2022-08-26

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ns3使用-4

应用层：

应用层协议主要负责数据分组的发送，处理和接收。可以将其看作物理网络中应用程序的网络传输部分。

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应用层协议中，分组生成部分按照一定的统计规则发送分组。分组处理部分负责接收来自下层协议的分组并对分组相关信息(分组接收时间，字节大小)进行记录。这两部分都是通过套接字实现交互。接口可以分为两类，一类是基于POSIX套接字的原语函数，如Bind()，Listen()，Recv()，Send()等，主要用于建立下层协议连接，发送和接收分组。第二类是回调函数，主要用于接收下层协议的事件通知。

ns-3支持四种套接字类型：与传输层协议交互的流套接字(stream packet)，数据报文套接字(datagram socket)。与网络层协议交互的原始套接字(raw socket)和与链路层交互的Packet套接字(packet socket)

脚本中创建应用层协议实际上就是制定分组收发规则和调用套接字API这两部分操作。

//创建客户端
client = Socket::CreateSocket(
					clientNode,
					"ns3::UdpSocketFactory");
client->Bind();
client->Connect(serverSocketAddress);
client->Send(packet);

//创建服务器端
server = Socket::CreateSocket(
					serverNode,
					"ns3::UdpSocketFactory");
server->Bind(serverSocketAddress);
server->SetRecvCallback(MakeCallback(&ReceivePacket));

ns-3中的内置应用可以分为以下两类：第一类是分组产生器，Application和network模块的应用都属于这一类。第二类是以internet-app模块为代表的具有信令交互行为的内置应用，如Ping，DHCP(动态主机配置协议)，路由广播守护协议等。

CBR(Constant BitRate) 固定码率

传输层

Socket是传输层和应用层的交互接口，类似于传输层的大脑，负责传输层的各种核心算法，比如TCP的拥塞控制算法。IpL4Protocol是传输层和网络层交互的接口，负责分组的实际发送。

端点是传输层通信连接的起始点。当应用层创建一个Socket后，系统同时也在传输层创建一个与之匹配的端点对象。这个对象存储了本地和通信对端的套接字地址，一个传输层套接字地址由IP地址和端口号两部分组成。同一个节点的不同套接字，IP地址可以相同，但是端口号必须是唯一的，所以套接字地址是Socket对象的唯一标识。

ns-3利用多路复用和分解实现分组转发功能。

多路分解：即接收分组流程。根据IP分组头中的协议号判断应该转发到哪个传输层IpL4Protocol的子类对象。接着IpL4Protocol的子类对象判断分组属于哪一个端点。这时会提取分组头部中的IP地址和端口号信息，将其和每个端点中存储的套接字地址相匹配。之后分组会被转发给与之匹配的端点，端点通过回调函数转发给Socket对象。

注意：一个IpL4Protocol的子类对象不能连接两个本地端口号相同的端点。

多路复用：即发送分组流程。Socket发送分组给IpL4Protocol时，首先提取源点对象的源目的地址和端口，然后把这些信息和负载一起发送给IpL4Protocol，IpL4Protocol为分组添加传输层分组头，并把分组发送到网络层。

注意：端点只用于分组接收，不用于分组发送。

实际上Socket是IpL4Protocol的子类，这两个类都是虚类。

传输层处理都集成在了InternetStackHelper中。

1 2	InternetStackHelper Stack; stack.install(nodes);

这样就为节点安装了TCP和UDP。

TCP

ns-3实现了TCP的核心算法，支持原生TCP和Cradle TCP。前者是TCP在ns-3中的实现，后者可以让ns-3运行Linux内核中的TCP协议栈，但只支持较早版本的Linux内核。

它的Socket和IpL4Protocol子类分别是TcpSocketBase和TcpL4Protocol

默认配置下，TcpSocketBase实现以New Reno拥塞控制算法为基础，结合使用选择性应答(SACK)和窗口扩大等选项的TCP协议。

TCP拥塞控制算法之NewReno和SACK - 爱码网 (likecs.com)

TCP的属性和变量主要集中在3个核心类中：

TcpSocket：定义了一些基本的TCP属性。
TcpSocketBase：窗口管理，拥塞控制等主要TCP算法。
TcpL4Protocol，与网络层的接口，也负责创建TcpSocketBase。

