網絡仿真器NS3的剖析與探究

茹新宇，劉 淵

(1.江南大學 數字媒體學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇聯合職業技術學院 無錫交通分院，江蘇 無錫 214151)

0 引 言

仿真所固有的低成本、虛擬化優勢，使其成為極具吸引力的重要科研手段[1]。網絡仿真目前已是互聯網算法性能、協議拓撲最經濟快捷的評價方法之一。網絡仿真器主要通過部署虛擬環境，允許對特定節點或路徑模擬其網絡行為，并提供仿真結果，以便研究、參考或改進。借助仿真的高靈活度和可擴展性，不同網絡實體的協議算法、概念模型及其拓撲架構可在虛擬環境中搭建、測試并實施。現有工具，如QualNet、OPNET[2]和REAL等，由于使用條款、實施成本及代碼開源等因素而遠未普及。鑒于現場布置及情景再現等客觀條件，新網絡仿真器NS3應運而生。作為NS2的繼任者，它運用全新理念來解決和減輕NS2存在的問題，現已大量部署于實驗場景。它支持當前主流協議，為實驗提供仿真結果。

文中對NS3進行了深入探究，重點闡述了其TCP實現過程，并提出了具有前瞻性的研究方向。

1 NS3簡介

1.1 NS3的概述

NS系列仿真器是由UC Berkeley開發的優秀網絡仿真軟件，使用經典的Unix語言作為環境工具，在GNU/Linux平臺下開發[3]。為便于安裝、維護及更新，如今已被移植進Windows/Cygwin，BSD及Mac OSX等系統。NS2作為一款開源軟件，支持多種協議且易于擴展，但同時也存在較多問題。如它采用分裂對象模型，在OTcl中編寫腳本，仿真結果由NAM實現可視化，卻無法單純從C++運行。另外，網絡層抽象仿真，結果跟蹤困難，需借助解析文件提取，模型之間互操作及耦合性不足，分析工具“各自為政”。

目前仍在大規模開發的NS3項目始于2006年，它廣泛汲取主流仿真器NS2、YANS和GTNets的技術經驗，用C++語言實現，兼容時下流行的Python，目前已發展至3.26穩定版本。NS2部分模型已移植進NS3，使之在功能實現、版本更新、用戶體驗等方面都具有良好表現[4]。其核心及各功能模塊由C++代碼完成[5]，對外提供豐富的擴展接口[6]，可按需更改或增減模塊。NS3包含網絡組件模擬接口，擁有事件調度器，可通過執行相關事件，模擬真實通信“行為”。同時它還具備完美的跟蹤機制，便于用戶解析數據、傳輸過程及分析結果，詳細介紹如表1所示。

表1 NS3仿真器的優點與特點

1.2 NS3與NS2的區別

NS2及其后繼者NS3具有相同背景、概念和類似目標，是一離散事件模擬器。雖然目前NS2仍有很大用戶群，但由于NS3的特征及設計優勢，使之日趨成為NS2的可靠替代品。它可較好地規避前者存在的問題，其協議和場景均用C++編寫。第三方軟件依賴和源代碼構建過程截然不同并優于NS2，系統集成度較好。兩者的部分特征對比如表2所示。

表3總結了現NS2已有模型與NS3計劃或已開發模型間的對比[7]。

表2 NS2與NS3的部分特征對比

表3 NS2與NS3的項目模型對比

2 NS3的系統剖析

2.1 NS3的模塊體系結構

NS3由一系列層次分明的功能模塊拼接而成，其組織結構及模塊間的基本依賴關系如圖1所示。

圖1 NS3的基本模塊體系結構

2.1.1常用模塊

Core：內核模塊，是NS3基本機制的實現，如智能指針(Ptr)、屬性(attribute)、回調(callback)、隨機變量(random variable)、日志(logging)、追蹤(tracing)和事件調度(event scheduler)等內容。

Network：數據分組(packet)模塊。

Internet：關于TCP/IPv4/6的相關協議族的實現，包括TCP/IPv4/6、ARP、UDP及鄰居發現等相關協議。

Topolopy-read：讀取指定軌跡文件數據，按指定格式生成相應網絡拓撲。

Protocol Status：協議框架模塊，收集、統計和分析數據。

另有，Tools：統計工具(包括gnuplot作圖接口)；ApplicatioNS：應用模塊；Mobility：移動模塊；Visualizer：可視化工具；Netanim：動畫演示器；Propagation：傳播模型模塊；Flow-monitor：流量監控模塊等。

