mô phỏng mạng manet

Đề tài “Mô phỏng mạng Manet” không nằm ngoài xu hướng phát triển chung đặc biệt khi ngày nay mạng không dây di động đang ngày càng tổ rõ đặc tính nổi bật của mình đó là khả năng cơ động

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ mạng Manet 8

Hình 1.2 Định tuyến Single-hop 9

Hình 1.3 Định tuyến Multi – hop 10

Hình 1.4 Định tuyến Multi – hop 11

Hình 1.5 Mô hình mạng phân cấp 12

Hình 1.6 Mô hình mạng Aggregate 12

Hình 2.7 Mô hình đơn giản của NS 14

Hình 2.8 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong Nam 16

Hình 2.9 Kiến trúc của NS-2 16

Hình 2.10 TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B 17

Hình 2.11 Giao diện đồ hoạ Nam 19

Hình 2.12 Cửa sổ Nam console 20

Hình 2.13 Cửa sổ minh họa Nam 21

Hình 2.14 Topology mạng đơn giản và kịch bản mô phỏng 22

Hình 2.15 Minh họa NAM cho kịch bản OTcl 26

Hình 2.16 Node unicast và node multicast 29

Hình 2.17 Biểu diễn link giữa 2 node 29

Hình 2.18 Giao diện đồ hoạ người dùng TraceGraph 37

Hình 2.19 Chèn đối tượng trace 37

Hình 3.20 Mô hình mạng MANET trong NAM 39

Hình 3.21 Mô hình mạng MANET trong NAM 42

Hình 3.22 Kết quả phân tích file.tr 43

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Khoa Công nghệ Thông tin trường Đại học Sư Phạm Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để em được học tập và tham gia làm khoá luận tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Tuấn Minh đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn

em trong quá trình làm khoá luận

Mặc dù em đã nỗ lực hoàn thành báo cáo khoá luận song vẫn không tránh khỏi thiếu sót kính mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 16/4/2008

Sinh viên: Ngô Thị Thu Hà

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng máy tính đang ngày càng phát triển không ngừng và trở niên tiện dùng kèm theo đó là tính phức tạp cồng kềnh không kém Các dự án nghiên cứu, xây dựng và phát triển các môi trường giả lập mạng chỉ mới đề cập và quan tâm đúng mức trong thời gian gần đây Muốn xây dựng các công cụ mạnh đáp ứng được nhu cầu phát triển của mạng thì cần có các công cụ hỗ trợ mạnh mẽ (như C++, Java )

Đề tài “Mô phỏng mạng Manet” không nằm ngoài xu hướng phát triển chung đặc biệt khi ngày nay mạng không dây di động đang ngày càng tổ rõ đặc tính nổi bật của mình đó là khả năng cơ động cao, có thể di chuyển một cách tuỳ ý mà vẫn có thể truy cập mạng và trao đổi dữ liệu với nhau…

Đề tài có ý nghĩa thiết thực trong việc nghiên cứu và phát triển các môi trường giả lập mạng, đồng thời xây dựng nên một cơ sở nền tảng lý thuyết về xây dựng môi trường và các công cụ giả lập mạng

Chương 1 Giới thiệu về mạng Manet

1.1 Khái niệm mạng Manet

Khái niệm

Manet ( Mobile Ad-hoc Network) - Mạng không dây di động Theo định nghĩa của Tổ chức Internet Engineering Task Force (IETF)- Mạng Manet là một vùng tự trị ( Autômmous System) của các router (đó chính là các node) được kết nối với nhau bằng liên kết không dây, các node có thể di chuyển một cách tự do nên kiến trúc của mạng thay đổi liên tục mà không thể dự đoán trước

Đặc điểm

Mạng Manet có các đặc điểm chính sau:

 Mạng Manet là tập hợp các mobile node trong một mạng có tính chất tạm thời không có sự quản lý của các nhà quản trị Mô hình này gồm hai hay nhiều wireless mobile kết nối với nhau theo mô hình mạng ngang hàng (peer – to – peer) các node có vai trò như nhau, có thể kết nối vời nhau và không cần đến

cơ sở hạ tầng của các mạng trước đó Các node trong mạng này còn đóng vai trò như là các router có khả năng tìm kiếm, duy trì và định tuyến các gói dữ liệu cho các node nằm trong vùng phát sóng của nó

