Simulação de sistemas distribuídos com OMNeT

FISL 14 SISTEMAS DISTRIBUÍDOS OMNET++
Simulação de Sistemas Distribu´ıdos
utilizando o OMNeT++
FISL 14
Prof. Walter Silvestre Coan, MSc.
Universidade da Região de Joinville - UNIVILLE

FISL 14
FISL 14
SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
Conceito
Exemplos de Sistemas Distribu´ıdos
Caracter´ısticas
Simulação de sistemas distribu´ıdos
OMNET++
OMNeT++
Projeto TicToc
Modelos de simulação
Simulação INET
Simulação Adhoc Network
Simulação de uma WSN utilizando MiXiM

SISTEMAS DISTRIBUÍDOS
”Um sistema distribu´ıdo é aquele no qual os componentes
localizados em computadores interligados em rede se
comunicam e coordenam suas aç ões apenas passando
mensagens”[COULORIS:2007] .
Propósitos:
Compartilhamento de recursos
Escalabilidade
Segurança
Transparência
Topologia de um sistema distribu´ıdo

DNS - DOMAIN NAME SYSTEM
Internet utiliza nomes simbólicos para identificar hosts e redes, o
que não obriga os usuários a ”decorar”os endereços IP válidos
dos servidores na Internet.
Dom´ınios - São as entidades que receberam um
determinado nome.
Nomes de dom´ınio - São os nomes simbólicos usados
univille.edu.br - joinville.sc.gov.br
Os aplicativos fazem consultas ao servidor DNS para
traduzir os nomes simbólicos em endereços IP.
Um único servidor DNS não consegue manter todos os links
simbólicos existentes na Internet, então, diversos servidores
colaboram entre si para resolver um determinado endereço e
manter seus bancos de dados atualizado através da troca de
mensagens.

GOOGLE SERVICES
Google Search Engine + GMail + Youtube + Google AdWords +
Google Maps + Google Drive + Google Agenda + Google
Tradutor + Google Livros + Google Alertas
Google apoia eventos sobre pesquisa na ´area de sistemas distribu´ıdos
como o Simp´osio Brasileiro de Redes e Sistemas Distribu´ıdos (SBRC).
Google Research http://research.google.com/pubs/DistributedSystemsandParallelComputing.html
Fonte: Google Servers (2013)

COMPARTILHAMENTO DE RECURSOS
Um sistema distribu´ıdo utiliza-se de diversos computadores
que somam seus recursos realizando cada um parte de uma
atividade complexa com o objetivo suportar um grande
volume de requisiç ões.
Utilizam redes de computadores para troca de mensagens
através de protocolos de comunicação.
Escalabilidade
Suporte a heterogeneidade
redes
hardware
sistemas operacionais
linguagens de programação
Solução: Middlewares (Corba - Java RMI - WCF Mono)

SEGURANÇ A
Fonte: WEB The New York Times (2013)
http://www.nytimes.com/2013/04/02/science/distributed-denial-of-service.html?r = 0
Sistemas distribu´ıdos estão sujeitos a ameaças de segurança
relevantes como o DoS Denial-of-service (ataque de negação de
serviço), ataques de invasão ou substituição de códigos móveis.

TRATAMENTO DE FALHAS
Questões importantes:
Como detectar falhas?
Devido a distribuição de processos em diversos computadores,
encontrar falhas se torna um processo relevante.
Mascaramento de falhas
Retransmissão de mensagens
Tolerância a falhas
Mesmo em caso de falha de comunicação, o sistema continua tentando
estabelecer uma conexão.
Redundância
Recupera¸cão de falhas
Em caso de falha o sistema é capaz de desfazer ou refazer uma
operação mantendo os dados ´ıntegros.
Disponibilidade
Per´ıodo de tempo que um sistema esta pronto para uso.

TRANSPAR ÊNCIA
Transparência de acesso
Recursos dos sistemas distribu´ıdos podem ser acessados
de forma local e remota da mesma forma.
Transparência de localiza¸cão
Possibilitar o acesso aos recursos sem conhecer a real
localização f´ısica dos servidores na rede.
Transparência de replica¸cão
Permitir que várias instâncias dos recursos possam
trabalhar em conjunto para aumentar a disponibilidade e
tolerância a falhas.
Transparência de falhas
Permitir que os usuários dos recusos consigam concluir
tarefas, mesmo em caso de falhas do sistema.