2.1.2典型模塊

CSMA：基于IEEE802.3以太網，包括MAC層、物理層和媒體信道。

Point-to-point：實現網絡間的點對點通信。

Wifi：基于IEEE802.11a/b/g無線網，包括AdHoc。

其他還有，Mesh：基于IEEE802.11s的無線網絡；Wimax：基于IEEE802.16的無線城域網；LTE：3GPP通用移動通信系統(UMTS)技術長期演進；UAN：水聲通信網絡；MPI：并行分布式離散事件標準信息傳遞接口；Click：集成可編程模塊化路由；Openflow：仿真交換機；Emu：集成實驗床和虛擬機環境等。

2.1.3最新技術

Waf是基于Python框架開發的編譯工具，NS3自身及將要執行的仿真代碼都由Waf編譯運行。Scratch目錄存放用戶腳本，運行案例可拷至該目錄。Example舉例如何使用NS3，內含許多模塊的使用。Doc目錄是幫助文檔，可使用./waf--doxygen編譯本地Doxygen文檔。Build編譯目錄，內含編譯文件時使用的共享庫和頭文件(build/NS3)。Src是NS3的源碼目錄。

模塊中的wscript文件結構固定，用來注冊模塊中的源碼和使用其他模塊情況。Model目錄包含模塊代碼的.cc和.h文件。Helper目錄存放模塊對應的helper類代碼的源文件。Test目錄包含原模塊測試代碼，而examples目錄存放應用該模塊的實例代碼。Doc是幫助文檔，bindings目錄則被模塊用來綁定Python語言。

2.2 NS3的基本對象與類

NS3以較低層次的抽象來構造組件，模擬真實環境[8]，其基本對象是節點、應用、信道和網絡設備等，由類表示或實現。

(1)節點(Node)：網絡上所連接的基本計算單元或終端都抽象為節點，在C++中由Node類描述(如Nodeontainer類)，用于追蹤一組節點指針。用戶可通過對節點添加應用、協議和網卡等進行二次開發[9]。

(2)應用(Application)：被仿真的用戶程序抽象為應用。NS3以“Time”為參數，記錄接收和發送時間。在C++中抽象成Application類表示，實現時需繼承該類，將其部署在節點，驅動仿真器運行。由應用程序生成和回顯仿真數據包的客戶/服務器端程序集，如Application類稱為“UdpEchoClient Application”和“UdpEchoServer Application”。

(3)信道(Channel)：基本的通信子網被抽象為信道。在C++中由Channel類描述，提供管理通信子網對象和節點連接至它們的各種方法。它可模擬簡單線纜、無線網，甚至以太網交換機。NS3包括Csma Channel、Point To Point Channel以及Wifi Channel等信道。

(4)網絡設備(NetDevice)：硬件設備和軟件驅動的抽象表示，由C++的NetDevice類實現。通過綁定與類型匹配的信道，提供管理節點和信道對象連接。與信道對應，NetDevice也分為Csma NetDevice、Point To Point NetDevice和Wifi NetDevice等[10]。若需要一個所有被創建的NetDevice對象列表，則需用一個NetDeviceContainer對象來存放。

(5)分組(Packet)：每個分組包含字節緩沖器、標簽和元數據。緩沖器是頭部和尾部的逐位串行表示，標簽則是任意用戶提供的數據結構的集合，而元數據可用以描述已序列化的頭和尾的類型。

(6)套接字(Socket)：作為應用程序與網絡堆棧間的接口。NS3提供了兩種類型的套接字API，一是NS3API，二是使用本機API服務來提供類似POSIX的API，作為整個應用程序進程的一部分。

(7)拓撲幫助器(Topology Helper)：NS3用Topology Helper類來整合大量分立步驟，使其成為一簡單易用的操作。由拓撲生成器調用底層核心完成節點、網絡設備、MAC地址、信道及協議棧等創建與配置。它可實現多節點連接及多子網聯網、分配IP地址等功能。如Topology Reader Helper類可簡化配置并使用通用Topology Reader。Internet Stack Helper是個安裝Point To Point Helper對象和點到點網絡設備的網絡協議棧的拓撲生成器類。

