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[simgrid.git] / src / surf / network_ns3.cpp
1 /* Copyright (c) 2007-2019. 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 #include "xbt/utility.hpp"
12
13 #include <ns3/core-module.h>
14 #include <ns3/csma-helper.h>
15 #include <ns3/global-route-manager.h>
16 #include <ns3/internet-stack-helper.h>
17 #include <ns3/ipv4-address-helper.h>
18 #include <ns3/packet-sink-helper.h>
19 #include <ns3/point-to-point-helper.h>
20 #include <ns3/application-container.h>
21 #include <ns3/event-id.h>
22
23 #include "network_ns3.hpp"
24 #include "ns3/ns3_simulator.hpp"
25
26 #include "simgrid/kernel/routing/NetPoint.hpp"
27 #include "simgrid/plugins/energy.h"
28 #include "simgrid/s4u/Engine.hpp"
29 #include "simgrid/s4u/NetZone.hpp"
30 #include "src/instr/instr_private.hpp" // TRACE_is_enabled(). FIXME: remove by subscribing tracing to the surf signals
31 #include "src/surf/surf_interface.hpp"
32 #include "src/surf/xml/platf_private.hpp"
33 #include "surf/surf.hpp"
34
35 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(ns3, surf, "Logging specific to the SURF network ns-3 module");
36
37 std::vector<std::string> IPV4addr;
38
39 /*****************
40  * Crude globals *
41  *****************/
42
43 extern std::map<std::string, SgFlow*> flow_from_sock;
44 extern std::map<std::string, ns3::ApplicationContainer> sink_from_sock;
45
46 static ns3::InternetStackHelper stack;
47 static ns3::NodeContainer nodes;
48 static ns3::NodeContainer Cluster_nodes;
49 static ns3::Ipv4InterfaceContainer interfaces;
50
51 static int number_of_nodes = 0;
52 static int number_of_clusters_nodes = 0;
53 static int number_of_links = 1;
54 static int number_of_networks = 1;
55
56 simgrid::xbt::Extension<simgrid::kernel::routing::NetPoint, NetPointNs3> NetPointNs3::EXTENSION_ID;
57
58 NetPointNs3::NetPointNs3()
59 {
60   ns3_node_ = ns3::CreateObject<ns3::Node>(0);
61   stack.Install(ns3_node_);
62   nodes.Add(ns3_node_);
63   node_num = number_of_nodes++;
64 }
65
66 /*************
67  * Callbacks *
68  *************/
69
70 static void clusterCreation_cb(simgrid::kernel::routing::ClusterCreationArgs const& cluster)
71 {
72   for (int const& i : *cluster.radicals) {
73     // Routers don't create a router on the other end of the private link by themselves.
74     // We just need this router to be given an ID so we create a temporary NetPointNS3 so that it gets one
75     auto* host_dst = new NetPointNs3();
76
77     // Create private link
78     std::string host_id = cluster.prefix + std::to_string(i) + cluster.suffix;
79     auto* host_src      = simgrid::s4u::Host::by_name(host_id)->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>();
80     xbt_assert(host_src, "Cannot find a ns-3 host of name %s", host_id.c_str());
81
82     // Any ns-3 route is symmetrical
83     ns3_add_link(host_src, host_dst, cluster.bw, cluster.lat);
84
85     delete host_dst;
86   }
87
88   //Create link backbone
89   ns3_add_cluster(cluster.id.c_str(), cluster.bb_bw, cluster.bb_lat);
90 }
91
92 static void routeCreation_cb(bool symmetrical, simgrid::kernel::routing::NetPoint* src,
93                              simgrid::kernel::routing::NetPoint* dst, simgrid::kernel::routing::NetPoint* gw_src,
94                              simgrid::kernel::routing::NetPoint* gw_dst,
95                              std::vector<simgrid::kernel::resource::LinkImpl*> const& link_list)
96 {
97   if (link_list.size() == 1) {
98     auto* link = static_cast<simgrid::kernel::resource::LinkNS3*>(link_list[0]);
99
100     XBT_DEBUG("Route from '%s' to '%s' with link '%s' %s", src->get_cname(), dst->get_cname(), link->get_cname(),
101               (symmetrical ? "(symmetrical)" : "(not symmetrical)"));
102
103     //   XBT_DEBUG("src (%s), dst (%s), src_id = %d, dst_id = %d",src,dst, src_id, dst_id);
