修正履歴
- 2017/02/11: コマンドラインやNSCに関する誤記を修正．NetAnimのgifアニメを追加．新シナリオスクリプトの作成および実行方法を追加．
- 2017/02/13: シナリオスクリプトを実行する≒ネットワークシミュレーション，である旨を追記．
1. はじめに
ネットワークシミュレーションとは，文字通り，通信ネットワークをPC上で模擬して，性能や動作を評価することです．有料・無料のもの含め，たくさんのネットワークシミュレータが存在するみたいですが，今回は無料かつオープンソースのns-3をインストールし，NetAnimのexampleスクリプトで遊んでみます．
2. ns-3 (Network Simulator 3)
ns-3は，オープンソースの離散事象ネットワークシミュレータです．研究や教育用途での使用を目的に開発されています．なお本記事では，2017/2/4時点の最新版である，ns-3.26を想定します．
3. 環境構築
3.1 環境
- OS: Ubuntu 14.04 LTS, 64bit
- Memory: 15.6GiB
- Processor: Intel Core i7-5820K CPU @3.30GHz*12
他のLinuxディストリビューションや，Windowsや，Macへのインストール方法は，公式インストールガイドをご参照ください．
3.2 パッケージの準備
公式インストールガイドを見ながら，必要なパッケージを準備します．
$ apt-get install gcc g++ python # c++
$ apt-get install gcc g++ python python-dev # python
$ apt-get install qt4-dev-tools libqt4-dev # qt4 development tools (netanimに必要だそうです）
$ apt-get install mercurial # mercurial
$ apt-get install bzr # python bindings
$ apt-get install gdb valgrind # debugging
$ apt-get install gsl-bin libgsl0-dev libgsl0ldbl # GNU Scientific Library (GSL) for Wifi error models
$ apt-get install flex bison libfl-dev # for Network Simulation Cradle (nsc)
$ apt-get install tcpdump # read pcap files
$ apt-get install sqlite sqlite3 libsqlite3-dev # database support for statistics framework
$ apt-get install libxml2 libxml2-dev # xml-based version
$ apt-get install libgtk2.0-0 libgtk2.0-dev # a GTK-based configuration system
$ apt-get install vtun lxc # virtual machines
$ apt-get install uncrustify # support for utils/check-style.py
$ apt-get install doxygen graphviz imagemagick # doxygen
$ apt-get install texlive texlive-extra-utils texlive-latex-extra texlive-font-utils texlive-lang-portuguese dvipng # doxygen
$ apt-get install python-sphinx dia # ns3-manual and tutorial written by them
3.3 インストール
Bakeという便利ツールを利用して，ns-3をインストールします．なお，以降は新規ディレクトリ~/ns-3.26配下にインストールする前提で話を進めます．
まずは，Bake自体をインストールします．Python2.6以上とmercurialが必要みたいです．
$ mkdir ns-3.26 #ns-3用ディレクトリを作成
$ cd ns-3.26 #ns-3用ディレクトリに移動
$ hg clone http://code.nsnam.org/bake #Bakeを入手
BakeにPATHを通します．
$ export BAKE_HOME=`pwd`/bake
$ export PATH=$PATH:$BAKE_HOME
$ export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:$BAKE_HOME
ns-3インストールに必要なパッケージに漏れがないか，確認します．次のように出力されたらおけです．
$ bake.py check
> Python - OK
> GNU C++ compiler - OK
> Mercurial - OK
> CVS - OK
> GIT - OK
> Bazaar - OK
> Tar tool - OK
> Unzip tool - OK
> Unrar tool - OK
> 7z data compression utility - OK
> XZ data compression utility - OK
> Make - OK
> cMake - OK
> patch tool - OK
> autoreconf tool - OK
> Path searched for tools: /usr/lib64/qt-3.3/bin
/usr/lib64/ccache /usr/local/bin /usr/bin/bin/usr/local/sbin /usr/sbin．
/sbin /user/dcamara/home/scripts/user/dcamara/home/INRIA/Programs/bin
/user/dcamara/home/INRIA/repos/llvm/build/Debug+Asserts/bin
うちの環境では，CVSとUnrar toolと7z data compression utilityが足りないと怒られました．
$ bake.py check
...
