src/surf/network_ns3.cpp

   1 /* Copyright (c) 2007-2017. 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 <string>
   7 #include <unordered_set>
   8
   9 #include "xbt/config.hpp"
  10 #include "xbt/string.hpp"
  11
  12 #include "ns3/core-module.h"
  13 #include "ns3/node.h"
  14
  15 #include "network_ns3.hpp"
  16 #include "ns3/ns3_simulator.hpp"
  17
  18 #include "src/instr/instr_private.hpp" // TRACE_is_enabled(). FIXME: remove by subscribing tracing to the surf signals
  19 #include "src/kernel/routing/NetPoint.hpp"
  20
  21 #include "simgrid/s4u/Engine.hpp"
  22 #include "simgrid/s4u/NetZone.hpp"
  23
  24 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(ns3, surf, "Logging specific to the SURF network NS3 module");
  25
  26 std::vector<std::string> IPV4addr;
  27
  28 /*****************
  29  * Crude globals *
  30  *****************/
  31
  32 extern std::map<std::string, SgFlow*> flowFromSock;
  33
  34 static ns3::InternetStackHelper stack;
  35 static ns3::NodeContainer nodes;
  36 static ns3::NodeContainer Cluster_nodes;
  37 static ns3::Ipv4InterfaceContainer interfaces;
  38
  39 static int number_of_nodes = 0;
  40 static int number_of_clusters_nodes = 0;
  41 static int number_of_links = 1;
  42 static int number_of_networks = 1;
  43 static int port_number = 1025; //Port number is limited from 1025 to 65 000
  44
  45 simgrid::xbt::Extension<simgrid::kernel::routing::NetPoint, NetPointNs3> NetPointNs3::EXTENSION_ID;
  46
  47 NetPointNs3::NetPointNs3()
  48 {
  49   ns3::Ptr<ns3::Node> node = ns3::CreateObject<ns3::Node>(0);
  50   stack.Install(node);
  51   nodes.Add(node);
  52   node_num = number_of_nodes++;
  53 }
  54
  55 /*************
  56  * Callbacks *
  57  *************/
  58
  59 static void clusterCreation_cb(ClusterCreationArgs* cluster)
  60 {
  61   for (int const& i : *cluster->radicals) {
  62     // Routers don't create a router on the other end of the private link by themselves.
  63     // We just need this router to be given an ID so we create a temporary NetPointNS3 so that it gets one
  64     NetPointNs3* host_dst = new NetPointNs3();
  65
  66     // Create private link
  67     std::string host_id   = cluster->prefix + std::to_string(i) + cluster->suffix;
  68     NetPointNs3* host_src = sg_host_by_name(host_id.c_str())->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>();
  69     xbt_assert(host_src, "Cannot find a NS3 host of name %s", host_id.c_str());
  70
  71     // Any NS3 route is symmetrical
  72     ns3_add_link(host_src, host_dst, cluster->bw, cluster->lat);
  73
  74     delete host_dst;
  75   }
  76
  77   //Create link backbone
  78   ns3_add_cluster(cluster->id.c_str(), cluster->bb_bw, cluster->bb_lat);
  79 }
  80
  81 static void routeCreation_cb(bool symmetrical, simgrid::kernel::routing::NetPoint* src,
  82                              simgrid::kernel::routing::NetPoint* dst, simgrid::kernel::routing::NetPoint* gw_src,
  83                              simgrid::kernel::routing::NetPoint* gw_dst,
  84                              std::vector<simgrid::surf::LinkImpl*>& link_list)
  85 {
  86   if (link_list.size() == 1) {
  87     simgrid::surf::LinkNS3* link = static_cast<simgrid::surf::LinkNS3*>(link_list[0]);
  88
  89     XBT_DEBUG("Route from '%s' to '%s' with link '%s' %s", src->getCname(), dst->getCname(), link->getCname(),
  90               (symmetrical ? "(symmetrical)" : "(not symmetrical)"));
  91
  92     //   XBT_DEBUG("src (%s), dst (%s), src_id = %d, dst_id = %d",src,dst, src_id, dst_id);
  93     XBT_DEBUG("\tLink (%s) bw:%fbps lat:%fs", link->getCname(), link->bandwidth(), link->latency());
  94
  95     // create link ns3
  96     NetPointNs3* host_src = src->extension<NetPointNs3>();
