ΤΕΙ Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Ηλεκτρολογίας

Transcript

1 ΤΕΙ Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Ηλεκτρολογίας Σύγχρονα Εργαλεία Δικτύων Η/Υ Πτυχιακή Εργασία Σπουδαστής: Μάριος Παπαδιονυσίου A.E.M.: 3362 Επιβλέπων: Κων/νος Βαξεβανάκης Καβάλα, 2013

2 Σκοπός και αντικείμενο Η μελέτη θα έχει ως αντικείμενο: Την εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών και την προσομοίωση, Την παρουσίαση των τεχνικών-πρωτοκόλλων προσομοίωσης δικτύων υπολογιστών, που αυτή χρησιμοποιείται, σε ποια προβλήματα-καταστάσεις βοηθά και την παρουσίαση διαθέσιμων εργαλείων για την προσομοίωση δικτύων Η/Υ. 2

3 Πίνακας Περιεχομένων ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ... 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΚΑΙ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Προσομοιωτής δικτύου και προσομοίωση Προσομοίωση και εξομοίωση ΤΥΠΟΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΩΝ ΔΙΚΤΥΟΥ Εμπορικοί προσομοιωτές και προσομοιωτές ανοικτού κώδικα Απλοί και σύνθετοι προσομοιωτές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΥΠΟΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΩΝ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΑΚΕΚΡΙΜΕΝΩΝ ΓΕΓΟΝΟΤΩΝ ΣΥΝΕΧΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΔΙΚΤΥΩΝ Η/Υ OPNET MODELER Γενικές πληροφορίες Εισαγωγή Αρχιτεκτονική του OPNET Πεδία Μοντελοποίησης Αντικείμενα, μοντέλα και ιδιότητες NETWORK SIMULATOR 2 (NS-2) Γενικές πληροφορίες Tι είναι η TCL Βασικά στοιχεία λειτουργίας του ns Γιατί δύο γλώσσες; ( C++ και otcl ) Αρχιτεκτονική ασύρματου κόμβου στον NS Εκτέλεση των προγραμμάτων προσομοίωσης NS3 (NETWORK SIMULATOR 3) Γενικές πληροφορίες OMNET Γενικές πληροφορίες Επισκόπηση του OMNeT Modules Messages, gates, connections Παράμετροι ( Parameters) Προγραμματίζοντας τους αλγορίθμους Δημιουργία και εκτέλεση προσομοίωσης Η Γλώσσα ΝΕD Simple modules ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή στα δίκτυα και την προσομοίωση 1.1 Εισαγωγή Η σύγχρονη εποχή τείνει να χαρακτηριστεί ως η εποχή του δικτύου και του διαδικτύου, εξαιτίας της ραγδαίας αύξησης της επιρροής τους και της ένταξής τους στην καθημερινότητα τόσο του απλού χρήστη όσο και ενός επαγγελματία στον τομέα των υπολογιστών. Η ανάπτυξη των δικτύων τα τελευταία χρόνια, έχει καταστήσει προσιτές από τη συντριπτική πλειονότητα των ανθρώπων των αναπτυσσόμενων και των ανεπτυγμένων χωρών τις γρήγορες συνδέσεις διαδικτύου, από τις οποίες κερδοφορούν πολλές επιχειρήσεις τόσο παγκοσμίως αλλά και σε εθνικό επίπεδο ( όπως Hol, ΟΤΕ, FORTHNET). Υπάρχει μεγάλος πλουραλισμός στους τρόπους σύνδεσης στο διαδίκτυο, όπως π.χ. 1. Με την αξιοποίηση των υψηλών, μη χρησιμοποιούμενων συχνοτήτων του τηλεφωνικού δικτύου (υπηρεσίες DSL), 2. Με την εγκατάσταση ενός εκτεταμένου δικτύου οπτικών ινών, όπως οι τεχνολογίες Fiber To The Home FTTH ( οπτική ίνα στο σπίτι) και Fiber To The Cabinet FTTC (οπτική ίνα στο KV), 3. Είτε με τη χρήση ασύρματων συνδέσεων, αξιοποιώντας το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς (3G) ή τους τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους ( satellite internet). Μια από τις κύριες αιτίες της ραγδαίας ανάπτυξης του διαδικτύου είναι η δυνατότητα που παρέχει στο ευρύ κοινό να έχει άμεση και φθηνή πρόσβαση σε μια πληθώρα υπηρεσιών. Έτσι, τα τελευταία χρόνια έχουν εμφανιστεί πάρα πολλές νέες υπηρεσίες οι οποίες βασίζονται στο βασικό πρωτόκολλο του διαδικτύου (IP Protocol), όπως το Voice over IP (τηλεφωνία μέσω δικτύου), το Video on demand ( βίντεο κατ' απαίτηση ), υπηρεσίες απομακρυσμένης αποθήκευσης αρχείων, και τα δίκτυα ανταλλαγής αρχείων ( torrent, Gnutella etc). 4