 Mạng Mobilet Ad-hoc Network là một mạng tạm thời

 Không có central server (Máy phục vụ trung tâm)

Hình 1.1 Biểu đồ mạng Manet

1.2 Phân loại mạng Manet

Phân loại mạng Manet theo cách thức định tuyến

Theo tiêu chí phân loại là cách thức định tuyến, mạng Manet được chia thành hai kiểu là Single-hop và multi-hop

1.2.1.1 Single-hop

Đây là loại mô hình mạng Ad-hoc đơn giản nhất Ở đó tất cả các node đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng (các node có thể kết nối trực tiếp với các node khác mà không cần phải qua node trung gian) Một số đặc điểm của mạng Manet kiểu single-hop là:

 Thường có 7 tần số được dùng lại

 Mỗi node gần nhau thường có tần số khác nhau

 Trong mỗi node những đường đơn chuyên dụng được sử dụng để chỉ dẫn sự chuyển động của node đó

Wired internet

MN3 MN4

BS

Hình 1.3 Định tuyến Multi – hop

Các node có thể định tuyến đến node khác thông qua các node trung gian trong mạng

 Sử dụng giao thức chung Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) class of protocols

 802.11 DCF (Distributed Coordination Function) protocol là rất hiệu quả Đây là một CSMA/CA thực sự

Hình 1.4 Định tuyến Multi – hop

Như vậy Lợi ích của Multi-hop so với Single-hop là hơn hẳn về:

+ Sự thiết thực và tính mạnh mẽ

+ Giá trị bandwidth cao hơn

Phân loại Manet theo chức năng của Node

1.2.1.3 Mạng Manet đẳng cấp

Trong kiến trúc mạng Manet đẳng cấp (Flat) này tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau (peer-to-peer) và các node cũng đóng vai trò như các router dùng để định tuyến các gói dữ liệu truyền trên mạng

1.2.1.4 Mạng Manet phân cấp

Mạng Manet phân cấp (Hierarchical) là mô hình mạng được sử dụng phổ biến nhất trong mạng Manet.Mạng chia làm các domain, trong mỗi domain bao gồm một hoạc nhiều cluster với mỗi cluster bao gồm môt hoặc nhiều node Có 2 loại node:

 Master node: Là node quản trị một cluster và có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của

các node trong cluster đến các node trong các cluster khác và ngược lại

 Normal node: Là các node nằm trong cùng một cluster và chỉ có thể kết nối

với các node trong cùng một cluster hoặc kết nối với các node trong các

cluster khác thông qua master node

M

N

1

M N 2

M N 3

M

N

4

B S

M N 5

M N 6

M N 7

M N 8

B S Wired link

Hình 1.5 Mô hình mạng phân cấpVới cơ chế trên, mạng sử dụng tài nguyên băng thông mạng hiệu quả hơn vì các message điều khiển chỉ phải truyền trong một cluster Tuy nhiên việc quản lý tính chuyển động của các node trở nên phức tạp hơn Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp.

1.2.1.5 Mạng Manet kết hợp (Aggregate)

Trong kiến trúc mạng này, mạng phân thành các zone và các node được chia vào trong các zone Nên mỗi node bao gồm hai mức topo (topology) là topo mức thấp và topo mức cao Ngoài ra, mỗi node còn đặc trưng bởi hai số ID là node ID và zone ID Trong một zone có thể áp dụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp

Mạng máy tính ra đời đã làm cho mọi việc trở lên đơn giản, thuận tiện và hiệu quả hơn, giúp chúng ta chia sẻ thông tin, chia sẻ dữ liệu thuận tiện Mạng máy tính có dây ra đời đã từ lâu và nó đã chứng tỏ được vai trò và công dụng lớn trong việc góp phần phát triển xã hội

Ngày nay khoa học kỹ thuật và công nghệ phát triển mạnh mẽ Những thiết bị

di động như laptop, PDA…xuất hiện phổ biến trong thị trường, đời sống mạng có dây không thể đáp ứng hết tất cả các công dụng của những thiết bị tiên tiến, hiện đại, tiện

nghi trên.Vì thế mạng không dây đã ra đời giúp cho các thiết bị di động được sử dụng một cách hiệu quả, thuận tiện hơn vì những đặc tính nổi bật của mạng không dây.