> CVS - is missing
...
> Unrar tool - is missing
> 7z data compression utility - is missing
...
google先生に相談したところ，下記で解決できました．
$ apt-get install cvs #CVS
$ apt-get install unrar #Unrar
$ apt-get install p7zip-full p7zip-rar #7z
Bakeに，欲しいns-3のバージョンを設定します．公式スタートガイドによると，必要に応じて，下記のいずれかのオプションを選択できるようです．
ns-3.26ns-3-devns-allinone-3.26ns-allinone-3
OpenFlowや，Network Simulation Cradleを使ってみたいので，全部入りのns-allinone-3.26を選択します．
$ bake.py configure -e ns-allinone-3.26
追加されたモジュールや，システム要件等を確認してみます．
$ bake.py show
module: setuptools (enabled)
No dependencies!
module: pygoocanvas (enabled)
No dependencies!
module: pygraphviz (enabled)
No dependencies!
module: python-dev (enabled)
No dependencies!
module: gccxml-ns3 (enabled)
No dependencies!
module: libxml2-dev (enabled)
No dependencies!
module: click-ns-3.25 (enabled)
No dependencies!
module: BRITE (enabled)
No dependencies!
module: qt4 (enabled)
No dependencies!
module: nsc-0.5.3 (enabled)
No dependencies!
module: g++ (enabled)
No dependencies!
module: pyviz-prerequisites (enabled)
depends on:
python-dev (optional:True)
pygraphviz (optional:True)
pygoocanvas (optional:True)
module: pygccxml-1.0.0 (enabled)
depends on:
gccxml-ns3 (optional:False)
setuptools (optional:False)
module: pygccxml (enabled)
depends on:
gccxml-ns3 (optional:False)
setuptools (optional:False)
module: openflow-ns-3.25 (enabled)
depends on:
libxml2-dev (optional:False)
module: netanim-3.107 (enabled)
depends on:
qt4 (optional:False)
g++ (optional:False)
module: pybindgen-0.17.0.post57+nga6376f2 (enabled)
depends on:
pygccxml (optional:True)
python-dev (optional:True)
setuptools (optional:False)
module: ns-3.26 (enabled)
depends on:
netanim-3.107 (optional:True)
pybindgen-0.17.0.post57+nga6376f2 (optional:True)
pyviz-prerequisites (optional:True)
module: ns-allinone-3.26 (enabled)
depends on:
netanim-3.107 (optional:True)
nsc-0.5.3 (optional:True)
pybindgen-0.17.0.post57+nga6376f2 (optional:True)
pyviz-prerequisites (optional:True)
click-ns-3.25 (optional:True)
openflow-ns-3.25 (optional:True)
pygccxml-1.0.0 (optional:True)
gccxml-ns3 (optional:True)
BRITE (optional:True)
ns-3.26 (optional:False)
-- System Dependencies --
> g++ - OK
> libxml2-dev - OK
> pygoocanvas - OK
> pygraphviz - OK
> python-dev - OK
> qt4 - OK
> setuptools - OK
なんだかよさ気なので，進みます．
$ bake.py deploy
$ bake.py download
$ bake.py build
これでns-3のビルド完了です．ns-3公式チュートリアルによると，bake.pyは内部でwafというビルドツールを呼び出しているようです．設定を色々変更してビルドしたい場合は，下記のようにすれば良いみたいです（よくわかってない）．
$ cd ~/ns-3.26/source/ns-3.26
$ ./waf clean # clean the project
$ ./waf -d debug --enable-examples --enable-tests configure # 設定例）デバッグ版，exampleおよびtest有効化
$ ./waf # ビルド
詳細は，ns-3公式チュートリアルや，下記ヘルプをご参照ください．
$ ./waf --help
3.4 Test
ns-3公式チュートリアルに従い，ns-3のunit testを行います．
$ cd ~/ns-3.26/source/ns-3.26
$ ./test.py -c core
Waf: Entering directory `~/ns-3.26/source/ns-3.26/build'
Waf: Leaving directory `~/ns-3.26/source/ns-3.26/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (0.426s)
Modules built:
antenna aodv applications
bridge brite (no Python) buildings
click 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
wave wifi wimax
Modules not built (see ns-3 tutorial for explanation):
openflow visualizer
PASS: TestSuite object-name-service
PASS: TestSuite ptr
...
