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視覺化網路通訊協定模擬軟體 GloMoSim / QualNet

視覺化網路通訊協定模擬軟體 GloMoSim / QualNet. Presenter: 皮托科技 林舜英 工程師. 沿革 : GloMoSim, DARPA 於 ’ 97 – ’00 資助 UCLA 所作，目的在於對大 型異質網路作有效率的軟體模擬。. 當網路規模拓展至上萬個一直節點時，其網路效能為何？. 要使用哪一種路由演算法呢？. Mobile Ad Hoc Networks. 衛星通訊. QualNet Layered Architecture. 分層架構

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視覺化網路通訊協定模擬軟體 GloMoSim / QualNet

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Presentation Transcript

  1. 視覺化網路通訊協定模擬軟體GloMoSim / QualNet Presenter: 皮托科技 林舜英 工程師

  2. 沿革: GloMoSim, DARPA 於 ’97 – ’00 資助 UCLA 所作，目的在於對大 型異質網路作有效率的軟體模擬。 當網路規模拓展至上萬個一直節點時，其網路效能為何？ 要使用哪一種路由演算法呢？ Mobile Ad Hoc Networks 衛星通訊

  3. QualNetLayeredArchitecture • 分層架構 • 使用一種類似於現行網路系統的層架構，並在相鄰層間定義清楚的函式介面( APIs )。 • 網路模擬能力( Network Emulation )可藉由理論模型與現行網路之間的程式移植而達成。

  4. QualNetIP Network Emulation 匯入真實封包 匯出真實封包 Qualnet host

  5. Network Emulator • Webcam將即時影像封包輸入Qualnet host • Qualnet接收一個接一個的封包,並且因background traffic的影響產生delay • 當Qualnet內的模擬事件發生時,封包傳送便停止 • 模擬事件可包含:地形影響、ad hoc routing、連線中斷、propagation model、移動式通訊通訊裝置…等等

  6. QualNetDesktopIcon • 三個桌面圖示 • 命令列Command Line • 整合發展環境QualNet Developer IDE • Network layout (Scenario Designer) • Run and visualize scenario (Animator) • Review results (Analyzer) • Packet Tracing (Tracer) • 3D Visualizer

  7. QualNet PARSEC simulation language 使用PARSEC模擬語言 • 可在多種不同平行架構上，使用多種不同平行模擬協定，執行事件觸發模擬模型。 • 可從基本模擬協定中，清楚地分辨出模擬模型的描述，並判斷出其為串連或平行後，才開始執行。 不要求使用者是PARSEC專家，C code可完全融入PARSEC函數中！ • GloMoSim定義任兩層間的溝通,標準與API（詳細說明任兩相鄰層間參數交換與服務）。 • 允許不同的使用者在不同層加入自製協定模型。 • 實際操作語法可輕易地與GloMoSim合為一體。 • 若所有的協定模型都遵照嚴格的API，則特定層的協定轉換絕對可行。模組工具允許多重協定與某層各函數的比較。

  8. QualNetModel Fidelity模型精確性 • 所有模型都附有驗證測試資料 • 與其他模擬器模型作驗證： • 如 QualNet 802.11 DCF 模型 • 和已公佈結果作驗證 • 如 TCP variants, queue management(RED, etc.) • 對主要協定提供細部驗證資料 • TCP variants, BGP, OSPF, DVMRP, RED, W-RED, … • 透過實際上的量測來驗證 QualNet 模型 • 802.11, MANET • 由 DARPA FCS-Communications program 資助

  9. SNR SNR Threshold {(1 – BER1)^N1} X … X {(1 – BER7)^N7 } 精確性的重要 100 節點實驗劇本 (Das et al INFOCOM 2000) • 移動性 Random waypoint (0-20 m/s with 100s pause) • 傳遞 2-ray with Rayleigh, Ricean (K = 5)andno fading • 實體層 IEEE 802.11 DSSS PHY with BER andSNRT • MAC 子層 IEEE 802.11 DCF MAC • 網路層 IP with FIFO queue (100 packets max) • 路由 AODV and DSR • 應用層 CBR (40 sessions, 512 byte packets, 2.666 pps)

