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NS-3入門

什麼是NS-3？

離散事件驅動網絡模拟器。看看官方的定義：（from http://www.nsnam.org/）

ns-3 is a discrete-event network simulator for Internet systems, targeted primarily for research and educational use. ns-3 is free software, licensed under the GNU GPLv2 license, and is publicly available for research, development, and use.

ns-3 is intended as an eventual replacement for the popular ns-2 simulator. The project acronym “nsnam” derives historically from the concatenation of ns (network simulator) and nam (network animator).

NS-3 vs NS-2

NS-3雖然冠以一個“3”，但事實上跟它廣泛流行的前任NS-2并非一脈相承，或者從使用角度上說，僅僅繼承了一個名稱而已。NS-3基本上是一個新的模拟器，不支援NS-2的API。NS-3是完全用C++編寫的（也有可選的Python接口），而NS-2一部分子產品使用C++而另一部分使用OTcl。因而NS-3最大的特點就是腳本可以C++或Python語言，而在NS-2中，我們使用的是OTcl。

NS-3的功能仍舊在開發中，是以它遠沒有NS-2完善（當然NS-2的維護也在進行中）。NS-3并不包含目前所有NS-2的功能，但它具有某些新的特性：正确的多網卡處理、IP尋址政策的使用、更詳細的802.11子產品等等。

（出于最後的這句話，我們這次作業大膽地采用了NS-3進行仿真——此是後話。）

Latest stable release: ns-3.2.1 (November 20, 2008)

結構：

據說NS-3的架構看起來比NS-2清晰得多，從NS-3 Tutorial看起來确實是這樣。NS-3中把網絡構件分為四類：

　　·Node：終端節點，能夠添加應用、協定、外部接口等。

　　·NetDevice：網卡及其驅動，有各種不同類型的網卡：CsmaNetDevice、PointToPointNetDevice、WifiNetDevice。

　　·Channel：通道，有各種不同類型的媒體通道：CsmaChannel、PointToPointChannel、WifiChannel。

　　·Application：應用程式，包括UdpEchoClientApplication、UdpServerApplication等。

此外，NS-3中提供了一類稱為Topology Helper的子產品，對應每種拓撲連接配接有不同的Helper（例如CsmaNetHelper等），使用這些類來模拟現實中的安裝網卡、連接配接、配置鍊路等過程，來簡化工作。

NS-3對我來說也是一個小火星環境，是以也有許多火星文需要學習：

【名詞解釋】

POSIX：Portable Operating System Interface

一組作業系統API的協定/标準族，最開始為了Unix系統上的可移植性而開發的，也适用于其他作業系統。

Doxygen：Documentation Generator

支援C++、C、Java、Objective-C、Python、IDL、Fortran、VHDL、PHP、C#等各種語言的文檔生成器，用于從源代碼中生成說明文檔。（類似于我之前使用過的Sandcastle，貌似更加強大些，有必要得學習一下。）

nam：Network Animator

基于Tcl/TK的網絡動畫示範工具，能提供拓撲和包級别的動畫以及資料流觀察。（參考http://www.isi.edu/nsnam/nam/）

Mercurial

NS-3代碼維護使用的源碼版本控制管理系統

Waf

NS-3項目使用的新一代的基于Python的建構系統（Build System）

WireShark

一種GUI包嗅探器。由于NS-3能生成.pcap檔案，是以可以使用類似于WireShark的軟體對資料進行分析

tcpdump

另一種包嗅探器。在Linux下使用CLI進行資料分析

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一、環境支援

如上文（NS-3入門[1]概念引入）所述，編譯/運作NS-3腳本需要保證Linux環境的設定（gcc、waf、tcpdump等），詳細的必要軟體包安裝過程參見http://www.nsnam.org/wiki/index.php/Installation

二、NS-3C++腳本的編寫

如前所述，NS-3的腳本使用C++語言（也支援python），使用四種類型的網絡構件（Node、NetDevice、Channel、Application）。一個簡單的腳本一般有以下步驟：

1、建立節點Node（使用類NodeContainer::Create()方法）

2、使用鍊路Helper類來幫助設定鍊路（包括PointToPointHelper、CsmaHelper、WifiHelper等類型）。Helper類雖然不屬于上述四類的網絡構件，但它卻極大地友善了拓撲的搭建，它可以幫助我們處理實際中諸如在兩個終端安裝網卡、連網線、Modern、配置上網方式、鍊路屬性等底層工作，簡化了仿真過程，使我們可以更專注于仿真的目的

