CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG NS-2 1. GIỚI THIỆU CÔNG CỤ NS-2 NS-2 (Network simulator Version 2) là phần mềm mô phỏng mạng điều khiển sự kiện riêng rẽ hướng đối tượng, được phát triển tại đại học California tại Berkely, được viết bằng ngôn ngữ C++ và Otcl. Được sử dụng rất phổ biến trong các nghiên cứu khoa học về mạng (rất hữu ích cho việc mô phỏng mạng WAN và mạng LAN). Bốn lợi ích lớn nhất của NS-2 phải kể đến là: - Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại.
- Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng. - Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thực thi được trong thực tế. - Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau Mục đích của NS-2 là tạo ra một môi trường giả lập cho việc nghiên cứu, kiểm tra, thiết kế các giao thức, các kiến trúc mới, so sánh các giao thức và tạo ra các mô hình mạng phức tạp. Phiên bản thứ nhất của NS được phát triển vào năm 1995 và phiên bản thứ hai ra đời năm 1996.
NS-2 là phần mềm mã nguồn mở có thể chạy được trong môi trường Linux và Window. KIẾN TRÚC CỦA CÔNG CỤ NS-2 NS là một phần mềm hướng đối tượng sử dụng hai ngôn ngữ C++ và OTcl. Phần dữ liệu và phần điều khiển được tách biệt. - C++ cho phần dữ liệu: Xử lý mỗi gói tin, thực thi nhanh chóng, chi tiết hóa, bổ sung đầy đủ cho việc điều khiển, các thuật toán đối với bộ dữ liệu lớn.
- OTcl cho phần điều khiển : + Mô phỏng các cấu hình cho kịch bản + Thực thi nhanh chóng ,dễ dàng cấu hình lại + Thao tác với các đối tượng C++ hiện tại. + Viết mã nhanh chóng và thay đổi dễ dàng.1: Tổng quan về NS-2 dưới góc độ người dụng - OTcl Script Kịch bản OTcl - Simulation Program Chương trình Mô phòng - OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng - NS Simulation Library Thư viện Mô phỏng NS - Event Scheduler Objects Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện - Network Component Objects Các đối tượng Thành phần Mạng - Network Setup Helping Modules Các mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng - Plumbling Modules Các mô đun Plumbling - Simulation Results Các kết quả Mô phỏng - Analysis Phân tích - NAM Network Animator Minh họa Mạng NAM Trong hình 1. NS-2 là bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng, bao gồm các đối tượng bộ lập lịch sự kiện, các đối tượng thành phần mạng và các mô đun trợ giúp thiết lập mạng (hay các mô đun Plumbing). Kịch bản OTcl có thể thực hiện những việc sau: - Khởi tạo Bộ lập lịch Sự kiện - Thiết lập Mô hình mạng dùng các đối tượng Thành phần Mạng - Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packet trong Bộ lập lịch Sự kiện.
4 Thuật ngữ plumbing được dùng để chỉ việc thiết lập mạng, vì thiết lập một mạng nghĩa là xây dựng các đường dữ liệu giữa các đối tượng mạng bằng cách thiết lập con trỏ “neighbor ” cho một đối tượng để chỉ đến địa chỉ của đối tượng tương ứng. Mô đun plumbing OTcl trong thực tế thực hiện việc trên rất đơn giản. Plumbing làm nên sức mạnh của NS. Thành phần lớn khác của NS bên cạnh các đối tượng thành phần mạng là bộ lập lịch sự kiện.
bộ lập lịch sự kiện trong NS-2 thực hiện những việc sau: - Tổ chức Bộ định thời Mô phỏng - Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện - Triệu gọi các Thành phần Mạng trong mô phỏng Phụ thuộc vào mục đích của user đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết quả mô phỏng có thể được lưu trữ như file trace. Định dạng file trace sẽ được tải vào trong các ứng dụng khác để thực hiện phân tích: - File nam trace (file.nam) được dùng cho công cụ minh họa mạng NAM - File Trace (file.tr) được dùng cho công cụ lần vết và giám sát mô phỏng XGRAPH hay TRACEGRAPH.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS - NAM Visual Simulation Mô phỏng ảo NAM - Tracing and Monitoring Simulation Mô phỏng Lần vết và Giám sát 5 1. C++ và otcl Hình 1.3 biểu diễn kiến trúc chung của NS-2. User có thể tưởng tượng mình đang đứng ở góc trái dưới, thiết kế và chạy các mô phỏng trong Tcl.