SIMULAÇ ÃO POR COMPUTADOR
Os principais métodos de avaliação de performance são:
Análise matemática
Mediç ões
Simulação por computador
Simulaç ões por computador utilizando eventos discretos são:
”simulaç ões onde o estado da aplicação muda em pontos
discretos no tempo que são conhecidos como
eventos”[Schmidt:2010].
Evoluç ão dos eventos no tempo

SIMULAÇ ÃO UTILIZANDO EVENTOS DISCRETOS
Princ´ıpios:
A simulação acontece por um tempo máximo
determinado;
Eventos são executados em pontos discretos do tempo e
são responsáveis pela mudança do estado da simulação;
Eventos podem gerar novos eventos, que devem ser
armazenados em uma estrutura de dados responsável por
realizar sua ordenação;
Em um ponto do tempo onde um evento ocorre é poss´ıvel
verificar o estado global da aplicação;
Para cada evento deve haver um código fonte para
tratar-lo.

OMNET++
O OMNeT++ foi criado por András Vargas na Technical University of Budapest,
no Department of Telecommunications (BME-HIT), em 1998. Ele funciona como
um framework modular, extens´ıvel e baseado em componentes
desenvolvidos em C++ para simulação de redes e sistemas de propósito
geral. Para uso acadêmico seu licenciamento é como software livre utilizando
o modelo GNU. Para o uso comercial o produto é conhecido como OMNest e
seu licenciamento é vendido.

INSTALAÇ ÃO DO OMNET++
Sistemas operacionais suportados
Ubuntu, Debian, Fedora, Red Hat, OpenSUSE
Mac OS X
e até naquele outro SO...
Instalação no Ubuntu - http://omnetpp.org/doc/omnetpp/InstallGuide.pdf
Download do pacote omnetpp-4.3-src.tgz com os fontes pelo link:
http://omnetpp.org/omnetpp
Descompacte o pacote no seu diretório /home/youruser
Altere a variável de ambiente PATH para incluir o diretório do
OMNeT++.
Instalar um conjunto de pacotes requeridos pelo OMNeT++ conforme o
item 5.3.1 do manual de instalação
Executar o script de verificação de ambiente, ex: ˜/omnetpp-4.3$
./configure
Caso nenhum erro ou falta de pacote requerido seja apresentado basta
iniciar a compilação com o comando, ex: ˜/omnetpp-4.3$ make

ENTENDENDO O PROJETO TICTOC - CRIANDO
Criando projeto exemplo TicToc
O projeto TicToc é um modelo para entender o funcionamento das
simulaç ões no OMNeT++ e principalmente a importância de cada um dos
componentes. Para criar esse exemplo devemos criar um novo projeto no
OMNeT++ através do menu File → New → OMNeT + +Project.
Informe o nome do projeto como ”TicToc”e pressione NEXT, na próxima tela
do wizard conforme a figura acima, selecione o template ”Tictoc
example”dentro da pasta de exemplos, e finalize a criação do projeto com
botão Finish.

ENTENDENDO O PROJETO TICTOC - ESTRUTURA 1/2
Source folder simulations
Devem ser colocados os arquivos de configuração e de
módulos gerais da simulação.
Arquivo com extensão NED
São arquivos que utilizam uma linguagem
espec´ıfica para a descrição de módulos que
são unidos para compor a aplicação.
Arquivo omnetpp.ini
Permite a configuração de cenários de
execução de uma simulação. Esse arquivo é
obrigatório e deve possuir pelo menos o
cenário [General].

ENTENDENDO O PROJETO TICTOC - ESTRUTURA 2/2
Source folder src
Devem ser colocados os códigos fonte em C++ e de
módulos componenes da simulação.
Txc.ned
Define um módulo simples que representa
um nó da simulação. Esse módulo terá dois
portões de comunicação: entrada e sa´ıda. E
poderá receber um parâmetro booleano
através do arquivo de configuração
omnetpp.ini
Txc.h e Txc.cc
São os arquivos fonte que definem o
comportamento do módulo Txc.ned. No
arquivo Txc.h é poss´ıvel observar que a
interface cSimpleModule será implementada.
Com isso o arquivo Txc.cc deverá conter o
código fonte dos métodos initialize e
handleMessage.

