NS3学习之整体介绍

NS3整体介绍

目录结构

src目录是ns-3的源代码目录，其目录结构基本和ns-3模块相对应

这些模块目录的子目录都是固定的。

• bindings/ 绑定python语言的
• doc/ 帮助文档
• examples/ 应用该模块的示例代码
• helper/ 模块对应的helper类源文件
• model/ 模块代码的.cc和.h文件
• test/ 模块设计者编写的模块测试代码
• wscript

一些常用模块

模块	用途
core	ns3内核模块，实现了ns-3的基本机制，智能指针，属性，回调，随机变量，日志，追踪，事件调度等
network	网络数据分组模块，一般仿真都会使用
Internet	实现了TCP/IP相关的协议族，IP, ARP, UDP, TCP等
applications	几种常见的应用层协议
mobility	移动模型模块，为节点添加移动属性
status	统计框架模块，方便对仿真数据的收集、分析和统计
tools	统计工具，作图工具gunplot
netanim	动画演示工具
visualizer	可视化界面工具

几种典型的网络模块

模块	用途
point-to-point	点对点网络
CSMA	实现基于IEEE802.3的以太网网络，包括MAC层，物理层和媒体信道
Wi-Fi	实现基于IEEE802.11a/b/g的无线网络，也可以是有基础设施的ad hoc网络
mesh	实现基于IEEE802.11s的无线mesh网络
wimax	实现基于IEEE802.16标准的无线城域网络

几种ad hoc网络路由协议模块 ：aodv， dsdv， olsr。

这些模块当中，core，network，internet和status是ns-3的基础模块，学习和开发其它模块首先要掌握这几个基础模块。

ns3 关键概念

节点

ns-3中的基本计算设备被抽象为节点。此节点是一个可以添加各种功能的计算机。当然仅仅是个计算机，要想使它工作，还需要添加网卡，协议栈，应用程序。

在ns-3中节点用Node类来描述，下面两行代码会创建两个节点对象，它们在仿真中代表计算机

NodeContainer nodes;
nodes.Create(2);

应用

计算机软件中通常分为系统软件和应用软件。应用软件完成用户工作，系统软件管理计算机中的内存，CPU，硬盘，网络等各种资源。在ns-3中并没有正常的操作系统的概念，但是用应用程序的概念。在ns-3中，需要被仿真的用户程序被抽象为应用。在C++中用Application类描述。

bulk-send-application
on-off-application
udp-client/server
udp-echo-client/server

信道

通常把网络中数据流过的媒介称作为信道，在ns-3中，节点需要连接到信道上来进行数据交换，在C++中用Channel类来描述，一个信道实例可以模拟一条简单的线缆，也可以是一个复杂的巨型以太网交换机，甚至是一个无线网络中充满障碍物的三维空间。

CsmaChannel
PointToPointChannel
Wi-FiChannel

网络设备

把计算机连接到网络上，必须用网线连接到网卡上。现在计算机出厂的时候都已经配置了网卡，所以用户一般看不到这些模块。一张网卡只是个外围设备，设备需要驱动软件来控制，如果缺少软件驱动它还是不能工作的。在ns-3中，网络设备这一抽象概念相当硬件设备和软件驱动的总和。网络设备安装在节点上，然后节点之间通过信道和其他节点通信。这个网络和信道是相对应的，就像无线网卡不能连接网线，只能在在无线环境中使用。C++中用NetDevice类来描述网络设备。

CsmaNetDevice
PointToPointNetDevice
Wi-FiNetNevice

搭建网络仿真场景和搭建真实网络类似
首先要有网络节点(Node),节点需要有网络设备(NetDevice),网络设备需要通过传输媒体(Channel)连接

仿真脚本的编写

脚本编写一般都是经过以下步骤

步骤	实例
1. 创建节点	NodeContainer
2. 创建链路类型	XxxDeviceHelper
3. 安装链路类型，生成网卡	XxxDeviceContainer=XxxDeviceHelper.install(NodeContainer)
4. 安装协议栈	XxxStack.install(NodeContainer)
5. 配置IP地址	XxxAddressHelper.setBase(“IP”,“NETMASK”)
6. 生成网络接口	XxxInterfaceContainer = XxxAddressHelper.Assign(NetDeviceContainer )
7. 安装应用	ApplicationContainer = XxxHelper.Install(NodeContainer);
8. 开始仿真

结合 tutroial/first.cc 例子讲解，first.cc两个P2P节点，client节点向server节点发送数据，server回显数据。

示例中仅发送了一个数据包。MaxPacket属性是数据包数量，Interval是发送间隔，PacketSize是数据包大小

main (int argc, char *argv[])
{
    CommandLine cmd;
    cmd.Parse (argc, argv);
    
