노드와 링크의 조합으로 이루어진 네트워크에는 데이터의 트래픽 조절과 혼잡 제어가 필요합니다.

네트워크 디자이너들은 이러한 네트워크를 실제로 구현하기에 앞서 다룬 수학적인 방법과 ns-nam과 같은 소프트웨어 툴 등을 사용하여 네트워크를 구성하고 평가하여 엔지니어로서의 ‘자원의 효율적인 사용’이란 목적을 달성해야 합니다. 오늘은 이러한 네트워크 디자이너가 되기 위한 연재의 마지막 시간입니다.

네트워크 디자이너와 고속도로 디자이너는 목적지에서 출발지로 의미가 있는 단위를 전송하는 역할을 한다는 점에서 유사하지만 구현의 측면에서는 차이점이 많습니다. 예를 들면 고속도로는 그 구현과 상태가 실생활에서 드러나지만, 네트워크 디자인은 사용자에게 보이지 않고 느껴지지 않도록 구현한다는 점을 들 수 있습니다. 이러한 이론과 현실의 괴리로부터 이론적으로 네트워크를 공부한 사람들이 실제로 장비를 사용하여 네트워크를 구현할 때 어려움을 겪게 됩니다.

만약 실제의 구현에 앞서 신뢰성 높은 소프트웨어로 많은 연습을 해 볼 수 있다면, 그리고 가시적인 구현을 통해 전체적인 네트워크의 그림을 그릴 수 있다면 어떨까요? 분명 네트워크 디자이너들에겐 효과(Effectiveness)와 효율(Efficiency) 높은 무엇보다도 훌륭한 툴이 되어줄 것입니다. 이러한 목적을 가지고 네트워크디자이너들은 소프트웨어 툴을 개발하게 되었고 그 중에 대표적인 것이 바로 지금 소개할 NS-NAM(NS version 2)입니다.

NS-NAM은 Network Simulator-Network AniMator의 약자로 USC(University of Southern California)의 ISI(Information Sciences Institute)와 UCB(University of California at Berkeley), CMU(Carnegie Mellon University) 등에서 연구하는 Network Designer들과 석학들이 함께 모여 만든 소프트웨어 시뮬레이션 툴입니다. NS-NAM은 C++를 사용하여 개발되었습니다.

객체지향 특성의 Otcl(티클)이라는 스크립트를 작성하여 컴파일 후 네트워크의 상태를 애니메이션 효과 등을 통해 볼 수 있는 툴로써, 플랫폼에 상관없는 이식성과 확장성을 가지고 있습니다. 또한 x-graph라는 그래프 분석 툴을 사용하여 네트워크 디자인을 하드웨어의 구현 없이 분석할 수 있습니다.

이러한 NS-NAM은 기존의 수학적인 툴이 부분적인 분석에 제한적으로 사용되는 점을 보완하여 네트워크를 전체적인 그림에서 이해할 수 있는 장점이 있습니다. 또한 객체지향의 특성에서 비롯하여 완성된 네트워크를 하나의 모듈(Module)처럼 사용하여 또 다른 네트워크 디자인이나 협동 작업에 쉽게 사용할 수 있습니다.

이러한 확장성은 NS-NAM이 다양한 네트워크 프로토콜들과 인터넷 라우팅(routing), 다양한 큐잉(queuing) 모델들을 사용할 수 있도록 했습니다. 하지만 NS-NAM도 완벽한 툴이 되지 못하는 단점이 있습니다(물론 계속 발전하고 있습니다). 대표적인 것은 레이어 3 이하에 관한 것들을 무시하고 있는 것과 .tcl로 이루어진 코딩이 처음 사용하는 사람들에게 문법적으로나 표현적으로나 어려울 수도 있다는 것입니다.

그래도 NS-NAM은 현재 세계적으로 가장 많이 사용되고 있으며 앞으로 단계적으로 완성도를 더해갈 것을 기대해 볼 수 있기에 ‘초보자를 위한 네트워크 3회 연재’에서 ‘NS-NAM으로 해본 Network Design Software Simulation’이란 제목으로 간단한 예제로 NS-NAM을 실습하여 소개하는 기회로 삼겠습니다.