PASS: TestSuite lte-frequency-reuse
235 of 235 tests passed (235 passed, 0 skipped, 0 failed, 0 crashed, 0 valgrind errors)
問題なさそうです．
3.5 Hello Simulator!
それでは，初シナリオスクリプトを実行します．ns-3では，./waf --run <シナリオスクリプト名>でシナリオを実行します．
$ ./waf --run hello-simulator
下記のように表示されたら，ひとまず環境構築完了です．お疲れ様でした．
Hello Simulator
4. 実験
ns-3では，シナリオスクリプトと呼ばれる.ccファイルを（作成・修正・）実行することで，ネットワークシミュレーションを行います．
3.3節の./waf configureで--enable-examplesを指定することで，src/*/example/配下の全てのシナリオスクリプトを呼び出し可能になります．本記事では，見た目が派手なnetanimモジュール（src/netanim/example）を動かしてみます．NetAnimとは，シナリオスクリプトを実行する際に生成されるトレースファイルを利用して，アニメーションを表示するためのツールです．詳しい使い方は，ns3教科書もご参照ください．
また，既存のシナリオスクリプトのバグ修正を通し，新たなシナリオスクリプトの作成方法についてご紹介します．
シナリオスクリプトの中身の解説は別途…．
4.1 既存のシナリオスクリプト（dumbbell-animation.cc）の実行
~/ns-3.26/source/ns-3.26に移動し，下記のコマンドで，dumbbell-animation.ccを実行します．（.ccがつかないことにご注意ください．）実行後，dumbbell-animation.xmlが生成されます．
$ ./waf --run dumbbell-animation
次に，NetAnimを起動します．
$ cd ~/ns-3.26/source/netanim-3.107
$ ./NetAnim
GUIの左上のOpen XML trace fileをクリックし，先ほどのdumbbell-animation.xmlを選択します．Play animationをクリックすると，アニメーションが始まります．
4.2 コマンドライン引数
シナリオスクリプト中でCommandLine.AddValue()された引数は，run時に値を渡すことができます．例えば，dumbbell-animation.ccは，次のコマンドライン引数を用意しています．
CommandLine cmd;
cmd.AddValue ("nLeftLeaf", "Number of left side leaf nodes", nLeftLeaf);
cmd.AddValue ("nRightLeaf","Number of right side leaf nodes", nRightLeaf);
cmd.AddValue ("nLeaf", "Number of left and right side leaf nodes", nLeaf);
cmd.AddValue ("animFile", "File Name for Animation Output", animFile);
nLeftLeafはダンベルの左側のノード数を指定する変数（デフォルトは5），nRightLeafはダンベルの右側のノード数を指定する変数（デフォルトは5），nLeafはダンベルの左右のノード数を一度に指定する変数（デフォルトは0），そしてanimFileは出力する.xmlファイルの名前を指定する変数（デフォルトはdumbbell-animation.xml）です．次のように指定可能です．シナリオスクリプト名からコマンドライン引数まで""で囲っていることに注意してください．
$ ./waf --run "dumbbell-animation --nLeaf=2"
左右のノード数が２つになりました．
4.3 新シナリオスクリプト（my-dumbbell-animation.cc）の作成と実行
dumbbell-animation.ccのバグを見つけたので，修正します．良い機会なので，新シナリオスクリプトの作成および実行方法をご紹介します．
$ ./waf --run "dumbbell-animation --nLeftLeaf=2"
Waf: Entering directory '~/ns-3.26/source/ns-3.26/build'
Waf: Leaving directory '~/ns-3.26/source/ns-3.26/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (2.154s)
Command ['~/ns-3.26/source/ns-3.26/build/src/netanim/examples/ns3.26-dumbbell-animation-debug', '--nLeftLeaf=2'] terminated with signal SIGSEGV. Run it under a debugger to get more information (./waf --run <program> --command-template="gdb --args %s <args>").
