CC BY
561
Использование систем моделирования беспроводных сенсорных сетей NS-2 И OMNET++
Представлен сравнительный анализ возможностей систем симуляции компьютерных сетей OMNeT++ и NS-2 применительно к моделированию беспроводных сенсорных сетей (БСС). Одной из острых проблем в исследованиях телекоммуникационных систем, а в частности - беспроводных сенсорных сетей (БСС), является высокая стоимость обордоования Далеко не каздая лаборатория может позволить себе покупку дорогостоящего обордования - маршрутизаторов, набора беспроводных узлов сенсорных сетей и др. Именно для этого существуют программные продкуты, позволяющие выполнять имитационное моделирование телекоммуникационных систем. Появление подобного программного обеспечения (ПО) позволило проводить необходимые исследования и эксперименты гораздо экономнее и получать практически те же результаты, что и на реальном обордовании. Помимо явной экономии подаод с использованием систем моделирования позволяет проводить эксперименты, не строя реальную сеть, что есть достаточно трудоёмкий и требовательный ко времени процесс. На сегодняшний день известно достаточно много сетевых систем моделирования, и исследователям есть из чего выбрал* например: OPNET, OMNeT++, NS-2, NS-3, TOSSIM, COOJA/MSPSim, Prowler. Применительно к БСС, данные продукты также имеют возможности симуляции, но в разной степени осуществлена поддержка моделирования данных сетей. Целью доклада является произведение сравнительного анализа двух систем моделирования — OMNeT++ и NS-2. Для произведения анализа были сформированы и заданы критерии, по которым каодая из систем исследовалась как на возможности моделирования БСС, так и на адекватность моделей реальным процессам во время симртяции, поддержку протоколов. Моделирова-Ключевые слова: беспроводные ние БСС предоставляет возможности приближенно оценить теоретические расчеты, спрогнозировать поведе-
сен/сорн/ые сети, модепировоние, ние реальной сети, произвести тестирование новых протоколов, решений по оптимизации архитектур, под-nS-2, omnef++, симуляция. бора определённых топологий для применения новых сетевых решений.
Махров С.С., МТУСИ
Методология и критерии анализа
Определим набор критериев для оценки и сравнения выбранных систем моделирования БСС и введем их описания. Критериями являются:
1. Уровень детализации — Есть три вида систем моделирования.
• Первый тип (Общий) является универсальным симулятором, который сосредоточен на высокоуровневых аспектах БСС, таких, как сети, зондирования и обработка данных, в то время как операционная система (ОС) и аппаратной архитектура сенсорного узла, не рассматриваются. Этот вид систем моделирования полезен для оценки высокоуровневых протоколов и алгоритмов [3].
• Второй тип (Уровень кода) представляет собой систему моделирования уровня кода, при этом, этот же код используется и в реальном сенсорном узле. Исходный код приложения компилируются для машины на которой работает система моделирования [3], в то время как аппаратная архитектура сенсорного узла не принимаются во внимание. Эти системы могут быть использованы для того, чтобы найти ошибки, которые не связаны со временем или аппаратной архитектурой [3].
• Третий тип (Уровень прошивки) представляет собой систему моделирования уровня прошивки, которая использует эмуляцию аппаратного обеспечения для выполнения кода приложений и ОС, скомпилированных для целевой платформы. Использование такого рода систем моделирования, позволяет найти большинство типов ошибок и может быть протестировано зависящее от времени ПО [3].
2. Синхронизация — в системах моделирования дискретных событий — это события, которые влияют на состояние системы в хронологическом порядке их очереди, выполняясь с помощью планировщика один за другим. Непрерывные системы моделирования связаны с моделированием систем уравнений, которые представляют собой системы с течением времени [4].
3. Лицензия на ПО — система моделирования может быть чьей-то собственностью, бесплатным ПО или быть свободно распространяемым ПО с открытым исходным кодом
Т-Сотт, #10-2013
4. Популярность — Кол-во просмотров Google с запросом 'Wireles Sensor Networ <название симулятора>" + "Беспроводные сенсорные сети <название симулятора>".
5. Поддержка кода моделирования — возможность использовать язык программирования или некоторый формальный язык для описания моделей, где последние представляются в конечном итоге в виде исходного кода.
