ns-3_ Day 3

无线网络仿真

examples/tutorial/third.cc

在了解了ns-3的一些重要机制后，我们结合这份较复杂的示例代码加以理解。
前两个例子中涉及到了P2P网络结构和CSMA网络结构，这个例子在second.cc的基础上加入3台WIFI节点（n5、n6、n7）：

#include "ns3/core-module.h"
#include "ns3/point-to-point-module.h"
#include "ns3/network-module.h"
#include "ns3/applications-module.h"
#include "ns3/mobility-module.h"
#include "ns3/csma-module.h"
#include "ns3/internet-module.h"
#include "ns3/yans-wifi-helper.h"
#include "ns3/ssid.h"
 
// Default Network Topology
//
//   Wifi 10.1.3.0
//                 AP
//  *    *    *    *
//  |    |    |    |    10.1.1.0
// n5   n6   n7   n0 -------------- n1   n2   n3   n4
//                   point-to-point  |    |    |    |
//                                   ================
//                                     LAN 10.1.2.0
 
using namespace ns3;
 
NS_LOG_COMPONENT_DEFINE ("ThirdScriptExample");
 
int main (int argc, char *argv[])
{
	bool verbose = true;
	uint32_t nCsma = 3;
	uint32_t nWifi = 3;
	bool tracing = false;
 
	CommandLine cmd (__FILE__);
	cmd.AddValue ("nCsma", "Number of \"extra\" CSMA nodes/devices", nCsma);
	cmd.AddValue ("nWifi", "Number of wifi STA devices", nWifi);
	cmd.AddValue ("verbose", "Tell echo applications to log if true", verbose);
	cmd.AddValue ("tracing", "Enable pcap tracing", tracing);
 
	cmd.Parse (argc, argv);
 
	if (nWifi > 18)
    {
		std::cout << "nWifi should be 18 or less; otherwise grid layout exceeds the bounding box"
					<< std::endl;
		return 1;
    }
 
  	if (verbose)
    {
		LogComponentEnable ("UdpEchoClientApplication", LOG_LEVEL_INFO);
		LogComponentEnable ("UdpEchoServerApplication", LOG_LEVEL_INFO);
    }
 
	NodeContainer p2pNodes;
	p2pNodes.Create (2);
 
	PointToPointHelper pointToPoint;
	// 设置设备的发射速率和信道延迟
	pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps"));
	pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms"));
 
	NetDeviceContainer p2pDevices;
	p2pDevices = pointToPoint.Install (p2pNodes);
 
	NodeContainer csmaNodes;
	csmaNodes.Add (p2pNodes.Get (1));
	csmaNodes.Create (nCsma);
 
	CsmaHelper csma;
	csma.SetChannelAttribute ("DataRate", StringValue ("100Mbps"));
	csma.SetChannelAttribute ("Delay", TimeValue (NanoSeconds (6560)));
 
	NetDeviceContainer csmaDevices;
	csmaDevices = csma.Install (csmaNodes);
 
	NodeContainer wifiStaNodes;
	wifiStaNodes.Create (nWifi);
	NodeContainer wifiApNode = p2pNodes.Get (0);
 
	// 构建无线设备与无线节点之间的互连通道
	YansWifiChannelHelper channel = YansWifiChannelHelper::Default ();
	YansWifiPhyHelper phy = YansWifiPhyHelper::Default ();
	// 把Channel关联到物理层对象，确保所有物理层共享底层信道
	phy.SetChannel (channel.Create ());
 
	WifiHelper wifi;
	// AARF Adaptive Auto Rate Fallback 算法（是一种wifi速率控制算法）
	wifi.SetRemoteStationManager ("ns3::AarfWifiManager");
 
	// 配置MAC类型和基础设施网络的SSID（用于区分不同的WIFI网络）
	WifiMacHelper mac;
	Ssid ssid = Ssid ("ns-3-ssid");
	mac.SetType ("ns3::StaWifiMac", "Ssid", SsidValue (ssid), "ActiveProbing", BooleanValue (false));
 
	// WIFI场景下的STA节点和AP节点：
	// 1. STA即station，指接入无线网络的设备
	// 2. AccessPoint即无线网络的创建者和中心节点，常常指的是路由器
	NetDeviceContainer staDevices;
	staDevices = wifi.Install (phy, mac, wifiStaNodes);
 
	mac.SetType ("ns3::ApWifiMac", "Ssid", SsidValue (ssid));
 
	NetDeviceContainer apDevices;
	apDevices = wifi.Install (phy, mac, wifiApNode);
 
	// 加入移动模型
	MobilityHelper mobility;
 
	// 使用二维网络放置最初的STA节点
	mobility.SetPositionAllocator ("ns3::GridPositionAllocator", "MinX", DoubleValue (0.0), "MinY",
									DoubleValue (0.0), "DeltaX", DoubleValue (5.0), "DeltaY",
									DoubleValue (10.0), "GridWidth", UintegerValue (3), "LayoutType",
									StringValue ("RowFirst"));
 
	// 节点以随机游走的方式移动，
	mobility.SetMobilityModel ("ns3::RandomWalk2dMobilityModel", "Bounds", RectangleValue (Rectangle (-50, 50, -50, 50)));
	mobility.Install (wifiStaNodes);
 
	// 接入点在模拟过程中保持在固定位置
	mobility.SetMobilityModel ("ns3::ConstantPositionMobilityModel");
	mobility.Install (wifiApNode);
 