 Hệ thống mạng không dây có khả năng cơ động cao, các thiết bị có thể di chuyển một cách tuỳ ý mà vẫn có thể truy cập mạng và có thể trao đổi dữ liệu với nhau

 Mạng không dây tỏ rõ ưu thế trong những trường hợp như: hội nghị, hội thảo, hội chợ thương mại, truy cập internet ở những nơi công cộng… thuận tiện cho người sử dụng

 Mạng không dây không phụ thuộc vào vị trí địa hình nên rất dễ dạng triển khai lắp đặt. MANET có thể đáp ứng tại những vùng có thiên tai như lũ lụt, động đất, hay tại những nơi tập trung với một lượng lớn người không dự đoán

trước những nơi khó hoặc không cần thiết phải triển khai một xây dựng cơ

sở hạ tầng viễn thông phức tạp và tốn kém

Tuy mạng không dây vẫn còn một số hạn chế về giá cả cũng như về mặt kỹ thuật Song với xu thế phát triển của khoa học công nghệ mạng không dây sẽ càng trở nên phổ biến hơn

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 mền mã nguồn mở có thể chạy được trong môi trường Linux và Window

2.1.2 Kiến trúc của NS2

NS thực thi các giao thức mạng như giao thức điều khiển truyền tải (TCP) và thức gói thường dùng (UDP), các dịch vụ nguồn lưu lượng như giao thức truyền tập tin (FTP), tốc độ bit cố định (CBR) và tốc độ bit thay đổi (VBR)

Các kỹ thuật quản lý hàng đợi như Vào trước Ra trước (Drop Tail), Dò sớm ngẫu nhiên (RED) và CBQ, các thuật toán định tuyến như Dijkstra…NS cũng thực thi multicasting và vài giao thức lớp Điều khiển truy cập đường truyền (MAC) đối với mô phỏng LAN

Otcl Kịch bản OTcl

Simulation Program Chương trình Mô phỏng

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 modun Trợ giúp Thiết lập mạng

Plumbling Modules Các modun Plumbling

Simulation Results Các kết quả Mô phỏng

 Các modun trợ giúp thiết lập mạng (modun Plumbing)

Để sử dụng NS-2, user lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl User có thể thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tượng mới trong OTcl Những lớp này khi đó sẽ được biên dịch cùng với mã nguồn gốc

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

Bộ lập lịch sự kiện trong NS2 thực hiện những việc sau:

 Tổ chức bộ định thời mô phỏng

 Hủy 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

 File name 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

Hình 2.8 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NamTrong mô phỏng mạng dùng NS2 ta sử dụng:

 NAM Visual Simulation: Mô phỏng ảo NAM

 Tracing and Monitoring Simulation: Mô phỏng lần vết và Giám sát

Tcl OTcl TclCL

C/C++

Hình 2.9 Kiến trúc của NS-2Hình trên biểu diễn kiến trúc 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 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

 NS sử dụng hai ngôn ngữ lập trình: Ngôn ngữ kịch bản OTcl và ngôn ngữ lập trình hệ thống 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 2.10 TclCL hoạt động như liên kết giữa A và BTclCL 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

NS phải sử dụng đến 2 ngôn ngữ vì Bộ mô phỏng cần thực hiện hai việc khác nhau:

 Việc 1: Các mô phỏng cho các giao thức yêu cầu một ngôn ngữ lập trình hệ thống có thể tính toán 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

 Việc 2: Khi nghiên cứu mạng thì rất cần quan tâm đến các tham số và 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 thay 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

Vì thế mà dùng C++ để:

 Mô phỏng giao thức chi tiết theo 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

 Thực hiện bất kỳ việc gì mà cần phải xử lý từng packet của một luồng

 Thay đổi hành vi của lớp C++ đang tồn tại theo những hướng đã không được lường trước.

