NS3基本介绍及入门

转自http://www.osedu.net/yuanchuang-article/ns2/2011-07-23/275.html

和http://hi.baidu.com/mucenl/blog/item/afdf671f9aa803e5e0fe0ba7.html

什么是NS-3？
离散事件驱动网络模拟器。看看官方的定义：（fromhttp://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虽然冠以一个“3”，但事实上跟它广泛流行的前任NS-2并非一脉相承，或者从使用角度上说，仅仅继承了一个名称而已。NS-3基本上是一个新的模拟器，不支持NS-2的API。NS-3是完全用C++编写的（也有可选的Python接口），而NS-2一部分模块使用C++而另一部分使用 OTcl。因而NS-3最大的特点就是脚本可以C++或Python语言，而在NS-2中，我们使用的是OTcl。
NS-3的功能仍旧在开发中，因此它远没有NS-2完善（当然NS-2的维护也在进行中）。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：正确的多网卡处理、IP寻址策略的使用、更详细的802.11模块等等。
（出于最后的这句话，我们这次作业大胆地采用了NS-3进行仿真——此是后话。）

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

结构：
据说NS-3的架构看起来比NS-2清晰得多，从NS-3 Tutorial看起来确实是这样。NS-3中把网络构件分为四类：
　　·Node：终端节点，能够添加应用、协议、外部接口等。
　　·NetDevice：网卡及其驱动，有各种不同类型的网卡：CsmaNetDevice、PointToPointNetDevice、WifiNetDevice。
　　·Channel：通道，有各种不同类型的介质通道：CsmaChannel、PointToPointChannel、WifiChannel。
　　·Application：应用程序，包括UdpEchoClientApplication、UdpServerApplication等。
此外，NS-3中提供了一类称为Topology Helper的模块，对应每种拓扑连接有不同的Helper（例如CsmaNetHelper等），使用这些类来模拟现实中的安装网卡、连接、配置链路等过程，来简化工作。

NS-3对我来说也是一个小火星环境，因此也有许多火星文需要学习：
【名词解释】
POSIX ：Portable Operating System Interface
一组操作系统API的协议/标准族，最开始为了Unix系统上的可移植性而开发的，也适用于其他操作系统。

Doxygen ：Documentation Generator
支持C++、C、Java、Objective-C、Python、IDL、Fortran、VHDL、PHP、C#等各种语言的文档生成器，用于从源代码中生成说明文档。（类似于我之前使用过的Sandcastle，貌似更加强大些，有必要得学习一下。）

nam ：Network Animator
基于Tcl/TK的网络动画演示工具，能提供拓扑和包级别的动画以及数据流观察。（参考http://www.isi.edu/nsnam/nam/）

Mercurial
NS-3代码维护使用的源码版本控制管理系统

Waf
NS-3项目使用的新一代的基于Python的构建系统（Build System）

WireShark
一种GUI包嗅探器。由于NS-3能生成.pcap文件，因此可以使用类似于WireShark的软件对数据进行分析

tcpdump
另一种包嗅探器。在Linux下使用CLI进行数据分析

编译与运行：

一、环境支持
如上文（NS-3入门[1]概念引入 ）所述，编译/运行NS-3脚本需要保证Linux环境的设置（gcc、waf、tcpdump等），详细的必要软件包安装过程参见http://www.nsnam.org/wiki/index.php/Installation

二、NS-3C++脚本的编写
如前所述，NS-3的脚本使用C++语言（也支持python），使用四种类型的网络构件（Node、NetDevice、Channel、Application）。一个简单的脚本一般有以下步骤：
1、创建节点Node（使用类NodeContainer::Create()方法）
2、使用链路Helper类来帮助设置链路（包括PointToPointHelper、CsmaHelper、WifiHelper等类型）。 Helper类虽然不属于上述四类的网络构件，但它却极大地方便了拓扑的搭建，它可以帮助我们处理实际中诸如在两个终端安装网卡、连网线、Modern、配置上网方式、链路属性等底层工作，简化了仿真过程，使我们可以更专注于仿真的目的
3、安装IP协议栈（使用类InternetStackHelper::Install()方法）
4、设置IP地址（使用类Ipv4AddressHelper::SetBase()/Assign()方法）
5、在节点Node上安装应用程序（目前支持UdpServerServer、UdpEchoClient、PacketSink等）
6、设置仿真时间、启动仿真
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一个简单的脚本（来自NS-3 Tutorial）及其解释
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/* -*- Mode:C++; c-file-style:"gnu"; indent-tabs-mode:nil; -*- */ //指示Emacs工作在C++模式下

