OMNet+ +在物聯網專業課程教學中的應用研究

符 琦，蔣云霞

(湖南科技大學 計算機科學與工程學院，湖南 湘潭411201)

1 物聯網與專業課程教學

物聯網(Internet of Things)是一種以傳感器為基礎設備來實現人與人、人與物、物與物互聯的新型網絡技術。它通過傳感器對物理世界各種信息進行收集，并有效結合互聯網、移動通信網和計機算等技術實現網絡內人員、設備和基礎設施的相關信息的傳送、交互和分析處理，從而提升網絡對外部世界的感知能力，實現人們在生活和工作各方面的智能化科學決策和控制。目前，物聯網技術已經成為了我國新興戰略產業未來發展的方向之一，被廣泛應用于智能電網、智能交通與物流、智能家居、工業與自動化控制、醫療健康、金融與服務業、國防軍事等諸多領域［1］。

在2010年教育部審批通過的140 個高等學校戰略性新興產業相關本科新專業中，物聯網專業成為了各高校的新開熱門專業。該專業主要以面向物聯網產業和領域需求，培養實用型、復合交叉型人才為目標，著重培養學生創業、創新能力，工程研究與開發能力，以及項目組織與管理等綜合能力。作為一門新專業，在專業課程教學內容、教學模式、教學實踐等各方面均需要進行適用性探討，以完善其知識體系、課程體系、工程實踐等各方面的相關理論與切實可行的教學方案、培養計劃等。物聯網專業課程一般包括無線傳感器原理、無線傳感器網絡、物聯網基礎、嵌入式系統、RFID 技術等課程［2］。其中，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)是物聯網的重要組成部分，其相關課程也是重要的核心專業課程。由于該課程所講授的網絡技術是一種集成創新型技術，知識涵蓋了圖論、高等數學、計算機網絡、無線電射、嵌入式系統等各個方面，因此是一門應用性和理論知識很強的專業課。作為一門新的網絡理論技術課程，教學過程中通常會偏向于理論知識的講授，內容相對較空洞抽象，學生難以了解和掌握網絡內部的具體運行方式，不利于知識點的全面了解，而課程實驗相關的硬件平臺價格通常不菲，且不同的實驗需要不同的硬件支撐。因此，有必要在該課程教學中，充分采用合適的開源網絡仿真軟件進行網絡仿真實驗，這樣既可減少教學成本，又能讓學生了解整個網絡運行的各個層面的相關工作原理與機制，同時還可以讓老師根據不同的教學內容設計相應的仿真實例，更好地進行課堂教學。因此，本文主要介紹了無線傳感器網絡仿真所需要軟件的工作原理與應用流程。

2 相關仿真軟件對比分析

無線傳感器網絡是由大量部署在監測區域內的傳感器節點組成的多跳自組織網絡系統，用于協作感知、采集和處理監測區域中物理世界的信息。目前已在環境監測、醫療健康、工業控制、家庭智能監控等領域得到了廣泛的應用。為了更好地將其應用到具體的環境中，有必要通過一個可控的仿真軟件環境來研究其相關技術，如路由技術、MAC 機制等，以提高其實際應用的可行性和效率。因此，該網絡仿真所需要的仿真軟件應具有以下基本特性［3］:支持大數據量傳感節點的仿真，同時保證仿真運行的時間和效率;仿真各功能模塊可進行自適應配置，以適應不同應用場景對傳感器節點的功能需求;具有良好的人機交互界面，便于學習和二次開發。

目前，主要用于無線傳感器網絡仿真的軟件主要有NS2 和OMNe+ +兩種。雖然兩者都能有效地對無線傳感器網絡進行仿真，且開放源代碼，有利于使用者根據需要來進行編程，但仍存在下幾個方面的區別:

一是NS2 模型庫(包括各種協議)過于單一，沒有針對WSN 的專用模型庫;而OMNet+ +除了擁有和NS2 一樣的模型庫外(如Internet 網絡相關協議)，還有專門用于WSNs 和自組織網絡、車載網絡等特殊網絡類型的仿真模型庫(如表1 所示)，且隨著使用人員的增加，正在不斷的完善中，完全能滿足WSNs 等相關網絡的仿真需求。

