src/surf/network_ns3.cpp

   1 /* Copyright (c) 2007-2016. The SimGrid Team. All rights reserved.          */
   2
   3 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
   4  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
   5
   6 #include <unordered_set>
   7
   8 #include "xbt/config.hpp"
   9
  10 #include "ns3/core-module.h"
  11 #include "ns3/node.h"
  12
  13 #include "ns3/ns3_interface.h"
  14 #include "ns3/ns3_simulator.h"
  15 #include "network_ns3.hpp"
  16
  17 #include "simgrid/sg_config.h"
  18 #include "src/instr/instr_private.h" // TRACE_is_enabled(). FIXME: remove by subscribing tracing to the surf signals
  19 #include "src/kernel/routing/NetCard.hpp"
  20 #include "src/surf/HostImpl.hpp"
  21 #include "src/surf/surf_private.h"
  22
  23 #include "simgrid/s4u/NetZone.hpp"
  24 #include "simgrid/s4u/engine.hpp"
  25
  26 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(ns3, surf, "Logging specific to the SURF network NS3 module");
  27
  28 std::vector<char*> IPV4addr;
  29
  30 /*****************
  31  * Crude globals *
  32  *****************/
  33
  34 extern xbt_dict_t flowFromSock;
  35
  36 static ns3::InternetStackHelper stack;
  37 static ns3::NodeContainer nodes;
  38 static ns3::NodeContainer Cluster_nodes;
  39 static ns3::Ipv4InterfaceContainer interfaces;
  40
  41 static int number_of_nodes = 0;
  42 static int number_of_clusters_nodes = 0;
  43 static int number_of_links = 1;
  44 static int number_of_networks = 1;
  45 static int port_number = 1025; //Port number is limited from 1025 to 65 000
  46
  47 simgrid::xbt::Extension<simgrid::kernel::routing::NetCard, NetCardNs3> NetCardNs3::EXTENSION_ID;
  48
  49 NetCardNs3::NetCardNs3()
  50 {
  51   ns3::Ptr<ns3::Node> node = ns3::CreateObject<ns3::Node>(0);
  52   stack.Install(node);
  53   nodes.Add(node);
  54   node_num = number_of_nodes++;
  55 }
  56
  57 /*************
  58  * Callbacks *
  59  *************/
  60
  61 static void netcardCreation_cb(simgrid::kernel::routing::NetCard* netcard)
  62 {
  63   netcard->extension_set<NetCardNs3>(new NetCardNs3());
  64 }
  65
  66 static void clusterCreation_cb(sg_platf_cluster_cbarg_t cluster)
  67 {
  68   char* lat = bprintf("%fs", cluster->lat);
  69   char* bw  = bprintf("%fBps", cluster->bw);
  70
  71   for (int i : *cluster->radicals) {
  72     // Routers don't create a router on the other end of the private link by themselves.
  73     // We just need this router to be given an ID so we create a temporary NetCardNS3 so that it gets one
  74     NetCardNs3* host_dst = new NetCardNs3();
  75
  76     // Create private link
  77     char* host_id = bprintf("%s%d%s", cluster->prefix, i, cluster->suffix);
  78     NetCardNs3* host_src = sg_host_by_name(host_id)->pimpl_netcard->extension<NetCardNs3>();
  79     xbt_assert(host_src, "Cannot find a NS3 host of name %s", host_id);
  80
  81     ns3_add_link(host_src->node_num, host_dst->node_num, bw,lat);
  82
  83     delete host_dst;
  84     free(host_id);
  85   }
  86   xbt_free(lat);
  87   xbt_free(bw);
  88
  89   //Create link backbone
  90   lat = bprintf("%fs", cluster->bb_lat);
  91   bw =  bprintf("%fBps", cluster->bb_bw);
  92   ns3_add_cluster(cluster->id, bw, lat);
  93   xbt_free(lat);
  94   xbt_free(bw);
  95 }
  96
  97 static void routeCreation_cb(bool symmetrical, simgrid::kernel::routing::NetCard* src,
  98                              simgrid::kernel::routing::NetCard* dst, simgrid::kernel::routing::NetCard* gw_src,
  99                              simgrid::kernel::routing::NetCard* gw_dst, std::vector<Link*>* link_list)
