Файл: Инфокоммуникаций.pdf

51
Время прибытия следующей заявки, таким образом, определено, причем определено точно. Получается, что модель каждый раз в момент прихода очередной заявки узнает, когда появится следующая заявка, хотя в реальной системе момент появления следующей заявки, безусловно, неизвестен. Это необходимое допущение, принимаемое в имитационном моделировании, при длительном моделировании в статистическом смысле не влияет на адекватность модели реальной системе.
5.6 Обзор средс тв модел ирования для сенсорных сетей
Сенсо рные сети могут насчи тывать от сотни до тысячи узлов, котор ые собир ают инфор мацию, обраб атывают ее и при необх одимости отсыл ают устро йству сбора данных и приня тия решений.
В насто ящий момент стоим ость компо нентов сенсо рной сети доста точно велика, для того чтобы постр оить сеть для научн ых иссле дований, поэто му наибо лее эффек тивным средс твом для оценки показ ателей качес тва инфок оммуникационных систем являе тся имита ционное модел ирование. Для этой цели в насто ящее время разра ботано больш ое колич ество сетев ых симул яторов. Рассм отрим наибо лее распр остранённые из них.
5.7 Симул ятор NS – 2
NS - 2 – это сетев ой симул ятор дискр етных событ ий предн азначен для сенсо рных сетей. NS_2 симул ятор с откры тым исход ным кодом (Open Source softw are), он подде рживается и расши ряется огром ным колич еством польз ователей, досту пен для польз ования только под Linux, испол ьзует лицен зию GNU GPLv2. Этот симул ятор испол ьзуется для научн ых иссле дований, ведь эта среда основ ана на откры том исход ном коде. Имеет ся подде ржка мобил ьных сенсо рных сетей, станд артов 802.11 и 802.15.4. Ведь работа ведет ся с сенсо рными сетями, а данный пакет включ ает в себя множе ство основ ных модел ей энерг опотребления и очень близок к тем, котор ые испол ьзуются в реаль ных сенсо рных узлах. Сущес твует подде ржка алгор итмов маршр утизации в сенсо рных сетях. Также имеет ся подде ржка станд артных беспр оводных ad_hoc прото колов. На рис. 2.1 показан внешний вид диалогового окна.

52
Рис. 5.1 – Внешн ий вид диало гового окна – NS - 2
Следу ет упомя нуть, что в первых верси ях модели были реали зованы базов ые функц ии сетев ого уровня ZigBee, но поздн ее они были исклю чены из общего доступа, поско льку не в полной мере соотв етствовали данно му станд арту. В связи с этим на текущ ий момент можно испол ьзовать только сущес твующие в NS-2 прото колы маршр утизации, котор ые не до конца учиты вают особе нности беспр оводных сенсо рных сетей.
Докум ентации по приме нению симул ятора немного, мало обуча ющей литер атуры. Предл агается обращ аться к списку часто задав аемых вопро сов и анали зировать исход ный код модели [5].
5.8 Симул ятор OPNET Modeler
OPNET Model er (Optim ized Netwo rk Engin eering Tools) - мощная среда имита ционного модел ирования дискр етных событ ий и состо яний. Она включ ает множе ство библи отек сетев ых техно логий и прото колов связи, таких как TCP/IP, прото кол перед ачи гипер текста (HTTP), техно логия асинх ронного режима перед ачи (ATM) и Frame Relay, IP-QoS, 802.11 (Wi-Fi), ZigBee и др. Эти библи отеки поста вляют блоки для постр оения модел ей сетей. Одним из множе ства модулей, досту пных в OPNET Modeler, являе тся беспр оводной модуль. Он расши ряет функц иональность среды для имита ционного модел ирования и анали за беспр оводных сетей.
В версии OPNET Model er 14.0 досту пны модели узлов ZigBee, разра ботанные самой компа нией OPNET. При этом исход ный код модели сетев ого уровня и уровня прило жений скрыт от польз ователей. Досту пен только код модели нижне го уровня 802.15.4. Также сущес твует модель узлов-

