2022-08-11

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ns3使用-3

第3章：对象模型架构

对象模型通过三个基类(Object，ObjectBase，和SimpleRefCount)定义了ns-3中大部分C++行为和关系准则。

ns-3中，网络模拟场景由结点，结点中的协议栈，分组和连接结点的信道等多个网络元素组成，每个网络元素对应一个C++基类。

网络元素	C++类	网络元素	C++类
网络结点	Node	网络设备	NetDevice
应用程序	Application	分组	Packet
通信信道	Channel

这些基类定义了网络元素的基本行为，模拟中真正运行的是这些基类的子类，如NetDevice的子类PointToPointNetDevice和CSMANetDevice。对象模型可以对这些类进行统筹管理。

对象模型的主要作用：

基类决定类的共性特征，如动态内存管理和属性配置等，子类只需要实现自身专属特征即可。
多个类的管理，例如一个网络结点需要整合应用程序，通信信道，网络设备和TCP/IP层协议多个C++类才能与其他结点进行通信。

对象模型定义的三个基类Object，ObjectBase，和SimpleRefCount

SimpleRefCount针对单个类的动态内存分配，实际上就是将智能指针在ns-3中实现，定义了一个引用计数器，记录自己内存的指针数量，如果计数器变为0，说明无人使用，该对象的动态内存会被ns-3自动释放。

ObjectBase用于配置单个类的属性变量和trace变量，属性和trace变量分别实现了ns-3脚本的参数配置和数据输出功能。子类只需定义自己的属性和trace变量，其余操作由基类完成。

Object类解决了多个类之间的动态关联问题。类之间的动态关联是通过对象聚合的功能实现的。对象聚合可以让Object对象在运行时关联其他对象，而不是在编译时关联。

非对象模型大部分不参与网络信息处理和分组传递，如Internet模块的Ipv4Address和Ipv6Address，存储Node对象的NodeContainer等。

第4章：Ptr智能指针

ns-3智能指针是C++标准库智能指针在ns-3中的实现。普通指针必须通过new和delete成对搭配使用，但是存在安全隐患。编写ns-3程序时应尽量使用智能指针。

内存泄漏：动态内存没有被及时释放。
空悬指针：在有其他指针使用的情况下释放动态内存。

智能指针可以自动释放没有指针指向的动态内存，提高了程序的安全性。

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//Ptr指针和原始指针使用上的区别
Packet *p = new Packet(1000);	//原始指针
Ptr<Packet> p = Create<Packet>(1000);	//Ptr指针

Create函数用于分配内存，Ptr实现包括两部分，第一部分负责保存原始指针和模拟原始指针，由Ptr类实现，第二部分负责记录所有指向所分配对象内存的指针数量(引用计数器)，这一部分通过SimpleRefCount类实现。SimpleRefCount类通过Ref()和Unref()控制计数器增减。当计数器变为0后，Unref()会调用Delete()销毁该对象。引用计数器的值可以通过GetReferenceCount()函数获取。

