مقاله ارزیابی عملکرد مدلساز OPNET ، در شبیه سازی شبکه های حسگر بی سیم ZigBee

بخشی از مقاله

ارزیابی عملکرد مدلساز OPNET، در شبیه سازی شبکه های حسگر بی سیم ZigBee

خلاصه

در سال های اخیر نرم افزار OPNET به طور گسترده ای به عنوان شبیه ساز شبکه مورد استفاده می باشد با این وجود، عملکرد این شبیه ساز در مورد شبکه های حسگر بی سیم ZigBee چندان مورد بررسی قرار نگرفته است. شبیه سازی شبکه های حسگر بی سیم به دلیل ماهیت طراحی سخت افزاری، محدودیت انرژی و وجود تعداد بالای گره ها، امری چالش برانگیز است. در پژوهش حاضر ضمن معرفی شبکه های حسگر بی سیم ZigBee، تحلیل و ارزیابی جامعی از عملکرد QoS پروتکل ZigBee در شبیه ساز OPNET برای توپولوژی های مختلف شبکه حسگر بی سیم و نیز طرح های کلی مسیریابی، صورت گرفته است. سپس، نتایج بدست آمده از شبیه سازی های انجام شده مورد آنالیز و بررسی قرار گرفته و در نهایت پیشنهاداتی جهت بهبود شبیه ساز OPNET جهت کاربرد در شبیه سازی شبکه های حسگر بی سیم ZigBee ارائه گردیده است.

کلمات کلیدی: OPNET، شبکه های حسگر بی سیم، QoS، ZigBee

. 1 مقدمه

یک شبکه حسگر بی سیم شامل ابزارهای مستقل توزیع شده ای است که از حسگرها برای نظارت بر شرایط فیزیکی و یا محیطی، مانند دما، صدا، ارتعاش، فشار، حرکت و غیره در مکان های مختلف استفاده می کنند. در اثر سنجش مشترک محیط مورد نظر، گره ها در محاسبه و برقراری ارتباط درون شبکه ای با یک ایستگاه اصلی، زمانیکه رویداد هدف رخ می دهد، اجرا می شوند .[1] یک شبکه حسگر بی سیم ویژگی های منحصر به فردی را در مقایسه با شبکه های بی سیم معمولی داراست. این ویژگی ها شامل پهنای باند محدود، قابلیت محدود محاسباتی گره های منفرد و تأمین انرژی محدود می باشد. خودسازماندهی، توپولوژی شبکه پویا و مسیریابی چندگامی، از ویژگی های کلیدی احتمالی دیگر یک شبکه حسگر بی سیم است که سبب اهمیت آن برای کاربردهای بسیاری می شود. این امر از جمله مزایای شبیه سازی دقیق و یا گسترش مدل ها قبل از استقرار شبکه حسگر بی سیم در هر زمینه ای می باشد. دلیل این امر این است که ممکن است شبکه های حسگر بی سیم به طور تصادفی در وضعیتی موقت با تعداد زیادی از گره های کوچک استقرار یافته باشد. انجام شبیه سازی، به اعتبار سنجی و ارزیابی عملکرد شبکه های حسگر در محیط های کاربردی خاص، که دسترسی به آنها طی چند سال گذشته ممکن نبوده، کمک می کند. به این ترتیب، شبیه سازی شبکه های حسگر به دلیل قابلیت ها، محدودیت های کمتر انرژی و استفاده از تعداد گره های بیشتر در مقایسه با شبکه های بی سیم معمولی، تقاضای بیشتری دارد. ZigBee پلتفرم رایجی برای شبکه های حسگر بی سیم است.در

