一種基于OMNeT++的“實代碼”仿真模式研究-

精品文檔-下載后可編輯一種基于OMNeT++的“實代碼”仿真模式研究*隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將32個小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州"大鴨島"上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

1OMNeT++

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺機(jī)器上的210個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機(jī)時間，提高效率，并延長設(shè)備的使用時間。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會得到更大的應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由稱為"微塵（mote）"的微型計算機(jī)構(gòu)成。這些微型計算機(jī)通常指帶有無線鏈路的微型獨立節(jié)能型計算機(jī)。無線鏈路使得各個微塵可以通過自我重組形成網(wǎng)絡(luò)，彼此通信并交換有關(guān)現(xiàn)實世界的信息。目前，對于傳感網(wǎng)的研究越來越受到關(guān)注，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法更是其中的熱點之一。

為評價傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法的性能，僅通過實驗是無法實現(xiàn)的，特別是包含大量節(jié)點的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，更是很難通過實驗來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真，研究人員設(shè)計開發(fā)了許多仿真平臺（或在現(xiàn)有平臺建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型），包括NS-2、OPNET、SensorSim、EmStar、OMNet++、GloMoSim、TOSSIM、PowerTOSSIM等。

OMNeT++[2-3]（ObjectiveModularNetworkTestBedinC++）是開源的基于組件的模塊化的開放網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，是近年來在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域里逐漸流行的一種的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。OMNeT++作為離散事件仿真器，具備強(qiáng)大完善的圖形界面接口和可嵌入式仿真內(nèi)核，同NS2[4]、OPNET[5]和JavaSim等仿真平臺相比，OMNeT++可運行于多個操作系統(tǒng)平臺，可以簡便定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備編程、調(diào)試和跟蹤支持等功能。

OMNeT++具有模塊化的結(jié)構(gòu)，圖1是OMNeT++仿真的高層體系結(jié)構(gòu)。

2實代碼仿真

2.1總體思路

對于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，利用有限的具有代表性的節(jié)點拓?fù)渚涂梢韵喈?dāng)大程度地模擬整個網(wǎng)絡(luò)的性能，但是對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于其大冗余度和高密度節(jié)點拓?fù)錁?gòu)造類型而無法用有限的節(jié)點數(shù)目來分析其整體性能。

仿真可以在算法和實現(xiàn)之間起到橋梁作用，從仿真到實現(xiàn)不要進(jìn)行二次編碼，而是平滑過渡。經(jīng)過仿真測試和驗證了的代碼能夠直接在硬件上運行，但經(jīng)常出現(xiàn)算法仿真通過而實際卻不能實現(xiàn)的情況。

本論文研究實代碼仿真的主要原理就是將硬件中斷換成離散仿真事件，由仿真器事件拋出的中斷來驅(qū)動上層應(yīng)用，也即節(jié)點實代碼。

總體思路框架圖如圖2所示，不同節(jié)點類型、不同數(shù)目的同一類型節(jié)點都可以在支持分布式仿真的仿真模擬器OMNET++上運行，仿真的具體思路就是將每一個節(jié)點（對應(yīng)一個對象）抽象成一個線程（線程始終運行），其次將需要仿真的實代碼以動態(tài)鏈接庫的形式調(diào)入線程中，由OMNeT++底層的離散仿真事件驅(qū)動編譯成DLL的代碼。

本次試驗的DLL動態(tài)鏈接庫為ucos系統(tǒng)上的系統(tǒng)軟件協(xié)議棧.其中附加運行的任務(wù)為測試程序，實際應(yīng)用過程中存放的是在硬件上運行的OS的節(jié)點代碼。

2.2動態(tài)鏈接庫

動態(tài)鏈接庫簡稱DLL,它是基于Windows程序設(shè)計的一個非常重要的組成部分，可以被其他應(yīng)用程序所共享的程序模塊，其中封裝了一些可以被共享的里程和資源。與使用普通的函數(shù)庫相比，它并不是將庫中的代碼拷貝到可執(zhí)行文件中，而是在建立應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件時動態(tài)裝載到動態(tài)鏈接庫DLL[7-8],裝載時DLL被映射到進(jìn)程的地址空間中，在程序中記錄函數(shù)的入口點和接口，不管多少程序使用DLL,內(nèi)存中都只有一個DLL副本，當(dāng)沒有程序使用時，系統(tǒng)將其移出內(nèi)存，減少了對內(nèi)存和磁盤的要求。

