摘  要: 嘗試搭建一個(gè)基于OMNeT++仿真器的“實(shí)代碼仿真模式”的研究,，將整套UCOS系統(tǒng)上運(yùn)行的協(xié)議代碼封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫,，加載到仿真器上利用其離散仿真事件隊(duì)列機(jī)制進(jìn)行調(diào)試，運(yùn)行通過后可以直接在實(shí)際硬件芯片上運(yùn)行,，無需二次修改,，大大提高研究開發(fā)進(jìn)度。成功地將UCOS上運(yùn)行的aloha協(xié)議棧封裝成DLL加載到OMNeT++,，調(diào)試運(yùn)行通過并且已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用中,。
關(guān)鍵詞: 無線傳感網(wǎng); OMNeT++; 實(shí)代碼仿真; 動(dòng)態(tài)鏈接庫

1 OMNeT++
　 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由稱為“微塵(mote)”的微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。這些微型計(jì)算機(jī)通常指帶有無線鏈路的微型獨(dú)立節(jié)能型計(jì)算機(jī),。無線鏈路使得各個(gè)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(shí)世界的信息。目前,，對(duì)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(diǎn)之一。
　 為評(píng)價(jià)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法的性能,，僅通過實(shí)驗(yàn)是無法實(shí)現(xiàn)的,，特別是包含大量節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]，更是很難通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)(實(shí)際上,，上百個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)己經(jīng)比較難以管理與實(shí)現(xiàn)),。為了實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真,研究人員設(shè)計(jì)開發(fā)了許多仿真平臺(tái)(或在現(xiàn)有平臺(tái)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](Objective Modular Network TestBed in C++)是開源的基于組件的模塊化的開放網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái),，是近年來在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域里逐漸流行的一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。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(tái)相比,，OMNeT++可運(yùn)行于多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái),，可以簡(jiǎn)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++主要用于通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的仿真,。
     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(shí)代碼仿真
2.1 總體思路
　對(duì)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(diǎn)拓?fù)渚涂梢韵喈?dāng)大程度地模擬整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能, 但是對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 由于其大冗余度和高密度節(jié)點(diǎn)拓?fù)錁?gòu)造類型而無法用有限的節(jié)點(diǎn)數(shù)目來分析其整體性能,。因此在仿真規(guī)模上必須考慮大量節(jié)點(diǎn)的并行運(yùn)算,WSN 節(jié)點(diǎn)有可能成千上萬甚至更多,。
    仿真可以在算法和實(shí)現(xiàn)之間起到橋梁作用, 從仿真到實(shí)現(xiàn)不要進(jìn)行二次編碼, 而是平滑過渡。經(jīng)過仿真測(cè)試和驗(yàn)證了的代碼能夠直接在硬件上運(yùn)行, 但經(jīng)常出現(xiàn)算法仿真通過而實(shí)際卻不能實(shí)現(xiàn)的情況,。
    本論文研究實(shí)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(dòng)上層應(yīng)用，也即節(jié)點(diǎn)實(shí)代碼,。
    總體思路框架圖如圖2所示，不同節(jié)點(diǎn)類型,、不同數(shù)目的同一類型節(jié)點(diǎn)都可以在支持分布式仿真的仿真模擬器OMNET++上運(yùn)行,，仿真的具體思路就是將每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)一個(gè)對(duì)象)抽象成一個(gè)線程(線程始終運(yùn)行)，其次將需要仿真的實(shí)代碼以動(dòng)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(dòng)編譯成DLL的代碼,。

    本次試驗(yàn)的DLL動(dòng)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(yùn)行的任務(wù)為測(cè)試程序,，實(shí)際應(yīng)用過程中存放的是在硬件上運(yùn)行的OS的節(jié)點(diǎn)代碼,。
2.2 動(dòng)態(tài)鏈接庫
    動(dòng)態(tài)鏈接庫簡(jiǎn)稱DLL ,它是基于Windows 程序設(shè)計(jì)的一個(gè)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[6],。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(shí)動(dòng)態(tài)裝載到動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL[7-8] ,裝載時(shí)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(diǎn)和接口,不管多少程序使用DLL ,內(nèi)存中都只有一個(gè)DLL副本,當(dāng)沒有程序使用時(shí),系統(tǒng)將其移出內(nèi)存,減少了對(duì)內(nèi)存和磁盤的要求。