1

مطالعات گذشته، NS-2 به عنوان یک شبیه ساز برای شبکه های حسگر بی سیم ZigBee ارزیابی شده و این نتیجه حاصل گردیده که NS-2 به خودی خود بهبودی از نظر بهره وری و پشتیبانی برای کاربردهای دنیای واقعی ارائه نمی کند. همچنین مطالعه مقایسه ای بین مدلساز OPNET و-NS 2 نیز صورت گرفته است که در آن، دقت و صحت NS-2 و مدلساز OPNET در یک شبکه سیمی با استفاده از ترافیک داده CBR و پروتکل انتقال فایل (FTP) مورد مقایسه قرار گرفت و مشخص شد NS-2 از لحاظ عملیاتی نتایج بسیار مشابهی را در مقایسه با مدلساز OPNET ایجاد می کند. با این وجود، ارزیابی عملکرد با مقایسه صورت گرفته، ارزیابی عملکرد شبکه های بی سیم و به خصوص شبکه های حسگر بی سیم را پوشش نمی دهد. بدین ترتیب شبیه سازی در شبکه های حسگر نیز مورد بررسی قرار گرفت و طی این پژوهش ها شبیه سازهای مختلفی برای شبکه های حسگر از جمله OPNETمختصراً مورد بحث و بررسی قرار گرفت. اگرچه محدودیت ها و موانع هر شبیه ساز حسگر همانند مسائل تحقیقاتی در شبکه های حسگر بی سیم شناسایی شده اند، با این حال هیچگونه نتایج شبیه سازی و یا آنالیز حقیقی از ابزارهای شبیه سازی، ارائه نشده است.

به منظور بیان روشنتر عملکرد نرم افزار شبیه سازی شبکه های حسگر بی سیم، هدف این پژوهش ارائه بررسی عملکرد QoS (کیفیت سرویس) مدلساز OPNET برای توپولوژی های مختلف شبکه حسگر بی سیم ZigBee و تعیین قابلیت های عمومی این شرایط می باشد. تأثیر تعداد گره ها بر توان عملکرد MAC و تأخیر انتها به انتها، به طور جامع برای این توپولوژی ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت. علاوه بر این، اثر دست تکانی در تأخیر انتها به انتها بین گره ها نیز بررسی خواهد شد. همچنین به منظور مناسب تر سازی شبیه سازی شبکه های حسگر بی سیم ZigBee توسط OPNET بهبود دهنده های احتمالی نیز در این نرم افزار پیشنهاد گردیده است. با توجه به اطلاعات موجود، تا کنون پژوهشی در زمینه ارزیابی عملکرد مدلساز OPNET به عنوان شبیه ساز شبکه حسگر بی سیم برای پروتکل های ZigBee انجام نشده است. بنابراین این پژوهش می تواند دریچه ای باشد تا به محققان در ارزیابی و اعتبار سنجی مدلساز OPNET ، به عنوان ابزاری برای شبیه سازی شبکه حسگر بی سیم یاری رساند.

.2 آشنایی با پروتکل ZigBee

فناوری ZigBee یک فناوری بی سیم است که به صورت استانداردی جهانی جهت پاسخگویی به نیازمندی های شبکه های سنسورهای ارزان قیمت و کم مصرف بی سیم ایجاد شده است. این استاندارد مجموعه ای از پروتکل های مخابراتی را برای شبکه بندی بی سیم با نرخ ارسال پایین و برد کوتاه مقرر می کند. استاندارد ZigBee از استاندارد IEEE802.15.4 که برای شبکه های بی سیم شخصی با سرعت پایین تعریف شده نشأت گرفته است. شبکه های ZigBeeمجموعه ای از گره های حسگر کم توان می باشند که معمولاً برای مخابره اطلاعات خود به گره مقصد، که گره سینک نامیده می شود، از مسیریابی چندگامی استفاده می کنند .[2] بطور کلی می توان دو نوع فناوری ZigBee و شبکه های به کار رفته در محیط های خصوصی تعریف کرد که عبارتند از:

- دستگاه های با کارکرد کاهش یافته که شامل مواردی می باشند که پیچیدگی گره ها به دلیل محدودیت در هزینه ها و قدرت محاسبات و برق کاهش یافته است.

- دستگاه های با کارکرد کامل که این دستگاه ها منابع مورد نیاز برای عمل نمودن به عنوان هماهنگ کننده یا مسیریاب را دارند و به عنوان دستگاه های انتهایی نیز می توانند بکار روند.

