CC BY
43
УДК 004.057.7:004.94
А.А. Павлов, И.О. Датьев
Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского НЦ РАН
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВ ТЕСТИРОВАНИЯ МНОГОШАГОВЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ*
Аннотация
В статье представлен аналитический обзор средств тестирования многошаговых беспроводных сетей: тестовых стендов, средств моделирования и эмулирования, которые в настоящее время используются для оценки различных параметров производительности многошаговых беспроводных сетей. Кроме того, сформулированы основные проблемы, с которыми сталкиваются исследователи многошаговых беспроводных сетей при работе с этими инструментами и приводятся рекомендации, которые помогут повысить точность и качество проводимых исследований многошаговых беспроводных сетей.
Ключевые слова:
многошаговые беспроводные сети, имитационное моделирование, протоколы маршрутизации.
A.A. Pavlov, I.O. Datyev
PROBLEMS OF USING TOOLS FOR TESTING MULTIHOP WIRELESS NETWORKS
Abstract
This article provides an analytical overview of multihop wireless network test tools: testbeds, modeling and emulation tools, which are currently used to evaluate various performance parameters of multihop wireless networks. In addition, the main problems faced by researchers of wireless multihop networks when working with these tools are formulated and recommendations are provided that will help increase the accuracy and quality of conducted studies of wireless multihop networks
Keywords:
wireless multihop networks, simulation, routing protocols. Введение
По исследованиям компании Cisco количество мобильных устройств, которые используют технологии Bluetooth и Wi-Fi, к 2018 году достигнет 10 млрд [1]. Поэтому, все более актуальными становятся многошаговые беспроводные сети (МБС), которые позволяют объединять мобильные устройства в сети для передачи данных.
* Работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований ОНИТ РАН «Интеллектуальные информационные технологии, системный анализ и автоматизация» по проекту «Развитие технологий информационных систем для информационно-аналитической поддержки задач развития хозяйственной деятельности в Арктических зоне РФ».
Многошаговые беспроводные сети являются развитием одношаговых самоорганизующихся (или ad-hoc) сетей, где каждый узел находился в зоне непосредственной радиовидимости любого другого узла сети. В многошаговых сетях должна обеспечиваться передача данных между движущимися узлами, и не только в пределах радиовидимости одного узла, (т.е., напрямую за один шаг (hop)), но и через промежуточные узлы - ретрансляторы (т.е. за несколько шагов), что существенно расширяет зону покрытия сети. Соединения между узлами МБС (рис.) претерпевают постоянные изменения.
Соединения между узлами беспроводной многошаговой сети
В настоящее время многошаговые беспроводные сети активно развиваются. Для анализа производительности МБС могут применяться следующие подходы: создание испытательных стендов, использование сетевых эмуляторов, симуляторов, а также натурные эксперименты.
Испытательные или тестовые стенды (1е81;Ье<1) включают в себя программное обеспечение, физическое оборудование и сетевые компоненты. Тестовые стенды могут предоставлять более точные, по сравнению с сетевыми симуляторами и эмуляторами, результаты. Но существует несколько факторов, осложняющих применение тестовых стендов: необходимость в приобретении аппаратного обеспечения, ограниченные возможности мониторинга и отладки, а также большое количество времени и усилий, необходимых для создания и настройки стенда. Кроме того, тестовые стенды могут применяться только для МБС с небольшим количеством узлов. Поэтому такой подход к тестированию МБС применяется крайне редко и, как правило, на финальных этапах разработки.
Эмулятор представляет собой гибридную модель, которая объединяет аппаратное и программное обеспечение, где некоторые компоненты реализованы на реальном оборудовании, а некоторые моделируются (эмулируются).
Моделирование МБС с помощью сетевых симуляторов более экономично и гибко по сравнению с предыдущими подходами: для проведения экспериментов, как правило, достаточно одной рабочей станции и модели МБС, созданной с использованием сетевого симулятора.
Сетевой симулятор — это программа, имитирующая работу компьютерной сети. Симуляторы, как правило, поддерживают самые популярные сетевые протоколы, используемых в настоящее время.
Цель данной работы заключается в формулировке проблем использования средств тестирования МБС и выработке предложений для решения этих проблем. Кроме того, статья может быть полезна начинающим исследователям МБС при выборе средств тестирования многошаговых беспроводных сетей.
Обзор средств тестирования МБС
С целью комплексного исследования той или иной технологии многошаговой беспроводной сети, согласно мнению большинства разработчиков [23] необходимо осуществить следующие этапы тестирования МБС:
1. Имитационное моделирование с помощью сетевого симулятора.
2. Имитационное моделирование с помощью эмуляции или тестового
стенда.
3. Проведение натурных экспериментов (в реальных условиях).
