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Simulador ns2. Principios básicos.

Probablemente NS2 es el simulador de redes open source más extendido tanto en investigación como para propósitos docentes, en esta receta vamos a aprender a instalarlo y a simular un escenario para MANET's muy simple.

Introducción

Entre los usos más habituales que les puedes dar a este tipo de simuladores se encuentran:
  • Simular estructuras y protocolos de redes de todo tipo (satélite, wireless, cableadas, etc..)
  • Desarrollar nuevos protocolos y algoritmos y comprobar su funcionamiento.
  • Comparar distintos protocolos en cuanto a prestaciones.

Instalación

En la web del proyecto nos podemos encontrar todo lo necesario para instalarlo. Desde el 2005 los distintos módulos y el propio simulador han sido licenciados con una colección de licencias "GNU GPL compatible". La opción mas sencilla para instalarlo es bajarse el paquete "todo en uno" que contiene todas las versiones de las librerias que necesita. Este tgz puedes bajártelo de aqui (la actual versión es la ns2.29 y son 68 Megas). No obstante, puedes obtener las librerías y el propio simulador por separado en la página web de descarga e intentar instalar solamente aquellas partes que te falten o en las que estes interesado. La forma mas simple, como ya hemos dicho es bajarse el paquete "todo en uno". Una vez bajado el paquete lo descomprimimos: 
$ tar xvzf ns-allinone-2.29.2.tar.gz
se nos crea un directorio denominado ns-allinone-2.29 dónde encontraremos un script "install" que debemos ejecutar para compilar e instalar el simulador y sus herramientas asociadas. 
$ ls
bin   gt-itm   install        lib  nam-1.11  otcl-1.11  sgb        tclcl-1.17  xgraph-12.1
cweb  include  INSTALL.WIN32  man  ns-2.29   README     tcl8.4.11  tk8.4.11    zlib-1.2.3
Es necesario resaltar dos herramientas (aparte del propio simulador ns que se encuentra en el directorio ns-2.29):
  • nam: herramienta que se utiliza para visualizar de forma gráfica nuestras simulaciones.
  • xgraph que sirve para realizar gráficas a partir de los datos de la simulación. No coje el archivo de salida del simulador directamente sino que se tienen que generar archivos adicionales mediante scripts.
Puedes compilar cada uno de los paquetes por separado introduciendote en su directorio y ejecutando el configure para realizar a continuación el make correspondiente. 
Un aspecto importante es que debe ser compilado con el g++2.95 ya que con versiones posteriores da errores al compilar.
Una vez compilado el programa tenemos un ejecutable denominado ns. Para comprobar que el simulador se ha compilado de forma correcta debemos validarlos con los ejemplos y sus salidas que nos bienen con el propio simulador, para lo cual existe una serie de scripts que comienzan con la palabra validate y que permiten validar todos los ejemplos o solamente parte de ellos. Estos tests tambien son una buena fuente de ejemplos para aprender a usar el simulador ns.

Uso básico de ns2

El uso básico del simulador ns2 es bastante simple, se crea un archivo dónde le decimos qué queremos simular (topología, nodos, movimientos, tráfico, etc..) y se lo pasamos como parámetro al simulador, este genera una traza de todos los eventos que se han generado durante la simulación. El archivo de configuración es un script realizado en TCL y la salida es un archivo de texto (generalmente con extensión .tr), adicionalmente le podemos indicar que nos genere tambien un archivo para el visor gráfico nam o generar archivos adicionales para visualizar en el xgraph. Por ejemplo, una ejecución básica (mi simulador ha sido instalado en ./original/ns-allinone-2.29/ns-2.29/) sería: 
$ ls
basico.tcl  escenarios  modificado  original  scripts
$./original/ns-allinone-2.29/ns-2.29/ns basico.tcl
num_nodes is set 5
warning: Please use -channel as shown in tcl/ex/wireless-mitf.tcl
INITIALIZE THE LIST xListHead
Starting Simulation...
channel.cc:sendUp - Calc highestAntennaZ_ and distCST_
highestAntennaZ_ = 1.5,  distCST_ = 422.8
SORTING LISTS ...DONE!
NS EXITING...
$ ls
basico1-out.nam  basico1-out.tr  basico.tcl  escenarios modificado original scripts
Podemos ver que nos ha generado los archivos basico1-out.nam basico1-out.tr de las salidas del simulador. Vamos a describir ahora el ejemplo basico.tcl paso a paso explicando que es cada uno de los elementos que lo conforman. Para las distintos valores que pueden tomar las variables lo mejor es echar un vistazo a la documentación del propio simulador. Nuestro ejemplo básico es una simulación de cinco nodos wireless estáticos (se les puede añadir movimiento): veamos pues las distintas partes del archivo (los que sepan TCL supongo que la mayoría de los comentarios les parecerán obvios). Primero se definen las variables que luego usaremos en la configuración de los nodos que podemos identificar con los elementos físicos que vamos a simular. 
NOTA: El fichero básico.tcl es una recopilación desde distintos ejemplos creados por otros autores

