NS3：FlowMonitor设计讲解

各有关类的描述与说明
FlowMonitor模块详解
- 模块描述
- 设计
- 适用范围和限制
- 用例
- 有关助手
- 属性设置
- 有关输出
- 协议的代表含义(TCP/UDP， AODV/OLSR)
- 已经有的使用的例子
- 故障排除
- - ns-3.34/examples/matrix-topology/matrix-topology.cc 出现 indefined reference
示例代码
FlowMonitor实例的分析文件：manet-routing-compare.cc
用flowmonitor中的不同端口统计业务信息（用户数据）和路由控制信息（路由开销）
参考文件

各有关类的描述与说明

每个仿真只有一个FlowMonitor(后面会做详细解释)
每个仿真只有一个FlowClassifier
- 每个流分配唯一的整数标识
- 包含映射参数的分类方法（例如，分组或分组报头）到相应的流标识符;
- FlowClassifier是抽象的，需要一个具体的子类
  
  Ipv4FlowClassifier
通常（但不一定）一个节点上一个流探针FlowProbe
- 负责获取分组数据
- 与FlowClassifier合作
- FlowProbe是抽象的，需要一个具体的子类
  
  Ipv4FlowProbe
  - Ipv4FlowProbe需要一个匹配的分类器 Ipv4FlowClassifier
每个FlowProbe的每个模拟流程对应一个ProbeFlowStats对象来统计从第一次探测直到此时探测中接收到数据包的信息
- 按FlowId索引
- 字节数
- 分组数
- 延时
每个FlowMonitor的每个流对应一个EndToEndFlowStats，记录了
- 丢包数
- 丢字节数
- 总字节数
- 总包数
- 端到端延时

FlowMonitor模块详解

模块描述

Flow Monitor模块的目标是提供一个灵活的系统来衡量网络协议的性能。该模块使用安装在网络节点中的探针来跟踪节点交换的数据包，并进行测量一些参数。数据包根据它们所属的流进行划分，其中每个流根据探测器的特征定义（例如，对于IP包，数据被定义为五元组）

协议
源IP
源端口
目的IP
目的端口

收集每个流的统计信息可以以XML格式导出。此外，用户可以直接访问探针以请求关于每个流的特定统计数据。

设计

Flow Monitor模块采用模块化设计。它可以通过继承ns3 :: FlowProbe和ns3 :: FlowClassifier进行扩展。[FlowMonitor ]中描述了完整的模块设计。

适用范围和限制

目前，探针和分类器可用于IPv4和IPv6，每个探针将对分组进行跟踪和分类：

发送数据包 (SendOutgoing IPv[4,6] 跟踪)
转发数据包 (UnicastForward IPv[4,6] 跟踪)
收到数据包 (LocalDeliver IPv[4,6] 跟踪)
丢弃数据包(Drop IPv[4,6] 跟踪)

有关标签ns3::Ipv[4,6]FlowProbeTag将被添加到数据包中，基本数据包的数据将携带标签传输，这样可对数据包进行分类。

注意：因为在IP级别跟踪分组，探针将L4协议（例如，TCP）引起的重传作为新分组; 目前只对L4（TCP，UDP）数据包分类；只有单播数据包将被分类，这些限制可能在将来被删除。

为每个流收集的数据是：

timeFirstTxPacket: 传输流中第一个数据包时的时间
timeLastTxPacket:传输流中最后一个数据包时的时间
timeFirstRxPacket:端节点接收到流中的第一个数据包的时间;
timeLastRxPacket: 收到流中的最后一个数据包的时间
delaySum: 所有收到的流数据包的所有端到端延迟的总和;
jitterSum:所有接收到的流数据包的所有端到端延迟抖动（延迟变化）值的总和，参考文档：rfc：3393;
txBytes, txPackets: 流的传输字节/数据包总数;
rxBytes, rxPackets: 流的接收字节/数据包总数;
lostPackets: 假设丢失的数据包总数（未报告超过10秒）;
timesForwarded: 报告转发数据包的次数;
delayHistogram, jitterHistogram, packetSizeHistogram: 延迟，抖动和数据包大小的直方图
packetsDropped, bytesDropped: 丢失的数据包和字节数，根据丢失原因代码（在探测中定义）进行划分。

注意：探针测量的是包括IP头的包字节，L2标头有关信息不包含在度量范围内。

用例

用法::