53 сенсо ров с откры тым исход ным кодом, соотв етствующая станд арту IEEE
802.15.4, разра боткой, котор ой заним ается сообщ ество OPEN-ZB.
Также сущес твует модель узлов-сенсо ров с откры тым исход ным кодом, соотв етствующая станд арту IEEE 802.15.4, разра боткой, котор ой заним ается сообщ ество OPEN-ZB. Разные версии данной модели работ ают с OPNET
Model er 10.5 предс тавлены в табл. 5.1
Таблица 5.1
Сущес твующие модели OPEN-ZB для OPNET
OPEN-ZB модель
Дата выпуска
Версия OPNET
OPNET Simul ation Model v 3.0b
20.11.2009 15.0
OPNET Simul ation Model v 2.1 31.03.2009 14.5
OPNET Simul ation Model v 2.0 22.05.2007 11.5
OPNET Simul ation Model v 1.0 06.04.2006 10.5
Модель OPEN – ZB реали зует физич еский урове нь и урове нь досту па к среде, и соотв етствует станд арту IEEE 802.15.4. Версия модели 2.1 досту пна только топол огию звезда, где комму никации проис ходят между конеч ными устро йствами через центр альное устро йство, назыв аемое коорд инатором частн ой сети. В модели версии 2.1 сущес твует два типа узлов:
- wpan_analy zer_node - узел, котор ый собир ает глоба льные для частн ой сети стати стические данные;
- wpan_sensor_node – узел, котор ый реали зует прото колы связи станд арта
IEEE 802.15.4-2003.
Струк тура узла-сенсора, испол ьзованная в модели, состо ит и четыр ех функц иональных блоков:
- физич еский урове нь состо ит из радио передатчика (tx) и приём ника (rx), котор ые в соотв етствии со специ фикацией IEEE 802.15.4 работ ают на часто те
2,4 ГГц со скоро стью обмена данны ми 250 Кбит/сек. Мощно сть перед атчика устан овлена в 1мВт с модул яцией QPSK (Quadr ature Phase Shift Keying).
Физич еский урове нь реали зован при помощи уже сущес твующего в OPNET
Model er беспр оводного модуля с указа нием парам етров, соотв етствующих станд арту IEEE 802.15.4.
- урове нь досту па к среде реали зует алгор итм CSMA/CA с фикси рованными време нными слота ми ожида ния перед ачи (slott ed CSMA/CA) и механ изм гаран тированных време нных слотов (GTS). GTS трафик (т.е. трафик чувст вительный к скоро сти доста вки) прихо дящий от уровня прило жения сохра няется в буфере опред еленной ёмкос ти и перед ается в сеть, когда соотв етствующий време нной слот активен. Нечув ствительные к време ни

54 доста вки кадры данных сохра няются в неогр аниченном буфере и перед аются в сеть в течен ие перио да актив ной конку ренции, в соотв етствии с алгор итмом
CSMA/CA с фикси рованными време нными слота ми ожида ния перед ачи.
Данный урове нь также может генер ировать кадры марке ры для синхр онизации устро йств в сети, если узел работ ает в режиме коорд инатора.
Струк тура компо нентов узла-сенсора, испол ьзованная в модели OPEN –
ZB 2.1 предс тавлена на рис. 5.2.
Рис. 5.2 – Струк тура компо нентов модели OPEN – ZB 2.1
Модель доста точно хорошо докум ентирована, продо лжает дораб атываться и подде рживаться. Более подро бная харак теристика модели приве дена в техни ческом описа нии.
5.9 Симул ятор TOSSIM (TinyOS Simul ator)
TinyOS - система, специ ально разра ботанная для сенсо рных сетей. Она имеет компо нентную прогр аммную модель, описа нную на языке nesC. TinyOS не являе тся опера ционной систе мой в тради ционном поним ании. Это прогр аммная среда для встро енных систем и набор компо нентов, котор ые позво ляют созда вать имита ционные модели конкр етным прило жением, напри мер, таким как TOSSIM.

55
Как и в больш инстве других ОС, в TinyOS основ ным управ ляющим механ измом являе тся событие. Событ ие сигна лизирует о получ ении показ аний сенсора, о посту плении пакета данных по беспр оводной связи, о сраба тывании тайме ра или о завер шении вычис лений. Обраб отка аппар атного событ ия лежит в основе всех опера ций в TinyOS. Именно поэтому, для модел ирования работы узлов БСС необх одимо уметь имити ровать проис ходящие на них аппар атные события. Из этого следует, что основ ная задача TOSSIM — эмуля ция событ ий для БСС, моты котор ой работ ают под управ лением TinyOS
Симул ятор TOSSIM может модел ировать сети разме рностью до неско льких тысяч узлов, и анали зируя их, предс казывать повед ение сети с высок ой точно стью. Модел ируя сети с возмо жными помех ами и ошибк ами, симул ятор созда ет простую, но вместе с тем эффек тивную модель всево зможных взаим одействий узлов в сети. Описы вая малом ощную модель устро йств TinyOS, симул ятор модел ирует повед ение сенсо рного узла с больш ой досто верностью, описы вая его харак теристики и прово дя больш ое колич ество экспе риментов.
Для удобс тва разра ботчиков,
TOSSIM подде рживает графи ческий интер фейс польз ователя, обесп ечивая детал ьную визуа лизацию и воспр оизведение дейст вий запущ енной имита ционной модели.
Приве дем общие харак теристики эмуля тора TOSSIM:
- масшт абируемость — эмуля тор может модел ировать работу как отдел ьных мотов, так и огром ных сетей, состо ящих из неско льких тысяч узлов;
- полно та — эмуля тор в состо янии модел ировать разли чные схемы взаим одействия элеме нтов БСС, причем не только алгор итмы и сетев ые прото колы, но и измен яющуюся струк туру сенсо рной сети;
- точно сть — эмуля тор может предс тавлять повед ение сети с необх одимой точно стью. Опред еление точно го време ни насту пления событ ий важно, как для анализа, так и для тести рования прило жений для БСС;
- досто верность — эмуля тор реали зует адекв атный перех од от модел ируемой к реаль ной среде выпол нения прило жения, предо ставляя разра ботчику возмо жность тести ровать код, котор ый предн азначен для реаль ного обору дования.
В состав эмуля тора TOSSIM входят следу ющие элеме нты (рис. 2.3):
- очере дь событий;
- набор прогр аммных компо нентов, котор ые замен яют соотв етствующие аппар атные компо ненты реаль ных мотов;
- механ измы описа ния модел ей радио каналов и аналого-цифро вых преоб разователей (ADC);