با توجه به مطالب بیان شده می توان کاربردهای فناوری ZigBee را شامل مواردی از جمله: کنترلگرها و سنسورها، اتوماسیون منازل، اتوماسیون تجاری/صنعتی، اندازه گیری از راه دور و شبکه های اتوماتیک دانست. علاوه بر این موارد کاربردهای دیگر این فناوری در زمینه پایش را نیز می توان شامل: کنترل روشنایی، خواندن اتوماتیک دستگاه های اندازه گیری، آشکارسازهای دود، کنترل دستگاه های تهویه مطبوع، کنترل گرما، امنیت منازل و کنترل های محیطی نام برد.

اجزای اصلی تشکیل دهنده یک شبکه ZigBee عبارتند از :[3]

هماهنگ کننده: این دستگاه مسئولیت های بحرانی و بسیار مهمی از قبیل آغاز به کار شبکه، اختصاص آدرس ها به دستگاه ها و کنترل قالب بندی و عملیات را به عهده دارد. در هر شبکه ZigBee تنها یک هماهنگ کننده وجود دارد و آن هم می بایست بصورت کارکرد کامل (FDD)

2

باشد. هماهنگ کننده شبکه تمامی دانش مربوط به شبکه را نگهداری می کند. این حالت پیچیده ترین نوع محسوب شده و بیشترین قدرت محاسباتی و حافظه را نیاز دارد.

مسیریاب: این بخش منابع مورد نیاز برای اجرای الگوریتم های مسیریابی و ارسال و دریافت پیام ها از یا به دستگاهی را دارد. همچنین قادر به ساخت و نگهداری اتصالات به گره های فرزند یا ریشه می باشد. این دستگاه ها نیز باید با کارکرد کامل باشد.

مرکز اعتماد: این بخش به عنوان جزء اصلی در معماری امنیتی ZigBee شناخته می شود و توسط تمام دستگاه ها مورد اعتماد می باشد. این دستگاه خدمات حیاتی مانند مدیریت اعتماد، مدیریت دستگاه و مدیریت شبکه را به عهده دارد.

دستگاه انتهایی: این دستگاه می تواند در بر گیرنده کارکرد کاهش یافته و یا کارکرد کامل باشد. اما به عنوان یک گره برگ در شبکه در نظر گرفته می شود و شامل عملیات مربوط به دستگاه هایی مانند مسیریاب، هماهنگ کننده یا دروازه نمی باشد.

دروازه: گره دروازه به عنوان پلی بین شبکه ZigBee و شبکه ای دیگر مانند شبکه باسیم اترنت می باشد و در صورت نیاز به تبدیل پروتکل می پردازد.

.3 ارزیابی عملکرد شبکه

یک شبکه واقعی بر اساس معیارهای مختلفی از جمله در دسترس بودن، قابل اعتماد بودن، زمان پاسخ دهی، بار، توان، ظرفیت پهنای باند و نرخ از دست رفتن بسته، می تواند مورد ارزیابی قرار گیرد. به این پارامترها به طور خلاصه QoS اطلاق می شود. QoS می تواند به عنوان "ویژگی قابل مشاهده ابزار شبکه بندی" سطح پایین، شامل پهنای باند، تأخیر، جیتر و نرخ گم شدن بسته و یا به عنوان "ویژگی قابل مشاهده توسط کاربر" سطح بالا مانند کیفیت ارتباط صوتی و یا ویدیوئی در نظر گرفته شود .[4] ویژگی های سطح پایین برای اکثر شبکه های حسگر بی سیم قابل استفاده هستند. عملکرد یک شبیه ساز شبکه، به توانایی و دقت آن برای شبیه سازی و تقلید از یک شبکه واقعی اشاره دارد. همچنین، عوامل دیگری مانند پروتکل شبکه، مسیریابی، توپولوژی، مدل انرژی و غیره تأثیر قابل توجهی در عملکرد یک شبیه ساز و در نتیجه کارآیی آن دارد. علاوه بر این موارد، معماری، ساختمان داده و الگوریتم های اجرا شده در نرم افزار شبیه ساز نیز بر عملکرد آن مؤثر می باشند. واضح است که شبیه سازی دقیق از یک شبکه حسگر بی سیم، امری پیچیده است. به منظور ارزیابی کلی از عملکرد مدلساز OPNET برای شبکه های حسگر بی سیم ZigBee، معیارهای عملکرد ارائه شده در این پژوهش شامل تأخیر انتها به انتها، تعداد گام های به کار گرفته شده، توان، کاهش داده و زمان شبیه سازی، خواهند بود. به طور کلی این پارامترها پیش بینی روشنی از پارامترهای QoS در شبکه های حسگر بی سیم ارائه می دهند.

