NS3-WIFI模块架构与使用
NS3 模块架构
wifi部分的组织架构图如下所示，
下面对图中所示的若干个重要类的实现及其功能进行简要介绍[1]
- WiFiNetDevice： 该类与node类类似，都不具备任何协议行为，该类是 Wi-Fi网络设备与上层协议通信的接口。可以将其看作网络层与 WifiMac之间的通信接口。
- WifiMac: Wi-Fi协议的 MAC层实现。支持功能包括关联（association)、探测(probe)、信标（beacon）、分组重传、RTS与CTS消息等。
- RemoteStationManager:速率控制（rate control),根据网络环境选择最佳数据速率(data rate）。
- WifiPhy: Wi-Fi协议的物理层实现。支持功能包括计算发射功率、传输延迟、接收功率阈值等。
- Channel:模拟Wi-Fi信道，也属于物理层的一部分。结合传播（propagation）和移动(mobility)模型，Channel负责计算一个分组的接收功率、传播延迟等变量。
src文件功能简析
// AMPDU stands for Aggregated MAC Protocol Data Unit
// 头文件
// crc， sig， length 域
ampdu-subframe-header.cc
ampdu-tag.cc
// ack 相关的报文头
ctrl-headers.cc
// The 16-bit Capability Information field (Figure 4-24) is used in Beacon transmissions to advertise the network's capabilities.
capability-information.cc
// The ErpInformation Information Element
erp-information.cc
// wifi 误差模型的接口
error-rate-model.cc
// The HT Capabilities section provides the MCS values which are supported by the wireless network。
// 无线网络 MCS 相关
ht-capabilities.cc
ht-operations.cc
// handles interference calculations
// 例如 snr，
interference-helper.cc
// 连接请求与连接回复 的报文头部管理
// 调用 ssid， vht， dsss等文件
mgt-headers.cc
// MAC Protocol Data Unit
// 帧聚合方式
// MDPU包含了MAC层头部以及MSDU。
mpdu-aggregator.cc
mpdu-standard-aggregator.cc
msdu-aggregator.cc
msdu-standard-aggregator.cc
// dsss modulation
nist-error-rate-model.cc
// 块确认的管理部分
originator-block-ack-agreement.cc
// 块确认的等待部分
qos-blocked-destinations.cc
// 各种配置参数
qos-utils.cc
random-stream.cc
// 信噪比相关
// 由 mac-low.h 调用
snr-tag.cc
// association response.
// 连接状态的查询与回复
status-code.cc
//
// The IEEE 802.11 SSID Information Element
ssid.cc
// 重要类， 定义了一系列类似于枚举变量 的浮点数列
// all Information Element IDs 代表了， 802.11 -2007 中的所有所需元素
// 例如， IE_SSID
wifi-information-element.cc
// Information element vector
wifi-information-element-vector.cc
// 所有mac协议的基类
// 封装了下层DCA, EDCA等机制。封装了各种high mac机制
wifi-mac.cc
// 不同的wifi 模式
// class RegularWifiMac : public WifiMac
// 封装了各种功能
regular-wifi-mac.cc
//
adhoc-wifi-mac.cc
// 封装了 探测， 信息队列等功能。
sta-wifi-mac.cc
// class ApWifiMac : public RegularWifiMac
// 提供了连接， 断开， 认证。等基本服务
// basic service set. BSS
ap-wifi-mac.cc
// mac层机制实现
// 重传， rts/cts探测机制
dca-txop.cc
// 分布式协同功能
dcf.cc
// trace dcf 的状态
dcf-state.cc
// Enhanced Distributed Channel Access
// edca 机制相关设置
edca-parameter-set.cc
// low mac， txop相关控制
edca-txop-n.cc
// control how a packet is transmitted.
// 封装了： 块确认，
mac-low.cc
// duplicate detection and recomposition of fragments.
mac-rx-middle.cc
// sequence numbering of IEEE 802.11 data frames
mac-tx-middle.cc
// mac header
wifi-mac-header.cc
// extern template class
// 报文排队模块，由 high mac 发送至 txop
// 记录报文开始准备发送的时间
//
wifi-mac-queue.cc
// Implements the IEEE 802.11 MAC trailer
wifi-mac-trailer.cc
// represent a single transmission mode
// 有一个int数代表。
wifi-mode.cc
// This class holds together ns3::Channel, ns3::WifiPhy,
// ns3::WifiMac, and, ns3::WifiRemoteStationManager.
wifi-net-device.cc
// 帧交换管理器
// 块确认机制
//
block-ack-agreement.cc
block-ack-cache.cc
block-ack-manager.cc
// A WiFi radio energy model.