Tcl dùng các đối tượng mô phỏng trong OTcl. Các đối tượng bộ lập lịch sự kiện và hầu hết các đối tượng thành phần mạng thực thi bằng C++ và sẵn có cho OTcl qua một liên kết OTcl. Liên kết OTcl này được thực thi dùng TclCL. Tất cả đã làm nên NS, bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng và các thư viện mô phỏng mạng.
Network Components TclCL Scheduler Event OTcl Tcl C/C++ ns-2 Hình 1.3: Kiến trúc của NS-2 NS sử dụng hai ngôn ngữ lập trình: Ngôn ngữ kịch bản (Tcl – Tool Command Language, đọc là tickle) và Ngôn ngữ lập trình hệ thống (C/C++) NS là tầng biên dịch Tcl để chạy các kịch bản Tcl Bằng cách sử dụng C++/OTcl, bộ mô phỏng mạng phải hoàn toàn là hướng đối tượng Hình 1.4 chỉ ra các đối tượng C++ có liên kết OTcl. Khi đó, nếu chúng tạo nên một phân cấp thì các đối tượng OTcl cũng có một phân cấp tương ứng như vậy.4: C++ và OTcl sự đối ngẫu 6 OTcl là ngôn ngữ được sử dụng để cung cấp liên kết giữa C++ và OTcl. Các kịch bản Tcl/OTcl được viết để thiết lập và cấu hình topology của mạng. TclCL cung cấp liên kết giữa phân cấp lớp, khởi tạo đối tượng, nối kết biến và gửi lệnh.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B NS cần đến 2 ngôn ngữ là vì bộ mô phỏng cần thực hiện hai việc khác nhau.Một mặt là vì các mô phỏng cho các giao thức yêu cầu một ngôn ngữ lập trình hệ thống có thể tính toán một cách hiệu quả các byte, các tiêu đề packet và các thuật toán thực thi đang chạy trên một tập dữ liệu lớn.
Với tác vụ này, run- time speed (tốc độ thời gian chạy thực) là quan trọng trong khi turn-around time (thời gian thay đổi) thì ít quan trọng hơn. Turn-around time bao gồm thời gian chạy mô phỏng, thời gian tìm lỗi, thời gian sửa lỗi, thời gian biên dịch lại và thời gian chạy lại. Mặt khác, khi nghiên cứu mạng thì rất cần quan tâm đến các tham số và các cấu hình có thay đổi nhưng không đáng kể, hay quan tâm đến các scenario (tình huống) cần khám phá thật nhanh chóng. Trong tác vụ này thì iteration time (thời gian lặp lại, tức là thời gian hay đổi mô hình và chạy lại) là quan trọng hơn.
Vì cấu hình chỉ chạy một lần lúc bắt đầu mô phỏng nên run-time trong tác vụ này rõ ràng kém quan trọng hơn. Dùng C++ để: - Mô phỏng giao thức chi tiết yêu cầu ngôn ngữ lập trình hệ thống + Thao tác trên byte, xử lý gói, thực thi thuật toán + Tốc độ thời gian thực là quan trọng nhất 7 - Thực hiện bất kỳ việc gì mà cần phải xử lý tứng packet của một luồng. Thay đổi hành vi của lớp C++ đang tồn tại theo những hướng đã không được lường trước. Và dùng OTcl để: - Mô phỏng những thông số hay cấu hình thay đổi + Tham dò nhanh một số tình huống + Thời gian tương tác (thay đổi mô hình hay chạy lại) là quan trọng - Cấu hình, thiết lập hay những gì chỉ làm một lần.
