Учебник по симулятора на мрежи ns-3. Глави 1,2

Тази статия открива серия публикации с превод на учебника "ns-3 Tutorial Release ns-3.29" по симулатора на мрежи ns-3.

Този документ е превод на оригиналния документ на английски, написан в reStructuredText за Sphinx и се съхранява в директория doc/tutorial на изходния код на ns-3.

1 Предговор
1.1 За ns-3
1.2 За потребители на ns-2
1.3 Участие в проекта
1.4 Организация на ръководството
2 Източници на информация
2.1 Мрежа
2.2 Git
2.3 WAF
2.4 Среда за разработка
2.5 Програмиране на сокети
глава 3
глава 4
глава 5
глава 6
глава 7
глави 8, 9

Свалете превода в един pdf файл

Първичната документация за проекта ns-3 е налична в пет формата:

• Документация на API на симулатора: ns-3 Doxygen.
• Учебник, ръководство и библиотека на модели за последната версия и дървото на разработка.
• Wiki ns-3.
  

  Глава 1

Предговор

Симулаторът ns-3 е симулатор на мрежи с дискретни събития, предназначен основно за изследвания и образователни цели. Проектът, разработващ ns-3, започна през 2006 година и е проект с отворен код.

Целта на това ръководство е да представи ns-3 на новите потребители по систематичен и структурен начин. Понякога е трудно на начинаещите да получат необходимата информация и да я преобразуват в работно моделиране. В това ръководство ние реализираме няколко примера за моделиране, обяснявайки ключови концепции и характеристики по пътя.

В хода на изложението, ще предоставим пълна документация за ns-3 и ще дадем връзки към изходния код за тези, които се интересуват от задълбочено разбиране на работата на системата.

В началото е важно да се отбележат няколко ключови момента:

• ns-3 има отворен код, проектът се стреми да поддържа открита среда, в която изследователите могат да внесат своя принос и да споделят своите софтуерни разработки.
• ns-3 не е обратно съвместимо разширение на ns-2, това е нов симулатор. И двата симулатора са написани на C++, но ns-3 е нов симулатор, който не поддържа API интерфейсите на ns-2.

1.1 За ns-3

Симулаторът ns-3 е разработен, за да предостави отворена и разширяема платформа за моделиране на мрежи, изследвания в мрежата и образование. В обобщение, ns-3 предлага модели относно начина, по който работят мрежите с пакетен пренос на данни, и предоставя на потребителя симулационен двигател за провеждане на имитационни експерименти. Причините за използването на ns-3 могат да бъдат ситуации, когато е необходимо да се проведе изследване, което трудно или невъзможно да се извърши на реална система, възможността да се изучава поведението на системата в строго контролирана и възпроизводима среда, както и да се научи как функционират мрежите.

Потребителите ще забележат, че предоставеният в ns-3 набор от модели е фокусиран върху моделирането на работата на интернет протоколите и мрежите, но ns-3 не е ограничен само до интернет системи, някои потребители използват ns-3 за моделиране на системи, които не са базирани на интернет технологии.

Съществуват множество инструменти за моделиране на мрежи. По-долу са посочени някои отличителни черти на ns-3 в сравнение с други инструменти.

• ns-3 е разработен като набор от библиотеки, които могат да бъдат комбинирани помежду си, а също и с други външни библиотеки на софтуер. Докато някои платформи за моделиране предоставят на потребителите единна интегрирана среда с графичен интерфейс, който управлява цялата работа, ns-3 е по-модулен в това отношение. С ns-3 могат да се използват няколко външни аниматори, инструменти за анализ на данни и визуализация. Въпреки това, потребителите трябва да работят в команден ред и с инструменти за разработка на софтуер на C++ и / или Python.
• ns-3 се използва основно в системи с Linux или macOS, въпреки че съществува поддръжка за системи BSD, както и за платформи Windows, способни да компилират код за Linux, като Windows Subsystem for Linux или Cygwin. Редакцията за Windows Visual Studio в момента не се поддържа, но разработчикът работи по реализация на тази възможност. Потребителите на Windows също могат да използват виртуална машина с Linux.
• ns-3 не е официално поддържан софтуерен продукт от никаква компания. Подкрепата за ns-3 се осъществява с максимална отдаденост на форума на потребителите на ns-3 (ns-3-users@googlegroups.com).

1.2 За потребители на ns-2

За тези, които са запознати с ns-2 (популярния инструмент, предшествал на ns-3), най-забележимата външна промяна при преминаване към ns-3 е смяната на езика на скриптовете. Програмите в ns-2 са написани в OTcl, а резултатите от симулацията могат да бъдат визуализирани чрез аниматора на мрежи nam. В ns-2 не е възможно да се стартира симулация единствено от C++ (т.е. като main() програма без никакъв OTcl). Освен това, някои компоненти на ns-2 са написани на C++, а други на OTcl. В ns-3 симулаторът е изцяло написан на C++ с опционални Python връзки. Затова, скриптовете за симулация могат да бъдат написани както на C++, така и на Python. Нови аниматори и визуализатори са достъпни и продължават да се разработват. Тъй като ns-3 генерира файлове за проследяване на пакети pcap, могат да се използват и други инструменти за анализ на трасета. В това ръководство ние първо ще се съсредоточим върху скриптовете, реализирани на C++ и интерпретацията на резултатите чрез анализа на файловете за проследяване.