Однако, в настоящее время основная экспериментальная часть исследовательской работы выполняется только с помощью сетевых симуляторов по причине низкой стоимости. При этом, авторы большинства работ используют для тестирования МБС только один симулятор.
Выбор подходящего симулятора - трудное решение. Каждый симулятор выполняет определенные функции, которые будут полезны при определенных обстоятельствах. Выбор симулятора зависит в основном от цели, преследуемой исследователями. Например, некоторые симуляторы предоставляют возможность отслеживать уровень заряда источника питания узла сети, а в некоторых -такая возможность отсутствует.
Проблемы в многошаговых беспроводных сетях присутствуют не только на самых низких уровнях сетевого стека. На сегодняшний день, все больше людей уделяют внимание верхним уровням при разработке новых концепций и приложений для многошаговых беспроводных сетей (разные сервисы, приложения для клиентов, игры и т. д.). Например, Хеллбрюк и Фишер разработали ANSim [2] - интерактивный симулятор, чтобы проанализировать структурные свойства беспроводных многошаговых сетей. Гёрген и др. [3] работают над ad-hoc играми, используя симулятор Jane [4, 5]. Работая над протоколами вещания и приложениями для обмена сообщениями, Hogie и др. написали Madhoc [6], потому что ни один из доступных симуляторов не предоставлял возможность отладки протоколов вещания в интерактивном режиме при моделировании сетей с большим количеством узлов. Таким образом, универсального инструмента для моделирования МБС, обладающего большим набором функций, способного полностью отразить все внутренние процессы устройств и влияние факторов внешней среды на передачу данных, на сегодняшний день не существует. Более подробно основные особенности наиболее распространенных сетевых симуляторов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные особенности различных сетевых симуляторов
Название симулятора Язык программирования/ GUI Специализация симулятора/ Open Source Особенности Ограничения
OPNET/ Riverbed Modeler [7] C/C++ / Есть Общий/ Коммерческий Использует иерархическую модель для определения каждой характеристики системы. Способен записывать большое количество результатов моделирования Проблемы масштабируемости
NS-3 [8] С++ / Нет Общий/ Открытый Поддерживает моделирование и эмуляцию. Поддерживает моделирование в реальном времени. Возможность поддержки нескольких радиоинтерфейсов и нескольких каналов Ограниченные настройки. Малое количество моделей приложений. Плохо масштабируется для ШБЫ
Qualnet [9] C/C++ / Есть Общий/ Коммерческий Полный набор расширенных модулей беспроводных сетей и удобные инструменты Дорогая лицензия.
Dingo [10] Python / Есть Специально разработан для беспроводных сенсорных сетей/ Открытый Может использоваться полная функциональность языка программирования Не поддерживает напрямую сети на физическом уровне. Поддержка разработчиками прекращена.
J-Sim [11] Java / Есть Специально разработан для беспроводных сенсорных сетей / Открытый Поддержка применения кода моделирования к реальному оборудованию Сравнительно сложное использование
Одной из основных проблем для моделирования МБС с использованием сетевых симуляторов является создание модели перемещения узлов, воспроизводящей реальное поведение узлов, подвергающихся влиянию множества внешних факторов. Результаты экспериментов разных симуляторов так же могут отличаться друг от друга, даже при применении одной и той же модели МБС, по причинам, рассмотренным ниже по тексту.
Поэтому, результаты экспериментов с применением только одного сетевого симулятора могут не соответствовать поведению исследуемой технологии МБС в реальных условиях эксплуатации.
Важным шагом после проведения в сетевом симуляторе имитационных экспериментов следует создание и апробация результатов с помощью эмуляторов. Одной из главных проблем является высокая стоимость оборудования, поэтому часто исследователи не имеют возможности провести эксперименты с эмуляторами. Основные особенности наиболее распространенных сетевых эмуляторов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Краткие характеристики сетевых эмуляторов
Название GUI Устройства Гибкость Размеры Начальный бюджет Масштабируе мость / Open Source
Castadiva [12] да Маршрутиз аторы, КПК и компьютеры да Помещается на рабочем месте < 1000€ Да / да
MobiEmu [13] нет ПК да Помещаете я в комнате > зооо€ Да / да
mLab [14] нет Нет (это почти симулятор) да Помещается на рабочем месте < юоо€ Да / да
Carnegie Mellon University Wireless Emulator [15] да ПК да Помещается на рабочем месте > зооо€ Да / да
ORBIT [16] нет ПК Мобильность только в сетке Большие, нужен склад > юооо€ Да, но дорого / нет
Эмуляторы являются промежуточным звеном между симуляторами и беспроводными тестовыми стендами, позволяя проводить масштабируемые и повторяемые эксперименты и, при этом, использовать реальные устройства. Другими словами, имитационные эксперименты с помощью эмуляторов позволяют частично моделировать алгоритмы в программном обеспечении и, частично, в реальном аппаратном обеспечении МБС. Некоторые сетевые симуляторы, такие как NS-3 и Dingo, поддерживают возможность проведения имитационных экспериментов с подключением реального аппаратного обеспечения МБС. Это позволяет исследователям сравнивать результаты выполнения одного и того же алгоритма как в симуляции, так и с помощью физических модулей передачи данных. Кроме того, взаимодействие моделирования и тестовых стендов остается сложной задачей, которую необходимо решить. Например, авторы Dingo описывают в работе [17] новую библиотеку на Python, которая реализует синхронный параллелизм при передаче сообщений для улучшения координации между многими хостами.