5 Είναι πολύ πιθανό, ότι καθώς εξελίσσεται η τεχνολογία, νέες υπηρεσίες θα κάνουν σύντομα την εμφάνισή τους, κάποιες από τις οποίες θα γίνουν τμήμα της καθημερινότητας του μέλλοντος. Μέσα στο δυναμικό αυτό πλαίσιο, κάθε αλλαγή στο δίκτυο πρέπει να σχεδιάζεται και να εξετάζεται προσεκτικά, ώστε να εξασφαλίζεται η απρόσκοπτη λειτουργία του, καθώς και η συνέπεια και συνέχεια της λειτουργίας του. Επιπρόσθετα, κάθε προσθήκη νέας υπηρεσίας, αναμένεται να μεταβάλλει τη συμπεριφορά του δικτύου και συνεπώς, για την διευκόλυνση τόσο των εξειδικευμένων ερευνητών, όσο και των διαχειριστών των δικτύων, μια εφαρμογή προσομοίωσης κρίνεται απολύτως αναγκαία. Για καλή μας τύχη, στον κόσμο του ανοιχτού λογισμικού, αυτή τη στιγμή υπάρχει πληθώρα εργαλείων που επιτελούν το συγκεκριμένο έργο. Η παρούσα πτυχιακή εργασία ασχολείται με τη συγκριτική μελέτη των εργαλείων ανοιχτού κώδικα που υπάρχουν διαθέσιμα για την προσομοίωση δικτύων. Το δίκτυο υπολογιστών (συχνά αναφέρεται απλά ως δίκτυο) αποτελείται από ένα σύνολο υπολογιστών αλλά και άλλων συσκευών οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους με διάφορα κανάλια επικοινωνίας ώστε να επιτρέπεται η κοινή χρήση πόρων και πληροφοριών. Τα δίκτυα είναι δυνατό να κατηγοριοποιηθούν σύμφωνα με διάφορα χαρακτηριστικά όπως: Φυσικό μέσο (τύπος καναλιού επικοινωνίας): Τα δίκτυα μπορούν να χαρακτηριστούν ενσύρματα, οπτικά και ασύρματα όταν συνδέονται με χάλκινα σύρματα, με οπτικές ίνες, ή με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αντίστοιχα. Γεωγραφική κάλυψη: Τα δίκτυα διακρίνονται σε τοπικά (Local area network - LAN), εταιρικά (corporate area network), μητροπολιτικά (metropolitan area network - MAN), και δίκτυα ευρείας περιοχής (Wide area network WAN) Οι κανόνες και οι μορφές που χρησιμοποιούνται για την απρόσκοπτη ανταλλαγή πληροφοριών σε ένα δίκτυο υπολογιστών καθορίζονται από πρωτόκολλα επικοινωνίας, όπως το πρωτόκολλο επικοινωνίας Ethernet, το οποίο αποτελεί ένα πρωτόκολλο σχετικό με το υλικό και τους τρόπους ζεύξης σε τοπικά δίκτυα, και το Internet Protocol (πρωτόκολλο IP), το οποίο ουσιαστικά αποτελεί ένα ευρύτερο σύνολο επί μέρους πρωτοκόλλων τα οποία αφορούν τη Διαδικτύωση, δηλαδή την επικοινωνία δεδομένων μεταξύ πολλαπλών δικτύων. Στην επιστήμη των δικτύων υπολογιστών, έχει δημιουργηθεί το πρότυπο OSI, το οποίο ουσιαστικά αποτελεί μια σειρά οδηγιών, που αφορούν την αρχιτεκτονική των δικτύων και 5