　 本文簡(jiǎn)單地編譯了一個(gè)DLL,將運(yùn)行在UCOS上的Aloha協(xié)議封裝成DLL,，協(xié)議功能就在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的偵聽功能,。為了進(jìn)行驗(yàn)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。
    int m=0;
    int  test()
    {
    m++;
    return m;
    }    
    然后通過.def文件將OS啟動(dòng)入口函數(shù)test（)導(dǎo)出如下：
    LIBRARY dlltest
    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(diǎn)切換：PE文件解析
　 將代碼以動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式加載入內(nèi)存后,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)加載該DLL,，這樣將會(huì)出現(xiàn)DLL中的全局變量等信息無限次地被每個(gè)節(jié)點(diǎn)所更改。其結(jié)果將是第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局變量信息也許會(huì)成為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局變量信息,。
　 但是,，所希望得到的結(jié)果是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局變量信息始終是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局信息也始終是第二個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)小技巧就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)組，來保存節(jié)點(diǎn)信息,。在這里要重點(diǎn)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[9]文件格式是Win32平臺(tái)上(包括 Windows9x/NT/2000/XP/2003/Vista/CE)主流的可執(zhí)行文件格式,，是Portable Executable File Format(可移植的執(zhí)行體)簡(jiǎn)寫。它衍生于早期建立在VAX/VMS上的COFF(Common Object File Format)文件格式,。對(duì)PE格式和COFF文件的主要描述存放在winnt.h文件中,，它是PE文件定義的最終決定者。
　文件偏移地址是指當(dāng)PE文件存貯在磁盤上時(shí),，某個(gè)數(shù)據(jù)的位置相對(duì)于頭文件的偏移量,，稱為文件偏移地址(File Offset)或物理地址(RAW Offset)。文件偏移地址從PE文件的第一個(gè)字節(jié)開始計(jì)數(shù),，起始值為0,。
　相對(duì)虛擬地址(RVA)只是內(nèi)存中的一個(gè)簡(jiǎn)單的相對(duì)于PE文件裝入地址的偏移位置，它是一個(gè)“相對(duì)”地址,，或稱“偏移量”,。圖2顯示了PE文件在裝入前后的相對(duì)位置變化。虛擬地址(VA)=基地址(ImageBase)+ 相對(duì)虛擬地址(RVA),。
　本文所編動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)函數(shù)中的全局變量是儲(chǔ)存在.data段中的,。這樣就牽扯到每個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行后，要將其.data段的信息保存在數(shù)組中,，在下次這個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)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(diǎn)所更改。
    其中重要部分是找到動(dòng)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：
　　const char *szSecName=".data";
　　hInst=LoadLibrary();
　　……
　　IMAGE_DOS_HEADER *pDosHead;
　　IMAGE_FILE_HEADER *pPEHead;
　　IMAGE_SECTION_HEADER *pSection;
　　……
　　strncmp(szSecName, (const char*)pSection[i].Name, IMAGE_SIZEOF_SHORT_NAME),；
　　    ……
    在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的node::initialize()中,，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)線程，而此線程就是將文中提到的“實(shí)代碼”以顯式鏈接的方式加載到其中,。需要注意的是,，這個(gè)線程是一直運(yùn)行的，線程間以信號(hào)量的形式進(jìn)行通信,。也即在主線程中設(shè)置信號(hào)量為：
　　……
　　    SetEvent(eventM);
　　    ……
　　    WaitForSingleObject(eventT, INFINITE);
　　    ……
　　    當(dāng)然,，在各個(gè)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(dòng)上層的目的,。其中多個(gè)線程中的主線程用來仿真所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的運(yùn)行,，而分線程主要用來向外部動(dòng)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(shí)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(yùn)行完成后的數(shù)據(jù)段拷貝回?cái)?shù)組中,。
2.4 OMNeT++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(duì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的模型化描述，這意味著一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的描述可以包括一組元件的描述(通道,，簡(jiǎn)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(dòng)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。NED文件可以使用任何文本編輯器或GNED圖形編輯器來編寫,。