3、安裝IP協定棧（使用類InternetStackHelper::Install()方法）

4、設定IP位址（使用類Ipv4AddressHelper::SetBase()/Assign()方法）

5、在節點Node上安裝應用程式（目前支援UdpServerServer、UdpEchoClient、PacketSink等）

6、設定仿真時間、啟動仿真

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一個簡單的腳本（來自NS-3 Tutorial）及其解釋

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#include "ns3/core-module.h"

#include "ns3/simulator-module.h

#include "ns3/node-module.h"

#include "ns3/helper-module.h"

using namespace ns3;

NS_LOG_COMPONENT_DEFINE ("Example"); 　　//定義名稱為“Example”的日志子產品

int

main (int argc, char *argv[])

{

　　 //以下兩個語句啟用UdpEcho應用程式的日志記錄，其級别為LOG_LEVEL_INFO。關于NS-3的日志系統将在後續篇章進行介紹。

　　LogComponentEnable("UdpEchoClientApplication", LOG_LEVEL_INFO);

　　LogComponentEnable("UdpEchoServerApplication", LOG_LEVEL_INFO);

　　NodeContainer nodes; 　　//1、建立兩個節點

　　nodes.Create (2);  

　　PointToPointHelper pointToPoint;　　//2、建立P2P類型的Helper

　　pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps"));   //使用Helper設定鍊路屬性

　　pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms"));

　　NetDeviceContainer devices;

　　devices = pointToPoint.Install (nodes);　　//使用Helper将網卡安裝到節點

　　InternetStackHelper stack;　　//3、安裝IP協定棧

　　stack.Install (nodes);

　　Ipv4AddressHelper address;　　//4、配置設定IP位址

　　address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");

　　Ipv4InterfaceContainer interfaces = address.Assign (devices);　　//配置設定到網卡

　　UdpEchoServerHelper echoServer (9); 　　//5.1、安裝UdpServer應用服務，9表示服務端口

　　ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install (nodes.Get (1));

　　serverApps.Start (Seconds (1.0));

　　serverApps.Stop (Seconds (10.0));

　　serverApps.Start (Seconds (1.0)); 　　//6.1、Server啟動時間

　　serverApps.Stop (Seconds (10.0));

　　UdpEchoClientHelper echoClient (interfaces.GetAddress (1), 9); 　　//5.2、安裝UdpClient應用服務，需要指明伺服器IP以及服務端口

　　echoClient.SetAttribute ("MaxPackets", UintegerValue (1));

　　echoClient.SetAttribute ("Interval", TimeValue (Seconds (1.)));

　　echoClient.SetAttribute ("PacketSize", UintegerValue (1024));

　　ApplicationContainer clientApps = echoClient.Install (nodes.Get (0));

　　clientApps.Start (Seconds (2.0)); 　　//6.2、Client啟動時間

　　clientApps.Stop (Seconds (10.0));

　　Simulator::Run (); 　　//6.3、啟動仿真

　　Simulator::Destroy ();

　　return 0;

}

三、編譯與運作

當我們裝好NS-3的運作環境之後，在NS-3的程式目錄下會有一個scratch目錄，其性質類似于VC/VC++環境下的Debug目錄。

将上述腳本檔案儲存為example.cc，複制到scratch下面，然後在NS-3目錄下使用指令waf完成編譯，然後運作。例如：

　　　　　　$~/NS-3.2.1 > ./waf

　　　　　　$~/NS-3.2.1 > ./waf --run scratch/example

可以看到程式輸出：

　　　　Entering directory ‘~/NS-3.2.1/build’

　　　　Compilation finished successfully

　　　　Sent 1024 bytes to 10.1.1.2

　　　　Received 1024 bytes from 10.1.1.1

　　　　Received 1024 bytes from 10.1.1.2

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NS-3日志子系統的提供了各種檢視仿真結果的管道：

一、使用Logging Module

0、【預備知識】日志級别及其對應的宏

NS-3提供了若幹個日志級别來滿足不同的Debug需求，每一級的日志内容都涵蓋了低一級的内容。這些級别對應的宏從低到高排列為：

　　*NS_LOG_ERROR — Log error messages;

　　*NS_LOG_WARN — Log warning messages;

　　*NS_LOG_DEBUG — Log relatively rare, ad-hoc debugging messages;

　　*NS_LOG_INFO — Log informational messages about program progress;

　　*NS_LOG_FUNCTION — Log a message describing each function called;

　　*NS_LOG_LOGIC — Log messages describing logical flow within a function;

　　*NS_LOG_ALL — Log everything.

