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NS3-虚拟网络与物理网络的交互-2 FdNetDevice文件描述符网络设备

news 2025/5/20 17:01:20

2 FdNetDevice文件描述符网络设备

1. 文件描述符网络设备（File Descriptor NetDevice）
- 1.1. 模型描述
- - 1.1.1. 设计
  - 1.1.2. 范围与限制
- 1.2. 使用指南
- - 1.2.1. 辅助类 Helpers
  - - 1.2.1.1. EmuFdNetDeviceHelper
    - 1.2.1.2. TapFdNetDeviceHelper
  - 1.2.2. 属性（Attributes）
  - 1.2.3. 输出（Output）
  - 1.2.4. 示例（Examples）

1. 文件描述符网络设备（File Descriptor NetDevice）

src/fd-net-device 模块提供了 FdNetDevice 类，它能够通过用户提供的 文件描述符（file descriptor） 读写网络流量。该文件描述符可关联到以下对象：

TAP设备
原始套接字（raw socket）
生成/消费流量的用户空间进程
用户可自由定义外部流量的生成方式及如何消费NS-3仿真流量。

通过辅助类（helper classes），可为仿真与外部流量的交互提供多种机制。目前提供两种特定辅助类：

EmuFdNetDeviceHelper：将NS-3设备与主机物理设备关联。
TapFdNetDeviceHelper：将NS-3设备与主机的TAP设备文件描述符关联。

1.1. 模型描述

本模块的源代码位于 src/fd-net-device 目录。

FdNetDevice 是一种特殊的NS-3网络设备（NetDevice），它通过文件描述符读写流量。与纯仿真网络设备（通过模拟信道收发帧）不同，FdNetDevice 将帧导向仿真外部的文件描述符。该文件描述符可关联到以下对象：

Linux TUN/TAP设备
套接字（socket）
用户空间进程

用户需自行提供文件描述符，其类型决定了所建模的设备类型。例如：

若文件描述符关联到主机无线网卡的原始套接字，则建模的是无线设备。

从设备的逻辑“顶部”向下看，该设备对仿真节点表现为：

支持48位IEEE MAC地址
可桥接、支持广播
使用IPv4 ARP或IPv6邻居发现协议
（这些属性可根据用例调整）

1.1.1. 设计

FdNetDevice 的实现基于 FdReader 类（来自NS-3的 src/core 模块）。FdReader 管理一个独立于NS-3主线程的 读取线程，用于从文件描述符读取流量。

设备启动：调用 StartDevice 方法时，初始化读取线程并启动。在此之前，必须通过 SetFileDescriptor 将文件描述符关联到 FdNetDevice。
文件描述符创建与配置：通常由辅助类完成，用户无需手动调用 SetFileDescriptor。

流量接收流程：

读取线程从文件描述符收到帧后，调用 ReceiveCallback 方法。
ReceiveCallback 将帧调度为NS-3仿真事件（使用 ScheduleWithContext 避免线程安全问题）。
若待接收帧数达到 RxQueueSize 限制，新帧将被静默丢弃。
仿真器调用 ForwardUp 方法处理帧：剥离二层头部（根据 EncapsulationMode 属性），将IP数据包传递给上层协议栈。

流量发送流程：

仿真生成的流量通过 Send 方法发送。
SendFrom 方法添加二层头部，将帧写入文件描述符。

TAP设备特殊处理：

若TAP设备未设置 IFF_NO_PI 标志，帧可能包含额外的 PI头部。
当 EncapsulationMode 设为 DIXPI 时，PI头部会被移除。

1.1.2. 范围与限制

流量控制：在仿真模式下，文件描述符接口 无流量控制。若物理设备缓冲不足，可能导致本地丢包。
接收队列限制：RxQueueSize 限制待处理帧数，超限时新帧被丢弃。
MTU设置：设备MTU默认以太网II标准值（1500字节）。辅助类应根据实际接口特性设置MTU，否则需用户手动配置。
封装模式支持：
- DIX：以太网II帧
- LLC：802.2 LLC/SNAP帧
- DIXPI：含TAP PI头部的以太网II帧
- 不支持 IEEE 802.1q（VLAN）标签。
无线设备关联：需将设备MAC地址设为真实网卡MAC地址，否则驱动会丢弃目标MAC不匹配的流量。

平台依赖与性能：

辅助类依赖：使用 EmuFdNetDeviceHelper 或 TapFdNetDeviceHelper 需启用线程、实时仿真模式及TUN/TAP支持（NS-3配置时可见）：

