ns-3_ Day 0

版本 ns3.31
OS Ubuntu 18.04

ns-3是什么

是一个网络仿真工具，并不是ns-2的扩展而是一个全新的项目。
ns-3官方文档给出了详尽的下载、安装方案。完整的主目录如下：

• waf是基于Python开发的编译工具，从ns3.36开始替换为cmake
• scratch存放脚本文件（C++），也就是要运行的仿真过程。waf会自动到这里找脚本文件。
• build是编译ns-3完成后得到的目录，包含用到的共享库和头文件。
• src是模块源代码目录，每个模块占据一个目录，且都有如下结构：

• binding是模块用于绑定Python语言的；
• model是模块主代码；
• wscript是waf编译该模块的根据。

ns-3默认带有下面的模块：

core	ns-3的基本机制，所有的ns-3自带模块都依赖于此模块运行。
network	网络数据packet模块
Internet	实现网络协议族
application	几种常用的应用层协议
mobility	移动设备仿真模型
topology-read	读取制定轨迹文件数据，按照指定格式生成相应的网络拓扑
energy	模仿移动设备的能量管理
status	仿真数据收集、统计
tools	统计工具
visualizer	可视化界面工具PyViz
netanim	动画演示工具NetAnim
propagation	传播模型
flow-monitor	流量监控模块

除此之外，还有一些经典的网络模型：

point-to-point	点对点通信网络
csma	IEEE 802.3以太网，包括MAC、物理层和媒体信道
mesh	IEEE802.11s的无线mesh网络
WI-FI	IEEE802.11a/b/g的无线网络，可以是由基础设施的也可以是ad hoc网络
wimax	IEEE802.16的无线城域网络
LTE	3GPP主导的通用移动通信系统技术的长期演进
UAN	水声通信网络，方针水下网络场景，实现了信道、物理层和MAC

ns-3仿真脚本示例

通过下面这个示例，了解如何使用ns-3进行想要的仿真过程。

examples/tutorial/first.cc

//这些头文件就是引用 build/ns3/ 下的
#include "ns3/core-module.h"
#include "ns3/network-module.h"
#include "ns3/internet-module.h"
#include "ns3/point-to-point-module.h"
#include "ns3/applications-module.h"
 
// Default Network Topology
//
//       10.1.1.0
// n0 -------------- n1
//    point-to-point
//
 
using namespace ns3;
 
// 用字符串定义日志组件（Component）
NS_LOG_COMPONENT_DEFINE ("FirstScriptExample");	
 
int 
main (int argc, char *argv[])
{
	CommandLine cmd (__FILE__);
	cmd.Parse (argc, argv);
 
	Time::SetResolution (Time::NS);
	LogComponentEnable ("UdpEchoClientApplication", LOG_LEVEL_INFO);
	LogComponentEnable ("UdpEchoServerApplication", LOG_LEVEL_INFO);
 
	NodeContainer nodes;
	// 创建2个节点，可以视为2台“计算机”在网络中代表的点
	nodes.Create (2);
 
	// Helper类的作用是：把模块常见的工作抽象出来方便使用
	PointToPointHelper pointToPoint;
	// 一次P2P网络连接实际上就是“设备-信道-设备”的模型，如下设置：
	pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps"));
	pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms"));
 
	NetDeviceContainer devices;
	// 按照上面的设置，配置设备和信道
	devices = pointToPoint.Install (nodes);
 
	// 主要配置的是IP层
	InternetStackHelper stack; 
	stack.Install (nodes);
 
	Ipv4AddressHelper address;
	address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");
	// 把选好的ip地址分配到设备
	Ipv4InterfaceContainer interfaces = address.Assign (devices);
 
	// 安装应用程序并设置端口号
	UdpEchoServerHelper echoServer (9);
 
	ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install (nodes.Get (1));
	// 使echo服务在1s开始并在10s时结束
	serverApps.Start (Seconds (1.0));
	serverApps.Stop (Seconds (10.0));
 
	UdpEchoClientHelper echoClient (interfaces.GetAddress (1), 9);
	// MaxPacket属性告诉客户端所允许模拟器件发送的最大数据packet个数
	echoClient.SetAttribute ("MaxPackets", UintegerValue (1));
	// Interval属性告诉客户端在2个packet之间的时间
	echoClient.SetAttribute ("Interval", TimeValue (Seconds (1.0)));
	// PacketSize属性告诉客户端每个packet发送多少byte
	echoClient.SetAttribute ("PacketSize", UintegerValue (1024));
 
	ApplicationContainer clientApps = echoClient.Install (nodes.Get (0));
	clientApps.Start (Seconds (2.0));
	clientApps.Stop (Seconds (10.0));
 
	// 实际上就是启动 serverApps和clientApps
	Simulator::Run ();
	Simulator::Destroy ();
	return 0;
}

上面的示例代码可以分解为以下结构：

1. 头文件、命名空间 允许在该脚本中使用LOG系统中的宏定义
2. NS_LOG_COMPONENT_DEFINE("XXX");
3. main()开头的准备工作 命令行、时间、打印信息等等
4. 创建网络拓扑 附录1
5. 安装TCP/IP协议族 附录2
6. 安装应用程序 附录3
7. 数据生成 本示例中未涉及
8. 启动与结束 Run()和Destory()

附录1

网络拓扑=节点+信道
Node=节点
Channel=物理层信道协议
NetDevice=链路层信道协议，且NetDevice安装在Node里。

• NetDevice和Channel基本上是一一对应的；
• Node和NetDevice是一对多的。

就代码来看，创建网络拓扑经历三个步骤：

1. NodeContainer创建节点。
2. PointToPointHelper配置信道属性。
3. 创建信道连接节点。调用PointToPointHelper::Install()创建两个PPP-NetDevice和一个PPP-Channel。

需要指出，助手类PointToPointHelper实际上完成了很多操作，如

• node、channel、net_device之间关联关系的建立
• net_device分配MAC地址
• 为channel设置队列模型
• ……

附录2

ns-3中的TCP/IP协议族主要包括传输层的TCP/UDP、网络层IP、ICMP等。
安装协议栈的助手类是InternetStackHelper，在安装完协议栈后还需要为net_device分配IP地址。代码中可以看到，设置IP地址用的是Ipv4AddressHelper，而将IP分配到net_device得到Ipv4InterfaceContainer。
Ipv4Interface的作用如下图所示，简单地说就是暴露给NetDevice，帮它保存IP地址。

Ipv4是网络层的类，IpL4Protocol是传输层TCP/UDP的基类。至此，节点已经在物理层到传输层都准备好。

附录3

应用层对应的C++类是Application，不同的Application对应不同的分组收发行为。示例代码中使用的UdpEcho应用比较简单，代码也很直观。
可能的疑惑是，为什么UdpEcho建立UDP连接不需要调用Socket的相关接口？
答案是，这些调用被封装在2个助手类UdpEchoServerHelper（bind、connect）和UdpEchoClientHelper（bind、recvfrom、sendto）里。