上記のようにnLeftLeafをnRightLeafより小さくすると，エラーが発生します．これは，ダンベルの右側のi番目のノードから送信するパケットの宛先を設定するために，左側のi番目のノードのIPアドレスを取得する（d.GetLeftIpv4Address(i)）仕組みとなっていることが原因です．
for (uint32_t i = 0; i < d.RightCount (); ++i)
{
// Create an on/off app sending packets to the same leaf right side
AddressValue remoteAddress (InetSocketAddress (d.GetLeftIpv4Address (i), 1000));
clientHelper.SetAttribute ("Remote", remoteAddress);
clientApps.Add (clientHelper.Install (d.GetRight (i)));
}
そこで，上記のエラーに対応した新シナリオスクリプトmy-dumbbell-animation.ccを作成します．
まず，新シナリオスクリプトを，~/ns-3.26/source/ns-3.26/scratchに配置します．
$ cd ~/ns-3.26/source/ns-3.26
$ cp src/netanim/examples/dumbbell-animation.cc scratch/my-dumbbell-animation.cc
d.GetLeftIpv4Address(i)の引数を，iからi%d.LeftCount()に修正します．
for (uint32_t i = 0; i < d.RightCount (); ++i)
{
// Create an on/off app sending packets to the same leaf right side
AddressValue remoteAddress (InetSocketAddress (d.GetLeftIpv4Address (i%d.LeftCount ()), 1000));
clientHelper.SetAttribute ("Remote", remoteAddress);
clientApps.Add (clientHelper.Install (d.GetRight (i)));
}
新シナリオスクリプトを作成したら，~/ns-3.26/source/ns-3.26でwafを実行します．
$ ./waf
Waf: Entering directory '~/ns-3.26/source/ns-3.26/source/ns-3.26/build'
[ 986/2812] Compiling scratch/my-dumbbell-animation.cc
[2754/2812] Linking build/scratch/my-dumbbell-animation
Waf: Leaving directory '~/ns-3.26/source/ns-3.26/source/ns-3.26/build'
Build commands will be stored in build/compile_commands.json
'build' finished successfully (4.025s)
Modules built:
antenna aodv applications
bridge brite (no Python) buildings
click 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
wave wifi wimax
xgpon (no Python)
Modules not built (see ns-3 tutorial for explanation):
openflow visualizer
あとは，既存のシナリオスクリプトと同様に実行することができます．
$ ./waf --run "my-dumbbell-animation --nLeftLeaf=2"
左側のノード数を，右側のノード数より小さくすることができました．
5. おわりに
ひとまず，ns-3のインストールから，exampleスクリプトの実行までをまとめてみました．私自身まだまだ完全に理解していないのですが，使ってみるとネットワークの勉強になって面白いです！ただ，英語はできるだけ読みたくない私としては，銭飛先生の教科書は必須かなと思ってます．
今後は，NSC（Network Simulation Cradle）を使ったTCP/IPスタックエミュレーションだとか，tcpの輻輳制御アルゴリズムの比較だとか，そういった実験をやっていこうかなと思ってます．
参考
- A Survey of Network Simulation Tools: Current Status and Future Developments：ネットワークシミュレータの比較論文
- ns-3：ns-3公式ページ．
- ns-3-tutorial：ns-3公式チュートリアル．
- ns-3-manual：デベロッパー用ns-3公式マニュアル
- ns-3 installation instruction：ns-3公式インストールガイド
- ns-3 getting started：ns-3公式スタートガイド．
- ns3によるネットワークシミュレーション：日本語の，代表的な教科書