NS2的分组包结构分析

本博客大部分内容都借鉴了别人的博客；现在把人家博客的网址发在这里：http://blog.csdn.net/bennyfun79/article/details/7050259

      原作者的博客已经写的很好，我这里做一些补充，希望把道理阐述的更清楚一些。

最近在做ns2的“反移植”工作，深入研究了一下NS2中包的结构，其定义主要在packet.h/cc中实现的，但是有许多代码是为了与TCL接口而设计的。其定义如下：

class Packet : public Event {
private:

 unsigned char* bits_; // header bits
 AppData* data_;  // variable size buffer for 'data'
....

};

 

不得不说，上面两个字段域是Packet最重要的动动，其中bits_存储包头结构，而data_存储用户自定义的数据。但是，NS2其实是一个大而全的仿真平台，它在仿真时其实是将所有或者大多数数据包放在一个包里面，即使当前用不到。比如我们建立一个仿真环境，用来测试两个节点的通过TCP建立连接，然后发送数据，理论上这个仿真中只涉及到TCP/IP的基本存储功能，即应该包括hdr_mac, hdr_ll, hdr_ip, hdr_cmn, hdr_tcp，但是实际得到的包应该如下：

hdr_iphdr_llhdr_comhdr_tcphdr_rtp...........data_

就是用来访问相应的字段，比如HDR_MAC(p)，即可以取得对应的域。而具体如何取则由hdr_***::access来实现。access是每一种包头都包含的，比如hdr_cmn:#define HDR_CMN(p)      (hdr_cmn::access(p))
#define HDR_ARP(p)      (hdr_arp::access(p))
#define HDR_MAC(p)      (hdr_mac::access(p))
#define HDR_MAC802_11(p) ((hdr_mac802_11 *)hdr_mac::access(p))
#define HDR_MAC_TDMA(p) ((hdr_mac_tdma *)hdr_mac::access(p))
#define HDR_SMAC(p)     ((hdr_smac *)hdr_mac::access(p))
#define HDR_LL(p)       (hdr_ll::access(p))
#define HDR_HDLC(p)     ((hdr_hdlc *)hdr_ll::access(p))
#define HDR_IP(p)       (hdr_ip::access(p))
#define HDR_RTP(p)      (hdr_rtp::access(p))
#define HDR_TCP(p)      (hdr_tcp::access(p))
#define HDR_SCTP(p)     (hdr_sctp::access(p))
#define HDR_SR(p)       (hdr_sr::access(p))
#define HDR_TFRC(p)     (hdr_tfrc::access(p))
#define HDR_TORA(p)     (hdr_tora::access(p))

 inline static hdr_cmn* access(const Packet* p) {
  return (hdr_cmn*) p->access(offset_);
 }
再看看包Packet的access函数，如下：

 inline unsigned char* access(int off) const {
       if (off < 0)     abort();
       return (&bits_[off]);
 }

到此，基本明白了，offset_其实是每个协议包头相对于packet开始的偏移值，通过这个偏移值即可确定其在整个包中的地址。

 

现在问题是，在哪个地方设置这个offset_值？在这里不妨作个猜想，这个offset_既然是协议分组的分组头，那我们就查看与分组头相关的类。这里我以RTP分组头为例来说明，与RTP分组头相关的类：hdr_rtp, RTPHeaderClass,  PacketHeaderClass.

struct hdr_rtp { 
u_int32_t srcid_;
int seqno_;
u_int16_t flags_; 
static int offset_;
inline static int& offset() { return offset_; }
inline static hdr_rtp* access(const Packet* p) {
return (hdr_rtp*) p->access(offset_);
}
};   //这个类定义在~ns/apps/rtp.h中

这里看不出什么，就是说offset_是个静态变量，也没有对它赋值。

class RTPHeaderClass : public PacketHeaderClass {
public: 
        RTPHeaderClass() : PacketHeaderClass("PacketHeader/RTP",
    sizeof(hdr_rtp)) {
bind_offset(&hdr_rtp::offset_);
}
} class_rtphdr;

class PacketHeaderClass : public TclClass {
protected:
PacketHeaderClass(const char* classname, int hdrsize);
virtual int method(int argc, const char*const* argv);
void field_offset(const char* fieldname, int offset);
inline void bind_offset(int* off) { offset_ = off; }
inline void offset(int* off) {offset_= off;}
int hdrlen_; // # of bytes for this header
int* offset_;// offset for this header
};

着重看我加粗的几行；可以发现RTPHeaderClass的构造函数作了两件事情：第一，调用了父类的构造函数（在本段下面附上的函数），把 sizeof(hdr_rtp)传给了父类，就是说把结构体hdr_rtp的大小赋值给PacketHeaderClass的int hdrlen_变量；第二，在结构体中调用了父类的 bind_offset(int* off)函数，参数是&hdr_rtp::offset_，这个参数是结构体hdr_rtp中静态变量offset_的地址，查看  inline void bind_offset(int* off) { offset_ = off; }可以发现，类PacketHeaderClass中的指针成员int* offset_指向结构体hdr_rtp的offset_变量。下面是PacketHeaderClass的构造函数：

