Network Simulation 2 (NS-2)

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程式語言

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TCL

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AWK

在許多 ns2 的討論區中，可以看到 AWK 常被用來分析 trace 檔。這是因為 AWK 對於處理由資料列所組成的文字檔特別拿手，因此對於處理 trace 檔可以說是一項重要的工具。

AWK 的特性

AWK 的特性如下：

- 直譯器
- 變數無型態之分
- 可用文字當陣列的索引
- 善於處理據資料列與欄位型態的資料

在這裡我們不打算詳細地介紹 AWK，因為已經有許多文獻，如中研院的AWK Tutorial Guide。因此，閱讀完此份文件你應該已經能夠撰寫處理 ns2 trace 檔的 AWK 程式。接下來，就讓我們來看看要怎麼寫一個 AWK 程式來處理 trace 檔吧!

AWK 的內建變數

當你在撰寫處理 trace 檔的 AWK 程式時，你可能會需要用到下列內建變數。

AWK 的內建函式

AWK 的內建函式相當多，並且與C語言的用法大致相同。因此，我們只介紹一些簡單的數學函式並陸續補充在並陸續補充分析 ns2 trace 檔所需要的函式，若是你需要使用到其它的函式可以參考中研院的AWK Tutorial Guide。

AWK 程式的架構

一個 AWK 程式主要可以區分為三大部分。

1.程式初始化部分

BEGIN {

# 初始化程式(執行一次)

}

這個部分的程式碼只會在程式開始時被執行一次，因此通常被用來定義一些為了計算網路效能值的全域變數。例如，符合某些條件的封包數(總封包數，被丟棄封包數)或是暫時用到的變數(第 n 秒收到的封包)...等等。

2.重複執行的部分

Pattern-1 {Action-1} # 符合 Pattern-1 的資料列都會執行 Action-1

Pattern-2 {Action-2} # 符合 Pattern-2 的資料列都會執行 Action-2

... # 以此類推 (如果沒有指定 Pattern，則表示無條件執行 Action。)

在執行完 AWK 程式的第一部分後，下面四個步驟會反複執行直到所有資料列被處理完為止。

Step 1: 自動從資料檔中讀取下一筆資料列。

Step 2: 自動更新相關的內建變數之值。如，NF，NR，$0，...等。

Step 3: 逐次執行程式中所有的 Pattern {Actions} 指令。

Step 4: 當執行完程式中所有 Pattern {Actions} 後，如果資料檔中還有未讀取的資料列，則回到 Step 1 繼續執行。

3.程式結束部分

END {

# 結束程式(執行一次)

}

這個部分的程式碼只會在程式結束時被執行一次，因此通常被用來計算需要看完全部資料列才能夠計算的數值。

接下來，我們就來介紹什麼是 Pattern、Action、以及一些會用到的小技巧。

Pattern的用法

Pattern 主要是描述是否執行 Action 的條件，主要的條件可以分成下面兩種：

- 關係式 (Relational expression)

- 正則式 (Regular expression)

Action的用法

Actions 是由許多應用到資料列上的 AWK 指令所構成。而 AWK 的指令與 C 語言中的指令十分類似。例如:

- AWK 的 I/O 指令
  - - print
    - printf( )
    - getline
    - ...
- AWK 的流程控制指令
  - - if(...){..} else{..}
    - while(...){...}
    - ...
- ...

陣列的用法

在 AWK 中使用陣列相當具有彈性，其特性如下：

- 可以使用字串當作索引
- 不需要事先宣告大小

而陣列的索引方式可以分成下列兩種：

- 以數字當索引
  - - 使用方法與C++相同
- 以字串當索引
  - - 範例如下

BEGIN {

}

{

if ($0 ~ "O.S.") A["O.S"]++;

if ($0 ~ "D.S.") A["D.S"]++;

if ($0 ~ "Discrete") A["Discrete"]++;

if ($0 ~ "Graphics") A["Graphics"]++;

if ($0 ~ "Arch.") A["Arch."]++;

if ($0 ~ "A.I.") A["A.I."]++;

if ($0 ~ "Algorithm") A["Algorithm"]++;