- Thực hiện những cái ta muốn bằng cách thao tác trên các đối tượng C++ đang tồn tại. Các đặc tính của NS-2 NS-2 thực thi những tính năng sau: - Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ, - Multicasting - Mô phỏng mạng không dây: + Được phát triển bởi Sun Microsystems + UC Berkeley (Dự án Daedalus). + Thuộc mặt đất (di động, adhoc, GPRS, WLAN, BLUETOOTH), vệ tinh.11 có thể được mô phỏng, các giao thức Mobile-IP và adhoc như DSR, TORA, DSDV và AODV. - Hành vi nguồn traffic – www, CBR, VBR - Các agent truyền tải – UDP, TCP - Định tuyến - Luồng packet - Mô hình mạng - Các ứng dụng – Telnet, FTP, Ping - Các packet tracing trên tất cả các link và trên các link xác định 8 1.
ĐẶC ĐIỂM CỦA NS-2 Công cụ mô phỏng NS2 có thể hỗ trợ người nghiên cứu mạng các đặc điểm nỗi bật sau: - Khả năng trừu tượng hóa: giúp nghiên cứu các giao thức mạng ở nhiều mức khác nhau, từ hành vi đơn lễ của một giao thức đến kết hợp của nhiều luồng dữ liệu và tương tắc của nhiều giao thức. Điều này giúp người cứu có thể dễ dàng so sánh và phân tích các kết quả chi tiết với trừu tượng. - Khả năng tương tác với mạng thực: cho phép chương trình mô phỏng đang chạy tương tác với các nút mạng thực đang hoạt đông thông qua việc thiết lập lưu lương cho các liên kết mạng. - Khả năng tạo ngữ cảnh: người nghiên cứu có thể tạo các hiện trạng mạng phức tập và các sự kiện động như lỗi liên kết một cách dễ dàng.
Điều này giúp cho việc nghiên cứu, kiểm chứng các giao thức mạng trong các mô hình mạng khác nhau được đúng đắn hơn. - Khả năng hiền thị hóa: thông qua công cụ hiển thị NAM, người nghiên cứu có thể quan sát trực quan hoạt động của các nút mạng, lưu lượng, tỷ lệ lỗi để từ đó dễ dàng hiểu được các hành vi phức tập của đồ hình mạng mô phỏng. - Khả năng mở rộng được: NS2 cho phép mở rộng các chức năng mới một cách dễ dàng như thay đổi các tham số, xây dựng lên một giao thức mới, thử nghiệm các kịch bản khác nhau. - Khả năng mô phỏng NS: với bộ mô phỏng NS2, người dùng có thể mô phỏng nhiều giao thức khác nhau tại nhiều tầng khác nhau như: tại tầng ứng dụng, FTP, HTTP, tại tầng giao viên như: UDP, TCP (reno, tahoe, vegas, sack.), tại tầng MAC như: MAC 802.trong các mô hình mạng có dây, mô hình mạng không dây và mô hình mạng hỗn hợp.
Ngoài ra NS- 2 còn có thể mô phỏng các thuật toán định tuyến trong mạng không dây, đặc biệt là mạng Ad-Hoc: DSDV, DSR, AODV, TORA,. các vấn đề về định tuyến Unicast/Multicast, liên mạng sử dụng về tinh (Satellite network) và nhiều các vấn đề khác cụ thể như: + Đối với mạng có dây: - Các đường truyền điểm-điểm đơn công , song công, mạng cục bộ LAN. - Các chính sách phục vụ hàng đợi. 9 - Các mô hình sinh lỗi.
- Vấn đề định tuyến Unicast/Multicast (Unicast/Multicast routing). - Các giao thức tầng giao vận: TCP/Tahoe/Reno/NewReno/Sack/Vegas,UDP, điều khiển lưu lượng và điểu khiển tắc nghẽn.