. 1-3 معرفی شبیه ساز OPNET

محیط مدلساز OPNET شامل ابزارهایی برای تمامی مراحل مطالعه، از جمله طرح مدل، شبیه سازی، مجموعه داده و آنالیز داده می باشد. مدلساز OPNET محیط جامعی را که از مدل سازی شبکه های ارتباطی و سیستم های توزیع شده پشتیبانی می کند، ایجاد می نماید. در این نرم افزار مدل هایی برای شبیه سازی شبکه هایی از ابعاد کوچک و در حد یک LAN ساده تا شبکه های ماهواره ای بزرگ وجود دارد. در این نرم افزار از شبیه سازی رویدادهای گسسته جهت تحلیل عملکرد و رفتار شبکه ها استفاده می شود. این مدلساز، یک محیط مجازی شبکه شامل رفتار روترها، سوئیچ ها، پروتکل ها، سرورها، کامپیوترهای شخصی و برنامه های کاربردی را مدلسازی کرده و از طریق این محیط مجازی، مدیران IT می توانند کارآیی، صحت، پیاده سازی، مشکلات و سایر رفتارهای شبکه ای را سبک و سنگین کرده و سناریوهای ایده آل را جهت رشد و توسعه شبکه ها طراحی کنند 5]،1 ،.[6

رفتار و عملکرد یک مدل می تواند از طریق شبیه سازی رخدادهای مجزا، آنالیز شود. آنالیز داده های شبیه سازی شده توسط انواعی از توابع

3

داخل ساختاری پشتیبانی می شود. برای نتایج شبیه سازی، نمایش های گرافیکی مختلفی در دسترس بوده و تحرک پذیری گره می تواند به آسانی در انواع مختلف گره، مانند هماهنگ کننده های ZigBee، دستگاه انتهایی و گره های روتر اجرا شود. شبیه ساز OPNET در انواع و نسخه های مختلفی ارائه شده است که بطور عمده به دو دسته دانشگاهی و تجاری دسته بندی می گردند. آنچه مسلم است آن است که قابلیت ها و ویژگی های ارائه شده در نسخه دانشگاهی نرم افزار محدود بوده و برای شبیه سازی های بزرگتر و پیچیده تر به نسخه های تجاری آن که خود شامل ورژن های مختلفی می باشد، نیاز است 5]،1 ،.[6

.2-3 جریان کاری شبیه ساز OPNET

این شبیه ساز ابزارهای پرقدرتی را برای کمک به کاربر در انجام مراحل چهارگانه شبیه سازی فراهم می کند. در شکل((1 این مراحل نشان داده شده است. همانطورکه در شکل نشان داده شده است، ابتدا توپولوژی شبکه را پیاده سازی می کنیم، سپس مقادیر آماری هر گره، کابل و کانال، زیر شبکه و غیره را تنظیم کرده و پس از راه اندازی شبیه سازی به تحلیل نتایج می پردازیم. این مراحل بطور خلاصه جریان کاری نامیده می شود.

شکل -1 مراحل شبیه سازی در OPNET

- در شبیه ساز OPNET یک ساختار سلسله مراتبی برای شبیه سازی بکار می رود. به عبارت دیگر مسئله در سطوح مختلفی که در هرکدام جنبه های مختلف مدل مطرح می شود، تعریف می گردد.

