Trong thiết kế phần mềm (còn được gọi là chuyển đổi mô hình), mô hình mô phỏng được phát triển bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó. Trong đồ án này, việc mô phỏng mạng cảm biến được thực hiện trên phần mềm mô phỏng mạng NS-2 đã mở rộng cho môi trường mạng cảm biến. Do đó, phần tiếp theo sẽ trình bày về phần mềm NS-2 và phần mở rộng NRL’Sensorsim trên NS-2 cho mô phỏng mạng cảm biến
3.2.1 Phần mềm NS-2
a/ Giới thiệu NS-2
NS-2 là chương trình mô phỏng mạng theo phương pháp mô phỏng các sự kiện rời rạc. NS-2 hỗ trợ mô phỏng mạng có dây và không dây, TCP, UDP , các giao thức truyền thông điểm-đa điểm và định tuyến khác,.v.v. NS-2 được viết bằng C++ và ngôn ngữ hướng đối tượng Tcl (Otcl: object-oriented tool command language).
NS-2 có một lịch sử khá dài, bắt nguồn từ các phần mềm REAL của UCB (1989) và NEST của Colombia (1992). Đến năm 1995, NS-2 được phát triển trong dự án VINT (Virtual InterNet Testbed hay nền kiểm thử Internet ảo).
VINT là dự án hợp tác giữa AT&T Reseach, Lawrence Berkeley National Laboratory, ETH TIK, Xerox PARC, UCB-Berkeley và USC/ISI. Hiện nay, Ns đang tiếp tục được phát triển trong các dự án SAMAN và CONSER, cùng với sự hợp tác của nhiều nhà nghiên cứu và ACIRI. Những tổ chức đã đóng góp đáng kể vào NS-2 là UCB Daeledus, UMU Monarch và Sun MicroSystems.
So với các phần mềm mô phỏng mạng khác, NS-2 có những ưu thế sau:
- NS-2 có mã nguồn mở miễn phí.
- NS-2 có kiến trúc mở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng
- NS-2 được phát triển từ các phần mềm nổi tiếng trên thế giới như REAL, NEST nên nó có những điểm mạnh và đã khắc phục được những yếu điểm của các phần mềm này
- NS-2 hỗ trợ các tính năng cơ bản của mạng IP, từ đó có thể phát triển thêm các phần tử mạng.
- NS-2 có cấu trúc module, rất thuận tiện cho việc nghiên cứu tìm hiểu và phát triển.
Nhìn từ phía người sử dụng , NS-2 là chương trình biên dịch mã Otcl được liên kết tới thư viện C++ . Các đối tượng cơ sở như tcp, CBR,..được xây dựng trong C++. Đầu vào NS-2 là tập mã lệnh Otcl , đầu ra là các tập tin mô phỏng tiến trình theo yêu cầu được thể hiện trong tập lệnh Otcl.
Hình 3.9: Cấu trúc chương trình NS-2
Kết quả mô phỏng có thể quan sát bằng hình ảnh mô tả trực quan với ứng dụng Nam (the Network Animator) , bằng đồ thị (sử dụng Xgraph) hoặc có thể được xử lý bằng các tập lệnh tuỳ chọn. Với cấu trúc này, việc sử dụng NS-2 trở lên đơn giản hơn nhiều so với sử dụng trực tiếp C++ nhưng vẫn có được những tính năng của C++.
Với những đặc điểm trên, NS-2 thực sự là một công cụ phần mềm hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu mạng thông tin, giúp cho việc thực hành mạng trở lên hiệu quả hơn.
b/ Cơ chế hoạt động của phần mềm NS-2
Hoạt động của NS-2 được chia thành hai phần là phần dữ liệu (được xây dựng trong C++) và phần điều khiển (được xây dựng trong Otcl). Để giảm thời gian xử lý gói và sự kiện, thời biểu sự kiện và các đối tượng thành phần mạng cơ bản trong phần số liệu được viết và biên dịch bằng C++. Các đối tượng được biên dịch này được tạo sẵn và được liên kết tới Otcl qua bộ thông dịch Otcl. Mỗi đối tượng C++ này được điều khiển và được thiết lập các tham số thông qua một đối tượng điều khiển tương ứng trong Otcl. Các đối tượng C++ không cần điều khiển hoặc chỉ hoạt động nội tại trong phần C++ thì không cần liên kết đến Otcl.