1. 关键属性：

SocketType：不同场景对应的不同的TCP拥塞控制算法，ns3::TcpL4Protocol/SocketType

MSS：最大分组长度，ns3::TcpSocket/SegmentSize

2. 关键trace：

拥塞控制窗口大小：ns3::TcpSocketBase/CongestionWindow

//回调函数
static void
CwndTracer(uint32_t oldval, uint32_t newval);

//配置trace
Config::ConnectWithoutContext(
"/NodeList/0/$ns3::TcpL4Protocol/SocketList/0/\
CongestionWindow",
MakeCallback(&CwndTracer));

也可以使用TcpSocketBase的分组发送和接收trace变量。

TCP分组头结构由TcpHeader类定义，使用TcpHeader::Print()可以打印除校验位之外的所有TCP分组头信息。

TCP的两个重要窗口：发送端的拥塞窗口和接收端的接收窗口。前者用于防止网络拥堵，后者反应结点接收分组的能力(流量控制)。

接收窗口：直接相关的参数为ns3::TcpSocketBase/AdvWND和ns3::TcpSocketBase/RWND，ns3::TcpSocketBase/RevBufSize可以模拟终端的最大接受缓存。
- AdvWND表示接收端实际可以接受的最大字节数，
- RWND表示发送端从ACK消息中获取的接收端接收窗口。
拥塞窗口：可以由ns3::TcpSocketBase/CongestionWindow trace变量获得。由两部分组成：已发出但未收到ACK的分组(可以由ns3::TcpSocketBase/BytesInFlight trace获取)；另一部分是可以发送但尚未发送的总字节大小。

拥塞控制主要包括慢启动，拥塞避免，快速重传和快速恢复这几种算法。

TCP的拥塞控制算法：慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复_咖啡与乌龙的博客-CSDN博客_tcp慢启动和拥塞避免

当出现没有收到ACK时(RTO超时)会重发分组，将RTO超时时间加倍，把拥塞窗口设为1*MSS，重新进入慢启动阶段。

UDP

UDP相较TCP支持广播和多播，其主要属性和trace如下:

ns3::UdpSocket/RcvBufSize属性：接收端缓存，单位是B。没有发送端缓存，传输层从应用层接收后直接发给IP。
ns3::UdpSocketImpl/Drop trace变量：分组丢失trace。当接收端缓存满了之后，就会丢失新接收的UDP分组。

UDP分组头结构由UDPHeader类定义，使用UDPHeader::Print()可以打印除校验位之外的所有UDP分组头信息。

网络层

传输层提供的是端到端服务。在实际传输中，不同结点间的通信路径上往往存在着多个中间结点(路由器，交换机，无线基站等)

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ns3网络层的主要基类如下：

Ipv4：定义了IPV4协议的接口函数。
Ipv4L3Protocol：定义了IPv4协议的主要算法。
Ipv4Interface：网络层和链路层交互的媒介，每一个NetDevice都对应唯一的Ipv4Interface对象，Ipv4Interface内部保存着所属NetDevice的一个或多个IP地址。必要时Ipv4Interface还可以通过ARP协议获取目标节点的链路层地址。
Ipv4RoutingProtocol：Ipv4路由协议的基类，ns-3中的各种路由都是它的子类。

下行分组：Ipv4L3Protocol获取下一跳IP地址，确定将分组发送到哪一个Ipv4Interface对象。Ipv4Interface会检查NetDevice接口状态，如果接口可用会直接把分组转发给NetDevice对象。必要时Ipv4Interface还可以通过ARP协议获取目标节点的链路层地址。

上行分组：NetDevice通过回调函数把分组传给Node对象中的handler向量数据结构，这个结构用于确认一个分组是IPv4还是IPv6协议，从而确定将分组转发到Ipv4L3Protocol还是Ipv6L3Protocol。ns-3中新添加的网络层协议都需要在handler结构中注册，才可以正常的接收分组。最后Ipv4L3Protocol提取分组头的协议号确定将分组发送给哪一个传输层协议对象。

在脚本中，网络层的创建包括在结点中安装网络层协议栈和地址分配两部分。

安装网络层协议栈通过InternetStackHelper::Install()函数，其除了安装传输层协议架构外，还会为指定节点安装Ipv4L3Protocol和Ipv6L3Protocol协议对象，并建立他们与路由协议之间的关联。

1 2	InternetStackHelper stack; stack.install(nodes);

ns-3地址分配支持手动和DHCP自动两种地址分配方式。分配地址的助手类是Ipv4AddressHelper和Ipv6AddressHelper。分配好的IP地址存在Ipv4Interface或Ipv6Interface中。

