Simulación NS-3

Para realizar la simulación lo que utilice es ns-3, es un simulador de redes que se basa en eventos discretos, se pueden simular protocolos unicast y multicast, se utiliza mucho en la investigación de redes móviles ad-hoc. Implementa muchos protocolos tanto de redes alámbricas como inalámbricas , la versión que yo uso la ns-3 se usa para soportar el flujo de trabajo de una simulación desde configuración hasta recolección y análisis de tramas.

La finalidad de esta entrada es diseñar y ejecutar una simulación de prueba, además incluir algunas medidas de desempeño.
Lo importante es que haya nodos, tráfico y algunas medidas de desempeño. Lo primero que yo hice es comenzar a correr los ejemplos que ya vienen, es difícil ya que todos están C++ y no hay una API completa de Python, entonces hay que investigar bastante.

Yo diseñé la siguiente red:

Lo primero que se hace es crear los nodos, yo cree los nodos de las terminales en un arreglo, luego los de los switches. Después se tenía que definir los links y marcar los nodos que de hicieron con la finalidad de ser switches como tales. Aquí la parte del código:

	print "Crea nodos"
	terminals = ns.network.NodeContainer()
	terminals.Create(5)
	csmaSwitch = ns.network.NodeContainer()
	csmaSwitch.Create(1)
	csmaSwitch2 = ns.network.NodeContainer()
	csmaSwitch2.Create(1)
	print "Construye la topologia"
	csma = ns.csma.CsmaHelper()
	csma.SetChannelAttribute("DataRate", ns.network.DataRateValue(ns.network.DataRate(5000000)))
	csma.SetChannelAttribute("Delay", ns.core.TimeValue(ns.core.MilliSeconds(2)))
	# Crea los links de cada terminal al switch
	terminalDevices = ns.network.NetDeviceContainer()
	switchDevices = ns.network.NetDeviceContainer()
	switchDevices2 = ns.network.NetDeviceContainer()
	#se unen los cuatro nodos al primer switch
	for i in range(4):
	link = csma.Install(ns.network.NodeContainer(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(i)), csmaSwitch))
	terminalDevices.Add(link.Get(0))
	switchDevices.Add(link.Get(1))
	#se une un nodo al segundo switch
	link = csma.Install(ns.network.NodeContainer(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(2)), csmaSwitch2))
	terminalDevices.Add(link.Get(0))
	switchDevices2.Add(link.Get(1))
	link = csma.Install(ns.network.NodeContainer(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(4)), csmaSwitch2))
	terminalDevices.Add(link.Get(0))
	switchDevices2.Add(link.Get(1))
	#se crean los puentes para enviar los paquetes
	switchNode = csmaSwitch.Get(0)
	bridgeDevice = ns.bridge.BridgeNetDevice()
	switchNode.AddDevice(bridgeDevice)
	switchNode2 = csmaSwitch2.Get(0)
	bridgeDevice2 = ns.bridge.BridgeNetDevice()
	switchNode2.AddDevice(bridgeDevice2)
	for portIter in range(switchDevices.GetN()):
	bridgeDevice.AddBridgePort(switchDevices.Get(portIter))
	for portIter in range(switchDevices2.GetN()):
	bridgeDevice2.AddBridgePort(switchDevices2.Get(portIter))

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Despues se asignan las direcciones IP a las terminales:

	# se agrega el internet a las terminales
	internet = ns.internet.InternetStackHelper()
	internet.Install(terminals)
	# Se agregan las direcciones iP
	print "Se asignan direcciones IP"
	ipv4 = ns.internet.Ipv4AddressHelper()
	ipv4.SetBase(ns.network.Ipv4Address("10.1.1.0"), ns.network.Ipv4Mask("255.255.255.0"))
	ipv4.Assign(terminalDevices)

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Enseguida se empieza a agregar el tráfico, en esta parte del código muestro como se envían datos del nodo 0 al 1, ademas de indicar que es UDP:

	print "Create Applications."
	port = 9
	onoff = ns.applications.OnOffHelper("ns3::UdpSocketFactory",
	ns.network.Address(ns.network.InetSocketAddress(ns.network.Ipv4Address("10.1.1.2"), port)))
	onoff.SetConstantRate (ns.network.DataRate ("500kb/s"))
	app = onoff.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(0)))
	# empieza la aplicacion
	app.Start(ns.core.Seconds(1.0))
	sink = ns.applications.PacketSinkHelper("ns3::UdpSocketFactory",
	ns.network.Address(ns.network.InetSocketAddress(ns.network.Ipv4Address.GetAny(), port)))
	app = sink.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(1)))
	app.Start(ns.core.Seconds(0.0))

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En donde se estableció la velocidad de transferencia en 500kb/s y se establece la dirección IP del destino en este caso 10.1.1.2 corresponde al nodo 1.