 // Flow monitorPtr<FlowMonitor> flowMonitor;FlowMonitorHelper flowHelper;flowMonitor = flowHelper.InstallAll();Simulator::Stop (Seconds(stop_time));Simulator::Run ();flowMonitor->SerializeToXmlFile("NameOfFile.xml", true, true);

SerializeToXmlFile（）第二第三个参数分别用于激活/停用直方图和每探针详细统计数据，其他可能的替代方案可以在Doxygen文档中找到。

有关助手

助手类：ns3 :: FlowMonitorHelper 在main中只实例化一次
此外助手API遵循普通助手的模式使用。通过帮助程序，您可以在节点中安装监视器，设置监视器属性并打印统计信息。

属性设置

ns3::FlowMonitor 类中有一下属性：

MaxPerHopDelay (Time, default 10s): 应考虑的最大每跳延迟;
StartTime (Time, default 0s): 监控开始的时间;
DelayBinWidth (double, default 0.001): 延迟直方图中使用的宽度;
JitterBinWidth (double, default 0.001): 抖动直方图中使用的宽度;
PacketSizeBinWidth (double, default 20.0): 分组直方图中使用的宽度;
FlowInterruptionsBinWidth (double, default 0.25): 流终端直方图中使用的宽度;
FlowInterruptionsMinTime (double, default 0.5): 最小到达间隔时间被视为流量中断。

有关输出

主要的输出是关于流统计信息的XML格式的报告。一个例子是::

  <?xml version="1.0" ?><FlowMonitor><FlowStats><Flow flowId="1" timeFirstTxPacket="+0.0ns" timeFirstRxPacket="+20067198.0ns" timeLastTxPacket="+2235764408.0ns" timeLastRxPacket="+2255831606.0ns" delaySum="+138731526300.0ns" jitterSum="+1849692150.0ns" lastDelay="+20067198.0ns" txBytes="2149400" rxBytes="2149400" txPackets="3735" rxPackets="3735" lostPackets="0" timesForwarded="7466"></Flow></FlowStats><Ipv4FlowClassifier><Flow flowId="1" sourceAddress="10.1.3.1" destinationAddress="10.1.2.2" protocol="6" sourcePort="49153" destinationPort="50000" /></Ipv4FlowClassifier><Ipv6FlowClassifier></Ipv6FlowClassifier><FlowProbes><FlowProbe index="0"><FlowStats  flowId="1" packets="3735" bytes="2149400" delayFromFirstProbeSum="+0.0ns" ></FlowStats></FlowProbe><FlowProbe index="2"><FlowStats  flowId="1" packets="7466" bytes="2224020" delayFromFirstProbeSum="+199415389258.0ns" ></FlowStats></FlowProbe><FlowProbe index="4"><FlowStats  flowId="1" packets="3735" bytes="2149400" delayFromFirstProbeSum="+138731526300.0ns" ></FlowStats></FlowProbe></FlowProbes></FlowMonitor>

输出是由从10.1.3.1到10.1.2.2的TCP流生成的。

协议的代表含义(TCP/UDP， AODV/OLSR)

protocol=“6” 代表TCP
protocol=“17” 代表UDP
对于协议的 Port：654 代表 AODV ； 698 OLSR

值得注意的是，索引2探测器报告的数据包和其他探测器的字节数更多。
这是一种完全正常的行为，因为数据包在该节点的IP级别被分段。

还应该观察到接收节点的探测（索引4）不计算片段，因为重组在探测点之前完成。

已经有的使用的例子

src/flow-monitor/examples
此外，以下示例使用流量监视器的模块：

examples/matrix-topology/matrix-topology.cc
examples/routing/manet-routing-compare.cc
examples/routing/simple-global-routing.cc
examples/tcp/tcp-variants-comparison.cc
examples/wireless/multirate.cc
examples/wireless/wifi-hidden-terminal.cc