 100 {
 101   if (link_list->size() == 1) {
 102     simgrid::surf::LinkNS3* link = static_cast<simgrid::surf::LinkNS3*>(link_list->at(0));
 103
 104     XBT_DEBUG("Route from '%s' to '%s' with link '%s' %s", src->cname(), dst->cname(), link->getName(),
 105               (symmetrical ? "(symmetrical)" : "(not symmetrical)"));
 106     char* link_bdw = bprintf("%fBps", link->bandwidth());
 107     char* link_lat = bprintf("%fs", link->latency());
 108
 109     //   XBT_DEBUG("src (%s), dst (%s), src_id = %d, dst_id = %d",src,dst, src_id, dst_id);
 110     XBT_DEBUG("\tLink (%s) bdw:%s lat:%s", link->getName(), link_bdw, link_lat);
 111
 112     // create link ns3
 113     NetCardNs3* host_src = src->extension<NetCardNs3>();
 114     NetCardNs3* host_dst = dst->extension<NetCardNs3>();
 115
 116     xbt_assert(host_src != nullptr, "Network element %s does not seem to be NS3-ready", src->cname());
 117     xbt_assert(host_dst != nullptr, "Network element %s does not seem to be NS3-ready", dst->cname());
 118
 119     ns3_add_link(host_src->node_num, host_dst->node_num, link_bdw, link_lat);
 120     if (symmetrical)
 121       ns3_add_link(host_dst->node_num, host_src->node_num, link_bdw, link_lat);
 122
 123     xbt_free(link_bdw);
 124     xbt_free(link_lat);
 125   }
 126 }
 127
 128 /* Create the ns3 topology based on routing strategy */
 129 static void postparse_cb(void)
 130 {
 131   IPV4addr.shrink_to_fit();
 132
 133   ns3::GlobalRouteManager::BuildGlobalRoutingDatabase();
 134   ns3::GlobalRouteManager::InitializeRoutes();
 135 }
 136
 137 /*********
 138  * Model *
 139  *********/
 140 void surf_network_model_init_NS3()
 141 {
 142   if (surf_network_model)
 143     return;
 144
 145   surf_network_model = new simgrid::surf::NetworkNS3Model();
 146   all_existing_models->push_back(surf_network_model);
 147 }
 148
 149 static simgrid::config::Flag<std::string> ns3_tcp_model("ns3/TcpModel",
 150   "The ns3 tcp model can be : NewReno or Reno or Tahoe",
 151   "default");
 152
 153 namespace simgrid {
 154 namespace surf {
 155
 156 NetworkNS3Model::NetworkNS3Model() : NetworkModel() {
 157   NetCardNs3::EXTENSION_ID = simgrid::kernel::routing::NetCard::extension_create<NetCardNs3>();
 158
 159   ns3_initialize(ns3_tcp_model.get().c_str());
 160
 161   simgrid::kernel::routing::NetCard::onCreation.connect(&netcardCreation_cb);
 162   simgrid::surf::on_cluster.connect(&clusterCreation_cb);
 163   simgrid::surf::on_postparse.connect(&postparse_cb);
 164   simgrid::s4u::NetZone::onRouteCreation.connect(&routeCreation_cb);
 165
 166   LogComponentEnable("UdpEchoClientApplication", ns3::LOG_LEVEL_INFO);
 167   LogComponentEnable("UdpEchoServerApplication", ns3::LOG_LEVEL_INFO);
 168 }
 169
 170 NetworkNS3Model::~NetworkNS3Model() {
 171   for (auto addr : IPV4addr)
 172     free(addr);
 173   IPV4addr.clear();
 174   xbt_dict_free(&flowFromSock);
 175 }
 176
 177 Link* NetworkNS3Model::createLink(const char* name, double bandwidth, double latency,
 178                                   e_surf_link_sharing_policy_t policy)
 179 {
 180   return new LinkNS3(this, name, bandwidth, latency);
 181 }
 182
 183 Action* NetworkNS3Model::communicate(s4u::Host* src, s4u::Host* dst, double size, double rate)
 184 {
 185   return new NetworkNS3Action(this, size, src, dst);
 186 }
 187
 188 double NetworkNS3Model::nextOccuringEvent(double now)
 189 {
 190   double time_to_next_flow_completion;
 191   XBT_DEBUG("ns3_next_occuring_event");
 192
 193   //get the first relevant value from the running_actions list