ENTENDENDO O PROJETO TICTOC - C ÓDIGO FONTE
1/2
O método initialize() é automaticamente
chamado pelo OMNeT++ em todos os
módulos que compõe a simulação.
Observando o código pode-ser verificar que o
método par() é chamado para ler um
parâmetro que foi passado no arquivo
omnetpp.ini. Caso o parâmetro tenha o valor
verdadeiro, uma instancia da classe cMessage
é criada e o método send é invocado,
direcionando a mensagem para o portão de
comunicação ”out”.

ENTENDENDO O PROJETO TICTOC - C ÓDIGO FONTE
2/2
Já o método handleMessage() é chamado
automaticamente pelo OMNeT++ toda vez
que portão de comunicação ”in”recebe uma
mensagem. Observa-se que a mensagem é
recebida no formado de uma instância do
objeto cMessage que é o parâmetro de
entrada. Como o objetivo do método é
simplesmente realizar a retransmissão da
mensagem, o método send() é novamente
invocado repassando a mensagem para o
portão de comunicação ”out”.

ENTENDENDO O PROJETO TICTOC - OMNETPP.INI
O arquivo omnetpp.ini permite a
configuração dos cenários de execução da
simulação. Observa-se que ele segue padrão
de um arquivo .ini no formato
CHAVE=VALOR. Importante destacar que
existem parâmetros padrões do OMNeT++
para as simulaç ões como o network que
define o nome do cenário, e ainda parâmetros
criados nos módulos como o
sendInitialMessage que foi definido no
módulo Txc.net.

ENTENDENDO O PROJETO TICTOC - TICTOC.NED
É obrigatória a existência de
pelo menos um arquivo no
formato NED com o nome do
projeto que será responsável
por definir a topologia da
rede. Ao definir a topologia da
rede pelo bloco network são
criadas duas instâncias
chamadas tic e toc do mesmo
t´ıpo de módulo Txc definido
anteriormente. No item
connections são criadas as
conexões definindo
efetivamente a topologia
dotada para a simulação.

MODELOS DE SIMULAÇ ÃO
Os modelos de simulação são projetos desenvolvidos paralelamente ao
OMNeT++ por grupos de pesquisa independentes que permitem adicionar
novas funcionalidades e caracter´ısticas de redes espec´ıficas não suportadas
de forma nativa pelo OMNeT++.
Permite a simulação de redes utilizando diversos protocolos como UDP,
TCP, IP, IPv6, Ethernet, PPP, 802.11 dentre outros.
MiXiM
Permite a simulação de Wireless Sensor Networks e
Mobile Networks.
Simulação de Wireless Sensor Networks.
Suporta a simulação de Inter-Vehicular
Communications.

AMBIENTE DE SIMULAÇ ÃO USANDO O INET
Para realizar a instalação do INET basta seguir os passos:
Realizar o download do pacote de instalação pelo link:
http://inet.omnetpp.org/index.php?n=Main.Download
Descompactar o pacote
Pela IDE do OMNeT++ importar o pacote utilizando a opção: File -
Import - Existing Project to the Workspace
Após realizar a importação do projeto, executar o processo de Build.

CRIANDO UM PROJETO COM INET
Vamos criar um projeto utilizando o plugin INET baseado no
modelo Ethernet.
Selecione o menu na IDE do OMNeT++: File - New -
OMNeT++ Project e inform o nome do projeto, clique no bot˜ao
Next.

Na tela Initial Contents, selecione a opção Empty project with
src and simulations folders e clique na opção Finish.

Agora é necessário vincular o projeto a biblioteca do INET para
possibilitar que os componentes possam ser utilizados. Para
isso, clique com o botão direito sobre o projeto e selecione a
opção propriedades. Na próxima tela selecione a opção Project
References e na lista de projetos selecione o inet.

NED FILE - NETWORK DESCRIPTION FILE
O primeiro passo para criar uma simulação é definir a topologia da rede. Para
isso clique com o botão direito sobre o source folder simulations e selecione a
opção New - Network Description File (NED). Na tela do wizard informe o
nome do arquivo NED igual ao nome do projeto. Selecione a opção Next.

Voce pode criar um arquivo NED utilizando alguns exemplos
de topologias já prontas, vamos utilizar o padrão NED File
with one item. Clique no botão Next.