(8)典型容器助手(typical containers and helpers)。NS3分容器類和助手類，NodeContainer、NetDevice Container和Ipv4AddressContainer是不同容器類，而InternetStackHelper、WifiHelper、MobilityHelper和OlsrHelper則屬不同助手類。

3 NS3的初步探究

3.1 NS3的數據傳輸

NS3體系結構類似OSI模型，便于對網絡層次及協議仿真研究。數據按TCP/IP形式發送，以類方式實現。事件由節點觸發，當數據包到達節點，仿真器按事件預定的執行時間排序隊列、按步處理。數據包傳遞時，通過指針交互完成轉發，傳輸過程如圖2所示[11]。

圖2 NS3數據包傳輸過程

首先應用層創建數據包并通過套接字傳送至傳輸層(用套接字指針取代應用層指向該數據包)。在該層完成TCP或UDP頭的封裝后轉交至網絡層[12]。由該層判斷數據包的目的地址，若非當前節點則查詢路由，將數據包交至網絡設備層。該層查詢ARP，將數據包轉至指定接口，由該口將包發送至信道。信道通過入隊、鏈路延遲處理、TTL檢驗及出隊等完成數據包的發送。若出現隊列已滿或TTL生命期結束，則丟棄該包。當數據包經過信道傳輸到達目的節點后，再由網絡設備層開始逐層上傳，最后通過端口找到API套接字，并通過該套接字將包交由應用模塊處理。綜上所述，NS3的數據包傳輸過程與物理網絡類似，其仿真可信度較高。

3.2 NS3的代碼體系結構

NS3從拓撲建立開始，定義所選模型，而后通過設置參數、賦予地址來配置模型并執行代碼。仿真生成的Pcap包文件可采用trace格式跟蹤輸出，最后用Wireshark等工具跟蹤結果并分析數據，或由Net Anim來實現可視化輸出。其代碼創建過程如圖3所示。

圖3 NS3代碼體系結構

3.3 NS3的仿真流程

使用NS3進行網絡仿真時，一般需要4步：

(1)選擇或開發相應模塊；

(2)編寫仿真腳本(C++或Python)。包括：生成節點(如網卡、應用程序和協議棧等)；安裝網絡設備(如CSMA、WiFi)；安裝協議(一般TCP/IP及應用層協議)；其他配置(如節點移動或能量管理等)；

(3)啟動仿真器；

(4)仿真結果分析(包括輸出網絡場景和數據圖像等)。

4 NS3的深入探究

4.1 NS3的數據跟蹤

NS3有兩類跟蹤：一是用Logging系統直接將執行過程顯示在命令行，有助于調試仿真腳本；另外常用Tracing系統將采集的數據直接存于一文件中，以便后期分析處理。

Logging系統從低到高可分7個等級，高的包含低的消息。通過.cc文件對程序添加記錄，通過環境變量修改系統等級，隨后終端運行。而Tracing系統則存儲大量信息，它包含3個基本概念：跟蹤源(Tracing Sources)、跟蹤宿(Tracing Sink)以及兩者的連接機制。該系統基于回調函數收集統計信息，當某跟蹤源產生一新事件，可通過回調了解其內部正在發生的模擬情形及設備運行狀況。

4.2 NS3的TCP實現

4.2.1TCP類及其相互作用

TCP類在網絡模型中與IPv4/6協議一起駐留，實現彼此通信的多個類與網絡層交互，并向應用層提供可靠的數據傳送。下面列出NS3中關于TCP實現的主要類別以及它們之間的相互作用，如圖4所示[13]。

TcpSocket：這個抽象類包含TCP套接字的基本屬性。

TcpSocketBase：此類為應用程序層提供了關鍵的TCP特性和一個套接字接口。它從TcpSocket繼承，用作所有TCP變體的基類。

Tcp Header：此類定義了TCP段的頭。

TcpTxBuffer：此類提供一個緩沖區，發送方在發送和確認之前，緩沖從應用程序接收的所有數據。

TcpRxBuffer：該類實現一個緩沖區，用于接收從網絡層收到的數據，然后將其傳遞給應用程序。

TcpL4Protocol：是TCP套接字和網絡層接口類，負責向網絡層收發數據包，并且負責傳入數據校驗和驗證。

除了上述主類外，NS3還包含了基于繼承TCP套接字的子類，可以實現多種變體。如Tcp Tahoe、Tcp Reno和Tcp NewReno及Tcp Westwood等。

