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NS2简单又经典的入门教程NS2网络仿真 2010-07-10 22:06:04 阅读256 评论0 字号：大中小订阅 awk和gnuplot对ns模拟之后.tr文件的处理实验1、实验用网络拓扑图为这个网络的环境包含了四个网络节点(n0，n1，n2，n3)如下图所示。网络节点n0到节点n2之间，和节点n1到节点n2之间的网络频宽(bandwidth)是2Mbps，延迟時间(propagation delay)是10ms。网络拓朴中的频宽瓶颈是在节点n2到节点n3之间，频宽为1.7Mbps，延迟的時间为20ms。每个网络节都是采用DropTail queue的方式，且在节点n2到节点n3之间的最大队列长度是10个封包的长度。在节点n0到n3之间会有一条FTP的连线，FTP应用程式是架架在TCP之上，所以在写模拟环境的描述语言的時候，必需先建立一条TCP的连线，在來源端n0上使用TCP agent产生”tcp”來发送TCP的封包；在目的地端n3使用TCPsink agent产生”sink”來接受TCP的资料、並产生回覆封包(ACK)回传送端、最后把接收的TCP封包释放。最后要把这两个agent连起來(connect)，连线才能建立。若是沒有額外的參数设定，TCP封包的长度为1Kbytes。在这里顺便补充說明一下，对于ns2模拟參数內定值设定是在ns-allinone-2.27ns-2.27tcllib目錄下的ns-default.tcl，有想要进一步了解的人，可以去查看此档。另外，在节点n1到n3之间有一条固定的传输速率的连线(Constant Bit Rate，CBR)，CBR应用程式是架架在UDP之上，因此必需在n1使用UDP agent來产生”udp”用來发送UDP封包，在n3上使用Null agent來产生”sink”以接收由n1传送过來的UDP封包，然后把接收的封包释放。CBR的传送速度为1Mbps，每一个封包大小为1Kbytes。CBR是在0.1秒开始传送，在4.5秒結束传输；FTP是在1.0秒开始传送，4.0秒結束传输。2、程序源代码编辑一个四个结点的网络源文件，保存名为tool.tcl# 产生一个模拟的物件set ns new Simulator#針对不同的资料流定义不同的顏色，这是要给NAM用的$ns color 1 Blue$ns color 2 Red#开启一个NAM trace fileset nf open out.nam w$ns namtrace-all $nf#开启一个trace file，用來记录封包传送的过程set nd open out.tr w$ns trace-all $nd#定义一个結束的程序proc finish global ns nf nd $ns flush-trace close $nf close $nd #以背景执行的方式去执行NAM exec nam out.nam & exit 0#产生四个网络节点set n0 $ns nodeset n1 $ns nodeset n2 $ns nodeset n3 $ns node#把节点连接起來$ns duplex-link $n0 $n2 2Mb 10ms DropTail$ns duplex-link $n1 $n2 2Mb 10ms DropTail$ns duplex-link $n2 $n3 1.7Mb 20ms DropTail#设定ns2到n3之间的Queue Size为10个封包大小$ns queue-limit $n2 $n3 10#设定节点的位置，这是要给NAM用的$ns duplex-link-op $n0 $n2 orient right-down$ns duplex-link-op $n1 $n2 orient right-up$ns duplex-link-op $n2 $n3 orient right#观测n2到n3之间queue的变化，这是要给NAM用的$ns duplex-link-op $n2 $n3 queuePos 0.5#建立一条TCP的连线set tcp new Agent/TCP$tcp set class_ 2$ns attach-agent $n0 $tcpset sink new Agent/TCPSink$ns attach-agent $n3 $sink$ns connect $tcp $sink#在NAM中，TCP的连线会以蓝色表示$tcp set fid_ 1#在TCP连线之上建立FTP应用程式set ftp new Application/FTP$ftp attach-agent $tcp$ftp set type_ FTP#建立一条UDP的连线set udp new Agent/UDP$ns attach-agent $n1 $udpset null new Agent/Null$ns attach-agent $n3 $null$ns connect $udp $null#在NAM中，UDP的连线会以紅色表示$udp set fid_ 2#在UDP连线之上建立CBR应用程式set cbr new Application/Traffic/CBR$cbr attach-agent $udp$cbr set type_ CBR$cbr set packet_size_ 1000$cbr set rate_ 1mb$cbr set random_ false#设定FTP和CBR资料传送开始和結束時间$ns at 0.1 $cbr start$ns at 1.0 $ftp start$ns at 4.0 $ftp stop$ns at 4.5 $cbr stop#結束TCP的连线(不一定需要写下面的程式來实际結束连线)$ns at 4.5 $ns detach-agent $n0 $tcp ; $ns detach-agent $n3 $sink#在模拟环境中，5秒后去呼叫finish來結束模拟(这样要注意模拟环境中#的5秒並不一定等于实际模拟的時间$ns at 5.0 finish#执行模拟$ns run3、运行ns tool.tcl得到下图接下來，筆者先簡單介紹awk，然後如何使用awk去分析trace file，以得到Throughput、Delay、Jitter、和Loss Rate。