故障排除

不要在模拟中定义多个：ns3 :: FlowMonitorHelper

ns-3.34/examples/matrix-topology/matrix-topology.cc 出现 indefined reference

build/../examples/matrix-topology/matrix-topology.cc:297：对‘ns3::FlowMonitorHelper::FlowMonitorHelper()’未定义的引用
build/../examples/matrix-topology/matrix-topology.cc:298：对‘ns3::FlowMonitorHelper::InstallAll()’未定义的引用
build/../examples/matrix-topology/matrix-topology.cc:307：对‘ns3::FlowMonitor::SerializeToXmlFile(std::__cxx11::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >, bool, bool)’未定义的引用
build/../examples/matrix-topology/matrix-topology.cc:297：对‘ns3::FlowMonitorHelper::~FlowMonitorHelper()’未定义的引用
build/../examples/matrix-topology/matrix-topology.cc:297：对‘ns3::FlowMonitorHelper::~FlowMonitorHelper()’未定义的引用

引入头文件：

#include "ns3/flow-monitor-module.h"
//#include "ns3/flow-monitor.h"
//#include "ns3/flow-monitor-helper.h"

在example/matrix-topology/wscript 修改：

def build(bld):obj = bld.create_ns3_program('matrix-topology',['network', 'internet', 'netanim', 'point-to-point', 'mobility', 'applications','flow-monitor'])obj.source = 'matrix-topology.cc'

示例代码

代码可直接查看这篇ns3利用FlowMonitor进行网络性能分析

FlowMonitor实例的分析文件：manet-routing-compare.cc

#include "ns3/flow-monitor-helper.h" //头文件加上

Ptr<FlowMonitor> flowmon;FlowMonitorHelper flowmonHelper;flowmon = flowmonHelper.InstallAll ();NS_LOG_INFO ("Run Simulation.");CheckThroughput ();Simulator::Stop (Seconds (TotalTime));Simulator::Run ();flowmon->SerializeToXmlFile ((tr_name + ".flowmon").c_str(), false, false);// flowmon->SerializeToXmlFile ((tr_name + "HestandProbes.flowmon").c_str(), true, true);// 开启每个probe和直方图Simulator::Destroy ();
}

同时在FlowMonitor模块的example下面有：
wifi-olsr-flowmon.py 用python运行协议是UPD+OLSR
那么还有一个生成的xml文件的解析的 flowmon-parse-results.py 里面可以看到解析的 6: ‘TCP’, 17: ‘UDP’

