Mô hình nguồn đợc xây dựng trên cơ chế khấu trừ năng lợng. Một nút Sensor có ba thành phần tiêu thụ năng lợng chính là thiết bị cảm biến, thiết bị thu phát vô tuyến và bộ xử lý với các cơ chế tiêu thụ năng lợng khác nhau. Các thành phần này lại có thể hoạt động ở các trạng thái khác nhau với tốc độ tiêu thụ năng lợng khác nhau. Mô hình nguồn năng lợng cung cấp khả năng mô phỏng trạng thái nguồn năng lợng của nút. Ban đầu, mỗi nút Sensor đợc định cấu hình với một khối năng lợng xác định. Mỗi khi nút Sensor thực hiện một hành động nh nhận một tín hiệu cảm biến, thu hoặc phát các gói tin vô tuyến, xử lý tín hiệu, nguồn năng lợng dự trữ của nút đó sẽ bị khấu trừ theo công suất đợc định nghĩa trớc cho từng thành phần. Khi nút Sensor không có hành động nào, năng lợng sẽ đợc khấu trừ theo công suất rỗi (Idle power).
Với các mạng Sensor hiện nay, nhất là với các mạng không có khả năng tìm nguồn năng lợng bên ngoài, ví dụ nh sử dụng các tấm pin mặt trời thì tuổi thọ của nguồn năng lợng là yếu tố quyết định thời gian tồn tại của mạng. Do đó, các thuật toán và giao thức đợc sử dụng cho mạng Sensor đều phải chú ý đến hiệu quả sử dụng nguồn năng lợng. Với việc mô hình hoá nguồn năng lợng cho nút Sensor, môi trờng mô phỏng cung cấp khả năng khảo sát hiệu quả sử dụng nguồn năng lợng của các thuật toán, các giao thức và các cách tổ chức, triển khai nút khác nhau đợc áp dụng cho mạng Sensor. Mô hình này còn cung cấp một số cơ chế khấu trừ nguồn trong thực tế đã đợc kiểm chứng bằng thực nghiệm
ợc phát triển bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó. Trong đồ án này, việc mô phỏng mạng Sensor đợc thực hiện trên phần mềm mô phỏng mạng NS-2 đã mở rộng cho môi trờng mạng Sensor. 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 Sensor
3.3.1. Phần mềm NS-2
a) Giới thiệu NS-2
NS-2 ( Network Simulator phiên bản 2) là chơng trình mô phỏng mạng theo phơng 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 đ- ợc viết bằng C++ và ngôn ngữ hớng đối tợng 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 đợc 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 đợc 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 u 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 đợc phát triển từ các phần mềm nổi tiếng trên thế giới nh REAL, NEST nên nó có những điểm mạnh và đã khắc phục đợc 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 modul, rất thuận tiện cho việc nghiên cứu tìm hiểu và phát triển. Nhìn từ phía ngời sử dụng , NS-2 là chơng trình biên dịch mã Otcl đợc liên kết tới th viện C++ . Các đối tợng cơ sở nh tcp, CBR,..đợc 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 đợc thể hiện trong tập lệnh Otcl.
Hình 3.1: Cấu trúc chơng 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 đợc 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++ nhng vẫn có đợc 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 đợc chia thành hai phần là phần dữ liệu (đợc xây dựng trong C+ +) và phần điều khiển (đợc xây dựng trong Otcl). Để giảm thời gian xử lý gói và sự kiện, thời biểu sự kiện và các đối tợng thành phần mạng cơ bản trong phần số liệu đợc viết và biên dịch bằng C++. Các đối tợng đợc biên dịch này đợc tạo sẵn và đợc liên kết tới Otcl qua bộ thông dịch Otcl. Mỗi đối tợng C++ này đợc điều khiển và đợc thiết lập các tham số thông qua một đối tợng điều khiển tơng ứng trong Otcl. Các đối tợng C++ không cần điều khiển hoặc chỉ hoạt động nội tại trong phần C++ thì không cần liên kết đến Otcl. Tơng tự, cũng có một số đối tợng (không nằm trong phần dữ liệu) có thể hoạt động hoàn toàn chỉ trong Otcl. Các đối tợng điều khiển trong Otcl đợc ánh xạ 1-1 tới các đối tợng cần điều khiển trong C++. Nh vậy, cấu trúc phân cấp các đối tợng này trong hai phần C++ và Otcl là tơng tự nhau. Quan hệ giữa C++ và Otcl đợc minh họa trên hình 3.2.
( mã nguồn ) biên dịch Otcl phỏng
Các thư viện C++
Hình 3.3 chỉ ra kiến trúc NS-2. Trong kiến trúc này, ngời sử dụng (không phải ngời phát triển NS-2) ở vị trí góc dới bên trái. Dữ liệu đầu vào là tập lệnh Otcl đợc phân tích bởi lớp Tcl. Việc thiết lập và chạy mô phỏng trong Tcl sử dụng các đối tợng trong th viện Otcl. Thời biểu các sự kiện và hầu hết các thành phần mạng hoạt động trong C++ và đợc liên kết tới Otcl. Việc này đợc thực hiện bởi lớp tclcl.
