NS3内核之模拟器仿真模式

在 ns-3 中，仿真模式决定了仿真器如何管理事件调度和时间的推进方式。目前 ns-3 支持以下四种仿真模式。
GitHub上也有大能自己开发了模拟器调度，如定义节点本地时钟，模拟器按各节点时钟进行调度等方式。

1. Default 模式（离散事件驱动模式）

• 核心机制：
  Default 模式是 ns-3 的默认仿真模式，基于离散事件驱动（Discrete Event Simulation, DES）。事件按照时间戳顺序依次执行，仿真时间按事件顺序推进，而非真实时间。
• 特点：
  • 事件队列：所有事件（如数据包发送、定时器触发）按时间戳顺序存入全局队列。
  • 虚拟时间：仿真时间与真实时间无关，可能远快于真实时间。
  • 单线程执行：事件按顺序处理，无并行性。
• 适用场景：
  • 通用网络仿真（如协议分析、拓扑性能测试）。
  • 不需要与真实时间或外部硬件交互的场景。
• 优点：
  • 简单高效，适用于中小规模仿真。
  • 仿真速度仅取决于 CPU 性能和事件复杂度。

2. Realtime 模式（实时同步模式）

• 核心机制：
  Realtime 模式在 Default 模式基础上添加实时同步机制，强制仿真时间与真实时间对齐。仿真器会在处理每个事件后等待，确保虚拟时间与真实时间的流逝速度一致。

• 特点：

  • 时间对齐：虚拟时间 1 秒 ≈ 真实时间 1 秒。
  • 事件调度延迟补偿：若事件处理超时，仿真器会发出警告（如 NS_LOG_REALTIME）。
  • 高精度时钟：依赖系统的高精度时钟（如 Linux 的 clock_nanosleep）。

• 适用场景：

  • 硬件在环测试（HIL, Hardware-in-the-Loop）。
  • 需要与实际设备（如传感器、路由器）交互的仿真。

• 优点：

  • 支持与真实世界的时间同步。
  • 可用于验证实时性敏感的系统（如工业控制网络）。

• 缺点：

  • 仿真速度受限于真实时间，大规模仿真耗时较长。
  • 对操作系统时钟精度敏感（需避免系统时钟漂移）。

3. Distributed 模式（分布式仿真模式）

• 核心机制：
  Distributed 模式通过 MPI（Message Passing Interface） 将仿真任务分配到多个计算节点，支持并行执行事件。每个节点管理局部事件队列，并通过消息传递协调全局状态。
• 特点：
  • 并行计算：利用多台机器加速大规模仿真。
  • 分区模型：节点间的拓扑需预先划分（如按子网、地理位置）。
  • 通信开销：节点间同步状态可能引入延迟。
• 适用场景：
  • 超大规模网络仿真（如城市级物联网、互联网骨干网）。
  • 需要横向扩展计算资源的场景。
• 优点：
  • 突破单机资源限制，支持海量节点仿真。
  • 可结合高性能计算集群（HPC）。
• 缺点：
  • 实现复杂，需手动分区拓扑。
  • 通信和同步开销可能抵消并行化收益。
• 依赖条件：
  • 需安装 MPI 库（如 OpenMPI、MPICH）。
  • 需在编译 ns-3 时启用分布式支持（--enable-distributed）。

4. Null-Message 模式（保守同步并行模式）

• 核心机制：
  Null-Message 模式是一种基于保守同步的并行仿真方法，属于分布式仿真的变种。通过发送“空消息”（Null Message）确保各并行线程的事件执行顺序安全，避免死锁。
• 特点：
  • 保守同步：线程需确保本地事件时间戳不大于其他线程的最小时间戳。
  • 空消息：不含实际数据的消息，仅用于传递时间戳信息。
  • 低死锁风险：通过时间戳协调，避免因果错误（Causality Error）。
• 适用场景：
  • 并行仿真中需要严格事件顺序的场景。
  • 拓扑具有明确分区的网络（如分层协议栈）。
• 优点：
  • 安全的事件并行处理。
  • 避免乐观同步（如 Time Warp）的回滚开销。
• 缺点：
  • 空消息可能增加通信开销。
  • 实现复杂度高，需精细调整分区策略。

5. 如何选择仿真模式？

1. Default 模式：
   • 适用于 90% 的常规仿真需求，无需复杂配置。
2. Realtime 模式：
   • 仅在与真实设备交互时使用（如 HIL）。
3. Distributed/Null-Message：
   • 当单机性能不足时选择，需权衡分区策略和通信开销。

6. 配置示例

在仿真脚本中指定仿真器类型：

// 使用 Realtime 模式
GlobalValue::Bind("SimulatorImplementationType", StringValue("ns3::RealtimeSimulatorImpl"));

// 使用 Distributed 模式（需 MPI 环境）
GlobalValue::Bind("SimulatorImplementationType", StringValue("ns3::DistributedSimulatorImpl"));

// 使用 Null-Message 模式
GlobalValue::Bind("SimulatorImplementationType", StringValue("ns3::NullMessageSimulatorImpl"));