awk A.簡介 awk是一種程式語言。它具有一般程式語言常見的功能。因awk語言具有某些特點，如：使用直譯器(Interpreter)不需先行編譯；變數無型別之分(Typeless)，可使用文字當陣列的註標(Associative Array)等特色。因此，使用awk撰寫程式比起使用其它語言更簡潔便利且節省時間。awk還具有一些內建功能，使得awk擅於處理具資料列(Record)，欄位(Field)型態的資料；此外， awk內建有pipe的功能，可將處理中的資料傳送給外部的 Shell命令加以處理， 再將Shell命令處理後的資料傳回awk程式，這個特點也使得awk程式很容易使用系統資源。B. awk是如何運作的 為便於解釋awk程式架構，以及相關的術語，筆者就以上面trace file為例，來加以介紹。a.名詞定義:1. 資料列：awk從資料檔上讀取的基本單位，以trace file為例，awk讀入的第一筆資料列為 ” 0.1 1 2 cbr 1000 - 2 1.0 3.1 0 0”第二筆資料列為 “ 0.1 1 2 cbr 1000 - 2 1.0 3.1 0 0”一般而言，一筆資料列相當於資料檔上的一行資料。2. 欄位(Field)：為資料列上被分隔開的子字串。以資料列” 0.1 1 2 cbr 1000 - 2 1.0 3.1 0 0”為例，一二三四五六七八九十十一十二0.1121000-21.03.100一般而言是以空白字元來分隔相鄰的欄位。當awk讀入資料列後，會把每個欄位的值存入欄位變數。欄位變數意義$0為一字串, 其內容為目前awk所讀入的資料列.$1代表 $0 上第一個欄位的資料.$2代表 $0 上第二欄個位的資料.b.程式主要節構: Pattern1 Actions1 Pattern2 Actions2 Pattern3 Actions3 一般常用”關係判斷式”來當成Pattern。例如：x 3 用來判斷變數x是否大於3x = 5 用來判斷變數x是否等於5awk提供c語言常見的關係運算元，如：、！等等Actions是由許多awk指令所構成，而awk的指令與c語言中的指令非常類似。IO指令：print 、 printf( ) 、getline .流程控制指令： if ( .) . else 、 while() 在awk程式的流程為先判斷Pattern的結果，若為真True則執行相對應的Actions，若為假False則不執行相對的Actions。若是處理的過程中沒有Pattern，awk會無條件的去執行Actions。c.工作流程: 執行awk時, 它會反複進行下列四步驟。1. 自動從指定的資料檔中讀取一筆資料列。2. 自動更新(Update)相關的內建變數之值。3. 逐次執行程式中 所有 的 Pattern Actions 指令。4. 當執行完程式中所有 Pattern Actions 時，若資料檔中還有未讀取的料，則反覆執行步驟1到步驟4。awk會自動重覆進行上述的四個步驟，所以使用者不須在程式中寫這個迴圈。End-to-End Delay筆者把量測CBR封包端點到端點間延遲時間的awk程式，寫在檔案measure-delay.awk檔案中，讀者可以參考此範例，修改成符合讀者需求的程式。BEGIN #程式初始化，設定一變數以記錄目前最高處理封包的ID。 highest_packet_id = 0; action = $1; time = $2; node_1 = $3; node_2 = $4; type = $5; flow_id = $8; node_1_address = $9; node_2_address = $10; seq_no = $11; packet_id = $12;#記錄目前最高的packet ID if ( packet_id highest_packet_id ) highest_packet_id = packet_id;#記錄封包的傳送時間 if ( start_timepacket_id = 0 ) start_timepacket_id = time;#記錄CBR (flow_id=2) 的接收時間 if ( flow_id = 2 & action != d ) if ( action = r ) end_timepacket_id = time; else #把不是flow_id=2的封包或者是flow_id=2但此封包被drop的時間設為-1 end_timepacket_id = -1; END #當資料列全部讀取完後，開始計算有效封包的端點到端點延遲時間 for ( packet_id = 0; packet_id = highest_packet_id; packet_id+ ) start = start_timepacket_id; end = end_timepacket_id; packet_duration = end - start;#只把接收時間大於傳送時間的記錄列出來 if ( start cbr_delay執行結果:0.100000 0.0387060.108000 0.0387060.116000 0.0387060.124000 0.0387060.132000 0.038706JitterJitter就是延遲時間變化量delay variance，由於網路的狀態隨時都在變化，有時候流量大，有時候流量小，當流量大的時候，許多封包就必需在節點的佇列中等待被傳送，因此每個封包從傳送端到目的地端的時間不一定會相同，而這個不同的差異就是所謂的Jitter。