámetros de interés.
• Las estadísticas pueden ser
graficadas posteriormente.
#Creación de una aplicación CBR:
set src [new Application/Traffic/CBR]
#Creación de una aplicación Exponencial y otra Pareto on-off:
set src [new Application/Traffic/Exponential]
set src [new Application/Traffic/Pareto]
Graficadores
• Pueden ser de dos tipos:
• Gráficas en dos dimensiones
(Funciones) (Ej: XGRAPH)
• Animaciones del envío de
paquetes por la red (Ej: NAM)
# Encabezado al final de la simulación
$ns at 2.0 "finish"
proc finish {} {
global ns fd
close $fd
$ns flush-trace
puts "running
nam..."
exec nam out.nam &
exit 0
}
$ns run
Planificación en el tiempo
• Se refiere a el orden en que suceden las cosas:
•
•
•
•
•
Inicio/Finalización de generación de paquetes de una aplicación
Instante de inicio/final del movimiento de nodos (redes móviles)
Trayectoria de los nodos
Velocidad de los nodos
Cálculo de parámetros de salida
#Crear planificador de eventos:
set ns [new Simulator]
# Planificar eventos:
$ns at <time> <event>
<event>: any legitimate ns/tcl commands
#Iniciar el planificador:
$ns run
Cómo extender NS-2
Metodología para crear nuevos protocolos
y agentes
Jhon Jairo Padilla Aguilar
Recomendaciones Generales
• Identifique qué es lo que quiere construir
• Identifique los objetos de NS-2 que ya existen y que se modificarán
para crear nuevos objetos. Esto debe hacerse analizando las clases
existentes en NS-2.
• Crear nuevos objetos que heredan las características de los objetos
existentes de NS-2 y que son útiles para sus propósitos.
Caminos para extender NS-2
• Hay dos formas de hacer los cambios a NS-2:
• Cambiar en Otcl
• Cambiar en C++
Cuál camino escoger?
Escalabilidad vs Flexibilidad
• Es tentador escribir toda la simulación en OTcl:
• Beneficio: prototipado rápido
• Costo: memoria + tiempo de ejecución
• Solución
• Controlar la granularidad de su objeto migrando métodos desde OTcl a C++
El Mérito de OTcl
high
Program size, complexity
low
OTcl
C/C++
split objects
• Ajusta suavemente la granularidad de los programas para un
balance entre extensibilidad y desempeño
• Tiene completa compatibilidad con los scripts de simulación
existentes
Tips de Granularidad de los objetos
• Funcionalidad
• Procesamiento por paquetes C++
• Código que cambia frecuentemente OTcl
• Manejo de Datos
• Estructuras de datos complejas C++
• Variables de configuración simples OTcl
1. Extender NS-2 con OTcl
• Si usted no quiere compilar:
• Coloque sus cambios en los archivos de simulación (.tcl)
• Si quiere compilar:
• Modifique el código
• Para agregar nuevos archivos en la compilación:
• Cambie el archivo Makefile (NS_TCL_LIB), tcl/lib/ns-lib.tcl
• Re-compile
Cómo agregar los nuevos archivos a NS-2: Crear nueva carpeta
con los fuentes en OTcl
ns-allinone
Tcl8.3
TK8.3
OTcl
tclcl
...
tcl
ex
examples
test
validation tests
mysrc
msg.tcl
ns-2
lib
nam-1
C++ code
mcast
OTcl code
...
Modificar archivos claves para compilación:
• tcl/lib/ns-lib.tcl
Class Simulator
…
source ../mysrc/msg.tcl
• Makefile
NS_TCL_LIB = \
tcl/mysrc/msg.tcl \
…
• O también: cambiar Makefile.in, make distclean, entonces hacer
./configure --enable-debug ,
make depend and make
2. Extender NS-2 en C++
• Si sólo va a modificar código sin crear nuevos archivos de
componentes:
• Haga “make depend”
• Re-compile
• Si va a crear nuevos componentes:
• Cambie el archivo “makefile”
• Haga “make depend”
• Re-compile
Pasos
• Decida la posición en la jerarquía de clases (de qué clase se derivará
el nuevo componente?)
