【网络仿真】ns-3概述

2023-10-06 09:49:04

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1 引言

The ns-3 simulator is a discrete-event network simulator targeted primarily for research and educational use.

ns-3模拟器: ns-3是一款用于学术研究和教育用途的开放源代码验高散事件模拟器，始于2006年。
我们将通过几个简单的模拟示例来窥探ns- 3的关键慨念和特征。
提示: ns 3是全新设计和实现的网络横拟器，它与ns-2不兼容!

1.1 关于ns-3

开发环境推荐:

OS: Linux or macOS，不推荐Windows OS (可在Windows 下使用vmware workstation或
virtualbox虚拟化软件安装Linux)
Language: C++、Python
Command Line Terminal：虽然有动画、数据分析与可视化工具可用。绝大工作还是在终端命令行中完成。

1.2 for ns-2 users

ns-3允许在模拟最中执行现实世界中的代码。借助DCE (Direct Code Execution) 可以将整个Linux网络栈封装仅一个ns-3节点中。

1.3 为ns-3做贡献

ns-3网络模拟器提供了一个开放、可扩展的网络模拟平台，主要用于网络研究和教育目的。
简单来说：ns-3提供了很多模型(models)，用于模拟分组数据网络如何工作和执行；提供了一个网络模拟引擎。
为什么要使用ns-3:

Include to perform studies that are more difficult or not possible to perform with real systems
to study system behavlor in a highly controlled
reproducible environment, and to learn about how networks work

大多数的ns-3模型用于建模Internet协议和网络是如何工作的。ns-3不局限于Internet系统。也有一些用户用于建模非Internet系统

现有的网络模拟/仿真工具:

OPNET
OMNET++
ns-2

2 资源

2.1 Web

Ofliclal Webste: https://www.nsnam.org
Officlal Documents Webpage: http://www.nsnam.org/documentation
https://www.nsnam.org/documentation/development-tree/
Official Wiki: https://www.nsnam.org/wiki
Source Code: https://gitlab.com/nsnam

2.2 git

2018年12月ns-3的源码管理工具从Mer curial迁移到了Git。

2.3 waf

ns-3源码构建系统采用waf (https://waf.io/book/) .
waf是基于Python语言的源码构建系统，与make的功能相同(make太过复杂)。
不用去深究waf的实现细节，会用即可!（用来编译运行脚本）

2.4开发环境

ns-3采用的编程语言: C++、Python

C++ Tutorial: http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/
Python: http://python.org
Linux中使用Gnu toolchain:
GNUC++编译器: gcc(g++)
GNU binutils
GNU gdb
ns-3没有使用GNU的构建系统，而使用waf构建系统
macOS Toolchain:
Xcode

2.5 套接字编程

参考链接：

3 ns核心概念

3.1 节点 Node

ns3将基本的计算设备抽象为node(具体表现为node类)
node类提供了许多方法模拟计算设备在计算机网络中的行为
node的概念对应于host, end system…
把node看作一台计算机（裸机），需要向计算机内添加软硬件功能部分：应用程序、协议栈、计算机外设等。

Class_Node_API

Class_NodeContainer_API

Class_NodeList_API

3.2 应用程序 Application

应用程序是运行在node内部的用户软件。
ns3中有许多application类的子类：

UdbEchoClientApplication
UdbEchoServerApplication

Class_Application_API

Class_ApplicationContainer_API

3.3 信道 Channel

信道是数据的传输通道，有线、无线…
the basic communication subnetwork abstraction is called the channel and is represented in C++ by the class Channel

现实世界：网卡、双绞线
虚拟世界：node、channel

Channel类提供相应的方法来管理通信子网对象，将节点连接到通信子网中。

a channel specialization may model something as simple as a wire.可以模拟网线。
the specialized channel can also model things as complicated as a large Ethernet switch.可以模拟以太网交换机。
or three-dimensional space full of obstructions in the case of wireless networks.模拟无线网络中充满障碍的三维空间。

常见的channel:

CsmaChannel: 可以模拟实现scma(carrier sense multiple access)的通信子网
PointToPointChannel
WifiChannel

Class_Channel_API

3.4 网络设备 Net Device

（node与channel连接必须有net device，例如网卡）

ns-3中的网络设备抽象包括两部分：

software driver: 设备驱动程序
simulated hardware: 仿真硬件
net device 被安装在node中，使当前node能够和其他node构建网络（借助channel）

Class_NetDevice_API

Class_NetDeviceContainer_API

3.5 拓扑辅助类 Topology Helpers

核心：简化网络拓扑配置，将那些机械的重复配置作用Helper实现。

Helpers示例（在官方文档的类索引中搜索Helper）:

PointToPointHelper
InternetStackHelper
Ipv4AddressHelper
UdpEchoServerHelper
UdpEchoClientHelper

4 第一个模拟脚本

ns3安装教程
在ns-3中启动vscode：(ctrl+alt+t)

#命令行输入命令
cd /home/jnbai/桌面/ns3/ns-allinone-3.33/ns-3.33
code --user-data-dir=/root/.vscode-root/ . #root用户
code . #普通用户

#在命令行中运行：（ns-3.33目录下）
sudo ./waf --run first

在vscode中运行：.cc文件要放在ns-3.33->scratch文件夹下，且用命令行已经运行过一次。
因此，以后实验编写的脚本（.cc文件）要放在ns-3.33/scratch下面。

第一个模拟脚本（在ns-3.33->examples->tutorial->first.cc中）

/* -*- Mode:C++; c-file-style:"gnu"; indent-tabs-mode:nil; -*- */
/*
 * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
 * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
 * published by the Free Software Foundation;
 *
 * This program is distributed in the hope that it will be useful,
 * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
 * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
 * GNU General Public License for more details.
 *
 * You should have received a copy of the GNU General Public License
 * along with this program; if not, write to the Free Software
 * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
 */

#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;

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;
  nodes.Create (2);

  PointToPointHelper pointToPoint;
  pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps"));
  pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms"));

  NetDeviceContainer devices;
  devices = pointToPoint.Install (nodes);

  InternetStackHelper stack;
  stack.Install (nodes);

  Ipv4AddressHelper address;
  address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");

  Ipv4InterfaceContainer interfaces = address.Assign (devices);

  UdpEchoServerHelper echoServer (9);

  ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install (nodes.Get (1));
  serverApps.Start (Seconds (1.0));
  serverApps.Stop (Seconds (10.0));

  UdpEchoClientHelper echoClient (interfaces.GetAddress (1), 9);
  echoClient.SetAttribute ("MaxPackets", UintegerValue (1));
  echoClient.SetAttribute ("Interval", TimeValue (Seconds (1.0)));
  echoClient.SetAttribute ("PacketSize", UintegerValue (1024));

  ApplicationContainer clientApps = echoClient.Install (nodes.Get (0));
  clientApps.Start (Seconds (2.0));
  clientApps.Stop (Seconds (10.0));

  Simulator::Run ();
  Simulator::Destroy ();
  return 0;
}

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