Selecione a opção Network que permite definir a topologia de
nossa rede. Finalize o wizard.

IPV4NETWORKCONFIGURATOR
Vamos agora construir a topologia da nossa rede. De um duplo
clique no arquivo NetworkEthernet.ned no modo de design. O
primeiro componente que vamos inserir é o
iPv4NetworkConfigurator. Seu objetivo é coordenar de forma
transparente a utilização do protocolo IP sobre a rede Ethernet.

IPV4NETWORKCONFIGURATOR
O próximo passo é configurar o iPv4NetworkConfigurator
através de um arquivo xml embedded, nele vamos definir a
faixa de IP utilizada na rede.

TOPOLOGIA DA REDE
Agora voltamos o modo de design para adicionar mais três
componentes:
etherSwitch - Este componente representa um Switch no
padrão Ethernet.
StandarHost - Este componente representa os
computadores conectados a rede. Devem ser insiridos dois
StandarHosts e seus nomes foram modificados para server
e client.

CONEX ÕES
Para concluir a topologia da rede, vamos editar o fonte do
arquivo NED, e incluir um novo grupo de código type, onde
vamos definir um novo tipo chamado cable que irá herdar o
funcionamento de uma conexão por cabo ethernet de 100MBs,
sendo necessário importar esta classe. Criamos também um
novo grupo chamado connections, onde definimos que os dois
StandarHosts utilizam o tipo cable para conectar-se ao switch.

ARQUIVO OMNETPP.INI
O arquivo omnetpp.ini precisa ser modificado para configurar
a simulação. Para esse exemplo vamos utilizar uma aplicação
padrão existente nos StandarHosts que simula o teste da
conexão pelo envio de um pacote ping. Como o objetivo é que
o host cliente envie o pacote ping para o host server, o ip do
host server é colocado como parâmetro de endereço de destino.

BUILD DA SIMULAÇ ÃO
Devemos realizar o build da simulação, para isso basta
selecionar o projeto NetworkEthernet e no menu principal do
OMNeT++ clicar em Project - Build Project. Caso o processo de
build ocorra com sucesso, um novo pacote chamado Binaries
será criado no projeto contendo os arquivos compilados da
simulação.

CONFIGURAR A EXECUÇ ÃO
Para testar a simulação devemos acessar o menu principal do
OMNeT++ Run e seleciona a opção Run Configuration. Clique
no botão nova configuração de execução no canto da tela,
informe um nome para os parâmetros de execução e selecione a
configuração General no item Config name. Para concluir basta
clicar em apply e em seguida na opção RUN.

RESULTADO DA SIMULAC¸ ˜AO ETHERNET

ADHOC NETWORKS
Outro ambiente bastante comum para a simulação de sistemas
distribu´ıdos são as Adhoc Networks, redes formadas sem a
necessidade de uma infraestrutura instalada para a
comunicação (Access Points, Routers, Switchs, etc). Algumas
caracter´ısticas desse tipo de rede são:
Utilização de rádio transmissores (IEEE 802.11, IEEE
802.15.4 ZigBee, Bluetooth);
Os nós da rede devem se coordenar para definir a
identificação dos nós;
Deve haver tolerância a desconexão;
Importância dos algoritmos de roteamento.

ADHOC NETWORKS
Para criar uma simulação no modelo Adhoc Network devemos
criar um novo projeto no OMNeT++ e vincular a dependência
com o projeto INET. Então vamos criar um novo arquivo NED
chamado WirelessProject.NED para definir a arquitetura da
simulação. Clique com o botão direito sobre o source folder
simulations e selecione New - Network Descrition File, informe
o nome do arquivo e na próxima tela selecione a opção NED
File with one item. Na próxima e última tela selecione em
Initial Content a opção Network e finalize o wizard.

ADHOC NETWORKS
O próximo passo é configurar o arquivo WirelessProject.NED, inserindo os
seguintes componentes:
iPv4NetworkConfigurator
Esse componente coordenaram a utilização no protocolo IPv4 para
identificação dos nós da rede;
ChannelControl
Esse componente tem a responsabilidade de controlar o canal de
comunicação por rádio transmissão, sendo que o padrão é o padrão
IEEE802.11.
adhocHost
Esse componente irá simular os nós da rede adhoc.

