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Configuración del entorno (VScode) y ejecución de ejemplos en NS3

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Actualizado a la versión 3.36 (Mayo 2022)
Mi recomendación antes de nada, una vez instalado NS3 y comprobado que funciona mediante el paso de los correspondientes test (un paso imprescindible), es que configures un entorno de desarrollo adecuado para maximizar tu productividad. Un buen editor de código fuente es Visual Studio Code

En Linux, si abres el editor dentro del directorio de ns3 (en mi caso ns-3.36):

~/tools/ns-allinone-3.36/ns-3.36/$code .

se crea una carpeta .vscode con un archivo c_cpp_properties.json. En ese archivo tenemos que añadir la ruta donde están los .h, el auto completado se habilitará:

{
"configurations": [
{
"name": "Linux",
"includePath": [
"${workspaceFolder}/build/include/ns3/**",
"/home/felix/tools/ns-allinone-3.36/ns-3.36/build"
],
"defines": [],
"compilerPath": "/usr/bin/clang-11",
"cStandard": "c17",
"cppStandard": "c++14",
"intelliSenseMode": "linux-clang-x64",
"compileCommands": "${workspaceFolder}/cmake-cache/compile_commands.json"
}
],
"version": 4
}

Una buena forma de empezar es ejecutar aquellos ejemplos que más te interesen del directorio examples.
Por ejemplo (En negrita los comandos ejecutados):

ns-3.36$ ./ns3 run wifi-simple-adhoc
...
Testing 1 packets sent with receiver rss -80
Received one packet!

Si editas los ejemplos, ahora podrás ver qué métodos y argumentos tiene cada objeto que manipules en tu simulación. Si no lo ves es que tienes las sugerencias deshabilitadas. Puedes habilitarlas siguiendo estas instrucciones

Tus trabajos se harán en el directorio scratch. En el caso de los ejemplos (dentro del directorio examples) que vienen con NS3 no es necesario copiarlos en el directorio scratch y se pueden ejecutar directamente.

El script ns3 es una herramienta de configuración y compilación escrita en python y que es usado en el proyecto NS3 para hacer de interface con el sistema cmake. Se puede usar para configurar y construir el propio NS3.

De momento, nosotros solo nos interesa para compilar y ejecutar nuestros ejemplos. Dentro del directorio de ns3 (~/tools/ns-allinone-3.36/ns-3.36 en mi caso), la sintaxis del comando a ejecutar es:

ns-3.36$./ns3 run ejemplo

Si no es un ejemplo de los que vienen con ns3, buscará ejemplo.cc en el directorio scratch, lo compilará y lo ejecutará.

NS3: La clase Node

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La clase Node y NetDevice, junto con el canal de comunicación, simulan el hardware de nuestra red. Un objeto de la clase Node podríamos identificarlo con un PC, un móvil, un sensor, etc. es decir cualquier dispositivo de cómputo donde vamos a instalar cosas. Al igual que los dispositivos de cómputo en la realidad, los objetos de la clase Node necesitan interfaces de red para comunicarse. Estas interfaces de red son de una tecnología específica (Bluetooth, Wifi, Ethernet, LTE, etc.). Al igual que en la realidad, un objeto Node puede tener mas de un interfaz de red. Las interfaces de red en NS3 vienen representadas por objetos de la clase específica de la tecnología que hereda de la clase abstracta NetDevice.

Por ejemplo una interfaz wifi viene representada por la clase WifiNetDevice que hereda de NetDevice.

El ejemplo mínimo de creación de un nodo lo podemos ver con el ejemplo node1.cc . Es un ejemplo que crea un único nodo y obtiene su ID. Cada nodo tiene un Id único. La variable n es, a todos los efectos, una caja vacía donde luego instalaremos y configuraremos el resto de cosas.

Si ponemos el archivo node1.cc en el directorio scratch y lo ejecutamos con NS_LOG="Node" ./waf --run node1 veremos la información del módulo Node (es lo que indicamos con NS_LOG="Node" antes del comando waf) y el identificador del nodo. Salvo que estes depurando, evita usar muchos LOG ya que ralentizan la simulación. Podemos habilitar el sistema de Log desde el código fuente tal y como veremos en otra entrada de blog.

El problema de crear los nodos de forma directa es que tienes que ocuparte de hacer todas las operaciones a todos los nodos. Para simplificar este proceso habitual en una simulación, NS3 dispone de la clase NodeContainer.

Si has echado un vistazo a la clase Node verás que es bastante sencilla, puedes instalar aplicaciones, puedes conectar interfaces de red y registrar manejadores o gestores de protocolos.