  10. 精確性的重要 • 單一資料結果和 INFOCOM 論文集相同 • 傳遞模式 (輸入到實體層) 將會大幅影響高層協定的效能 • 衰減模式 (none, Ricean and Rayleigh) • 封包接收模式 (SNRT and BER) • 預測封包傳遞比率 (predicted packet delivery ratios ,PDR)會因實體通道模式而有 300%的變動，並且影響通訊協定評等！ MobiHoc 2001

  11. 驗證範例 以模組區分

  12. QualNetDirectoryArchitecture

  13. QualNet 模組介紹 • Scenario Designer : A model setup tool that allows users to set up geographical distribution, physical connections, and the functional parameters. • Animator: Offers in-depth visialization and analysis. As simulation are running, user can watch traffic flow through the network and view dynamic graphs of critical performance metrics. Users can also assign jobs to run in batch mode on a faster server and view the animated data later.

  14. QualNet 模組介紹 • 3D Visualizer: New for QualNet 4.0, the 3D Visualizer is a QT-based tool for rich animations of network simulations. Users set up QualNet scenarios in QualNet Scenario Designer and then send the simuation to the 3D Visualizer for animation. • Interface to STK/Connect*: QualNet has the ability to connect to Satellite Tool Kit and other 3D visualiztion tools to enable very realistic 3D visualization.

  15. QualNet 模組介紹 • Analyzer: A statistical graphing tool that displays hundreds of metrics. Users can choose to see pre-designed reports or customize graphs with their own statistocs. Real-time statistics are also an option, where users can view metrics as they are generated while a simulation is running. Multi-experiment reports are also available. All graphs are exportable to spreadsheets. • Packet Tracer: A packet-level visualization tool for viewing the contents of a packet as it goes up and down the network stack. This is a valuable debugging tool.

  16. QualNet 4.0 Libraries Application: CBR, VBR, FTP, HTTP, Telnet, Traffic-Gen Transport: UDP, TCP (Lite, Reno, New Reno, SACK, Tahoe), dump Queuing & Scheduling: FIFO, CBQ, RED, RIO, SCFQ, Strict Priority, WFQ, WRR… Network: IPv4, IPv6, IPSec, ICMP, ARP… MAC: 802.3, Wired & wireless point-to-point, Satellite 802.11 PHY/MAC: a, b, g, e (EDCA & HCCA) Propagation: Two-Ray, Free Space, ITM Fading: Rayleigh, Ricean, High-Speed Modulation: BPSK+T, CCK, DPSK, DQPSK,GMSK,QAM+C Mobility: Random Waypoint, Group, Pedestrian, Trace Routing: Ad-hoc (AODV, DSR, IARP, Fisheye, OLSR, ZRP… Developer Wireless Application: VOIP (H.225, H.323, SIP) QoS: DiffServ, MPLS, Per-Hop-Behavior Routing: BGP, OSPF, QOSPF, Route Map, MOSPF, PIM, DVMRP Others: RTCP, GARP, GVRP, VLAN, Spanning Tree Multimedia & Enterprise

  17. QualNet 4.0 Libraries Urban: COST231-Hata, Cost231-Walfish-Ikegami, Lee’s Street Microcell ALE/ASAPS TIREM Abstract Cellular, GSM, User Behavior Models Link 11, Link 16, SINCGARS, EPLRS, CTDB 7, CTDB 8 IP Network Emulation Propagation Cellular Military IPNE IEEE 802.16 and 802.16e: PHY & MAC Advanced Wireless (WiMAX)