  97     NetPointNs3* host_dst = dst->extension<NetPointNs3>();
  98
  99     xbt_assert(host_src != nullptr, "Network element %s does not seem to be NS3-ready", src->getCname());
 100     xbt_assert(host_dst != nullptr, "Network element %s does not seem to be NS3-ready", dst->getCname());
 101
 102     ns3_add_link(host_src, host_dst, link->bandwidth(), link->latency());
 103   } else {
 104     static bool warned_about_long_routes = false;
 105
 106     if (not warned_about_long_routes)
 107       XBT_WARN("Ignoring a route between %s and %s of length %zu: Only routes of length 1 are considered with NS3.\n"
 108                "WARNING: You can ignore this warning if your hosts can still communicate when only considering routes "
 109                "of length 1.\n"
 110                "WARNING: Remove long routes to avoid this harmless message; subsequent long routes will be silently "
 111                "ignored.",
 112                src->getCname(), dst->getCname(), link_list.size());
 113     warned_about_long_routes = true;
 114   }
 115 }
 116
 117 /* Create the ns3 topology based on routing strategy */
 118 static void postparse_cb()
 119 {
 120   IPV4addr.shrink_to_fit();
 121
 122   ns3::GlobalRouteManager::BuildGlobalRoutingDatabase();
 123   ns3::GlobalRouteManager::InitializeRoutes();
 124 }
 125
 126 /*********
 127  * Model *
 128  *********/
 129 void surf_network_model_init_NS3()
 130 {
 131   if (surf_network_model)
 132     return;
 133
 134   surf_network_model = new simgrid::surf::NetworkNS3Model();
 135   all_existing_models->push_back(surf_network_model);
 136 }
 137
 138 static simgrid::config::Flag<std::string>
 139     ns3_tcp_model("ns3/TcpModel", "The ns3 tcp model can be : NewReno or Reno or Tahoe", "default");
 140
 141 namespace simgrid {
 142 namespace surf {
 143
 144 NetworkNS3Model::NetworkNS3Model() : NetworkModel() {
 145   NetPointNs3::EXTENSION_ID = simgrid::kernel::routing::NetPoint::extension_create<NetPointNs3>();
 146
 147   ns3_initialize(ns3_tcp_model.get().c_str());
 148
 149   simgrid::kernel::routing::NetPoint::onCreation.connect([](simgrid::kernel::routing::NetPoint* pt) {
 150     pt->extension_set<NetPointNs3>(new NetPointNs3());
 151     XBT_VERB("SimGrid's %s is known as node %d within NS3", pt->getCname(), pt->extension<NetPointNs3>()->node_num);
 152   });
 153   simgrid::surf::on_cluster.connect(&clusterCreation_cb);
 154   simgrid::s4u::onPlatformCreated.connect(&postparse_cb);
 155   simgrid::s4u::NetZone::onRouteCreation.connect(&routeCreation_cb);
 156 }
 157
 158 NetworkNS3Model::~NetworkNS3Model() {
 159   IPV4addr.clear();
 160 }
 161
 162 LinkImpl* NetworkNS3Model::createLink(const std::string& name, double bandwidth, double latency,
 163                                       e_surf_link_sharing_policy_t policy)
 164 {
 165   return new LinkNS3(this, name, bandwidth, latency);
 166 }
 167
 168 Action* NetworkNS3Model::communicate(s4u::Host* src, s4u::Host* dst, double size, double rate)
 169 {
 170   return new NetworkNS3Action(this, size, src, dst);
 171 }
 172
 173 double NetworkNS3Model::nextOccuringEvent(double now)
 174 {
 175   double time_to_next_flow_completion;
 176   XBT_DEBUG("ns3_next_occuring_event");
 177
 178   //get the first relevant value from the running_actions list
 179   if (not getRunningActionSet()->size() || now == 0.0)
 180     return -1.0;
 181   else
 182     do {
 183       ns3_simulator(now);
 184       time_to_next_flow_completion = ns3::Simulator::Now().GetSeconds() - surf_get_clock();
 185     } while(double_equals(time_to_next_flow_completion, 0, sg_surf_precision));
 186
 187   XBT_DEBUG("min       : %f", now);
 188   XBT_DEBUG("ns3  time : %f", ns3::Simulator::Now().GetSeconds());