En vez de usar directamente la clase Node, usaremos la clase NodeContainer para este tipo de tareas. En NodeContainer.cc podemos ver que hay varias formas de crear un contenedor (añadiendo nodos ya creados, indicando el número de nodos a crear con Create, concatenando dos contenedores ya creados, etc.) con un aspecto importante a tener en cuenta, el número id de un nodo es único e irrepetible.

Al igual que otros asistentes que veremos, el NodeContainer es un contenedor inspirado en los contenedores STL.Como tal, se pueden iterar sobre sus elementos con un iterador (por ejemplo, la función imprimirContainerIds en NodeContainer.cc), concatenar contenedores (por ejemplo, el NodeContainer c del ejemplo), etc.

Programando en NS3

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NS3 puede tener una curva de aprendizaje considerable dado que es un simulador de eventos discretos centrado en redes y, por lo tanto, tiene mucha variedad de combinaciones

Para programar cualquier ejemplo, ten en cuenta los siguientes consejos para acortar el tiempo de aprendizaje:

  • Por supuesto, el tutorial oficial es el mejor punto de partida
  • Los ejemplos (en el directorio examples) y los test (en el directorio test de cada módulo en el directorio src) del propio ns3 son la mejor fuente de información y puedes utilizarlos como plantillas para comenzar a programar
  • Para muchas de las tareas de configuración existen clases asistentes (terminada en *helper). MobilityHelper, BasicEnergySourceHelper, OlsrHelper, etc.
  • Genera los resultados en algún estándar como pcap y podrás usar herramientas externas para analizar tus resultados.
  • Utiliza un objeto de la clase NodeContainer para guardar todos tus nodos y luego utilizarlo para aplicar las mismas operaciones a todos tus nodos. Por ejemplo, poner un mismo tipo de netdevice a 100 nodos
  • A la hora de depurar, puede ser interesante habilitar el sistema de log de los diversos componentes para obtener mas información: por ejemplo LogComponentEnable («UdpClient», LOG_LEVEL_INFO); habilita los mensajes del componente UdpClient al nivel de info. Hay varios niveles de log. Pero ten cuidado, a mas log mas lenta va la simulación
  • Estructura tu simulación de forma que los parámetros que quieras cambiar entre simulación y simulación puedan ser pasados como argumento. Aquí tienes un ejemplo de cómo hacerlo.
  • Separa la generación de resultados, del procesamiento y análisis de los resultados. De esta forma, no tendrás que ejecutar toda la simulación de nuevo para cambiar algo del análisis
  • Para crear un nuevo modelo, lee cuidadosamente la parte del manual de soporte

    • Aunque hay muchos módulos, generalmente solo hay que configurar los módulos comunes y estructurar tu escenario de simulación. ¡Puedes ser productivo en un tiempo relativamente corto!

    Topología de los nodos en NS3

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    Sobre todo en simulaciones que tienen nodos inalámbricos, después de crear los nodos debes posicionarlos para formar tu topología. Topologías habituales en simulaciones son en forma de matriz cuadrada, en línea, en estrella con el nodo que hace de pasarela en el centro, etc.

    El emplazamiento de un nodo (X,Y,Z) generalmente se hace con la ayuda de un objeto de la clase MobilityHelper que permite crear escenarios con posiciones donde luego emplazamos nuestros nodos (almacenados en un contenedor del tipo NodeContainer).
    Es decir, configuramos una topología concreta con el MobilityHelper y luego instalamos en esa topología los nodos creados y configurados de acuerdo a los requisitos de la simulación.
    Una configuración sencilla en matriz 2D sería:

    MobilityHelper mobility;
    mobility.SetPositionAllocator ("ns3::GridPositionAllocator",
    "MinX", DoubleValue (0.0),
    "MinY", DoubleValue (0.0),
    "DeltaX", DoubleValue (distanceX),
    "DeltaY", DoubleValue (distanceY),
    "GridWidth", UintegerValue (nodesgridwidth),
    "LayoutType", StringValue ("RowFirst"));
    mobility.SetMobilityModel ("ns3::ConstantPositionMobilityModel");

    En primer lugar se le indica que vamos a crear puntos de acuerdo a ns3::GridPositionAllocator . Esto es importante por que el resto de argumentos que viene a continuación va en función de este primer argumento. El resto indica las coordenadas iniciales (MinX, MinY) en 0,0 , con una separación determinada, en este caso indicado por distanceX y distanceY, con una anchura indicado por la variable nodesgridwidth empezando por las filas (RowFirst). Por último indicamos que los emplazamientos son fijos «ns3::ConstantPositionMobilityModel».

    En el repositorio de este tutorial podemos ver algunos ejemplos de base para topologías habituales. Los parámetros de entrada son configurables por línea de comandos de cara a permitir la simulación automática de varias topologías.