네트워크 구성, 토폴로지
본격적인 NS-NAM의 설명에 앞서 NS-NAM을 이용해 다양하게 디자인할 수 있기 위해 네트워크의 기본적인 토폴로지(topology)에 관해 소개하겠습니다. 토폴로지란 네트워크를 이루는 링크에 연결된 노드의 물리적인 배열을 말합니다. 다시 쉽게 말하자면 노드를 물리적으로 잇는 방법이라고 할 수 있겠습니다. 이러한 네트워크 토폴로지에는, <그림 1>과 같이 점대점(point to point), 버스(bus), 트리(tree), 링(ring), 그리고 스타(star) 등의 형태를 가지고 있습니다.

점대점 토폴로지는 가장 단순한 형태의 그것으로 전송 노드와 수신 노드가 단순하게 점대점으로 연결된 상태입니다. 버스 토폴로지(bus topology)는 네트워크 스테이션에서 시작된 전송이 미디어의 길이를 따라 전달돼 다른 모든 스테이션이 수신하게 되는 것입니다. 트리 토폴로지(tree topology)는 다수의 노드가 있는 브랜치를 포함시킬 수 있는 나무가지 형태의 토폴로지입니다. 스테이션에서 보내는 전송은 미디어의 길이 방향으로 전달되며, 다른 모든 스테이션에서 수신하게 됩니다.

링형 토폴로지(ring topology)는 단 방향 전송 링크에 의해 서로 연결돼 하나의 폐쇄 루프를 형성하는 일련의 리피터들로 구성된 네트워크 토폴로지로 네트워크상의 각 스테이션은 리피터에서 네트워크로 연결됩니다. 링형 토폴로지는 폐쇄 루프의 별 모양으로 구성되는 경우도 많습니다. 스타형 토폴로지(star topology)는 네트워크의 엔드 포인트들이 점대점 링크 방식으로 공용 중앙 스위치로 연결돼 있는 LAN 토폴로지입니다.

이러한 토폴로지에 관한 지식은 앞으로 여러분이 네트워크를 물리적으로 디자인할 때 가장 먼저 생각해야 할 단계가 될 것입니다. NS-NAM으로 구현할 수 있는 방법이 되어 줄 것입니다. 이러한 토폴로지는 우리가 앞으로 NS-NAM으로 다루게 될 예제를 통해서 시각적으로 뿐만 아니라 프로그램적으로도 구현될 것입니다.

<그림 1> 여러 가지 모양의 기본 네트워크 토폴로지

NS-NAM 설치하기
NS-NAM은 플랫폼에 상관없이(Platform-regardless) 사용이 가능한 프로그램입니다. 다시 말해서 유닉스, 리눅스, 윈도우 등 어떤 OS에서도 사용이 가능합니다. 하지만 유닉스 계열(Most UNIX and UNIX-like systems) OS에서 사용이 편리합니다. 윈도우 환경에서 사용하기 위해서는 CIGWIN(http://www.cygwin.com/)이라는 윈도우 환경에서 유닉스 환경을 만들어 줄 수 있는 프로그램을 먼저 설치해야 하는 번거로움이 있으며 이러한 방법은 NS-NAM설치 후 모든 상태를 점검하는 Validation Test가 실행이 안 되는 단점이 있습니다. 때문에 유닉스 환경에서 실습할 수 없는 독자들의 경우 리눅스를 먼저 설치하고 NS-NAM을 실행하기를 추천합니다.

NS-NAM 내려받기
유닉스 환경이 완성되었다면 NS-2 소프트웨어를 다운받아 보겠습니다. NS-2는 NS-NAM 실행을 위한 여러 가지 응용 프로그램들이 들어 있는 NS 버전 2 프로그램입니다. 낯선 유닉스 환경에서 설치가 어려울 수도 있으나 차분한 마음으로 하나씩 함께 시작해 봅시다.