 194   if (!getRunningActionSet()->size() || now == 0.0)
 195     return -1.0;
 196   else
 197     do {
 198       ns3_simulator(now);
 199       time_to_next_flow_completion = ns3::Simulator::Now().GetSeconds() - surf_get_clock();
 200     } while(double_equals(time_to_next_flow_completion, 0, sg_surf_precision));
 201
 202   XBT_DEBUG("min       : %f", now);
 203   XBT_DEBUG("ns3  time : %f", ns3::Simulator::Now().GetSeconds());
 204   XBT_DEBUG("surf time : %f", surf_get_clock());
 205   XBT_DEBUG("Next completion %f :", time_to_next_flow_completion);
 206
 207   return time_to_next_flow_completion;
 208 }
 209
 210 void NetworkNS3Model::updateActionsState(double now, double delta)
 211 {
 212   static xbt_dynar_t socket_to_destroy = xbt_dynar_new(sizeof(char*),nullptr);
 213
 214   /* If there are no running flows, advance the NS3 simulator and return */
 215   if (getRunningActionSet()->empty()) {
 216
 217     while(double_positive(now - ns3::Simulator::Now().GetSeconds(), sg_surf_precision))
 218       ns3_simulator(now-ns3::Simulator::Now().GetSeconds());
 219
 220     return;
 221   }
 222
 223   xbt_dict_cursor_t cursor = nullptr;
 224   char *ns3Socket;
 225   SgFlow *sgFlow;
 226   xbt_dict_foreach(flowFromSock,cursor,ns3Socket,sgFlow){
 227     NetworkNS3Action * action = sgFlow->action_;
 228     XBT_DEBUG("Processing socket %p (action %p)",sgFlow,action);
 229     action->setRemains(action->getCost() - sgFlow->sentBytes_);
 230
 231     if (TRACE_is_enabled() &&
 232         action->getState() == Action::State::running){
 233       double data_delta_sent = sgFlow->sentBytes_ - action->lastSent_;
 234
 235       std::vector<Link*> route = std::vector<Link*>();
 236
 237       action->src_->routeTo(action->dst_, &route, nullptr);
 238       for (auto link : route)
 239         TRACE_surf_link_set_utilization (link->getName(), action->getCategory(), (data_delta_sent)/delta, now-delta, delta);
 240
 241       action->lastSent_ = sgFlow->sentBytes_;
 242     }
 243
 244     if(sgFlow->finished_){
 245       xbt_dynar_push(socket_to_destroy,&ns3Socket);
 246       XBT_DEBUG("Destroy socket %p of action %p", ns3Socket, action);
 247       action->finish();
 248       action->setState(Action::State::done);
 249     }
 250   }
 251
 252   while (!xbt_dynar_is_empty(socket_to_destroy)){
 253     xbt_dynar_pop(socket_to_destroy,&ns3Socket);
 254
 255     if (XBT_LOG_ISENABLED(ns3, xbt_log_priority_debug)) {
 256       SgFlow *flow = (SgFlow*)xbt_dict_get (flowFromSock, ns3Socket);
 257       XBT_DEBUG ("Removing socket %p of action %p", ns3Socket, flow->action_);
 258     }
 259     xbt_dict_remove(flowFromSock, ns3Socket);
 260   }
 261 }
 262
 263 /************
 264  * Resource *
 265  ************/
 266
 267 LinkNS3::LinkNS3(NetworkNS3Model* model, const char* name, double bandwidth, double latency)
 268     : Link(model, name, nullptr)
 269 {
 270   bandwidth_.peak = bandwidth;
 271   latency_.peak   = latency;
 272
 273   Link::onCreation(this);
 274 }
 275
 276 LinkNS3::~LinkNS3() = default;
 277
 278 void LinkNS3::apply_event(tmgr_trace_iterator_t event, double value)
 279 {
 280   THROW_UNIMPLEMENTED;
 281 }
 282 void LinkNS3::setBandwidthTrace(tmgr_trace_t trace) {
 283   xbt_die("The NS3 network model doesn't support bandwidth traces");
 284 }
 285 void LinkNS3::setLatencyTrace(tmgr_trace_t trace) {
 286   xbt_die("The NS3 network model doesn't support latency traces");
 287 }
 288
 289 /**********
 290  * Action *
 291  **********/
 292
 293 NetworkNS3Action::NetworkNS3Action(Model* model, double size, s4u::Host* src, s4u::Host* dst)