4.2.2全局變量

現有的變體都是基于繼承TCP套接字的同一類實現的，它包括以下各全局變量，用以實現擁塞控制算法及其帶寬估計等。

m_cWnd是一uint32_t型變量，用于表示擁塞窗口。發送方用來確定可進入網絡而不致鏈路過載的字節數。當發生丟包時，使用m_cWnd來估計帶寬。

m_ssThresh也是uint32_t型變量，用于標記慢啟動結束門限閾值，其值取決于丟包時的鏈路帶寬估計。

m_initialcWnd是指定m_cWnd初值的uint32_t變量。

m_inFastRec是指示快速恢復開始和結束的布爾型變量。

m_prevAckNo類型為SequenceNumber32，用以保存最后接收到的ACK號。

m_accountedFor為uint32_t型變量，其在丟包時可跟蹤DUP ACK段數量，并在估計帶寬時使用。

m_lastAck是前一ACK到達時間的雙精度浮點型變量。

m_currentBW表示當前帶寬估計的雙精度浮點型變量。

m_minRtt是指定的最小RTT的時間類型變量。

m_lastBW是雙精度浮點型變量，其在通過Tustin濾波器之后，保存最后所估計的帶寬值。

m_lastSampleBW是雙精度浮點型變量，其保存測量帶寬的最后一個樣本值。

m_ackedSegments是整型變量，它保存當前RTT期間已確認的段的總數。

m_IsCount是一個布爾型變量，用于指示m_acked段計數過程的開始。

m_bwEstimateEvent是指定帶寬采樣事件類型EventId的變量。

圖4 TCP類圖一覽

4.2.3算法實現

NS3支持多種類型的TCP算法的實現，這些實現繼承自src/network目錄下的一些通用類，這樣用戶就能以最少的代價實現自己的算法。這里首先描述聚合的概念，在NS2中已廣泛使用的繼承和多態被用來擴展協議模型，如RenoTcpAgent就是通過重寫方法繼承自TcpAgent的，這促成了NS3的對象聚合系統。然后再介紹兩個重要的抽象基類：class TcpSocket，這在src/internet/model/tcp-socket. {cc,h}中定義。這個類主要用來管理能被不同算法重用的一些屬性。例如，屬性InitialCwnd可用于從TcpSocket類派生的任何實現。而class TcpSocketFactory則由協議的第4層實例使用，以創建正確的TCP套接字類型。

目前對于NS3，有四種方式實現TCP：NS3自帶的TCP實現；支持直接代碼執行(DCE)；支持網絡模擬通訊座(NSC)；虛擬機與NS3的組合。鑒于復雜程度，文中只介紹第一種實現方式。NS3自帶的TCP模型具有建立連接和關閉邏輯的雙向TCP功能。支持多種擁塞控制算法，如NewReno、Westwood、Hybla和HighSpeed等，暫不支持多路TCP和TCP SACK算法。

以前的擁塞控制被認為是通過繼承父類的獨立的TCP，每個擁塞控制(如NewReno)是TcpSocketBase的子類，需修改一些繼承的方法。但從NS3.25開始，TCP模塊經過了重新設計，其中擁塞避免、快速重傳與恢復算法已修改，并完成了在TcpSocketBase內的合并。架構被重做，以避免之前的繼承，讓每個擁塞控制都具有一個單獨的類，并且建立一個接口，用以在TcpSocketBase和擁塞模塊之間交換數據，可以為創建和執行自動化測試創造更好的環境。一般在src/applications/helper和src/network/helper中定義幫助函數，通過NS3使用套接字，在應用層設置TCP的使用，具體步驟及方法如下：

(1)創建TCP接收器。

// Create a packet sink on the star "hub" to receive these packets

uint16_t port=50000;

AddresssinkLocalAddress(InetSocketAddress

(Ipv4Address::GetAny (), port));

PacketSinkHelper sinkHelper("ns3::TcpSocketFactory", sinkLocalAddress);

ApplicationContainer sinkApp=sinkHelper.Install

(serverNode);

sinkApp.Start (Seconds (1.0));

sinkApp.Stop (Seconds (10.0));