PacketHeaderClass::PacketHeaderClass(const char* classname, int hdrlen) : 
TclClass(classname), hdrlen_(hdrlen), offset_(0)
{
}

经过上面的分析，我们可以这样认为：hdr_rtp中的变量offset_以及hdr_rtp的大小都转化到类PacketHeaderClass中了，但是在类PacketHeaderClass中并没有作什么处理。甚至连offset_都没初始化。

整理一下思路，是不是哪里出了问题。接触NS2也有一段时间了，也仔细分析过Mflood协议的代码，现在正在研究DSR协议的代码，发现一个问题：大家定义了协议的分组头，分组头里面含有静态offset_变量，协议中提取分组头也是直接使用上面提到过的access宏，但是从来没看到协议里初始化offset_变量。为了解决这个问题，又看了一遍《NS与网络模拟》这本书。后来得到了解答。

在~ns/tcl/lib/ns-packet.tcl中：（这是书上的内容，版本有点老，可能是基于NS2.27，我查看我自己安装的NS2.35发现其中部分代码已经作了更新，不过没问题，书上的东西能把道理讲清楚就行。下面我会对代码进行注释，因为看懂这几行代码很关键。）

PacketHeaderManager set hdrlen_ 0//在PacketHeaderManager中定义了变量hdrlen_，并把它赋值为0
PacketHeaderManager set tab_(Common) 1 //在PacketHeaderManager中定义了数组tab_，并把tab_中第common个元素赋值为1

proc add-packet-header args {                           //定义了函数add-packet-header参数为args，函数的作用是：将PacketHeaderManager中定义的
foreach cl $args {//数组tab_中第(PacketHeader/$cl)个元素赋值为1；下面这个函数被调用的时候，我再解释
PacketHeaderManager set tab_(PacketHeader/$cl) 1          //(PacketHeader/$cl)是什么东东。
}
}

...     ...

foreach prot {

AODV

ARP

... ...

} {

add-packet-header $prot//上面定义的函数被调用了；上面函数体中(PacketHeader/$cl)就是各种协议了；执行完这个代码块之后的效果

} //是：PacketHeaderManager中的tab_数组被初始化了，下标为各种协议的元素都初始化为1。（其实对于熟悉TCL语言的人来说，上面几行不解释应该也懂）

接着在ns-packet.tcl中找到了下面这个函数，下面的函数是在NS初始化的时候调用的。

Simulator instproc create_packetformat { } {  //在Simulator中定义了函数create_packetformat
 PacketHeaderManager instvar tab_           //上面提到过的的tab_数组
 set pm [new PacketHeaderManager] //创建了一个PacketHeaderManager
 foreach cl [PacketHeader info subclass] {  //这个循环体中的代码是关键，效果是：对于每一个PacketHeader的子类（就是前面的AODV等）

  if [info exists tab_($cl)] { //如果tab_数组对应下标的元素值是1，则将off的值赋值为 [$pm allochdr $cl]，（其实这就是协议
   set off [$pm allochdr $cl]//分组头在数据包中的偏移量）；之后执行PacketHeader子类的offset函数。
   $cl offset $off //上面说的是不是又看不懂了，没关系，我将附上allochdr的函数原型。
  }
 }
 $self set packetManager_ $pm
}

//这就是allochdr函数原型，就是这个函数计算出的协议分组头偏移量。上面调用此函数时参数是PacketHeader的子类（就是前面的AODV等）

PacketHeaderManager instproc allochdr cl {
set size [$cl set hdrlen_]//计算出分组头的大小
$self instvar hdrlen_//这个hdrlen_与上一句中的hdrlen_不一样，此句中的hdrlen_属于PacketHeaderManager，就是在上面初始化//为0那个
set NS_ALIGN 8//这一句以及下一句，是将分组头大小整理为双字对齐
set incr [expr ($size + ($NS_ALIGN-1)) & ~($NS_ALIGN-1)]
set base $hdrlen_//base的值被复制为PacketHeaderManager中的hdrlen_
incr hdrlen_ $incr//将PacketHeaderManager中的hdrlen_增加一个整理后的分组头大小
return $base//返回base
}

在这里整理一下上面的tcl语句的作用：NS中有很多分组头，每个分组头就是一个PacketHeader的子类，对应于tab_的某个下标（我这样表示tab_[rtp]，还是以rtp分组头为例）对应的元素值为1的时候（即tab_[rtp]=1），就为这个分组头分配一个偏移量，这个偏移量实际上是hdr_rtp的前面分组头大小的总和，当NS初始化的时候，这些工作自动完成。

上面在NS的tcl语言计算出来了offset的大小，使用 $cl offset $off将偏移量赋值给C++语言的PacketHeaderClass中的*offset；为什么$cl offset $off有这种作用？因为在PacketHeaderClass中的virtual int method(int argc, const char*const* argv)提供的命令，函数原型如下：

int PacketHeaderClass::method(int ac, const char*const* av)//这个method作用就像我们常见的command一样
{
Tcl& tcl = Tcl::instance();
int argc = ac - 2;
const char*const* argv = av + 2;
if (argc == 3) {
if (strcmp(argv[1], "offset") == 0) {      //就是这个if语句体中，提供的这个功能，
if (offset_) {
*offset_ = atoi(argv[2]);   
return TCL_OK;
}
tcl.resultf("Warning: cannot set offset_ for %s",
   classname_);
return TCL_OK;
}
}
else if (argc == 2) {
if (strcmp(argv[1], "offset") == 0) {
if (offset_) {
tcl.resultf("%d", *offset_);
return TCL_OK;
}
}
}
return TclClass::method(ac, av);
}

