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Summer |
Wireless Mesh Network Technologies
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src:wikimedia.orgVoice over IP in Wireless Mesh NetworksModerne Internet-Anwendungen wie VoIP und Streaming A&V (vgl. YouTube, Skype, ShoutCast, …) stehen mit ihren Anforderungen an das zugrunde liegende Netzwerk im starken Kontrast zu auf TCP aufbauenden Anwendungen, die wir im 2. Praktikum gestreift haben. Beispielsweise kann ein VoIP-Strom durchaus einen moderaten Paketverlust (ohne Kompensation) verkraften, allerdings mindern größere Netzwerk-Verzögerungen abrupt die Zufriedenheit der Benutzer. In diesem Praktikum untersuchen wir, wo die Grenzen des Berlin RoofNet (als ein konkretes WMN) im Bezug auf VoIP-Traffic liegen, und mit welchen Ansätzen man diese Grenzen verschieben kann.
Voraussetzungen
Der Brn.Sim Netzwerksimulator Der Brn.Sim Simulator ist eine Weiterentwicklung von JiST/SWANS (siehe Literatur) und erweitert diesen in den folgenden Punkten:
Der Simulator ist in mehrere Pakete gegliedert, die Sie im Verzeichnis „~/Projects/brn.sim“ einsehen können. Die Pakete „brn.distsim.*“ und „brn.gui.*“ gehören zum Verteilungs-Framework bzw. zur Visualisierung. Die GUI ist eine Eclipse RCP Anwendung. Eine ausführbare Instanz der GUI finden Sie unter „~/Projects/brn.gui.“ Für uns interessant sind die Pakete „jist.swans“ und „brn.jist.*“, die den Simulator-Kern und die Erweiterungen der Simulationsmodelle enthalten. Starten von Simulationen, Benutzen der GUIStarten Sie die Brn.Gui und vergewissern Sie sich, dass unter „Data Source“ der Eintrag „Simulation“ auftaucht, d.h. die GUI soll sich mit einer aktuell laufenden Simulation verbinden. Die Kommunikation zwischen Simulator und GUI erfolgt über RMI. Betätigen Sie den Button „Listen“ in der Toolbar, sodass die GUI auf kommende Simulationen wartet. Öffnen Sie eine Shell im Verzeichnis „brn.sim/brn.jist.“ Zum Übersetzen und Starten des Simulationscodes wird das Tool „Ant“ verwendet, ggf. müssen Sie die Umgebungsvariablen ANT_HOME und JAVA_HOME exportieren. Ein Aufruf „ant -p“ zeigt die verfügbaren Targets an. Starten Sie die in der Datei „SimTcpTest.py“ definierte Simulation mittels „ant run-jpy -Drun.class=res/test/SimTcpTest.py -Drun.args='--local'“. Wechseln Sie zur GUI und warten Sie, bis die Verbindung zwischen GUI und Simulation steht (Zu erkennen an den aktivierten Buttons „Run“ und „Stop“. Starten Sie die Simulation mit dem Button „Run.“ Ist die Simulation beendet, springt das Feld „Time“ von „running“ auf „end.“Die Simulation definiert ein WMN mit 50 Knoten und dem BRN DSR Routing-Protokoll. Zwischen den Knoten 6 und 45 wird zum Zeitpunkt 100 ein TCP Fluss aufgesetzt. Erkunden Sie die Messwerte. Interessant sind insbesondere die Link-Table („Nodes 1..25/Node 1/Links/Link Table“, Anm.: Es gibt in der Simulation nur eine Link-Table, die von allen Knoten geteilt wird. Durch diesen Trick entfällt die reaktive Route Discovery). Öffnen Sie die Link-Table per Doppelklick und wählen sie unter „Diagram Services“ den Punkt „Simulation Node Placement“, um die Knoten entsprechend ihrer Position anzuordnen. Sie sehen jetzt die 50 Knoten mit entsprechenden ETT Link-Metrik (in us) zum Zeitpunkt des Simulationsendes (Zur ETT Metrik siehe Literatur; Beachten Sie, dass die Link-Table immer eine Momentaufnahme zu einem Zeitpunkt ist!). Öffnen Sie den Forward Graph („Global/Forward Graph“) und positionieren Sie die Knoten wie oben. Sie sehen den Fluss der Datenpakete durch das Netzwerk. Unter „Flow 0/Transport/troughput (avg’d)“ und „Flow 0/Transport/packet delay (avg’d)“ können Sie den Durchsatz und Delay auf Transport Layer einsehen. Das Werkzeug TcpTrace haben wir im vorangegangenen Praktikum kennengelernt. Unter „Flow 0/TcpTrace/Node 6/0.0.0.6…/*“ können Sie die Ausgaben von