NS-3网络仿真平台搭建及可视化

面向5G车联网仿真平台的搭建

本博客是基于SRTP（面向5G车联网仿真平台设计与开发）而搭建的“面向5G车联网的网络仿真平台”，以供大家学习使用。

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目录

前言概述

准备工作

下载ns-3

构建ns-3

测试ns-3

NS-3仿真可视化

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前言概述

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• 项目简介
  项目立名为：”5G车联网仿真平台“，团队所有成员通过学习相关的NS-3相关技术知识、研究学习5G车联网和V2X等相关参考文献，在研究3GPP Release 12 ProSe 系统架构以及信令流程基础上，综述基于LTE-V2X的车联网协议研究和标准化进展，通过现有理论与技术分析，提出设计方案，在大唐研发的基于LTE网络的V2X的基础上，继续研发出进一步严禁的基于5G网络的V2X，可望支持更低时延(< 10ms)、更高可靠性(99.999%)、更大宽带(支持视频共享)的”传感共享“。
• 项目特色与创新
  
  • 特色
    以”车对外界“信息交换为主要功能的V2X技术正在成为车联网的新亮点，是继信息娱乐之后，推动汽车网络组建的新应用。基于将来5G网络的V2X则可望支持更低时延（<10ms）、更高可靠性（99.999%）、更大带宽（支持视频共享）的“传感共享”，并扩展至通过采取“点对点”双向应答式通信方式，实现自动驾驶所需的实时“多车协同”，同时实现大带宽低时延的“车-云”互联，实时下载上传3D地图，并支持全体自动驾驶车的实时经验共享和“群学习”，大幅提高人工智能的学习速度，支撑自动驾驶技术实现商用和普及。
  • 创新
    基于5G网络的V2X将更具有智能化，在全新的5G时代，它将完全实现“5W”的理念：任何时间（whenever）、任何地点（wherever）、任何人（whoever）、任何事物（whatever）以及任何接收者（whomever），这不仅在技术上是一种革新，更是一种理念上的变革，实现了不仅是人与人，车与车之间的完全通信，更是将车与车，车与人也紧密的联系到了一起，这在车联网行业将是一项重大的突破！
• NS-3概述
  
  • ns-3 被构建为能够协同工作的软件库系统。可以编写链接这些库的（或导入这些库的）用户程序。用户程序既可用 C++ 也可 Python 编写。ns-3 以源码形式发布，这意味着目标系统需要有软件开发环境能够首先构建所需的库，然后构建用户程序。

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准备工作

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• 工具/环境

  • 书籍(后续安装ns-3需要用)：

    • 纸质版：《ns-3网络模拟器基础与应用》马春光，姚建盛
    • 电子阅读版：《ns-3网络模拟器基础与应用》

  • 官方文档阅读：

    • NS-3-installation

  • 环境：

    • 电脑、linux操作系统
    • 依赖包安装（重点，可能会踩很多坑，这个要根据你的电脑环境而定）：(<-在这里我将其总结为一个脚本->）

1.sudo apt-get install gcc g++ python python-dev //C++和python安装，必装        
2.sudo apt-get install mercurial //NS3代码维护使用的源码版本控制管理系统  
3.sudo apt-get install bzr //运行python绑定ns-3-dev需要bazaar这个组件     
4.sudo apt-get install libgtk2.0-0 libgtk2.0-dev //基于GTK的配置系统  
5.sudo apt-get install gdb valgrind //调试工具   
6.sudo apt-get install doxygen graphviz imagemagick  //文档生成器  
7.sudo apt-get install texlive texlive-latex-extra //文档生成器，从源代码中生成说明文档        
8.sudo apt-get install texinfo dia texlive-extra-utils texi2html //ns-3手册和tutorial编写查看工具
9.sudo apt-get install flex bison //仿真必需的词法分析器和语法分析生成器，必装    
10.sudo apt-get install libgoocanvas-dev //部分移动场景仿真的可视化测试需要      这个组件  
11.sudo apt-get install tcpdump //读取pcap的packet traces，即包嗅探器    
12.sudo apt-get install sqlite sqlite3 libsqlite3-dev //支持统计特性的数据库软件   
13.sudo apt-get install libxml2 //xml的配置存储软件   
14.sudo apt-get install python-pygraphviz python-kiwi python-pygoocanvas //Gustavo's ns-3-pyviz的可视化软件   
15.sudo apt-get install qt4-qmake   
16.sudo apt-get install qt4-dev-tools