Threading Primitives          : enabled  
Real Time Simulator           : enabled  
Emulated Net Device           : enabled  
Tap Bridge                    : enabled

性能限制：在1Gb以太网链路上，TCP吞吐量上限约60Mbps（受测试设备处理能力限制）。

1.2. 使用指南

基础用法：

FdNetDeviceHelper fd;  
NetDeviceContainer devices = fd.Install(nodes);  // 用户手动创建并设置文件描述符  
...  
device->SetFileDescriptor(fd);

典型配置：

启用实时仿真与校验和计算：

GlobalValue::Bind("SimulatorImplementationType", StringValue("ns3::RealtimeSimulatorImpl"));  
GlobalValue::Bind("ChecksumEnabled", BooleanValue(true));

与Linux主机交互：

使用 EmuFdNetDeviceHelper 或 TapFdNetDeviceHelper 时，需通过 特权程序 创建文件描述符：
1. CreateFileDescriptor 创建本地Unix套接字并fork。
2. 子进程以root权限运行，创建原始套接字并通过Unix套接字返回文件描述符（使用 SCM_RIGHTS 控制消息）。
启用 --enable-sudo 配置选项，确保“creator”程序具有所需权限。

注意事项：

避免以root权限运行整个仿真，仅需通过辅助程序执行高权限操作。
确保文件描述符与设备MTU匹配，避免分片问题。

1.2.1. 辅助类 Helpers

1.2.1.1. EmuFdNetDeviceHelper

EmuFdNetDeviceHelper 通过 原始套接字（raw socket） 关联底层物理设备，并将套接字描述符传递给 FdNetDevice，使得 NS-3 仿真能够通过主机的物理网卡收发帧。该辅助类允许将仿真节点透明地集成到由真实节点组成的网络中。

网络拓扑示例：

+----------------------+     +-----------------------+  
|       主机 1         |     |        主机 2         |  
+----------------------+     +-----------------------+  
|   NS-3 仿真环境      |     |                       |  
+----------------------+     |      Linux 网络栈      |  
|     NS-3 节点        |     |   +----------------+  |  
|  +----------------+  |     |   |      TCP       |  |  
|  |   NS-3 TCP     |  |     |   +----------------+  |  
|  +----------------+  |     |   |       IP       |  |  
|  |   NS-3 IP      |  |     |   +----------------+  |  
|  +----------------+  |     |   |                 |  |  
|  |  FdNetDevice   |  |     |   +   以太网设备    +  |  
|  |   10.1.1.1     |  |     |   |                 |  |  
|  +----------------+  |     |   +----------------+  |  
|  |  原始套接字     |  |     |        | eth0 |       |  
|--+----------------+--|     +--------+------+-------+  
|       | eth0 |       |              |              |  
+-------+------+-------+              |              |  10.1.1.11                    10.1.1.12  |                            |  +----------------------------+

功能与特性：

取代旧版 EmuNetDevice：NS-3.17 之前版本使用 EmuNetDevice，现由 EmuFdNetDeviceHelper 统一整合至 FdNetDevice 框架。
MAC 地址欺骗：通过生成虚拟 MAC 地址（默认以 OUI 00:00:00 为前缀），隔离仿真流量与主机其他流量。
测试环境适用性：适用于需驱动真实硬件的场景，要求：
- 物理网卡启用 混杂模式。
- 禁用硬件分段与校验和卸载。

配置步骤：

设置设备名称：指定主机物理网卡（如 eth0）。
安装设备：关联到仿真节点。
分配唯一 MAC 地址：避免与真实设备冲突。

EmuFdNetDeviceHelper emu;  
emu.SetDeviceName(deviceName);          // 设置物理设备名称  
NetDeviceContainer devices = emu.Install(node);  
Ptr<NetDevice> device = devices.Get(0);  
device->SetAttribute("Address", Mac48AddressValue(Mac48Address::Allocate())); // 分配唯一MAC地址

注意事项：

物理设备需处于 混杂模式 且已启用。
若多仿真环境共用网络，需手动确保全局 MAC 地址唯一性。
大规模仿真建议通过 OUI 分配 MAC 地址。

1.2.1.2. TapFdNetDeviceHelper

TAP 设备 是 Linux 中的虚拟网络接口：

内核侧：视为普通 net_device，可配置 IP 和路由。
用户侧：以文件描述符形式暴露，供 FdNetDevice 使用。

用户侧的FdNetDevice，网络拓扑示例：

+-------------------------------------+  
|                主机                 |  
+-------------------------------------+  
|    NS-3 仿真环境      |              |  
+----------------------+              |  
|      NS-3 节点       |              |  
|  +----------------+  |              |  
|  |   NS-3 TCP     |  |              |  
|  +----------------+  |              |  
|  |   NS-3 IP      |  |              |  
|  +----------------+  |              |  
|  |  FdNetDevice   |  |    +------+  |  
|--+----------------+--+    | eth0 |  |  
|       | TAP  |            +------+  |  
|       +------+               |      |  
|     192.168.0.1              |      |  
+------------------------------|------+  |  ------------（互联网）-----