　　*NS_LOG_UNCOND — 無條件輸出

方式1、通過設定shell環境變量NS_LOG使用日志系統

　1.1）首先，定義好一個日志子產品：

　　可以在腳本中使用宏NS_LOG_COMPONENT_DEFINE(name)定義一個日志子產品。（注意，為了使用宏NS_LOG(name, level)來輸出這個子產品所定義的内容，這個定義語句必須寫在每個腳本檔案的開始。宏NS_LOG将在方式2中進行介紹。）

　　也有一些日志子產品是内置的，比如上文的名為“UdpEchoClientApplication”“UdpEchoServerApplication”的子產品就是UdpEcho應用程式内置的日志子產品，隻要使用了相應的類，就可以啟用相應的日志子產品。

　1.2）在shell中通過設定環境變量NS_LOG，來控制仿真輸出級别：

　　$~/ns-3.2.1 > export NS_LOG = '<日志子產品名稱> =level_all | prefix_func | prefix_time'

　　　*level_all表示啟用所有級别（=error | warn | debug | info | function | logic）

　　　*prefix_func表示記錄輸出該消息的函數

　　　*prefix_time表示加上時間字首

　　$~/ns-3.2.1 > export NS_LOG = '<日志子產品名稱1>=level_all : <日志子產品名稱2>=info'

　　　*符号:隔開兩個不同的日志子產品

　　$~/ns-3.2.1 > export NS_LOG = * = level_all

　　　*符号*作為通配符。上行指令表示啟用所有可用子產品的所有日志級别。

　　　*這一般會形成大量的資料，此時可以使用shell的輸出重定向儲存日志到檔案裡面：

　　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run scratch/example >& log.out

方式2、通過在腳本裡使用宏NS_LOG調用日志子產品

　2.0）宏NS_LOG(level, msg)用于定義對應level的輸出内容；為了友善使用，系統預定義了各個級别的NS_LOG宏NS_LOG_ERROR等（參見【預備知識】）：

　　#define NS_LOG_ERROR(msg)   NS_LOG(ns3::LOG_ERROR, msg)

　2.1）如上文，在腳本裡使用宏NS_LOG_COMPONENT_DEFINE(name)定義一個日志子產品；

　2.2）使用宏LogComponentEnable(name, level)啟用日志（對應地，有宏LogComponentDisable(name, level)用于禁用日志）；                                                                                                                                                 

　2.3）使用【預備知識】裡定義的各種級别的宏輸出内容，注意程式隻會輸出低于等于已經啟用的level的宏内容。

　　NS_LOG_COMPONENT_DEFINE("Example");

　　LogComponentEnable("Example", LOG_LEVEL_INFO); 　　//等價于shell中：export NS_LOG = 'Example=info'

　　NS_LOG_WARN("Message:level_warn");

　　NS_LOG_INFO("Message:level_info");

　　NS_LOG_LOGIC("Message:level_logic");

　　　//由于我們啟用的日志level是INFO，是以編譯運作後，程式會輸出低于和等于INFO級别的内容，而高于INFO級别的宏内容不會被輸出

　　　//即，Message:level_warn和Message:level_info會被輸出，而Message:level_logic不會被輸出

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二、使用Command Line參數

仿真一般是為了收集各種不同條件下的資料，常常需要改變一些變量。NS-3提供了Command Line參數接口，可以在運作時對腳本中的變量進行設定，免去了每次更改變量後要重新編譯的麻煩。（相當于在運作前進行變量的scanf/cin操作，但因為有預設值，CLI更靈活一些。）

1、在腳本中添加語句

int main (int argc, char *argv[])

{

　　...

　　CommandLine cmd;

　　cmd.Parse (argc, argv);　　//将指令行輸入的參數作為類CommandLine的參數進行分析

　　...

}

　　這樣可以在shell中使用某些附加參數如PrintHelp：

　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --PrintHelp"

　　這條指令将會列出example目前可用的指令參數：

　　　Entering directory '/home/craigdo/repos/ns-3-dev/build'

　　　Compilation finished successfully

　　　--PrintHelp: Print this help message.

　　　--PrintGroups: Print the list of groups.

　　　--PrintTypeIds: Print all TypeIds.

　　　--PrintGroup=[group]: Print all TypeIds of group.