#include "ns3/core-module.h" //模块已分为大类(各包含各模块的头文件)
#include "ns3/simulator-module.h" //位于%build derectory%/ns3/xx.h，%build derectory%一般为build/debug或build/optimized
#include "ns3/node-module.h"
#include "ns3/helper-module.h"

using namespace ns3;

NS_LOG_COMPONENT_DEFINE ("FirstScriptExample"); //使用NS_LOG宏定义component
//log modules core/debugging/logging

int
main (int argc, char *argv[])
{
//LOG使仿真期间分组收发时会显示仿真信息
//开/关命令行消息日志(允许程序员将消息显示在屏幕上),默认关闭
LogComponentEnable("UdpEchoClientApplication", LOG_LEVEL_INFO); //开启两个类的Log组件，并设置log级别为LOG_LEVEL_INFO
LogComponentEnable("UdpEchoServerApplication", LOG_LEVEL_INFO); //同上

/**********************网络拓扑部分*********************/
//NodeContainer为类名，用于创建、管理、访问node对象
NodeContainer nodes; //创建NodeContainer类的对象
nodes.Create (2);

//PointToPointHelper类，创建、配置、安装NetDevice对象(object)
PointToPointHelper pointToPoint;
//设置PointToPointHelper类对象的Channel和NetDevice参数
pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps")); //数据率=5Mbps
pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms")); //发送延迟=2ms

NetDeviceContainer devices; //device对象用来存储返回的网络设备列表
//PointToPointHelper类对象的Install方法将NodeContainer对象作参数，
//该方法使用先前设置的参数(SetChannelAttribute)创建P2PChannel；
//并对输入参数的每个节点，创建一个使用先前参数(SetDeviceAttribute)的P2PNetDevice；
//并将节点、信道、设备三者关联！
devices = pointToPoint.Install (nodes); //该句完成信道、设备配置和安装！！！
//Install返回值是网络设备列表，以供下文使用

InternetStackHelper stack;
stack.Install (nodes); //安装协议栈(TCP/UDP/IP等)到NodeContainer类对象的每个node

Ipv4AddressHelper address;
//address对象的SetBase方法：参数1为子网地址基，参数2为子网掩码
//给10.1.1.0子网分配IP地址，默认IP地址从1开始！顺序增加！
//即若有2个node，node1IP为10.1.1.1，node2IP为10.1.1.2
address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");

//interfaces容器中第0个接口与nodes容器中第0个节点匹配
//interfaces容器中第1个接口与nodes容器中第1个节点匹配
//IP安装(Assign方法)，分配接口<-->地址
//接口0/1分别对应地址10.1.1.1/2！！！！
Ipv4InterfaceContainer interfaces = address.Assign (devices); //Assign方法用devices作参数，指定IP到设备
//返回值是Ipv4InterfaceContainer类对象列表，同前NetDeviceContianer列表

/********************网络拓扑部分结束*********************/

/**********************应用程序部分*********************/
//创建Server程序，等待UDP分组，并将其发回给sender
UdpEchoServerHelper echoServer (9); //9：Server等待分组到来的端口
//将端口作为构造函数的一个参数，也可使用SetAttribute设置端口

ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install (nodes.Get (1)); //安装UdpEchoServer Application，返回Ptr<Node>
//返回Application列表，用ApplicationContainer类存储 //Server用节点1(地址xxx.2)
serverApps.Start (Seconds (1.0)); //Application的启动/停止(ApplicationContainer类的方法)
serverApps.Stop (Seconds (10.0)); //Seconds方法转化得到NS3 Time

//创建Client程序
UdpEchoClientHelper echoClient (interfaces.GetAddress (1), 9); //UdpEchoClientHelper构造函数中设置前两个属性
//参数1为Remote Address,参数填写的地址索引1，地址为xxx.2
//参数2为Remote Port,
echoClient.SetAttribute ("MaxPackets", UintegerValue (1)); //允许的最大分组的数目，此处指示仅发送1个分组
echoClient.SetAttribute ("Interval", TimeValue (Seconds (1.))); //分组间等待的间隔
echoClient.SetAttribute ("PacketSize", UintegerValue (1024)); //单位为Byte

ApplicationContainer clientApps = echoClient.Install (nodes.Get (0)); //Client用节点0(地址xxx.1)
//返回Application列表，用ApplicationContainer类存储
clientApps.Start (Seconds (2.0));
clientApps.Stop (Seconds (10.0));
/********************应用程序部分结束*********************/