ps:安装过程中肯定会出现各种各样的错误，不过一般网上都有答案，这里我也就不需要一一列出来来，这个要根据安装实际情况而定。

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下载ns-3

• ns-3使用版本
  我们使用的是 ns-allinone-3.26，现在版本已经更新到ns-allinone-3.28，建议还是使用ns-allinone-3.26
• 第一种方法：直接下载tar压缩包，网址下载： ns-allinone-3.26
• 第二种方法：命令行进行下载

mkdir tarballs //创建名字为tarballs的文件夹
cd tarballs    //进入tarballs文件夹
wget http://www.nsnam.org/release/ns-allinone-3.26.tar.bz2   //连网下载NS-3.26版本
tar xjf ns-allinone-3.26.tar.bz2    //使用tar解压

进入到目录ns-allinone-3.26，能看到如下文件和目录：

$ ls
bake        constants.py        ns-3.26                     README 
build.py    netanim-3.107       pybindgen-0.17.0.post57+nga6376f2       util.py

ns-3下载工作到这里就基本完成了，接下来可以开始构建ns-3了。

构建ns-3

• 使用build.py编译
  进入ns-allinone-3.26文件夹，并键入以下命令进行编译：

$ ./build.py --enable-examples --enable-tests

编译完成后，您会看到显示的是构建脚本构建你下载的各种内容的信息。最终显示如下：

Waf: Leaving directory `/path/to/workspace/ns-allinone-3.26/ns-3.26/build'
'build' finished successfully (6m25.032s)

Modules built:
antenna                   aodv                      applications
bridge                    buildings                 config-store
core                      csma                      csma-layout
dsdv                      dsr                       energy
fd-net-device             flow-monitor              internet
internet-apps             lr-wpan                   lte
mesh                      mobility                  mpi
netanim (no Python)       network                   nix-vector-routing
olsr                      openflow (no Python)      point-to-point
point-to-point-layout     propagation               sixlowpan
spectrum                  stats                     tap-bridge
test (no Python)          topology-read             traffic-control
uan                       virtual-net-device        visualizer
wave                      wifi                      wimax

Modules not built (see ns-3 tutorial for explanation):
brite                     click

尚未被构建的部分：

Modules not built (see ns-3 tutorial for explanation):
brite                     click

这只是意味着某些ns-3模块依赖的外部库可能尚未安装，或者配置文件专门指定的不构建他们。这并不意味着模拟器没有成功构建，也不意味着其会对正在构建的（被列出的）模块给出错误的的结果。

• 使用waf编译
  一旦工程已经编译过，就不能再使用build.py脚本进行编译
  进入ns-allinone-3.26/ns-3.26目录，键入以下命令：

$ ./waf clean     //清除以前的版本
$ ./waf -d debug --enable-examples --enable-tests configure     //重新配置ns-3项目，并构建系统检查各种依赖关系