　　　--PrintAttributes=[typeid]: Print all attributes of typeid.

　　　--PrintGlobals: Print the list of globals.

　　從輸出中（倒數第二行）我們知道可以列印某些類的屬性：

　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --PrintAttributes=ns3::PointToPointNetDevice"

　　這條指令将會列出類型為PointToPointNetDevice的裝置的屬性：

　　　--ns3::PointToPointNetDevice::DataRate=[32768bps]:

　　　The default data rate for point to point links

　　知道了屬性名稱，我們也可以使用指令更改這個屬性：

　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --ns3::PointToPointNetDevice::DataRate=5Mbps"

2、使用CommandLine::AddValue添加自己的變量，使之成為CommandLine可以使用的參數

　　　CommandLine cmd;

　　　cmd.AddValue("nPackets", "Number of packets to echo", nPackets);　　　//（屬性名稱，屬性說明，變量）

　　　cmd.Parse(argc, argv);

　　這樣在shell中我們可以在指令中更改這個屬性：

　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --nPackets=2"

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三、使用Tracing System

1、啟用ASCII Tracing

　　NS-3提供了類似NS-2的日志輸出（*.tr檔案），記錄系統中的動作。在Simulator::Run()之前添加語句：

　　　#include <fstream>

　　　...

　　　std::ofstream ascii;

　　　ascii.open ("example.tr");

　　　PointToPointHelper::EnableAsciiAll (ascii);

　　則運作後我們可以在example.tr檔案中看到系統的日志（使用ASCII文本閱讀器即可），其中每一行都是以+/-/d/r開頭的：

　　　+: An enqueue operation occurred on the device queue;

　　　-: A dequeue operation occurred on the device queue;

　　　d: A packet was dropped, typically because the queue was full;

　　　r: A packet was received by the net device.

　　例如我們可以看到檔案中的第一行（為了說明友善，這裡分段編号顯示），顯示了一個入隊操作：

　　　00 +

　　　01 2

　　　02 /NodeList/0/DeviceList/0/$ns3::PointToPointNetDevice/TxQueue/Enqueue

　　　03 ns3::PppHeader (

　　　04 　Point-to-Point Protocol: IP (0x0021))

　　　05 　ns3::Ipv4Header (

　　　06 　　tos 0x0 ttl 64 id 0 offset 0 flags [none]

　　　07 　　length: 1052 10.1.1.1 > 10.1.1.2)

　　　08 　　ns3::UdpHeader (

　　　09 　　　length: 1032 49153 > 9)

　　　10 　　　Payload (size=1024)

　　其中編号為02的部分顯示了發生操作的路徑：根/NodeList是NS-3維護的所有節點清單，是以/NodeList/0表示編号為0的節點；随後的/DeviceList/0表示在該節點上的編号為0的NetDivece（比如網卡）；接下來的$ns3::PointToPointNetDevice指明了該NetDivece的類型；最後的TxQueue/Enqueue表示在傳送隊列上發生了入隊操作，也就是行開頭的+所表現的意義。

2、啟用PCAP Tracing

　　NS-3也可以生成*.pcap檔案，進而可以使用諸如Wireshark、tcpdump（前文NS-3入門[1]概念引入介紹過）等工具進行分析。

　2.1）在腳本Simulator::Run()之前添加語句：

　　　PointToPointHelper::EnablePcapAll ("example");

　　這個語句将會産生若幹*.pcap檔案，命名為example-<Node編号>-<NetDevice編号>.pcap，分别記錄每個裝置的日志。也可以使用語句***Helper::EnablePcap (filename, NodeId, DeviceId)來隻産生特定裝置的pcap檔案：

　　　PointToPointHelper::EnablePcap ("example", p2pNodes.Get (0)->GetId (), 0);　　//隻産生example-0-0.pcap檔案

　2.2）使用tcpdump在指令行閱讀pcap檔案：

　　　~/ns-3.2.1 > tcpdump -r example-0-0.pcap -nn -tt

　　　reading from file second-0-0.pcap, link-type PPP (PPP)

　　　2.000000 IP 10.1.1.1.49153 > 10.1.2.4.9: UDP, length 1024

　　　2.007382 IP 10.1.2.4.9 > 10.1.1.1.49153: UDP, length 1024

　2.3）使用Wireshark等軟體打開pcap檔案。

=======End===================================================================

轉載連結：http://www.cnblogs.com/dabbei/archive/2013/07/18/3198552.html

ns-3 shell
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