NS2中Trace文件的分析过程

  （这个是柯老师的博文， 繁体中文的， 还是很好看懂的，就不简体化啦！）

  

   很多网友的邮件和问题都是围绕着Trace文件的分析， 笔者在空间里已经演示了很多的分析方法，再次，我转载大牛柯志亨老师的博文， 放在空间供大家参看！

 

對於使用網路模擬軟體來做網路效能分析的人而言，步驟通常是先設計出符合自己需要的網路模擬環境，設定其不同的參數，執行模擬，收集結果資料，最後把資料使用圖片或表格把結果呈現出來以方便分析實驗。一般而言，對於ns2的初學者而言，總是會遇到一個問題，就是網路模擬程式跑完後，接下來該如何分析。這是非常重要的一個過程，所以希望ns2的初學者能好好的研究此章節的內容，相信一定會對大家的研究有相當的幫助。

        本節打算以一個簡單的網路環境為範例，介紹如何使用一些工具來分析和呈現模擬結果，這包含了如何去量測End-to-End Delay、Jitter、Packet Loss、和Throughput。而採用的方法是去分析traffic trace檔案的方式，這種方法的優點是簡單且不需要去修改到ns2核心的部份，但缺點是若是模擬資料若是太多，traffic trace的檔案會太大，這樣會增加分析所需要的時間。另外一種方法，是去更改ns2核心，增加或修改一些檔案，把所需要量測的參數直接記錄下來，這種方法的優點是模擬結束後，所需要量測的數據已經完全記錄下來，但缺點是要動到ns2核心的部分，對於初學者而言，這是一個很大的門檻，這個方法筆者留到後面的章節在做介紹。

        筆者先對要模擬的環境做一個簡單的介紹。這個網路的環境包含了四個網路節點(n0，n1，n2，n3)，如下圖所示。網路節點n0到節點n2之間，和節點n1到節點n2之間的網路頻寬(bandwidth)是2Mbps，延遲時間(propagation delay)是10ms。網路拓樸中的頻寬瓶頸是在節點n2到節點n3之間，頻寬為1.7Mbps，延遲的時間為20ms。每個網路節都是採用DropTail queue的方式，且在節點n2到節點n3之間的最大佇列長度是10個封包的長度。在節點n0到n3之間會有一條FTP的連線，FTP應用程式是架構在TCP之上，所以在寫模擬環境的描述語言的時候，必需先建立一條TCP的連線，在來源端n0上使用TCP agent產生”tcp”來發送TCP的封包；在目的地端n3使用TCPsink agent產生”sink”來接受TCP的資料、並產生回覆封包(ACK)回傳送端、最後把接收的TCP封包釋放。最後要把這兩個agent連起來(connect)，連線才能建立。若是沒有額外的參數設定，TCP封包的長度為1Kbytes。在這裡順便補充說明一下，對於ns2模擬參數內定值設定是在ns-allinone-2.27\ns-2.27\tcl\lib目錄下的ns-default.tcl，有想要進一步瞭解的人，可以去查看此檔。另外，在節點n1到n3之間有一條固定的傳輸速率的連線(Constant Bit Rate，CBR)，CBR應用程式是架構在UDP之上，因此必需在n1使用UDP agent來產生”udp”用來發送UDP封包，在n3上使用Null agent來產生”sink”以接收由n1傳送過來的UDP封包，然後把接收的封包釋放。CBR的傳送速度為1Mbps，每一個封包大小為1Kbytes。CBR是在0.1秒開始傳送，在4.5秒結束傳輸；FTP是在1.0秒開始傳送，4.0秒結束傳輸。

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對於使用網路模擬軟體來做網路效能分析的人而言，步驟通常是先設計出符合自己需要的網路模擬環境，設定其不同的參數，執行模擬，收集結果資料，最後把資料使用圖片或表格把結果呈現出來以方便分析實驗。一般而言，對於ns2的初學者而言，總是會遇到一個問題，就是網路模擬程式跑完後，接下來該如何分析。這是非常重要的一個過程，所以希望ns2的初學者能好好的研究此章節的內容，相信一定會對大家的研究有相當的幫助。

        本節打算以一個簡單的網路環境為範例，介紹如何使用一些工具來分析和呈現模擬結果，這包含了如何去量測End-to-End Delay、Jitter、Packet Loss、和Throughput。而採用的方法是去分析traffic trace檔案的方式，這種方法的優點是簡單且不需要去修改到ns2核心的部份，但缺點是若是模擬資料若是太多，traffic trace的檔案會太大，這樣會增加分析所需要的時間。另外一種方法，是去更改ns2核心，增加或修改一些檔案，把所需要量測的參數直接記錄下來，這種方法的優點是模擬結束後，所需要量測的數據已經完全記錄下來，但缺點是要動到ns2核心的部分，對於初學者而言，這是一個很大的門檻，這個方法筆者留到後面的章節在做介紹。

