ns3-gym入门（一）：代码结构和简单例子

Whatever222222

已于 2024-07-15 17:46:12 修改

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文章标签： linux ns3-gym c++ ns3 opengym 强化学习

于 2024-07-12 17:00:23 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zoe2222226666/article/details/140361602

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ns3-gym真的好难学，网上可以参考的例子也太少了，如果有用这个做路由的麻烦联系我交流一下吧，太痛苦了

一、安装
之前的文章已经提到过了，这里不赘述了

二、运行简单的例子

用两个终端的方式运行感觉更加直观，但是仍然有些坑：

Terminal 1：最好用sudo模式，可能是哪里的权限不够，反正我只用waf指令时好时坏，也是挺神奇的，这里实际上是在运行/contrib/opengym/examples/目录下，"opengym"文件夹里的"sim.cc"，在后续更复杂的例子里，其实ns3环境是配置在"mygym.cc"里面的，最终通过头文件"mygym.h"被"sim.cc"调用
Terminal 2：Ubuntu 20.04自带的protobuf版本相对低了一点，直接运行会报错，所以在运行时先设置环境变量PROTOCOL_BUFFERS_PYTHON_IMPLEMENTATION=python。这里是执行/contrib/opengym/examples/目录下，"opengym"文件夹对应的test.py

# Terminal 1
cd ~/ns-allinone-3.35/ns-3.35
sudo ./waf --run "opengym"

# Terminal 2
cd ~/ns-allinone-3.35/ns-3.35/contrib/opengym/examples/opengym/
PROTOCOL_BUFFERS_PYTHON_IMPLEMENTATION=python ./test.py --start=0

三、例子代码详解
整体的代码结构图如下，摘自对应的论文。这里的接口主要用的是ZMQ Socket通信，另一个ns3-ai用的是共享内存的方法，据说会比ns3-gym快100倍，但是资料也不多，有时间再试一下

1.基本的接口
python端：

import gym
import ns3gym
import MyAgent
from ns3gym import ns3env

#env = gym.make('ns3-v0')  <--- causes some errors with the new OpenAI Gym framework, please use ns3env.Ns3Env()
env = ns3env.Ns3Env()
obs = env.reset()
agent = MyAgent.Agent()

while True:
  action = agent.get_action(obs)
  obs, reward, done, info = env.step(action)

  if done:
    break
env.close()

ns3端：

Ptr<OpenGymSpace> GetObservationSpace();
Ptr<OpenGymSpace> GetActionSpace();
Ptr<OpenGymDataContainer> GetObservation();
float GetReward();
bool GetGameOver();
std::string GetExtraInfo();
bool ExecuteActions(Ptr<OpenGymDataContainer> action);

2.Example1:"opengym"详解
        这个需要sim.cc和test.py对照着来看，懒得打字了，我直接把关键的函数、属性、两个端口的交互画在纸上了：

        首先初始化环境会有一个observation(step0)，然后每一轮按照action-obs+reward+done+info的方式迭代(step++)，迭代是否结束是sim.cc里面的done布尔值决定的。
        obs收集到的状态是在(low, high)范围内生成的5个随机数，reward是每次迭代+1(我后来改成了reward=action)，action是在离散空间下的[0,1,2,3,4]，agent通过sample随机选择动作。
        这里还需要对相应的数据类型有一些了解：

我稍微改动了一下代码，让每一轮迭代更清晰了一些。
python端：

ns3端：

PS. 这里和普通的gym环境不太一样：在sim.cc里定义的各个空间函数属性不能改，这个应该是定义在如下的接口回调函数里了，要实现什么功能在对应的函数内部改动就行

  // OpenGym Env
  Ptr<OpenGymInterface> openGym = CreateObject<OpenGymInterface> (openGymPort);
  openGym->SetGetActionSpaceCb( MakeCallback (&MyGetActionSpace) );
  openGym->SetGetObservationSpaceCb( MakeCallback (&MyGetObservationSpace) );
  openGym->SetGetGameOverCb( MakeCallback (&MyGetGameOver) );
  openGym->SetGetObservationCb( MakeCallback (&MyGetObservation) );
  openGym->SetGetRewardCb( MakeCallback (&MyGetReward) );
  openGym->SetGetExtraInfoCb( MakeCallback (&MyGetExtraInfo) );
  openGym->SetExecuteActionsCb( MakeCallback (&MyExecuteActions) );
  Simulator::Schedule (Seconds(0.0), &ScheduleNextStateRead, envStepTime, openGym);