}

END {

for (course in A)

print course, A[course];

}

案例學習

在有了基礎的 AWK 程式設計概念之後，要如何利用 AWK 程式來處理 ns2 的 trace 檔案以便產生可以畫出網路效能曲線圖形的檔案。你可以根據下面的步驟來完成所需要的 AWK 程式並繪製圖形：

Step 1: 定義你的網路效能評估值。

Step 2: 根據網路效能評估值的定義撰寫 AWK 程式。

Step 3: 執行你的 AWK 程式來處理 ns2 的 trace 檔案。

Step 4: 繪製你要的圖表。

接下來，我們用一個簡單的範例來說明上面的流程。假設我們想要得到每 0.1 秒被丟棄(drop)之總封包數的曲線圖，該怎麼作呢?

Step 1: 定義你的網路效能評估值。

- 每 0.1 秒被丟棄之總封包數的定義
  - - 每隔 0.1 秒在所有節點被丟掉的封包數總合
- 在 trace 檔中需要用到的欄位
  - - 事件類別 ($1)
    - 事件發生的時間 ($2)
- 判斷式
  - - 計算 $2 在 t ~ (t+1) 秒中 $1 為 d 的數目

Step 2: 根據網路效能評估值的定義撰寫 AWK 程式。

BEGIN {

# 全域變數

drop_count = 0; # 被丟棄的封包數

current_sec = 0; # 目前的秒數

}

{

# 利用可記憶的變數來取代欄位符號可以讓程式更容易閱讀

event_class = $1;

event_time = $2;

link_src = $3;

link_dst = $4;

pkt_class = $5;

pkt_size = $6;

pkt_flag = $7;

flow_id = $8;

flow_src = $9;

flow_dst = $10;

seq_no = $11;

pkt_id = $12;

# ##################### #

# 撰寫程式說明是一個好習慣 #

# ##################### #

if(event_time >= current_sec && event_time < current_sec + 0.1) {

if(event_class == "d"){

drop_count++;

}

if(event_time >= current_sec + 0.1) {

print current_sec + 0.1, drop_count;

current_sec = current_sec + 0.1;

drop_count = 0;

if(event_class == "d") {

drop_count++;

}

END {

}

Step 3: 執行你的 AWK 程式來處理 ns2 的 trace 檔案。

- awk –f program_filename trace_filename > output_filename

Step 4: 繪製你要的圖表。

- 請參考本份文件的圖形繪製一節。

OTCL

N/A

OTCL/C++

N/A

圖形繪製

我們做完網路模擬後所產生出來的曲線檔案主要是讓我們能夠畫出 2D 曲線圖，以便觀察網路效能。因此，這個用來繪圖的曲線檔案其格式是由兩個欄位的資料列所組成的。其中第一欄是 X 軸的值，而第二個欄位則是 Y 軸的值。

事實上，可以利用這個曲線檔案來繪圖的工具包含了 XGRAPH、GNUPLOT、或是 MATLAB。但是，因為 XGRAPH 所繪製出來的圖形較不適合放在文章上，所以大部分的人都選用後兩者來產生需要的圖形。

GNUPLOT

N/A

MATLAB

N/A

如何讀入取線檔案

MATLAB 是一套強大的數值分析工具，然而卻沒有辦法直接讀入曲線檔案。然而，這對善於處理矩陣的 MATLAB 來說並不是一個很大的問題。下面這一個 m 檔案，可以讀入一個曲線檔案並回傳一個二維陣列，其中第一列是所有 X 軸的值，而第二列是所有 Y 軸的值：

function MyData = WTReadPlotFile(filename)

% %%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Program name: WTReadPlotFile.m

% Author: Wei-Tsung Su

% %%%%%%%%%%%%%%%%%%

fid = fopen(filename,'r');

MyData = fscanf(fid,'%g %g', [2, inf]);

fclose(fid);

接下來，你就可以利用 MATLAB 讀入取線檔案來產生圖形。

如何利用 WTReadPlotFile.m 來產生圖形

假設，你有兩個曲線檔案(1.result 以及 2.result)要畫在一同一張圖上，那麼下面這段 MATLAB 程式可以畫出所需要的圖形：

% Get Your Plot Data from Files %

plot1 = WTReadPlotFile('1.result');

plot2 = WTReadPlotFile('2.result');