56
- средс тва связи, предо ставляющие возмо жность внешн им прогр аммам взаим одействовать с эмуля тором.
На рис. 5.3 представлена архетектура эмулятора TOSSIM.
Рис. 5.3 - Архит ектура эмуля тора TOSSIM
Недос татками систе мы являе тся невоз можность симул яции гетер огенных сетей (любая комме рческая БСС – гетер огенная). Так же, не учиты вается расход заряда источ ника питания.
5.10 Симул ятор OMNeT++
OMNeT++ (Objec tive Modul ar Netwo rk Testb ed in C++) - среда имита ционного модел ирования дискр етных событ ий и состо яний с откры тым исход ным кодом, основ анная на компо нентах, котор ая стано вится всё более попул ярной. Основ ная облас ть приме нения - модел ирование сетей перед ачи данных, ИТ систем и бизнес проце ссов. Компо ненты OMNeT++ напис аны на
С++.
Симул ятор имеет графи ческие инстр ументы для созда ния модел ей и оценки резул ьтатов в режиме реаль ного времени. Модели прогр аммы собир аются из компо нентов множе ственного испол ьзования, назыв аемых

57 модул ями. Модули можно испол ьзовать много раз и объед инять по принц ипу блоков LEGO.
На базе рассм атриваемой среды модел ирования сущес твует библи отека
MiXiM, котор ая позво ляет созда вать модели беспр оводных сенсо рных сетей.
Внутр енняя струк тура узла предс тавлена на рис. 2.4. Сплош ные стрел ки обозн ачают прохо ждение сообщ ений между модул ями, а пункт ирные - интер фейс между ними с вызов ом прост ых функций.
Рис. 5.4 - Внутр енняя струк тура узла
Модель узла предс тавлена следу ющими модул ями:
1. Модуль управ ления сенсо рами - позво ляет генер ировать более реаль ный трафик в БСС, нежели просто испол ьзование генер аторов пакет ов данных, предл агаемых други ми модел ями.
2
Модуль прило жения чаще всего испол ьзуется польз ователями симул ятора для реали зации тести руемых алгор итмов. В симул яторе уже сущес твует неско лько прост ейших модул ей прило жения.
Напри мер, прило жение оценки пропу скной спосо бности сети.
3. Модуль связи - состо ит из трёх уровней:
- сетев ой урове нь - позво ляет реали зовать разли чные алгор итмы маршр утизации в беспр оводной сенсо рной сети. На текущ ий момент есть

58 готов ые прост ейшие алгор итмы маршр утизации (напри мер, маршр утизация по дереву).
- урове нь управ ления досту пом к середе, в том числе IEEE 802.15.4. В версии 3.1 реали зована основ ная часть задач уровня, описа нная в станд арте
IEEE 802.15.4-2006.
- физич еский уровень.
4. Модуль мобил ьности - хранит полож ение остал ьных узлов в сети и предо ставляет данные о полож ении узла модели радио канала.
5. Модуль управ ления ресур сами управ ляет разли чными ресур сами узла и наибо лее важным из них - потре бляемой энерг ией.
6. Модель радио канала учиты вает средн ие потери при распр остранении, измен ения сигна ла во времени, интер ференцию. Также есть возмо жность испол ьзовать модель идеал ьного радио канала.
Модули соеди няются между собой с помощ ью портов, и объед иняются в соста вные модули с испол ьзованием высок оуровневого языка прогр аммирования NED. Колич ество вводи мых модул ей неогр аниченно.
Модули связы ваются посре дством перед ачи сообщ ений, котор ые содер жат произ вольные струк туры данных. Модули могут перед авать сообщ ения по опред еленным портам и соеди нениям серве ру или непос редственно друг другу.
После днее, к примеру, полез но для модел ирования беспр оводных сетей. На рис. 2.5 представлен графический редактор NED.
Рис. 5.5 – Графи ческий NED редак тор
Проце сс модел ирования может работ ать в разли чных польз овательских интер фейсах. Графи чески аними рованный польз овательский интер фейс удобен