Jitter越大，則表示網路越不穩定。筆者把量測CBR flow的Jitter的awk寫在檔案measure-jitter.awk內。BEGIN #程式初始化 old_time=0; old_seq_no=0; i=0; action = $1; time = $2; node_1 = $3; node_2 = $4; type = $5; flow_id = $8; node_1_address = $9; node_2_address = $10; seq_no = $11; packet_id = $12; #判斷是否為n2傳送到n3，且封包型態為cbr，動作為接受封包 if(node_1=2 & node_2=3 & type=cbr & action=r) #求出目前封包的序號和上次成功接收的序號差值 dif=seq_no-old_seq_no;#處理第一個接收封包 if(dif=0) dif=1;#求出jitter jitteri=(time-old_time)/dif; seqi=seq_no; i=i+1; old_seq_no=seq_no; old_time=time; END for (j=1; j cbr_jitter執行結果:1 0.0080002 0.0080003 0.0080004 0.008000另一種計算Jitter的方法-更精確的方式# =# NormalJitter.awk# Version now: 0.1# Last Modified Date: 2004-10-23,19:39:54# = Usage =# awk -f NormalJitter.awk out.tr# = Programed By =# 查輝(ZHA HUI), Wuhan, China, Email: zhahui AT # = Description =# 本awk程式給出了另外一種jitter的計算方法，這種方法中jitter的計算是基于以下公式: # jitter (recvtime(j)-sendtime(j)-(recvtime(i)-sendtime(i)/(j-i), 其中 ji 。# = Attention =# NormalJitter.awk中關於jitter的計算完全基于柯志亨博士的measure-delay.awk程式中delay的# 計算。而measure-delay.awk在柯博士網頁中的ns2類比例子中是正確的，但是對于不同的例子需要根# 據情況進行一定的修改，並可能需要加入某些魯棒性處理代碼(例如對于第一個包的處理，對于丟包的處# 理等)。# = Reference =# 0/smallko/ns2/ns2.htm# = Feedback =# 如有任何關於本程式jitter計算的問題，請致信 # 柯志亨(ChihHeng, Ke)博士 smallko2001 AT .tw 或者與本人聯繫。# = Acknowledgements =# Dr. ChihHeng, Ke provided valuable documents and awk files upon my requests.# =BEGIN #程式初始化，設定一變數以記錄目前最高處理封包的ID。 highest_packet_id = 0; action = $1; time = $2; node_1 = $3; node_2 = $4; type = $5; flow_id = $8; node_1_address = $9; node_2_address = $10; seq_no = $11; packet_id = $12;#記錄目前最高的packet ID if ( packet_id highest_packet_id ) highest_packet_id = packet_id; #記錄封包的傳送時間 if ( start_timepacket_id = 0 ) # 記錄下包的seq_no - ZHA pkt_seqnopacket_id = seq_no; start_timepacket_id = time; #記錄CBR (flow_id=2) 的接收時間 if ( flow_id = 2 & action != d ) if ( action = r ) end_timepacket_id = time; else #把不是flow_id=2的封包或者是flow_id=2但此封包被drop的時間設為-1 end_timepacket_id = -1; END # 初始化jitter計算所需變量 - ZHA last_seqno = 0; last_delay = 0; seqno_diff = 0;#當資料列全部讀取完後，開始計算有效封包的端點到端點延遲時間 for ( packet_id = 0; packet_id = highest_packet_id; packet_id+ ) start = start_timepacket_id; end = end_timepacket_id; packet_duration = end - start;#只把接收時間大於傳送時間的記錄列出來 if ( start end ) # 得到了delay值(packet_duration)后計算jitter - ZHA seqno_diff = pkt_seqnopacket_id - last_seqno; delay_diff = packet_duration - last_delay; if (seqno_diff = 0) jitter =0; else jitter = delay_diff/seqno_diff; printf(%f %fn, start, jitter); last_seqno = pkt_seqnopacket_id; last_delay = packet_duration; Loss筆者把量測CBR Packet Loss的情況寫在檔案measure-drop.awk內。