表1 OMNet+ +仿真庫舉例

二是NS2 采用了TCL 語言和C + +的分離編譯模式，且無有效的GUI 操作界面，入門較難;而OMNet + +采用了基于Eclipse 框架的GUI 環境，且采用了基于模型分級的網絡描述語言NED，可對網絡拓撲和節點內部結構進行可視化的自定義，直觀易學，且模型可自定制(見圖1)。

圖1 OMNet+ +運行示意圖

三是NS2 缺少有效的調試環境，查錯和糾錯十分不便;OMNet+ +利用Eclipse 框架及其C+ +編輯編譯相關插件，能有效地定位錯誤，并進行跟蹤調試。

基于以上分析，本文采用OMNet+ +作為WSNs 網絡仿真的首選工具進行仿真流程的介紹。

3 OMNet+ +在仿真教學中的應用研究

3.1 OMNet+ +原理與構成

OMNet+ +是一個具備完善GUI 和可嵌入式仿真內核的基于組件的開源網絡仿真軟件，可運行于Windows、Linux 等多種操作系統，主要由網絡描述語言的編譯器、仿真內核庫、消息編譯器、網絡編輯器和仿真程序的圖形化/命令行用戶接口等幾個部分組成，可以迅速定義網絡拓撲結構，并具備網絡協議源碼編程和跟蹤調試等功能，仿真結果可通過Plove 或Scalar 等工具進行可視化輸出［4］。

如圖2 所示，一個完整的OMNet + +仿真模型通常由.ned、.msg 和.cc 三類源文件組成。.ned 源文件通過NED(Network Description)語言進行網絡拓撲的描述，包括定義節點設備、節點間的連接方式等與網絡拓撲和仿真相關的對象及其參數。.msg 源文件用于定義仿真過程中的數據包、消息和事件等格式和內容，該類文件并非必須，根據仿真具體需求來生成;.cc 源文件用于實現網絡各部分的功能，如某個具體的協議或機制等。在上述源件的基礎上，OMNet + +通過NED 編譯器、消息編譯器、仿真內核庫、用戶接口等模塊進行聯合編譯，以生成不同操作系統環境下的可單獨運行的仿真程序，并根據定義生成輸出結果文件，作為數據分析的基礎。

圖2 OMNet+ +仿真流程示意圖

3.2 OMNet+ +在無線傳感器網絡仿真教學中的應用

無線傳感器網絡課程是物聯網專業的一門核心專業課程，主要講授了無線傳感器平臺和網絡架構，軍事和生活應用，設計影響因素等內容，涵蓋了網絡層的路由協議、傳輸層的技術和協議、跨層方案、定時同步技術、定位技術和拓撲管理等網絡相關的各方面知識。而OMNet ++針對該網絡也提供了大量的開源仿真庫，如Castalia、MiXiM、InetManet 等，以便有效地為不同環境下的無線傳感器網絡的相關算法和協議的仿真提供支持，同時支持使用者進行二次開發。下面以Castalia 仿真庫為例，簡單介紹該WSNs 仿真庫的安裝與使用。

Castalia 是基于OMNet+ +4.0/4.1 的WSNs 仿真庫，目前最新版本為3.0，只能運行于Linux 或Cygwin 操作系統環境，可 在 相 關 網 站(http://castalia.npc.nicta.com.au)下載其最新源碼文件Castalia －3.0.tar.gz。然后，通過下面的命令將其解壓至OMNet + +的安裝目錄下(如～/omnetpp－4.1)，并進行編譯連接，以生成WSNs 仿真所需要的相關文件，如Castalia 等:

～/omnetpp－4.1 $ tar –xvzf Castalia－3.0.tar.gz#解壓Castalia 仿真庫源碼

～/omnetpp－4.1 $ cd Castalia －3.0/ #進入解壓后的Castalia 源碼根目錄

～/omnetpp－4.1/Castalia －3.0 $./makemake #產生編譯Castalia 所需的文件Makefile

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0 $ make #編譯Castalia 源碼，并生成可執行文件