104     XBT_DEBUG("\tLink (%s) bw:%fbps lat:%fs", link->get_cname(), link->get_bandwidth(), link->get_latency());
105
106     // create link ns3
107     auto* host_src = src->extension<NetPointNs3>();
108     auto* host_dst = dst->extension<NetPointNs3>();
109
110     xbt_assert(host_src != nullptr, "Network element %s does not seem to be ns-3-ready", src->get_cname());
111     xbt_assert(host_dst != nullptr, "Network element %s does not seem to be ns-3-ready", dst->get_cname());
112
113     ns3_add_link(host_src, host_dst, link->get_bandwidth(), link->get_latency());
114   } else {
115     static bool warned_about_long_routes = false;
116
117     if (not warned_about_long_routes)
118       XBT_WARN("Ignoring a route between %s and %s of length %zu: Only routes of length 1 are considered with ns-3.\n"
119                "WARNING: You can ignore this warning if your hosts can still communicate when only considering routes "
120                "of length 1.\n"
121                "WARNING: Remove long routes to avoid this harmless message; subsequent long routes will be silently "
122                "ignored.",
123                src->get_cname(), dst->get_cname(), link_list.size());
124     warned_about_long_routes = true;
125   }
126 }
127
128 /* Create the ns3 topology based on routing strategy */
129 static void postparse_cb()
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   xbt_assert(surf_network_model == nullptr, "Cannot set the network model twice");
143
144   surf_network_model = new simgrid::kernel::resource::NetworkNS3Model();
145 }
146
147 static simgrid::config::Flag<std::string>
148     ns3_tcp_model("ns3/TcpModel", "The ns-3 tcp model can be : NewReno or Reno or Tahoe", "default");
149
150 namespace simgrid {
151 namespace kernel {
152 namespace resource {
153
154 NetworkNS3Model::NetworkNS3Model() : NetworkModel(Model::UpdateAlgo::FULL)
155 {
156   xbt_assert(not sg_link_energy_is_inited(),
157              "LinkEnergy plugin and ns-3 network models are not compatible. Are you looking for Ecofen, maybe?");
158
159   all_existing_models.push_back(this);
160
161   NetPointNs3::EXTENSION_ID = routing::NetPoint::extension_create<NetPointNs3>();
162
163   ns3_initialize(ns3_tcp_model.get());
164
165   routing::NetPoint::on_creation.connect([](routing::NetPoint& pt) {
166     pt.extension_set<NetPointNs3>(new NetPointNs3());
167     XBT_VERB("SimGrid's %s is known as node %d within ns-3", pt.get_cname(), pt.extension<NetPointNs3>()->node_num);
168   });
169   surf::on_cluster.connect(&clusterCreation_cb);
170
171   s4u::Engine::on_platform_created.connect(&postparse_cb);
172   s4u::NetZone::on_route_creation.connect(&routeCreation_cb);
173 }
174
175 NetworkNS3Model::~NetworkNS3Model() {
176   IPV4addr.clear();
177 }
178
179 LinkImpl* NetworkNS3Model::create_link(const std::string& name, const std::vector<double>& bandwidths, double latency,
180                                        s4u::Link::SharingPolicy)
181 {
182   xbt_assert(bandwidths.size() == 1, "ns-3 links must use only 1 bandwidth.");
183   return new LinkNS3(this, name, bandwidths[0], latency);
184 }
185
186 Action* NetworkNS3Model::communicate(s4u::Host* src, s4u::Host* dst, double size, double rate)
187 {
188   xbt_assert(rate == -1,
189              "Communication over ns-3 links cannot specify a specific rate. Please use -1 as a value instead of %f.",
190              rate);
191   return new NetworkNS3Action(this, size, src, dst);
192 }
193
194 double NetworkNS3Model::next_occuring_event(double now)
195 {
196   double time_to_next_flow_completion = 0.0;
197   XBT_DEBUG("ns3_next_occuring_event");
198
199   //get the first relevant value from the running_actions list
200
201   // If there is no comms in NS-3, then we do not move it forward.