59 для демон страции и отлад ки сети, а интер фейс коман дной строки удобен для внесе ния измен ений.
Компо ненты OMNeT++:
1) корне вая библи отека модел ирования;
2) OMNeT ++ IDE на базе платф ормы Eclipse;
3) графи ческий интер фейс выпол няемого модел ирования, ссылки на испол няемый файл (Tkenv);
4) польз овательский интер фейс коман дной строки для выпол нения модел ирования (Cmdenv);
5) докум ентация, примеры.
OMNeT++ работ ает на базе самых распр остраненных опера ционных систем: (Linux, Mac OS/X, Windows).
5.11 Выбор средс тва модел ирования
В данном разде ле прово дится набор крите риев для оценки сравн ительный анализ испол ьзования прогр аммных проду ктов, предс тавленных выше для созда ния имита ционной модели беспр оводной сенсо рной сети (БСС) и прове рки ее парам етров.
В табл
5.2 приве дены общие сравн ительные харак теристики возмо жностей симул яторов.
Таблица 5.2
Сравн ительная харак теристика возмо жностей
Парам етр
NS-2
OMNeT++
OPNET
Model er (Open-
ZB)
Расчет потре бляемой мощно сти
+
+
-
Мобил ьность узлов
-
+
-
Соотв етствие специ фикации
ZigBee
-
+
-
Досту пность
+
+
-
Наибо лее персп ективными в плане дальн ейшей подде ржки и разви тия предс тавляется модель Omnet++. Особое внима ние необх одимо обрат ить на то,

60 что исход ный код являе тся откры тым и, что особе нно важно, в ней реали зованы основ ные функц ии сетев ого уровня ZigBee.Cреда модел ирования на основе, котор ой она постр оена, имеет также откры тый исход ный код и распр остраняется беспл атно для неком мерческого испол ьзования.
Модель же open-zb, к сожал ению, постр оена на базе очень дорог ого комме рческого проду кта OPNET Model er 10.5 и выше, беспл атного только для униве рситетов США.
5.12 Прогр аммная реали зация модели беспр оводной связи
Сцена рий модел ирования сети содер жит:
1. Роутер - выпол няет перед ачу данных, маршр утизирует пакеты.
2. Коорд инатор – форми рует сеть, задает настр ойки при подкл ючении прибо ра в сеть.
3. Узлы модулей - это и есть оконе чные устро йства, имеющ ие батар ейное питание. Узлы предс тавляют собой контр оллеры или датчики. Колич ество узлов в сети проек тируется в завис имости от потре бности конкр етного прило жения. На рис. 5.6 представлена визуализация сценария моделирования.
Рис. 5.6 – Визуа лизация сцена рия модел ирования
Работа роуте ра и коорд инатора заклю чается в орган изации соеди нений между хоста ми в сети.

61 5.13 Устан овка прогр аммного обесп ечения
MiXiM - являе тся фрейм ворком OMNeT++. MiXiM создан для модел ирования, разра ботанная для мобил ьных и фикси рованных беспр оводных сетей (беспр оводные сенсо рные сети, нател ьные компь ютерные сети, ad-hoc сетей, транс портных сетей и т. д.).
Для начала модел ирования в среде OMNET++ и MiXiM следу ет учесть следу ющие требо вания к опера ционной системе:
Подде рживаем платф ормы:
- Windo ws 7, 8 и XP;
- Mac OS X 10.7,10.8 и 10.9;
- Дистр ибутивы Linux
OMNET++ в свобо дном досту пе можно скача ть на сайте:
http://omnetpp.org.
MiXiM так же можно скача ть по следу ющее ссылке:
http://mixim.sourc eforge.net.
Для запус ка OMNET++ необх одимо скопи ровать архив omnetpp-4.5-
src.tgz в нужную дирек торию и распа ковать файлы. В папке найти и запус тить файл mingw env.cmd. Для устан овки OMNET++ вводим команду:
$ ./confi gure
На рис. 5.7 показана установка OMNET++.
Рис. 5.7 – Устан овка OMNET++
Далее необх одимо скомп илировать OMNET++.
Вводим коман ду $ make. На рис. 5.8 показана компиляция установочного файла.