正式编译：

$ ./waf 

输出如下结果：

[2593/2631] Linking build/bindings/python/ns/traffic_control.so
[2594/2631] Linking build/bindings/python/ns/network.so
[2595/2631] Linking build/bindings/python/ns/wifi.so
[2596/2631] Linking build/bindings/python/ns/nix_vector_routing.so
[2597/2631] Linking build/bindings/python/ns/lte.so
[2598/2631] Linking build/bindings/python/ns/buildings.so
[2599/2631] Linking build/bindings/python/ns/aodv.so
[2600/2631] Linking build/bindings/python/ns/point_to_point.so
[2601/2631] Linking build/bindings/python/ns/fd_net_device.so
[2602/2631] Linking build/bindings/python/ns/mpi.so
[2603/2631] Linking build/bindings/python/ns/wave.so
[2604/2631] Linking build/bindings/python/ns/csma.so
[2605/2631] Linking build/bindings/python/ns/dsdv.so
[2606/2631] Linking build/bindings/python/ns/topology_read.so
[2607/2631] Linking build/bindings/python/ns/internet_apps.so
[2608/2631] Linking build/utils/ns3.26-print-introspected-doxygen-debug
[2609/2631] Linking build/scratch/subdir/subdir
[2610/2631] Linking build/bindings/python/ns/energy.so
[2611/2631] Linking build/bindings/python/ns/antenna.so
[2612/2631] Linking build/bindings/python/ns/internet.so
[2613/2631] Linking build/bindings/python/ns/tap_bridge.so
[2614/2631] Linking build/bindings/python/ns/wimax.so
[2615/2631] Linking build/bindings/python/ns/_core.so
[2616/2631] Linking build/bindings/python/ns/spectrum.so
[2617/2631] Linking build/bindings/python/ns/sixlowpan.so
[2618/2631] Linking build/bindings/python/ns/mobility.so
[2619/2631] Linking build/bindings/python/ns/stats.so
[2620/2631] Linking build/utils/ns3.26-test-runner-debug
[2621/2631] Compiling src/fd-net-device/helper/tap-device-creator.cc
[2622/2631] Compiling src/fd-net-device/helper/encode-decode.cc
[2623/2631] Compiling src/fd-net-device/helper/creator-utils.cc
[2624/2631] Linking build/src/fd-net-device/ns3.26-tap-device-creator-debug
[2625/2631] Compiling src/fd-net-device/helper/raw-sock-creator.cc
[2626/2631] Compiling src/fd-net-device/helper/encode-decode.cc
[2627/2631] Compiling src/fd-net-device/helper/creator-utils.cc
[2628/2631] Linking build/src/fd-net-device/ns3.26-raw-sock-creator-debug
[2630/2631] Compiling src/tap-bridge/model/tap-encode-decode.cc
[2630/2631] Compiling src/tap-bridge/model/tap-creator.cc
[2631/2631] Linking build/src/tap-bridge/ns3.26-tap-creator-debug
Waf: Leaving directory `/home/xuminghua/tmp/ns-allinone-3.26/ns-3.26/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (14m15.932s)

Modules built:
antenna                   aodv                      applications              
bridge                    buildings                 config-store              
core                      csma                      csma-layout               
dsdv                      dsr                       energy                    
fd-net-device             flow-monitor              internet                  
internet-apps             lr-wpan                   lte                       
mesh                      mobility                  mpi                       
netanim (no Python)       network                   nix-vector-routing        
olsr                      point-to-point            point-to-point-layout     
propagation               sixlowpan                 spectrum                  
stats                     tap-bridge                test (no Python)          
topology-read             traffic-control           uan                       
virtual-net-device        visualizer                wave                      
wifi                      wimax                     

Modules not built (see ns-3 tutorial for explanation):
brite                     click                     openflow 

测试ns-3

构建完成之后，我们就可以开始测试ns-3是否能运行了。

• 使用test.py进行测试
  进入ns-3.26，键入以下命令：

./test.py -c core  //测试ns-3发行版示范编译正确

输出如下所示：

……
PASS: TestSuite traced-value-callback
PASS: TestSuite aodv-routing-id-cache
PASS: TestSuite routing-aodv
PASS: TestSuite routing-aodv-loopback
PASS: TestSuite routing-aodv-regression
PASS: TestSuite ns3-wifi-msdu-aggregator