6. Платформа системы моделирования — ОС, под которой работает.
7. Платформы БСС — сенсорные узлы/платформы, которые моделируются.
8. Возможность портирования кода моделирования — возможно ли использовать код описания модели в реальной устройстве?
9. Масштабируемость для больших сетей (n > 100), где n — число устройств в сети:
• Адекватна в отдельных случаях—масштабируемость адекватна только в ряде частных случаев.
• Низкая: n <10;
• Средняя: n < 100;
• Хорошая: n >100;
• Превосходная n > 1000.
10. Поддержка графического интерфейса пользователя (GUI) — есть ли в наличии и насколько он полезен?
11. Симуляция мобильных сетей — возможность моделирования мобильных сетей.
12. Возможность динамического изменения топологии сети — предоставляется ли возможность динамически изменять расположение узлов БСС в процессе моделирования?
13. Поддержка выполнения в режиме систем реального времени — существует ли возможность выполнения в системе реального времени..
14. Потребность в расширениях для хорошей симуляции БСС — данный критерий характеризует систему моделирования в аспекте достаточности базовых средств для симуляции БСС. Если же базовых средств, идущих в пакете ПО недостаточно, то существует потребность в дополнительных расширениях для возможности наиболее полно производить моделирования БСС.
67
Таблица 1
Сравнительная таблица возможностей N2-2 и OMNet++
Параметр NS-2 OMNet++
Уровень детализации Общий Общий
С инхрон изаиия Дискретные события Дискретные события
Лицензия на ПО GNU GPL А каде м и ч ес кая, коммерческая
Популярность
11оддержка кода моделирования C++, С C++, С, (NesC)
11латформа системы моделирования FreeBSD, Linux, SunOS, Solaris, Windows (Cygwin) Linux, Unix, Windows (Cygwin)
Платформы БСС Нет Нет
Возможность портирования кода моделирования (протоколы, и т.д.) Ограничено Ограничено (только NesC)
Масштабируемость для больших сетей (п>100) адекватна в отдельных случаях хорошая
Поддержка графического иі ітерфейса Мониторинг потока симуляции Мониторинг потока симуляции, разработка и определение топологии на C++, результат анализа и визуализации.
Симуляция мобильных сетей Есть Есть
Возможность динамического изменения топологии сети Есть Есть
Поддержка выполнения реального времени в режиме систем Нет Нет
Потребность в расширениях для хорошей симуляции БСС Да Да
Поддержка пользовательских расширений Есть Есть
Наличие расширений для БСС энергетические модели, протоколы, SensorSim энергетические модели, протоколы, SensorSim, EWSNSIM, Casta)ia, EYES
3 D-моделирование Нет Нет
35 d ж о н © с. Беспроводной канал 2-х мерное свободное пространство, затемнения 2-х мерное свободное пространство, затемнения (только экспериментально, есть в Castalia)
к PHY Lucent WaveLan DSSS СС1 100, СС2420
S 0J 5 35 0» 3 = МАС 802,11, 802.15.4 802,11
Сетевой DSDV, DSR, TORA. AODV частично ad hoc маршрутизация
U Транспортный UDP, TCP Нет
Зондирование Случайные процессы с Mannasim add-on Общее движение процессов во времени
Модель энергопотребления primitive / TX, RX, sleep primitive
15. Поддержка пользовательских расширений — существует ли возможность написания пользовательских расширений (плагинов, модулей, и.т.д) для системы моделирования.
16. Наличие расширений для БСС — существующие, известные пользовательские расширения для моделирования БСС.
17. 3D-моделирование — возможность моделирования в трехмерном пространстве, которое позволяет производить симуляцию окружающей среды с учетом влияния препятствий и сооружений
18. Доступные модели и протоколы — рассматриваются отдельно для каждого слоя или сегмента БСС: радиоволны, физический (PHY) уровень, уровень управления доступом к среде (MAC), сетевой уровень, транспортный уровень и зондирование.
19. Модель энергопотребления — есть ли в наличии и какой уровень детализации она имеет?
Источниками информации для данного исследования являются научные труды, веб-сайты поставщиков и доступные документы.