Chơng 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 trờng Cygwin/X đợc sử dụng để tìm hiểu một số các tính chất của mạng Wireless Sensor. Cygwin/X cung cấp một giao diện chơng trình ứng dụng (API) giống nh hệ điều hành UNIX trên khuôn dạng Windows do NS-2 không chạy trực tiếp trên Windows.
Hình 3.3: Kiến trúc tổng quan của NS-2
Môi trờng 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 lợng. Trong ns - 2, một mạng Sensor có thể đợc xác định với nhiều tổ hợp các đặc tính nh thực tế. Môi trờng mạng di động trong ns - 2, cung cấp sự hỗ trợ lẫn nhau giữa các giao thức nh hình 3.12
Thời biểu các sự kiện NS-2
Các thành phần mạng Tcl 8.0 Otcl tclcl
Hình 3.4: Các giao thức đợc hỗ trợ trong NS-2 mô phỏng mạng không dây
Với cơ sở này, ta chỉ cần thêm vào NS-2 một số đối tợng và thuộc tính để mô phỏng mạng Sensor.
3.3.2. Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2
Cơ sở duy nhất còn thiếu trong NS-2 cho mô phỏng mạng Sensor là việc định nghĩa một "Phenomenon" (hiện tợng). Ví dụ nh chất hoá học, âm thanh,... các đối tợng này có thể di chuyển và kích hoạt các Sensor ở gần qua một kênh nh phẩm chất không khí hay rung động mặt đất. Khi một Sensor phát hiện tín hiệu từ một hiện tợng trong kênh này, Sensor sẽ phản ứng tuỳ theo ứng dụng đợc định nghĩa bởi ngời sử dụng NS-2. Các ứng dụng này sẽ quy định việc Sensor làm gì khi phát hiện ra hiện tợng mục tiêu. Ví dụ, Sensor có thể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục phát hiện thấy hiện tợng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn nh công tác với các Sensor lân cận để có đợc thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tợng trớc khi cảnh báo ngời giám sát về một hiện tợng giả định. Mỗi mạng Sensor có một ứng dụng duy nhất nh giám sát động đất, môi trờng, Phần mở rộng NS-2 cung cấp các khả năng trình diễn các ứng dụng Sensor. Với các ứng dụng này, chúng ta có thể nghiên cứu hoạt động của cơ sở hạ tầng mạng dới các điều kiện khác nhau. Cơ sở của việc xây dựng mô hình mạng Sensor trong NS-2 đợc minh hoạ trong hình 3.5.
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 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.
Mô hình trình diễn của các hiện tợng trong NS-2 đợc xác định với các gói quảng bá đợc chuyển qua một kênh đợc chỉ định. Phạm vi ảnh hởng của hiện tợng là tập hợp các nút có thể nhận đợc 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 nút hiện tợng. Các kiểu phát này phủ sóng theo dạng gần tròn nhng các hình dạng khác cũng có thể có đợc bằng cách thay đổi phạm vi của các gói Phenon và di chuyển một cách thích hợp một tập các nút hiện tợng phát cùng kiểu.
Việc phát quảng bá các gói Phenom đợc hoàn thành nhờ "giao thức định tuyến Phenom", quảng bá các gói Phenom với tốc độ xung xác định. Khi một gói Phenom đ- ợc nhận bởi một nút trên kênh Phenomenon (kênh hiện tợng), một thông báo về sự kiện này sẽ đợc chuyển đến ứng dụng Sensor của nút đó.
3.3.3. Các định dạng mới trong NS-2
Giả sử có các nút hiện tợng (Phenomenon) kích hoạt các nút Sensor, lu lợng các nút Sensor tạo ra mỗi khi phát hiện thấy hiện tợng phụ thuộc vào chức năng của mạng. Ví dụ, các mạng thiết kế để để hiệu chỉnh đích bằng hiệu ứng năng lợng sẽ tạo ra nhiều lu lợng Sensor đến Sensor hơn mạng thiết kế để cung cấp cho giám sát viên các dữ liệu cha qua xử lý. Chức năng này phụ thuộc vào ứng dụng của Sensor và phụ thuộc vào đặc tính lu lợng kết hợp với mạng đợc mô phỏng. Đối tợng và chức năng đợc 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 tợng. Nó bao gồm các tham số cho tốc độ xung và kiểu hiện tợng (Bụi cabon, động đất mạnh, động đất nhẹ, tiếng ồn hay loại chung). Các kiểu này đợc đặt tên để nhận dạng các nguồn hiện tợng trong file trace (đầu ra mô phỏng). Tốc độ xung là tham số duy nhất điều khiển việc phát tín hiệu từ một hiện tợng.