202   // We will synchronize NS-3 with SimGrid when starting a new communication.
203   // (see NetworkNS3Action::NetworkNS3Action() for more details on this point)
204   if (get_started_action_set()->empty() || now == 0.0)
205     return -1.0;
206
207   XBT_DEBUG("doing a ns3 simulation for a duration of %f", now);
208   ns3_simulator(now);  
209   time_to_next_flow_completion = ns3::Simulator::Now().GetSeconds() - surf_get_clock();
210   // NS-3 stops as soon as a flow ends,
211   // but it does not process the other flows that may finish at the same (simulated) time.
212   // If another flow ends at the same time, time_to_next_flow_completion = 0
213   if(double_equals(time_to_next_flow_completion, 0, sg_surf_precision))
214     time_to_next_flow_completion = 0.0; 
215  
216   XBT_DEBUG("min       : %f", now);
217   XBT_DEBUG("ns3  time : %f", ns3::Simulator::Now().GetSeconds());
218   XBT_DEBUG("surf time : %f", surf_get_clock());
219   XBT_DEBUG("Next completion %f :", time_to_next_flow_completion);
220
221   return time_to_next_flow_completion;
222 }
223
224 void NetworkNS3Model::update_actions_state(double now, double delta)
225 {
226   static std::vector<std::string> socket_to_destroy;
227
228   std::string ns3_socket;
229   for (const auto& elm : flow_from_sock) {
230     ns3_socket                = elm.first;
231     SgFlow* sgFlow            = elm.second;
232     NetworkNS3Action * action = sgFlow->action_;
233     XBT_DEBUG("Processing socket %p (action %p)",sgFlow,action);
234     // Because NS3 stops as soon as a flow is finished, the other flows that ends at the same time may remains in an inconsistant state
235     // (i.e. remains_ == 0 but finished_ == false).
236     // However, SimGrid considers sometimes that an action with remains_ == 0 is finished.
237     // Thus, to avoid inconsistencies between SimGrid and NS3, set remains to 0 only when the flow is finished in NS3
238     int remains = action->get_cost() - sgFlow->sent_bytes_;
239     if(remains > 0)
240       action->set_remains(remains);
241
242     if (TRACE_is_enabled() && action->get_state() == kernel::resource::Action::State::STARTED) {
243       double data_delta_sent = sgFlow->sent_bytes_ - action->last_sent_;
244
245       std::vector<LinkImpl*> route = std::vector<LinkImpl*>();
246
247       action->src_->route_to(action->dst_, route, nullptr);
248       for (auto const& link : route)
249         TRACE_surf_resource_set_utilization("LINK", "bandwidth_used", link->get_cname(), action->get_category(),
250                                             (data_delta_sent) / delta, now - delta, delta);
251
252       action->last_sent_ = sgFlow->sent_bytes_;
253     }
254
255     if(sgFlow->finished_){
256       socket_to_destroy.push_back(ns3_socket);
257       XBT_DEBUG("Destroy socket %p of action %p", ns3_socket.c_str(), action);
258       action->set_remains(0);
259       action->finish(kernel::resource::Action::State::FINISHED);
260     } else {
261       XBT_DEBUG("Socket %p sent %u bytes out of %u (%u remaining)", ns3_socket.c_str(), sgFlow->sent_bytes_,
262                 sgFlow->total_bytes_, sgFlow->remaining_);
263     }
264   }
265
266   while (not socket_to_destroy.empty()) {