Система моделирования сетей NS-2
NS-2 является одной из известных систем моделирования дискретных событий для сенсорных сетей [2]. В настоящее время NS-2 активно поддерживается и используется в научных исследованиях, так как легко расширяема и основана на открытом исходном коде.
Для мобильных сенсорных сетей, симулятор имеет поддержку стандартов 802.11 и 802.15.4 типа беспроводного MAC. Последний является более подходящим для сенсорных сетей, поскольку он включает в себя несколько основных моделей энергопотребления и более близок к тем, которые используются в общих сенсорных узлах.
Поддержка алгоритма маршрутизации сенсорного узла поддерживает стандартные беспроводные IP-сети ad-hoc протоколов. Для описания моделей на NS-2 используются языки C++/C и OTCL Протоколы библиотеки моделей написаны на C++/C, в то время как OTCL позиционируется как управляющий язык, целью которого является построение среды моделирования.
Для визуализации моделей используется аниматор сети — Network AniMator (NAM). После компиляции исходного кода модели в исполняемый файл и запуска его для создания файлов трассировки, результаты моделирования можно наблюдать графически с помощью Network AniMator (NAM).
Симуляции, беспроводные модели каналов и всенаправленных антенн, представляются в двумерном пространстве, что исключает детальность моделирования окружающей среды с учетом влияния препятствий и сооружений. Моделирование простейших сенсорных узлов сведено к приему, отправке и состоянию простоя. NS-2 не имеет возможности моделирования в режиме ОС реального времени или приложе-
68
T-Comm, #10-2013
ния задержки выполнения кода. Но задержки в MAC и на уровне беспроводного канала связи могут быть определены. Расширение RT-sin для NS-2 реализует поддержку режима моделирования для ядра реального времени, но это не входит в NS-2 стандартный пакет NS-2 [4].
NS-2 не обладает масштабируемостью для больших сенсорных сетей, так как имеет место экспоненциальное замедление времени моделирования. Симулятору не хватает модели приложений и снабжения протоколов, аппаратных моделей и поддержки сенсорных сетей. Имеющееся же обеспечение существенно отличается от используемого в сенсорных узлах. Большое количество общедоступных расширений и активный процесс разработки симулятора повышает риск ошибок и неточных или неправильных результатов моделирования. Чтобы избежать этого, NS-2 содержит список проверенных имитационных моделей на своем сайте [2, 5].
Система моделирования сетей OMNet++
OMNeT++ представляет собой систему моделирования на основе дискретных событий. Система моделирования в основном поддерживает стандартные проводные и беспроводные сети IP коммуникаций, но существуют также некоторые расширения для БСС. Как и NS-2, OMNeT ++ является известной системой, расширяемой и активно поддерживаемой сообществом своих пользователей, которые также создают расширения для моделирования БСС.
OMNeT++ использует язык С ++ для имитационных моделей. Имитационные модели в совокупности с языком высокого уровня NED собираются в крупные компоненты и представляют собой большие системы. Симулятор имеет графические инструменты для создания моделей и оценки результатов в режиме реального времени [7].
OMNeT++ способен запускать модели TinyOS с помощью приложения NesCT, которое конвертирует исходный кед TinyOS в симуляцию, совместимую с кодом C++ [В]. Обмен симуляционным кодом NesC между сенсорными платформами возможен, но только в ограниченном виде, поскольку протокол и аппаратная реализация в симуляторе максимально упрощена, но не всё оборудование поддерживается.
Симулятор хорошо масштабируем для очень крупных сетевых топологий, где возможности ограничиваются лишь объемом памяти компьютера или рабочей станции [9]. OMNet++ не может моделировать OS-прикладного уровня задержки времени выполнения. Задержки для нижних слоев, например, MAC и беспроводного канала, определимы. Без соответствующих имитационных моделей и расширений (framework), симулятору не хватает протоколов и должного качества моделирования сенсорных сетей, так как основная поддержка ориентирована главным образом в сторону IP-сетей.
В рамках данной статьи, немного внимания уделено также и известным проектам — развитием OMNeT++ — EYES и Castalia.
