NS-2下的TCP over IEEE 802

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船凌
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1 NS-2 下的 TCP over IEEE WLAN 模擬程榮祥網際網路所提供的傳輸服務目前網際網路所提供的傳輸服務, 就服務的性質而言可分成兩種, 一種是 (1) 連接導向的可靠性傳輸服務 (Connection oriented reliable service), 這個服務主要由 TCP (Transmission Control Protocol [1]) 來提供, 另一種則是 (2) 非連接的不可靠性傳輸服務 (Connection-less, unreliable data transfer), 這部份則是由 UDP (User Datagram Protocol ) 來提供 TCP 提供的服務 1. 可靠的資料傳送 (Reliable data transfer) 服務 :TCP 藉由回應 (Acknowledge) 和重送的機制提供可靠性的服務可靠的資料傳送意味著應用程式可依賴此服務, 該服務可確保資料能依照順序地被傳送接收, 不會有錯誤發生 2. 流量控制 (Flow control): 確保連線的兩端不會因為太快傳送過量的封包而淹沒了另一端 3. 擁塞控制 (Congestion control): 當路由器發生擁塞時, 封包容易因為緩衝區溢滿而被丟棄, 擁塞控制可以避免傳送端傳送太多資料到網路上造成網路擁塞 UDP 提供的服務 TCP 與 UDP 都是透過 IP 封包來傳輸資料, 在開始傳送資料之前,TCP 的 Client 行程會與 Server 行程執行建立連線的動作, 而 UDP 則不需進行此一動作就如前面所述, 目前網際網路提供給應用程式的服務只有連接導向的可靠性服務與非連接的不可靠性服務, 而不管是 TCP 或 UDP, 基本上都沒有提供對與頻寛與時間延遲的最低保證網路協定和分層的概念在瞭解了網路可能提供的服務後, 接著我們就來看看目前網路所使用的分層方式, 一般稱之為網路通訊協定分層堆疊 (Internet protocol stack) 目前網際網路所使用的分層架構由上而下分別是 : 應用層傳輸層網路層連結層以及實體層, 每一層都有其各自使用的通訊協定 Figure 1 通訊協定堆疊與各層封包所使用的單位名稱在習慣上, 一般我們都以 Figure 1 的方式來表示, 並且為了方便區別使用, 各層的資料單位 ( 封包 ) 也給予不同的名稱表示以下我們簡單地瀏覽一下各層所使用的通訊協定以及通訊協定所使用的封包格式傳輸層的主要功能對於應用層而言, 傳輸層主要的功能就是在應用程式之間提供邏輯的連線所謂的邏輯連線是指在應用程式的傳送端與接收端之間其實並沒有一條實際的連線, 但是透過傳輸層所提供的功能, 應用程式可以假設傳送端與接收端之

2 間有一條連線存在, 應用程式可以透過傳輸層協定將資料送出目前傳輸層所使用的協定主要有兩種 -TCP 和 UDP, 應用程式的通訊過程可用下面簡單的圖例來表示 : Figure 2:End-to-End 的服務模型目前傳輸層所使用的協定主要有兩種 -TCP 和 UDP, 以下簡單地介紹 TCP 和 UDP 的封包格式 TCP 的應用範圍很廣泛, 如同我們在前一個章節所提到的, 許多我們在日常生活中經常使用網路應用程式, 底層所使用的傳輸協定都是使用 TCP, 例如網頁瀏覽 (Web) 電子郵件 ( POP3,SMTP) 遠端終端機存取 (Telnet) 檔案傳輸 (FTP) 等相較於 TCP,UDP 的訊息格式較為簡單, 相對地可提供的使用的功能就較少 UDP 的存在是為了滿足一些需要快速處理與反應的應用程式, 因此較適合用在多媒體等對時間較為敏感或不需要擁塞控制的服務上 Ns-2 的參數預設值存放在 ns-default.tcl 這個檔案中這個檔案的存放位置是在 ns-allinone-2.xx/ns-2.xx/tcl/lib/ 這個目錄下, 欲知 Ns-2 的預設值設定, 可以將這個檔案叫出來看看 : $ cd ns-allinone-2.31/ns-2.31/tcl/lib/ $ cat ns-default.tcl more 模擬參數設定在 Ns-2 中,Node 可以用來表示一個主機 (Host) 路由器 (Router) 或交換器 (Switch) Node 產生的方法如下 ($ns 為 Ns-2 產生的模擬物件 ): set router [$ns node] Node 產生後, 接下來就可以開始產生網路的拓撲, 有關 Node 之間的 Link Bandwidth Propagation Delay 以及 Queue-Type 設定方法, 指令格式如下 : $ns duplex-link <node1> <node2> <bandwidth> <delay> <queue-type> 網路的拓撲建好後, 接下來就是指定要使用的 Agent, 並告訴這個 Agent 在產生 Traffic 的時候, 要使用那一種 Traffic generator, 指令格式如下 :: set Agent_name [new Agent/<Agent-type>] 接下來我們用一個簡單的例子來介紹如何在 Node 與 Node 之間建一個 TCP Connection ( 如 Figure 3 所示 ) Figure 3: 簡單的網路架構圖 (2 個 Node 之間有一個 TCP Connection) 以下的 TCL Script 是根據 Figure 3 的設定所撰寫的 : Example 1: set ns [new Simulator] ;#Create a simulator object set nf [open out.nam w] ;#Open the Nam trace file $ns namtrace-all $nf #Define a 'finish' procedure proc finish { {