        筆者先對要模擬的環境做一個簡單的介紹。這個網路的環境包含了四個網路節點(n0，n1，n2，n3)，如下圖所示。網路節點n0到節點n2之間，和節點n1到節點n2之間的網路頻寬(bandwidth)是2Mbps，延遲時間(propagation delay)是10ms。網路拓樸中的頻寬瓶頸是在節點n2到節點n3之間，頻寬為1.7Mbps，延遲的時間為20ms。每個網路節都是採用DropTail queue的方式，且在節點n2到節點n3之間的最大佇列長度是10個封包的長度。在節點n0到n3之間會有一條FTP的連線，FTP應用程式是架構在TCP之上，所以在寫模擬環境的描述語言的時候，必需先建立一條TCP的連線，在來源端n0上使用TCP agent產生”tcp”來發送TCP的封包；在目的地端n3使用TCPsink agent產生”sink”來接受TCP的資料、並產生回覆封包(ACK)回傳送端、最後把接收的TCP封包釋放。最後要把這兩個agent連起來(connect)，連線才能建立。若是沒有額外的參數設定，TCP封包的長度為1Kbytes。在這裡順便補充說明一下，對於ns2模擬參數內定值設定是在ns-allinone-2.27\ns-2.27\tcl\lib目錄下的ns-default.tcl，有想要進一步瞭解的人，可以去查看此檔。另外，在節點n1到n3之間有一條固定的傳輸速率的連線(Constant Bit Rate，CBR)，CBR應用程式是架構在UDP之上，因此必需在n1使用UDP agent來產生”udp”用來發送UDP封包，在n3上使用Null agent來產生”sink”以接收由n1傳送過來的UDP封包，然後把接收的封包釋放。CBR的傳送速度為1Mbps，每一個封包大小為1Kbytes。CBR是在0.1秒開始傳送，在4.5秒結束傳輸；FTP是在1.0秒開始傳送，4.0秒結束傳輸。

 

[Simulation Topology]

（还未找到原出处）

 

TclScript

 

# 產生一個模擬的物件

set ns [new Simulator]

 

#針對不同的資料流定義不同的顏色，這是要給NAM用的

$ns color 1 Blue

$ns color 2 Red

 

#開啟一個NAM trace file

set nf [open out.nam w]

$ns namtrace-all $nf

 

#開啟一個trace file，用來記錄封包傳送的過程

set nd [open out.tr w]

$ns trace-all $nd

 

#定義一個結束的程序

proc finish {} {

        global ns nf nd

        $ns flush-trace

        close $nf

        close $nd

        #以背景執行的方式去執行NAM

        exec nam out.nam &

        exit 0

}

 

#產生四個網路節點

set n0 [$ns node]

set n1 [$ns node]

set n2 [$ns node]

set n3 [$ns node]

 

#把節點連接起來

$ns duplex-link $n0 $n2 2Mb 10ms DropTail

$ns duplex-link $n1 $n2 2Mb 10ms DropTail

$ns duplex-link $n2 $n3 1.7Mb 20ms DropTail

 

#設定ns2到n3之間的Queue Size為10個封包大小

$ns queue-limit $n2 $n3 10

 

#設定節點的位置，這是要給NAM用的

$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

 

#觀測n2到n3之間queue的變化，這是要給NAM用的

$ns duplex-link-op $n2 $n3 queuePos 0.5

 

#建立一條TCP的連線

set tcp [new Agent/TCP]

$tcp set class_ 2

$ns attach-agent $n0 $tcp

set sink [new Agent/TCPSink]

$ns attach-agent $n3 $sink

$ns connect $tcp $sink

#在NAM中，TCP的連線會以藍色表示

$tcp set fid_ 1

 

#在TCP連線之上建立FTP應用程式

set ftp [new Application/FTP]

$ftp attach-agent $tcp

$ftp set type_ FTP

 

#建立一條UDP的連線

set udp [new Agent/UDP]

$ns attach-agent $n1 $udp

set null [new Agent/Null]

$ns attach-agent $n3 $null

$ns connect $udp $null

#在NAM中，UDP的連線會以紅色表示

$udp set fid_ 2

 

#在UDP連線之上建立CBR應用程式

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

 

#設定FTP和CBR資料傳送開始和結束時間

$ns at 0.1 "$cbr start"

$ns at 1.0 "$ftp start"

$ns at 4.0 "$ftp stop"

$ns at 4.5 "$cbr stop"

#結束TCP的連線(不一定需要寫下面的程式碼來實際結束連線)

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

#在模擬環境中，5秒後去呼叫finish來結束模擬(這樣要注意模擬環境中

#的5秒並不一定等於實際模擬的時間

$ns at 5.0 "finish"

#執行模擬

$ns run

 

    

模擬結束後，會產生兩個檔案，一個是out.nam，這是給NAM用的，用來把模擬的過程用視覺化的方式呈現出來，這可以讓使用者用”看”的方式去瞭解封包傳送是如何從來源端送到接收端。另一個檔案是out.tr，這個檔案記錄了模擬過程中封包傳送中所有的事件，例如第一筆記錄是一個CBR的封包，長度為1000bytes，在時間0.1秒的時候，從n1傳送到n2。這個檔案對我們做效能分析很重要，所以要先對這個檔案的格式做仔細的介紹。

＋  0.1   1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0

－  0.1   1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0

＋  0.108  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  1  1

－  0.108  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  1  1

r  0.114  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0

＋  0.114  2  3  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0

－  0.114  2  3  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0

＋  0.116  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  2  2

－  0.116  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  2  2

r   0.122  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  1  1

＋  0.122  2  3  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  1  1

.................................................................