至此为止，应该所有问题都清楚了；如果你还不清楚的话，请你仔细阅读上面的tcl语句。

下面我仍然将原作者的博客的后面部分放上去，作为结尾。

 应该是在这个地方实现了offset的初始化，换句话说，是在这个地方指定每个包的offset。设置断点并打印，证实了我的猜想：

PacketHeader/PBC has offset 0 
PacketHeader/LRWPAN has offset 8 
PacketHeader/XCP has offset 216 
PacketHeader/PGM has offset 272 
PacketHeader/PGM_SPM has offset 288 
PacketHeader/PGM_NAK has offset 296 
PacketHeader/Pushback has offset 312 
PacketHeader/NV has offset 320 
PacketHeader/LDP has offset 328 
PacketHeader/MPLS has offset 368 
PacketHeader/rtProtoLS has offset 392 
PacketHeader/Ping has offset 400 
PacketHeader/TFRC has offset 424 
PacketHeader/TFRC_ACK has offset 480 
PacketHeader/Diffusion has offset 544 
PacketHeader/RAP has offset 736 
PacketHeader/AOMDV has offset 760 
PacketHeader/AODV has offset 1568
PacketHeader/SR has offset 2376 
PacketHeader/TORA has offset 3088 
PacketHeader/IMEP has offset 3120 
PacketHeader/ARP has offset 3632 
PacketHeader/MIP has offset 3664 
PacketHeader/IPinIP has offset 3696 
PacketHeader/LL has offset 3704 
PacketHeader/Mac has offset 3736 
PacketHeader/Encap has offset 3776 
PacketHeader/HttpInval has offset 3784 
PacketHeader/SRMEXT has offset 3792 
PacketHeader/SRM has offset 3800 
PacketHeader/aSRM has offset 3816 
PacketHeader/mcastCtrl has offset 3824 
PacketHeader/CtrMcast has offset 3848 
PacketHeader/rtProtoDV has offset 3864 
PacketHeader/GAF has offset 3872 
PacketHeader/Snoop has offset 3880 
PacketHeader/SCTP has offset 3904 
PacketHeader/TCPA has offset 3912
PacketHeader/TCP has offset 3928 
PacketHeader/IVS has offset 4008 
PacketHeader/RTP has offset 4040 
PacketHeader/Message has offset 4056 
PacketHeader/Resv has offset 4120 
PacketHeader/QS has offset 4136 
PacketHeader/UMP has offset 4152 
PacketHeader/Src_rt has offset 4168 
PacketHeader/IP has offset 4248 
PacketHeader/Common has offset 4280 
PacketHeader/Flags has offset 4384

实际上，每个包的offset应该为sizeof(hdr_***)。为了验证，写了一个程序测试。比如hdr_ip,

typedef int32_t nsaddr_t; 
typedef int32_t nsmask_t;

/* 32-bit addressing support */
struct ns_addr_t {
 int32_t addr_;
 int32_t port_;
};

struct hdr_ip {
 /* common to IPv{4,6} */
 ns_addr_t src_;
 ns_addr_t dst_;
 int  ttl_;

 /* Monarch extn */
  u_int16_t sport_;
  u_int16_t dport_;
 
 /* IPv6 */
 int  fid_; /* flow id */
 int  prio_;

 static int offset_;
 inline static int& offset() { return offset_; }

 /* per-field member acces functions */
 ns_addr_t& src() { return (src_); }
 nsaddr_t& saddr() { return (src_.addr_); }
        int32_t& sport() { return src_.port_;}

 ns_addr_t& dst() { return (dst_); }
 nsaddr_t& daddr() { return (dst_.addr_); }
        int32_t& dport() { return dst_.port_;}
 int& ttl() { return (ttl_); }
 /* ipv6 fields */
 int& flowid() { return (fid_); }
 int& prio() { return (prio_); }
};

int main(int argc, char* argv[])
{

    printf("ip: %d\n", sizeof(hdr_ip));
    printf("tora: %d\n", sizeof(hdr_tora));

    getch();
     return 0;

}
程序的输出验证我的猜想。

packet.h的下面定义则实现了两者间的绑定：

class PacketHeaderClass : public TclClass {
protected:
 PacketHeaderClass(const char* classname, int hdrsize);
 virtual int method(int argc, const char*const* argv);
 void field_offset(const char* fieldname, int offset);
 inline void bind_offset(int* off) { offset_ = off; }
 inline void offset(int* off) {offset_= off;}
 int hdrlen_;  // # of bytes for this header
 int* offset_;  // offset for this header
public:
 virtual void bind();
 virtual void export_offsets();
 TclObject* create(int argc, const char*const* argv);
};