6 αποτελούν βασικό πρότυπο αναφοράς για τη διασύνδεση των συστημάτων. Το κύριο χαρακτηριστικό του προτύπου OSI είναι η διεπαφή μεταξύ των επιπέδων, η οποία υπαγορεύει τις προδιαγραφές αλληλεπίδρασης μεταξύ τους. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία επιτρέπει την απρόσκοπτη συνεργασία μεταξύ υλικού και λογισμικού που κατασκευάζεται από διαφορετικούς κατασκευαστές. Επιπρόσθετα, ο προτυποποιημένος διαχωρισμός των επιπέδων διευκολύνει την μελέτη της συμπεριφοράς των πρωτοκόλλων, και επιτρέπει το σχεδιασμό και τον έλεγχο πολύπλοκων και αξιόπιστων πρωτοκόλλων. Η βασική αρχή που διέπει το πρότυπο, είναι ότι κάθε επίπεδο διαθέτει πληροφορίες ή υπηρεσίες στο ανώτερο επίπεδο και λαμβάνει πληροφορίες από το αμέσως κατώτερο επίπεδο. Σύμφωνα με το πρότυπο OSI, τα επίπεδα είναι συνολικά επτά. Τα τρία χαμηλότερα αφορούν τον έλεγχο των δεδομένων μέσα στο δίκτυο ενώ τα τέσσερα ανώτερα αφορούν την επικοινωνία με τον χρήστη. Πιο συγκεκριμένα, αυτά είναι: 1. Φυσικό επίπεδο (Layer 1, Physical Layer): Στο φυσικό επίπεδο προτυποποιούνται και καθορίζονται όλες οι προδιαγραφές για τις συσκευές που μπορούν να χρησιμοποιούνται μέσα σε ένα δίκτυο όπως, το είδος καλωδίων που θα χρησιμοποιηθούν, ο τρόπος διασύνδεσης τους, οι μεθοδολογίες μετατροπής των ψηφιακών δεδομένων σε ηλεκτρικά σήματα κλπ. 2. To Επίπεδο Διασύνδεσης (Layer 2, Data Link Layer ): Το συγκεκριμένο επίπεδο αφορά τις προδιαγραφές διασύνδεσης (Data Link Layer) και κατά κανόνα αποτελείται από δύο επιμέρους τμήματα, το Logical Link Layer (επίπεδο λογικής διασύνδεσης) και το Media Access Control (έλεγχος πρόσβασης φυσικού επιπέδου). Το δεύτερο επίπεδο του προτύπου OSI είναι εφοδιασμένο με μηχανισμούς και πρωτόκολλα τα οποία σχετίζονται με την ταυτοποίηση των συσκευών καθώς και τις μεθοδολογίες παραλαβής παράδοσης των δεδομένων στο φυσικό επίπεδο. 3. Επίπεδο δικτύου (Layer 3 -Network Layer): Το επίπεδο δικτύου προσφέρει τους τρόπους μεταφοράς δεδομένων μεταξύ διαφορετικών φυσικών δικτύων, την επονομαζόμενη δρομολόγηση (Routing). Στο γνωστό μας Internet αυτόν τον μηχανισμό τον παρέχει το πρωτόκολλο IP (Internet Protocol). 4. Επίπεδο μεταφοράς ( Layer 4, Transport Layer): Το επίπεδο Μεταφοράς (transport layer) διασφαλίζει την επικοινωνία ανάμεσα σε δύο συγκεκριμένες συσκευές οι οποίες βρίσκονται σε διαφορετικά φυσικά δίκτυα, εξασφαλίζοντας την ακρίβεια των δεδομένων 6

7 που παραδίδονται. Σε κάθε περίπτωση όμως, το τέταρτο επίπεδο δεν μπορεί να εγγυηθεί την παράδοση των δεδομένων. Η συμπεριφορά αυτή είναι αναμενόμενη, καθώς δεν είναι πάντα εφικτή η σύνδεση μεταξύ των δύο σημείων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα πρωτοκόλλων του 4 ου επιπέδου είναι τα γνωστά πρωτόκολλα Transmission Control Protocol (TCP) και User Datagram Protocol (UDP). 5. Επίπεδο Συνόδου (Layer 5, Session layer): Το 5ο επίπεδο επιτρέπει στις εφαρμογές να ανοίγουν και να διατηρούν συνόδους επικοινωνίας μεταξύ δύο κόμβων του δικτύου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα πρωτοκόλλου που πληροί τις προδιαγραφές του 5ου επιπέδου είναι το NetBios (το πρωτόκολλο που χρησιμοποιεί το λειτουργικό σύστημα των Windows για κοινή χρήση αρχείων και εκτυπωτών). 6. Επίπεδο παρουσίασης (layer 6, Presentation Layer): Το 6ο επίπεδο, παρέχει κοινούς τρόπους για την παρουσίαση των δεδομένων που μεταφέρονται. 7. Επίπεδο εφαρμογής (Layer 7, Application layer): Το 7ο επίπεδο αποτελείται από ένα σύνολο προδιαγραφών και μηχανισμών που παρέχουν στον χρήστη και στις διάφορες εφαρμογές πρόσβαση στους πόρους του δικτύου. Οι εφαρμογές προσομοίωσης δικτύων προσομοιώνουν κατά κανόνα και τα 7 επίπεδα, ιδιαίτερη βαρύτητα όμως δίνεται στα χαμηλότερα επίπεδα, κυρίως στα επίπεδο 3 και 4. Πρόσφατες προσπάθειες έχουν γίνει για την cross-layer προσομοίωση, η οποία είναι χρήσιμη σε ασύρματες συνδέσεις, όπου το φυσικό επίπεδο είναι το πιο αναξιόπιστο τμήμα της επικοινωνίας. Το πρότυπο OSI αποτελεί σήμερα το de facto πρότυπο κατά την μοντελοποίηση και την υλοποίηση των δικτύων. Το σύνολο του υλικού και του λογισμικού που ασχολείται με τα δίκτυα ακολουθεί στις μέρες μας το πρότυπο OSI. 7