NS-2 thực thi những tính năng sau:

 Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ

 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

2.1.4 Giới thiệu phần mền Nam dùng kết hợp với NS-2

Các tính năng của Nam

 Cung cấp trình diễn ảo cho mạng đã được tạo

 Cung cấp giao diện rê và thả cho việc tạo ra các topoloty

Các chức năng của Nam trong giao diện đồ họa người dùng

 Cửa sổ Nam Console: Sau khi khởi động Nam, cửa sổ Nam console xuất hiện Trong cửa sổ Nam Console có hai menu chính‘File’và ‘Help’

• Trong menu File có:

New: Tạo mới một topology ns dùng chương trình soạn thảo NamOpen: Mở các file trace đã tồn tại (mở cửa sổ minh họa Nam)WinList: Mở cửa sổ liệt kê tên của tất cả các file trace đang mở

Quit: Thoát khỏi Nam

• Trong menu Help: Các trợ giúp đơn giản, xem phiên bản, thông tin về bản quyền

 Cửa sổ minh họa Nam: Khi một file trace được tải vào Nam (File/Open) thì cửa sổ minh họa Nam xuất hiện Giao diện chính có Menu File, Views,

Analysis

Hình 2.13 Cửa sổ minh họa Nam

2.2 Sử dụng OTCL SCRIPT để viết các kịch bản mô

phỏng mạng trong NS-2

2.2.1 Tổng quan về OTCL SCRIPT

NS là trình biên dịch OTcl với các thư viện đối tượng mô phỏng mạng Ví dụ sau giúp chúng ta tiếp cận với Otcl

Chạy ví dụ này bằng cách gõ lệnh “ns ns-simple.tcl”

Hình 2.14 Topology mạng đơn giản và kịch bản mô phỏng

Mạng trên gồm 4 node (n0, n1, n2, n3) Duplex-link (liên kết truyền dữ liệu hai chiều diễn ra đồng thời) giữa node n0 và n2, n1 và n2 có bandwith= 2Mbps,

delay=10ms Duplex-link giữa n2 và n3 có bandwidth=1.7Mbps, và delay=20ms Các node dùng hàng đợi DropTail, maxsize=10

Agent “tcp” gắn với n0 và agent “sink” gắn với n3 Agent “tcp” có thể tạo packet với maxsize=1 Kbyte Agent tcp “sink” tạo và gửi packet dạng ACK cho sender (sender là agent gửi packet đi) và giải phóng packet nhận được Agent “udp” gắn với n1 sẽ kết nối với agent “null” gắn với n3 Agent “null” chỉ giải phóng packet đã nhận được Bộ khởi tạo lưu lượng “ftp” và “cbr” tương ứng được gắn vào agent “tcp” và

“udp” “cbr” được cấu hình để tạo ra packet 1 Kbyte tại tốc độ 1 Mbps “cbr” được thiết lập cho start bắt đầu tại thời điểm 0.1 giây và kết thúc tại thời điểm 4.5 giây, “ ftp” bắt đầu lúc 1.0 giây và kết thúc lúc 4.0 giây

#Create a simulator object

set ns [new Simulator]

#Define different colors for data flows (for NAM)

$ns color 1 Blue

$ns color 2 Red

#Open the NAM trace file

set nf [open out.nam w]

$ns namtrace-all $nf

#Define a 'finish' procedure

#Execute NAM on the trace file

exec nam out.nam &

#Give node position (for NAM)

$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

#Monitor the queue for link (n2-n3) (for NAM)

#Setup a FTP over TCP connection

set ftp [new Application/FTP]

$ftp attach-agent $tcp

$ftp set type_ FTP

#Setup a UDP connection

set udp [new Agent/UDP]

$ns attach-agent $n1 $udp

set null [new Agent/Null]