from __future__ import division
import sys
import os
try:from xml.etree import cElementTree as ElementTree
except ImportError:from xml.etree import ElementTreedef parse_time_ns(tm):if tm.endswith('ns'):return float(tm[:-2])raise ValueError(tm)## FiveTuple
class FiveTuple(object):## class variables## @var sourceAddress #  source address## @var destinationAddress #  destination address## @var protocol #  network protocol## @var sourcePort #  source port## @var destinationPort #  destination port## @var __slots_ #  class variable list__slots_ = ['sourceAddress', 'destinationAddress', 'protocol', 'sourcePort', 'destinationPort']def __init__(self, el):'''! The initializer.@param self The object pointer.@param el The element.'''self.sourceAddress = el.get('sourceAddress')self.destinationAddress = el.get('destinationAddress')self.sourcePort = int(el.get('sourcePort'))self.destinationPort = int(el.get('destinationPort'))self.protocol = int(el.get('protocol'))## Histogram
class Histogram(object):## class variables## @var bins#  histogram bins## @var nbins#  number of bins## @var number_of_flows#  number of flows## @var __slots_#  class variable list__slots_ = 'bins', 'nbins', 'number_of_flows'def __init__(self, el=None):'''! The initializer.@param self The object pointer.@param el The element.'''self.bins = []if el is not None:#self.nbins = int(el.get('nBins'))for bin in el.findall('bin'):self.bins.append( (float(bin.get("start")), float(bin.get("width")), int(bin.get("count"))) )## Flow
class Flow(object):## class variables## @var flowId#  delay ID## @var delayMean#  mean delay## @var packetLossRatio#  packet loss ratio## @var rxBitrate#  receive bit rate## @var txBitrate#  transmit bit rate## @var fiveTuple#  five tuple## @var packetSizeMean#  packet size mean## @var probe_stats_unsorted#  unsirted probe stats## @var hopCount#  hop count## @var flowInterruptionsHistogram#  flow histogram## @var rx_duration#  receive duration## @var __slots_#  class variable list__slots_ = ['flowId', 'delayMean', 'packetLossRatio', 'rxBitrate', 'txBitrate','fiveTuple', 'packetSizeMean', 'probe_stats_unsorted','hopCount', 'flowInterruptionsHistogram', 'rx_duration']def __init__(self, flow_el):'''! The initializer.@param self The object pointer.@param flow_el The element.'''self.flowId = int(flow_el.get('flowId'))rxPackets = float(flow_el.get('rxPackets'))txPackets = float(flow_el.get('txPackets'))tx_duration = (parse_time_ns (flow_el.get('timeLastTxPacket')) - parse_time_ns(flow_el.get('timeFirstTxPacket')))*1e-9rx_duration = (parse_time_ns (flow_el.get('timeLastRxPacket')) - parse_time_ns(flow_el.get('timeFirstRxPacket')))*1e-9self.rx_duration = rx_durationself.probe_stats_unsorted = []if rxPackets:self.hopCount = float(flow_el.get('timesForwarded')) / rxPackets + 1else:self.hopCount = -1000if rxPackets:self.delayMean = float(flow_el.get('delaySum')[:-2]) / rxPackets * 1e-9self.packetSizeMean = float(flow_el.get('rxBytes')) / rxPacketselse:self.delayMean = Noneself.packetSizeMean = Noneif rx_duration > 0:self.rxBitrate = float(flow_el.get('rxBytes'))*8 / rx_durationelse:self.rxBitrate = Noneif tx_duration > 0:self.txBitrate = float(flow_el.get('txBytes'))*8 / tx_durationelse:self.txBitrate = Nonelost = float(flow_el.get('lostPackets'))#print "rxBytes: %s; txPackets: %s; rxPackets: %s; lostPackets: %s" % (flow_el.get('rxBytes'), txPackets, rxPackets, lost)if rxPackets == 0:self.packetLossRatio = Noneelse:self.packetLossRatio = (lost / (rxPackets + lost))interrupt_hist_elem = flow_el.find("flowInterruptionsHistogram")if interrupt_hist_elem is None:self.flowInterruptionsHistogram = Noneelse:self.flowInterruptionsHistogram = Histogram(interrupt_hist_elem)## ProbeFlowStats
class ProbeFlowStats(object):## class variables## @var probeId#  probe ID## @var packets#  network packets## @var bytes#  bytes## @var delayFromFirstProbe#  delay from first probe## @var __slots_#  class variable list__slots_ = ['probeId', 'packets', 'bytes', 'delayFromFirstProbe']## Simulation
class Simulation(object):## class variables## @var flows#  list of flowsdef __init__(self, simulation_el):'''! The initializer.@param self The object pointer.@param simulation_el The element.'''self.flows = []FlowClassifier_el, = simulation_el.findall("Ipv4FlowClassifier")flow_map = {}for flow_el in simulation_el.findall("FlowStats/Flow"):flow = Flow(flow_el)flow_map[flow.flowId] = flowself.flows.append(flow)for flow_cls in FlowClassifier_el.findall("Flow"):flowId = int(flow_cls.get('flowId'))flow_map[flowId].fiveTuple = FiveTuple(flow_cls)for probe_elem in simulation_el.findall("FlowProbes/FlowProbe"):probeId = int(probe_elem.get('index'))for stats in probe_elem.findall("FlowStats"):flowId = int(stats.get('flowId'))s = ProbeFlowStats()s.packets = int(stats.get('packets'))s.bytes = float(stats.get('bytes'))s.probeId = probeIdif s.packets > 0:s.delayFromFirstProbe =  parse_time_ns(stats.get('delayFromFirstProbeSum')) / float(s.packets)else:s.delayFromFirstProbe = 0flow_map[flowId].probe_stats_unsorted.append(s)def main(argv):file_obj = open(argv[1])print("Reading XML file ", end=" ")sys.stdout.flush()        level = 0sim_list = []for event, elem in ElementTree.iterparse(file_obj, events=("start", "end")):if event == "start":level += 1if event == "end":level -= 1if level == 0 and elem.tag == 'FlowMonitor':sim = Simulation(elem)sim_list.append(sim)elem.clear() # won't need this any moresys.stdout.write(".")sys.stdout.flush()print(" done.")for sim in sim_list:for flow in sim.flows:t = flow.fiveTupleproto = {6: 'TCP', 17: 'UDP'} [t.protocol]print("FlowID: %i (%s %s/%s --> %s/%i)" % \(flow.flowId, proto, t.sourceAddress, t.sourcePort, t.destinationAddress, t.destinationPort))if flow.txBitrate is None:print("\tTX bitrate: None")else:print("\tTX bitrate: %.2f kbit/s" % (flow.txBitrate*1e-3,))if flow.rxBitrate is None:print("\tRX bitrate: None")else:print("\tRX bitrate: %.2f kbit/s" % (flow.rxBitrate*1e-3,))if flow.delayMean is None:print("\tMean Delay: None")else:print("\tMean Delay: %.2f ms" % (flow.delayMean*1e3,))if flow.packetLossRatio is None:print("\tPacket Loss Ratio: None")else:print("\tPacket Loss Ratio: %.2f %%" % (flow.packetLossRatio*100))if __name__ == '__main__':main(sys.argv)

