【ns-3】基于FlowMonitor 实现：统计包时延、丢包率、流完成时间（FCT）、流吞吐量、网络吞吐量指标

zq.xidian

已于 2025-04-14 22:09:51 修改

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分类专栏： ns-3 文章标签：网络 ns-3 开源软件仿真测试

于 2024-10-15 21:53:18 首次发布

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一，平均包时延统计函数

FlowMonitor是NS-3中的一个模块，用于监视网络流量，并收集关于数据流的各种统计数据。这些统计数据可以用来评估网络协议或应用的性能。FlowMonitor提供了统一的接口来访问流量相关的度量，如吞吐量、时延、丢包率等。

在执行脚本中可以写入如下平均包时延计算代码，它的原理是遍历FlowMonitor统计的每一条流，其中记录的流中每个包时延信息的总和在it.second.delaySum中，累加记录到delaySum中，将它除以每条流的接收数据包的数目it.second.rxPackets的总和packetnum，可以得到总的平均包时延。

void ComputePacketDelay(Ptr<FlowMonitor> fm)
{
  // 获取统计结果
  FlowMonitor::FlowStatsContainer flowStats = fm->GetFlowStats();

  double delaySum = 0.0;
  int packetnum = 0;

  // 计算每个流的数据包时延
  for (auto it : flowStats)
  {
    if (it.second.txPackets > 0 && it.second.rxPackets > 0)
    {
      // 计算平均时延
      packetnum += it.second.rxPackets;
      delaySum += it.second.delaySum.GetSeconds();
    }
  }


  double overallAverageDelay = delaySum / packetnum * 1000;

  // 计算总体平均包时延
  std::cout << "Overall Average Packet Delay: " << overallAverageDelay << " ms" << std::endl;
}

在main函数中，仿真开始前为所有节点安装FlowMonitor，在仿真结束后可以执行统计函数输出统计结果。
在这里插入图片描述

  FlowMonitorHelper fmHelper;//安装流监控器
  Ptr<FlowMonitor> fm = fmHelper.InstallAll();

  Simulator::Stop (Seconds(1500));
  Simulator::Run ();
  Simulator::Destroy ();
	
  //统计函数
  ComputePacketDelay(fm);

  return 0;

二，丢包率统计函数

在执行脚本中可以写入如下丢包率计算代码，它的原理是遍历FlowMonitor统计的每一条流，其中记录的流中发送包的数目在it.second.txPackets中，减去记录的被接收的包数量it.second.rxPackets即可得到丢包数目，除以总发包数即为丢包率。

void ComputePacketLossRate(Ptr<FlowMonitor> fm)
{
  // 获取统计结果
  FlowMonitor::FlowStatsContainer flowStats = fm->GetFlowStats();

  uint32_t totalSentPackets = 0;
  uint32_t totalReceivedPackets = 0;

  // 计算每个流的数据包发送和接收数量
  for (auto it : flowStats)
  {
    if (it.second.txPackets > 0)
    {
      totalSentPackets += it.second.txPackets;
      totalReceivedPackets += it.second.rxPackets;
    }
  }

  // 计算丢包率
  uint32_t lostPackets = totalSentPackets - totalReceivedPackets;
  double packetLossRate = static_cast<double>(lostPackets) / totalSentPackets * 100.0;

  std::cout << "Total Sent Packets: " << totalSentPackets << std::endl;
  // std::cout << "Total Received Packets: " << totalReceivedPackets << std::endl;
  // std::cout << "Lost Packets: " << lostPackets << std::endl;
  std::cout << "Packet Loss Rate: " << packetLossRate << "%" << std::endl;
}

在脚本中的使用方法同包时延计算函数。

  FlowMonitorHelper fmHelper;//安装流监控器
  Ptr<FlowMonitor> fm = fmHelper.InstallAll();

  Simulator::Stop (Seconds(1500));
  Simulator::Run ();
  Simulator::Destroy ();
	
  //统计函数
  ComputePacketLossRate(fm);

  return 0;

三，流完成时间统计函数

在执行脚本中可以写入如下流吞吐量计算代码，它的原理是遍历FlowMonitor统计的每一条流，其中记录的流中收到最后一个包it.second.timeLastRxPacket减去第一个包发送的时间it.second.timeFirstTxPacket可以得到流完成时间。

void ComputeFlowCompleteTime(FlowMonitorHelper &fmHelper, Ptr<FlowMonitor> fm)
{
  // 获取统计结果
  FlowMonitor::FlowStatsContainer flowStats = fm->GetFlowStats();

