网络仿真器NS3的剖析与探究

茹新宇，刘 渊

(1.江南大学 数字媒体学院，江苏 无锡 214122；2.江苏联合职业技术学院 无锡交通分院，江苏 无锡 214151)

0 引 言

仿真所固有的低成本、虚拟化优势，使其成为极具吸引力的重要科研手段[1]。网络仿真目前已是互联网算法性能、协议拓扑最经济快捷的评价方法之一。网络仿真器主要通过部署虚拟环境，允许对特定节点或路径模拟其网络行为，并提供仿真结果，以便研究、参考或改进。借助仿真的高灵活度和可扩展性，不同网络实体的协议算法、概念模型及其拓扑架构可在虚拟环境中搭建、测试并实施。现有工具，如QualNet、OPNET[2]和REAL等，由于使用条款、实施成本及代码开源等因素而远未普及。鉴于现场布置及情景再现等客观条件，新网络仿真器NS3应运而生。作为NS2的继任者，它运用全新理念来解决和减轻NS2存在的问题，现已大量部署于实验场景。它支持当前主流协议，为实验提供仿真结果。

文中对NS3进行了深入探究，重点阐述了其TCP实现过程，并提出了具有前瞻性的研究方向。

1 NS3简介

1.1 NS3的概述

NS系列仿真器是由UC Berkeley开发的优秀网络仿真软件，使用经典的Unix语言作为环境工具，在GNU/Linux平台下开发[3]。为便于安装、维护及更新，如今已被移植进Windows/Cygwin，BSD及Mac OSX等系统。NS2作为一款开源软件，支持多种协议且易于扩展，但同时也存在较多问题。如它采用分裂对象模型，在OTcl中编写脚本，仿真结果由NAM实现可视化，却无法单纯从C++运行。另外，网络层抽象仿真，结果跟踪困难，需借助解析文件提取，模型之间互操作及耦合性不足，分析工具“各自为政”。

目前仍在大规模开发的NS3项目始于2006年，它广泛汲取主流仿真器NS2、YANS和GTNets的技术经验，用C++语言实现，兼容时下流行的Python，目前已发展至3.26稳定版本。NS2部分模型已移植进NS3，使之在功能实现、版本更新、用户体验等方面都具有良好表现[4]。其核心及各功能模块由C++代码完成[5]，对外提供丰富的扩展接口[6]，可按需更改或增减模块。NS3包含网络组件模拟接口，拥有事件调度器，可通过执行相关事件，模拟真实通信“行为”。同时它还具备完美的跟踪机制，便于用户解析数据、传输过程及分析结果，详细介绍如表1所示。

表1 NS3仿真器的优点与特点

1.2 NS3与NS2的区别

NS2及其后继者NS3具有相同背景、概念和类似目标，是一离散事件模拟器。虽然目前NS2仍有很大用户群，但由于NS3的特征及设计优势，使之日趋成为NS2的可靠替代品。它可较好地规避前者存在的问题，其协议和场景均用C++编写。第三方软件依赖和源代码构建过程截然不同并优于NS2，系统集成度较好。两者的部分特征对比如表2所示。

表3总结了现NS2已有模型与NS3计划或已开发模型间的对比[7]。

表2 NS2与NS3的部分特征对比

表3 NS2与NS3的项目模型对比

2 NS3的系统剖析

2.1 NS3的模块体系结构

NS3由一系列层次分明的功能模块拼接而成，其组织结构及模块间的基本依赖关系如图1所示。

图1 NS3的基本模块体系结构

2.1.1常用模块

Core：内核模块，是NS3基本机制的实现，如智能指针(Ptr)、属性(attribute)、回调(callback)、随机变量(random variable)、日志(logging)、追踪(tracing)和事件调度(event scheduler)等内容。

Network：数据分组(packet)模块。

Internet：关于TCP/IPv4/6的相关协议族的实现，包括TCP/IPv4/6、ARP、UDP及邻居发现等相关协议。

Topolopy-read：读取指定轨迹文件数据，按指定格式生成相应网络拓扑。

Protocol Status：协议框架模块，收集、统计和分析数据。

另有，Tools：统计工具(包括gnuplot作图接口)；ApplicatioNS：应用模块；Mobility：移动模块；Visualizer：可视化工具；Netanim：动画演示器；Propagation：传播模型模块；Flow-monitor：流量监控模块等。

2.1.2典型模块

CSMA：基于IEEE802.3以太网，包括MAC层、物理层和媒体信道。

Point-to-point：实现网络间的点对点通信。

Wifi：基于IEEE802.11a/b/g无线网，包括AdHoc。

其他还有，Mesh：基于IEEE802.11s的无线网络；Wimax：基于IEEE802.16的无线城域网；LTE：3GPP通用移动通信系统(UMTS)技术长期演进；UAN：水声通信网络；MPI：并行分布式离散事件标准信息传递接口；Click：集成可编程模块化路由；Openflow：仿真交换机；Emu：集成实验床和虚拟机环境等。