Tương tự, cũng có một số đối tượng (không nằm trong phần dữ liệu) có thể hoạt động hoàn toàn chỉ trong Otcl. Các đối tượng điều khiển trong Otcl được ánh xạ
NS-2 Tập lệnh
Otcl (mã nguồn)
Chương trình biên dịch
Otcl
Kết quả mô phỏng
Các thư viện C++
1-1 tới các đối tượng cần điều khiển trong C++. Như vậy, cấu trúc phân cấp các đối tượng này trong hai phần C++ và Otcl là tương tự nhau. Quan hệ giữa C++
và Otcl được minh họa trên hình 3.10.
Hình 3.10: Tính đối ngẫu giữa C++ và Otcl
Hình 3.11 chỉ ra kiến trúc NS-2. Trong kiến trúc này, người sử dụng (không phải người phát triển NS-2) ở vị trí góc dưới bên trái. Dữ liệu đầu vào là tập lệnh Otcl được phân tích bởi lớp Tcl. Việc thiết lập và chạy mô phỏng trong Tcl sử dụng các đối tượng trong thư viện Otcl. Thời biểu các sự kiện và hầu hết các thành phần mạng hoạt động trong C++ và được liên kết tới Otcl. Việc này được thực hiện bởi lớp tclcl.
Hình 3.11: Kiến trúc tổng quan của NS-2
Chương trình NS-2 có nhiều phiên bản chạy trên các hệ điều hành khác nhau và với các yêu cầu cài đặt khác nhau. Trong đồ án này, phiên bản ns-allinone- 2.27, chạy trên Windows trong môi trường Cygwin/X được sử dụng để tìm hiểu một số các tính chất của mạng cảm biến không dây. Cygwin/X cung cấp một giao diện chương trình ứng dụng (API) giống như hệ điều hành UNIX trên khuôn dạng Windows do NS-2 không chạy trực tiếp trên Windows.
Thời biểu các sự kiện NS-2
Các thành phần mạng Tcl 8.0
Otcl
tclcl
Môi trường NS - 2 là công cụ hết sức linh hoạt trong việc nghiên cứu các đặc tính của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) vì nó có sẵn các mô hình cho mạng Ad hoc không dây, có ràng buộc về năng lượng. Trong NS - 2, một mạng cảm biến có thể được xác định với nhiều tổ hợp các đặc tính như thực tế. Môi trường mạng di động trong NS - 2, cung cấp sự hỗ trợ lẫn nhau giữa các giao thức như hình 3.12.
Hình 3.12: Các giao thức được hỗ trợ trong NS-2 mô phỏng mạng không dây Với cơ sở này, ta chỉ cần thêm vào NS-2 một số đối tượng và thuộc tính để mô phỏng mạng cảm biến.
3.2.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2
Cơ sở duy nhất còn thiếu trong NS-2 cho mô phỏng mạng cảm biến là việc định nghĩa một "Phenomenon" (hiện tượng). Ví dụ như chất hoá học, âm thanh,... các đối tượng này có thể di chuyển và kích hoạt các cảm biến ở gần qua một kênh như phẩm chất không khí hay rung động mặt đất. Khi một cảm biến phát hiện tín hiệu từ một hiện tượng trong kênh này, cảm biến sẽ phản ứng tuỳ theo ứng dụng được định nghĩa bởi người sử dụng NS-2. Các ứng dụng này sẽ quy định việc cảm biến làm gì khi phát hiện ra hiện tượng mục tiêu. Ví dụ, cảm biến có thể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục phát hiện thấy hiện tượng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn như công tác với các cảm biến lân cận để có được thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tượng trước khi cảnh báo người giám sát về một hiện tượng giả định.
Mỗi mạng cảm biến có một ứng dụng duy nhất như giám sát động đất, môi trường,… Phần mở rộng NS-2 cung cấp các khả năng trình diễn các ứng dụng
Lớp ứng dụng CBR FTP Telnet
Lớp giao vận TCP UDP
Lớp mạng
DSDV DSR TORA AODV OLSR
Lớp liên kết số liệu 802.11 TDMA SMAC
Lớp vật lý Các kiểu phát vô tuyến với suy giảm bậc 4 : trong không gian tự do, mặt đất hai tia, bóng phủ.
Antent độ lợi đơn.
cảm biến. Với các ứng dụng này, chúng ta có thể nghiên cứu hoạt động của cơ sở hạ tầng mạng dưới các điều kiện khác nhau. Cơ sở của việc xây dựng mô hình mạng cảm biến trong NS-2 được minh hoạ trong hình 3.13.