EYES представляет из себя framework для OMNeT++, созданный для моделирования самоорганизующихся и энергоэффективных
сенсорных сетей. EYES позволяет производить построение двумерной карты имитационной модели с расчетом вероятностей отказов и ошибок в различных её областях, например — препятствия и зоны затухания сигнала. [10]
Castalia [11] является самой последней общей среды моделирования целью для сенсорных сетей и построен на платформе OMNeT++. Castalia является модульной и расширяемой. К её сильным сторонам относится точность моделирования беспроводного канала и радиосигналов, включая MAC.
Выводы
В таблице 1 представлено сравнение возможностей у систем NS-2 и OMNet++ по заданным критериям. В результате сравнительного анализа, автор пришёл к выводу, что представленные системы для моделирования БСС — NS-2 и OMNeT++, требуют расширения или модификации для более точного моделирования БСС. Поддерживаемые по умолчанию протоколы, энергетические модели, физический уровень и окружающая среда модели слишком упрощенны и имеют несоответствия реальным процессам. Очень высокая производительность моделирования в реальном времени и прикладного уровня задержки выполнения кода, невозможно без расширения или использования дополнительного ПО. Рассмотренным в данной статье системам не хватает детального моделирования окружающей среды. Радио модели определены в двумерном пространстве. Ни одна из представленных систем моделирования БСС не поддерживает 3D-моделирование без модификаций.
Литература
1. D. Curren, "A survey of simulation in sensor networks", University of Binghamton project report for subject CS580.
2. The Network Simulator — ns-2. http://www.isi.edu/nsnam/ns.
3. J. Eriksson, "Detailed simulation of heterogeneous wireless sensor networks," Licentiate thesis, Department of Information Technology, Uppsala University, May 2009.
4. Pagano P, Prashant Batra, Lipari G, "A Framework for Modeling Operating System Mechanisms in the Simulation of Network Protocols for RealTime Distributed Systems", Parallel and Distributed Processing Symposium, 2007.
5. David Curren, "A Survey of Simulation in Sensor Networks", Univ. of Binghamton.
6. C. Mallanda, A Suri, V Kunchakarra, S.S. Iyengar, R. Kannan, and A Durresi, "Simulating Wireless Sensor Networks with OMNeT++".
7. Omnest network simulation. http://www.omnest.com/network-simula-tion.php.
8. Omnet++ Discrete event simulation system. http://www.omnetpp.org.
9. http://ctieware.eng.monash.edu.au/twiki/bin/view/Simulation/ OMNeTppComparison.
10. EYES WSN Simulation Framework. http://www.ses.cs.utwente.nl/ ewsnsim.
11. Castalia: A Simulator, http://castalia.npc.nicta.com.au.
Using simulators of wireless sensor networks NS-2 AND OMNET++
Makhrov S.S., MTUCI, Russia
Abstract. The report presents a comparative analysis of the capabilities of systems simulation computer networks OMNeT + + and NS-2 with aplying to wireless sensor networks (WSN) modeling. One of the acute problems in research of telecommunication systems, and in particular - wireless sensor networks (WSN), is high cost of equipment. Not every lab can afford to buy expensive equipment - routers, a set of wireless sensor network nodes, etc. For this purpose exist software, allowing to carry out imitating modelling of telecommunication systems. The emergence of such software allowed to conduct necessary researches and experiments are much more economically and get almost the same results as on the real equipment. Besides obvious economy approach using simulation systems can carry out experiments without building a real network, there is a very complicated and demanding process in time. Currently, there is a lot of network simulation systems, and researchers have to choose from, such as: OPNET, OMNeT + +, NS-2, NS-3, TOSSIM, COOJA / MSPSim, Prowler. Applied to WSN, these products also have the opportunity to simulate, but to varying degrees implemented modeling support these networks. The purpose of the report is comparative analysis of the two systems modeling - OMNeT + + and NS-2. For analysis were formulated and defined criteria for each of the systems researches as a possible model the WSN, and the adequacy of the models to real processes in the simulation, protocol support. Simulation of WSN capabilities estimate approximately the theoretical calculations predict the behavior of a real network, view test new protocols, architectures optimization solutions, selection of topology for the application of new network solutions.
Keywords: wireless sensor networks, modeling, ns-2, omnet++, simulations.
T-Comm, #10-201З
69