每一筆記錄的開始都是封包事件發生的原因，若是r則表示封包被某個節點所接收，若是+則表示進入了佇列，若是-則表示離開佇列，若是d則表示封包被佇列所丟棄。接著的第二個欄位表示的是事件發生的時間；欄位三和欄位四表示事件發生的地點(從from node到to node)；欄位五表示封包的型態；欄位六是封包的大小，欄位七是封包的旗標標註；欄位八表示封包是屬於那一個資料流；欄位九和欄位十是表示封包的來源端和目的端，這兩個欄位的格式是a.b，a代表節點編號，b表示埠號(port number)；欄位十一表示封包的序號；最後欄位十二表示封包的id。以前面trace file的第一筆為例，意思就是說有一個封包pakcet id為0，資料流id為2，序號為0，長度為1000 bytes，型態為CBR，它是從來源端1.0要到目的地3.1，在時間0.1秒的時候，從節點1進入了節點2的佇列中。 

接下來，筆者先簡單介紹awk，然後如何使用awk去分析trace file，以得到Throughput、Delay、Jitter、和Loss Rate。

[awk]

A.簡介

         awk是一種程式語言。它具有一般程式語言常見的功能。因awk語言具有某些特點，如：使用直譯器(Interpreter)不需先行編譯；變數無型別之分(Typeless)，可使用文字當陣列的註標(Associative Array)等特色。因此，使用awk撰寫程式比起使用其它語言更簡潔便利且節省時間。awk還具有一些內建功能，使得awk擅於處理具資料列(Record)，欄位(Field)型態的資料；此外， awk內建有pipe的功能，可將處理中的資料傳送給外部的 Shell命令加以處理， 再將Shell命令處理後的資料傳回awk程式，這個特點也使得awk程式很容易使用系統資源。
 
B. awk是如何運作的

        為便於解釋awk程式架構，以及相關的術語，筆者就以上面trace file為例，來加以介紹。

a.名詞定義:

1.      資料列：awk從資料檔上讀取的基本單位，以trace file為例，awk讀入的

第一筆資料列為 ”＋  0.1  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0”

第二筆資料列為 “－  0.1  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0”

一般而言，一筆資料列相當於資料檔上的一行資料。

 

2.      欄位(Field)：為資料列上被分隔開的子字串。

以資料列”＋  0.1  1  2  cbr  1000  -------  2  1.0  3.1  0  0”為例，

一
 二
 三
 四
 五
 六
 七
 八
 九
 十
 十一
 十二
 
＋
 0.1
 1
 2
 cbr
 1000
 -------
 2
 1.0
 3.1
 0
 0
 

一般而言是以空白字元來分隔相鄰的欄位。

 

當awk讀入資料列後，會把每個欄位的值存入欄位變數。

欄位變數
 意義
 
$0
 為一字串, 其內容為目前awk所讀入的資料列.
 
$1
 代表 $0 上第一個欄位的資料.
 
$2
 代表 $0 上第二欄個位的資料.
 
……
 ……
 

 

b.程式主要節構:

        Pattern1           { Actions1 }

        Pattern2           { Actions2 }

        ……………………………

        Pattern3           { Actions3 }

 

一般常用”關係判斷式”來當成Pattern。例如：

x ＞ 3 用來判斷變數x是否大於3

x == 5  用來判斷變數x是否等於5

awk提供c語言常見的關係運算元，如：＞、＜、＞＝、＜＝、＝＝、！＝等等

 

Actions是由許多awk指令所構成，而awk的指令與c語言中的指令非常類似。

IO指令：print 、 printf( ) 、getline ......

流程控制指令 ： if ( ...) {...} else {…}、 while(…){…} ……

 

在awk程式的流程為先判斷Pattern的結果，若為真True則執行相對應的Actions，若為假False則不執行相對的Actions。若是處理的過程中沒有Pattern，awk會無條件的去執行Actions。

 

c.工作流程: 執行awk時, 它會反複進行下列四步驟。

1. 自動從指定的資料檔中讀取一筆資料列。

2. 自動更新(Update)相關的內建變數之值。

3. 逐次執行程式中 所有 的 Pattern { Actions } 指令。

4. 當執行完程式中所有 Pattern { Actions }時，若資料檔中還有未讀取的料，則反覆執行步驟1到步驟4。

awk會自動重覆進行上述的四個步驟，所以使用者不須在程式中寫這個迴圈。

 

 

具体的AWK代码和测试结果， 请参考：

http://blog.csdn.net/beijibingshan/archive/2007/06/14/1653007.aspx