đám mây khí gas-hiện tợng cần cảm biến) di động và một trạm thu thập số liệu (ở góc trên bên phải). Các nút sẫm màu (màu đỏ) là các nút đang cảm biến đợc hiện tợng, các nút nhạt màu (màu xanh lá cây) là các nút không quan sát thấy hiện tợng. Các vòng tròn
to mô tả việcphát sóng tín hiệu của các nút.Cáckhối nhỏ màu đen biểu thị các gói tin trong mạng.
- Senso nets-NRL / Senso agent.cc, h: định nghĩa các agent Sensor, các agent là điểm cuối, nơi các gói thuộc lớp mạng đợc tạo ra và phân tách, xử lý . Các nút Sensor sử dụng một tác nhân Sensor 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 đợc gửi đi từ ứng dụng Sensor. Các tác nhân Sensor hoạt động nh một ống dẫn, qua đó các gói tín Phenom đợc nhận và xử lý bởi các ứng dụng Sensor. Các tác nhân Sensor không thực sự quan tâm đến nội dung của gói Phenom, nó chỉ đơn giản đánh dấu các gói nhận đợc và chuyển đến ứng dụng Sensor. Agent này đợc định nghĩa trong Sensor agent.cc.
- Sensornets-NRL / Sensorapp.cc, h : ứng dụng Sensor đợc định nghĩa trong file này tận dụng màu nút và tạo ra các thông báo Sensor để chỉ ra nút tơng ứng phát
đổi màu nút thành đỏ, kích thoạt một biến toàn cục "alarm" và gửi một thông báo Sensor (MESG_SIZE byte) đến nút sink (nút thu thập số liệu) của kết nối UDP, TCP sau mỗi chu kỳ là TRANSMIT_FREQ giây. Khi một nút không nhận đợc một Phenom packet trong thời gian chờ (SILENT_PHENOMENON giây), thì màu nút trở về màu xanh lá cây. Nếu màu nút đợc yêu cầu để biểu thị mức năng lợng thay vì trạng thái cảnh báo Sensor 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 tợng (CO, HEAVY - GEO, LIGHT - GEO, SOUND, and TEST - PHENOMENON) tơng 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 đợc sử dụng mô phỏng với nhiều nút hiện tợng và có thể dễ dàng nhận ra và phân biệt với các hiện tợng khác mà nút Sensor phát hiện, bằng cách nhìn vào file trace.
3.3.4. Thay đổi trong NS-2
Hình 3.7 ra sơ đồ cây NS - 2 mở rộng mô phỏng mạng Sensor với các bổ sung (nhánh bên phải) và hiệu chỉnh (nhánh bên trái).
Các chỉnh sửa trong NS-2 đợc thực hiện trong các file sau :
- Trace / cmu-trace.cc, h: Lớp CMUTrace đợc 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 tợng nên cần phải định dạng gói tơng ứng trong file này.
- Tcl / lib / ns-lib.tcl: Thành phần này trình bày về cấu hình nút đợc chỉ ra trong tập lệnh NS-2. Phần mở rộng sử dụng kiểu nút mới (các nút Sensor và Phenomenon). Vì thế, đã thêm vào một số điểm vào chức năng định cấu hình nút (node-configure) để phù hợp với các kiểu này.
Hình 3.7: Sơ đồ bổ sung và chỉnh sửa NS-2
- Tcl / lib / ns-mobilenode.tcl: Trong NS-2, dung lợng sẵn có cho việc lập mạng không dây đa kênh đợc sử dụng để phát các loại tín hiệu hiện tợng khác nhau. Bằng việc sử dụng kênh riêng cho các hiện tợng, ta có thể mô phỏng môi trờng vật lý riêng cho từng loại hiện tợng nh trong thực tế. Nh vậy, các nút Sensor cần 2 giao diện: một với kênh 802.11 và một với kênh Phenom. Khả năng đa giao diện ("Multi - homed") đợc bổ xung trong ns-mobilnode.tcl.
- Common / packet-h: Mỗi gói trong ns -2 đợc liên kết với một kiểu riêng tuỳ thuộc vào giao thức tơng ứng nh TCP, ARP, AODV, FTP, .v.v..Vì giao thức phát tín hiệu hiện tợng là mới nên phải định nghĩa kiểu gói tơng ứng trong file tiêu đề packet.h.
nghỉ hoạt động hay tận dụng các mật độ mạng tối u. 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 tợng là một quá trình có thể tiêu thụ năng lợng 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 nút trong khi cảm biến các hiện tợng.
Một số sửa đổi khác đợc thực hiện ở mac / mac.cc, tcl / lib / ns-namsupp.tcl và queue / priqueue.cc. Một số sửa chữa trong thủ tục định màu nút, bổ sung kiểu gói Phenom vào tổ chức NS-2 đợc thực hiện để đơn giản hoá giao diện đến kênh Phenomenon trên nút