# ======================================================================
# Define options
# ======================================================================
set val(chan)           Channel/WirelessChannel    ;# channel type
set val(prop)           Propagation/TwoRayGround   ;# radio-propagation model
set val(netif)          Phy/WirelessPhy            ;# network interface type
set val(mac)            Mac/802_11                 ;# MAC type
set val(ifq)            Queue/DropTail/PriQueue    ;# interface queue type
set val(ll)             LL                         ;# link layer type
set val(ant)            Antenna/OmniAntenna        ;# antenna model
set val(ifqlen)         50                         ;# max packet in ifq
set val(nn)             5                          ;# number of mobilenodes
set val(rp)             AODV                       ;# routing protocol
set val(x)              670   ;# X dimension of the topography
set val(y)              670   ;# Y dimension of the topography
set val(seed)           0.0
# Energy options
set val(engmodel)       EnergyModel
set val(txPower)        1.4               ;# transmitting power in mW
set val(rxPower)        0.9               ;# recving power in mW
set val(sensePower)     0.00000175;         ;# sensing power in mW
set val(idlePower)      0.0                 ;# idle power in mW
set val(initeng)        75                 ;# Initial energy in Joules
A continuación definimos las características de la antena que queremos añadir a cada nodo. Estos valores en concreto pertenecen a una tarjeta Lucent Orinoco. 
# ======================================================================
# Main Program
# ======================================================================
# Initialize the SharedMedia interface with parameters to make
# it work like the 2.4GMHz Lucent Orinoco WaveLAN DSSS radio interface (11 Mb/s and 170 m)
Phy/WirelessPhy set CPThresh_ 10.0
Phy/WirelessPhy set CSThresh_ 5.011872e-12
Phy/WirelessPhy set RXThresh_ 1.02054e-10
Phy/WirelessPhy set Rb_ 11*1e6
Phy/WirelessPhy set Pt_ 0.031622777
Phy/WirelessPhy set freq_ 2.472e9
Phy/WirelessPhy set L_ 1.0
Por último en cuanto a configuración de parámetros establecemos el ancho de banda a utilizar: 
# Setting the bandwidth to 11 Mbps
Mac/802_11 set dataRate_ 11Mb
Mac/802_11 set basicRate 11Mb
Lo siguiente es crear una instancia del simulador e indicar al simulador dónde tiene que guardar los eventos de traza y del nam respectivamente. 
#
# Initialize Global Variables
#
set ns_         [new Simulator]
set tracefd     [open basico1-out.tr w]
set namtrace    [open basico1-out.nam w]
$ns_ trace-all $tracefd
$ns_ namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y)
a continuación, definimos la topología con las constantes que hemos declarado al principio del archivo, creamos el objeto que va a simular todos los eventos (god) y le indicamos que vamos a usar el nuevo formato de traza. 
# set up topography object
set topo       [new Topography]
$topo load_flatgrid $val(x) $val(y)
#
# Create God
#
create-god $val(nn)
#Usamos el nuevo formato de traza
$ns_ use-newtrace
A partir de aquí vamos a definir los nodos y su configuración, como podemos ver creamos una configuración y a continuación creamos 4 nodos con esa configuración con un bucle for. 
#configure node
$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) \
                         -channelType $val(chan) \
                         -topoInstance $topo \
                         -agentTrace ON \
                         -routerTrace ON \
                         -macTrace OFF \
                         -movementTrace OFF \
                         -energyModel $val(engmodel)\
                         -rxPower $val(rxPower) \
                         -txPower $val(txPower) \
                         -sensePower $val(sensePower) \
                         -idlePower $val(idlePower) \