本文簡單地編譯了一個DLL,將運行在UCOS上的Aloha協(xié)議封裝成DLL,協(xié)議功能就在于實現(xiàn)簡單的偵聽功能。為了進(jìn)行驗證，在stack中附加輸出test（）函數(shù)，函數(shù)功能就是將全局變量m自增1,返回m值。

intm=0;

inttest（）

{

m++;

returnm;

}

然后通過。def文件將OS啟動入口函數(shù)test（）導(dǎo)出如下：

LIBRARYdlltest

EXPORTS

test

這樣在vc6.0++環(huán)境目錄中，可以得到dlltest.dll文件，將其拷貝到omnetpp-4.0\samples\test下即可以在OMNeT++中的源文件中調(diào)用，具體調(diào)用方式為GetProcAddress（）顯式調(diào)用。

2.3節(jié)點切換：PE文件解析

將代碼以動態(tài)鏈接庫的方式加載入內(nèi)存后，每個節(jié)點將會加載該DLL,這樣將會出現(xiàn)DLL中的全局變量等信息無限次地被每個節(jié)點所更改。其結(jié)果將是第二個節(jié)點的全局變量信息也許會成為個節(jié)點的全局變量信息。

但是，所希望得到的結(jié)果是個節(jié)點的全局變量信息始終是個節(jié)點的，第二個節(jié)點的全局信息也始終是第二個節(jié)點的。這樣，自然而然想到的就是如何保護(hù)全局變量的問題。本工程所采用的一個小技巧就是每個節(jié)點產(chǎn)生一個數(shù)組，來保存節(jié)點信息。在這里要重點區(qū)別于多進(jìn)程共享全局變量問題，本文涉及到的內(nèi)容主要為線程間共享數(shù)據(jù)。

DLL為PE文件結(jié)構(gòu)如圖3所示

PE文件被稱為可移植的執(zhí)行體是PortableExecute的全稱，常見的EXE、DLL、OCX、SYS、COM都是PE文件，PE文件是微軟Windows操作系統(tǒng)上的程序文件（可能是間接被執(zhí)行，如DLL）。

PE文件格式在winnt.h頭文件中文檔化了（用不的語言）！大約在winnt.h的中間部分標(biāo)題為"ImageFormat"的一個快。在把MS-DOS的MZ文件頭和NE文件頭移入新的PE文件頭之前，這個塊就開始于一個小欄。WINNT.H提供PE文件用到的生鮮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，但只有很少有助于理解這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)志變量的解釋。不管誰為PE文件格式寫出這樣的頭文件都肯定是一個信徒無疑（突然持續(xù)地冒出MichaelJ.O'Leary的名字來）。它衍生于早期建立在VAX/VMS上的COFF（CommonObjectFileFormat）文件格式。對PE格式和COFF文件的主要描述存放在winnt.h文件中，它是PE文件定義的終決定者。

文件偏移地址是指當(dāng)PE文件存貯在磁盤上時，某個數(shù)據(jù)的位置相對于頭文件的偏移量，稱為文件偏移地址（FileOffset）或物理地址（RAWOffset）。文件偏移地址從PE文件的個字節(jié)開始計數(shù)，起始值為0.

相對虛擬地址（RVA）只是內(nèi)存中的一個簡單的相對于PE文件裝入地址的偏移位置，它是一個"相對"地址，或稱"偏移量".圖2顯示了PE文件在裝入前后的相對位置變化。虛擬地址（VA）=基地址（ImageBase）+相對虛擬地址（RVA）。

本文所編動態(tài)鏈接庫（DLL）函數(shù)中的全局變量是儲存在。data段中的。這樣就牽扯到每個節(jié)點運行后，要將其。data段的信息保存在數(shù)組中，在下次這個節(jié)點運行時再將其拷貝回。data段中，保證加載在內(nèi)存中的DLL不被其他的節(jié)點所更改。

其中重要部分是找到動態(tài)鏈接庫在內(nèi)存中的位置地址，然后根據(jù)PE文件結(jié)構(gòu)來解析data段的位置，以及其data段的大小。

偽代碼如下：

constchar*szSecName=".data";

hInst=LoadLibrary（）；

……

IMAGE_DOS_HEADER*pDosHead;

IMAGE_FILE_HEADER*pPEHead;

IMAGE_SECTION_HEADER*pSection;