BEGIN #程式初始化,設定一變數記錄packet被drop的數目 fsDrops = 0; numFs = 0; action = $1; time = $2; node_1 = $3; node_2 = $4; src = $5; flow_id = $8; node_1_address = $9; node_2_address = $10; seq_no = $11; packet_id = $12;#統計從n1送出多少packets if (node_1=1 & node_2=2 & action = +) numFs+; #統計flow_id為2,且被drop的封包 if (flow_id=2 & action = d) fsDrops+;END printf(number of packets sent:%d lost:%dn, numFs, fsDrops);執行方法: ($為shell的提示符號)$awk -f measure-drop.awk out.tr執行結果:number of packets sent: 550 lost:8這代表CBR送出了550個封包，但其中8個封包丟掉了。Throughput筆者把量測CBR Throughput的情況寫在檔案measure-throughput.awk內。在這裡的Throughput是指average throughput。BEGIN init=0; i=0; action = $1; time = $2; node_1 = $3; node_2 = $4; src = $5; pktsize = $6; flow_id = $8; node_1_address = $9; node_2_address = $10; seq_no = $11; packet_id = $12; if(action=r & node_1=2 & node_2=3 & flow_id=2) pkt_byte_sumi+1=pkt_byte_sumi+ pktsize; if(init=0) start_time = time; init = 1; end_timei = time; i = i+1; END #為了畫圖好看，把第一筆記錄的throughput設為零，以表示傳輸開始 printf(%.2ft%.2fn, end_time0, 0); for(j=1 ; j cbr_throughput執行結果:0.14 0.000.15 1000.000.15 1000.000.16 1000.00介紹完了如何量測End-to-End Delay、Jitter、Packet Loss、和Throughput後，最後就是要把量測的數據畫出來。這裡筆者介紹xgraph和gnuplot，但是xgraph畫出來的圖真的有點醜，所以就不仔細介紹。筆者會把重心放在gnuplot。xgraph在Shell的提示符號後輸入startxwin.bat，接著會出現一個新的視窗，在此視窗輸入xgraph cbr_delay，就可以把前面所存下來的檔案畫出來。xgraph的運作是把第一排當作x軸的資料，第二排當作是y軸的資料，然後把圖給畫出來。cbr-delay的圖在一剛開始的時候，由於只有CBR的封包，所以End-to-End Delay Time都是固定的，但在1.0秒後，網路多了FTP的封包，這使得CBR封包和FTP封包必須互相的搶奪網路的資源，因此End-to-End Delay Time變得不在固定，但等到FTP傳輸結束後，CBR封包的End-to-End Delay Time又變成是固定值了。cbr-jitter的圖: Jitter的變化情況跟End-to-End的原因是相同的，都是由於FTP封包的加入才會指得End-to-End Delay Time會產生變化。cbr-throughput的圖:從圖可以很清楚地看出，從0.1秒到4.5秒，CBR的傳輸速率大都維持在1Mbps。看了上面這三張圖，不知道讀者是否有一種感覺，就是真的有點醜。是不是想換個工具呢?用Excel嗎?筆者認為還是一樣醜，所以筆者強力推薦使用接下來要介紹的gnuplot。gnuplotA. 簡介gnuplot 是一個命令導向的交談式繪圖程式(command-driven interactive function plotting program)。使用者輸入的每一項命令，可以逐步設定或修改繪圖環境。它以圖形表達數據或涵數，使我們可以藉由圖形做更進一步的分析。B. 如何使用gnuplot ($為cygwin shell的提示符號)a. $ startxwin.batb. 在新開出來的視窗輸入gnuplot$gnuplotc. 執行 GNUPLOT 程式時，GNUPLOT 首先檢查是否設定環境參數 DISPLAY， 若有則依其設定。當其確定為 X 環境時，將輸出模式設定為 X11。筆者以cbr_delay為例，先簡單示範如何把圖給畫出來。畫圖的指令是plot，要畫的檔案cbr_delay。gnuplot plot “cbr_delay”圖是畫出來了，但是筆者要的不是把數據用打點的方式畫出來，而是要把這些點連起來。沒關係，接下來，只要學著修改環境變數，就可以畫出理想的圖了。C. 修改環境變數a.座標軸(Axis)：繪圖參數在設定座標軸方面的參數可分為變數名稱、標點、網格、顯示範圍、 座標軸顯示方式與顯示與否等六方面的設定。