使用实例：

//1. 初始化
Packet *p = NULL;
Ptr<Packet> ptr;
//2. 创建对象
Packet *p = new Packet();
Ptr<Packet> ptr = Create<Packet>();
Packet *p = new Packet(100);
Ptr<Packet> ptr = Create<Packet>(100);
//3. 赋值操作,等号右侧可以是Ptr指针，也可以是原始指针
Packet *p = new Packet();
Ptr<Packet> ptr_1 = p;
Ptr<Packet> ptr_2 = ptr;
//4. 指针运算,与普通指针相同
ptr->GetUid();
(*ptr).GetUid();
//5. 比较运算,==和!=可以用于两个Ptr指针，也可以用于一个Prt指针和一个普通指针，大于和小于只能用在智能指针之间。
if(ptr == ptr_1) {}
if(ptr != ptr_1) {}
if(ptr == p) {}
if(ptr != p) {}
//6. 流插入，输出的是Ptr指针中原始指针的地址
std::cout<<"address:"<<ptr<<std::end;
//7. 拷贝，Ptr指针的拷贝包括指针拷贝和对象拷贝两种
//指针拷贝，被拷贝的和新的Ptr指针都指向同一个对象
Packet *p = new Packet();
Ptr<Packet> ptr(p);
Ptr<Packet> ptr_1(ptr);	//Packet对象计数器加1，p，ptr，ptr_1都指向同一个对象
//对象拷贝
Ptr<Packet> ptr = Create<Packet>();
Ptr<Packet> ptr_1 = Copy(ptr);
//8. 类型转换，DynamicCast(),StaticConst()和ConstCast()
//DynamicCast()用的最多，用于基类到子类对象的Ptr指针的转换
Ptr<NetDevice> pDev = Create <LoopbackNetDevice>();
Ptr<LoopbackNetDevice> pLoopDev = DynamicCast <LoopbackNetDevice> (pDev);
if(!pLoopDev)
    NS_LOG_UNCOND("DynamicCast failure")
//9. 获取原始指针，PeekPointer()和GetPointer()
Ptr<Packet> ptr = Create<Packet>();
Packet *p = PeekPointer(ptr);
//注：Object类的子类创建对象使用CreateObject()函数，Create()函数主要对于对象模型中的非Object子类

Ptr指针的适用范围：

只支持构造函数参数少于7个的类。如果超过7个，需要用户实现新的Create()函数。
只能用于SimpleRefCount的子类对象，对于ObjectBase的子类和非对象模型类，只能使用C++标准库的函数或运算符。

第5章对象模型的基石：元信息

5.1 什么是元信息

对象模型两个重要的类Object(实现多个类之间的动态关联)，ObjectBase(针对单个类的属性和trace变量配置)。每一个ObjectBase的子类都有且仅有唯一的一组属于自己的元信息。这些子类的元信息集中存储在一个数据结构中，并以类名称为唯一标识符。

元信息种类	说明
类名称	所属C++类的名称，一个类名有且仅有一组元信息
类构造函数	用于创建对象，对用户屏蔽类构造函数的具体细节
父类TypeId	用于类聚合中的类查找，即Object::GetObject()函数
属性信息	该类的所有属性变量的辅助信息
trace信息	该类的所有trace变量的辅助信息

元信息是实现对象聚合，属性和trace变量配置的基础。对象聚合数组利用元信息中的类名称和父类TypeID查找对象。元信息中的默认属性值可以用于创建对象时的变量初始化。

5.2 元信息存储：lidManager类

在ns-3中，ObjectBase类及其子类的元信息都存储在向量容器(std::vector)中，并以类名称作为查找关键字。一个类的元信息有且仅有一组。

5.3 元信息管理接口：TypeId类

实际上，索引值不是以成员变量的形式存在ObjectBase子类对象的，而是保存在TypeId对象里。TypeId是一个C++类，可以理解为元信息的管理接口。

5.4 TypeId的使用

1.初始化：每一个ObjectBase的子类都有一个GetTypeId()静态函数，其作用是为子类创建TypeId对象，添加元信息。

//src/application/model/udp-echo-client.h
class UdpEchoClient:public Application
{
    public:
    	static TypeId GetTypeId(void);
}
//src/application/model/udp-echo-client.cc
TypeId UdpEchoClient::GetTypeId(void)
{
	static TypeId tid = 
        TypeId("ns3::UdpEchoClient")	//类名称
        	.SetParent<Application>()	//父类名称
        	.SetGroupName("Applications")	//模块名称
        	.AddConstructor<UdpEchoClient>()	//构造函数
        	.AddAttribute("MaxPackets", ...)	//属性信息
        	.AddTraceSource("Tx", ...)	//Trace信息
        ;
    	return tid;
}

TypeId()函数在LidManager对象的向量容器中创建一个新的元信息条目，并将其在容器中的索引值存储在TypeId对象tid变量中。这个TypeId对象是一个静态变量。初始化发生在程序编译阶段。模拟过程中，对于所有的UdpEchoClient类的所有对象来说，GetTypeId()函数总是返回编译时就创建好的TypeId变量tid。