8 1.2 Πλεονεκτήματα Δικτύων Α) Διαμοιρασμός των ψηφιακών πόρων του συστήματος, δηλαδή προγραμμάτων, φακέλων, αρχείων κ.λπ. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι συγκροτείται ένας εικονικός κοινόχρηστος χώρος, όπου όλοι οι χρήστες, ανάλογα και με τα προνόμια - δικαιώματα που τους έχουν δοθεί από το διαχειριστή του δικτύου, έχουν πρόσβαση από τον υπολογιστή τους και μπορούν να χρησιμοποιούν τα ίδια αρχεία, τους ίδιους φακέλους και τις ίδιες εφαρμογές, ανεξάρτητα από το ποιος έχει δημιουργήσει το αρχείο ή σε ποιον υπολογιστή έχει εγκατασταθεί η εφαρμογή. Η δυνατότητα αυτή εξοικονομεί πολύτιμο χρόνο, καθώς οι χρήστες δεν χρειάζεται να αντιγράφουν σε δισκέτες, CD ή φορητές μνήμες τα αρχεία που θέλουν να μεταφέρουν από τον έναν υπολογιστή στον άλλο. Πλέον, αρκεί η είσοδος στον υπολογιστή τους. Στο ίδιο πλαίσιο, προκειμένου ένα πρόγραμμα να χρησιμοποιείται από όλους, αρκεί η εγκατάστασή του μία φορά και μόνο. Β) Κοινή χρήση περιφερειακών συσκευών. Αυτό σημαίνει ότι τα μέλη του δικτύου μπορούν να χρησιμοποιούν από κοινού τις ίδιες περιφερειακές συσκευές. Έτσι, αν για παράδειγμα έχετε τέσσερις υπολογιστές, δεν χρειάζεται να έχετε και τέσσερις εκτυπωτές και τέσσερις σαρωτές. Αρκεί μία συσκευή από το κάθε είδος, η οποία θα χρησιμοποιείται από όλους. Η δυνατότητα αυτή μεταφράζεται ξεκάθαρα σε εξοικονόμηση κεφαλαίων αλλά και χώρου. Γ) Διαμοιρασμός μιας σύνδεσης Internet σε όλους τους υπολογιστές του δικτύου. Αυτό σημαίνει ότι η ύπαρξη μιας και μοναδικής σύνδεσης με το Διαδίκτυο αρκεί για να παράσχει πρόσβαση σε όλους τους υπολογιστές του τοπικού δικτύου. Η ταχύτητα σύνδεσης του κάθε υπολογιστή με το Internet εξαρτάται από το είδος της σύνδεσης (PSTN, ISDN, ADSL κ.λπ.) καθώς και από τον αριθμό των PC που βρίσκονται συνδεδεμένα στο Διαδίκτυο την ίδια στιγμή. Μία γρήγορη σύνδεση (ΑDSL ή ISDN άνω των 128Mbps) αρκεί για να προσφέρει ικανοποιητική ταχύτητα σύνδεσης σε 5 υπολογιστές. Η δυνατότητα αυτή μειώνει σημαντικά το κόστος σύνδεσης και παροχής Internet. Δ) Αξιοποίηση υπολογιστών περιορισμένων δυνατοτήτων ή παλαιότερης τεχνολογίας. Αυτό σημαίνει ότι υπολογιστές που ως αυτόνομες μονάδες δεν μπορούσαν να 8