3 global ns nf $ns flush-trace close $nf ;#Close the trace file exec nam out.nam & exit 0 set node1 [$ns node] ;#Create two nodes, then create a duplex link between the nodes set node2 [$ns node] $ns duplex-link $node1 $node2 10Mb 2ms DropTail #Connect the TCP source with the TCP sink set tcp [$ns create-connection TCP $node1 TCPSink $node2 1] $tcp set window_ 128 ;# Configure the TCP agent set ftp [new Application/FTP] $ftp attach-agent $tcp $ns at 0.5 "$ftp start" $ns at 4.5 "$ftp stop" $ns at 5.0 "finish" ;# Schedule events for the FTP agent #Run the simulation $ns run Ns-2 是個很成熟的模擬環境, 對 TCP/IP 網路通訊協定的支援也相當地豐富, 幾乎所有的 TCP 實作版本 Ns-2 都有支援, 底下我們列出一些 Ns-2 有支援的 TCP Agent 供參考 ( 僅列出比較常見的版本 ): Agent Type TCP TCP/Reno TCP/Newreno TCP/Vegas TCP/SACK1 TCPSink TCPSink/DelAck TCPSink/Sack1 TCPSink/Sack1/DelAck Table 1:TCP agent types in Ns-2 [1] Description A TCP Tahoe sender A TCP Reno sender A TCP New Reno sender A TCP Vegas sender A TCP sender with selective acknowledgments A TCP receiver that sends one ACK per packet A TCP receiver with a configurable delay for ever ACK A TCP receiver with selective ACKs A TCP receiver with Sack1 and DelAck TCP Agent 產生後, 就可以針對這個 TCP Agent 作一些進一步的設定, 底下我們列出在做 TCP 的模擬實驗時, 比較常見的一些相關參數 : Table 2:TCP 傳送端 (Source) 的設定參數參數說明 fid_ TCP 連線的號碼 (Flow ID) window_ Advertised window 的上限值 (upper bond) Advertised window 有時也稱為 receive window, 其實指的就是接收端的緩衝區可以容納的封包個數因此當 Congestion window 的值超過 Advertised window 時,TCP 的傳送端會執行流量控制以避免送的太快而導致接收端的緩衝區溢滿 (overflow) maxcwnd_ Congestion window 的最大值 windowinit Congestion window 的初始值 ecn_ True 表示使用 ECN packetsize_ 傳送封包的資料大小 tcptick_ TCP 的 timeout 時間 ( 預設值為 0.01 秒 ) maxburst_ 每收到一個 ACK 觸發傳送端最多能送出的封包個數 0 表示關閉此選項功能參數 packetsize_ Table 3:TCP 接收端 (Sink) 的設定參數說明 ACK 封包的資料大小

4 模擬架構圖下面我們用個 TCP over Wireless LAN (WLAN) 例子來介紹如何在 Ns-2 中進行 TCP 的模擬實驗如 Figure 3 所示, 在 TCP Source (W 0 ) 和 TCP Sink (W 1 ) 之間有一個 TCP 的 Connection, 其中 W 0 和 W 1 代表網路上的 Wired Node, AP 代表 Access Point,N i (i = 1~ n) 則是 WLAN 裡面的 Wireless Station 由於 Goodput 的值直接反映 Application Layer 實際上得到的傳輸效能, 所以在接下來的例子裡, 我們選擇以 Goodput 作為評估 TCP 效能的一個參考依據模擬劇本 (TCL Script) Figure 3. WLAN 模擬架構圖以下的 TCL Script 是根據 Figure 3 的設定所撰寫的 : Example 2: # ====================================================================== # Define options # ====================================================================== set opt(chan) [new Channel/WirelessChannel] ;# Channel type set opt(prop) Propagation/TwoRayGround ;# Radio-propagation model set opt(netif) Phy/WirelessPhy ;# Network interface type set opt(mac) Mac/802_11 ;# MAC type set opt(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# Interface queue type set opt(ll) LL ;# Link layer type set opt(ant) Antenna/OmniAntenna ;# Antenna model set opt(ifqlen) 50 ;# Max packet in ifq set opt(nn) 1 ;# Number of mobilenodes set opt(adhocrouting) DSDV ;# Routing protocol set opt(x) 500 ;# x coordinate of topology set opt(y) 500 ;# y coordinate of topology set opt(seed) 0 ;# Seed for random number gen. set opt(stop) 60 ;# 設定結束時間 set opt(ftp0-start) 0.0 ;# 設定 FTP 的開始時間 set num_wired_nodes 2 ;# 設定 Wireless node 的個數 set num_ap_nodes 1 ;# 設定 AP (Access Point) 的個數 #Suggestion by Phy/WirelessPhy set freq_ 2.4e+9 Phy/WirelessPhy set Pt_ e-2 Phy/WirelessPhy set RXThresh_ e-09 Phy/WirelessPhy set CSThresh_ e-10 Mac/802_11 set RTSThreshold_ 3000 ;# frequency is 2.4 GHz ;# transmit power ;# Receive sensitivity, 40 meters. ;# 90 meters ;# < 256 bytes, no RTS/CTS set datarate 11 if {$datarate == "2" { puts "FHSS (IEEE802.11)" Mac/802_11 set SlotTime_ ;# 50 us Mac/802_11 set SIFS_ ;# 28 us Mac/802_11 set PreambleLength_ 0 ;# no preamble Mac/802_11 set PLCPHeaderLength_ 128 ;# 128 bits Mac/802_11 set PLCPDataRate_ 1.0e6 ;# 1 Mbps Mac/802_11 set datarate_ 2.0e6 ;# 2 Mbps Mac/802_11 set basicrate_ 1.0e6 ;# 1 Mbps elseif {$datarate == "11" { puts "DSSS (IEEE802.11b)" Mac/802_11 set SlotTime_ ;# 20 us Mac/802_11 set SIFS_ ;# 10 us Mac/802_11 set PreambleLength_ 144 ;# 144 bit

5 Mac/802_11 set PLCPHeaderLength_ 48 ;# 48 bits Mac/802_11 set PLCPDataRate_ 1.0e6 ;# 1 Mbps Mac/802_11 set datarate_ 11.0e6 ;# 11 Mbps Mac/802_11 set basicrate_ 1.0e6 ;# 1 Mbps elseif {$datarate == "54" { puts "DSSS (IEEE802.11g)" Mac/802_11 set SlotTime_ ;# 9 us Mac/802_11 set SIFS_ ;# 16 us Mac/802_11 set PreambleLength_ 96 ;# 96 bit Mac/802_11 set PLCPHeaderLength_ 40 ;# 40 bits Mac/802_11 set PLCPDataRate_ 6.0e6 ;# 6 Mbps Mac/802_11 set datarate_ 54.0e6 ;# 54 Mbps Mac/802_11 set basicrate_ 1.0e6 ;# 1 Mbps else { puts "Error datarate configuration." # ============================================================================ # 副程式 proc finish { { global ns_ tracefd namtrace tcp0 datarate set now [$ns_ now] set goodput [expr [$tcp0 set ack_]*[$tcp0 set packetsize_]*8/$now/ ] #; 計算 TCP 的 Goodput puts [format "goodput = %.2f Mbps (%.2f %s)" $goodput [expr $goodput/$datarate*100] %] puts "" close $tracefd close $namtrace # 讀入外部參數 proc getopt {argc argv { global opt lappend optlist nn for {set i 0 {$i < $argc {incr i { set opt($i) [lindex $argv $i] getopt $argc $argv #Example: ns tcp80211-wlan.tcl 54 set datarate $opt(0) # ============================================================================ # 產生模擬物件 set ns_ [new Simulator] puts "Seeding Random number generator with $opt(seed), Random [ns-random 0]" # 使用 Hierarchial addressing 的方式定址 (2 個 domain, 第 1 個 domain 有 2 個 cluster, 第 2 個 domain 有 1 個 # cluster 每個 cluster 中的 node 個數分別為 1 1 $num_ap_nodes +$opt(nn)) $ns_ node-config -addresstype hierarchical AddrParams set domain_num_ 2 ;# number of domains lappend cluster_num 2 1 ;# number of clusters in each domain AddrParams set cluster_num_ $cluster_num lappend eilastlevel 1 1 [expr $num_ap_nodes +$opt(nn)] ;# number of nodes in each cluster AddrParams set nodes_num_ $eilastlevel ;# of each domain set tracefd [open wireless-out.tr w] set namtrace [open wireless-out.nam w] $ns_ trace-all $tracefd $ns_ namtrace-all-wireless $namtrace $opt(x) $opt(y) # Create topography object set topo [new Topography]

6 # Define topology $topo load_flatgrid $opt(x) $opt(y) # Create God create-god [expr $opt(nn) + $num_ap_nodes] # 建立 Wired node ( 先設定 Wired node, 接著再設定 Wireless node, 一定要依此步驟進行 ) set temp { ;# hierarchical addresses for wired domain for {set i 0 {$i < $num_wired_nodes {incr i { set W($i) [$ns_ node [lindex $temp $i]] # Configure for base-station node $ns_ node-config -adhocrouting $opt(adhocrouting) \ -lltype $opt(ll) \ -mactype $opt(mac) \ -ifqtype $opt(ifq) \ -ifqlen $opt(ifqlen) \ -anttype $opt(ant) \ -proptype $opt(prop) \ -phytype $opt(netif) \ -channel $opt(chan) \ -topoinstance $topo \ -wiredrouting ON \ -agenttrace ON \ -mobileip ON \ -routertrace OFF \ -mactrace OFF # 設定 AP set temp { set AP(0) [$ns_ node [lindex $temp 0]] $AP(0) random-motion 0 ;# hier address to be used for wireless domain ;# disable random motion # 設定 AP 的位置 $AP(0) set X_ 0.0 $AP(0) set Y_ 0.0 $AP(0) set Z_ 0.0 # 設定 mobile node $ns_ node-config -wiredrouting OFF for {set j 0 {$j < $opt(nn) {incr j { set