 189   XBT_DEBUG("surf time : %f", surf_get_clock());
 190   XBT_DEBUG("Next completion %f :", time_to_next_flow_completion);
 191
 192   return time_to_next_flow_completion;
 193 }
 194
 195 void NetworkNS3Model::updateActionsState(double now, double delta)
 196 {
 197   static std::vector<std::string> socket_to_destroy;
 198
 199   /* If there are no running flows, advance the NS3 simulator and return */
 200   if (getRunningActionSet()->empty()) {
 201
 202     while(double_positive(now - ns3::Simulator::Now().GetSeconds(), sg_surf_precision))
 203       ns3_simulator(now-ns3::Simulator::Now().GetSeconds());
 204
 205     return;
 206   }
 207
 208   std::string ns3Socket;
 209   for (auto elm : flowFromSock) {
 210     ns3Socket                 = elm.first;
 211     SgFlow* sgFlow            = elm.second;
 212     NetworkNS3Action * action = sgFlow->action_;
 213     XBT_DEBUG("Processing socket %p (action %p)",sgFlow,action);
 214     action->setRemains(action->getCost() - sgFlow->sentBytes_);
 215
 216     if (TRACE_is_enabled() &&
 217         action->getState() == Action::State::running){
 218       double data_delta_sent = sgFlow->sentBytes_ - action->lastSent_;
 219
 220       std::vector<LinkImpl*> route = std::vector<LinkImpl*>();
 221
 222       action->src_->routeTo(action->dst_, route, nullptr);
 223       for (auto const& link : route)
 224         TRACE_surf_link_set_utilization(link->getCname(), action->getCategory(), (data_delta_sent) / delta, now - delta,
 225                                         delta);
 226
 227       action->lastSent_ = sgFlow->sentBytes_;
 228     }
 229
 230     if(sgFlow->finished_){
 231       socket_to_destroy.push_back(ns3Socket);
 232       XBT_DEBUG("Destroy socket %p of action %p", ns3Socket, action);
 233       action->finish(Action::State::done);
 234     }
 235   }
 236
 237   while (not socket_to_destroy.empty()) {
 238     ns3Socket = socket_to_destroy.back();
 239     socket_to_destroy.pop_back();
 240     SgFlow* flow = flowFromSock.at(ns3Socket);
 241     if (XBT_LOG_ISENABLED(ns3, xbt_log_priority_debug)) {
 242       XBT_DEBUG ("Removing socket %p of action %p", ns3Socket, flow->action_);
 243     }
 244     delete flow;
 245     flowFromSock.erase(ns3Socket);
 246   }
 247 }
 248
 249 /************
 250  * Resource *
 251  ************/
 252
 253 LinkNS3::LinkNS3(NetworkNS3Model* model, const std::string& name, double bandwidth, double latency)
 254     : LinkImpl(model, name, nullptr)
 255 {
 256   bandwidth_.peak = bandwidth;
 257   latency_.peak   = latency;
 258
 259   s4u::Link::onCreation(this->piface_);
 260 }
 261
 262 LinkNS3::~LinkNS3() = default;
 263
 264 void LinkNS3::apply_event(tmgr_trace_event_t event, double value)
 265 {
 266   THROW_UNIMPLEMENTED;
 267 }
 268 void LinkNS3::setBandwidthTrace(tmgr_trace_t trace) {
 269   xbt_die("The NS3 network model doesn't support bandwidth traces");
 270 }
 271 void LinkNS3::setLatencyTrace(tmgr_trace_t trace) {
 272   xbt_die("The NS3 network model doesn't support latency traces");
 273 }
 274
 275 /**********
 276  * Action *
 277  **********/
 278
 279 NetworkNS3Action::NetworkNS3Action(Model* model, double size, s4u::Host* src, s4u::Host* dst)
 280     : NetworkAction(model, size, false)
 281 {
 282   XBT_DEBUG("Communicate from %s to %s", src->getCname(), dst->getCname());
 283
 284   src_ = src;
 285   dst_ = dst;
 286   ns3_create_flow(src, dst, size, this);
 287
 288   s4u::Link::onCommunicate(this, src, dst);
 289 }
 290
 291 void NetworkNS3Action::suspend() {
 292   THROW_UNIMPLEMENTED;
 293 }
 294
 295 void NetworkNS3Action::resume() {
 296   THROW_UNIMPLEMENTED;
 297 }
 298
 299 std::list<LinkImpl*> NetworkNS3Action::links()