9 χρησιμεύσουν σε κάτι αξιόλογο (λ.χ. επειδή δεν διέθεταν συσκευή ανάγνωσης CD-ROM ή επειδή ο σκληρός τους δίσκος είχε περιορισμένο αποθηκευτικό χώρο), μπορούν τώρα να ενταχθούν σε ένα μικρό δίκτυο και να παίξουν κάποιο ρόλο μέσα σ' αυτό. 1.3 Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα To IEEE είναι το πρότυπο για τα Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα (Wireless Local Area Networks, WLANs) του ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronics Engineers), στις βασικές λειτουργίες του οποίου στηρίζονται τα τρέχοντα πρωτόκολλα του IEEE (802.11a, b και g). Ο πρωταρχικός σκοπός του ΙΕΕΕ είναι ο καθορισμός ενός απλού και παράλληλα δυνατού Ασύρματου Τοπικού Δικτύου που να προσφέρει τόσο ασύγχρονες, όσο και υπηρεσίες πραγματικού χρόνου ανάμεσα σε σταθερούς, φορητούς (portable) και κινητούς (moving) σταθμούς, μέσα σε μια τοπική περιοχή. Το τελικό πρότυπο δημοσιεύθηκε το Νοέμβριο του Οι λειτουργίες και οι υπηρεσίες που καθορίζονται από το αφορούν μόνο τo Υποεπίπεδο Ελέγχου Πρόσβασης Μέσου (Media Access Control Sublayer, MAC Sublayer) και το Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer, PHY Layer). Το υποεπίπεδο MAC πρέπει να μπορεί να λειτουργεί με πολλαπλά φυσικά επίπεδα, το καθένα από τα οποία χρησιμοποιεί διαφορετικό μέσο μετάδοσης και έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά μετάδοσης. Κάποια επιπλέον χαρακτηριστικά που προσφέρονται στα WLANs από το ΙΕΕΕ , είναι η υποστήριξη διαχείρισης ενέργειας (power management) για διαφύλαξη μπαταρίας, ο χειρισμός κρυμμένων κόμβων και δυνατότητα παγκόσμιας λειτουργίας. Η 2.4GHz Βιομηχανική, Επιστημονική και Ιατρική μπάντα συχνοτήτων (Industrial, Scientific and Medical band, ISM band), η οποία είναι διαθέσιμη παγκόσμια, επιλέχθηκε για το πρότυπο. Η εμβέλεια ενός ασύρματου δικτύου σε περιβάλλον γραφείου μπορεί να είναι μερικές δεκάδες μέτρα. Τα ραδιοκύματα σε εσωτερικό χώρο έχουν τη δυνατότητα να διαπεράσουν τοίχους και οροφές, υφίστανται όμως σημαντική απόσβεση αλλά και μεγάλη ανάκλαση. Σε περιβάλλον όπου υπάρχει κατευθείαν οπτική επαφή, σε εξωτερικό χώρο, η εμβέλεια είναι 9

10 πολύ μεγαλύτερη, εξαρτάται από την ισχύ εκπομπής, την ευαισθησία του δέκτη, τις κεραίες, την απόσταση, την ευθυγράμμιση των κεραιών, το επίπεδο παρεμβολών και θορύβου. Πάντως αποστάσεις αρκετών χιλιομέτρων είναι δυνατό να επιτευχθούν με πολύ καλή ποιότητα ζεύξης. 1.4 Η Προσομοίωση των δικτύων Τα εργαλεία προσομοίωσης αποτελούν μια πολύ σημαντική παράμετρο στη σύγχρονη τεχνολογία. Είναι δυνατό να εφαρμοστούν σε διαφορετικές επιστήμες, όπως η μηχανική, η φυσική, η βιολογία, η οικονομία και οι κοινωνικές επιστήμες. Άλλες σημαντικές εφαρμογές των προσομοιωτών εντοπίζονται επίσης στους τομείς της μηχανικής, όπως είναι τα έργα του πολιτικού μηχανικού, στις δομικές κατασκευές, στη μηχανολογία, και στη μηχανική ηλεκτρονικών υπολογιστών. Με τη χρήση των υπολογιστικών προσομοιώσεων είναι εφικτό να δοκιμαστεί ένα υποθετικό μοντέλο αντικειμένων ή δραστηριοτήτων σε έναν υπολογιστή, με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να μελετηθούν και να παρατηρηθεί η λειτουργία τους τόσο σαν μονάδες, όσο και σαν μέρος συστήματος. Διαφορετικές μεταβλητές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του συστήματος. Η προσομοίωση σε υπολογιστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει την μοντελοποίηση και την ανάλυση πολλών συστημάτων. Η εφαρμογή της τεχνολογίας προσομοίωσης σε εφαρμογές δικτύωσης, όπως προσομοίωση κίνησης του δικτύου είναι ένα σχετικά νέο πεδίο, με πολλές εφαρμογές, τόσο ανοικτού όσο και κλειστού κώδικα. Στο πεδίο των εφαρμογών δικτύου, η χρήση συστημάτων πληροφορικής και τεχνολογιών προσομοίωσης αναφέρονται στην προσομοίωση των αλγορίθμων δικτύων ή συστημάτων με τη χρήση τεχνολογίας λογισμικού. Το πεδίο εφαρμογής είναι εξαιρετικά περιορισμένο σε σχέση με το γενικότερο αντικείμενο της προσομοίωσης και είναι αναμενόμενο ότι οι ειδικότερες προδιαγραφές και περιορισμοί θα τεθούν στις εφαρμογές προσομοίωσης δικτύου. Για παράδειγμα, οι προσομοιώσεις του δικτύου επιβάλλεται να δώσουν 10