- کتابخانه این شبیه ساز بسیار کامل بوده و شامل آخرین پروتکل ها و مدل های ارائه شده در زمینه شبکه می باشد. همچنین دارای قابلیت به روزرسانی مدل های موجود در آن، توسط پژوهشگران شبکه می باشد .[5]

.3-3 ساختار سلسله مراتبی در شبیه ساز OPNET

محیط شبیه سازی در این نرم افزار دارای سه سطح طراحی می باشد که عبارتند از: Network یا Project ، Node و Process

هریک از این سه ابزار طراحی یک ویرایشگر نامیده می شوند که در هرکدام محیطی متفاوت برای طراحی بخشی از مسئله آماده شده است. در سطح اول طراحی، توپولوژی کلی شبکه شامل گره ها، لینک ها و سایر موارد رسم می شود. در سطح Node رفتار تک تک عناصر شبکه طراحی و ترسیم می شود. به این ترتیب برای هر عنصر در شبکه، ساختاری جداگانه بر مبنای ویژگی های آن عنصر در سطح Node تعریف می شود. در این ویرایشگر ساختار لایه ای هر عنصر شبکه و ارتباط میان لایه ها تعیین می گردد. در این سطح طراحی، با ماژول ها و جریان بسته ها مواجه خواهیم بود.

نهایتاً در سطح Processنیز عملکرد و رفتار هر ماژول تعریف می شود. به بیان دیگر وظیفه ای که هر ماژول به عهده دارد، اصطلاحاً Process نامیده می شود. هر Process مجموعه دستورالعمل هایی است که با استفاده از روش ماشین با حالت محدود (FSM) مدل می شود. در این سطح شبیه سازی بر مبنای محیط Porto-C صورت می گیرد. محیط Porto-C برای مدل کردن پروتکل ها و الگوریتم ها طراحی شده است و شامل یک محیط گرافیکی از دیاگرام های STD ، کتابخانه ای از دستورهای سطح بالا که به NPs معروفند و زبان برنامه نویسی C یا C++ است. هر STD از مجموعه ای از حالات تشکیل شده است که برحسب رخ داد شرایط خاص گذار بین این حالت ها صورت می گیرد. به غیر از ویرایشگرهای اصلی ذکر شده،

4

محیط های ویرایش دیگری نیز در OPNET وجود دارند که به نوعی در خدمت سه ویرایشگر اصلی فوق الذکر می باشند و مدل هایی ایجاد می کنند که در ویرایشگرهای اصلی مورد استفاده قرار می گیرند .[5]

. 4-3 مدل OPNET ZigBee

این مدل از چهار مدل فرایندی زیر استفاده می کند:

· مدل : ZigBee MAC مدلی از پروتکل IEEE 802.15.4 MAC را پیاده سازی می کند. این مدل اسکن کانال، فرآیند اتصال و خرابی/ بازیابی پروتکل را در حالت عملکرد بدون حافظه اجرا می کند.

· مدل کاربردی : ZigBee نمایانگر نسخه ای از لایه ی کاربردی ZigBee است که به دلیل ویژگی های ذکر شده در مشخصه های ZigBee ، کمتر مورد تأیید و پسند کاربران است. مدل فرآیند، اتصال و شکل گیری شبکه را آغاز می کند و ترافیک را تولید و دریافت کرده و گزارش های شبیه سازی مختلفی را ایجاد می کند.

· مدل : CSMA/CA ZigBee پروتکل دسترسی به رسانه لایه MAC را اجرا می کند.

· مدل شبکه : ZigBee لایه شبکه ZigBee را اجرا می کند. این مدل مسئول مسیریابی ترافیک، فرآیند اتصال شبکه، ایجاد درخواست ها و تولید beacon ها است.[1]