우선 http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-build.html에서 버전 2.28의 NS-2를 다운받아 보세요. 화면에서 ‘Where to Start’를 찾고 ‘All at Once’를 클릭하여 250MB의 current release 2.28, ns-allinone-2.28.tar.gz(릴리즈 버전은 추후에 업데이트될 수 있습니다)를 여러분의 사용 컴퓨터에 ~/ns 디렉토리를 만들어 다운받습니다. 그 후 다음의 명령어를 순차적으로 입력하여 압축을 풀고 설치합니다.

<화면 1> 성공적인 설치 후 나타나는 메시지 화면

./install을 성공적으로 실행시키고 나면 <화면 2>와 같은 메시지가 나타나고 프로그램 설치가 성공적으로 완료되었음을 나타냅니다. 하지만 끝이 아닙니다. 화면에는 성공적으로 설치가 되었다는 메시지가 나오지만 메시지 하반부에는 여러분의 컴퓨팅 환경에 맞게 단계별로 해야 할 일들이 자동으로 나타납니다. 디렉토리는 독자마다 다를 수 있으니 주의하여 살펴보기 바랍니다.

두려워하지 말고 차분차분 환경설정을 메시지에 나온 대로 해나가겠습니다. 환경설정을 마무리했다면, ns-2.28 디렉토리로 옮긴 후 ./validate를 실행해 봅니다. Validate를 성공적으로 실행하면 다양한 예제들이 컴파일된 후 자동적으로 NAM으로 네트워크가 나타납니다. 이제 여러분은 NS-NAM을 성공적으로 설치한 것입니다.

NS-NAM은 어떤 구조로 이루어 졌을까?
Network Simulator, NS는 네트워크 시뮬레이션을 위한 컴퓨터 언어 Object-oriented TcL(OTcl)를 컴파일하는 인터프리터(interpreter)입니다. 다시 말해서 NS-2를 사용하기 위해선 OTcl 언어를 사용하여 프로그램을 짜야 합니다. OTcl 스크립트는 프로그램이 이벤트 스케쥴러를 초기화하고 NS-2 라이브러리에 있는 네트워크 토포롤지들을 준비하여 각각의 네트워크 이벤트에 따른 전송 노드에서 수신 노드까지의 데이터의 흐름을 결정하게 됩니다.

NS-2에서 이벤트는 고급 사용자의 경우 기존의 OTcl 모듈들을 새롭게 작성한 OTcl 스크립트와 함께 컴파일하여 네트워크 컴포넌트로 사용하는데 그러기 위해서 새로 작성한 스크립트와 기존의 스크립트는 함께 컴파일되어야 합니다.

독자들이 작성하게 될 OTcl 파일(.tcl)을 컴파일하면 <그림 2>와 같은 이벤트가 일어납니다. 네트워크를 소프트웨어적으로 시뮬레이션한 후 그 결과를 기록한 파일 두 개가 생성되는데 그것이 out.nam과 out.tr입니다. out.nam은 Network-AniMator인 NAM의 실행을 위한 파일이며 out.tr은 네트워크에서 데이트의 흐름을 모니터링하고 시뮬레이션한 데이터의 각각의 이벤트에 따른 생성된 로그라고 할 수 있습니다.

<그림 2> .tcl 스크립트를 NS에서 실행했을 때의 전체 그림

NS-2를 사용하여 구현할 수 있는 네트워크 기능

1. Router queue Management Techniques DropTail, RED, CBQ 2. Multicasting 3. Simulation of wireless networks 4. Traffic Source Behaviour- www, CBR, VBR 5. Transport Agents- UDP/TCP 6. Routing 7. Packet flow 8. Network Topology 9. Applications- Telnet, FTP, Ping 10. Tracing Packets on all links/specific links

NAM
NAM은 네트워크 디자인의 특성상 쉽게 눈으로 볼 수 없었던 데이터의 흐름과 구현된 네트워크 토폴로지를 애니메이션 효과를 통해 제공하는 툴입니다. 이러한 기능은 .tcl 스크립트가 컴파일된 후 생성된 out.nam이라는 파일을 이용하여 실행되며 디자인된 네트워크의 시각적인 해석을 가능하게 합니다. 여타의 멀티미디어 플레이어와 같은 손쉬운 동작 방법으로 네트워크를 제어할 수 있으며 각각의 링크에 패킷들의 수나 전체 Throughput 등이 쉽게 마우스 동작으로 나타내 집니다. 또한 각각의 노드는 드래그 앤 드롭으로 생성되거나 이동될 수 있는 기능도 있습니다.