node_($j) [ $ns_ node [lindex $temp [expr $j+1]] ] $node_($j) base-station [AddrParams addr2id [$AP(0) node-addr]] # 設定 Mobile node 的位置 $node_($j) set X_ [expr $j * 30.0] $node_($j) set Y_ 0.0 $node_($j) set Z_ 0.0 # 設定 Wired node 和 AP 之間的連線 $ns_ duplex-link $W(0) $W(1) 100Mb 2ms DropTail $ns_ duplex-link $W(1) $AP(0) 45Mb 10ms DropTail $ns_ queue-limit $W(0) $W(1) 64 $ns_ queue-limit $W(1) $AP(0) 64 # 設定 TCP 連線 set tcp0 [new Agent/TCP/Reno] set sink0 [new Agent/TCPSink] $ns_ attach-agent $W(0) $tcp0 ;# 指定 TCP 版本為 TCP Reno

7 $ns_ attach-agent $node_(0) $sink0 $ns_ connect $tcp0 $sink0 $tcp0 set window_ 128 $tcp0 set packetsize_ 1400 $tcp0 set maxburst_ 2 set ftp0 [new Application/FTP] $ftp0 attach-agent $tcp0 $ns_ at $opt(ftp0-start) "$ftp0 start" ;# 建立 End-to-End 的連線 ;# Initial window size 為 128 packets ;# Packet size 為 1400 bytes ;# 指定收到 1 個 ACK 最多能連續送出的封包個數是 2 個 packet ;# 指定 application layer traffic generator ;# 排定產生 FTP traffic 的開始時間 # Define initial node position in nam for {set i 0 {$i < $opt(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 # 排定執行的時間 # Tell all nodes when the simulation ends for {set i {$i < $opt(nn) {incr i { $ns_ at $opt(stop).0 "$node_($i) reset"; $ns_ at $opt(stop).0 "$AP(0) reset"; $ns_ at $opt(stop).0 "finish" $ns_ at $opt(stop).0002 "puts \"NS EXITING...\" ; $ns_ halt" puts "Starting Simulation..." $ns_ run 一般而言, 評估 TCP 效能的方法就是去觀察 FTP 的 Goodput( 應用層實際接收到的資料傳輸速率 ) Sequence number, 或者是觀察 TCP Congestion window 的變化在這個例子中, 我們使用 Goodput 作為評估 TCP 的效能的依據在這個例子中, 每次模擬結束時,NS-2 會執行 finish { 這個自訂程序並將 TCP 的 Goodput 列印在螢幕上, 如下所示 : proc finish { { set goodput [expr [$tcp0 set ack_]*[$tcp0 set packetsize_]*8/$now/ ] #; 計算 TCP 的 Goodput puts [format "goodput = %.2f Mbps (%.2f %s)" $goodput [expr $goodput/$datarate*100] %] [chengrs@nsda wlan]$ ns wireless2.tcl DSSS (IEEE802.11b) Seeding Random number generator with 0, Random num_nodes is set 2 INITIALIZE THE LIST xlisthead Starting Simulation... channel.cc:sendup - Calc highestantennaz_ and distcst_ highestantennaz_ = 1.5, distcst_ = SORTING LISTS...DONE! goodput = 3.83 Mbps / % NS EXITING... 底下列出幾個常見的 TCP 狀態參數供參考 : 參數 window_ Maxcwnd_ packetsize_ Table 5:TCP 傳送端的狀態參數說明 The upper bound on the advertised window for the TCP connection. The upper bound on the congestion window for the TCP connection. Set to zero to ignore. (This is the default) The size in bytes to use for all packets from this source.