.5-3 حالت های شبیه سازی

به منظور بررسی عملکرد OPNET در شبیه سازی شبکه های حسگر بی سیم ZigBee ، سه توپولوژی رایج در شبکه های حسگر بی سیم شامل ستاره ای، مش و درختی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در توپولوژی ستاره ای، گره ها به یک گره مرکزی متصل می شوند. این مرکز "هماهنگ کننده"، نسبت به سایر گره ها و یا دستگاه های پایانی، به قابلیت بیشتری جهت بررسی پیام، مسیریابی و تصمیم گیری نیاز دارد. چنانچه یک لینک ارتباطی قطع شود، تنها یک گره تحت تأثیر قرار می گیرد. با این حال، چنانچه هماهنگ کننده از دست برود؛ شبکه از کار می افتد. در توپولوژی مش گره ها به طور منظم توزیع شده اند و اجازه انتقال را تنها به نزدیکترین گره همسایه می دهند. گره ها در این شبکه ها به طور کلی یکسان هستند، به طوری که شبکه های مش، شبکه های نظیر به نظیر نیز نامیده می شوند. شبکه های مش می توانند مدل های خوبی برای شبکه های بزرگ مقیاس حسگر بی سیمی باشد که در بیش از یک منطقه جغرافیایی توزیع می شوند. یکی از مزایای توپولوژی مش این است که هنگامیکه تمامی گره ها یکسان بوده و قابلیت محاسبات و انتقال یکسانی دارند، گره های خاص می توانند به عنوان هماهنگ کننده هایی که توابع فرعی را در بر دارند؛ انتخاب شوند. در این توپولوژی، اگر یک هماهنگ کننده از دست برود، گره دیگر می تواند این وظایف را بر عهده بگیرد. در توپولوژی درختی، گره هماهنگ کننده به یک یا چند گره دیگر که در سلسله مراتب، در یک سطح پایین تر قرار دارند؛ با لینک نقطه به نقطه بین هر یک از گره های انتهایی و گره هماهنگ کننده متصل می باشد. همچنین هر کدام از گره های انتهایی که به گره هماهنگ کننده متصل شده اند؛ به یک یا چند گره دیگر در یک سطح پایین تر و به صورت نقطه به نقطه متصل خواهند شد.

توپولوژی ستاره ای در نظر گرفته شده، شامل هشت دستگاه انتهایی ZigBee و یک هماهنگ کننده است. توپولوژی های مش و درختی در نظر گرفته شده نیز از هشت دستگاه انتهایی ZigBee، شش روتر ZigBee و یک هماهنگ کننده، تشکیل شده اند. انتخاب تعداد روتر های ZigBee در توپولوژی های درختی و مش برای اطمینان از اینکه آیا هر توپولوژی توانایی افزایش تعداد دستگاه های پایانی را در حالت های شبیه سازی بدون افزایش سریع تأخیر را دارد؛ انجام می گیرد. به طور معمول حالت های مسیریابی مش و درختی از پروتکل مسیریابی AODV استفاده می کنند. هر سه

5

توپولوژی با و یا بدون استفاده از دست تکانی درخواست جهت ارسال و یا پاک کردن جهت ارسال ( RTS/CTS) جهت مطالعه اثر دست تکانی بر تأخیر و سایر پارامترهای QoS، شبیه سازی خواهند شد. در شبکه های حسگر صدها تا چندین هزار گره می تواند در سراسر شبکه حسگر مستقر شوند. بنابراین در فرآیند ارزیابی شبیه سازی، تنها تعدادی از گره ها در نظر گرفته شده اند. شبیه سازی برای حالت های 8 گره ای تا حالت های 200 گره ای در سه توپولوژی انتخابی شبکه های حسگر بی سیم انجام شده است.

تمامی گره های حسگر با ترافیک CBR پیکربندی شده و برای ارزیابی اهداف مد نظر، در یک حالت واحد در شبکه محلی شخصی مشابه در نظر گرفته می شوند (به عنوان مثال داشتن ID شبکه محلی شخصی). برای سهولت، گره، یک گره مقصد تصادفی را در PAN خود انتخاب می کند. ارتفاع تمامی گره ها در تمامی حالت ها یک متر بالاتر از سطح زمین در نظر گرفته می شود. این ارتفاع مقدار پیش فرضی برای مدل گره OPNET ZigBee است و می تواند با توجه به کاربرد در حال شبیه سازی متفاوت باشد. به طور معمول در شبکه های حسگر بی سیم یکی از وظایف هماهنگ کننده تعیین توپولوژی آن شبکه است، بنابراین در هر توپولوژی نوع شبکه (ستاره ای/ درختی/ مش) در گره هماهنگ کننده، تنظیم می شود. زمان اجرای شبیه سازی برای تمامی حالت ها 30 دقیقه تنظیم شده است. جدول (1) پارامترهای شبکه را که در گره های هماهنگ کننده تنظیم شده اند و جدول (2) پارامترهای شبیه سازی لایه های MAC، فیزیکی و کاربرد را که در حالت های شبیه سازی اجرا شده اند، نشان می دهد.