2.1.3最新技术

Waf是基于Python框架开发的编译工具，NS3自身及将要执行的仿真代码都由Waf编译运行。Scratch目录存放用户脚本，运行案例可拷至该目录。Example举例如何使用NS3，内含许多模块的使用。Doc目录是帮助文档，可使用./waf--doxygen编译本地Doxygen文档。Build编译目录，内含编译文件时使用的共享库和头文件(build/NS3)。Src是NS3的源码目录。

模块中的wscript文件结构固定，用来注册模块中的源码和使用其他模块情况。Model目录包含模块代码的.cc和.h文件。Helper目录存放模块对应的helper类代码的源文件。Test目录包含原模块测试代码，而examples目录存放应用该模块的实例代码。Doc是帮助文档，bindings目录则被模块用来绑定Python语言。

2.2 NS3的基本对象与类

NS3以较低层次的抽象来构造组件，模拟真实环境[8]，其基本对象是节点、应用、信道和网络设备等，由类表示或实现。

(1)节点(Node)：网络上所连接的基本计算单元或终端都抽象为节点，在C++中由Node类描述(如Nodeontainer类)，用于追踪一组节点指针。用户可通过对节点添加应用、协议和网卡等进行二次开发[9]。

(2)应用(Application)：被仿真的用户程序抽象为应用。NS3以“Time”为参数，记录接收和发送时间。在C++中抽象成Application类表示，实现时需继承该类，将其部署在节点，驱动仿真器运行。由应用程序生成和回显仿真数据包的客户/服务器端程序集，如Application类称为“UdpEchoClient Application”和“UdpEchoServer Application”。

(3)信道(Channel)：基本的通信子网被抽象为信道。在C++中由Channel类描述，提供管理通信子网对象和节点连接至它们的各种方法。它可模拟简单线缆、无线网，甚至以太网交换机。NS3包括Csma Channel、Point To Point Channel以及Wifi Channel等信道。

(4)网络设备(NetDevice)：硬件设备和软件驱动的抽象表示，由C++的NetDevice类实现。通过绑定与类型匹配的信道，提供管理节点和信道对象连接。与信道对应，NetDevice也分为Csma NetDevice、Point To Point NetDevice和Wifi NetDevice等[10]。若需要一个所有被创建的NetDevice对象列表，则需用一个NetDeviceContainer对象来存放。

(5)分组(Packet)：每个分组包含字节缓冲器、标签和元数据。缓冲器是头部和尾部的逐位串行表示，标签则是任意用户提供的数据结构的集合，而元数据可用以描述已序列化的头和尾的类型。

(6)套接字(Socket)：作为应用程序与网络堆栈间的接口。NS3提供了两种类型的套接字API，一是NS3API，二是使用本机API服务来提供类似POSIX的API，作为整个应用程序进程的一部分。

(7)拓扑帮助器(Topology Helper)：NS3用Topology Helper类来整合大量分立步骤，使其成为一简单易用的操作。由拓扑生成器调用底层核心完成节点、网络设备、MAC地址、信道及协议栈等创建与配置。它可实现多节点连接及多子网联网、分配IP地址等功能。如Topology Reader Helper类可简化配置并使用通用Topology Reader。Internet Stack Helper是个安装Point To Point Helper对象和点到点网络设备的网络协议栈的拓扑生成器类。

(8)典型容器助手(typical containers and helpers)。NS3分容器类和助手类，NodeContainer、NetDevice Container和Ipv4AddressContainer是不同容器类，而InternetStackHelper、WifiHelper、MobilityHelper和OlsrHelper则属不同助手类。

3 NS3的初步探究

3.1 NS3的数据传输

NS3体系结构类似OSI模型，便于对网络层次及协议仿真研究。数据按TCP/IP形式发送，以类方式实现。事件由节点触发，当数据包到达节点，仿真器按事件预定的执行时间排序队列、按步处理。数据包传递时，通过指针交互完成转发，传输过程如图2所示[11]。

图2 NS3数据包传输过程

首先应用层创建数据包并通过套接字传送至传输层(用套接字指针取代应用层指向该数据包)。在该层完成TCP或UDP头的封装后转交至网络层[12]。由该层判断数据包的目的地址，若非当前节点则查询路由，将数据包交至网络设备层。该层查询ARP，将数据包转至指定接口，由该口将包发送至信道。信道通过入队、链路延迟处理、TTL检验及出队等完成数据包的发送。若出现队列已满或TTL生命期结束，则丢弃该包。当数据包经过信道传输到达目的节点后，再由网络设备层开始逐层上传，最后通过端口找到API套接字，并通过该套接字将包交由应用模块处理。综上所述，NS3的数据包传输过程与物理网络类似，其仿真可信度较高。