                         -initialEnergy $val(initeng)
for {set i 0} {$i < 4} {incr i} {
     set node_($i) [$ns_ node]
     $node_($i) random-motion 0         ;# disable random motion
}
Si queremos crear una configuración distinta para un determinado nodo, pues determinamos los nuevos valores (en este ejemplo solo cambiamos la energía inicial del nodo) y definimos los nodos a continuación (en nuestro caso el quinto nodo que nos faltaba). 
$ns_ node-config -initialEnergy 5
set node_(4) [$ns_ node]
$node_(4) random-motion 0
Ya tenemos los nodos, ahora nos falta posicionarlos en el entorno a simular, debemos proporcionar las coordenadas x y z para cada uno de los nodos creados. 
#
# Provide initial (X,Y, for now Z=0) co-ordinates for mobilenodes
#
$node_(0) set X_ 25.0
$node_(0) set Y_ 275.0
$node_(0) set Z_ 0.0
$node_(1) set X_ 250.0
$node_(1) set Y_ 300.0
$node_(1) set Z_ 0.0
$node_(2) set X_ 75.0
$node_(2) set Y_ 125.0
$node_(2) set Z_ 0.0
$node_(4) set X_ 125.0
$node_(4) set Y_ 375.0
$node_(4) set Z_ 0.0
$node_(3) set X_ 225.0
$node_(3) set Y_ 150.0
$node_(3) set Z_ 0.0
Teniendo los nodos posicionados, configurados y con las antenas configuradas solamente nos queda generar tráfico para ver como se nos comporta nuestro escenario. ns2 denomina agentes a los objetos encargados de generar tráfico (de muy distinta índole) de uno a otro. Para ello, creamos el agente y lo "adosamos" a un nodo mientras que creamos otro agente y lo "adosamos" al destino. Finalmente conectamos los dos agentes para indicarles que el tráfico que genera uno va a ir destinado al segundo. 
set tcp [new Agent/TCP]
$tcp set class_ 2
set sink [new Agent/TCPSink]
$ns_ attach-agent $node_(0) $tcp
$ns_ attach-agent $node_(1) $sink
$ns_ connect $tcp $sink
Estos agentes siguen la pila de protocolos, es decir, si quieres crear un agente ftp sobre tcp, debes crear primero el agente tcp y luego asociar el agente ftp a dicho agente tcp. A continuación le indicamos al dicho agente el tiempo en el cual debe generar tráfico mediante el comando start y stop. 
set ftp [new Application/FTP]
$ftp attach-agent $tcp
$ns_ at 1.0 "$ftp start"
$ns_ at 4.0 "$ftp stop"
#$ns_ at 20.0 "$ftp start"
#$ns_ at 28.0 "$ftp stop"
Ya queda poco, un aspecto interesante si queremos visualizar la simulación en el nam es indicarle el tamaño de dichos nodos en la representación gráfica. 
#define el tamaño del nodo en el nam, si no pones esto no aparece nada en el nam
for {set i 0} {$i < $val(nn)} {incr i} {
# 20 defines the node size in nam, must adjust it according to your scenario
# The function must be called after mobility model is defined
$ns_ initial_node_pos $node_($i) 20
}
Como penúltimo paso indicamos cuando se debe detener la simulación tanto al propio simulador como a los nodos. 
#
# Tell nodes when the simulation ends
#
for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} {
    $ns_ at 250.0 "$node_($i) reset";
}
$ns_ at 35.0 "stop"
$ns_ at 35.01 "puts \"NS EXITING...\" ; $ns_ halt"
proc stop {} {
    global ns_ tracefd
    $ns_ flush-trace
    close $tracefd
}
Para finalizar, comenzamos la simulación. 
 puts "Starting Simulation..."
$ns_ run
Si juntamos todo en un archivo denominado "basico.ns2" y simulamos, tendremos la simulación en los archivos .tr y .nam que le hemos indicado anteriormente. 
 ns basico.ns2
Interpretar los resultados sin herramientas de ayuda es un poco lioso, una descripción de el significado de cada una de las lineas de salida la podeis encontrar aqui Las posibilidades para simular topologías, configuraciones, antenas, algoritmos de enrutado, tecnologías (bluetooth, wimax, wifi, etc.) son infinitas. En cuanto aprenda como poner imágenes, pongo algún pantallazo del nam.

Algunos enlaces útiles

--------------------------------------- felixjesus.villanueva(la arroba)uclm.es Mi web
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