 294     : NetworkAction(model, size, false)
 295 {
 296   XBT_DEBUG("Communicate from %s to %s", src->cname(), dst->cname());
 297
 298   src_ = src;
 299   dst_ = dst;
 300   ns3_create_flow(src, dst, surf_get_clock(), size, this);
 301
 302   Link::onCommunicate(this, src, dst);
 303 }
 304
 305 void NetworkNS3Action::suspend() {
 306   THROW_UNIMPLEMENTED;
 307 }
 308
 309 void NetworkNS3Action::resume() {
 310   THROW_UNIMPLEMENTED;
 311 }
 312
 313   /* Test whether a flow is suspended */
 314 bool NetworkNS3Action::isSuspended()
 315 {
 316   return false;
 317 }
 318
 319 int NetworkNS3Action::unref()
 320 {
 321   refcount_--;
 322   if (!refcount_) {
 323     if (action_hook.is_linked())
 324       stateSet_->erase(stateSet_->iterator_to(*this));
 325     XBT_DEBUG ("Removing action %p", this);
 326     delete this;
 327     return 1;
 328   }
 329   return 0;
 330 }
 331
 332 }
 333 }
 334
 335 void ns3_simulator(double maxSeconds)
 336 {
 337   if (maxSeconds > 0.0) // If there is a maximum amount of time to run
 338     ns3::Simulator::Stop(ns3::Seconds(maxSeconds));
 339   XBT_DEBUG("Start simulator for at most %fs (current time: %f)", maxSeconds, surf_get_clock());
 340   ns3::Simulator::Run ();
 341 }
 342
 343 void ns3_create_flow(simgrid::s4u::Host* src, simgrid::s4u::Host* dst, double startTime, u_int32_t TotalBytes,
 344                      simgrid::surf::NetworkNS3Action* action)
 345 {
 346   int node1 = src->pimpl_netcard->extension<NetCardNs3>()->node_num;
 347   int node2 = dst->pimpl_netcard->extension<NetCardNs3>()->node_num;
 348
 349   ns3::Ptr<ns3::Node> src_node = nodes.Get(node1);
 350   ns3::Ptr<ns3::Node> dst_node = nodes.Get(node2);
 351
 352   char* addr = IPV4addr.at(node2);
 353
 354   XBT_DEBUG("ns3_create_flow %d Bytes from %d to %d with Interface %s",TotalBytes, node1, node2,addr);
 355   ns3::PacketSinkHelper sink("ns3::TcpSocketFactory", ns3::InetSocketAddress (ns3::Ipv4Address::GetAny(), port_number));
 356   sink.Install (dst_node);
 357
 358   ns3::Ptr<ns3::Socket> sock = ns3::Socket::CreateSocket (src_node, ns3::TcpSocketFactory::GetTypeId());
 359
 360   xbt_dict_set(flowFromSock, transformSocketPtr(sock), new SgFlow(TotalBytes, action), nullptr);
 361
 362   sock->Bind(ns3::InetSocketAddress(port_number));
 363   XBT_DEBUG("Create flow starting to %fs + %fs = %fs",
 364       startTime-ns3::Simulator::Now().GetSeconds(), ns3::Simulator::Now().GetSeconds(), startTime);
 365
 366   ns3::Simulator::Schedule (ns3::Seconds(startTime-ns3::Simulator::Now().GetSeconds()),
 367       &StartFlow, sock, addr, port_number);
 368
 369   port_number++;
 370   xbt_assert(port_number <= 65000, "Too many connections! Port number is saturated.");
 371 }
 372
 373 // initialize the NS3 interface and environment
 374 void ns3_initialize(const char* TcpProtocol){
 375 //  tcpModel are:
 376 //  "ns3::TcpNewReno"
 377 //  "ns3::TcpReno"
 378 //  "ns3::TcpTahoe"
 379
 380   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocket::SegmentSize", ns3::UintegerValue (1024)); // 1024-byte packet for easier reading
 381   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocket::DelAckCount", ns3::UintegerValue (1));
 382
 383   if (!strcmp(TcpProtocol,"default"))
 384     return;
 385
 386   if (!strcmp(TcpProtocol,"Reno")) {
 387     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'",TcpProtocol);
 388     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpReno"));
 389     return;
 390   }
 391   if (!strcmp(TcpProtocol,"NewReno")) {