類似的，以下代碼片段將OnOffApplication流量源配置為使用TCP：

//Create the OnOff applications to send TCP to the server

OnOffHelper clientHelper ("ns3::TcpSocketFactory", Address ());

這里已指定了抽象基類TcpSocketFactory的TypeId。NS3如何判斷腳本需要的是它自帶的TCP模型還是其他來源,當網絡堆棧添加到節點時，聚合到該節點的默認TCP實現是NS3TCP。因此，默認情況下，在使用NS3helper API時，聚合到具有Internet堆棧的節點的TCP是NS3TCP。

(2)配置TCP行為。

通過NS3屬性，系統導出參數，記錄在TcpSocket類的Doxygen中，例如最大段大小是可設置的屬性。要在創建任何Internet堆棧相關對象之前設置默認套接字的類型，可在仿真程序的頂部放置以下語句：

Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType",StringValue ("ns3::TcpNewReno"));

(3)綁定Socket套接字。

對于用戶，希望有一個指向實際套接字的指針，需要用函數Bind()來綁定套接字。設置選項等可在每個套接字的基礎上完成，TCP的套接字可通過使用Socket::CreateSocket()的方法進行創建。傳遞給CreateSocket()的TypeId必須是類型ns3::SocketFactory。因此需要通過與底層TcpL4Protocol對象相關聯的屬性來完成底層套接字類型的配置，也可通過屬性配置系統完成。在下面的示例中，訪問節點容器“n0n1”以獲取第零個元素，并在此節點上創建綁定套接字。

// Create and bind the socket...

TypeId tid =TypeId::LookupByName("ns3::TcpNewReno");

Config::Set ("/NodeList/*/$ns3::TcpL4Protocol/SocketType", TypeIdValue (tid));

Ptr localSocket=Socket::CreateSocket

(n0n1.Get(0), TcpSocketFactory::GetTypeId ( ));

上面節點號的“*”通配符被傳遞給屬性配置系統，以后所有節點上的套接字都被設置為NewReno，而不僅僅是節點'n0n1.Get(0)'了。如果想要將其限制為僅指定的節點，則必須執行以下操作：

// Create and bind the socket...

TypeId tid=TypeId::LookupByName

("ns3::TcpNewReno");

std::stringstream nodeId;

nodeId<GetId();

std::string specificNode="/NodeList/"+nodeId.str()+"/$ns3::TcpL4Protocol/SocketType";

Config::Set (specificNode, TypeIdValue (tid));

Ptr localSocket=Socket::CreateSocket

(n0n1.Get(0),TcpSocketFactory::GetTypeId ());

一旦創建了TCP套接字，就需要遵循傳統的套接字邏輯以及connect()和send()(對于客戶端)或bind()、listen()和accept()(對于服務器端)。有關在NS3中使用套接字的信息，可以參閱Sockets API相關文獻[14]。

若要對已存在算法進行驗證，通常TCP測試從一個名為TcpGeneralTest的類繼承，該類提供了涉及TCP對象測試場景的操作設置，其位于src/internet/test目錄下。有關編寫新測試的更多信息，請參閱有關TCP測試文獻。一些測試存于src/test/ns3tcp目錄，其具有Internet模塊之外的依賴關系。更多信息可在NS3官網的Wiki頁面上找到。

5 結束語

NS3具有更好的開發環境(包括COM類接口聚合與查詢、自動內存管理及對象回調等核心功能)，便于仿真全新的復雜模型。它克服了NS2的諸多缺陷和明顯弱點，越來越多的網絡仿真功能現已逐漸推行并植入到NS3中，使之適用于更多場景。文中結合項目開發經驗，從不同角度和深度對新一代網絡仿真器NS3作了較為全面的闡述與介紹，對其體系結構和主要功能模塊進行了深入剖析，尤其對NS3的TCP實現機制作了重點探究。為NS3的使用及研發者提供了較好的理論指導意義和應用參考價值，為網絡相關課題的后續研究及深入學習提供了強有力的支持。目前，NS3的一些新功能正在積極開發之中，如節點多接口處理、IP尋址以及更多的因特網協議設計，包括更詳細的802.11模型等都非常值得期待，NS3最終必將會取代NS2。

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