% Plot Your Curves in one figure

plot(plot1(1,:),plot1(2,:),'-o',plot2(1,:),plot2(2,:),'-x');

% Define Labels

xlabel('Simulation Time (s)');

ylabel('Total Dropped Packet (Pkt)');

title('Total Dropped Packet');

legend('Method A','Method B');

那麼你就可以將兩個方法的曲線擺在一起比較。(關於詳細的 MATLAB 繪圖技巧，請參會相關資料。)

如何指定產生圖檔的 DPI 值

下面這個 MATLAB 指令可以將目前在 MATLAB 所產生出來的圖形轉成你想要的格式：

print -d(檔案格式[bmp | eps | tiff | ...]) -r(dpi值)

有線網路模擬

N/A

TCL語法

N/A

結果分析

N/A

Trace檔的內容

在完成模擬之後，ns2 會產生一個副檔名為 .tr 的 trace 檔案，該檔案詳細紀錄了封包在網路上傳送的過程。這個檔案可以提供給使用者作為事後分析(post analysis)用途之用。ns2 的有線網路 trace 檔是一個由 12 個欄位組成的資料列集合並依照 事件發生的時間 (第二個欄位) 排序。下面是一個有線網路的 trace 檔範例。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

r 1.995918 0 2 cbr 210 ------- 0 0.0 3.1 265 623

+ 1.995918 2 3 cbr 210 ------- 0 0.0 3.1 265 623

d 1.995918 2 3 cbr 210 ------- 0 0.0 3.1 265 623

r 1.996120 3 2 cbr 210 ------- 1 3.0 1.0 236 616

+ 1.996120 2 1 cbr 210 ------- 1 3.0 1.0 236 616

- 1.996120 2 1 cbr 210 ------- 1 3.0 1.0 236 616

下面是各個欄位的意義，

具備上述概念並搭配 AWK 程式，你就可以根據所需求撰寫 AWK 程式來觀測網路效能。

無線網路模擬

無線網路是目前相當熱門的研究主題，因此 ns2 當然不可能少了無線網路(主要是無線區域網路)的模擬。本節將利用一個簡單的範例來說明模擬無線網路的步驟。

TCL 語法

由於 ns2 也可以模擬包含了具有移動性質的 Ad Hoc 網路，因此一開始為了簡化說明，我們先假設節點不會移動然後再說明如何將移動的特性加入模擬中。

TCL 程式碼結構(假設節點不會移動)

我們用一個無線模擬 TCL 模版程式來介紹一個無線網路模擬的 TCL 程式碼可以被區分為如下幾個部分(你可以在最下方的檔案分享一節中下載這一個模版程式)：

1.實驗參數設定區

# ================ #

# 1.實驗參數設定區 #

# ================ #

# ============ #

# 1.A.節點參數 #

# ============ #

set val(rp) AODV ;# routing protocol (路由協定)

set val(ll) LL ;# link layer type

set val(mac) Mac/802_11 ;# MAC type (MAC協定)

set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# interface queue type

set val(ifqlen) 50 ;# max packet in ifq

set val(ant) Antenna/OmniAntenna ;# antenna model (天線模型)

set val(prop) Propagation/TwoRayGround ;# radio-propagation model

set val(netif) Phy/WirelessPhy ;# network interface type

set val(chan) Channel/WirelessChannel ;# channel type

set val(engmodel) EnergyModel ;# energy model

set val(initeng) 100.0 ;# initial energy in Joules

set val(txPower) 0.660 ;

set val(rxPower) 0.395 ;

set val(idlePower) 0.035 ;

set val(AgentTrace) OFF ;

set val(RouterTrace) OFF ;

set val(MacTrace) ON ;

set val(MovementTrace) OFF ;

