ns3网络仿真 ospf

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ganmaobuhaowan 2024-07-16 14:08:16

文章标签 ns3网络仿真 ospf 应用程序网络设备系统软件 文章分类 云原生云计算

研究网络协议，需要做网络协议仿真，然后就接触到了ns3和wireshark。
好吧，言归正传，下面开始介绍NS3的相关知识。
1 ns3简介
1.1 ns3的定义说明
ns3是一款离散事件驱动的网络仿真器，主要应用于研究和教育领域，旨在满足学术和教学的需求。

ns3项目是一个完全开源的开发工程，于2006年启动。第一个版本发布于2008年6月，目前最新的版本为ns-3.15。

ns3的适用平台包括：Linux、Mac OS、Cygwin(Windows下的仿Linux环境)。
1.2ns3和ns2的不同
ns3并不是ns2的扩展，而是一个全新的模拟器。
ns2采用C++和OTcl代码编写，在学习过程中需要学习新的OTcl语言。而ns3全部采用C++语言编写，并且带有可选择性的Python语言绑定，用户可以选择C++或者Python语言编写脚本代码，使用起来更加灵活。
ns3并不支持NS-2的API。虽然ns2中的一些模块已经移植到了ns3中，但ns3远没有ns2完善。在ns3开发的过程中，ns3项目组会继续维护ns2，同时也会研究过渡和整合机制。ns3并不包含目前所有NS-2的功能，但它具有某些新的特性，如：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。
1.3 获取更多NS-3资源的方式
用户可以从以下几个网站获取更多有关ns3的详细资料：
1.主站点位于http://www.nsnam.org，提供ns3系统的基本信息。
2.http://www.nsnam.org/ns-3-dev/documentation/该页面主要包括以下主要资料：
Tutorial: 初步介绍NS-3的相关知识，以及下载及安装，简单使用。
Manual: 更深一步讲解ns3的相关知识以及NS-3的编码风格。
Model Library: 主要介绍ns3的相关模块。用户可以选择自己实际需要的模块学习，不需要全部看。
3.http://www.nsnam.org/doxygen/index.html该页面上提供了ns3系统架构的更为详细的信息。在编写自己的模块时，查询类的成员函数，类的属性等，要经常用到这个链接。
4.维基百科网页http://www.nsnam.org/wiki可以作为NS-3主站点的补充。
5.ns3的源码可以在http://code.nsnam.org 找到。读者也可以在名为ns3-dev的源码仓库找到当前的NS-3开发树。还有ns3的之前发行版本和最新测试版本的代码。
2 下载安装ns3
2.1 下载ns3软件包
我们以Ubuntu Linux环境为例，下载安装ns3，并通过运行简单的脚本，来验证是否安装成功。
新建目录，用于存放下载的NS3软件包。目录名可自取。如新建名为ns3_install的目录：

mkdir ns3_install

进入ns3_install目录，下载最新版本的NS3源代码到该目录下，并解压缩。以下载ns-3.15版本源代码为例：

cd ns3_install

wget https://www.nsnam.org/release/ns-allinone-3.30.tar.bz2

tar xjf ns-allinone-3.30.tar.bz2

解压缩之后的目录名为ns-allinone-3.30/。
2.2 编译NS3软件包
2.2.1 使用build.py编译

第一次编译NS3软件包，建议用./build.py --enable-examples --enable-tests命令，对下载的源代码进行整体编译。

首先切换到上文解压缩后的目录下：

cd ns-allinone-3.30

键入如下的命令，编译脚本开始编译，初次编译用时较长，请耐心等待：

./build.py --enable-examples --enable-tests

编译脚本开始编译下载的ns3时，会看到大量常见的编译器输入信息。最后会看到编译成功的消息：

‘build’ finished successfully (40m30.586s)