  18. WiMAX Library* • 針對長距離範圍的高傳輸速率（high-throughput）無線廣播。

  19. WiMAX 802.16 & 802.16e

  20. QualNet 的四大模組 • Scenario Designer • Animator • Analyzer • Packet Tracker Simulator

  21. GUI與命令列的關係 Scenario Designer 文字編輯器 GUI 劇本 (.scn) Simulator Run 執行scn劇本檔 Import Scenario 系統會複製一份 劇本(含.scn) 避免損壞原範例 .trace file .config file .stat file Run Scenario 模擬器編譯劇本 模擬器將資料丟到GUI顯示 GUI顯示Analyzer Analyzer Packet tracer 在GUI顯示動畫 Animator

  22. QualNet 進階無線 – 介紹 • MAC • 座標系統 • 無線 • 地形 Terrain • 徑損模型 Pathloss Models • 陰影模型 Shadowing & Fading • 實體層 Physical • 雜訊與天線 Noise & Antennas

  23. QualNet 進階無線 – 路由協定 多點路由協定 • ODMRP • 針對無線隨意網路 • 遵照 • draft-ietf-manet-odmrp-02.txt • draft-ietf-manet-odmrp-04.txt • draft-yi-manet-pc-00.txt

  24. QualNet 進階無線 – MAC協定 • MACProtocols • 802.11 / 802.11e • 802.16 / 802.16e • Legacy 802.11 • ALE • GSM • Satellite • CSMA • MACA • TDMA • Link-11 • Link-16* • ALOHA • Generic • * Export controlled

  25. QualNet 進階802.11 [e] • 802.11 / 802.11e • DCF or PCF • AP functionalities • 基礎建設網路(Infrastructure)或隨意存取網路(Ad Hoc) • 節能模式(Power save) • EDCA [.11e] & HCCA [.11e] • PHY layer – a or b

  26. QualNet 進階802.16 & .16e • WiMAX • 頻寬可達 70Mbps • 無線電波範圍可達 50km/31 miles • 802.16 主要優點包含: • 高頻寬 • 廣大的傳輸範圍 • QoS 保證 • 內建網路安全 • 高效益快速部署最先一哩 • 取代WiFi 和 3G/4G的最佳選擇

  27. QualNet 進階802.16 & .16e • WiMAX • 基本元件 • 基地台 [BS] • 服務經過認證的用戶端 • Subscriber Stations • 用戶端 [SS] • 商業用戶 • 住宅區 • 熱點 • 基本操作模式 • Point to Multi-Point (PMP) • 1 Hop

  28. QualNet 進階802.16 & .16e • 特點 – Physical Model • OFDMA physical model. • 支援多樣化的通道頻寬 • 支援多重FFT size • 支援多重循環前置（cyclic prefix） • 支援多重傳輸率（Multiple data rates） • 以Threshold值為基礎的接收品質評估

  29. QualNet 進階802.16 • MAC 訊框架構 • 根據訊號強度提供各種不同的訊號特性和資料傳輸率 • 支援廣播與多重傳送流 • 會聚次層 (CS) • 提供網路層的其他網路介面，如 ATM, 802.3, 802.11 • 支援 802.16 OFDMA PHY • 特點 – MAC Model • Point to Multi-Point (PMP) 模式 • Time Division Duplex (TDD) 模式 • 加入網路與初始化 • 動態流量管控，包含服務流的加入，刪除與變更 • 頻寬管理 • 基地台的排程服務

  30. QualNet 進階802.16 • 匯聚次層不支援 ATM. • 沒有封包標頭壓縮 • 不支援 SC, SCa PHYs • 僅有CBR應用可提供 QoS參數，其他應用皆依據其服務型態使用預設的QoS參數 • 沒有定義清楚的許可控制 • 不包含的特點 – MAC Model: • Mesh 模式 • Frequency Division Duplex (FDD) 模式 • 協定數據(PDU)的 packing/unpacking, fragmentation/reassembly 與循環冗贅核對(CRC) • 測距期間調整傳輸功率 • 以CDMA為基礎的測距方式和 OFDMA PHY的頻寬要求 • PKM 安全特性