3.Example2:"opengym-2"详解

运行指令和之前一毛一样，只需要需修改代码路径，还是最好开两个终端（有时候ns3会突然发疯报错，我什么代码都没改它也报错。。。这个时候多半是终端卡住了，新建终端，先重新编译再输入指令就行）

sudo ./waf configure --enable-test --enable-examples
sudo ./waf build

# Terminal 1
cd ~/ns-allinone-3.35/ns-3.35
sudo ./waf --run "opengym-2"

# Terminal 2
cd ~/ns-allinone-3.35/ns-3.35/contrib/opengym/examples/opengym-2/
PROTOCOL_BUFFERS_PYTHON_IMPLEMENTATION=python ./test.py --start=0

这个比较特别的是把ns3仿真环境单独写成了mygym.cc，再在sim.cc里面通过头文件mygym.h进行引用，其实具体的obs\reward\action定义都和"opengym"差不多，只是用到了更丰富的数据类型。后面如果要用到比较复杂的ns3环境的话，估计也会这样写更方便调试。
sim.cc（不再具体创建环境了，只是定义一些宏观的参数）:

  // OpenGym Env
  Ptr<OpenGymInterface> openGymInterface = CreateObject<OpenGymInterface> (openGymPort);
  Ptr<MyGymEnv> myGymEnv = CreateObject<MyGymEnv> (Seconds(envStepTime));
  myGymEnv->SetOpenGymInterface(openGymInterface);

mygym.h（创建一个自定义的 Gym 环境类，该类继承自OpenGymEnv）：

class MyGymEnv : public OpenGymEnv
{
public:
  MyGymEnv ();
  MyGymEnv (Time stepTime);
  virtual ~MyGymEnv ();
  static TypeId GetTypeId (void);
  virtual void DoDispose ();

  Ptr<OpenGymSpace> GetActionSpace();
  Ptr<OpenGymSpace> GetObservationSpace();
  bool GetGameOver();
  Ptr<OpenGymDataContainer> GetObservation();
  float GetReward();
  std::string GetExtraInfo();
  bool ExecuteActions(Ptr<OpenGymDataContainer> action);

private:
  void ScheduleNextStateRead();

  Time m_interval;
};

mygym.cc(对应mygym.h分别进行定义，这里只把和"opengym/sim.cc"不一样的地方贴出来了，后面依然是对各个要素空间的定义，用到了tuple\dict两种数据类型):

MyGymEnv::MyGymEnv ()
{
  NS_LOG_FUNCTION (this);
  m_interval = Seconds(0.1);

  Simulator::Schedule (Seconds(0.0), &MyGymEnv::ScheduleNextStateRead, this);
}

MyGymEnv::MyGymEnv (Time stepTime)
{
  NS_LOG_FUNCTION (this);
  m_interval = stepTime;

  Simulator::Schedule (Seconds(0.0), &MyGymEnv::ScheduleNextStateRead, this);
}

void
MyGymEnv::ScheduleNextStateRead ()
{
  NS_LOG_FUNCTION (this);
  Simulator::Schedule (m_interval, &MyGymEnv::ScheduleNextStateRead, this);
  Notify();
}

MyGymEnv::~MyGymEnv ()
{
  NS_LOG_FUNCTION (this);
}

TypeId
MyGymEnv::GetTypeId (void)
{
  static TypeId tid = TypeId ("MyGymEnv")
    .SetParent<OpenGymEnv> ()
    .SetGroupName ("OpenGym")
    .AddConstructor<MyGymEnv> ()
  ;
  return tid;
}

void
MyGymEnv::DoDispose ()
{
  NS_LOG_FUNCTION (this);
}

这两个简单的例子其实重在展示基础的交互过程和丰富的数据类型，并没有涉及到强化学习的内核，比如说reward如何基于state(obs)和action定义，action又是怎么作用于state的，要与具体的网络环境耦合还需要更深层次的探索