 300 {
 301   THROW_UNIMPLEMENTED;
 302 }
 303
 304 /* Test whether a flow is suspended */
 305 bool NetworkNS3Action::isSuspended()
 306 {
 307   return false;
 308 }
 309
 310 int NetworkNS3Action::unref()
 311 {
 312   refcount_--;
 313   if (not refcount_) {
 314     if (action_hook.is_linked())
 315       stateSet_->erase(stateSet_->iterator_to(*this));
 316     XBT_DEBUG ("Removing action %p", this);
 317     delete this;
 318     return 1;
 319   }
 320   return 0;
 321 }
 322
 323 }
 324 }
 325
 326 void ns3_simulator(double maxSeconds)
 327 {
 328   if (maxSeconds > 0.0) // If there is a maximum amount of time to run
 329     ns3::Simulator::Stop(ns3::Seconds(maxSeconds));
 330   XBT_DEBUG("Start simulator for at most %fs (current time: %f)", maxSeconds, surf_get_clock());
 331   ns3::Simulator::Run ();
 332 }
 333
 334 void ns3_create_flow(simgrid::s4u::Host* src, simgrid::s4u::Host* dst,
 335     u_int32_t TotalBytes,
 336     simgrid::surf::NetworkNS3Action* action) {
 337   unsigned int node1 = src->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>()->node_num;
 338   unsigned int node2 = dst->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>()->node_num;
 339
 340   ns3::Ptr<ns3::Node> src_node = nodes.Get(node1);
 341   ns3::Ptr<ns3::Node> dst_node = nodes.Get(node2);
 342
 343   xbt_assert(node2 < IPV4addr.size(), "Element %s is unknown to NS3. Is it connected to any one-hop link?",
 344              dst->pimpl_netpoint->getCname());
 345   std::string& addr = IPV4addr[node2];
 346   xbt_assert(not addr.empty(), "Element %s is unknown to NS3. Is it connected to any one-hop link?",
 347              dst->pimpl_netpoint->getCname());
 348
 349   XBT_DEBUG("ns3_create_flow %u Bytes from %u to %u with Interface %s", TotalBytes, node1, node2, addr.c_str());
 350   ns3::PacketSinkHelper sink("ns3::TcpSocketFactory", ns3::InetSocketAddress (ns3::Ipv4Address::GetAny(), port_number));
 351   sink.Install (dst_node);
 352
 353   ns3::Ptr<ns3::Socket> sock = ns3::Socket::CreateSocket(src_node, ns3::TcpSocketFactory::GetTypeId());
 354
 355   flowFromSock.insert({transformSocketPtr(sock), new SgFlow(TotalBytes, action)});
 356
 357   sock->Bind(ns3::InetSocketAddress(port_number));
 358
 359   ns3::Simulator::ScheduleNow(&StartFlow, sock, addr.c_str(), port_number);
 360
 361   port_number++;
 362   xbt_assert(port_number <= 65000, "Too many connections! Port number is saturated.");
 363 }
 364
 365 // initialize the NS3 interface and environment
 366 void ns3_initialize(const char* TcpProtocol){
 367 //  tcpModel are:
 368 //  "ns3::TcpNewReno"
 369 //  "ns3::TcpReno"
 370 //  "ns3::TcpTahoe"
 371
 372   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocket::SegmentSize", ns3::UintegerValue (1000));
 373   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocket::DelAckCount", ns3::UintegerValue (1));
 374   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocketBase::Timestamp", ns3::BooleanValue (false));
 375
 376   if (not strcmp(TcpProtocol, "default"))
 377     return;
 378
 379   if (not strcmp(TcpProtocol, "Reno")) {
 380     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'",TcpProtocol);
 381     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpReno"));
 382     return;
 383   }
 384   if (not strcmp(TcpProtocol, "NewReno")) {
 385     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'",TcpProtocol);
 386     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpNewReno"));
 387     return;
 388   }
 389   if (not strcmp(TcpProtocol, "Tahoe")) {
 390     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'",TcpProtocol);
 391     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpTahoe"));
 392     return;
