ns-3离散事件仿真引擎实现分析
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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