2.TypeId运算符

赋值运算符(=)，比较运算符(==，<，)，流插入(<<)

3.获取TypeId

//ObjectBase::GetTypeId(),获取TypeId
node->GetTypeId()
Node::GetTypeId()
//TypeId::GetUid(),获取索引值
Node::GetTypeId().GetUid()
//TypeId::GetName(),获取类名称
Node::GetTypeId().GetName()
//LookupByName()，通过类名称查找TypeId
TypeId tid = TypeId::LookupByName("ns3::Node");
//ObjectBase::GetInstanceTypeId(),返回一个对象的TypeId，但是返回的是对象创建时的TypeId，不会因为指针的改变而改变，这一点和GetTypeId()不同

第6章：Object类

Object类继承了ObjectBase和SimpleRefCount类，实现了对象聚合功能。

传输层和网络层对象统一以Object基类指针的形式存储在Node对象的一个指针数组里，这个数据就是对象聚合使用到的指针数组，也叫聚合数组。Node中安装的大部分协议对象都存在这个指针数组里，但也有例外，Application和NetDevice就单独存在两个指针向量容器中。

6.1 对象聚合的技术原理

简化了关联对象的获取方法，可以使用Object::GetObject()函数来获取该协议对象的指针。

//使用Object::GetObject()函数获取协议对象的指针
Ptr<IpL4Protocol> ipL4Proto = node->GetObject<IpL4Protocol>();
//也可以通过Object::GetObject()判断传输层协议属于哪个结点
Ptr<Node> node = ipL4Proto->GetObject<Node>();

通过定义了一个指针数组，将关联对象的存储，获取和设置都统一了起来。关联对象具有统一的存储格式，统一的提取方法和统一的设置方法，将这些操作都放在Object基类中统一解决。

class object:public SimpleRefCount<Object, ObjectBase, ObjectDeleter> {
    public:
    //设置函数
    void AggregateObject(Ptr<Object> other);
    //提取函数
    template <typename T> inline Ptr <T> GetObject(void) const;
    
    private:
    struct Aggregates {
        uint32_t n;		//聚合数组元素数量
        Object* buffer[1];	//聚合数组起始指针
    };
    struct Aggregates *m_aggregates;	//聚合数组
}

聚合数组所有元素的类名称可以通过遍历Object::AggregateIterator变量得到。

Object::AggregateIterator iter = node.Get(0)->GetAggregateIterator();
while(iter.HasNext())
{
	Ptr<const Object> obj = iter.Next();
    NS_LOG_UNCOND(obj->GetInstanceTypeId().GetName());
}

一个类在对象聚合数组中最多只能有一个实例对象。例如，一个Node对象中只需要一个TCP对象和一个IPV4对象。而想Application和NetDevice需要一个Node对象有多个对象的协议就需要向量容器来存储。对象聚合以牺牲效率换取对象关联的灵活性。

多个对象之间关联使用对象聚合比较合适。两个固定对象的关联还是使用回调函数或者私有成员变量更合理。

6.2 Object的创建与获取

1.Object的创建主要有两种方法：包括CreateObject()函数和ObjectFactory()类，分别用于创建一个或多个Object类或其子类对象。

//CreateObject()函数返回值是所创对象的Ptr指针,可以调用不同形参
Ptr<PointToPointNetDevice> ppp = CreateObject<PointToPointNetDevice> ();
Ptr<Building> building = CreateObject<Building> (-2,2,-2,2,0.0,20.0);
//使用ObjectFactory()类的方法
ObjectFactory pppF;
//配置类名称
pppF.SetTypeId(PointToPointNetDevice::GetTypeId());
//配置属性并创建对象1
pppF.Set("DataRate", StringValue("5Mbps"));
Ptr<PointToPointNetDevice> ppp1 = pppF.Create<PointToPointNetDevice>();
//配置属性并创建对象1
pppF.Set("DataRate", StringValue("2.5Mbps"));
Ptr<PointToPointNetDevice> ppp2 = pppF.Create<PointToPointNetDevice>();

