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.