TcpTrace finden. Die Konfiguration ist unter „Global/Config“ einsehbar.Machen Sie sich mit der Spezifikation der Simulation in „SimTcpTest.py“ vertraut. Es wird ein Objekt der Klasse SimTcpTest angelegt und die Methode „run“ gerufen, die in der (Java)-Basisklasse „AbstractDriver“ definiert ist. Die Basisklasse stellt die Funktionalität zum Erzeugen und Ausführen von Simulationen bereit. Durch das Argument „--local“ wird die Methode „runLocal“ in der Test-Klasse gerufen, die ein Parameter-Objekt (der Klasse „AbstractParams“) anlegt und mittels „run“ dem Treiber zur Ausführung übergibt. Aktivieren Sie die TimeBar auf Radio-Ebene (handlerRadioTimeBarLevel=ALL in der Methode runLocal) und führen Sie die Simulation erneut mit GUI aus. In der GUI erscheint zusätzlich ein Item „Global/Radio/Packet Timebar“, dass Sie per Doppelklick öffnen können. Es wird die zeitliche Abfolge des Paketaustauschs sichtbar (Siehe dazu auch die zugehörige Wiki-Seite). Mit einem JMX Klienten (jconsole, visualvm, Eclipse Plugin) können Sie auch 'live' in einen Simulationsprozess hineinschauen.Definitionen von Szenarios mittels Paramtern und BuildernIm originalen JiST/SWANS werden Simulationen programmatisch zusammengebaut, indem einzelne Komponenten instanziiert und verbunden werden. Alternativ dazu haben wir im Brn.Sim eine deklarative Variante bereitgestellt, mit der Sie schon im vorangegangenen Beispiel in Kontakt gekommen sind. Ausgangspunkt ist der zentrale Simulationstreiber (AbstractDriver), der aus einem Parameter-Objekt das Szenario erzeugt („run“). Das Parameter-Objekt besteht dabei rekursiv aus weiteren Parametern, die jeweils einen fest zugeordneten Builder besitzen. Der Builder erzeugt zum Simulationsbeginn aus den gegebenen Parametern die Instanzen der Simulationskomponenten. Die Parameter können per Bean XML-Serialisierung in eine textuelle Darstellung gebracht werden, die dann beispielsweise in einer Datenbank bis zur Ausführung konserviert werden kann (Hinweis: JavaBeans Persistence setzt Bean-Konforme getter/setter voraus, siehe http://openbook.galileocomputing.de/javainsel8/javainsel_14_012.htm#mj959bf4fd5b6793fae188bfdb4278f659). Die Definition eines Simulationsszenarios besteht in der Regel in der Zusammenstellung eines Parameter-Objekts. Reicht dazu die Darstellbarkeit der Parameter nicht aus, kann auch auf einen abgeleiteten Simulationstreiber bzw. abgeleitete Parameter ausgewichen werden. Sie finden die Builder im Package „brn.sim.builder“.Erfassung und Speicherung der SimulationsergebnisseUm Datenerfassung und Simulationsmodelle nicht unnötig zu verflechten, benutzen wir eine zusätzliche Indirektion in Form von Events. Geschieht im Simulationscode etwas bemerkenswertes, dann wird ein bezeichnendes Event ausgelöst: Empfängt beispielsweise der IEEE 802.11 MAC ein Paket, dann wird das „AbstractMac.receiveEvent“ ausgelöst. Zur Auswertung können Handler für die verschiedenen Events installiert werden. Im Package „brn.sim.handler“ finden Sie die bereits existierenden Handler. In den Parametern können sie Handler individuell aktivieren (siehe „AbstractParams.handler*“).Zur strukturierten Speicherung von Ergebnissen steht der zentrale DataManger zur Verfügung. Dieser unterstützt die Speicherung in Dateien (Ascii oder Binary) oder in einer Datenbank (Binary oder mit Hibernate-Mapping), von der die favorisierte Variante „Binary Database“ ist. Mit dem DataManager können verschiedene DataContributions verwaltet werden. Es existiert eine Unterstützung für Properties, Diagramme (Wertpaare), Parameter und verschiedene Graphen. Aktivieren Sie die Speicherung in der Datenbank in „SimTcpTest.py“ („params.db = True“), und passen Sie ggf. die Zugangsinformationen in den Parametern an. Richten Sie die Simulations-Datenbank ein: Starten Sie den MySQL Datenbankserver und legen Sie einen Simulations-Nutzer an (Bspw. „create user 'distsim'@’localhost’ identified by 'distsim'; grant all on *.