 392     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'",TcpProtocol);
 393     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpNewReno"));
 394     return;
 395   }
 396   if(!strcmp(TcpProtocol,"Tahoe")){
 397     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'",TcpProtocol);
 398     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpTahoe"));
 399     return;
 400   }
 401
 402   xbt_die("The ns3/TcpModel must be : NewReno or Reno or Tahoe");
 403 }
 404
 405 void ns3_add_cluster(const char* id, char* bw, char* lat)
 406 {
 407   ns3::NodeContainer Nodes;
 408
 409   for (unsigned int i = number_of_clusters_nodes; i < Cluster_nodes.GetN(); i++) {
 410     Nodes.Add(Cluster_nodes.Get(i));
 411     XBT_DEBUG("Add node %d to cluster",i);
 412   }
 413   number_of_clusters_nodes = Cluster_nodes.GetN();
 414
 415   XBT_DEBUG("Add router %d to cluster",nodes.GetN()-Nodes.GetN()-1);
 416   Nodes.Add(nodes.Get(nodes.GetN()-Nodes.GetN()-1));
 417
 418   xbt_assert(Nodes.GetN() <= 65000, "Cluster with NS3 is limited to 65000 nodes");
 419   ns3::CsmaHelper csma;
 420   csma.SetChannelAttribute ("DataRate", ns3::StringValue (bw));
 421   csma.SetChannelAttribute ("Delay", ns3::StringValue (lat));
 422   ns3::NetDeviceContainer devices = csma.Install (Nodes);
 423   XBT_DEBUG("Create CSMA");
 424
 425   char * adr = bprintf("%d.%d.0.0",number_of_networks,number_of_links);
 426   XBT_DEBUG("Assign IP Addresses %s to CSMA.",adr);
 427   ns3::Ipv4AddressHelper ipv4;
 428   ipv4.SetBase (adr, "255.255.0.0");
 429   free(adr);
 430   interfaces.Add(ipv4.Assign (devices));
 431
 432   if(number_of_links == 255){
 433     xbt_assert(number_of_networks < 255, "Number of links and networks exceed 255*255");
 434     number_of_links = 1;
 435     number_of_networks++;
 436   }else{
 437     number_of_links++;
 438   }
 439   XBT_DEBUG("Number of nodes in Cluster_nodes: %d",Cluster_nodes.GetN());
 440 }
 441
 442 static char* transformIpv4Address (ns3::Ipv4Address from){
 443   std::stringstream sstream;
 444   sstream << from ;
 445   std::string s = sstream.str();
 446   return bprintf("%s",s.c_str());
 447 }
 448
 449 void ns3_add_link(int src, int dst, char *bw, char *lat)
 450 {
 451   ns3::PointToPointHelper pointToPoint;
 452
 453   ns3::NetDeviceContainer netA;
 454   ns3::Ipv4AddressHelper address;
 455
 456   ns3::Ptr<ns3::Node> a = nodes.Get(src);
 457   ns3::Ptr<ns3::Node> b = nodes.Get(dst);
 458
 459   XBT_DEBUG("\tAdd PTP from %d to %d bw:'%s' lat:'%s'",src,dst,bw,lat);
 460   pointToPoint.SetDeviceAttribute ("DataRate", ns3::StringValue (bw));
 461   pointToPoint.SetChannelAttribute ("Delay", ns3::StringValue (lat));
 462
 463   netA.Add(pointToPoint.Install (a, b));
 464
 465   char * adr = bprintf("%d.%d.0.0",number_of_networks,number_of_links);
 466   address.SetBase (adr, "255.255.0.0");
 467   XBT_DEBUG("\tInterface stack '%s'",adr);
 468   free(adr);
 469   interfaces.Add(address.Assign (netA));
 470
 471   if (IPV4addr.size() <= (unsigned)src)
 472     IPV4addr.resize(src + 1, nullptr);
 473   IPV4addr.at(src) = transformIpv4Address(interfaces.GetAddress(interfaces.GetN() - 2));
 474
 475   if (IPV4addr.size() <= (unsigned)dst)
 476     IPV4addr.resize(dst + 1, nullptr);
 477   IPV4addr.at(dst) = transformIpv4Address(interfaces.GetAddress(interfaces.GetN() - 1));
 478
 479   if (number_of_links == 255){
 480     xbt_assert(number_of_networks < 255, "Number of links and networks exceed 255*255");
 481     number_of_links = 1;
 482     number_of_networks++;
 483   } else {
 484     number_of_links++;
 485   }
 486 }