11 μεγαλύτερη έμφαση στην απόδοση ή την εγκυρότητα ενός κατανεμημένου πρωτοκόλλου ή αλγόριθμου, ενώ δεν είναι σημαντικό να επικεντρωθούν σε χαρακτηριστικά όπως η οπτική αναπαράσταση των προσομοιώσεων ή η διεξαγωγή τους σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον περιορισμοί προστίθενται καθώς η τεχνολογία των δικτύων εξακολουθεί να αναπτύσσεται διαρκώς και με εξαιρετικά γοργούς ρυθμούς, με την σύμπραξη πολλών και διαφορετικών οργανώσεων. Οι περισσότερες από αυτές διαθέτουν διαφορετικές τεχνολογίες υλικού και λογισμικού και είναι εφοδιασμένες με διαφορετικές εσωτερικές πολιτικές. Αυτός είναι ένας από τους βασικούς λόγους για τον οποίο οι προσομοιώσεις δικτύου απαιτούν πάντοτε ανοικτές πλατφόρμες οι οποίες θα πρέπει να είναι επεκτάσιμες ώστε να συμπεριλάβουν διαφορετικές προσπάθειες και διαφορετικά τμήματα, στις προσομοιώσεις του συνόλου του δικτύου. Το διαδίκτυο έχει επίσης ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που απορρέει από το πρότυπο OSI: είναι δομημένο πάνω σε ένα σύνολο πρωτοκόλλων (όπως το πρωτόκολλο IP), γεγονός που έχει σαν συνέπεια, όλες οι διαφορετικές τεχνολογίες να μπορούν να υλοποιηθούν με διαφορετικό τρόπο, αλλά με μια προτυποποιημένη επικοινωνία μεταξύ τους. Έτσι, τα εργαλεία προσομοίωσης δικτύου πρέπει να είναι σε θέση να ενσωματώσουν όλες αυτές τις δυνατότητες και να επιτρέψουν πιθανά μελλοντικά νέα πακέτα να συμπεριληφθούν στο δίκτυο και να προσομοιωθούν με διαφανή τρόπο χωρίς να επηρεάζουν αναίτια υπάρχοντα στοιχεία του δικτύου. Οι προσομοιωτές δικτύου σήμερα, αξιοποιούνται από μια πληθώρα ατόμων με διαφορετικά επαγγελματικά ενδιαφέροντα, όπως ακαδημαϊκοί ερευνητές, βιομηχανικοί προγραμματιστές, καθώς επίσης και ερευνητές διασφάλισης ποιότητας κατά το σχεδιασμό, την προσομοίωση, την επαλήθευση, και την ανάλυση των επιδόσεων διαφόρων δικτυακών πρωτοκόλλων. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να αξιολογηθεί η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων στα υπό μελέτη πρωτόκολλα. Γενικά τα λογισμικά προσομοίωσης των δικτύων διαθέτουν ενσωματωμένο ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών δικτύωσης και πρωτοκόλλων ώστε να είναι σε θέση να συνδράμουν τους χρήστες κατά τη δημιουργία πολύπλοκων δικτυακών δομών με χρήση κάποιων βασικών δομικών μονάδων όπως κόμβοι, συστάδες κόμβων, συστάδες συνδέσεων κοκ. Με τη βοήθειά τους, μπορεί κανείς να πραγματοποιήσει το σχεδιασμό διάφορων τοπολογιών δικτύου χρησιμοποιώντας διάφορους τύπους κόμβων, όπως clients, nodes, network bridges, routers. 11