    Time::SetResolution (Time::NS);
    LogComponentEnable ("UdpEchoClientApplication", LOG_LEVEL_INFO);
    LogComponentEnable ("UdpEchoServerApplication", LOG_LEVEL_INFO);
    
    //1. 创建节点
    NodeContainer nodes;
    nodes.Create (2);
    
    //2.为节点创建P2P类型的链路，并配置链路属性
    PointToPointHelper pointToPoint;
    pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps"));
    pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms"));
    
    //3.安装链路，生成网卡
    NetDeviceContainer devices;
    devices = pointToPoint.Install (nodes);
    
    //4.安装协议栈
    InternetStackHelper stack;
    stack.Install (nodes);
    
    //5.为网卡配置IP
    Ipv4AddressHelper address;
    address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");
    //6.生成网络接口
    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));
    
    //7.配置应用
    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));
    
    //8.开始仿真
    Simulator::Run ();
    Simulator::Destroy ();
    return 0;
}

ns3拓扑构造

构建拓扑一般是使用以下步骤

1. 先构建节点，网络类型。节点使用网络连接起来生产网卡
2. 给网卡绑定IP地址,生成网络接口（之后可以在接口上做业务）
3. 使用拓扑帮助

Device = Helper.Install(Node);
/*  生成网卡
    Device是网卡
    Helper是网络类型，
    Node是要来连接的节点
*/

Interface = Address.Assign(Device);
/*
    绑定IP
    Interface是网络接口接口，供后续Application使用
    Address是网络地址，是一个网段
    Device是网卡
*/

Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables ();
/*
    用拓扑帮助类构建路由
*/

点对点网络示例

NodeContainer c;
c.create(2);

NodeContainer n0n1 = NodeContainer(c.Get(0), c.Get(1));

PointToPointHelper p2p;
p2p.SetDeviceAttribute ("DataRate", StringValue ("5Mbps"));
p2p.SetChannelAttribute ("Delay", StringValue ("2ms"));
NetDeviceContainer d0d1 = p2p.Install (n0n1);

Ipv4AddressHelper address;
address.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");
xxx = address.Assign (d0d1);
// 为d0d1里的两个节点分配ip, 10.1.1.1 -------10.1.1.2

Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables ();

以太网总线网络

NodeContainer c;
c.create(4);

CsmaHelper n0n1n2n3 = NodeContainer(c.Get(0), c.Get(1), c.Get(2), c.Get(3));
//CsmaHelper n0n1n2n3 = NodeContianer(c);
csma.SetChannelAttribute ("DataRate", StringValue ("100Mbps"));
csma.SetChannelAttribute ("Delay", TimeValue (NanoSeconds (6560)));
NetDeviceContainer d0d1d2d3 = csma.Install (n0n1n2n3);

Ipv4AddressHelper address;
address.SetBase ("10.1.2.0", "255.255.255.0");
xxx = address.Assign (d0d1d2d3);
// 为d0d1d2d3中的节点分别分配ip
// 10.1.2.1----10.1.2.2----10.1.2.3----10.1.2.4
Ipv4GlobalRoutingHelper::PopulateRoutingTables ();

无线网拓扑

NodeContainer c;
c.create(3);

// 让第一个节点做AP节点，其他的连接这个AP
NodeContainer ApNode = c.Get(0);

// 其他的做无线设备，连接AP节点
NodeContainer StaNode = NodeContainer(c.Get(1), c.Get(2));

WifiHelper wifi;
wifi.SetRemoteStationManager ("ns3::AarfWifiManager");

WifiMacHelper mac;
Ssid ssid = Ssid ("ns-3-ssid");


//设置AP节点网络
mac.SetType ("ns3::ApWifiMac",
           "Ssid", SsidValue (ssid));
NetDeviceContainer apDevices = wifi.Install (phy, mac, wifiApNode);

//设置无线设备网络
mac.SetType ("ns3::StaWifiMac",
           "Ssid", SsidValue (ssid),
           "ActiveProbing", BooleanValue (false));
NetDeviceContainer staDevices = wifi.Install (phy, mac, wifiStaNodes);

Ipv4AddressHelper address;
address.SetBase ("10.1.2.0", "255.255.255.0");
address.Assign (staDevices);
address.Assign (apDevices);

应用

所有应用程序要分别用apps.Start(), apps.Stop()设置应用的启动停止时间，注意服务器程序要比客户端早启动

UdpClient，UdpServer

Udp应用，顾名思义，构建一个udp应用，客户端往服务器端发数据。可以设置数据包的大小，数量，发送间隔

在一个节点上安装udpserver

NodeContainer c;
c.create(2);
...
...
uint16_t port = 4000;
UdpServerHelper server (port);
ApplicationContainer apps = server.Install (c.Get (1));
apps.Start (Seconds (1.0));
apps.Stop (Seconds (10.0));