编译完成之后，在当前目录(ns-allinone-3.30)下会产生一个名为ns-3.30/的目录，切换到该目录下

cd ns-3.30
2.2.2使用waf编译
除了以上介绍的方法，我们也可以用waf进行NS3源代码的编译。在用waf进行编译之前，先来认识一下waf。
读者下载NS3的源码之后，需要对源码进行编译来生成可执行程序。正如源码管理方式多种多样，编译源码也有多种工具。最常用的工具是make。Make的不足在于，它可能是编译大型和高可配置型系统最难的一种方法。因此，有很多替代工具被开发出来。最近，大型高可配置系统的编译工具大多选择用Python语言来开发。
NS3的编译系统采用了Waf。它是用Python开发的新一代编译管理系统。读者不必掌握python，即可编译现有的NS3项目。如果读者想要扩展现有的NS3系统，大多数情况只需了解Python知识的很少且非常直观的一个子集。
更多关于Waf的细节，可以通过http://code.google.com/p/waf/获取。
然后进入本节的主题，开始使用waf来配置和编译NS3软件包。
使用waf对NS3源代码进行编译时，可以分为优化编译和调试编译两种情况。默认情况将进行调试编译。
为了通知waf进行优化编译，你需要执行如下的命令：

./waf clean

./waf -d optimized --enable-examples --enable-tests configure

为防止重复编译可能带来的错误，第一条命令首先清空以前编译的内容(编译过的内容位于ns-3.30/build/目录下)。该命令不是必须的，但这样做是一个好的习惯。键入第二条命令后，编译系统开始检查各种依存关系，并进行编译。你可以看到类似如下的输出：

Checking for program g++ : ok /usr/bin/g++

Checking for program cpp : ok /usr/bin/cpp

Checking for program ar : ok /usr/bin/ar

Checking for program ranlib : ok /usr/bin/ranlib

Checking for g++ : ok

………………

‘configure’ finished successfully (2.870s)

最后一条语句表明，顺利编译完成。

在编译时需要注意的是，部分ns-3特性默认并不是开启的，需要底层系统的支持才能够顺利运行。例如：为了运行XmlTo, 系统必须安装libxml-2.0库,如果没有发现这个库，相应的ns-3特性就不会被激活，这会以消息显示出来。另一个需要注意的地方是：对于一些特定的程序，需要使用sudo命令来设置该程序，而这些程序默认可能设置为关闭的，所以此性质会显示出未激活。

同样，我们也可以进行调试编译(为后续说明的方便，建议编译时选择调试编译模式)：

./waf clean

./waf -d debug --enable-examples --enable-tests configure

此外可以通过参数-o，更改编译的目标目录，默认编译目录为build/。可以通过如下命令，更改编译的目标目录为build/debug/

./waf -d debug -o build/debug --enable-examples --enable-tests configure

在waf中还有许多其它的配置和编译选项可用。可以通过以下命令察看更多的选项：

./waf --help
2.3 对编译的正确性进行测试

在编译完成之后，可以通过运行“./test.py -c core”脚本进行ns-3软件包的正确性测试,

./test.py -c core

这些测试可以被waf并行执行，最后可以看到如下的结果：

136 of 139 tests passed (136 passed, 3 skipped, 0 failed, 0 crashed, 0 valgrind errors)

在测试的过程中，可以看到类似于如下的信息：

Waf: Entering directory ‘/home/……/ns-allinone-3.15/ns-3.15/build’

Waf: Leaving directory ‘/home/……/ns-allinone-3.15/ns-3.15/build’

‘build’ finished successfully (1.799s)

PASS: TestSuite ns3-wifi-interference

PASS: TestSuite ipv4-address-helper

PASS: TestSuite devices-wifi

PASS: TestSuite propagation-loss-model

...

136 of 139 tests passed (136 passed, 3 skipped, 0 failed, 0 crashed, 0 valgrind errors)

用户通常可以运行此命令来检查NS3软件包是否正确编译了。
2.4 运行第一个脚本
我们通常使用waf运行脚本程序。在正确编译了NS3软件包之后，如果要运行一个程序，只需在waf后加入--run选项即可。让我们在ns-3环境下运行常见的Hello Simulator程序，该程序就相当于学习一门语言时的Hello World程序:

./waf --run hello-simulator

Waf会首先检查程序正确编译了，而且还可以根据需要重新执行编译。Waf执行了此程序，并输出如下信息：

Hello Simulator

如果没有看到输出“Hello Simulator”，说明你是在优化编译模式下进行的编译，在优化编译模式下，默认将关闭控制台输出。可以通过以下命令：

./waf clean

./waf -d debug --enable-examples --enable-tests configure

在调试编译模式下进行重新编译。

到现在为止，我们顺利的下载编译了NS3软件包，并通过测试和运行Hello Simulator脚本程序来验证了软件包正确性。如果想在其他工具下如gdb或者valgrind下运行程序，可参见Wiki条目。
3 NS3快速入门
3.1 NS3中的几个关键概念
3.1.1 节点Node
在网络术语中，任何一台连接到网络的计算设备被称为主机，亦称为终端。NS3是一个网络模拟器，而非一个专门的因特网模拟器，为此我们避开术语“主机”，因为这个词太容易让人联想到因特网和及其相关协议。因此，我们选用了一个来源于图论，在其他网络模拟器中亦广泛使用的术语：节点。
NS3中基本计算设备被抽象为节点。节点由用C++编写的Node类来描述。Node类提供了用于管理计算设备的各种方法。
可以将节点设想为一台可以添加各种功能的计算机。为了使一台计算机有效地工作，我们可以给它添加应用程序，协议栈，外设卡及驱动程序等。NS3采用了与此相同的模型。
3.1.2 信道
在现实世界中，人们可以把计算机连接到网络上。通常我们把网络中数据流流过的媒介称为信道。当你把以太网线插入到墙壁上的插孔时，你正通过信道将计算机与以太网连接。在NS3中，可以把节点连接到代表数据交换信道的对象上。在这里，基本的通信子网这一抽象概念被称为信道，用C++编写的Channel类来描述。
Channel类提供了管理通信子网对象和把节点连接至信道的各种方法。信道类同样可以由开发者以面向对象的方法自定义。一个信道实例可以模拟一条简单的线缆（wire），也可以模拟一个复杂的巨型以太网交换机，甚至无线网络中充满障碍物的三维空间。
在本章中我们将使用几个信道模型的实例，包括：CsmaChannel, PointToPointChannel和WifiChannel。举例来说，CsmaChannel信道模拟了用于一个可以实现载波侦听多路访问的信道，这个信道具有和以太网相似的功能。
3.1.3 网络设备
如果想把一台计算机连接到网络上，必须在计算机上安装有网卡。一张网卡如果缺少控制硬件的软件驱动是不能工作的。在Unix/Linux系统中，外围硬件被划为“设备”。设备通过驱动程序来控制，而网卡通过网卡驱动程序来控制。在Unix/Linux系统中，网卡被称为像eth0这样的名字。
在NS3中，网络设备这一抽象概念相当于硬件设备和软件驱动的总和。NS3仿真环境中，网络设备相当于安装在节点上，使得节点通过信道和其他节点通信。像真实的计算机一样，一个节点可以通过多个网络设备同时连接到多条信道上。
网络设备由用C++编写的NetDevice类来描述。NetDevice类提供了管理连接其他节点和信道对象的各种方法，并且允许开发者以面向对象的方法来自定义。我们在本教程中将使用几个特定的网络设备的实例，它们分别是CsmaNetDevice, PointToPointNetDevice, 和 WifiNetDevice。正如以太网卡被设计成在以太网中工作一样，CsmaNetDevice被设计成在csma信道中工作，而PointToPointNetDevice 在PointToPoint信道中工作，WifiNetNevice在wifi信道中工作。
3.1.4 应用程序
计算机软件通常可分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件根据计算模型配置，并管理计算机中的各种资源，如内存，处理器周期，硬盘，网络等。系统软件通常并不直接使用这些资源来完成用户任务。用户往往需要运行应用程序来完成一些特定的任务，而应用程序需要使用由系统软件控制的资源。

通常，系统软件和应用软件的界线表现为特权级别的变化，而这种变化是通过操作系统的自陷功能（operating system traps）来实现的。在NS3中并没有真正的操作系统的概念，更没有特权级别或者系统调用的概念。然而，我们有应用程序的概念。正如“现实世界”中在计算机上运行应用程序以执行各种任务一样，NS3仿真环境中的应用程序在节点上运行来驱动模拟过程。

在NS3中，需要被仿真的用户程序被抽象为应用。用Application类来描述。这个类提供了管理仿真过程中用户层应用的各种方法。开发者应当用面向对象的方法自定义和创建新的应用。在本教程中，我们会使用Application类的两个实例：UdpEchoClientApplication 和UdpEchoServerApplication。这些应用程序包含了一个client应用和一个server应用来发送和回应仿真网络中的数据包。