ADHOC NETWORKS
Edite o arquivo WirelessProject.NED no modo de código fonte. Conforme
ilustra a figura, vamos inserir um novo grupo chamado parameters para
definir uma variável chamada numNodes com o valor inicial de 5, seu
objetivo é permitir que o número de nós da rede possa ser redefinido. No
modulo iPv4NetworkConfigurator insira a linha de configuração da faixa de
IP da rede. E pro fim modifique a declaração da variável adhochost para um
vetor utilizando como tamanho inicial o numhost.

ADHOC NETWORKS
Configuração do arquivo omnetpp.ini

ADHOC NETWORKS
Resultado da simulac¸˜ao da Adhoc Networks

WIRELESS SENSOR NETWORKS
As WSN - Wireless Sensor Networks são uma subclassificação
das adhoc networks, compostas por dispositivos sensores com
restriç ões de recursos e normalmente de baixo custo. Isso
possibilita a montagem e distribuição desses sensores por
grandes áreas gerando redes para monitoramento destas áreas
de interesse.
O MiXiM é um dos plugins que permite a simulação no
ambiente OMNeT++ de redes de sensores sem fio,
acrecentando não apenas aspéctos lógicos mas também a
representação de caracter´ısticas f´ısicas aos sensores.

INSTALAÇ ÃO DO MIXIM
Devido a alguns erros liberados nas últimas versões deste
plugin, o processo de instalação deve seguir os passos:
Realizar o download do pacote pelo endereço:
http://sourceforge.net/projects/mixim/files/mixim/
Descompatar o pacote de instalação (tar xvzf
mixim-2.3.tar.gz)
Acessar o diretorio pelo bash e executar o comando ”make
makefiles”para expansão dos arquivos de compilação do
projeto
Executar o comando ”make”para efetuar a compilação do
projeto
Por fim, abra a IDE do OMNeT++ e selecione a opção File -
Import - General - Import existing projects into workspace
e aponte para o diretorio onde o projeto foi compilado.

CRIANDO UM PROJETO COM O MIXIM
O processo de criação de um projeto utilizando o MiXiM é um
pouco diferente do projeto no INET. O processo inicial
permanece quase igual, precisamos criar um novo projeto do
tipo OMNeT++ que vamos chamar de WSN. Acione a opção
Next.

Na próxima etapa do wizard acontece a principal diferença no
processo de criação de um projeto utilizando o MiXiM. Ele
possui um template para simplificar a criação de projetos
utilizando o simulador. Selecione a opção Basic MiXiM
network, e acione a opção Next.

Na etapa de definição do NIC Protocol é poss´ıvel optar por algumas
configuraç ões importantes do projeto da camada de rede. Vamos selecionar
para a camada de rede a opção Sensor Application Layer, para a camada de
rede um protocolo de roteamento no estilo Flooding, para a camada fisica o
padrão 802.11. Como se trata de uma rede de sensores sem fio, é comum
considerar nas simulaç ões a possibilidade de mobilidade dos nós. Selecione o
modelo de velocidade constante e mantenha a simulação considerando
apenas duas dimensões. Acione a opção Finish.

Observe que os seguintes componentes são utilizados na
simulação:
ConnectionManager - responsável por gerenciar as conexões utilizando
o padrão IEEE802.11 ou outro padrão de comunicação sem fio;
World - esse módulo permite com que os nós tenham acesso a
informaç ões do ambiente onde a simulação esta sendo executada como
por exemplo seu posicionamento geográfico;
Host80211 - que simula os nós de uma WSN.

O arquivo omnetpp.ini gerado pela versão 2.3, possui um erro
na parametrização do gerador de tráfego de rede. No
parâmetro **.appl.trafficParam deve ser inserido um ”s”que
representa segundos, logo após o valor um.

Agora o processo para a execução segue o mesmo do plugin
INET, é necessário realizar o Build do projeto e então criar um
conjunto de configuração de execução para então iniciar a
simulação.

OBRIGADO!
Universidade da Regi˜ao de Joinville - UNIVILLE
Departamento de Inform´atica
Prof. Walter Silvestre Coan, MSc.
walter.s@univille.br - walter.coan@gmail.com
http://www.univille.br/deptoinformatica
http://www.faltoupontoevirgula.com.br
100% LATEX

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