<화면 2> NAM 설명하기

X-Graph
X-Graph는 X-윈도우의 응용 프로그램으로 그래핑(graphing) 과 플로팅(plotting)을 할 수 있는 툴입니다. 이러한 코딩은 .tcl 스크립트가 컴파일된 후 생성된 out.tr 파일을 이용하여 나타나며 .tcl 스크립트에서 다음과 같은 약간의 코딩으로 사용될 수 있습니다.

proc finish{} {
global f0 f1 f2
#Close the output files
close $f0
close $f1
close $f2
#call X-Graph to display the results
exec xgraph out0.tr ?geometry 800x400 &
exit 0
}

<화면 3> X-Graph의 3개의 Trace 분석 화면

점대점 노드와 링크 따라하기
이제부터 NS-2로 네트워크를 구성하기 위한 단계입니다. 간단한 예제를 통해 본격적으로 NS-NAM을 실습해 보도록 하겠습니다. 우선 점대점 토폴로지로 이루어진 두 개의 노드와 한 개의 링크를 NS-2로 구현하고 NAM으로 확인해 보도록 하겠습니다. 우리가 구현할 네트워크의 필요사항(requirement)은 두 개의 노드(노드 ‘0’과 ‘1’)가 있고 그 노드 사이에는 듀플렉스(duplex)로 연결된 링크가 있어야 합니다.

그리고 데이터는 UDP(User Defined Protocol, 사용자가 데이터 전송 크기를 정할 수 있는 프로토콜)를 사용하여 보내지며 CBR(Constant Bit Rate, 데이터 전송의 흐름을 항상 일정한 비율로 하는 것)을 사용하여 5초 동안 데이터를 보내야 합니다. 그리고 마지막에 NAM을 호출하여 우리의 실습 네트워크 토폴로지를 눈으로 볼 수 있고 시뮬레이션하도록 합니다. 그럼 노드를 생성하는 것부터 시작해 보겠습니다.

노드 생성과 연결
NS-2에서도 네트워크는 노드와 링크로 이루어진다. 노드와 링크에 패킷 데이터를 보내기 위해서는 NS가 시작되는 시간, 데이터를 보내기 시작하는 시간, 데이터를 전송 마지막 시간 등의 시간에 대한 전체적인 이벤트의 스케쥴을 지정해야 합니다.

노드를 만들기 위해서는 ‘set’이라는 명령어를 사용합니다.

각각 ‘n0’와 ‘n1’을 지정하고 두 개의 노드 오브젝트를 생성했습니다. NAM에서 네트워크 흐름을 보기 좋게 나타내기 위해서 데이터 플로우에 색을 집어넣기도 하는데 방법은 다음과 같습니다. 색은 검정, 빨강, 파랑, 바다녹색 등이 있습니다.

생성된 노드를 링크로 연결하는 데에는 단 방향 전송(simplex)과 양 방향 전송(duplex)이 있습니다. 각각은 다음과 같이 설정됩니다.

밴드위스와 딜레이는 각각 1Mb와 10ms로 설정했으며 지난 호에 설명했던 큐는 먼저 들어온 데이터가 먼저 처리되는 FIFO(First In First Out)으로 설정하겠습니다. 이외에도 RED(Random Early Detection), Drop Tail, FQ(Fair Queuing) 등을 사용할 수 있습니다.

Agent와 애플리케이션
NS-2로 생성된 노드 오브젝트는 2개의 클래스를 사용하여 데이터 트래픽(traffic)을 생성합니다. 그것은 the class Agent and the class Application입니다. 각각의 노드는 데이터를 전송하고 수신하는 기능이 필요한데 이러한 일을 하는 것이 Agent입니다. 또한 Agent 위에 애플리케이션을 수행하게 되는 것입니다. 이러한 애플리케이션은 구현될 네트워크에서 데이터 트래픽의 종류를 결정하게 됩니다. NS-2에는 UDP와 TCP의 두 가지 Agent가 있습니다.