	// 安装网络协议栈
	InternetStackHelper stack;
	stack.Install (csmaNodes);
	stack.Install (wifiApNode);
	stack.Install (wifiStaNodes);
 
	Ipv4AddressHelper address;
 
	address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");
	Ipv4InterfaceContainer p2pInterfaces;
	p2pInterfaces = address.Assign (p2pDevices);
 
	address.SetBase ("10.1.2.0", "255.255.255.0");
	Ipv4InterfaceContainer csmaInterfaces;
	csmaInterfaces = address.Assign (csmaDevices);
 
	address.SetBase ("10.1.3.0", "255.255.255.0");
	address.Assign (staDevices);
	address.Assign (apDevices);
 
	UdpEchoServerHelper echoServer (9);
 
	// 在CSMA最右端放置echo服务端程序
	ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install (csmaNodes.Get (nCsma));
	serverApps.Start (Seconds (1.0));
	serverApps.Stop (Seconds (10.0));
 
	// echo客户端程序装在STA节点
	UdpEchoClientHelper echoClient (csmaInterfaces.GetAddress (nCsma), 9);
	echoClient.SetAttribute ("MaxPackets", UintegerValue (1));
	echoClient.SetAttribute ("Interval", TimeValue (Seconds (1.0)));
	echoClient.SetAttribute ("PacketSize", UintegerValue (1024));
 
	ApplicationContainer clientApps = echoClient.Install (wifiStaNodes.Get (nWifi - 1));
	clientApps.Start (Seconds (2.0));
	clientApps.Stop (Seconds (10.0));
 
	// 启用互联网的全局路由
	Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables ();
 
	Simulator::Stop (Seconds (10.0));
 
	if (tracing == true)
	{
		// 在P2P网络（骨干网络）上进行PCAP Tracing
		// 在WIFI网络和CSMA网络上进行混杂模式Tracing
		pointToPoint.EnablePcapAll ("third");
		phy.EnablePcap ("third", apDevices.Get (0));
		csma.EnablePcap ("third", csmaDevices.Get (0), true);
	}
 
	Simulator::Run ();
	Simulator::Destroy ();
	return 0;
}

结合 first.cc 中对脚本流程的总结，对 third.cc中的重点步骤进行分析。

网络拓扑

从这张示意图可以看出，这个网络拓扑涉及PPP、CSMA、Wi-Fi三种网络。前两种网络在前面的示例中都已经说明，现在重点关注Wi-Fi场景。

示例代码中的无线网络由一个接入点AP和3个移动点组成，AP同时也是双模节点，安装了PPP和Wi-Fi两种网络。
WifiMac就是链路层，Wifiphy就是物理层。WifiNetDevice是NetDevice的子类，起到桥接作用。

1. 设置Channel和Wifiphy。用到2个助手类YansWifiChannelHelper和YansWifiPhyHelper，分别用于配制Channel和WifiPhy。
   1. Channel需要配置传播延迟（propagation delay）、损耗模型（propagation loss）和移动模型。它们决定了一个分组在无线信道里的传播延迟和接收功率。
   2. WifiPhy需要配置误码率（error rate），一般设为默认。
2. 设置WifiMac并在节点安装NetDevice。用到2个助手类：WifiMacHelper和WifiHelper。
   1. WifiMacHelper用于设置WifiMac，有两个重要参数：WifiMac子类（决定节点是不是AP）和服务集标识符SSID（节点所属的服务集）。
   2. WifiHelper用于将Wi-Fi网络设备安装到指定节点中；另外示例中还调用了SetRemoteStationManager，用于Wi-Fi的速率控制（rate control）；WifiHelper默认使用802.11aWi-Fi协议。
3. 一个分组在Channel中的传播延迟和接收功率是由传播延迟模型、损耗模型和移动模型共同决定的，其中传播延迟和损耗已经在1中设置，移动模型则一般在Wi-Fi网络设备安装至节点后配置。使用的助手类是MobilityHelper。
   1. 移动模型也需要区分AP和移动节点。
   2. 示例代码中使用的是ConstantPositionMobilityModel，AP位于原点。
   3. 移动节点的模型分为初始位置和后续移动轨迹模型。
      1. GridPositionAllocator按照设置好的坐标给出移动节点的初始位置
      2. RandomWalk2dMobilityModel在一个指定大小的长方形区域内按照随机的速度和方向移动。

路由设置

为了完成多个有线子网之间的通信，连接两个子网的节点需要具有路由功能，这样才能正确地转发分组。
示例代码中使用语句：
Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables ();
设置全局路由。全局路由通过开放式最短路径优先路由算法（OSPF）计算有线网络拓扑中每两个点的最短路径，并为每个节点生成路由表。

数据追踪

ns-3模拟脚本中，收集到的数据常常以pcap或者ASCII文本的形式保存在指定文件中。观察示例代码中的数据追踪设置：

1. pointToPoint.EnablePcapAll ("third");
   1. pointToPoint是一个PointToPointHelper对象
   2. EnablePcapAll的作用是收集这个信道上虽有节点的链路层分组收发记录
   3. 记录文件的格式是pcap，“third”是文件前缀名，最后得到的文件名是：前缀名-节点标号-网络设备标号.pcap
2. phy.EnablePcap ("third", apDevices.Get (0));
   1. phy是一个YansWifiPhyHelper对象
   2. .EnablePcap打印AP的Wi-Fi网络设备的物理层分组收发信息。
3. csma.EnablePcap ("third", csmaDevices.Get (0), true);
   1. csma是一个CsmaHelper对象
   2. EnablePcap打印一个有线节点中CSMA网络设备的分组收发信息