  31. QualNet 進階802.16[e] Mobility • 802.16e MAC存取網路支援移動性

  32. QualNet 進階802.16[e] Mobility • 支援 fixed 和 mobile 兩種模式 • 用戶端節點為移動節點 • 移動節點從一個基地台轉換到另一個基地台 • 基地台資訊廣播 • 鄰近基地台掃描 • 基地台的移轉（Handover） • 骨幹網路

  33. QualNet 進階802.16e • 設備型態 • 用戶端 • Neighbor RSS trigger • Handover RSS trigger • Handover RSS margin • 基地台 • MAC frame duration • TDD downlink duration • TTG • RTG • SSTG

  34. QualNet 進階無線 – 地形 • 卡氏座標系統 • 針對較小範圍的地形可以忽略地球曲率 • 軟體運算較少

  35. QualNet 進階無線 – 地形 • 球面座標系統 (考慮經緯度與海拔高度) • 針對較大的地形，地球的曲率是不可忽略 • 假設地球為半徑R = 6375km的圓 • 與卡氏座標系統相較，需要較高的軟體運算以求得距離與角度

  36. QualNet 進階無線 – 地形 • USGS DEM (DTED) 介面 • 只包含網格中的高度資料 • 網格大小 : 3 arc-seconds • DEM 地型資料可由 USGS 網站取得 • 移動相關參數 • MOBILITY-GROUND-NODE {YES, NO} • TERRAIN-TYPE {CTDB, DEM, DTED} • DEM-FILENAME • DTED-FILENAME • CTDB-FILENAME

  37. QualNet 進階無線 – 地形 • CTDB 7 & 8 (Compact Terrain Database) • 用網格或TIN (Triangulated Irregular Network)多邊形表示高度資料 • 資料庫中的地形特徵，網格資料庫的特徵列表或TIN資料庫中的地形元素: • 建築物 (不可穿透結構物) • 樹 (獨立樹、樹線(tree lines) 和樹蓬(canopies)) • 線性特徵Linear features (道路和河流) • 以Ft. Knox and Bosnia (FCC2) 地形資料測試

  38. QualNet 進階無線 – 地形 • Urban 地形特點 • XML格式 • 街道、交叉路口、建築物、公園、 車站…等等 • 藉由物件的面數來定義3D組織 • 每個劇本可使用多個地形檔案 • 交叉路口可使用同步交通號誌來表示

  39. QualNet 進階無線 – 行人 • 行人在都會地形中的移動性 • 在行人移動模型中，代表行人的節點可沿著街道移動，並進入或面對指定區域 (e.g. 公園、車站) • 定義街道、公園和車站的資料必須為XML格式 • 交通號誌行為可描述於該檔案，或藉由模擬器產生

  40. QualNet 進階無線 – 行人 • 行人在都會地形中的移動性 • 行人的移動參數目前還不能在GUI介面設定 • 如右所示，匯入行人移動檔的劇本可在QualNet模擬器中執行

  41. QualNet 進階無線 – 行人 • 行人移動參數 • Node placement 和 mobility 都必須設定為 pedestrian. NODE-PLACEMENT PEDESTRIAN MOBILITY PEDESTRIAN-MOBILITY • 可設定特定群組的移動性為pedestrians. [1 thru 100] NODE-PLACEMENT PEDESTRIAN [1 thru 100] MOBILITY PEDESTRIAN-MOBILITY • 行人將依據道路或公園的擁擠程度，決定其移動速度為何，且速度介於default speed和minimum speed之間 • 速度的單位為meters/sec PEDESTRIAN-MOBILITY-DEFAULT-SPEED 1.3 PEDESTRIAN-MOBILITY-MINIMUM-SPEED 0.1

  42. QualNet 進階無線 – 使用者行為 • 使用者行為模型 • 在使用者行為模型中，應用可自動產生 • 應用的產生將依據使用者狀態(該狀態將影響訊務封包特徵) • 如下所示，在使用者設定檔(ie. cellular-user.pf)中具體描述使用者設定 USER-PROFILE young AGE UNI[10,30] SEX UNI[0,1] USER-STATUS before-fireworks TRAFFIC-PATTERN active USER-STATUS during-fireworks TRAFFIC-PATTERN inactive USER-STATUS after-fireworks TRAFFIC-PATTERN active USER-STATUS default TRAFFIC-PATTERN medium . . .