2.获取Object，即在一个对象的聚合数组中获取指定对象的指针，使用的函数是Object::GetObject();这个函数是一个模板函数，用于对象查找。

Ptr<Ipv4> ipv4 = node->GetObject<Ipv4>();
if(ipv4 == 0) {...}	//检查是否为空指针
Ptr<Ipv4L3Protocol> ipv4 = node->GetObject<Ipv4L3Protocol>();
Ptr<Ipv4L3Protocol> ipv4L3Prot = ipv4->GetObject<Ipv4L3Protocol>();	//将基类Ipv4对象转换为子类Ipv4L3Protocol对象指针

GetObject()函数会首先获取模板中类名称的TypeId变量，然后将这个变量依次与聚合数组每个元素的TypeId比较，直到匹配到元素或者遍历完整个数组为止。

第7章 ObjectBase类

ns-3脚本的参数配置和数据输出功能都由ObjectBase基类定义。

7.1 创建属性

属性的本质是一个C++类的成员变量。而属性系统是连接属性和成员变量的桥梁，其作用为将类内部的成员变量变为外部可配置的属性参数。属性的创建流程如下：

class PointToPointNetDevice{
	DateRate m_bps;	//传输速率成员函数
}
TypeId PointToPointNetDevice::GetTypeId(void) {
	static TypeId tid = TypeId("ns3::PointToPointNetDevice")
        .AddAttribute(
    		//属性名
    		"DataRate",
    		//默认属性值
    		DataRateValue(DataRate("32786b/s")),
    		//关联属性和成员变量
    		MakeDataRateAccessor(&PointToPointNetDevice::m_bps)),
    ;
    return tid;
}

PointToPointNetDevice的传输速率是一个私有成员变量m_bps；PointToPointNetDevice::GetTypeId内部调用AddAttribute()函数添加属性辅助信息。有了属性辅助信息后，一个属性变量就算是创建完成了，属性辅助信息最关键的域有3个。

DataRate：属性名，名字是类在属性中的唯一标识。
DataRate(“32786b/s”)：默认状态下对象创建的属性值。
MakeDataRateAccessor：创建了属性访问函数，关联属性辅助信息和C++中的私有成员变量

属性辅助信息存储的不是属性值本身，而是属性名，一个类的属性在不同对象中共享同一组属性辅助信息。就类似元信息针对的是类而非类的对象。

助手类，命令行和Config::SetDefault()三种方法实际上修改的是属性辅助信息的属性默认值。

Config::Set()函数则不同，其修改的是对象中的成员变量值而非属性辅助信息。其实际上首先通过配置路径中的类名称ns3::PointToPointNetDevice在LidManager的向量容器中查找到相应的元信息，然后用属性名DataRate找到属性辅助信息列表中对应的条目。最后调用其中存储的访问函数指针把m_bps成员变量值设置为5Mbps。

//设置结点0中PPP网络设备的发送速率为5Mbps
Config::Set(
	"/NodeList/0/DeviceList/0\
	/$ns3::PointToPointNetDevice/Datarate",
	StringValue("5Mbps"));

7.1.2 属性类型

主要属性类型包括：

18f56cc02bcc0be1bc2cd1437f7deb0

ns-3不支持不同类型属性之间的直接转换。但所有属性都可以转换为字符串属性StringValue。这就是为什么first脚本中看到的传输速率和传播延时两个属性使用的都是StringValue类型，实际上应该是DataRateValue和TimeValue。

有些时候用StringValue类型代替原格式更简单，比如DataRateValue，TimeValue和EnumValue。

7.1.3 ConfigStore

ConfigStore是属性配置中很有用的一个C++类，它可以保存和读取脚本中使用过的属性值。适合自动化的多批次模拟。

ConfigStore是ObjectBase的子类，具有三个属性：Mode，Filename，FileFormat。

下面这段代码将脚本的属性值以纯文本形式保存在first-output-attribute.txt的文件中，这段代码一般在整个脚本后，Simulator::Run()之前