Еще более точный способ тестирования беспроводных многошаговых сетей - тестовые стенды (табл. 3).
В последние годы были разработаны и развернуты широкомасштабные беспроводные тестовые стенды с целью изучения беспроводных сетей в более реалистичных условиях. Поскольку процессы установки и эксплуатации такого испытательного стенда являются дорогостоящими и долгими по времени, возникает ключевой вопрос: оправданы ли эти усилия полученными научными результатами?
Таблица 3
Обзор различных испытательных стендов
Название Количество узлов Связь устройств Стоимость / протокол Особенности
JEMU [18] 12 физических узлов проводная Низкая / DSR Был разработан Исследовательской группой по сетям и телекоммуникациям для имитации радиокомпонентов своего конкретного пакета связи
ORBIT[19] 400 физических узлов Bluetooth и IEEE 802.11 Высокая / ЛОБУ/ ОЬБЯ Состоит из 400 радиоустройств, которые являются фиксированными. Используют интерфейсы 802.11
Mobi Net [20] 200 виртуальных узлов IEEE 802.11 / проводная Высокая / ББЯ Сложная настройка. Использован протокол маршрутизации (DSR) и специально эмулированный уровень MAC
MobiEmu [21] 50 физических узлов IEEE 802.11 / проводная Высокая / Проактивные протоколы Позволяет запускать несколько виртуальных узлов на одной физической машине. Состоит из нескольких подчиненных узлов и одного главного узла
Gray[22] 33 физических узла IEEE 802.11 Высокая / ЛОБУ Основан на ноутбуках, оснащенных интерфейсами 802.11
Хотя результаты испытаний подтверждают более высокую степень точности, требуемые усилия значительно выше, например, чем для экспериментов с применением сетевых симуляторов. Прежде всего, требуется реальное оборудование и программное обеспечение. Кроме того, после первоначального развертывания тестовый стенд должен активно поддерживаться и обновляться.
Заключение
Каждый из перечисленных способов тестирования многошаговых беспроводных сетей обладает своими достоинствами и недостатками. Имитационное моделирование с помощью сетевых симуляторов является самым быстрым и недорогим способом тестирования МБС, обеспечивающим возможность проводить эксперименты с большим количеством устройств. Однако, точность результатов экспериментов зависит как от качества самой модели МБС, так и от особенностей программной реализации сетевого симулятора. Тестовый стенд и эмуляция являются более точными способами тестирования МБС, но требуют большего количества (по сравнению с сетевыми симуляторами) различных ресурсов - денег, времени и рабочей силы.
Проведение натурных экспериментов обеспечивает наибольшую точность, однако требует наибольших финансовых и временных затрат. Например, для эксперимента с большим количеством узлов, потребуется соответствующее количество реальных экспериментальных образцов этих узлов. Поэтому, сетевые симуляторы остаются наиболее популярным средством тестирования технологий МБС.
Существует множество сетевых симуляторов, обладающих различными функциональными возможностями и особенностями программной реализации. В итоге, результаты моделирования могут быть нереалистичными по причинам неполноты (отсутствие элементов и связей, необходимых для эксплуатации модели) и неточности имитационных моделей. Поэтому, использование только одного сетевого симулятора недостаточно для тестирования и оценки алгоритмов МБС. Таким образом, совместное использование нескольких сетевых симуляторов позволит повысить качество результатов моделирования.
Литература
1. Cisco прогнозирует почти 11-кратный рост мирового трафика мобильной передачи данных с 2013 по 2018 гг. / Cisco Systems, Inc.
2. - Режим доступа: http://www.cisco.com/web/RU/news/releases/txt/2014/02/ 020714c.html (дата обращения: 20.11.2017).
3. Hellbruck H. and Fischer S. Towards analysis and simulation of ad-hoc networks / ICWN02: Proceedings of the International Conference on Wireless Networks. - Las Vegas, Nevada, USA, June 2002. - Р.69-75.