* to 'distsim’@’localhost’;“). Erstellen Sie eine Simulations-Datenbank (“ant db-init -Ddb.name=’simulation’”). Starten Sie jetzt die Simulation. Öffnen Sie nach deren Ende die Brn.Gui und wählen Sie als „Data Source“ den Eintrag „Database“. Füllen Sie die Felder „Database“, „Db Host“, „Db User“ und „Db Password“ aus. Die „Job Id“ wird selbstständig von der Datenbank vergeben. Betätigen Sie den Butten „Open Database Browser“ in der Toolbar und navigieren Sie zur Studie „test“ (Falls der MySQL Treiber nicht gefunden wurde, müssen Sie diesen unter „plugins/org.eclipse.birt.report.data.oda.jdbc*/drivers“ ergänzen). Wählen Sie die passende „Job Id“ aus und klicken Sie auf „Listen“, um die Simulationsergebnisse zu öffnen. Die Bedienung ist nun analog zu dem bereits oben Beschriebenen.Automatisierte Ausführung von Simulationen mittels Brn.DistsimDie automatisierte Ausführung von Simulationen ist besonders hilfreich, wenn man viele Simulationen mit verschiedenen Parametern ausführen will. Zusätzlich kann man dabei mehrere Prozessoren oder Rechner benutzen, um di e Gesamt-Simulationszeit zu verkürzen. Wir wollen uns in dem folgenden Beispiel auf das erstgenannte Feature beschränken. In diesem Fall wird nur ein einziger Simulationsrechner benutzt, daher können wir das Simulations-Archiv „distsim.zip“ mit allen Quellen im lokalen Dateisystem hinterlegen (Im Falle der Verteilung bräuchten wir zusätzlich einen FTP-Server). Mit dem Aufruf „ant distsim-local-jpy -Ddriver.class=res/test/SimDiversityThroughput.py -Ddriver.version=Single01.4” hinterlegen Sie die Simulationsdefinitionen in der Datenbank. Sie können die generierten Simulationen und den Bearbeitungsstand der Simulation mit dem „Database Browser“ in der Brn.Gui einsehen. Öffnen Sie das Programm „SimDiversityThroughput.py.“ Die Klasse „SimDiversityThroughput“ ist wieder von „AbstractDriver“ abgeleitet und überschreibt die Methode „getSimulationSuite“. Diese Methode generiert in Abhängigkeit der angegebenen Version eine Liste von Parameter-Objekten, die für eine spätere Bearbeitung in der Datenbank hinterlegt werden.Zum Ausführen der gespeicherten Simulationen steht der Wrapper bereit. Wechseln Sie in das Verzeichnis „brn.distsim.wrapper“ und starten Sie „ant run-jmx -Dbrn.distsim.jmxremote.http.port=8080“. Auf Port 8080 öffnet der Wrapper ein Administrationsinterface. Rufen Sie über dieses die Funktion „startWrapperAll“ mit den Parametern „hostname 1:1“ und den Datenbank-Zugangsdaten auf, wobei für hostname der entsprechende Hostname anzugeben ist. Dadurch wird eine Wrapper-Instanz auf dem lokalen System gestartet, die Simulationen aus der angegebenen Datenbank bearbeitet. Analog kann über „stopWrapperAll“ der Wrapper gestoppt werden. Im „Database Browser“ sollte nun der veränderte Bearbeitungsstatus angezeigt werden. Es stehen weitere Ant Targets zur Maintenance der Datenbank zur Verfügung („ant db-*“), beispielsweise um eine noch aktive Studie komplett als abgebrochen zu markieren. Wollen Sie eine gespeicherte Simulation reproduzieren (beispielsweise weil diese zu einem Fehler führte), dann reicht es, die XML-Konfiguration aus dem „Database Browser“ in eine Datei zu speichern und dem Simulationstreiber per „runFile“ bzw. über die Kommandozeile per „--file“ zu übergeben. Zur Auswertung kann die Methode „AbstractDriver. evalSimulationResults“ überschrieben werden, die über das Ant Target „distsim-eval-jpy“ aufgerufen wird. Ein Beispiel dazu ist auch in „SimDiversityThroughput.py“ zu finden. Beachten Sie, dass in dem Beispiel binär aus der Datenbank gelesen wird („DbBinaryLoader“), geschrieben wird aber mit Hilfe eines dynamischen Hibernate-Mappings („DbSaver“). Die zu ladenden Objekte werden über ihren Namen und Pfad (so wie