8 t_seqno_ ssthresh_ cwnd_ ack_ maxseq_ 目前傳送的封包序號 Slow-start threshold 的值 Congestion window 的值傳送端最後收到的 ACK 序號傳送端最後送出的封包序號如果說要重複進行這個模擬程序, 在 Linux 的環境中, 我們可以將想要重複執行的工作寫在一個 Script 檔中, 接著將這個 Script 檔交給 Linux 去執行 ( 科技始終來自於人性 ^_^); 底下是我們撰寫的一個 Script 檔的範例 (example2.tcl 是 TCL Script 的檔案名稱 ): rm -f out* rm -f rawdata* # 設定 for 迴圈的執行次數 for jth in do echo -run $jthns wireless2.tcl >> rawdata done # 將 simulation 得到的結果交由 awk 分析 ( 計算平均的 goodput) awk 'BEGIN {goodput_ = 0; achieved_ = 0; ig = 0; ia = 0; { if ($1 == "goodput" && $3 > 0) { goodput_ += $3; ig++; achieved_ += $6 END { m_goodput_ = goodput_/ig; m_achieved_ = achieved_/ig; printf("average(%d): good = %.2f Mbps, achieve %.2f \n", ig, m_goodput_, m_achieved_); printf "";' rawdata 根據我們的設定, 這個 Script 每次會執行 TCL script 程式 5 次, 隨後將平均的 Goodput (Mbps) 計算出來, 執行結果如下 : [chengrs@nsda wlan]$./run_tcp -run 1- -run 2- warning: Route to base_stn not known: dropping pkt -run 3- -run 4- -run 5- warning: Route to base_stn not known: dropping pkt Average(5): good = Mbps, achieve % [chengrs@nsda wlan]$ 在 NS-2 中,Wireless Node 的傳輸距離可藉由調整 Pt_ 與 RXThresh_ 的值來估算, 若想變更這兩個參數的設定, 在 NS-2 中已經有現成的範例, 只要將範例程式編譯過後就可以直接使用了, 請依下面介紹的方法進行 :(1) 請開啟終端機視窗 ( 命令列文字模式 ), 將工作目錄切換至 ~ns/indep-utils/propagation/ 目錄下, 接著執行下列指令 ($ 為 linux 提示符號 ): $ cd ns/indep-utils/propagation/ $ g++ -lm threshold.cc -o threshold 假設我們想將 Wireless node 的有效傳輸距離設為 40 公尺, 若無線網路卡的傳送頻率為 2.4 GHz,Transmit Power 為 ,(2) 下面的例子示範如何取得 Receiving threshold (RXThresh_) 的設定值 ($ 為 linux 提示符號 ): $ threshold -m TwoRayGround -Pt e-2 -fr 2.4e+9 40 distance = 40 propagation model: TwoRayGround Selected parameters: transmit power: frequency: 2.4e+09 transmit antenna gain: 1

9 receive antenna gain: 1 system loss: 1 transmit antenna height: 1.5 receive antenna height: 1.5 Receiving threshold RXThresh_ is: e-09 接下來只要在 TCL Script 檔的開頭, 也就是在主程式開始之前, 將 RXThresh_ 的值設定好就行了, 例如 : Phy/WirelessPhy set RXThresh_ e-09 ;# Receive sensitivity, 40 meters. Table 6 列出的相關參數及其設定供參考 : Table 6. Parameters for MAC and PHY Layer b g SLOT 50 μsec 20 μsec 9 μsec SIFS 28 μsec 10 μsec 10 μsec DIFS 128 μsec 50 μsec 28 μsec PHY hdr 128 bits 192 bits 192 bits CW min CW max RTS 160 bits 160 bits 160 bits CTS 112 bits 112 bits 112 bits ACK 112 bits 112 bits 112 bits 在 Ns-2 中,RTS CTS 以及 ACK 的大小分為別 byte ( 不含 PHYhdr,PHYhdr = PLCP preamble + PLCP header); DIFS = 2 SLOT time + SIFS 最後,Table 7 則是有關 Trace 檔的欄位格式說明 Table 7:Tracing format in NS-2 欄位說明 1 Type of operation performed on the packet: enqueue (+), dequeue (-), drop (d), receive (r) 2 Time of the operation 3 Source node of the trace 4 Destination node of the trace 5 Packet type 6 IP packet size 7 Flags 8 IP flow identifier 9 Source IP address 10 Destination IP address 11 Sequence number 12 Unique packet identifier [1] High Performance TCP/IP Networking M. Hassan, R. Jain

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穨control.PDF TCP congestion control yhmiu Outline Congestion control algorithms Purpose of RFC2581 Purpose of RFC2582 TCP SS-DR 1998 TCP Extensions RFC1072 1988 SACK RFC2018 1996 FACK 1996 Rate-Halving 1997 OldTahoe