當編譯成功時，在Castalia 安裝目錄(Castalia/bin)下會生成運行Castalia 所需的可執行文件Castalia，至此便可以用“Castalia －c 配置文件”的方式來運行其所帶實例。其中，配置文件描述了網絡仿真場景中的各種參數，如節點數，信道數、連接方式等等，默認為omnetpp.ini，使用者可以根據需要自定義。Castalia 在Catalia/Simulations 目錄 下 自 帶 了BANtest、BridgeTest、simpleAggregation、radioTest 等8 個WSNs 仿真的實例，并附有說明文檔，以便使用者根據需要做自適應修改。以Castalia 所帶radioTest在命令行下的運行過程為例(圖形方式參考Castalia 的使用手冊):在radioTest 目錄下運行Castalia，則Castalia 會搜索可用的網絡仿真場景配置文件(*.ini)，并從中分析有效的網絡配置信息，以供用戶選擇不同的場景進行仿真。如下所示，Castalia 在radioTest 目錄下發現了可用的配置文件omnetpp.ini，并在其中找到了5 個有效的仿真配置信息，此時，便可選擇其中的一個有效仿真信息進行仿真(如General)，并生成相應的仿真結果文件(如Castalia－Trace.txt):

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$../../bin/Castalia #運行Castalia

List of available input files and configurations #返回可用配置文件和有效配置信息列表

* omnetpp.ini #可用配置文件

General #有效仿真場景信息1

InterferenceTest1 #有效仿真場景信息2

InterferenceTest2 #有效仿真場景信息3

CSinterruptTest #有效仿真場景信息4

varyInterferenceModel #有效仿真場景信息5

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$../../bin/Castalia －c General #運行General

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$ less Castalia－Trace.txt #查看仿真結果

0.027540267327 SN.node［0］.Application Not sending packets

4.068529304763 SN.node［0］.Application Received packet #19 from node 1

4.268531555813 SN.node［0］.Application Received packet #20 from node 1

4.468533806863 SN.node［0］.Application Received packet #21 from node 1

4.668536057913 SN.node［0］.Application Received packet #22 from node 1

與此同時，OMNet+ +支持用戶功能模塊的自定制，以方便用戶擴展其對不同網絡的仿真能力。以基于Castalia 的功能擴展為例，假設用戶要新增加一個MAC 層的仿真模塊myMAC，首先應在～/omnetpp －4.1/Castalia －3.0/src/node/communication/mac 目錄下建立myMAC 目錄，并將myMAC 相關的所有.ned、.msg、.h、.cc 等模塊文件復制到該目錄下，然后，執行如下命令重新編譯Castalia，以更新仿真庫，使之有效:

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0 $make clean #清除原有編譯信息

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0 $./makemake #重新生成編譯Catalia 所需文件Makefile

～/omnetpp－4.1/Castalia －3.0 $make #利用新的Makefile 文件，重新編譯Catalia

4 結 語

將OMNeT+ +應用于無線傳感器網絡課程教學的仿真教學，可實現WSNs 在拓撲控制、路由協議、實時定位等網絡各層相關技術的仿真研究，便于學生了解課程中的大部分原理與實現，從而將理論演示教學與實踐環節有機地結合起來，更好地促進教師與學生之間的教與學，有利于培養高層次的物聯網技術實用人才。

［1］柯 強.物聯網專業課程建設探討［J］.物聯網技術，2012(1):80 －85.

［2］張建輝，曾 虹.無線傳感器研究生課程教學探討［J］.中國現代教育裝備，2012(7):79 －81.

［3］石為人，黃 河，鮮曉東，等.OMNet + +與NS2 在無線傳感器網絡仿真中的比較研究［J］.計算機科學，2008(10):53 －57.

［4］吳劍鋒，郭 英，范海寧.OMNet+ +網絡仿真器的設計原理與分析［J］.微計算機應用，2008(5):34 －37.