/**********************仿真控制部分*********************/
Simulator::Run ();
Simulator::Destroy (); //清除已创建的对象等
/*******************仿真控制部分结束*********************/

return 0;
}

//程序运行后的显示结果
/*
[ 518/1087] cxx: scratch/myfirst.cc -> build/debug/scratch/myfirst_2.o
[1087/1087] cxx_link: build/debug/scratch/myfirst_2.o -> build/debug/scratch/myfirst
Waf: Leaving directory `/home/shawnlee/tarballs/ns-allinone-3.9/ns-3.9/build'
'build' finished successfully (6.366s)
Sent 1024 bytes to 10.1.1.2 //由UdpEchoClientApplication输出的log消息
Received 1024 bytes from 10.1.1.1 //由UdpEchoServerApplication输出的log消息
Received 1024 bytes from 10.1.1.2
*/

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三、编译与运行
当我们装好NS-3的运行环境之后，在NS-3的程序目录下会有一个scratch目录，其性质类似于VC/VC++环境下的Debug目录。
将上述脚本文件保存为example.cc，复制到scratch下面，然后在NS-3目录下使用命令waf完成编译，然后运行。例如：
　　　　　　$~/NS-3.2.1 > ./waf
　　　　　　$~/NS-3.2.1 > ./waf --run scratch/example
可以看到程序输出：
　　　　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

日志子系统：

NS-3日志子系统的提供了各种查看仿真结果的渠道：
一、使用Logging Module
0、【预备知识】日志级别及其对应的宏
NS-3提供了若干个日志级别来满足不同的Debug需求，每一级的日志内容都涵盖了低一级的内容。这些级别对应的宏从低到高排列为：
　　*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 — 无条件输出

方式1、通过设置shell环境变量NS_LOG使用日志系统
　1.1）首先，定义好一个日志模块：
　　可以在脚本中使用宏NS_LOG_COMPONENT_DEFINE(name)定义一个日志模块。（注意，为了使用宏NS_LOG(name, level)来输出这个模块所定义的内容，这个定义语句必须写在每个脚本文件的开始。宏NS_LOG将在方式2中进行介绍。）
　　也有一些日志模块是内置的，比如上文的名为“UdpEchoClientApplication”“UdpEchoServerApplication”的模块就是UdpEcho应用程序内置的日志模块，只要使用了相应的类，就可以启用相应的日志模块。
　1.2）在shell中通过设置环境变量NS_LOG，来控制仿真输出级别：
　　$~/ns-3.2.1 > export NS_LOG = '<日志模块名称> =level_all | prefix_func | prefix_time'
　　　*level_all表示启用所有级别（=error | warn | debug | info | function | logic）
　　　*prefix_func表示记录输出该消息的函数
　　　*prefix_time表示加上时间前缀
　　$~/ns-3.2.1 > export NS_LOG = '<日志模块名称1>=level_all : <日志模块名称2>=info'
　　　*符号:隔开两个不同的日志模块
　　$~/ns-3.2.1 > export NS_LOG = * = level_all
　　　*符号*作为通配符。上行命令表示启用所有可用模块的所有日志级别。
　　　*这一般会形成大量的数据，此时可以使用shell的输出重定向保存日志到文件里面：
　　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run scratch/example >& log.out

方式2、通过在脚本里使用宏NS_LOG调用日志模块
　2.0）宏NS_LOG(level, msg)用于定义对应level的输出内容；为了方便使用，系统预定义了各个级别的NS_LOG宏NS_LOG_ERROR等（参见【预备知识】）：
　　#define NS_LOG_ERROR(msg) NS_LOG(ns3:OG_ERROR, msg)
　2.1）如上文，在脚本里使用宏NS_LOG_COMPONENT_DEFINE(name)定义一个日志模块；
　2.2）使用宏LogComponentEnable(name, level)启用日志（对应地，有宏LogComponentDisable(name, level)用于禁用日志）；
　2.3）使用【预备知识】里定义的各种级别的宏输出内容，注意程序只会输出低于等于已经启用的level的宏内容。
　　NS_LOG_COMPONENT_DEFINE("Example");
　　LogComponentEnable("Example", LOG_LEVEL_INFO); 　　//等价于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");
　　　//由于我们启用的日志level是INFO，因此编译运行后，程序会输出低于和等于INFO级别的内容，而高于INFO级别的宏内容不会被输出
　　　//即，Message:level_warn和Message:level_info会被输出，而Message:level_logic不会被输出