• Cree la nueva cabecera de paquete (si es necesario)
• Cree la clase en C++ (archivo.h)
• Cree los métodos de la nueva clase (archivo.cc)
• Defina las correspondencias con Otcl (si hay alguna)
• Escriba el código Otcl (si hay alguno)
• Construya (Build) y depure (debug)
Ejemplo: Nuevo Agente, cabecera de paquete no
cambia
• Algoritmo Jump-Start de TCP:
• Ventana de transmisión que cambia su ancho desde un valor mínimo al iniciar
hasta un límite máximo si no hay pérdidas de paquetes
Paso 1: Ubicar en la jerarquía de clases de NS-2
TclObject
Handler
NsObject
Connector
Queue
Delay Agent
DropTail RED
TCP
Reno
SACK
Classifier
Trace
AddrClassifier McastClasifier
Enq Deq
JS
Drop
Paso 2: Crear la nueva clase
• New file: tcp-js.h
class JSTCPAgent : public TcpAgent {
public:
virtual void set_initial_window() {
cwnd_ = MAXWIN_;
}
private:
int MAXWIN_;
};
Paso 3: Crear los métodos de la nueva clase
• New file: tcp-js.cc
static JSTcpClass : public TclClass {
public:
JSTcpClass() : TclClass("Agent/TCP/JS") {}
TclObject* create(int, const char*const*) {
return (new JSTcpAgent());
}
};
JSTcpAgent::JSTcpAgent() {
bind(“MAXWIN_”, MAXWIN_);
}
Paso 4: Crear simulación en el script Tcl
• Crear una instancia de jump-start TCP en su script tcl “tcp-js.tcl”
• Fijar el valor de MAXWIN_ en el script tcl
• Agregar “tcp-js.o” (el archivo objeto o compilado) en el archivo
Makefile.in
• Re-configurar, hacer “make depend” y recompilar
• Ejecutar su script tcl “tcp-js.tcl”
Creación de una Nueva cabecera
de paquete
Formato del paquete
cmn header
header
data
ip header
tcp header
rtp header
trace header
...
ts_
ptype_
uid_
size_
iface_
Pasos para la creación de la nueva cabecera de
paquete
• Crear una nueva estructura de cabecera
• Habilitar el soporte de trazas de la nueva cabecera
• Crear la clase estática para la correspondencia con OTcl (en el archivo
packet.h)
• Habilitar la nueva cabecera en OTcl (en el archivo tcl/lib/ns-packet.tcl)
• Esto no aplica cuando usted agrega un nuevo campo en una cabecera
existente!
Ejemplo: Creación de un paquete
Message y un Agente que lo procesa
• Creación de una nueva cabecera de paquete para un
mensaje de 64 bytes
• Creación de un nuevo agente de transporte para
procesar esta nueva cabecera
Nueva cabecera de Paquete
– Paso 1
• Crear la estructura de la cabecera
struct hdr_msg {
char msg_[64];
static int offset_;
inline static int& offset() { return offset_; }
inline static hdr_msg* access(Packet* p) {
return (hdr_msg*) p->access(offset_);
}
/* per-field member functions */
char* msg() { return (msg_); }
int maxmsg() { return (sizeof(msg_)); }
};
Nueva cabecera de Paquete
– Paso 2
• Crear la clase Cabecera del mensaje
static class MessageHeaderClass :
public PacketHeaderClass {
public:
MessageHeaderClass() :
PacketHeaderClass("PacketHeader/Message",
sizeof(hdr_msg)) {
bind_offset(&hdr_msg::offset_);
}
} class_msghdr;
Nueva cabecera de Paquete
– Paso 3
• Habilitar las trazas (packet.h):
enum packet_t {
PT_TCP,
…,
PT_MESSAGE,
PT_NTYPE // This MUST be the LAST one
};
class p_info {
……
name_[PT_MESSAGE] = “message”;
name_[PT_NTYPE]= "undefined";
……
};
Nueva cabecera de Paquete
– Paso 4
• Registrar la nueva cabecera (tcl/lib/ns-packet.tcl)
foreach prot {
{ Common off_cmn_ }
…
{ Message off_msg_ }
}
add-packet-header $prot
Nueva cabecera de Paquete: Precaución
• Algún código antiguo, e.g.:
RtpAgent::RtpAgent() {
……
bind(“off_rtp_”, &off_rtp);
}
……
hdr_rtp* rh = (hdr_rtp*)p->access(off_rtp_);
• No siga este ejemplo!
Creación del Agente: Message – Paso 1
TclObject
NsObject
Connector
Queue
Delay Agent
DropTail RED
TCP
Reno
Classifier
Trace
AddrClassifier McastClasifier
Message Enq Deq
SACK
Drop
Creación del Agente: Message – Paso 2
• Definición de la clase en C++
// Standard split object declaration
static …
class MessageAgent : public Agent {
public:
MessageAgent() : Agent(PT_MESSAGE) {}
virtual int command(int argc, const char*const*
argv);
virtual void recv(Packet*, Handler*);
};
Creación del Agente: Message – Paso 3
• Procesamiento del paquete: send
int MessageAgent::command(int, const char*const* argv)
{
Tcl& tcl = Tcl::instance();
if (strcmp(argv[1], "send") == 0) {
Packet* pkt = allocpkt();
hdr_msg* mh = hdr_msg::access(pkt);
// We ignore message size check...
strcpy(mh->msg(), argv[2]);
send(pkt, 0);
return (TCL_OK);
}
return (Agent::command(argc, argv));
}
Creación del Agente: Message – Paso 4
• Procesamiento del paquete: receive
void MessageAgent::recv(Packet* pkt, Handler*)
{
hdr_msg* mh = hdr_msg::access(pkt);
// OTcl callback
char wrk[128];
sprintf(wrk, "%s recv {%s}", name(), mh->msg());
Tcl& tcl = Tcl::instance();
tcl.eval(wrk);
Packet::free(pkt);
}