Hình 3.13: Cơ sở xây dựng mô hình mạng cảm biến sử dụng NS-2
Mô hình trình diễn của các hiện tượng trong NS-2 được xác định với các gói quảng bá được chuyển qua một kênh được chỉ định. Phạm vi ảnh hưởng của hiện tượng là tập hợp các node có thể nhận được các gói Phenom quảng bá trên kênh này. Mô hình này sẽ tuân theo quảng bá bất cứ kiểu phát và truyền nào (không gian tự do, mặt đất 2 tia hay bóng phủ, bao gồm cả các cấu hình node hiện tượng. Các kiểu phát này phủ sóng theo dạng gần tròn nhưng các hình dạng khác cũng có thể có được bằng cách thay đổi phạm vi của các gói Phenon và di chuyển một cách thích hợp một tập các node hiện tượng phát cùng kiểu.
Việc phát quảng bá các gói Phenom được hoàn thành nhờ "giao thức định tuyến Phenom", quảng bá các gói Phenom với tốc độ xung xác định. Khi một gói Phenom được nhận bởi một node trên kênh Phenomenon (kênh hiện tượng), một thông báo về sự kiện này sẽ được chuyển đến ứng dụng cảm biến của node đó.
3.2.3 Các bổ sung vào NS-2
Giả sử có các node hiện tượng (Phenomenon) kích hoạt các node cảm biến, lưu lượng các node cảm biến tạo ra mỗi khi phát hiện thấy hiện tượng phụ thuộc vào chức năng của mạng. Ví dụ, các mạng thiết kế để để hiệu chỉnh đích bằng hiệu ứng năng lượng sẽ tạo ra nhiều lưu lượng cảm biến đến cảm biến hơn mạng thiết kế để cung cấp cho giám sát viên các dữ liệu chưa qua xử lý. Chức năng này phụ thuộc vào ứng dụng của cảm biến và phụ thuộc vào đặc tính lưu lượng kết hợp với mạng được mô phỏng. Đối tượng và chức năng được định nghĩa trong các file sau:
- Phenom/Phenom.cc, h: Chứa giao thức định tuyến Phenom sử dụng cho việc phát tín hiệu từ các hiện tượng. Nó bao gồm các tham số cho tốc độ xung và kiểu hiện tượng (Bụi cabon, động đất mạnh, động đất nhẹ, tiếng ồn hay loại
chung). Các kiểu này được đặt tên để nhận dạng các nguồn hiện tượng trong file trace (đầu ra mô phỏng). Tốc độ xung là tham số duy nhất điều khiển việc phát tín hiệu từ một hiện tượng.
Hình 3.14: Hình ảnh mô tả mạng cảm biến (được lấy từ ứng dụng NAM trong NS-2) với 25 trạm cảm biến được triển khai theo hình lưới trên diện vuông, 20 node Phenomenon (mô tả đám mây khí gas-hiện tượng cần cảm biến) di động và
một trạm thu thập số liệu (ở góc trên bên phải).
- Sensornets-NRL/Sensoragent.cc, h: định nghĩa các agent cảm biến, các agent là điểm cuối, nơi các gói thuộc lớp mạng được tạo ra và phân tách, xử lý. Các node cảm biến sử dụng một tác nhân cảm biến liên kết đến kênh Phenomenon để tiếp nhận các gói tin Phenom và sử dụng một tác nhân TCP hay UDP để liên kết đến kênh của mạng vô tuyến để tạo các gói tin được gửi đi từ ứng dụng cảm biến. Các tác nhân cảm biến hoạt động như một ống dẫn, qua đó các gói tín Phenom được nhận và xử lý bởi các ứng dụng cảm biến. Các tác nhân cảm biến không thực sự quan tâm đến nội dung của gói Phenom, nó chỉ đơn giản đánh dấu các gói nhận được và chuyển đến ứng dụng cảm biến. Agent này được định nghĩa trong Sensor agent.cc.
- Sensornets-NRL/Sensorapp.cc, h : ứng dụng cảm biến được định nghĩa trong file này tận dụng màu node và tạo ra các thông báo cảm biến để chỉ ra node tương ứng phát hiện ra hiện tượng (4 biến môi trường có thể được sử dụng là:
SILENT_PHENOMENON, DISABLE_COLORS, MESG_SIZE và TRANSMIT_FREQ). Cụ thể, khi node đang nhận gói Phenom, ứng dụng này thay đổi màu node thành đỏ, kích thoạt một biến toàn cục "alarm" và gửi một
thông báo cảm biến (MESG_SIZE byte) đến node sink (node thu thập số liệu) của kết nối UDP, TCP sau mỗi chu kỳ là TRANSMIT_FREQ giây. Khi một node không nhận được một Phenom packet trong thời gian chờ (SILENT_PHENOMENON giây), thì màu node trở về màu xanh lá cây. Nếu màu node được yêu cầu để biểu thị mức năng lượng thay vì trạng thái cảnh báo cảm biến thì ứng dụng bị tắt với việc đặt DISABLE_COLOR.