　本次試驗(yàn)中設(shè)定了兩種不同類型的節(jié)點(diǎn)：普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn),。每種類型的節(jié)點(diǎn)為一個(gè)簡(jiǎn)單模塊。而普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)目作為一個(gè)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(shí)地獲得一個(gè)仿真器能運(yùn)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(gè)仿真模塊實(shí)例，盡管可以將一個(gè)模塊作為自包含的簡(jiǎn)單模塊并實(shí)例為一個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)定義仿真程序，使用NED文件可運(yùn)行其中任何一個(gè),，可以在配置文件時(shí)選擇最想使用的那個(gè),，本次試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)定義語法如下：
    network net
　　    {
　　   parameters:
　　       @display("bgi=background/terrain");
　　        int numNodes;  
　　    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(gè)節(jié)點(diǎn)抽象為一個(gè)線程,，node::initialize()中，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)線程,，該線程是一直運(yùn)行的,。同時(shí)，對(duì)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(shí)間來實(shí)現(xiàn)模擬定時(shí)中斷,，然后置信號(hào)量來實(shí)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(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)改變是離散的,，在兩個(gè)連續(xù)事件之間沒有任何事件發(fā)生,。簡(jiǎn)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(shí)進(jìn)行,。離散事件系統(tǒng)可以使用離散事件模擬仿真,。例如，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常被看作是離散事件系統(tǒng),。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(shí)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)目為20,，匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1。圖6清晰地顯示了動(dòng)態(tài)鏈接庫在進(jìn)程中的內(nèi)存加載位置,，并且由其PE文件結(jié)構(gòu)可以得知其各個(gè)段的分布情況：起始位置,、長(zhǎng)度等。data數(shù)據(jù)段的地址以及長(zhǎng)度就可以順利得到,。當(dāng)不采用數(shù)組時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)是順序增加的,，如圖7所示。這說明每個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局變量信息都是上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局變量信息,，全局變量依次遞增,。相反，采用數(shù)組進(jìn)行保存后,，其中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)全局信息將自己進(jìn)行保存,，如圖8所示。即達(dá)到本文試驗(yàn)研究的初步預(yù)期結(jié)果：將實(shí)代碼以DLL形式加載到進(jìn)程后,，多節(jié)點(diǎn)抽象出的多線程將會(huì)共享DLL,，表示節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的全局變量將會(huì)被不同節(jié)點(diǎn)修改，此工程設(shè)計(jì)的PE文件數(shù)據(jù)段的拷貝很好地解決了這個(gè)問題,。

    基于OMNeT++的“實(shí)代碼”仿真具有很強(qiáng)的可伸縮性,。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 由于其大冗余度、 高密度節(jié)點(diǎn)拓?fù)錁?gòu)造類型, 所以無法用少量的節(jié)點(diǎn)數(shù)目來分析其整體性能,。因此在仿真規(guī)模上必須考慮大量節(jié)點(diǎn)的并行運(yùn)算,WSN 節(jié)點(diǎn)有可能成千上萬甚至更多,；同時(shí)仿真應(yīng)能夠在算法和實(shí)現(xiàn)之間起到橋梁作用, 從仿真到實(shí)現(xiàn)不要進(jìn)行二次編碼, 而是平滑過渡。仿真時(shí)測(cè)試和驗(yàn)證了的代碼能夠直接在硬件上運(yùn)行, 因?yàn)榻?jīng)常出現(xiàn)算法仿真通過而實(shí)際卻不能實(shí)現(xiàn)的情況,。
    本項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)就在于提出了一種全新的驗(yàn)證協(xié)議代碼的方案,。它實(shí)現(xiàn)了在OMNeT++這款離散仿真軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)行在UCOS上的協(xié)議棧代碼直接仿真調(diào)試,將其封裝成為動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式在OMNeT++上調(diào)試運(yùn)行,，協(xié)議棧等代碼無需二次修改,，運(yùn)行后的代碼可以直接在節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行,。具體思路已經(jīng)如上驗(yàn)證通過，并且已經(jīng)將Aloha簡(jiǎn)單的協(xié)議運(yùn)行在芯片上,，更深入的研究正在進(jìn)行中,。
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