在一个节点上安装udpclient

UdpClientHelper client (serverAddress, port);//绑定服务器地址，地址用interface.GetAddress方法获取
client.SetAttribute ("MaxPackets", UintegerValue (320));//发送多少个包
client.SetAttribute ("Interval", TimeValue (0.05));//发送间隔
client.SetAttribute ("PacketSize", UintegerValue (1024));//包大小
apps = client.Install (n.Get (0));//安装到哪个节点
apps.Start (Seconds (2.0));
apps.Stop (Seconds (10.0));

OnOffApplication

OnOff应用是个开关应用，开的时候产生流量，关的时候不产生流量。

BulkSendApplication

PacketSink

移动模型

MobilityHelper 类用来设置节点移动模型
SetPositionAllocator

MobilityHelper mobility
mobility.SetPositionAllocator()//设置节点初始位置
mobility.SetMobilityModel()  //设置节点运动方式

初始位置-网格布局

mobility.SetPositionAllocator ("ns3::GridPositionAllocator",
                                 "MinX", DoubleValue (-100.0),
                                 "MinY", DoubleValue (-100.0),
                                 "DeltaX", DoubleValue (5.0),
                                 "DeltaY", DoubleValue (20.0),
                                 "GridWidth", UintegerValue (20),
                                 "LayoutType", StringValue ("RowFirst"));

GridPositionAllocator的属性以及默认值

• “GridWidth”, “一行最多有几个节点”,UintegerValue (10),
• “MinX”, “网格布局起始处在x轴上的坐标.”,DoubleValue (1.0)
• “MinY”, “网格布局起始处在y轴上的坐标.”,DoubleValue (0.0)
• “DeltaX”, “x轴上节点间的距离.”,DoubleValue (1.0)
• “DeltaY”, “y轴上节点间的距离”, DoubleValue (1.0)
• “LayoutType”, “布局类型.”,EnumValue (ROW_FIRST)

如果有100个节点，GirdWidth值为10,则一行10个，共10行，Girdwidth为20，则一行20个，共5行

初始位置-随机布局

在一个圆内随机布局

mobility.SetPositionAllocator ("ns3::RandomDiscPositionAllocator",
                             "X", StringValue ("100.0"),
                             "Y", StringValue ("100.0"),
                             "Rho", StringValue ("ns3::UniformRandomVariable[Min=0|Max=30]"));

RandomDiscPositionAllocator属性以及默认值

• “Theta”,“随机角度.”, StringValue (“ns3::UniformRandomVariable[Min=0.0|Max=6.2830]”),
• “Rho”,“随机半径”, StringValue (“ns3::UniformRandomVariable[Min=0.0|Max=200.0]”),
• “X”,“圆心x轴坐标”, DoubleValue (0.0),
• “Y”,“圆心y轴坐标”, DoubleValue (0.0)

ns3::UniformRandomVariable[Min=0.0|Max=6.2830] 一个随机的值，0.0~6.2830

运动模型-固定不动

mobility.SetMobilityModel ("ns3::ConstantPositionMobilityModel");

运动模型-随机运动

在一个2d场景随机运动，方向和速度都是随机的

mobility.SetMobilityModel ("ns3::RandomWalk2dMobilityModel",
                         "Mode", StringValue ("Time"),
                         "Time", StringValue ("2s"),
                         "Speed", StringValue ("ns3::ConstantRandomVariable[Constant=1.0]"),
                         "Bounds", StringValue ("0|200|0|200"));

RandomWalk2dMobilityModel模型的属性以及默认值

• “Bounds”,“运动的范围”, RectangleValue (Rectangle (0.0, 100.0, 0.0, 100.0))
• “Time”,“走多久换一次方向”,TimeValue (Seconds (1.0))
• “Distance”,"走多远换一次方向"DoubleValue (1.0),
• “Mode”,“Time or Distance”,EnumValue (RandomWalk2dMobilityModel::MODE_DISTANCE)
• “Direction”,"随机方向 (radians)."StringValue (“ns3::UniformRandomVariable[Min=0.0|Max=6.283184]”)
• “Speed”“随机速度 (m/s).”,StringValue (“ns3::UniformRandomVariable[Min=2.0|Max=4.0]”)

Mode 是选择根据运动时间来变方向还是根据运动距离来变方向

自定义运动

MobilityModel::SetPosition 方法用来控制模型的移动,

//在5秒后node节点会沿x轴，y轴，z轴方向分别移动1米，
Ptr<MobilityModel> mob = node->GetObject<MobilityModel> ();
Simulator::Schedule (Seconds (5.0), &MobilityModel::SetPosition, mob, Vector (1, 1, 1));