$ns attach-agent $n3 $null

$ns connect $udp $null

$udp set fid_ 2

#Setup a CBR over UDP connection

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

#Schedule events for the CBR and FTP agents

$ns at 0.1 "$cbr start"

$ns at 1.0 "$ftp start"

$ns at 4.0 "$ftp stop"

$ns at 4.5 "$cbr stop"

#Detach tcp and sink agents (not really necessary)

$ns at 4.5 "$ns detach-agent $n0 $tcp ; $ns detach-agent $n3 $sink"

#Call the finish procedure after 5 seconds of simulation time

$ns at 5.0 "finish"

#Print CBR packet size and interval

puts "CBR packet size = [$cbr set packet_size_]"

puts "CBR interval = [$cbr set interval_]"

#Run the simulation

$ns run

Kết quả của kịch bản trên

Hình 2.15 Minh họa NAM cho kịch bản OTclĐầu tiên là quá trình thiết lập mạng cơ bản NS Script bắt đầu bằng việc tạo ra một instance cho đối tượng Simulator ( đối tượng mô phỏng).

 set ns [new Simulator] :

Tạo instance của Simulator, gán vào biến ns Dòng này sẽ thực hiện lệnh

 Khởi tạo định dạng packet

 Tạo bộ lập lịch ( mặc định là Calender scheduler – Bộ lập lịch thời gian).Đối tượng “ Simulator” có các hàm thành viên thực hiện những việc sau

 Tạo đối tượng ghép như các node và các link

Connect (nối) các đối tượng thành phần mạng đã được tạo lại với nhau ( ví

 Xác định tuyến tùy chọn trình diễn Nam

Hầu hết các hàm thành viên dùng cho mục đích thiết lập mô phỏng ( được đề cập đến như các hàm plumbing) và cho mục địch lập lịch Tuy nhiên cũng có những

hàm cho việc trình diễn bằng Nam Các thực thi cho các hàm thành viên của đối tượng

“Simulator” được định vị trong file “ns-2/tcl/lib.ns-lib.tcl”

 $ns color fid color:

Gán màu các packet cho luồng có mã nhận dạng luồng

fid Hàm thành viên này của đối tượng Simulator được dùng cho việc trình diễn NAM, và không có tác dụng gì trên mô phỏng thực tế.

 $ns namtrace-allfile-descriptor:

Hàm thành viên này yêu cầu mô phỏng lưu lại các dấu vết mô phỏng vào trong định dạng đầu vào cho NAM Đồng thời có thể cung cấp tên file mà trace ( dấu vết) sẽ được ghi vào bằng lệnh $ns flush-trace tương tự, hàm thành viên trace-all dùng lưu trace theo định tuyến dạng chung

 $ns duplex-link node1 node2 bandwidth delay queue-type:

Tạo 2 simplex link (liên kết đơn) với bandwidth và delay xác định tuyến, nối hai node xác định lại với nhau Trong NS, hàng đợi đầu ra của node được thực thi như một phần của link, vì vậy user nên xác định luôn queue-type khi khởi tạo link Giống như node, link là đối tượng ghép, user có thể tạo và nối các link với các node Mã nguồn link được tìm trong file ““C:\cygwin\usr\local\ns-allinone-2.29.3\ns-allinone-2.29\ns-2.29\tcl\lib\ ns-lib.tcl” và “C:\cygwin\usr\local\ns-allinone-2.29.3\ns-allinone-2.29\ns-2.29\tcl\lib\ ns-link.tcl”

Xác định giới hạn hàng đợi của hai simplex link kết nối node1 và node2 với nhau

 $ns duplex-link-op $n0 $n2 orient right-down:

Dùng cho Nam

Quá trình tiếp theo là thiết lập các agent như FTP, CBR, connect các agent với các node và connect các nguồn traffic với các agent

 set tcp [new Agent/TCP]:

Lệnh tạo ra một agent TCP và đây cũng là cách để tạo ra bất kỳ agent hay nguồn traffic nào Các agent và các nguồn traffic chứa trong các đối tượng cơ bản thực