处理xml

如我用协议AODV的话 Port就是 654

还有一个例子，模拟业务流量的时候用的是端口9，这里 Port 9是服务器端口，客户端和服务器之间的区分在于客户端是请求应用的发起者，然后服务器朝着客户端发送data（实际的业务payload）信息。（当然客户端也会向服务端发些信息这都没有问题）

用flowmonitor中的不同端口统计业务信息（用户数据）和路由控制信息（路由开销）

从上面的分析可以知道，OLSR，AODV的协议包走的端口如 698/654,而应用数据的端口为9.这里就可以区分网络层的数据包和
协议开销包了。如这里所示：

flowId = “2”的流，服务器端口是9，客户端向远方服务器9端口发起，目的端口就是9，从上面的关键图可以看出，客户端sourceAddress 10.1.1.11 从本地的 49153端口，向服务器destination的10.1.1.1的 9端口发送走，UDP（17）协议。

flowId = “557”的流，是客户端sourceAddress 10.1.1.11 从本地的 654 端口，向中间节点的10.1.1.2的 654端口(AODV协议) ，通过 UDP（17）进行路由交互，如路由建立路由发现等。

明白了这一点处理xml文件就可以根据不同端口号区分所发送的信息是 data还是控制message，是UDP还是TCP。加上端口判断即可，这里大家可自行修改 flowmon-parse-results.py。以进行更加可信的分析。

数据业务端口配置注意用户socket配置的是9端口。

RoutingExperiment::RoutingExperiment (): port (9),····
}
····
Ptr<Socket>
RoutingExperiment::SetupPacketReceive (Ipv4Address addr, Ptr<Node> node)
{TypeId tid = TypeId::LookupByName ("ns3::UdpSocketFactory");Ptr<Socket> sink = Socket::CreateSocket (node, tid);InetSocketAddress local = InetSocketAddress (addr, port);sink->Bind (local);sink->SetRecvCallback (MakeCallback (&RoutingExperiment::ReceivePacket, this));return sink;
}············Ipv4AddressHelper addressAdhoc;addressAdhoc.SetBase ("10.1.1.0", "255.255.255.0");Ipv4InterfaceContainer adhocInterfaces;adhocInterfaces = addressAdhoc.Assign (adhocDevices);OnOffHelper onoff1 ("ns3::UdpSocketFactory",Address ());onoff1.SetAttribute ("OnTime", StringValue ("ns3::ConstantRandomVariable[Constant=1.0]"));onoff1.SetAttribute ("OffTime", StringValue ("ns3::ConstantRandomVariable[Constant=0.0]"));for (int i = 0; i < nSinks; i++){Ptr<Socket> sink = SetupPacketReceive (adhocInterfaces.GetAddress (i), adhocNodes.Get (i));AddressValue remoteAddress (InetSocketAddress (adhocInterfaces.GetAddress (i), port));onoff1.SetAttribute ("Remote", remoteAddress);Ptr<UniformRandomVariable> var = CreateObject<UniformRandomVariable> ();ApplicationContainer temp = onoff1.Install (adhocNodes.Get (i + nSinks));temp.Start (Seconds (var->GetValue (100.0,101.0)));temp.Stop (Seconds (TotalTime));}

参考文件

[FlowMonitor] G. Carneiro, P. Fortuna, and M. Ricardo. 2009. FlowMonitor: a network monitoring framework for the network simulator 3 (NS-3). In Proceedings of the Fourth International ICST Conference on Performance Evaluation Methodologies and Tools (VALUETOOLS '09).

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协议的代表含义(TCP/UDP， AODV/OLSR)

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故障排除

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