이 코드는 UDP Agent를 만들어서 n0 노드에 붙이고 Null Agent를 만들어서 데이터가 노드 n1에 붙여서 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이 데이터를 흐르게 만들어 줍니다.

이 TCP 코드는 TCP Agent를 우선 생성하여 노드, n0에 붙이고 n1은 TCPSink agent로 설정한 후 데이터가 n0에서 n1로 트래픽이 전송될 수 있도록 합니다. NS-2에서는 TCP, TCP/Reno, TCP/Vegas, TCP/Sack1, TCP/Fack, TCPSink 등의 다양한 TCP 타입이 지정될 수 있습니다.

NS-2에는 데이터를 전송하는 방법에 따라 다른 4개의 트래픽 애플리케이션이 있습니다. 가장 쉽게 사용되는, 항상 일정한 비율로 데이터를 전송한다는 의미의 CBR(Constant Bit Rate)을 살펴보겠습니다. Agent를 생성한 후 파라미터들을 사용하여 새로운 오브젝트를 하나 만듭니다(다음의 경우, my_cbr). 그리고 다시 agent에 연결하여 애플리케이션을 완성합니다. 완성된 애플리케이션은 시간의 변수와 함께 실질적인 데이터 전송 시간을 결정할 수 있습니다.

결정인자
start : 환경 변수에 기준해 패킷들을 보내기 시작하는 시간을 결정
stop : 패킷 전송을 중단
PacketSize_ : 일정하게 생성되는 패킷들의 크기를 결정하는 인자
rate_ : 전송 비율을 결정하는 인자
interval_ : 전송된 두개의 패킷간의 시간
maxpkts_ : 전송하는 최대 패킷 수

결정인자는 NS-2가 소프트웨어 시뮬레이션이기 때문에 매우 신중하고 수학적으로 계산해야 합니다. 적절한 패킷크기 지정과 전송 비율, 인터벌 설정은 다양하고 정확한 응용을 가능하게 해줍니다.

트레이싱
트레이싱(Tracing)은 시뮬레이션을 통해서 생성된 데이터의 로그를 저장하여 분석할 수 있도록 해줍니다. 트레이싱에는 패킷의 전송 시작 시간, 도착 시간, 전송 실패 패킷의 수와 전송로의 상태 등을 동적으로 기록하고 있습니다.

성공적인 컴파일 후에는 out.tr이라는 trace 파일이 생성되어 다음과 같은 데이터를 저장하게 됩니다. 첫 번째 컬럼의 ‘+’는 큐에 들어오는 과정, ‘-’는 큐에서 나가는 시간, ‘r’은 이벤트가 생성되는 시간, ‘d’는 전송받은 패킷을 큐에서 드롭한 시간을 기록합니다. 11개의 각각의 컬럼에 관한 내용은 <표 1>과 같습니다.

<표 1> .tr 파일의 데이터 컬럼 종류 설명하기

1 Operation performed in the simulation 2 Simulation time of event occurrence 3 Node 1 of what is being traced 4 Node 2 of what is being traced 5 Packet type 6 Packet size 7 Flags 8 IP flow identifier 9 Packet source node address 10 Packet destination node address 11 Sequence number

<화면 4>은 이상의 내용을 하나에 묶어 hello-ns.tcl 파일로 저장하고 프롬프트 상태에서 ns hello-ns.tcl이라고 실행한 후에 나타난 out.nam 화면입니다. 컴파일이 성공적으로 수행되면 자동으로 out.tr 파일과 out.nam 파일이 생성됩니다. 이제 독자들은 처음으로 만든 시각적인 네트워크를 다양한 기능키를 상용해서 즐겨 볼 수 있습니다. 자유롭게 여러 가지 기능과 인자들을 바꾸어 가면서 다시 컴파일하고 결과를 실행시켜보면 좀 더 쉽게 NS-NAM을 이해할 수 있을 것입니다. 그리고 세 개, 네 개의 노드로 확대해서 더 많은 경험을 쌓아보기 바랍니다.