4. Gorgen D., Frey H., and Hutter C. Information dissemination based on the en-passant communication pattern / KiVS: Fachtagung Kommunikation in Verteilten Systemen, 2005. -Р. 129-141
5. Frey H., Gorgen D., Johannes K. Lehnert, Sturm P. A java-based uniform workbench for simulating and executing distributed mobile applications / Scientific Engineering of Distributed Java Applications, November 2003. -Р.116-127
6. Johannes K. Lehnert, Gorgen D., Frey H., Sturm P. A scalable workbench for implementing and evaluating distributed applications in mobile ad hoc networks/WMC'04: Western Simulation MultiConference, 2004. -Р.154-161.
7. Hogie L. The Madhoc Simulator / Technical report, Le Havre University, 2005.
8. SteelCentral Riverbed Modeler | Riverbed. - Режим доступа: https://www.riverbed.com/gb/products/steelcentral/steelcentral-riverbed-modeler.html. (дата обращения: 20.11.2017).
9. What is ns-3. - Режим доступа: https://www.nsnam.org/overview/what-is-ns-3/ (Дата обращения: 20.11.2017).
10. Qualnet - Packet Trace. - Режим доступа: http://web.scalable-networks.com/qualnet-network-simulator (Дата обращения 20.11.2017).
11. Mount S. SenSor: an Algorithmic Simulator for Wireless Sensor Networks // Proceedings of the Eurosensors XX, vol. II, 2006. -Р.400-411.
12. Sobeih A. J-Sim: A Simulation Environment for Wireless Sensor Networks / Proceedings of the 38th Annual Symposium on Simulation (ANSS '05). - 2005. -Р.175-187.
13. Hortelano J., Juan-Carlos C., Calafate Carlos T, Pietro M. Testing applications in manet environments through emulation / EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2009 (2010).
14. Zhang Y, Li W. An integrated environment for testing mobile ad hoc networks. -Режим доступа: http://www .wins.hrl .com/projects/adhoc (Дата обращения 20.11.2017).
15. Karygiannis A, Antonakakis E. MLab: an ad hoc network test bed / Proceedings of the 3rd IEEE Consumer Communications and Networking Conference (CCNC '06). Las Vegas, Nev, USA. Vol. 2. National Institute of Standards and Technology, January 2006. -Р.1312-1313.
16. Judd G, Steenkiste P. Design and implementation of an RF front end for physical layer wireless network emulation / Proceedings of the 65th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC '07), Dublin, Ireland, April 2007. -P.974-979.
17. Raychaudhuri D, Seskar I, Ott M, Ganu S, Ramachandran K. Overview of the orbit radio grid testbed for evaluation of next-generation wireless network protocols / Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC '05). New Orleans, La, USA 3, March 2005. -Р.1664-1669:
18. Hammoudeh M. Modelling Clustering of Sensor Networks with Synchronised Hyperedge Replacement / Proceedings of the 4th international Conference on Graph Transformations (ICGT '08), 2008. -Р.490-492.
19. Flynn J., Hitesh Tewari, Donal O'Mahony. JEmu: A real time emulation system for mobile ad hoc networks / Proceedings of the Firsit Joint IEI/IEE Symposium on Telecommunications Systems Research. -2001.
20. Raychaudhuri, Dipankar, Seskar I., Ott M., Ganu S., Ramachandran K., Kremo H., Siracusa R., Liu H., Singh M. Overview of the ORBIT radio grid testbed for evaluation of next-generation wireless network protocols / Wireless Communications and Networking Conference, 2005 IEEE, vol. 3, IEEE, 2005. -Р.1664-1669.
21. Mahadevan, Priya, Rodriguez A., Becker D., Vahdat A. MobiNet: a scalable emulation infrastructure for ad hoc and wireless networks / ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review 10, no. 2. - 2006. -Р.26-37.
22. Zhang, Yongguang, and Wei Li.An integrated environment for testing mobile ad-hoc networks / In Proceedings of the 3rd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computing, ACM, 2002. -Р.104-111.
23. Kotz, David, Calvin Newport, Robert S. Gray, Jason Liu, Yougu Yuan, and Chip Elliott. Experimental evaluation of wireless simulation assumptions / Proceedings of the 7th ACM international symposium on Modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems. ACM, 2004. -Р.78-82.
24. H. Lundgren. Implements and Real-world Evaluation of Routing Protocols for Wireless Ad hoc Networks / IT Licentiate theses, 2002. - 74 p.
Сведения об авторах
Павлов Алексей Андреевич - инженер-исследователь
е-mail: pavlov@iimm.ru
Aleksey A. Pavlov - research engineer
Датьев Игорь Олегович - к.т.н., старший научный сотрудник,
е-mail: datyev@iimm.ru
Igor O. Datyev - PhD. (Tech. Sci.), senior researcher