En las demás transferencias también se establecieron cada una de esas características, aquí esta el resto de los nodos en los que varié la velocidad de transferencia:

	# se envian paquetes del nodo 3 al 0
	onoff.SetConstantRate (ns.network.DataRate ("100kb/s"))
	onoff.SetAttribute("Remote",
	ns.network.AddressValue(ns.network.InetSocketAddress(ns.network.Ipv4Address("10.1.1.1"), port)))
	app = onoff.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(3)))
	app.Start(ns.core.Seconds(1.1))
	app = sink.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(0)))
	app.Start(ns.core.Seconds(2.0))
	#se envian paquetes del nodo 2 al 4
	onoff.SetConstantRate (ns.network.DataRate ("300kb/s"))
	onoff.SetAttribute("Remote",
	ns.network.AddressValue(ns.network.InetSocketAddress(ns.network.Ipv4Address("10.1.1.6"), port)))
	app = onoff.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(2)))
	app.Start(ns.core.Seconds(1.1))
	app = sink.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(4)))
	app.Start(ns.core.Seconds(0.0))
	#se envian paquetes del nodo 1 al 2
	onoff.SetConstantRate (ns.network.DataRate ("160kb/s"))
	onoff.SetAttribute("Remote",
	ns.network.AddressValue(ns.network.InetSocketAddress(ns.network.Ipv4Address("10.1.1.3"), port)))
	app = onoff.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(1)))
	app.Start(ns.core.Seconds(1.1))
	app = sink.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(2)))
	app.Start(ns.core.Seconds(0.0))
	csma.EnablePcapAll("csma-bridge", False)
	#se envian paquetes del nodo 3 al 2
	onoff.SetConstantRate (ns.network.DataRate ("800kb/s"))
	onoff.SetAttribute("Remote",
	ns.network.AddressValue(ns.network.InetSocketAddress(ns.network.Ipv4Address("10.1.1.3"), port)))
	app = onoff.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(3)))
	app.Start(ns.core.Seconds(1.1))
	app = sink.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(2)))
	app.Start(ns.core.Seconds(0.0))
	csma.EnablePcapAll("csma-bridge", False)
	#se envian paquetes del 4 al 2
	onoff.SetAttribute("Remote",
	ns.network.AddressValue(ns.network.InetSocketAddress(ns.network.Ipv4Address("10.1.1.5"), port)))
	app = onoff.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(4)))
	app.Start(ns.core.Seconds(1.1))
	app = sink.Install(ns.network.NodeContainer(terminals.Get(2)))
	app.Start(ns.core.Seconds(0.0))

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En el código se puede ver que hay transferencia de los nodos:

3 al 0: Pasando por el switch0, y con una velocidad de transferencia de 100kb/s
2 al 4: Pasando por el switch1, y con una velocidad de transferencia de 300kb/s.
1 al 2: Pasando por el switch0, y con una velocidad de transferencia de 160kb/s.
3 al 2: Pasando por el switch0, y con una velocidad de transferencia de 800kb/s.
4 al 2: Pasando por el switch1, y con una velocidad de transferencia de 800kb/s

Este es el resultado de correr la simulación:

	Empieza la simulacion
	scanning topology: 7 nodes...
	scanning topology: calling graphviz layout
	scanning topology: all done.
	FlowID: 1 (UDP 10.1.1.1/49153 --> 10.1.1.2/9)
	Tx Bytes: 2267460
	Rx Bytes: 2266920
	Tx Packets: 4199
	Rx Packets: 4198
	Lost Packets: 0
	Mean{Delay}: 0.00604608194188
	Mean{Jitter}: 0.000512220537527
	Mean{Hop Count}: 1.0
	FlowID: 2 (UDP 10.1.1.4/49154 --> 10.1.1.3/9)
	Tx Bytes: 3617460
	Rx Bytes: 3616920
	Tx Packets: 6699
	Rx Packets: 6698
	Lost Packets: 0
	Mean{Delay}: 0.00701732511406
	Mean{Jitter}: 0.0015147514075
	Mean{Hop Count}: 1.0
	FlowID: 3 (UDP 10.1.1.6/49153 --> 10.1.1.5/9)
	Tx Bytes: 3617460
	Rx Bytes: 3616920
	Tx Packets: 6699
	Rx Packets: 6698
	Lost Packets: 0
	Mean{Delay}: 0.00782599346073
	Mean{Jitter}: 0.00141445805674
	Mean{Hop Count}: 1.0
	FlowID: 4 (UDP 10.1.1.5/49153 --> 10.1.1.6/9)
	Tx Bytes: 1356480
	Rx Bytes: 1355940
	Tx Packets: 2512
	Rx Packets: 2511
	Lost Packets: 0
	Mean{Delay}: 0.00860451551254
	Mean{Jitter}: 0.00213814440797
	Mean{Hop Count}: 1.0
	FlowID: 5 (UDP 10.1.1.2/49153 --> 10.1.1.3/9)
	Tx Bytes: 723060
	Rx Bytes: 723060
	Tx Packets: 1339
	Rx Packets: 1339
	Lost Packets: 0
	Mean{Delay}: 0.00675767407991
	Mean{Jitter}: 0.00117281030942
	Mean{Hop Count}: 1.0
	FlowID: 6 (UDP 10.1.1.4/49153 --> 10.1.1.1/9)
	Tx Bytes: 451980
	Rx Bytes: 451980
	Tx Packets: 837
	Rx Packets: 837
	Lost Packets: 0
	Mean{Delay}: 0.00580386284229
	Mean{Jitter}: 1.8284687799e-05
	Mean{Hop Count}: 1.0
	Finaliza

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Este resultado muestra estadísticas para cada transferencia de datos que hicieron los nodos, por ejemplo del nodo 0 al 1, la transferencia es de la IP 10.1.1.1 a la 10.1.1.2, con sus cantidades de bytes de paquetes transmitidos y recibidos, ademas de el número de paquetes, indica que se perdieron 0 paquetes.

FlowID: 1 (UDP 10.1.1.1/49153 --> 10.1.1.2/9)

  Tx Bytes:  2267460
  Rx Bytes:  2266920
  Tx Packets:  4199
  Rx Packets:  4198
  Lost Packets:  0
  Mean{Delay}:  0.00604608194188
  Mean{Jitter}:  0.000512220537527
  Mean{Hop Count}:  1.0

También se muestra por ejemplo el Jitter de .0005 que de acuerdo a lo visto en la entrada pasada, es un valor bastante bueno para la comunicación. 

Las demás transmisiones muestran las mismas estadísticas.

Las medidas se obtuvieron así:

	print " Mean{Delay}: ", (st.delaySum.GetSeconds() / st.rxPackets)
	print " Mean{Jitter}: ", (st.jitterSum.GetSeconds() / (st.rxPackets-1))
	print " Mean{Hop Count}: ", float(st.timesForwarded) / st.rxPackets + 1

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Visualización

Para este último paso lo que había que hacer ya es importar la librería de visualizer y dibujar los nodos si es que queremos que aparezcan en alguna posición determinada, si no se dibujan solos, yo si establecí las posiciones:

	#para dibujar los nodos
	mobility = ns.mobility.ConstantPositionMobilityModel()
	mobility.SetPosition(ns.core.Vector(95, 5, 0))
	terminals.Get(0).AggregateObject(mobility)
	mobility = ns.mobility.ConstantPositionMobilityModel()
	mobility.SetPosition(ns.core.Vector(120,35, 0))
	terminals.Get(1).AggregateObject(mobility)
	mobility = ns.mobility.ConstantPositionMobilityModel()
	mobility.SetPosition(ns.core.Vector(60,35, 0))
	terminals.Get(2).AggregateObject(mobility)
	mobility = ns.mobility.ConstantPositionMobilityModel()
	mobility.SetPosition(ns.core.Vector(100,65, 0))
	terminals.Get(3).AggregateObject(mobility)
	mobility = ns.mobility.ConstantPositionMobilityModel()
	mobility.SetPosition(ns.core.Vector(10,35, 0))
	terminals.Get(4).AggregateObject(mobility)
	mobility1 = ns.mobility.ConstantPositionMobilityModel()
	mobility1.SetPosition(ns.core.Vector(90,45, 0))
	csmaSwitch.Get(0).AggregateObject(mobility1)
	mobility2 = ns.mobility.ConstantPositionMobilityModel()
	mobility2.SetPosition(ns.core.Vector(40,40, 0))
	csmaSwitch2.Get(0).AggregateObject(mobility2)

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Resultados

Funcionando todos juntos



Nodo 5 (SWITCH)



Nodo 6 (SWITCH)



Código completo

Referencias

Ejemplo NS-3 Python
Instalación python