- Sensornets-NRL/Phenom_packet.h: File này định nghĩa cấu trúc gói Phenom.
Có 5 kiểu hiện tượng (CO, HEAVY - GEO, LIGHT - GEO, SOUND, and TEST - PHENOMENON) tương ứng với cacbon monoxide (chất carbon monoxide CO), Heavy Seismic actyvity (động đất mạnh), Light Seismic activy (động đất nhẹ), Audible Sound (âm thanh), sime Phenomenon (kiểu chung). Các kiểu này có thể được sử dụng mô phỏng với nhiều node hiện tượng và có thể dễ dàng nhận ra và phân biệt với các hiện tượng khác mà node cảm biến phát hiện, bằng cách nhìn vào file trace.
3.2.4 Các chỉnh sửa trong NS-2
Hình 3.15 ra sơ đồ cây NS - 2 mở rộng mô phỏng mạng cảm biến với các bổ sung (nhánh bên phải) và hiệu chỉnh (nhánh bên trái).
Các chỉnh sửa trong NS-2 được thực hiện trong các file sau :
- Trace/cmu-trace.cc, h: Lớp CMUTrace được sử dụng để in các phần quan trọng của một gói vào file trace. Vì phần mở rộng sử dụng kiểu gói mới cho các hiện tượng nên cần phải định dạng gói tương ứng trong file này.
- Tcl/lib/ns-lib.tcl: Thành phần này trình bày về cấu hình node được chỉ ra trong tập lệnh NS-2. Phần mở rộng sử dụng kiểu node mới (các node cảm biến và Phenomenon). Vì thế, đã thêm vào một số điểm vào chức năng định cấu hình node (node-configure) để phù hợp với các kiểu này.
- Tcl/lib/ns-mobilenode.tcl: Trong NS-2, dung lượng sẵn có cho việc lập mạng không dây đa kênh được sử dụng để phát các loại tín hiệu hiện tượng khác nhau.
Bằng việc sử dụng kênh riêng cho các hiện tượng, ta có thể mô phỏng môi trường vật lý riêng cho từng loại hiện tượng như trong thực tế. Như vậy, các node cảm biến cần 2 giao diện: một với kênh 802.11 và một với kênh Phenom.
Khả năng đa giao diện ("Multi - homed") được bổ xung trong ns-mobilnode.tcl.
- Common/packet-h: Mỗi gói trong NS -2 được liên kết với một kiểu riêng tuỳ thuộc vào giao thức tương ứng như TCP, ARP, AODV, FTP, .v.v..Vì giao thức
phát tín hiệu hiện tượng là mới nên phải định nghĩa kiểu gói tương ứng trong file tiêu đề packet.h.
- Mac/Wireless-phy.cc: NS -2 có gồm mô hình năng lượng cho các node không dây được sử dụng để nghiên cứu lợi ích của các kỹ thuật duy trì năng lượng khác nhau. Như việc nghỉ hoạt động hay tận dụng các mật độ mạng tối ưu. Mô hình này gồm các đặc tính chỉ ra các yêu cầu công suất của các gói phát và nhận hay trạng thái rỗi trong thời gian mạng không hoạt động tích cực. Việc cảm biến hiện tượng là một quá trình có thể tiêu thụ năng lượng tại một tốc độ khác, nên đây là vấn đề quan trọng cần xem xét. Trong mac/Wireless-phy.cc cung cấp khả năng chỉ ra công suất tiêu thụ của các node trong khi cảm biến các hiện tượng.
Một số sửa đổi khác được thực hiện ở mac/mac.cc, tcl/lib/ns-namsupp.tcl và queue/priqueue.cc. Một số sửa chữa trong thủ tục định màu node, bổ sung kiểu gói Phenom vào tổ chức NS-2 được thực hiện để đơn giản hoá giao diện đến kênh Phenomenon trên node cảm biến.
Hình 3.15: Sơ đồ bổ sung và chỉnh sửa NS-2