//配置属性保存方式
Config::SetDefault(
	"ns3::ConfigStore::FileName",
	StringValue("first-output-attribute.txt"));
Config::SetDefault(
	"ns3::ConfigStore::FileFormat",
	StringValue("RawText"));
Config::SetDefault(
	"ns3::ConfigStore::Mode",
	StringValue("Save"));
//保存脚本属性
ConfigStore outputConfig;
outputConfig.ConfigureDefaults();	//保存默认的属性值
outputConfig.ConfigureAttributes();	//保存当前脚本创建对象的属性值

使用这些函数需要在脚本中包括config-store-module.h头文件

属性加载：将Mode属性改为”Load”;

7.1.4 全局属性

全局属性是一种特殊的属性，其不属于任何一个类，因此全局属性的辅助信息不在IidManager元信息结构中存储。而是存在GlobalValue类的一个静态向量结构中。

全局变量都是一些影响模拟器行为或性能的变量，可以通过waf的”—PrintGlobals”得到

1	./waf --run "first --PrintGlobals"

7.2 trace变量

trace变量是C++类中的一个函数指针成员变量。trace系统的作用就是把这个函数指针变成一个可以在脚本中配置的trace变量。每当有特定的网络行为发生时，相应的函数指针就会被调用。

下面是trace变量创建的一个例子

class PointToPointNetDevice:public NetDevice {
	private:
    	//定义接收分组的成员函数指针
		TracedCallback<Ptr<const Packet>> m_macRxTrace;
}
TypeId PointToPointNetDevice::GetTypeId(void) {
	static TypeId tid = TypeId("ns3::PointToPointNetDevice")
        .AddTraceSource(
    		//trace变量名，是trace变量在一个类中的唯一标识
    		"MacRx",
    		//trace访问函数，关联Trace辅助信息和C++类中的私有指针变量
    		MakeTraceSourceAccessor(
            	&PointToPointNetDevice::m_macRxTrace),
    		//回调函数签名格式，即Packet类的TracedCallback函数指针(返回值:void，形参:Ptr<const Packet>)
    		"ns3::Packet::TracedCallback")
        ;
    return tid;
}

PointToPointNetDevice类的m_macRxTrace变量是一个TracedCallback对象。暂时类比为一个函数指针。(函数返回值为void，形参为Ptr<const Packet>)。当把这个函数指针的相关辅助信息添加到元信息系统中后，就形成了一个可以在脚本中配置的trace变量，与属性辅助信息一样。其中最关键的信息也有三个，如上面的代码所示。

7.2.2 trace类型

严格来说，所有的trace变量都属于函数指针类型，区别就在于函数指针签名格式的不同。签名格式主要有两种：TracedCallBack签名格式和TracedValue签名格式。前者主要用于分组相关的行为事件(如分组收发，丢失等)，后者主要用于一个数值变量的大小变化事件(如TCP拥塞窗口的大小变化，一个队列中分组数量变化等)。

1.TracedCallback签名类型

这种签名格式的返回值均为void，形参最多有8个，签名格式一般为ns3::<类名称或名字空间>::<typedef名>，其中typedef名的后缀一般都是TracedCallBack，因为这些trace变量对应的函数指针都是TracedCallBack类的对象。

2.TracedValue签名类型

TracedValue签名类型是TracedCallback签名类型的一个子集，主要用于记录那些数值trace变量的变化。一个典型例子就是TCP的各种窗口大小

class TcpSocketBase:public TcpSocket {
	//定义记录接收窗口大小变化的成员函数指针
	TracedValue<uint32_t> m_rWnd;
}
TypeId TcpSocketBase::GetTypeId(void)
{
    static TypeId tid = TypeId(ns3::TcpSocketBase)
        .AddTraceSource(
    		//trace变量名
    		"RWND",
    		//回调函数签名
    		"ns3::TracedValueCallback::Uint32")
}