PASS: TestSuite lte-frequency-reuse
230 of 233 tests passed (230 passed, 3 skipped, 0 failed, 0 crashed, 0 valgrind errors)
List of SKIPped tests:
    ns3-tcp-cwnd
    ns3-tcp-interoperability
    nsc-tcp-loss

由输出可以看出，除来未安装成功的三个依赖包，其他均测试成功。
- 运行脚本进行测试
运行ns-allinone-3.26/ns-3.26/scratch文件夹下的脚本文件scratch-simulator.cc
在ns-allinone-3.26/ns-3.26文件夹下，键入以下命令（因为waf在这个文件夹下，也可以将waf 和 waf.bat 移至scratch文件夹下再进行运行）

$ ./waf --run scratch/scratch-simulator  

waf首先执行检查以确保程序已经正确构建，并在需要时执行构建。然后执行该程序，产生以下输出：

Waf: Entering directory `/home/xuminghua/tmp/ns-allinone-3.26/ns-3.26/build'
Waf: Leaving directory `/home/xuminghua/tmp/ns-allinone-3.26/ns-3.26/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (1.912s)
Scratch Simulator

输出了Scratch Simulator，表明ns-3网络仿真平台已经搭建完成来，接下来就是用你的代码进行编译，并进行数据可视化分析展示了。

NS-3仿真可视化

数据可视化主要有两种PyViz和NetAnim，都是作为可视化动画演示工具。

• PyViz

  • 使用参考网址：NS-3-PyViz

  • PyViz安装

    • 安装依赖包
      sudo apt-get install python-dev python-pygraphviz python-kiwi python-pygoocanvas python-gnome2 python-gnomedesktop python-rsvg

    • 安装交互式Python使得GUI上有控制台按钮
      sudo apt-get install ipython

    • PyViz测试
      
      • Python脚本(3.26目录下）
        ./waf --pyrun src/flow-monitor/examples/wifi-olsr-flowmon.py --visualize
        如图所示：
        
      • C++脚本（3.26目录下）
        ./waf --run src/olsr/examples/simple-point-to-point-olsr --vis
        如图所示：
        
      • 需要修改的脚本wscript文件
        obj=bld.create_ns3_program('simple-point-to-point-olsr', ['point-to-point', 'internet', 'olsr', 'applications', 'wifi'])
修改成
obj=bld.create_ns3_program('simple-point-to-point-olsr', ['point-to-point', 'internet', 'olsr', 'applications', 'wifi', 'visualizer'])
        再次执行前面的代码

• NetAnim

  • 使用参考网址：NS-3-NetAnim

  • NetAnim安装

    • 安装依赖包
      sudo apt-get install mercurial
sudo apt-get install qt4-dev-tools
    • 下载并安装NetAnim
      hg clone http://code.nsnam.org/jabraham3/netanim
cd netanim
make clean
qmake NetAnim.pro (For MAC Users: qmake -spec macx-g++ NetAnim.pro)
make

    • 运行实例产生.xml文件供NetAnim解析

      • 在src/netanim/examples目录下执行下面两个命令：
        ./waf --run "dumbbell-animation --nLeftLeaf=5 --nRightLeaf=5 --animFile=dumbbell.xml"
./waf --run "grid-animation --xSize=5 --ySize=5 --animFile=grid.xml"

      • 若出现”权限不够“，则退出到ns-3.26目录下，执行下面两条命令：
        ./waf --run "src/netanim/examples/dumbbell-animation --nLeftLeaf=5 --nRightLeaf=5 --animFile=dumbbell.xml"
./waf --run "src/netanim/examples/grid-animation --xSize=5 --ySize=5 --animFile=grid.xml"

    • 运行NetAnim来解析xml文件：
      cd ns-allinone-3.26/netanim-3.107
./NetAnim
      打开NetAnim界面如下：
      
      打开xml文件，进行解析：
      

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好了，以上就是整个平台的搭建以及可视化全过程……
最后再进行数据分析等过程……