内核侧的Tap设备，网络拓扑示例：

+--------+  
| Linux  |                    +----------+  
| 主机   |                    |  影子节点 |  
| ------ |                    | (ghost)  |  
| 应用层 |                    | -------- |  
| ------ |                    |   IP协议栈|     +----------+  
| 协议栈 |                    | ==========|     |  节点    |  
| ------ |                    |  TAP桥接  |     | -------- |  
| TAP设备| <----- IPC ------> |   (tap)   |     |  IP协议栈|  
+--------+                    | -------- |     | -------- |  | NS-3网络 |     | NS-3网络 |  |  设备    |     |  设备    |  +----------+     +----------+  ||               ||  +---------------------------+  |      NS-3 通信信道        |  +---------------------------+

关键区别：

TapFdNetDeviceHelper：
- TAP设备直接连接主机网络栈，仿真流量通过主机路由转发至外部网络（如互联网）。
- 依赖主机网络配置（如IP转发、NAT等）。
TapBridge：
- 通过 进程间通信（IPC） 将TAP设备桥接到NS-3仿真中的 影子节点（ghost node）。
- 流量通过NS-3内部的 虚拟信道 传输，完全在仿真环境中处理。
- 不依赖主机网络功能，适合隔离测试。

应用场景：

若需仿真节点与主机应用（如真实Web服务器）交互，使用 TapFdNetDeviceHelper。
若需完全控制链路层行为（如测试自定义协议），使用 TapBridge。

配置示例：

TapFdNetDeviceHelper helper;  
helper.SetDeviceName(deviceName);       // 设置 TAP 设备名称  
helper.SetModePi(modePi);               // 是否启用 PI 头部  
helper.SetTapIpv4Address(tapIp);        // 设置 IPv4 地址  
helper.SetTapIpv4Mask(tapMask);         // 设置子网掩码  
...  
helper.Install(node);                   // 安装到节点

1.2.2. 属性（Attributes）

FdNetDevice 提供以下关键属性：

属性	描述
`Address`	设备的 MAC 地址（需唯一）
`Start`/`Stop`	设备线程的启动/停止时间（默认全程活跃）
`EncapsulationMode`	链路层封装格式（如 `DIX`、`LLC`、`DIXPI`）
`RxQueueSize`	文件描述符读取线程的缓冲区大小（默认 1000 包）

典型配置代码：

device->SetAttribute("Address", Mac48AddressValue(Mac48Address::Allocate()));

1.2.3. 输出（Output）

支持 ASCII 日志 和 PCAP 跟踪，启用方式类似其他 NS-3 网络设备：

EmuFdNetDeviceHelper emu;  
NetDeviceContainer devices = emu.Install(node);  
...  
emu.EnablePcap("emu-ping", device, true);  // 启用 PCAP 捕获

跟踪源（Trace Sources）：

MaxTx：NS-3 向设备发送新帧时触发。
MaxTxDrop：写入文件描述符失败时触发。
MaxPromiscRx：收到任何有效 MAC 帧时触发。
MaxRx：收到目标为本设备的有效 MAC 帧时触发。
Sniffer：非混杂模式抓包（类似 tcpdump）。
PromiscSniffer：混杂模式抓包。

1.2.4. 示例（Examples）

示例文件	功能描述
`dummy-network.cc`	通过 Unix 管道连接两个节点，测试 `FdNetDevice` 基础功能。
`realtime-dummy-network.cc`	同上，但启用实时仿真器。
`fd2fd-onoff.cc`	测量纯仿真环境下 `FdNetDevice` 的吞吐量（通过套接字对连接两个设备）。
`fd-emu-onoff.cc`	使用 `EmuFdNetDeviceHelper` 关联真实网卡，测试 TCP 饱和吞吐量。
`fd-emu-ping.cc`	通过 `EmuFdNetDeviceHelper` 发送 ICMP 流量（如 `ping`）。
`fd-emu-udp-echo.cc`	通过 `EmuFdNetDeviceHelper` 发送 UDP 流量。
`fd-tap-ping.cc`	通过 `TapFdNetDeviceHelper` 发送 ICMP 流量。