……

strncmp（szSecName,（constchar*）pSection[i].Name,IMAGE_SIZEOF_SHORT_NAME）；

……

在每個節(jié)點的node::initialize（）中，為每個節(jié)點建立一個線程，而此線程就是將文中提到的"實代碼"以顯式鏈接的方式加載到其中。需要注意的是，這個線程是一直運行的，線程間以信號量的形式進(jìn)行通信。也即在主線程中設(shè)置信號量為：

……

SetEvent（eventM）；

……

WaitForSingleObject（eventT,INFINITE）；

……

當(dāng)然，在各個線程中：

……

WaitForSingleObject（eventM,INFINITE）；

……

SetEvent（eventT）；

……

通過這種方式來進(jìn)行線程間的交互，達(dá)到主線程（Omnet++）模擬的硬件中斷驅(qū)動上層的目的。其中多個線程中的主線程用來仿真所有節(jié)點應(yīng)用的運行，而分線程主要用來向外部動態(tài)鏈接庫程序提供服務(wù)和接受外部程序發(fā)送過來的命令。

實際消息處理過程中數(shù)組中，將保存的信息段數(shù)據(jù)復(fù)制到PE文件中的全局?jǐn)?shù)據(jù)段地址就是在SetEvent（eventM）消息處理之前進(jìn)行的，而WaitForSingleObject（eventT,INFINITE）之后再將運行完成后的數(shù)據(jù)段拷貝回數(shù)組中。

2.4OMNeT++配置

（1）Ned文件的編寫

NED語言用來刻畫定義模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，方便對一個網(wǎng)絡(luò)的模型化描述，這意味著一個網(wǎng)絡(luò)的描述可以包括一組元件的描述（通道，簡單/復(fù)雜模型），這些組件的描述可以在其他網(wǎng)絡(luò)描述中得以重用。包含網(wǎng)絡(luò)描述的文件帶有。Ned的后綴，.Ned文件動態(tài)地載入到模擬程序，或者用Ned編譯器或C++代碼鏈接到模擬器執(zhí)行。

本次試驗中設(shè)定了兩種不同類型的節(jié)點：普通節(jié)點和匯聚節(jié)點。每種類型的節(jié)點為一個簡單模塊。而普通節(jié)點的數(shù)目作為一個可變參數(shù)由輸入者自己確定。

模塊聲明只定義了模塊類型，要確實地獲得一個仿真器能運行的模塊，需要書寫網(wǎng)絡(luò)定義。網(wǎng)絡(luò)定義將前面定義的模塊類型聲明為一個仿真模塊實例，盡管可以將一個模塊作為自包含的簡單模塊并實例為一個網(wǎng)絡(luò)，但應(yīng)用中更希望使用復(fù)合模塊類型。在NED文件中可以有幾個網(wǎng)絡(luò)定義仿真程序，使用NED文件可運行其中任何一個，可以在配置文件時選擇想使用的那個，本次試驗的網(wǎng)絡(luò)定義語法如下：

networknet

{

parameters:

@display（"bgi=background/terrain"）；

intnumNodes;

submodules:

node[numNodes]:node{

parameters:

@display（"i=,cyan"）；

}

s_node:s_node{

parameters:

@display（"i=,gold"）；

}

其中用圖形化編輯如圖4所示。

（2）node.cc文件編寫

正如前文所述，每個節(jié)點抽象為一個線程，node::initialize（）中，為每個節(jié)點建立一個線程，該線程是一直運行的。同時，對于PE文件結(jié)構(gòu)的解析也在此函數(shù)中完成。node::handlemessage（）中，模擬中斷的產(chǎn)生，通過自發(fā)信息延遲一定時間來實現(xiàn)模擬定時中斷，然后置信號量來實現(xiàn)。

s_node.cc文件的編寫類似node.cc文件。

（3）信道配置

離散事件系統(tǒng)是指一個系統(tǒng)的狀態(tài)改變是離散的，在兩個連續(xù)事件之間沒有任何事件發(fā)生。簡單地說，事件規(guī)定了系統(tǒng)狀態(tài)的改變，狀態(tài)的修改僅在事件發(fā)生時進(jìn)行。離散事件系統(tǒng)可以使用離散事件模擬仿真。部分事件包括包傳輸?shù)拈_始、包傳輸?shù)慕Y(jié)束、重傳等待時間到達(dá)。

3結(jié)果討論

按照上述基本步驟的編寫結(jié)果布局如下，普通節(jié)點數(shù)目設(shè)置為20.

分析以上結(jié)果可以看到：圖5所示為初始布局，配置文件中設(shè)置的普通節(jié)點數(shù)目為20,匯