3.2 NS3的代码体系结构

NS3从拓扑建立开始，定义所选模型，而后通过设置参数、赋予地址来配置模型并执行代码。仿真生成的Pcap包文件可采用trace格式跟踪输出，最后用Wireshark等工具跟踪结果并分析数据，或由Net Anim来实现可视化输出。其代码创建过程如图3所示。

图3 NS3代码体系结构

3.3 NS3的仿真流程

使用NS3进行网络仿真时，一般需要4步：

(1)选择或开发相应模块；

(2)编写仿真脚本(C++或Python)。包括：生成节点(如网卡、应用程序和协议栈等)；安装网络设备(如CSMA、WiFi)；安装协议(一般TCP/IP及应用层协议)；其他配置(如节点移动或能量管理等)；

(3)启动仿真器；

(4)仿真结果分析(包括输出网络场景和数据图像等)。

4 NS3的深入探究

4.1 NS3的数据跟踪

NS3有两类跟踪：一是用Logging系统直接将执行过程显示在命令行，有助于调试仿真脚本；另外常用Tracing系统将采集的数据直接存于一文件中，以便后期分析处理。

Logging系统从低到高可分7个等级，高的包含低的消息。通过.cc文件对程序添加记录，通过环境变量修改系统等级，随后终端运行。而Tracing系统则存储大量信息，它包含3个基本概念：跟踪源(Tracing Sources)、跟踪宿(Tracing Sink)以及两者的连接机制。该系统基于回调函数收集统计信息，当某跟踪源产生一新事件，可通过回调了解其内部正在发生的模拟情形及设备运行状况。

4.2 NS3的TCP实现

4.2.1TCP类及其相互作用

TCP类在网络模型中与IPv4/6协议一起驻留，实现彼此通信的多个类与网络层交互，并向应用层提供可靠的数据传送。下面列出NS3中关于TCP实现的主要类别以及它们之间的相互作用，如图4所示[13]。

TcpSocket：这个抽象类包含TCP套接字的基本属性。

TcpSocketBase：此类为应用程序层提供了关键的TCP特性和一个套接字接口。它从TcpSocket继承，用作所有TCP变体的基类。

Tcp Header：此类定义了TCP段的头。

TcpTxBuffer：此类提供一个缓冲区，发送方在发送和确认之前，缓冲从应用程序接收的所有数据。

TcpRxBuffer：该类实现一个缓冲区，用于接收从网络层收到的数据，然后将其传递给应用程序。

TcpL4Protocol：是TCP套接字和网络层接口类，负责向网络层收发数据包，并且负责传入数据校验和验证。

除了上述主类外，NS3还包含了基于继承TCP套接字的子类，可以实现多种变体。如Tcp Tahoe、Tcp Reno和Tcp NewReno及Tcp Westwood等。

4.2.2全局变量

现有的变体都是基于继承TCP套接字的同一类实现的，它包括以下各全局变量，用以实现拥塞控制算法及其带宽估计等。

m_cWnd是一uint32_t型变量，用于表示拥塞窗口。发送方用来确定可进入网络而不致链路过载的字节数。当发生丢包时，使用m_cWnd来估计带宽。

m_ssThresh也是uint32_t型变量，用于标记慢启动结束门限阈值，其值取决于丢包时的链路带宽估计。

m_initialcWnd是指定m_cWnd初值的uint32_t变量。

m_inFastRec是指示快速恢复开始和结束的布尔型变量。

m_prevAckNo类型为SequenceNumber32，用以保存最后接收到的ACK号。

m_accountedFor为uint32_t型变量，其在丢包时可跟踪DUP ACK段数量，并在估计带宽时使用。

m_lastAck是前一ACK到达时间的双精度浮点型变量。

m_currentBW表示当前带宽估计的双精度浮点型变量。

m_minRtt是指定的最小RTT的时间类型变量。

m_lastBW是双精度浮点型变量，其在通过Tustin滤波器之后，保存最后所估计的带宽值。

m_lastSampleBW是双精度浮点型变量，其保存测量带宽的最后一个样本值。

m_ackedSegments是整型变量，它保存当前RTT期间已确认的段的总数。

m_IsCount是一个布尔型变量，用于指示m_acked段计数过程的开始。

m_bwEstimateEvent是指定带宽采样事件类型EventId的变量。

图4 TCP类图一览

4.2.3算法实现

NS3支持多种类型的TCP算法的实现，这些实现继承自src/network目录下的一些通用类，这样用户就能以最少的代价实现自己的算法。这里首先描述聚合的概念，在NS2中已广泛使用的继承和多态被用来扩展协议模型，如RenoTcpAgent就是通过重写方法继承自TcpAgent的，这促成了NS3的对象聚合系统。然后再介绍两个重要的抽象基类：class TcpSocket，这在src/internet/model/tcp-socket. {cc,h}中定义。这个类主要用来管理能被不同算法重用的一些属性。例如，属性InitialCwnd可用于从TcpSocket类派生的任何实现。而class TcpSocketFactory则由协议的第4层实例使用，以创建正确的TCP套接字类型。