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二、使用Command Line参数
仿真一般是为了收集各种不同条件下的数据，常常需要改变一些变量。NS-3提供了Command Line参数接口，可以在运行时对脚本中的变量进行设置，免去了每次更改变量后要重新编译的麻烦。（相当于在运行前进行变量的scanf/cin操作，但因为有默认值，CLI更灵活一些。）
1、在脚本中添加语句
int main (int argc, char *argv[])
{
　　...
　　CommandLine cmd;
　　cmd.Parse (argc, argv);　　//将命令行输入的参数作为类CommandLine的参数进行分析
　　...
}
　　这样可以在shell中使用某些附加参数如PrintHelp：
　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --PrintHelp"
　　这条命令将会列出example当前可用的命令参数：
　　　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.
　　从输出中（倒数第二行）我们知道可以打印某些类的属性：
　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --PrintAttributes=ns3:ointToPointNetDevice"
　　这条命令将会列出类型为PointToPointNetDevice的设备的属性：
　　　--ns3:ointToPointNetDevice:ataRate=[32768bps]:
　　　The default data rate for point to point links
　　知道了属性名称，我们也可以使用命令更改这个属性：
　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --ns3:ointToPointNetDevice:ataRate=5Mbps"

2、使用CommandLine::AddValue添加自己的变量，使之成为CommandLine可以使用的参数
　　　CommandLine cmd;
　　　cmd.AddValue("nPackets", "Number of packets to echo", nPackets);　　　//（属性名称，属性说明，变量）
　　　cmd.Parse(argc, argv);
　　这样在shell中我们可以在命令中更改这个属性：
　　　$~/ns-3.2.1 > ./waf --run "scratch/example --nPackets=2"

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三、使用Tracing System
1、启用ASCII Tracing
　　NS-3提供了类似NS-2的日志输出（*.tr文件），记录系统中的动作。在Simulator::Run()之前添加语句：
　　　#include <fstream>
　　　...
　　　std:fstream ascii;
　　　ascii.open ("example.tr");
　　　PointToPointHelper::EnableAsciiAll (ascii);
　　则运行后我们可以在example.tr文件中看到系统的日志（使用ASCII文本阅读器即可），其中每一行都是以+/-/d/r开头的：
　　　+: 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.
　　例如我们可以看到文件中的第一行（为了说明方便，这里分段编号显示），显示了一个入队操作：
　　　00 +
　　　01 2
　　　02 /NodeList/0/DeviceList/0/$ns3:ointToPointNetDevice/TxQueue/Enqueue
　　　03 ns3:ppHeader (
　　　04 　Point-to-Point Protocol: IP (0x0021))
　　　05 　ns3::Ipv4Header (
　　　06 　　tos 0x0 ttl 64 id 0 offset 0 flags [none]
　　　07 　　length: 1052 10.1.1.1 > 10.1.1.2)
　　　08 　　ns3::UdpHeader (
　　　09 　　　length: 1032 49153 > 9)
　　　10 　　　Payload (size=1024)
　　其中编号为02的部分显示了发生操作的路径：根/NodeList是NS-3维护的所有节点列表，因此/NodeList/0表示编号为0的节点；随后的/DeviceList/0表示在该节点上的编号为0的NetDivece（比如网卡）；接下来的$ns3::PointToPointNetDevice指明了该NetDivece的类型；最后的TxQueue/Enqueue表示在传送队列上发生了入队操作，也就是行开头的+所表现的意义。

2、启用PCAP Tracing
　　NS-3也可以生成*.pcap文件，从而可以使用诸如Wireshark、tcpdump（前文NS-3入门[1]概念引入 介绍过）等工具进行分析。
　2.1）在脚本Simulator::Run()之前添加语句：
　　　PointToPointHelper::EnablePcapAll ("example");
　　这个语句将会产生若干*.pcap文件，命名为example-<Node编号>-<NetDevice编号>.pcap，分别记录每个设备的日志。也可以使用语句***Helper::EnablePcap (filename, NodeId, DeviceId)来只产生特定设备的pcap文件：
　　　PointToPointHelper::EnablePcap ("example", p2pNodes.Get (0)->GetId (), 0);　　//只产生example-0-0.pcap文件
　2.2）使用tcpdump在命令行阅读pcap文件：
　　　~/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等软件打开pcap文件。