12 Από την παραπάνω σύντομη ανάλυση διαπιστώνουμε την σημασία που έχουν οι προσομοιωτές δικτύων στην σύγχρονη τεχνολογία, καθώς μπορούν να προσφέρουν σημαντικότατη βοήθεια κατά τον σχεδιασμό και την εφαρμογή νέων τεχνικών σε όλα τα επίπεδα (πρωτόκολλα, τοπολογίες, πολιτικές κοκ) ενός δικτύου. Τα τελευταία χρόνια, σημαντική ανάπτυξη παρουσιάζουν και τα δίκτυα που αποτελούνται από ασύρματους αισθητήρες. Οι προσομοιωτές που παρουσιάζουμε στη συνέχεια έχουν εφαρμογή σε κάθε δίκτυο, και ως εκ τούτου, αποτελούν εργαλεία στην αιχμή του δόρατος κατά την ανάπτυξη νέων δικτυακών τεχνολογιών Προσομοιωτής δικτύου και προσομοίωση Σε γενικές γραμμές, οι προσομοιωτές δικτύου προσπαθούν να μοντελοποιήσουν πραγματικά δίκτυα. Η κυρίαρχη ιδέα είναι ότι στην περίπτωση κατά την οποία το σύστημα μπορεί να μοντελοποιηθεί, τότε τα χαρακτηριστικά του μοντέλου είναι σε θέση να τροποποιηθούν μεταβληθούν με εύκολο τρόπο, τα αντίστοιχα αποτελέσματα να προσομοιωθούν και στην συνέχεια να αναλυθούν διεξοδικά από τον χρήστη / ερευνητή. Καθώς η διαδικασία τροποποίησης του μοντέλου σε επίπεδο προσομοίωσης/προσομοιωτή είναι σχετικά απλή και εξαιρετικά φθηνότερη διαδικασία σε σχέση με την ανάπτυξη της σε πραγματική εφαρμογή ή δίκτυο, μια ευρεία ποικιλία σεναρίων μπορεί να αναλυθεί με χαμηλό κόστος, χωρίς την όχληση των χρηστών, ή την πιθανή κατάρρευση του δικτύου (γεγονός διόλου απίθανο σε πειραματικές διατάξεις, πρωτόκολλα ή συνδέσεις).ωστόσο, οι προσομοιωτές του δικτύου δεν είναι τέλειοι, καθώς δεν είναι εφικτό να μοντελοποιήσουν με ακρίβεια όλες τις λεπτομέρειες των δικτύων. Ωστόσο, αν η διαδικασία της μοντελοποίησης είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στην πραγματικότητα, τότε τα αποτελέσματα θα είναι αρκετά κοντά ώστε να μπορέσουν να παρουσιάσουν στον ερευνητή μια ουσιαστική εικόνα για το υπό δοκιμή δίκτυο ή πρωτόκολλο καθώς και να προσομοιώσουν τον τρόπο με τον οποίο οι αλλαγές που θα επέλθουν, θα επηρεάσουν τη συνολική λειτουργία του μοντέλου. 12

13 1.4.2 Προσομοίωση και εξομοίωση Στον τομέα της έρευνας των ηλεκτρονικών υπολογιστών και δικτύων επικοινωνιών, η προσομοίωση είναι μια εξαιρετικά χρήσιμη τεχνική και βασίζεται στο γεγονός ότι η συμπεριφορά ενός οποιουδήποτε δικτύου μπορεί να μοντελοποιηθεί από τον υπολογισμό της αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφόρων συνιστωσών του δικτύου (που μπορεί να είναι απλοί τελικοί καταναλωτές ή κρίσιμες δικτυακές οντότητες, όπως δρομολογητές, φυσικές συνδέσεις, μεταγωγείς κλπ) με τη χρήση των κατάλληλων μαθηματικών μοντέλων που τα περιγράφουν. Είναι εφικτό επίσης να μοντελοποιηθεί με πραγματικά ή εικονικά δεδομένα που συλλέγονται από πειραματικές παρατηρήσεις μέσα σε ένα πραγματικό δίκτυο. Στη συνέχεια, τα δεδομένα παρατήρησης μπορούν να ελεγχθούν και να αναλυθούν διεξοδικά σε μια σειρά από πειράματα δοκιμής. Όλα τα είδη των περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών μπορούν επίσης να τροποποιηθούν με ελεγχόμενο τρόπο για να αξιολογηθεί πώς το δίκτυο μπορεί να συμπεριφέρεται κάτω από διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων ή διαμόρφωσης ή συνθηκών. Ένα άλλο χαρακτηριστικό της προσομοίωσης που αξίζει να παρατηρήσουμε είναι ότι τα λογισμικά προσομοίωσης δικτύων έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με διάφορες εφαρμογές και υπηρεσίες με σκοπό την παρατήρηση των επιδόσεων. 13