目前对于NS3，有四种方式实现TCP：NS3自带的TCP实现；支持直接代码执行(DCE)；支持网络模拟通讯座(NSC)；虚拟机与NS3的组合。鉴于复杂程度，文中只介绍第一种实现方式。NS3自带的TCP模型具有建立连接和关闭逻辑的双向TCP功能。支持多种拥塞控制算法，如NewReno、Westwood、Hybla和HighSpeed等，暂不支持多路TCP和TCP SACK算法。

以前的拥塞控制被认为是通过继承父类的独立的TCP，每个拥塞控制(如NewReno)是TcpSocketBase的子类，需修改一些继承的方法。但从NS3.25开始，TCP模块经过了重新设计，其中拥塞避免、快速重传与恢复算法已修改，并完成了在TcpSocketBase内的合并。架构被重做，以避免之前的继承，让每个拥塞控制都具有一个单独的类，并且建立一个接口，用以在TcpSocketBase和拥塞模块之间交换数据，可以为创建和执行自动化测试创造更好的环境。一般在src/applications/helper和src/network/helper中定义帮助函数，通过NS3使用套接字，在应用层设置TCP的使用，具体步骤及方法如下：

(1)创建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));

类似的，以下代码片段将OnOffApplication流量源配置为使用TCP：

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

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

这里已指定了抽象基类TcpSocketFactory的TypeId。NS3如何判断脚本需要的是它自带的TCP模型还是其他来源,当网络堆栈添加到节点时，聚合到该节点的默认TCP实现是NS3TCP。因此，默认情况下，在使用NS3helper API时，聚合到具有Internet堆栈的节点的TCP是NS3TCP。

(2)配置TCP行为。

通过NS3属性，系统导出参数，记录在TcpSocket类的Doxygen中，例如最大段大小是可设置的属性。要在创建任何Internet堆栈相关对象之前设置默认套接字的类型，可在仿真程序的顶部放置以下语句：

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

(3)绑定Socket套接字。

对于用户，希望有一个指向实际套接字的指针，需要用函数Bind()来绑定套接字。设置选项等可在每个套接字的基础上完成，TCP的套接字可通过使用Socket::CreateSocket()的方法进行创建。传递给CreateSocket()的TypeId必须是类型ns3::SocketFactory。因此需要通过与底层TcpL4Protocol对象相关联的属性来完成底层套接字类型的配置，也可通过属性配置系统完成。在下面的示例中，访问节点容器“n0n1”以获取第零个元素，并在此节点上创建绑定套接字。

// 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 ( ));

上面节点号的“*”通配符被传递给属性配置系统，以后所有节点上的套接字都被设置为NewReno，而不仅仅是节点'n0n1.Get(0)'了。如果想要将其限制为仅指定的节点，则必须执行以下操作：

// 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 ());

一旦创建了TCP套接字，就需要遵循传统的套接字逻辑以及connect()和send()(对于客户端)或bind()、listen()和accept()(对于服务器端)。有关在NS3中使用套接字的信息，可以参阅Sockets API相关文献[14]。

若要对已存在算法进行验证，通常TCP测试从一个名为TcpGeneralTest的类继承，该类提供了涉及TCP对象测试场景的操作设置，其位于src/internet/test目录下。有关编写新测试的更多信息，请参阅有关TCP测试文献。一些测试存于src/test/ns3tcp目录，其具有Internet模块之外的依赖关系。更多信息可在NS3官网的Wiki页面上找到。

5 结束语

NS3具有更好的开发环境(包括COM类接口聚合与查询、自动内存管理及对象回调等核心功能)，便于仿真全新的复杂模型。它克服了NS2的诸多缺陷和明显弱点，越来越多的网络仿真功能现已逐渐推行并植入到NS3中，使之适用于更多场景。文中结合项目开发经验，从不同角度和深度对新一代网络仿真器NS3作了较为全面的阐述与介绍，对其体系结构和主要功能模块进行了深入剖析，尤其对NS3的TCP实现机制作了重点探究。为NS3的使用及研发者提供了较好的理论指导意义和应用参考价值，为网络相关课题的后续研究及深入学习提供了强有力的支持。目前，NS3的一些新功能正在积极开发之中，如节点多接口处理、IP寻址以及更多的因特网协议设计，包括更详细的802.11模型等都非常值得期待，NS3最终必将会取代NS2。

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