Но има и подобия (например, и двата инструмента са основани на обекти от C++, част от кода на ns-2 е пренесена в ns-3). При изложението се опитваме да покажем разликите между ns-2 и ns-3.

Въпросът, който често чуваме: "Трябва ли все още да използвам ns-2 или да премина на ns-3?" Според автора, ако потребителят по някакъв начин не е привързан към ns-2 (въз основа на съществуващия личен комфорт и знание за ns-2, или на базата на конкретен имитационен модел, който е наличен само в ns-2), с ns-3 той ще бъде по-продуктивен по следните причини:

• ns-3 активно се поддържа с активен, отзивчив списък за разпратка на потребители, докато ns-2 се поддържа само леко и повече от десет години не е видял съществени промени в основното си дърво с код.
• ns-3 предлага функции, недостъпни в ns-2, като среда за изпълнение на кода на реализацията (позволяваща на потребителите да стартират в симулатора реален код на реализацията).
• ns-3 осигурява по-ниско основно ниво на абстракция в сравнение с ns-2, което му позволява по-добре да отразява как взаимодействат реалните системи. Някои ограничения, открити в ns-2 (например, коректна поддръжка на множество типове интерфейси на възел) бяха поправени в ns-3.

Благодарение на дългата си история, ns-2 разполага с по-разнообразен набор от поддържани модули в сравнение с ns-3. Въпреки това, ns-3 предлага по-подробни модели в няколко популярни области на изследването (включително сложни модели за LTE и WiFi); неговата поддръжка за реализационен код позволява много широк спектър от модели с висока прецизност. Потребителите могат да бъдат изненадани да научат, че целият мрежов стек на Linux може да бъде инкапсулиран в възел ns-3, използвайки рамката за директно изпълнение на код (DCE). Модели от ns-2 понякога могат да бъдат прехвърляни в ns-3, особено ако са реализирани на C++.

Ако имате съмнения, добра препоръка би било да погледнете и двете симулации (както и други симулатори), особено моделите, налични за вашето изследване, но имайте предвид, че вашият резултат може да е по-добър, ако използвате инструмент, който в момента се развива активно и се поддържа (ns-3).

1.3 Участие в проекта

ns-3 е научно-образователен симулатор за изследователската общност. Той ще разчита на текущите приноси от общността за разработка на нови модели, отстраняване на проблеми или поддръжка на съществуващите и обмен на резултати. Има политика, която се надяваме да насърчи хората да допринасят за ns-3, както правят за ns-2:

• Лицензиране с отворен код, базирано на съвместимост с лиценза GNU GPLv2.
• wiki.
• Страница Код на създателите, подобна на популярната страница за ns-2.
• Използване на GitLab.com, включително система за проследяване на грешки:
  https://www.gitlab.com/nsnam

Разбираме, че дори и да четете този документ, възможно е на този етап да нямате намерение да допринесете за него. Но искаме да знаете, че допринасянето е в духа на проекта и вашите отзиви, дори относно ранния ви опит с ns-3 (например 'този раздел на учебника не беше ясен...'), съобщение за остаряла документация или коментар в кода биха били ценни за нас. Предпочитаният начин за изпращане на корекции е или да направите разклонение (форк) на https://www.gitlab.com/nsnam с вашите корекции и да създадете искане за сливане, или да създадете искане в нашия трекер и да добавите пач.

1.4 Организация на ръководството

Този наръчник предполага, че новите потребители първоначално могат да следват, например, такъв път:

• Да пробват да изтеглят и съберат копие;
• Да пробват да стартират няколко примера програми;
• Вижте резултата от симулацията и опитайте да го настроите.
  В крайна сметка, ние се опитахме да организираме изложението съобразно с тези стъпки.

Глава 2

Източници на информация

2.1 Мрежа

Има няколко важни ресурса, за които всеки потребител на ns-3 трябва да знае. Основният уебсайт е на адрес: https://www.nsnam.org
и предоставя достъп до основната информация за системата ns-3. Подробната документация е достъпна чрез основния уебсайт на адрес: https://www.nsnam.org/documentation/.

На същата уебстраница можете да намерите и документи, касаещи архитектурата на системата.

Има уики страница, която допълва основния уебсайт на ns-3, можете да я намерите на адрес: https://www.nsnam.org/wiki/.

Там ще намерите отговори на често задавани въпроси за потребители и разработчици, както и ръководства за отстраняване на проблеми, външен код, документи и т.н.
Изходният код може да бъде намерен и прегледан на GitLab.com:
https://gitlab.com/nsnam/.