<화면 4> 두 개의 노드와 듀플렉스 연결

<리스트 1> hello-ns.tcl의 소스

#------------------------------------------------------ # 프로그램 시작 # 시뮬레이션의 전체 상위 레벨의 오브젝트 설정 set ns [new Simulator] # nf(network flow) 오브젝트 설정 후 NAM이 사용 할 수 있도록 설정 set nf [open out.nam w] $ns namtrace-all $nf # 시뮬레이션의 종료 프로시져(Procedure) 설정 proc finish {} { global ns nf $ns flush-trace # 종료시 trace 흐름을 닫는다. close $nf # network flow를 저장하고 있는 out.nam 파일을 사용하여 NAM을 실행 exec nam out.nam & exit 0 } #------------------------------------------------------ # 노드 생성하기 set n0 [$ns node] set n1 [$ns node] # 듀플렉스 링크를 설정하고 밴드위스, 딜레이, 큐 타입을 설정 $ns duplex-link $n0 $n1 1Mb 10ms FIFO # UDP agent를 생성하고 노드 n0에 붙인다. set udp0 [new Agent/UDP] $ns attach-agent $n0 $udp0 # CBR 트래픽을 생성하고 시작 노드에 붙인다. set cbr0 [new Application/Traffic/CBR] $cbr0 set packetSize_ 500 $cbr0 set interval_ 0.1 $cbr0 attach-agent $udp0 # Null agent를 생성하고 목적 노드 n1에 붙인다. set null0 [new Agent/Null] $ns attach-agent $n1 $null0 # 시작 노드와 목적 노드를 연결한다. $ns connect $udp0 $null0 # 패킷 전송 시간과 종료 시간을 설정 $ns at 0.5 "$cbr0 start" $ns at 4.5 "$cbr0 stop" # NS 전체 시뮬레이션 시간 5초 후, finish 프로시져를 호출하여 시뮬레이션을 종료 time $ns at 5.0 "finish" # Run the simulation $ns run

10년 전을 떠올리며
NS-NAM은 단순한 유선상의 연결 이외에도 무선 네트워크와 단말의 이동 그리고 유니캐스팅과 멀티캐스팅 등의 구현이 가능합니다. 참고로 필자는 지난 2004년 초 IEEE 802.16/e의 단말 이동시 효과적인 데이터 전송을 위한 인증단계를 최소화에 대한 주제로 NS-2를 이용하여 시뮬레이션을 한 적이 있습니다.

네트워크 디자이너들이 가상 실험 환경 속에서 실제와 최대한으로 유사한 네트워크 구현을 해 나갈 수 있다면 효율 높은 네트워크 구현을 할 수 있을 것입니다. NS-NAM에 관한 짧은 연재였지만 앞으로 많은 관심을 갖고 NS-NAM을 사용하고 지켜본다면 네트워크를 향한 여러분의 목표에 꼭 필요한 툴이 될 것입니다. 여러분의 참고를 위하여 참고자료에 몇 개의 NS-NAM 관련 사이트를 추가합니다.

네트워크는 노드와 노드를 잇고 데이터를 흐르게 하는 것을 말합니다. 새해부터 시작한 세 번의 연재가 독자들의 호기심을 얼마나 만족시켰는지 궁금합니다.

연재를 하면서 10년 전 군대를 제대하고 컴퓨터 공부를 다시 시작하며 마소를 잡았던 기억을 되새겨 봤습니다. 10년 전만 해도 새로운 기술과 모르는 용어들을 보며 스스로에 대한 실망과 신기술에 대한 어려움으로 걱정의 날들을 보내기도 했었습니다.

이 글을 읽어볼 독자가 마소의 주니어 섹션을 보았던 필자의 시절과 비슷하다 생각하고 감히 한말씀드리면, 네트워크는 꼭 컴퓨터와 컴퓨터를 잇는 것만을 말하지 않습니다. 세상으로 나와 노드를 찾고 정의하고 각각의 관계에 맞는 환경 인자를 설정하여 데이터를 전송하고 가치를 생성하는 일이 바로 네트워크 디자이너라는 말을 마지막으로 나누고 싶습니다.@

* 이 기사는 ZDNet Korea의 제휴매체인 마이크로소프트웨어에 게재된 내용입니다.