// 物理层一般都有一个listen类
// listen类监听manager给出的信息
wifi-radio-energy-model.cc
// manager 部分
// AARF Rate control algorithm
aarfcd-wifi-manager.cc
aarf-wifi-manager.cc
// AMRR Rate control algorithm
amrr-wifi-manager.cc
// APARF Power and rate control algorithm
aparf-wifi-manager.cc
// ARF Rate control algorithm
arf-wifi-manager.cc
// Manages all block ack agreements for an originator station.
block-ack-manager.cc
// CARA rate control algorithm
cara-wifi-manager.cc
// use constant rates for data and RTS transmissions
constant-rate-wifi-manager.cc
// Manage a set of ns3::DcfState
dcf-manager.cc
// 速率控制
ideal-wifi-manager.cc
// MinstrelHt is a rate adaptation algorithm for high-throughput
minstrel-ht-wifi-manager.cc
// Minstrel Rate Control Algorithm
minstrel-wifi-manager.cc
// rate control algorithm
onoe-wifi-manager.cc
// PARF Rate control algorithm
parf-wifi-manager.cc
// Robust Rate Adaptation Algorithm
// 鲁棒性的 速率算法
rraa-wifi-manager.cc
// Tid independent remote station statistics
// A struct that holds information about each remote station.
wifi-remote-station-manager.cc
// 定义了报文类型
// 供给调用
wifi-channel.cc
// 信息发送相关信息
// 包括， txPowerDbm， power amplifier efficiency（ETA）, 电压等信息
wifi-tx-current-model.cc
// tx-vector
// 发送消息设置信息的容器之类的？
// 内部包括了 wifi 模式，前缀码
//
wifi-tx-vector.cc
// 各种噪声模型
// 802.11 PHY layer model
wifi-phy.cc
wifi-phy-state-helper.cc
wifi-phy-tag.cc
// 前缀码，The type of preamble to be used by an IEEE 802.11 transmission
// 代表不同的报文， 如：
// long， short， 初始802.11 DSSS以及802.11b中才有的概念
// HT_MF, HT_GF.
// HE_SU, HE_ER_SU
wifi-preamble.h
// The Extended Supported Rates Information Element
supported-rates.cc
// VHT is the PHY for 802.11ac/WiFi 5. So VHT refers to 802.11ac.
// The VHT Operation Information Element
vht-capabilities.cc
vht-operation.cc
// an implementation of DSSS error rate model
// DSSS: Direct sequence spread spectrum
dsss-error-rate-model.cc
dsss-parameter-set.cc
// 两种物理层
// spectrum模拟信号的频率分解的同时可以
// 在一个信道上不仅仿真wifi还可以加个蓝牙 zigbee等同频协议
spectrum-wifi-phy.cc
wifi-spectrum-phy-interface.cc
wifi-spectrum-signal-parameters.cc
// yans是基本的物理层功能，仿真的对象就是包的错误率
yans-error-rate-model.cc
yans-wifi-channel.cc
yans-wifi-phy.cc
脚本编写与简析
选取ns3的aodv.cc作为示例脚本
WifiHelper wifi;
// 设置两个助手类， 为MAC, PHY的安装提供帮助
WifiMacHelper wifiMac;
YansWifiPhyHelper wifiPhy = YansWifiPhyHelper::Default ();
// 为wifiPhy设置相关信道（yansWifiChannel）
YansWifiChannelHelper wifiChannel = YansWifiChannelHelper::Default ();
wifiPhy.SetChannel (wifiChannel.Create ());
Ssid ssid = Ssid ("wifi-default");
// 速率控制
wifi.SetRemoteStationManager ("ns3::ArfWifiManager");
// setup stas.
wifiMac.SetType ("ns3::StaWifiMac",
"Ssid", SsidValue (ssid));
staDevs = wifi.Install (wifiPhy, wifiMac, stas);
// setup ap.
wifiMac.SetType("ns3::AdhocWifiMac");
// wifi助手类提供将phy，mac相关参数绑定到节点上的函数
wifi.Install (wifiPhy, wifiMac, ap);
物理层的其他可用类如下
wifi的可用模式有AP,STA,ADHOC等， 可以用WiFiMacHelper的SetType（）函数指定
mac.setType("ns3::StaWifiMac", ...);
mac.setType("ns3::ApWifiMac", ...);
mac.setType("ns3::AdhocWifiMac", ...);
设置协议栈。该过程指定路由协以及相关的IP地址
// 协议栈
NS_LOG_INFO("STACK INSTALL");
AodvHelper aodv;
// you can configure AODV attributes here using aodv.Set(name, value)
InternetStackHelper stack;
stack.SetRoutingHelper(aodv); // has effect on the next Install ()
stack.Install(nodes);
// ip地址分配
Ipv4AddressHelper address;
address.SetBase("10.0.0.0", "255.0.0.0");
// 如果想要更加灵活的分配地址，可以使用迭代器对devices中的所有元素进行单独操作
interfaces = address.Assign(devices);
应用层协议
NS_LOG_INFO("APP INSTALL");
// 指定了ping的对象
V4PingHelper ping(interfaces.GetAddress(size - 1));\
// 所有helper都有类似的对于typeid中参数设置的成员函数
ping.SetAttribute("Verbose", BooleanValue(true));
// 该部分设置了ping程序的执行方
ApplicationContainer p = ping.Install(nodes.Get(0));
p.Start(Seconds(0));
p.Stop(Seconds(totalTime) - Seconds(0.001));
参考文献
[1] 周迪之.开源网络模拟器ns3架构与实践[M].机械工业出版社,2018,115128