267     ns3_socket = socket_to_destroy.back();
268     socket_to_destroy.pop_back();
269     SgFlow* flow = flow_from_sock.at(ns3_socket);
270     if (XBT_LOG_ISENABLED(ns3, xbt_log_priority_debug)) {
271       XBT_DEBUG("Removing socket %p of action %p", ns3_socket.c_str(), flow->action_);
272     }
273     delete flow;
274     flow_from_sock.erase(ns3_socket);
275     sink_from_sock.erase(ns3_socket);
276   }
277 }
278
279 /************
280  * Resource *
281  ************/
282
283 LinkNS3::LinkNS3(NetworkNS3Model* model, const std::string& name, double bandwidth, double latency)
284     : LinkImpl(model, name, nullptr)
285 {
286   bandwidth_.peak = bandwidth;
287   latency_.peak   = latency;
288
289   s4u::Link::on_creation(this->piface_);
290 }
291
292 LinkNS3::~LinkNS3() = default;
293
294 void LinkNS3::apply_event(profile::Event*, double)
295 {
296   THROW_UNIMPLEMENTED;
297 }
298 void LinkNS3::set_bandwidth_profile(profile::Profile*)
299 {
300   xbt_die("The ns-3 network model doesn't support bandwidth profiles");
301 }
302 void LinkNS3::set_latency_profile(profile::Profile*)
303 {
304   xbt_die("The ns-3 network model doesn't support latency profiles");
305 }
306
307 /**********
308  * Action *
309  **********/
310
311 NetworkNS3Action::NetworkNS3Action(Model* model, double totalBytes, s4u::Host* src, s4u::Host* dst)
312     : NetworkAction(model, totalBytes, false), src_(src), dst_(dst)
313 {
314   
315   // If there is no other started actions, we need to move NS-3 forward to be sync with SimGrid
316   if (model->get_started_action_set()->size()==1){
317     while(double_positive(surf_get_clock() - ns3::Simulator::Now().GetSeconds(), sg_surf_precision)){
318       XBT_DEBUG("Synchronizing NS-3 (time %f) with SimGrid (time %f)", ns3::Simulator::Now().GetSeconds(), surf_get_clock());
319       ns3_simulator(surf_get_clock() - ns3::Simulator::Now().GetSeconds());
320     }
321   }
322
323   XBT_DEBUG("Communicate from %s to %s", src->get_cname(), dst->get_cname());
324
325   static int port_number = 1025; // Port number is limited from 1025 to 65 000
326
327   unsigned int node1 = src->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>()->node_num;
328   unsigned int node2 = dst->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>()->node_num;
329
330   ns3::Ptr<ns3::Node> src_node = src->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>()->ns3_node_;
331   ns3::Ptr<ns3::Node> dst_node = dst->pimpl_netpoint->extension<NetPointNs3>()->ns3_node_;
332
333   xbt_assert(node2 < IPV4addr.size(), "Element %s is unknown to ns-3. Is it connected to any one-hop link?",
334              dst->pimpl_netpoint->get_cname());
335   std::string& addr = IPV4addr[node2];
336   xbt_assert(not addr.empty(), "Element %s is unknown to ns-3. Is it connected to any one-hop link?",
337              dst->pimpl_netpoint->get_cname());
338
339   XBT_DEBUG("ns3: Create flow of %.0f Bytes from %u to %u with Interface %s", totalBytes, node1, node2, addr.c_str());
340   ns3::PacketSinkHelper sink("ns3::TcpSocketFactory", ns3::InetSocketAddress(ns3::Ipv4Address::GetAny(), port_number));
341   ns3::ApplicationContainer apps = sink.Install(dst_node);
