ns-3离散事件仿真引擎实现分析

NS-3离散事件仿真引擎实现赵问道浙江大学信息与通信工程研究所2009年11月目录一、ns-3离散事件仿真引擎的基本概念 (3)二、ns-3离散事件仿真引擎的基本原理 (4)三、基本的仿真器类：Simulator (5)四、仿真器实现类：SimulatorImpl类及其派生类 (10)五、事件调度器类：Scheduler及其派生类 (12)NS-3离散事件仿真引擎实现分析一、ns-3离散事件仿真引擎的基本概念Ns-3是一个基于事件的（event-based）仿真系统。

除了系统状态变量和系统事件发生逻辑外，基于事件仿真还包括以下组成部分：（1）时钟（Clock）仿真系统必须要保持对当前仿真时间的跟踪。

离散事件仿真与实时仿真（real time simulations）不同，在离散事件仿真中时间是跳跃的（time ‘hops’ ），因为事件是瞬时发生的– 随着仿真的进展，时钟跳跃到下一事件的开始时间。

Ns-3内部仿真时钟用一个64比特的整数表示，其单位由用户通过TimeStepPrecision::Set函数设定。

（2）事件列表（Events List）仿真系统至少要维护一个仿真事件列表，一个事件用事件发生的时刻和类型来描述，事件类型标识用于仿真事件的代码，一般事件代码都是参数化的，事件描述中还包含表示事件代码的参数。

Ns-3的事件列表由Scheduler类及其派生类实现，Simulator类提供创建具体的Scheduler对象的方法，以及插入各种事件的静态接口函数。

（3）随机数发生器（Random-Number Generators）根据系统模型，仿真系统需要产生各种类型的随机变量（random variables）。

这由一个或多个伪随机数发生器（Pseudorandom number generators）产生。

NS-3包含一个内置的伪随机数发生器，随机数由RandomVariable类及其派生类实现，可以产生具有各种分布特性的随机数，具体有UniformVariable类、ConstantVariable类、SequentialVariable类、ExponentialVariable类、ParetoVariable类、WeibullVariable类、NormalVariable类、EmpiricalVariable类、IntEmpiricalVariable类、DeterministicVariable类、LogNormalVariable类、GammaVariable类、ErlangVariable类、ZipfVariable类和TriangularVariable类等。

（4）统计（Statistics）仿真系统通常会记录系统的统计数据，用以表示感兴趣的一些统计量。

（5）结束条件（Ending Condition）因为事件是自举的，理论上来说离散事件仿真系统可以永远运行下去。

因此，仿真系统设计者必须决定仿真什么时候结束。

典型的选择是“在事件t”（“at time t” ）或者“在处理n个事件后”（“after processing n number of events”）或者，更一般地，“当统计量X达到值x时”（“when statistical measure X reaches the value x”）。

一个仿真系统的主循环结构如下：（1）开始（Start）：初始化结束条件（Ending Condition）为FALSE。

初始化系统状态变量。

初始化时钟（Clock）（通常从仿真时刻0开始) 。

调度（Schedule）初始化事件(例如，将初始事件缴入事件列表（Events List）)。

（2）循环（“Do loop” or “While loop”）：While (结束条件（Ending Condition ）为FALSE) then do：{将时钟设置成下一事件发生时刻。

执行下一事件，并将其从事件列表（Events List）中移除。

更新统计数据。

}（3）结束（End）：当设定的结束条件为真时，仿真循环结束，同时系统产生统计报告。

二、ns-3离散事件仿真引擎的基本原理Ns-3是一个面向Internet系统的离散事件网络仿真系统（a discrete-event network simulator）。

Ns-3离散事件仿真引擎的入口是Simulator类，事件的调度、仿真系统启停等均通过Simulator类来操作。

Simulator类所有的成员函数全部为静态类型的（static），因此，Simulator类是不需要实例化的，直接采用“类名::方法”的方式进行调用。

Simulator类提供了启动和停止仿真器、事件调度、取消事件、设置调度器、获得和设置仿真器、获得事件时间等方法接口。

具体的仿真器由SimulatorImpl类及其派生类实现。

SimulatorImpl类派生自Object类，定义了仿真器的接口，所有成员函数均为虚函数，需要在其派生类中具体实现。

目前Ns-3有两个派生类：DefaultSimulatorImpl类和RealtimeSimulatorImpl类。

RealtimeSimulatorImpl类用于实时仿真。

调度器由Scheduler类及其派生类实现。

Scheduler类派生自Object类，定义了调度器的接口，所有成员函数均为虚函数，需要在其派生类中具体实现。

目前Ns-3有三个Scheduler类的派生类：CalendarScheduler类、ListScheduler类和MapScheduler类。

ns-3离散事件仿真引擎的工作原理如下：1. 在所有的仿真脚本主程序中，在设置好仿真网络系统后，通过调用Simulator::Run()来启动仿真系统。

通过调用GetImpl()来获得SimulatorImpl对象指针，这个SimulatorImpl对象指针是静态对象指针，只有一个实例。

但在每次调用GetImpl()时，都会重新创建对象。

在获得SimulatorImpl对象指针后调用SimulatorImpl对象的Run()方法。

2. SimulatorImpl对象的创建：在Simulator的静态成员方法GetImpl()中，由ObjectFactory对象factory的Create<SimulatorImpl>()方法来创建具体的SimulatorImpl对象，具体的类型由factory的SetTypeId(类型名)来设定。