Също в репозиторият с име ns-3-dev се намира текущото дърво на разработката. Предишни версии и експериментални ядра на разработчици също могат да бъдат намерени под Mercurial на стария сайт на проекта на адрес:
http://code.nsnam.org.

2.2 Git

Сложните програмни системи се нуждаят от начин за управление на организацията и промените в основния код и документация. Има много начини да се постигне това, и може би сте чували за някои от системите, които обикновено се използват за това. До неотдавна проектът ns-3 използваше Mercurial като система за управление на изходния код, но през декември 2018 г. преминахме на използване на Git. Въпреки че не е нужно да знаете много за Git, за да прочетете това ръководство, ние препоръчваме да се запознаете с него и да го използвате за достъп до изходния код. GitLab.com предоставя ресурси за усвояване на основните умения на адрес: https://git-scm.com/book/ru/v2.

2.3 WAF

След като изтеглите изходния код на компютъра си, за да получите готова за работа програма, ще трябва да го компилирате. Както и при управлението на изходния код, за това предоставени са множество инструменти. Вероятно най-известният от тези инструменти е make. Наред с това, че този инструмент е най-известният, трябва да се спомене, че той е и най-сложният при употреба в много големи и гъвкаво конфигурируеми системи. Това е причината за разработката на много алтернативи. Наскоро бяха разработени такива системи, използвайки езика Python.

В проекта ns-3 се използва система за изграждане Waf. Тя е от ново поколение системи за изграждане, базирани на Python. За изграждане на съществуващата система ns-3, не е необходимо да познавате Python.

За тези, които се интересуват от подробности относно използването на Waf, има книга, достъпна на адрес:
https://waf.io/book/
и текущия код:
https://gitlab.com/ita1024/waf/.

2.4 Среда за разработка

Както споменахме по-горе, сценарии в ns-3 се изпълняват на C++ или Python. По-голямата част от API на ns-3 е достъпна на Python, но моделите във всеки случай са написани на C++. Това ръководство предполага, че сте запознати с обектно-ориентираното програмиране на C++. В хода на изложението ще отделим известно време за преглед на най-напредналите концепции и възможно непознати особености на езика, като идиоми и шаблони за проектиране. Не искаме това ръководство да се превърне в учебник по C++, така че очакваме основно владеене на езика. Съществуват много източници на информация за C++, налични онлайн или в печат.

Ако сте начинаещ в C++, преди да продължите, усвоите основите на езика, използвайки учебник или уебсайт, посветен на обучението или готови рецепти. Например, такъв: https://github.com/ashtanyuk/CPP-2018.

Под Linux системата ns-3 използва няколко компонента от инструментария на проекта GNU. Инструментарият е набор от програмни инструменти, налични в тази софтуерна среда. За бърз преглед на това, което включва инструментите GNU вижте. http://en.wikipedia.org/wiki/GNU_toolchain.

Симулаторът ns-3 използва gcc, GNU binutils и gdb. В същото време не използваме за изграждане на проекта нито make, нито autotools от инструментите на GNU. За тези функции използваме Waf.

В macOS се използва набор от инструменти Xcode. На потребителите на ns-3 на Mac се препоръчва горещо да инсталират Xcode и инструментите за команден ред от Apple App Store, а също така, за допълнителна информация, да посетят страницата за инсталация на ns-3 в wiki: (https://www.nsnam.org/wiki/Installation).

Обикновено, авторът на ns-3 работи в Linux или Unix-подобна среда. За тези, които работят под Windows, съществуват среди, които в различна степен имитират среда Linux. За такива потребители проектът ns-3 в миналото (но не и в момента) поддържаше разработка в среда Cygwin. За допълнителна информация относно изтеглянето и Cygwin и ns-3, посетете wiki страницата на ns-3:
http://www.cygwin.com/.

MinGW в момента официално не се поддържа. Другата алтернатива на Cygwin е инсталирането на виртуална среда, като VMware server, където да инсталирате Linux.

2.5 Програмиране на сокети

В примерите, използвани в това ръководство, ще използваме основните възможности на API интерфейса за сокетите на Беркли (Berkeley Sockets). Ако сте начинаещи в работата със сокети, препоръчваме да се запознаете с API и някои разпространени случаи на употреба. За добро обобщение на програмирането на сокети TCP/IP препоръчваме: "TCP/IP Sockets in C", Donahoo и Calvert.

Съществува свързан уебсайт, който съдържа източници на примерите в книгата, който можете да намерите на адрес:
http://cs.baylor.edu/~donahoo/practical/CSockets/.

Ако разбирате първите четири глави на книгата (или за тези, които нямат достъп до копие на книгата, eхо клиентите и сървърите, показани на уебсайта по горе посочената връзка), това ще бъде достатъчно, за да разберете учебника. Има подобна книга
"Multicast Sockets, Multicast Sockets", Makofske и Almeroth.

Тя обхваща материала, който може да ви е необходим, ако изучавате примери за многоадресна разпратка в дистрибуцията.

Продължение: глава 3

Източник: habr.com