in der GUI ersichtlich) referenziert. Die Speicherung per Hibernate Mapping hat den Vorteil, dass man die erzeugten Daten einfach in Office-Tools weiterverarbeiten kann (nach entsprechenden Joins). Weitere Einzelheiten zum Distsim-Framework können Sie der entsprechenden Studienarbeit entnehmen.Integration des Click Modular Router mittels brn.jist.clickIn Click ist ein zwei-stufiger Ansatz vergleichbar mit GnuRadio umgesetzt: Die Basisblöcke sind Paket-orientierte Elemente, die in C++ implementiert sind. Diese können mit Hilfe der Click-Sprache in Form von Datenflussgraphen zusammengesetzt werden. Weitere Informationen und Tutorials sind auf der Website des Projekts zu finden. Die Click-Konfiguration des BRN liegt unter „click/configurations/main“ und ist in mehrere Teile gegliedert. Die Konfigurationen für die Simulation und die reale Hardware unterscheiden sich leicht: Die Elemente „ToDevice“, „FromDevice“, etc. sind nur auf realer Hardware verfügbar, in der Simulation weichen wir auf die Elemente „ToSimDevice“, etc. aus. Dazu reicht es, in der Konfiguration die Includes auszutauschen. In der Simulation benutzen wir eine bereits expandierte Konfiguration, in der die nötigen Änderungen schon enthalten sind (siehe dazu „brn.jist.rtp/res/click/meshnode.click“). Der Click Router in Brn.Sim ersetzt den Net und Routing Layer des Simulators. Zusätzlich muss ein angepasster Mac verwendet werden, der die Konvertierung der Pakete in das von Click erwartete Format vornimmt.Das Paket nsclick kombiniert Click und den Netzwerksimulator ns-2 (siehe Literatur). Analog dazu macht es das Projekt „brn.jist.click“ möglich, einen in Click verfassten Router in Brn.Sim zu simulieren. Übersetzen Sie dazu die Quellen des BRN mit den Optionen „--disable-userlevel --disable-linuxmodule --enable-nsclick --enable-jistclick --enable-gateway --enable-dhcp --enable-analysis“ (in VMWare schon vorbereitet). Betrachten wir zum Einstieg ein Beispiel: Wechseln Sie in das Verzeichnis „brn.jist.rtp“ und führen Sie die Simulation RtpTest mittels „ant run-jpy -Drun.class=res/test/RtpTest.py -Drun.args='--local'“ aus. Der Simulator erwartet, dass die Umgebungsvariable „CLICK_HOME“ auf das BRN-Verzeichnis zeigt (in unserem Fall auf „~/Projects/click/click-core), um den Click Router dynamisch laden zu können. In der Simulation wird ein bidirektionaler RTP Fluss zwischen zwei Knoten aufgesetzt, der mit Hilfe der Berlin RoofNet Software im Click geroutet wird. Die GUI kann den „Forward Graph“ nicht mehr anzeigen, da das Routing komplett in Click geschieht. Es gibt aber eine ClickGui (Parameter „clickGui“), mit der man live in den laufenden Router schauen kann, um beispielsweise die Link Table auszulesen. Zusätzlich kann man im Click Flussgraphen Debug-Elemente einbringen (bspw. Print oder ToDump, siehe dazu die Element-Übersicht auf der Click-Website), um die Vorgänge im Click nachzuvollziehen. Aktivieren Sie in der Simulation die Parameter „dumpNet“, „dumpMac“ und „handlerRadioTimeBar“, um Pcap-Dateien und die RadioTimebar zu generieren (Vorsicht: Die RadioTimebar hält alle gesendeten Pakete im Speicher; sie ist daher nur für 'kleine' Simulationen anwendbar). Versuchen Sie, die Aktivitäten in der RadioTimebar nachzuvollziehen. Der Inhalt der Pakete kann mittels Wireshark aus den Mac-Pcaps entnommen werden. Analysieren Sie die erzeugten Net-Pcap-Dateien im Wireshark („Statistics->RTP“, evtl. vorher als RTP kennzeichnen mittels Kontextmenü und „Decode as“).Aufgaben
Zusatz Mit dem Berlin RoofNet steht uns ein reales Maschennetzwerk auf IEEE 802.11 Basis zur Verfügung. Sie können Ihre Simulationsergebnisse zusätzlich im Berlin RoofNet validieren. Nehmen Sie dazu Kontakt mit Ihrem Praktikumsleiter auf, der Ihnen einen Zugang bereitstellt. Abzugeben sind
Literatur
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