    También en simulaciones inalámbricas, una vez emplazados, es posible que quieras mover tus nodos, para lo cual tendrás que configurar el escenario de acuerdo a tu modelo de movilidad

    Otra posibilidad que te permite ns3 es la de leer topologías de un archivo donde has almacenado la posición de algunos nodos.Los inputs readers te permiten este tipo de lecturas ad-hoc y generar topologías personalizadas y/o concretas.

    Simulaciones

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    Una simulación es una representación simplificada de la realidad ejecutada en un computador. Esta simulación se hace con el ánimo de estudiar y analizar un aspecto concreto que, con el análisis adecuado, se puede exportar a cómo se comportará la realidad.

    ¿Para qué usamos las simulaciones?, bueno, a menudo para ahorrarnos tiempo y dinero en estudiar el comportamiento de diversos parámetros de la vida real. Otras veces por que sencillamente, no podemos probar algo en la vida real pero queremos ver qué pasaría.

    En redes de computadores es habitual simular redes para probar nuevos protocolos, estudiar la viabilidad de nuevas topologías, estudiar que pasa si se rompe un enlace, estudiar las prestaciones de algoritmos, y un largo etc.

    Mapa conceptual simulación

    La simulación de redes de computadores pretende simular topologías y tráfico de red sin tener que desplegar dichas redes físicamente.

    Tal y como podemos ver en el mapa conceptual, abajo a la derecha en naranja, cuando queremos simular algo el primer paso es hacer las preguntas correctas. Esto es importantísimo por que no podemos simularlo todo con mucha precisión por lo que debemos simplificar aquellos aspectos que no son relevantes. Por ejemplo, si queremos analizar las prestaciones de un algoritmo de enrutado en cuanto a si encuentra rutas óptimas o no, el canal de comunicación puede ser muy simple y nunca perder paquetes si no es relevante para lo que queremos analizar. Simular un canal de comunicación sin errores siempre es mas simple y sencillo que no un canal de comunicación mas realista y con errores.

    Cuando tenemos claro qué vamos a probar/mejorar o qué queremos estudiar, necesitamos hacer un modelo, este modelo puede ser teórico (es decir, ecuaciones) o simulado (es decir, simulación). El modelo simulado lo podemos simular y producto de esta simulación obtendremos unos resultados en crudo que debemos analizar e interpretar.

    Los resultados de la simulación se deben validar, es decir debemos asegurarnos que son correctos, comparándolos con resultados experimentales de parámetros reales y/o con los resultados de un modelo teórico. Solo después de esta validación podremos decir que nuestro modelo de simulación se acerca a la realidad y es válido.

    Conceptos básicos NS3

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    El simulador ns3 es un simulador de eventos discretos utilizado ampliamente en investigación y en docencia.
    Se pueden desarrollar todo tipo de simulaciones relativas a tecnologías, protocolos y aplicaciones atendiendo a la configuración que hagamos en un archivo C++.

    Los elementos básicos de una simulación vienen representados por clases c++ que simulan los elementos básicos hardware/software de un escenario real, son los siguientes:

    1. Node: representa un dispositivo (computador, servidor, teléfono móvil, portátil, sensor, cámara, etc.)
    2. Channel: representa un canal de comunicación y su comportamiento (cable, inalámbrico, punto a punto, etc.)
    3. Net Device : Dispositivo de red, es una tarjeta de red inalámbrica (e.j wifi) o cableada (e.j ethernet)
    4. Application: es una aplicación software. Desde el punto de vista de una simulación es un generador/consumidor
      de paquetes de información. Un servidor web, un navegador, etc. son ejemplos de aplicaciones
    5. Protocol stack: es una pila de protocolos de comunicación. El mas conocido, la pila de protocolos TCP/IP que hace posible la comunicación en Internet
    6. El simulador propiamente dicho: se encarga de lanzar y gestionar la simulación.

    Con estos cinco elementos podemos simular cualquier escenario de red. En nuestro archivo de C++ debemos tener estos elementos configurados apropiadamente para simular un escenario real.
    Cuando analizemos un escenario ns3 veremos que en C++ vamos realizando los mismos pasos que haríamos en un escenario real.

    1. Creamos los objetos C++ que representen a los nodos, el canal, la aplicación y la pila de protocolos que necesitemos
    2. A los nodos, les «instalamos» los dispositivos de red (Net Devices)
    3. «Conectamos» el channel a los dispositivos de red
    4. Instalamos en cada nodo la pila de protocolos y la configuramos apropiadamente. En TCP/IP le damos la dirección IP, máscara de subred, etc.
    5. Instalamos en cada nodo la aplicación y la configuramos
    6. Configuramos y lanzamos la simulación

    Hay elementos secundarios que nos facilitan la labor de gestionar simulaciones complejas (argumentos, log, configuración de muchos elementos) con
    muchos nodos y/o aplicaciones.