  43. QualNet 進階無線 – 徑損模型 • 徑損模型Path Loss Models: • 計算傳遞延遲（propagation delay）、徑損（path loss）和到達角度（AOA） • Map shadowing 增益（或損失） • 這裡不考慮天線增益（antenna gains），因為訊號再沒有移動的狀況下會改變 • 給實體層的結果 • 傳遞延遲Propagation delay • 徑損Path loss • 到達角度 AOA (angle of arrival)

  44. QualNet 進階無線 – 徑損模型 • QualNet支援的徑損模型包含: • Two Ray • Free Space • ASAPS • Irregular Terrain Model • TIREM • Pathloss Matrix • URBAN-MODEL-AUTOSELECT • COST231-WALFISH-IKEGAMI • OKUMURA-HATA • COST231-HATA

  45. d hTX d’ hRX QualNet 進階無線 – 徑損模型 • 非地型基準 ( Non-terrain based ) 徑損模式： • (Friis) 自由空間 (Free space) • 代表它的徑損乘羃 ( exponent ) 是 2.0。 • 可以和 陰影 (shadowing) 與 衰減 (fading) 結合。 • 二路法 ( Two-ray ) • 考慮來自地面的反射訊號 • 近距離使用自由空間徑損模式 • 遠距離使用 乘羃 4.0 模式 • 在遠距時，徑損不會依頻率而變 (frequency independent) (是距離與天線高度的函式)。

  46. QualNet 進階無線 – 徑損模型 • 地型基準 ( Terrain based ) 徑損模式： • ITS (Institute for Telecommunication Sciences)不規則地型模式 ITM (Irregular Terrain Model) • A.k.a. Longley-Rice • 有 點對點模式 (point-to-point model) 與 區域模式 (area mode) • 點對點模式和 TIREM 相仿 • 不像 TIREM ，它沒有發表限制。 • 整合地型的粗糙地球模型 TIREM ( The Terrain-Integrated-Rough-Earth Model ) 在 Fresnel zones中，考慮地型干擾來決定衍射程度。

  47. QualNet 進階無線 – 徑損模型 • 考量地形的徑損模型 (cont.) • ASAPS • 針對 HF radios • QualNet僅針對此模型提供介面 • Pathloss Matrix • 依據所匯入的檔案

  48. QualNet 進階無線 – 徑損模型 • 考量地形的徑損模型 (cont.) • 自動選取都會模型 • QualNet內建智慧型選項，根據節點的位置與都會地形特點選擇模型 • QualNet可針對每個來源－目的對選擇不同的徑損模型， 節點的移動亦會造成模型的改變

  49. QualNet 進階無線 – 徑損模型 • 考量地形的徑損模型 (cont.) • 自動選取都會模型 • Free-Space Air-to-air(空對空): 位於街道上(高樓間)的節點皆會考量 • COST Walfish-Ikegami(電波傳波衰減計算模式): 街道上的節點與建築物內的節點，考慮高度上的差異 • Street Microcell: 比鄰街道間的節點，考慮LoS(線性距離)或NLoS(非線性距離) 傳遞模型，當建築物轉角的衍射(diffraction)發生時使用NLoS • Street mobile-to-mobile propagation: 針對都會區中，來源端與目的端透過障礙物(包含建築物內的障礙物)進行溝通時，提供徑損模型

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