在中定义了一个全局变量：GlobalValue类型的g_simTypeImpl，默认实现的仿真器类型为ns3::DefaultSimulatorImpl。

具体的SimulatorImpl对象创建好后，调用其SetScheduler(调度器对象指针）来设置所采用的事件调度器。

3. Scheduler具体对象的创建：在Simulator的静态成员方法GetImpl()中，由ObjectFactory对象factory的Create<Scheduler>()方法来创建具体的Scheduler对象，具体的类型由factory的SetTypeId(类型名)来设定。

在中定义了一个全局变量：GlobalValue类型的g_schedTypeImpl，默认实现的调度器类型为ns3::MapScheduler。

4. 仿真事件的产生和执行：在仿真主程序中都会创建一系列存放在ApplicationContainer对象中的应用程序（Application对象），ApplicationContainer对象通过Sart方法和Stop方法去调用所有Application 对象的Sart方法和Stop方法去启动和停止应用程序。

Application对象的Sart方法和Stop方法通过ScheduleStart (const Time &time)和ScheduleStop (const Time &time)这两个内部方法去调用Simulator::Schedule方法，在调度器中安排启动和停止事件。

在仿真主程序设立完所有事件后调用Simulator::Run ()方法开始执行所有调度事件。

三、基本的仿真器类：SimulatorSimulator类是Ns-3离散事件仿真引擎的入口，主要用于控制仿真事件的调度、仿真系统启停。

Simulator类本身不实现具体的仿真引擎，它提供了一种可以采用不同具体仿真引擎实现的机制，具体的仿真器由SimulatorImpl类及其派生类实现。

Simulator类的成员函数全部是静态的，因此，Simulator类是不需要实例化的。

根据上面的仿真系统原理，Simulator类的成员函数可以分成以下几种类型：1. 仿真引擎管理接口函数具有设置具体仿真引擎实现的接口函数SetImplementation(Ptr<SimulatorImpl> impl)和获取当前使用的仿真引擎实现的接口GetImplementation (void)，具体如下：static void SetImplementation (Ptr<SimulatorImpl> impl);static Ptr<SimulatorImpl> GetImplementation (void);Ns-3具体的仿真引擎由SimulatorImpl类及其派生类实现，目前Ns-3有两个派生类：DefaultSimulatorImpl类和RealtimeSimulatorImpl类。

DefaultSimulatorImpl类实现的是一个用于离散事件仿真的单线程的、不进行实时时钟同步的仿真器。

RealtimeSimulatorImpl类实现的用于实时仿真的多线程的、事件与实时时钟同步的仿真器。

可以通过SetImplementation (Ptr<SimulatorImpl> impl)来更改所使用的具体仿真引擎。

2. 事件调度器管理接口函数可以随时设置仿真系统所采用的事件调度器。

前一个事件调度器已经调度的事件会在我们使用之前转移到新的事件调度器，目前Ns-3有三个事件调度器：日历调度器（CalendarScheduler类实现）、列表调度器（ListScheduler类实现）和图调度器（MapScheduler类实现）。

具体实现如下：static void SetScheduler (Ptr<Scheduler> scheduler);3. 仿真器起停管理接口函数（1）运行仿真器运行仿真器，直到①所有事件都已执行；②用户调用Simulator::Stop()：static void Run (void);运行下一个仿真事件，然后立即返回：static void RunOneEvent (void);（2）停止仿真器停止仿真器，如果某一事件激活该方法，则它是Simulator::Run在返回到调用者之前所执行的最后一个事件：static void Stop (void);在指定时间time停止仿真器，当下一个事件的到期时间大于指定停止时间时强制Simulator::Run 返回到调用者：static void Stop (Time const &time);（3）检测是否完成检测判断系统已经没有调度的事件或仿真时间已到停止时间：static bool IsFinished (void);4. 仿真器事件时间管理接口函数（1）下一个调度事件的到期事件static Time Next (void);（2）当前仿真时间static Time Now (void);（3）当前执行事件的剩余时间static Time GetDelayLeft (const EventId &id);（4）一个事件可以安排的最大仿真时间static Time GetMaximumSimulationTime (void);5. 事件调度安排接口函数（1）在某一时间安排某一事件的调度接口函数NS-3共实现了三类在某一时间安排某一事件的调度接口函数。