342
343   ns3::Ptr<ns3::Socket> sock = ns3::Socket::CreateSocket(src_node, ns3::TcpSocketFactory::GetTypeId());
344
345   flow_from_sock.insert({transform_socket_ptr(sock), new SgFlow(totalBytes, this)});
346   sink_from_sock.insert({transform_socket_ptr(sock), apps});
347
348   sock->Bind(ns3::InetSocketAddress(port_number));
349
350   ns3::Simulator::ScheduleNow(&start_flow, sock, addr.c_str(), port_number);
351
352   port_number++;
353   if(port_number > 65000){
354     port_number = 1025;
355     XBT_WARN("Too many connections! Port number is saturated. Trying to use the oldest ports.");
356   }
357   xbt_assert(port_number <= 65000, "Too many connections! Port number is saturated.");
358
359   s4u::Link::on_communicate(*this, src, dst);
360 }
361
362 void NetworkNS3Action::suspend() {
363   THROW_UNIMPLEMENTED;
364 }
365
366 void NetworkNS3Action::resume() {
367   THROW_UNIMPLEMENTED;
368 }
369
370 std::list<LinkImpl*> NetworkNS3Action::links() const
371 {
372   THROW_UNIMPLEMENTED;
373 }
374 void NetworkNS3Action::update_remains_lazy(double /*now*/)
375 {
376   THROW_IMPOSSIBLE;
377 }
378
379 } // namespace resource
380 } // namespace kernel
381 } // namespace simgrid
382
383 void ns3_simulator(double maxSeconds)
384 {
385   ns3::EventId id; 
386   if (maxSeconds > 0.0) // If there is a maximum amount of time to run
387     id = ns3::Simulator::Schedule(ns3::Seconds(maxSeconds), &ns3::Simulator::Stop);
388
389   XBT_DEBUG("Start simulator for at most %fs (current time: %f)", maxSeconds, surf_get_clock());
390   ns3::Simulator::Run ();
391   XBT_DEBUG("Simulator stopped at %fs", ns3::Simulator::Now().GetSeconds());
392
393   if(maxSeconds > 0.0)
394     id.Cancel();
395 }
396
397 // initialize the ns-3 interface and environment
398 void ns3_initialize(std::string TcpProtocol)
399 {
400   //  tcpModel are:
401   //  "ns3::TcpNewReno"
402   //  "ns3::TcpReno"
403   //  "ns3::TcpTahoe"
404
405   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocket::SegmentSize", ns3::UintegerValue (1000));
406   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocket::DelAckCount", ns3::UintegerValue (1));
407   ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpSocketBase::Timestamp", ns3::BooleanValue (false));
408
409   if (TcpProtocol == "default") {
410     /* nothing to do */
411
412   } else if (TcpProtocol == "Reno") {
413     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'", TcpProtocol.c_str());
414     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpReno"));
415
416   } else if (TcpProtocol == "NewReno") {
417     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'", TcpProtocol.c_str());
418     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpNewReno"));
419
420   } else if (TcpProtocol == "Tahoe") {
421     XBT_INFO("Switching Tcp protocol to '%s'", TcpProtocol.c_str());
422     ns3::Config::SetDefault ("ns3::TcpL4Protocol::SocketType", ns3::StringValue("ns3::TcpTahoe"));
423
424   } else {
425     xbt_die("The ns3/TcpModel must be: NewReno or Reno or Tahoe");
426   }
427 }
428
429 void ns3_add_cluster(const char* id, double bw, double lat) {
430   ns3::NodeContainer Nodes;
431