Ipv4AddressHelper address;
//设置Ipv4地址和子网掩码
address.SetBase("10.1.1.0","255.255.255.0","0.0.0.1");	//网络号 子网掩码 主机号(可选)
Ipv4InterfaceContainer interfaces
    = address.Assign(devices);

Ipv6AddressHelper address;
//设置Ipv6地址和子网掩码
address.SetBase("2001:1::",Ipv6Prefix(64));
Ipv6InterfaceContainer interfaces
    = address.Assign(devices);

Ipv4AddressHelper::Assign()会按照索引顺序为容器devices中的NetDevice对象依次分配地址。

自动分配IP地址：DHCP

通过使用DhcpHelper助手类，用户可以在脚本中指定DHCPv4服务器，为安装了DHCP客户端的结点分配Ipv4地址。

图10-1没有标出流量管理层(Traffic Control layer)。TC层位于网络层和链路层之间，对于下行分组来说，其位于Ipv4Interface和Netdevice之间。对于上行分组来说，它位于node handler和Ipv4L3Protocol之间。

TC层可以通过不同队列算法控制分组的收发行为。目前只实现了对下行分组的流量控制，支持先入先出，随机早期检测，控制延时等算法。

脚本配置和trace

最常见的网络层配置是路由协议，使用OLSR路由协议(专门为Ad hoc网络设计)的实例如下：

1
2
3

OlsrHelper olsr;
InternetStackHelper internet;
internet.SetRoutingHelper(olsr);

trace

trace变量名	含义
Tx	成功发送IP分组
Rx	成功接收IP分组
Drop	丢弃IP分组
SendOutgoing	成功产生IP分组
LocalDeliver	成功接收IP分组
UnicastForward	转发IP分组

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发送分组trace：Tx必须成功发送到Ipv4Interface才产生trace记录。SendOutgoing只要发送就会记录trace。

接收分组trace：Rx只要从一个开启状态的接口接到分组，就产生trace，无论分组是否发往本地。LocalDeliver只记录发到本地的分组。Rx可以看作Local Deliver和UnicastForward的集合。

路由协议

每一个安装了网络层的结点都会维护一个路由表，当结点发送一个分组时，Ipv4L3Protocol对象通过查询路由表确定分组的下一跳结点地址。路由协议负责路由表项的创建，更新和维护。

路由都是Ipv4RoutingProtocol的子类。默认情况下使用的是列表路由，即可以为一个结点配置多个路由协议，并为其设置优先级，每个路由协议都维护一个路由表。

链路和物理层

有线网络

ns-3目前主要支持的有线网络底层传输协议有PPP(点对点)和CSMA(载波侦听多路访问)。PPP用于两个结点之间的点对点分组传输。CSMA用于多个结点接入的总线网络。ns-3目前只实现了两个协议中最核心的功能。

种类	PPP	CSMA
链路层	PointToPointNetDevice	CsmaNetDevice
物理层	PointToPointChannel	CsmaChannel
助手类	PointToPointHelper	CsmaHelper

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PPP和CSMA软件架构完全相同。

发送端，来自网络层的分组会存入一个缓冲队列。待信道可用后，发送端队列才会开始向外传输分组。

接收端，默认状态下分组会被直接转发到上层协议，但用户可以在脚本中选择配置一个错误模型，用来模拟信道中的分组丢失行为。只有错误模型判断为可以接收的分组才会被转发至上层协议。

PPP和CSMA的区别在于PPP只要信道没在传就可用。CSMA需要先载波侦听，如果信道正在传，就等待一会再重传，(退避算法)，传输次数越多，等待时间越长。次数超过一定阈值，丢弃分组。

无线局域网：Wi-Fi

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Wifi网络采取了模块化的设计思路。其架构如下：

WifiNetDevice：Wifi网络设备和上层通信协议的接口。
WifiMac：Wifi协议的MAC层实现。支持关联、探测、信标、分组重传、RTS和CTS
RemoteStationManager：速率控制，根据网络环境选择最佳数据速率。
WifiPhy：Wifi协议的物理层实现，支持计算发射功率、传输延时、接收功率阈值等。
Channel：模拟Wifi信道，也属于物理层的一部分。结合传播(Propagation)和移动(Mobility)模型，计算每一个分组的接收功率，传播延时等变量。