 393   }
 394
 395   xbt_die("The ns3/TcpModel must be : NewReno or Reno or Tahoe");
 396 }
 397
 398 void ns3_add_cluster(const char* id, double bw, double lat) {
 399   ns3::NodeContainer Nodes;
 400
 401   for (unsigned int i = number_of_clusters_nodes; i < Cluster_nodes.GetN(); i++) {
 402     Nodes.Add(Cluster_nodes.Get(i));
 403     XBT_DEBUG("Add node %u to cluster", i);
 404   }
 405   number_of_clusters_nodes = Cluster_nodes.GetN();
 406
 407   XBT_DEBUG("Add router %u to cluster", nodes.GetN() - Nodes.GetN() - 1);
 408   Nodes.Add(nodes.Get(nodes.GetN()-Nodes.GetN()-1));
 409
 410   xbt_assert(Nodes.GetN() <= 65000, "Cluster with NS3 is limited to 65000 nodes");
 411   ns3::CsmaHelper csma;
 412   csma.SetDeviceAttribute("DataRate", ns3::DataRateValue(ns3::DataRate(bw*8)));// NS3 takes bps, but we provide Bps
 413   csma.SetChannelAttribute("Delay", ns3::TimeValue(ns3::Seconds(lat)));
 414   ns3::NetDeviceContainer devices = csma.Install(Nodes);
 415   XBT_DEBUG("Create CSMA");
 416
 417   std::string addr = simgrid::xbt::string_printf("%d.%d.0.0", number_of_networks, number_of_links);
 418   XBT_DEBUG("Assign IP Addresses %s to CSMA.", addr.c_str());
 419   ns3::Ipv4AddressHelper ipv4;
 420   ipv4.SetBase(addr.c_str(), "255.255.0.0");
 421   interfaces.Add(ipv4.Assign (devices));
 422
 423   if(number_of_links == 255){
 424     xbt_assert(number_of_networks < 255, "Number of links and networks exceed 255*255");
 425     number_of_links = 1;
 426     number_of_networks++;
 427   }else{
 428     number_of_links++;
 429   }
 430   XBT_DEBUG("Number of nodes in Cluster_nodes: %u", Cluster_nodes.GetN());
 431 }
 432
 433 static std::string transformIpv4Address(ns3::Ipv4Address from)
 434 {
 435   std::stringstream sstream;
 436   sstream << from ;
 437   return sstream.str();
 438 }
 439
 440 void ns3_add_link(NetPointNs3* src, NetPointNs3* dst, double bw, double lat) {
 441   ns3::PointToPointHelper pointToPoint;
 442
 443   ns3::Ipv4AddressHelper address;
 444
 445   int srcNum = src->node_num;
 446   int dstNum = dst->node_num;
 447
 448   ns3::Ptr<ns3::Node> a = nodes.Get(srcNum);
 449   ns3::Ptr<ns3::Node> b = nodes.Get(dstNum);
 450
 451   XBT_DEBUG("\tAdd PTP from %d to %d bw:'%f Bps' lat:'%fs'", srcNum, dstNum, bw, lat);
 452   pointToPoint.SetDeviceAttribute("DataRate", ns3::DataRateValue(ns3::DataRate(bw*8)));// NS3 takes bps, but we provide Bps
 453   pointToPoint.SetChannelAttribute("Delay", ns3::TimeValue(ns3::Seconds(lat)));
 454
 455   std::string filename = simgrid::xbt::string_printf("link-%d-%d.tr", srcNum, dstNum);
 456   ns3::AsciiTraceHelper ascii;
 457   pointToPoint.EnableAsciiAll(ascii.CreateFileStream(filename));
 458   pointToPoint.EnablePcapAll ("tcp-bulk-send", false);
 459
 460   ns3::NetDeviceContainer netA;
 461   netA.Add(pointToPoint.Install (a, b));
 462
 463   std::string addr = simgrid::xbt::string_printf("%d.%d.0.0", number_of_networks, number_of_links);
 464   address.SetBase(addr.c_str(), "255.255.0.0");
 465   XBT_DEBUG("\tInterface stack '%s'", addr.c_str());
 466   interfaces.Add(address.Assign (netA));
 467
 468   if (IPV4addr.size() <= (unsigned)srcNum)
 469     IPV4addr.resize(srcNum + 1);
 470   IPV4addr[srcNum] = transformIpv4Address(interfaces.GetAddress(interfaces.GetN() - 2));
 471
 472   if (IPV4addr.size() <= (unsigned)dstNum)
 473     IPV4addr.resize(dstNum + 1);
 474   IPV4addr[dstNum] = transformIpv4Address(interfaces.GetAddress(interfaces.GetN() - 1));
 475
 476   if (number_of_links == 255){
 477     xbt_assert(number_of_networks < 255, "Number of links and networks exceed 255*255");
 478     number_of_links = 1;
 479     number_of_networks++;
 480   } else {
 481     number_of_links++;
 482   }
 483 }