  // 计算完成时间
  double totalThroughput = 0.0;
  double fct = 0;
  int validFlows = 0;
  for (auto it : flowStats)
  {
    if (it.second.txBytes > 0)
    {
      fct += (it.second.timeLastRxPacket - it.second.timeFirstTxPacket).GetSeconds ()*1e3;//单位为毫秒
      validFlows++;
    }
  }

  std::cout << "FCT: " << fct/validFlows << " ms" << std::endl;
}

在脚本中的使用方法同包时延计算函数。

  FlowMonitorHelper fmHelper;//安装流监控器
  Ptr<FlowMonitor> fm = fmHelper.InstallAll();

  Simulator::Stop (Seconds(1500));
  Simulator::Run ();
  Simulator::Destroy ();
	
  //统计函数
  ComputeFlowCompleteTime(fmHelper, fm);

  return 0;

四，流吞吐量统计函数

在执行脚本中可以写入如下流吞吐量计算代码，它的原理是遍历FlowMonitor统计的每一条流，其中记录的流中收到最后一个包it.second.timeLastRxPacket减去第一个包发送的时间it.second.timeFirstTxPacket可以得到流完成时间，用流的接收数据量it.second.rxBytes（单位是B字节，记得乘以8换算成bytes）除以流完成时间，即可得到流吞吐量。

void ComputeFlowThroughput(FlowMonitorHelper &fmHelper, Ptr<FlowMonitor> fm)
{
  // 获取统计结果
  FlowMonitor::FlowStatsContainer flowStats = fm->GetFlowStats();

  // 计算总吞吐量
  double totalThroughput = 0.0;
  int validFlows = 0;
  for (auto it : flowStats)
  {
    if (it.second.txBytes > 0)
    {
      // 确保时间间隔非零
      Time duration = it.second.timeLastRxPacket - it.second.timeFirstTxPacket;
      if (duration.GetSeconds() > 0)
      {
        double throughput = it.second.rxBytes * 8.0 / duration.GetSeconds() / 1024 / 1024; // 比特转换为Mbps
        totalThroughput += throughput;
        //std::cout << "Flow ID: " << it.first << ", Throughput: " << throughput << " Mbps" << std::endl;
      }
      validFlows++;
    }
  }

  std::cout << "Total Network Throughput: " << totalThroughput << " Mbps" << std::endl;
  std::cout << "Avg Network Throughput: " << totalThroughput/validFlows << " Mbps" << std::endl;
}

在脚本中的使用方法同包时延计算函数。

  FlowMonitorHelper fmHelper;//安装流监控器
  Ptr<FlowMonitor> fm = fmHelper.InstallAll();

  Simulator::Stop (Seconds(1500));
  Simulator::Run ();
  Simulator::Destroy ();
	
  //统计函数
  ComputeFlowThroughput(fmHelper, fm);

  return 0;

五，网络吞吐量指标

网络吞吐量一般被定义为网络单位时间内接收到的数据量，首先统计接收总数据量，是流接收量it.second.rxBytes的累加，之后计算最大的it.second.timeLastRxPacket，为网络收到最后一个包的时间，总接收量除以完成时间即可得到网络吞吐量。

void ComputeNetThroughput(FlowMonitorHelper &fmHelper, Ptr<FlowMonitor> fm)
{
  // 获取统计结果
  FlowMonitor::FlowStatsContainer flowStats = fm->GetFlowStats();

  // 计算总吞吐量
  double totalrxbyte = 0.0;
  double lastfct = 0;
  for (auto it : flowStats)
  {

    if (it.second.txBytes > 0)
    {
      // 确保时间间隔非零
      Time duration = it.second.timeLastRxPacket - it.second.timeFirstTxPacket;
      if (duration.GetSeconds() > 0)
      {
        double rxbyte = it.second.txBytes * 8.0; // 比特
        totalrxbyte += rxbyte;
      }

      if(it.second.timeLastRxPacket.GetSeconds() > lastfct){
        lastfct = it.second.timeLastRxPacket.GetSeconds();
      }
    }
  }

  std::cout << "Network Throughput: " << totalrxbyte/lastfct/1024/1024 << "Mbps" << std::endl;
  
}

在脚本中的使用方法同包时延计算函数。

  FlowMonitorHelper fmHelper;//安装流监控器
  Ptr<FlowMonitor> fm = fmHelper.InstallAll();

  Simulator::Stop (Seconds(1500));
  Simulator::Run ();
  Simulator::Destroy ();
	
  //统计函数
  ComputeNetThroughput(fmHelper, fm);

  return 0;