# ============ #

# 1.B.模擬參數 #

# ============ #

set val(x) 100 ;# X dimension of topology (拓樸範圍:X軸)

set val(y) 100 ;# Y dimension of topology (拓樸範圍:Y軸)

set val(nn) 3 ;# number of mobilenodes (節點個數)

set val(seed) 0.0 ;

set val(stop) 10.0 ;# simulation time (模擬時間)

set val(tr) mytrace.tr ;# trace file name (trace檔名)

set val(namtr) mynamtrace.tr ;# nam trace file name (nam trace檔名)

set val(sc) "" ;# node movement model file (移動情境檔)

set val(cp) "" ;# traffic model file (訊流情境檔)

# ============================== #

# 1.C.元件參數設定(如果需要的話) #

# ============================== #

Antenna/OmniAntenna set X_ 0

Antenna/OmniAntenna set Y_ 0

Antenna/OmniAntenna set Z_ 1.5

Antenna/OmniAntenna set Gt_ 1.0

Antenna/OmniAntenna set Gr_ 1.0

2.ns2 模擬器變數設定區

# ======================================= #

# 2.ns2 模擬器變數設定區 (非必要不需變動) #

# ======================================= #

# Initialize Global Variables

set ns_ [new Simulator]

# Open trace file

$ns_ use-newtrace ;# Use new trace format

set namfd [open $val(namtr) w]

$ns_ namtrace-all-wireless $namfd $val(x) $val(y)

set tracefd [open $val(tr) w]

$ns_ trace-all $tracefd

# set up topography object

set topo [new Topography] ;# 紀錄 MobileNodes 在拓樸內移動的情況

$topo load_flatgrid $val(x) $val(y) ;# 給定拓樸的範圍

# create channel

set chan [new $val(chan)]

# Create God

set god_ [create-god $val(nn)]

3.節點產生區

# ============ #

# 3.節點產生區 #

# ============ #

# Create the specified number of mobile nodes [$val(nn)] and "attach" them to the channel.

# =========================== #

# 3.A.設定 Mobile node 的參數 #

# =========================== #

$ns_ node-config -adhocRouting $val(rp) \

-llType $val(ll) \

-macType $val(mac) \

-ifqType $val(ifq) \

-ifqLen $val(ifqlen) \

-antType $val(ant) \

-propType $val(prop) \

-phyType $val(netif) \

-channel $chan \

-topoInstance $topo \

-energyModel $val(engmodel) \

-initialEnergy $val(initeng) \

-rxPower $val(rxPower) \

-txPower $val(txPower) \

-idlePower $val(idlePower) \

-agentTrace $val(AgentTrace) \

-routerTrace $val(RouterTrace) \

-macTrace $val(MacTrace) \

-movementTrace $val(MovementTrace)

# ============ #

# 3.B.產生節點 #

# ============ #

for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} {

set node_($i) [$ns_ node]

$node_($i) random-motion 0 ;# disable random motion

$god_ new_node $node_($i) ;# if you want to use IsNeighbor, the mem func of God, just do so

}

# ========================== #

# 3.C.給定初始位置與移動情境 #

# ========================== #

$node_(0) set X_ 0

$node_(0) set Y_ 0

$node_(0) set Z_ 0

$ns_ initial_node_pos $node_(0) $val(nn)

$node_(1) set X_ 50

$node_(1) set Y_ 50

$node_(1) set Z_ 0

$ns_ initial_node_pos $node_(1) $val(nn)

$node_(2) set X_ 100

$node_(2) set Y_ 100

$node_(2) set Z_ 0

$ns_ initial_node_pos $node_(2) $val(nn)

4.訊流定義區

# ============ #

# 4.訊流定義區 #

# ============ #

# Flow 0: node(0) <- FTP/TCP -> node(2)

set tcp(0) [new Agent/TCP]

set sink(0) [new Agent/TCPSink]

$ns_ attach-agent $node_(0) $tcp(0)

$ns_ attach-agent $node_(2) $sink(0)

$ns_ connect $tcp(0) $sink(0)

$tcp(0) set fid_ 0

$tcp(0) set window_ 128

$tcp(0) set packetSize_ 512

set ftp(0) [new Application/FTP]

$ftp(0) attach-agent $tcp(0)