不過筆者只介紹幾個常用的設定，詳細的設定可以參考.tw/aspac/reports/94/94002/。功能繪圖參數名稱標點設定xtics，ydtics網格設定grid座標顯示方式logscale顯示範圍設定autoscale，xrange，yrange 座標軸顯示與否xzeroaxis，yzeroaxis 說明:1. xtics是對 X 座標軸上的標點做設定。如起始點、結束點、間隔或在軸上特定點放特定的名稱。其語法為：set xtics , , | ( , .) unset xtics # 不標示任何 X 軸上的標點。show xtics # 顯示 X 軸標點的狀況。 例： (原本) gnuplot plot sin(x)在x軸上的標點設定是以5為單位。若是覺得想要把標點距離設小一點，例如設為1，可以使用gnuplot set xtics -10, 1, 10gnuplot plot sin(x)ytics與 xtics相似，不同點是作用在y軸上。2. 網格設定 : 在 XY 座標平面上依刻度畫上方格子。gnuplot set gridgnuplot plot sin(x)若是想要把網格拿掉，只要在下unset grid即可。3. 座標顯示方式 : 分為線性與對數兩種。 一般為前者，若要改為對數方式，其語法為：set logscale 其中 axes 為 X 軸、Y 軸、Z 軸的任意組合。base 預設為 10。 4. 顯示範圍設定：改變各軸的顯示範圍。autoscale 參數設定後 gnuplot自動調整顯示範圍。而xrange、yrange則是可以由使用者設定該軸的範圍。以 xrange 為例，其語法為： set xrange : 其中參數 與 代表 X 軸的起點與終點，可以是數字或數學式子。例：gnuplot set xrange 0:10gnuplot plot sin(x)5. 座標軸顯示與否設定 : 設定是否要畫出座標軸，以 X 軸為例：set xzeroaxis # 設定顯示 X 座標軸unset xzeroaxis # 設定不顯示 X 座標軸show xzeroaxis # 檢查 X 座標軸顯示與否gnuplot set xzeroaxisgnuplot plot sin(x)若是要把xzeroaxis拿掉，只要下unset xzeroaxis即可。 b.標示(Label)：GNUPLOT 除了繪出圖形外，尚可加入註解做為輔助說明。這註解包括文字與線條兩方面，其提供的設定有 功能繪圖參數名稱線條arrow文字註解key，label，title，xlabel，ylabel 說明：1. 線條：在圖上畫一線段 可以選擇有無箭頭。其語法為set arrow from , to , noheadunset arrow # 刪除一線條show arrow # 顯示線條使用情況其中參數 tag 是給該條線條一個整數名稱，若不設定則為最小可用整數。此線條由座標(sx, sy, sz)到(ex, ey, ez)(在2D中為 (sx, sy)到(ex, ey)。參數 nohead 為畫沒有箭頭的線段，參數 head 或沒有 nohead 為畫有箭頭的線段。#畫一帶有箭頭的線條由原點到 (1,2)。gnuplot set arrow to 1,2#畫一名為3的帶箭頭線條由(0.4, 0.3 ) 到 (0.2, 0.1)。gnuplot set arrow 3 from 0.4, 0.3 to 0.2, 0.1 #刪除名為3的線條。 gnuplotunset arrow 3 #刪除所有線條。 guplot unset arrow1. 文字註解：分為設定標頭(title)和標示(label)。標頭(title)：設定為在圖的正上方加上說明本圖的文字。其語法為: set title ,show title其中設定參數 或 為微調標頭放置的位址。 xlabel, ylabel的語法與title相同，其各自描述一座標軸。標示 (label)：為在圖上任一位置加上文字說明，一般與線條一併使用。 set label at , unset label # 刪除一標示show label # 顯示標示使用情況其中參數tag與線條 (arrow) 中tag意義相同，用以區別不同的 label。參數 是調整文字放置的位置，可以是 left，right 或 center。 # 將 y=x 放在座標 (1,2) 之處。gnuplot set label “y=x”at 1,2 # 將 y=x2 放在座標 (2,3) 之處，並命名為 3。 gnuplot set label 3 y=x2 at 2,3 right # 將名為 3 的標示居中放置。 gnuplot set label 3 center# 刪除名為3的標示。gnuplot unset label 3# 刪除所有標示。gnuplot unsel label一般繪一圖形後，gnuplot會將函數名稱或圖形檔案名稱置於右上角。 key參數設定可改變名稱放置位置。其語法為: set key set key , #其中參數 , , 設定名稱放置位置。 unset key #不顯示名稱 show key #再度顯示名稱例gnuplot set title “cbr_delay”gnuplot set xlabel “simulation time”gnuplot set ylabel “delay time” gnuplot unset key gnuplot set label “constant delay= 0.038706 sec”at 0.1, 0.05 gnuplot set arrow from 0.5, 0.05 to 0.5, 0.04c.圖樣(Style)：gnupl