432   for (unsigned int i = number_of_clusters_nodes; i < Cluster_nodes.GetN(); i++) {
433     Nodes.Add(Cluster_nodes.Get(i));
434     XBT_DEBUG("Add node %u to cluster", i);
435   }
436   number_of_clusters_nodes = Cluster_nodes.GetN();
437
438   XBT_DEBUG("Add router %u to cluster", nodes.GetN() - Nodes.GetN() - 1);
439   Nodes.Add(nodes.Get(nodes.GetN()-Nodes.GetN()-1));
440
441   xbt_assert(Nodes.GetN() <= 65000, "Cluster with ns-3 is limited to 65000 nodes");
442   ns3::CsmaHelper csma;
443   csma.SetChannelAttribute("DataRate", ns3::DataRateValue(ns3::DataRate(bw * 8))); // ns-3 takes bps, but we provide Bps
444   csma.SetChannelAttribute("Delay", ns3::TimeValue(ns3::Seconds(lat)));
445   ns3::NetDeviceContainer devices = csma.Install(Nodes);
446   XBT_DEBUG("Create CSMA");
447
448   std::string addr = simgrid::xbt::string_printf("%d.%d.0.0", number_of_networks, number_of_links);
449   XBT_DEBUG("Assign IP Addresses %s to CSMA.", addr.c_str());
450   ns3::Ipv4AddressHelper ipv4;
451   ipv4.SetBase(addr.c_str(), "255.255.0.0");
452   interfaces.Add(ipv4.Assign (devices));
453
454   if(number_of_links == 255){
455     xbt_assert(number_of_networks < 255, "Number of links and networks exceed 255*255");
456     number_of_links = 1;
457     number_of_networks++;
458   }else{
459     number_of_links++;
460   }
461   XBT_DEBUG("Number of nodes in Cluster_nodes: %u", Cluster_nodes.GetN());
462 }
463
464 static std::string transformIpv4Address(ns3::Ipv4Address from)
465 {
466   std::stringstream sstream;
467   sstream << from ;
468   return sstream.str();
469 }
470
471 void ns3_add_link(NetPointNs3* src, NetPointNs3* dst, double bw, double lat) {
472   ns3::PointToPointHelper pointToPoint;
473
474   ns3::Ipv4AddressHelper address;
475
476   int srcNum = src->node_num;
477   int dstNum = dst->node_num;
478
479   ns3::Ptr<ns3::Node> a = src->ns3_node_;
480   ns3::Ptr<ns3::Node> b = dst->ns3_node_;
481
482   XBT_DEBUG("\tAdd PTP from %d to %d bw:'%f Bps' lat:'%fs'", srcNum, dstNum, bw, lat);
483   pointToPoint.SetDeviceAttribute("DataRate",
484                                   ns3::DataRateValue(ns3::DataRate(bw * 8))); // ns-3 takes bps, but we provide Bps
485   pointToPoint.SetChannelAttribute("Delay", ns3::TimeValue(ns3::Seconds(lat)));
486
487   ns3::NetDeviceContainer netA;
488   netA.Add(pointToPoint.Install (a, b));
489
490   std::string addr = simgrid::xbt::string_printf("%d.%d.0.0", number_of_networks, number_of_links);
491   address.SetBase(addr.c_str(), "255.255.0.0");
492   XBT_DEBUG("\tInterface stack '%s'", addr.c_str());
493   interfaces.Add(address.Assign (netA));
494
495   if (IPV4addr.size() <= (unsigned)srcNum)
496     IPV4addr.resize(srcNum + 1);
497   IPV4addr[srcNum] = transformIpv4Address(interfaces.GetAddress(interfaces.GetN() - 2));
498
499   if (IPV4addr.size() <= (unsigned)dstNum)
500     IPV4addr.resize(dstNum + 1);
501   IPV4addr[dstNum] = transformIpv4Address(interfaces.GetAddress(interfaces.GetN() - 1));
502
503   if (number_of_links == 255){
504     xbt_assert(number_of_networks < 255, "Number of links and networks exceed 255*255");
505     number_of_links = 1;
506     number_of_networks++;
507   } else {
508     number_of_links++;
509   }
510 }