$ftp(0) set type_ FTP

$ns_ at 0.2 "$ftp(0) start"

# 以此類推

5.模擬時間設定區

此主要是設定模擬開始與結束時間。

# ================ #

# 5.模擬時間設定區 #

# ================ #

# Tell nodes when the simulation ends

# 設定節點模擬結束時間

for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} {

$ns_ at $val(stop) "$node_($i) reset";

}

$ns_ at $val(stop) "stop"

$ns_ at $val(stop) "puts \"NS EXITING...\"

$ns_ halt"

6.輔助函式定義區

此區可以定義一些在 TCL 程式中可能常會用到或是可以模組化的函式。

# ================ #

# 6.輔助函式定義區 #

# ================ #

proc stop {} {

global ns_ tracefd namfd

$ns_ flush-trace

close $tracefd

close $namfd

}

7.程式起始命令

# ============== #

# 7.程式起始命令 #

# ============== #

puts "Starting Simulation..."

$ns_ run

上面的範例的情境是 3 個不會移動的節點隨機分布在 100x100 的範圍中，而節點 0 和節點 2 之間有 FTP 訊流。其中，網路拓僕的建立是透過 AODV 路由協定所建構而成。那麼，如果要模擬一個真正的 Ad Hoc 網路(也就是節點會移動的情形)又該怎麼作呢？

加入移動情境

在 ns2 中有兩種模擬移動節點的模型 (model)，隨機移動模型 與 Random-Way Point 移動模型。我們將針對兩種模型來對上面的範例作修正。

隨機移動模型

在隨機移動模型，節點會從一個隨機位置開始並不斷的改變方向和速度(事實上，改變的幅度似乎不大)。你只需要執行一個步驟就可以完成隨機移動模型的模擬。

在產生節點的迴圈(3.B)中，將原本的 TCL 程式碼改成如下：

for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} {

set node_($i) [$ns_ node]

$node_($i) random-motion 1 ;# enable random motion

$node_($i) start

$god_ new_node $node_($i) ;# if you want to use IsNeighbor, the mem func of God, just do so

}

Random-Way Point 移動模型

還記得在上面的範例中，你必須透過下面的指令來設定節點的初始位置

$node set X_ <x1>

$node set Y_ <y1>

$node set Z_ <z1>

事實上，你還可以透過下面的指令來設定節點未來的位置(然而，這個指令再編寫此份文件的時候還沒有支援 y 軸的移動。)

# 節點 $node 在第 $time 秒以 $speed 速度移動到 <x2> <y2> 位置

$ns at $time $node setdest <x2> <y2> <speed>

事實上，透過上面這個指令，你可以隨心所欲的設定任何節點在任何時間應該移動到哪一個位置。然而，在 CMU 很貼心的寫了一個小程式讓你可以自動產生符合 Random-Way Point 移動模型並且是以上述指令所組成的移動情境檔案。你可以編譯在

~ns/indep-utils/cmu-scen-gen/setdest/

目錄下的程式碼以產生移動情境產生器(setdest)。你可以透過下面的指令來自動產生你所需要的移動情境：

./setdest -v 1 -n <num_of_nodes> -p <pausetime> -M <maxspeed> -t <simtime> -x <maxx> -y <maxy> > <outdir>/<scenario-file>

或是

./setdest -v 2 -n <num_of_nodes> -P <pausetype> -p <pausetime> -s <speedtype> -m <minspeed> -M <maxspeed> -t <simtime> -x <maxx> -y <maxy> > <outdir>/<scenario-file>

其中，第 2 版比第 1 版多了下列 3 個選項：

接著，只要簡單的兩個步驟就可以將移動情境加入模擬中，

第 1 步是在 TCL 程式中設定模擬器參數(1.B)時，將下列參數

set val(sc) "" ;# node movement model file

改成

set val(sc) "<outdir>/<scenario-file>" ;# node movement model file

第 2 步是在 TCL 程式中設定節點初始位置以及移動情境時，加入

source $val(sc)

那麼你就不需要另外撰寫 TCL 程式碼來設定每個節點的初始位置和移動情境。這樣是不是相當方便呢!

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