14 1.5 Τύποι προσομοιωτών δικτύου Οι διάφοροι προσομοιωτές δικτύου μπορούν να ταξινομηθούν με βάση διάφορα κριτήρια, όπως αν είναι εμπορικοί ή ανοικτού κώδικα, ή αν είναι απλοί ή σύνθετοι Εμπορικοί προσομοιωτές και προσομοιωτές ανοικτού κώδικα Ορισμένοι προσομοιωτές δικτύου είναι εμπορικά προϊόντα, γεγονός που σημαίνει ότι δεν προσφέρουν τον πηγαίο κώδικα τους ή τα παραγόμενα πακέτα ελεύθερα για γενική χρήση. Οι χρήστες του προγράμματος πρέπει να καταβάλλουν το αντίτιμο για την άδεια χρήσης του λογισμικού ή να πληρώσουν προκειμένου να χρησιμοποιήσουν ειδικά πακέτα που απαιτούνται για να ικανοποιήσουν τις ιδιαίτερες ανάγκες τους. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το OPNET. Ένας εμπορικός προσομοιωτής έχει πλεονέκτημα και μειονέκτημα. Το πλεονέκτημα είναι ότι έχει γενικά πλήρης και ενημερωμένες τεκμηριώσεις και γενικά συντηρούνται τακτικά και με συνέπεια από εξειδικευμένο προσωπικό της εταιρίας που το παράγει. Ωστόσο, τα ανοικτά λογισμικά προσομοίωσης δικτύου υστερούν στον συγκεκριμένο τομέα καθώς, γενικά δεν υπάρχουν αρκετά εξειδικευμένα άτομα τα οποία να εργάζονται στον τομέα της τεκμηρίωσης του λογισμικού. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να είναι ιδιαιτέρως σοβαρό όταν οι διάφορες εκδόσεις έρχονται με πολλά νέα χαρακτηριστικά ή αλλαγές και καθιστούν δύσκολο στον χρήστη να αντιληφθεί τα νέα χαρακτηριστικά και τις τροποποιημένες λειτουργίες χωρίς την ύπαρξη κατάλληλης τεκμηρίωσης. Αντίθετα, τα ανοικτά λογισμικά προσομοίωσης δικτύου διαθέτουν το συγκριτικό πλεονέκτημα ότι είναι εξαιρετικά ανοιχτά στο σύνολό τους, έτσι ώστε ο κάθε απλός χρήστης μεμονωμένα ή ένας οργανισμός να έχει τη δυνατότητα να συμβάλει ενεργά στην ανάπτυξή τους. Οι τρόποι συμβολής είναι πολλαπλοί: ο πιο απλός τρόπος είναι να ελέγχει διεξοδικά τα προγράμματα ώστε να εντοπιστούν οποιαδήποτε πιθανά σφάλματα τους. Επίσης, μπορούν να συμβάλλουν με προσθήκες και βελτιώσεις, ώστε το ανοιχτό λογισμικό να αντικατοπτρίζει τις πιο πρόσφατες εξελίξεις της τεχνολογίας. Το χαρακτηριστικό αυτό 14

15 προσφέρει συγκριτικό πλεονέκτημα στα λογισμικά ανοιχτού κώδικα γενικότερα, καθώς προσαρμόζονται στις νέες απαιτήσεις με αξιοσημείωτα μεγαλύτερη ταχύτητα, από ότι τα αντίστοιχα εμπορικά προγράμματα. Στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου θα παρουσιάσουμε αναλυτικά τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του ελεύθερου λογισμικού ανοιχτού κώδικα: Το βασικότερο πλεονέκτημα του ελεύθερου λογισμικού ανοιχτού κώδικα έγκειται στο γεγονός ότι επιφέρει δραστική μείωση κόστους πληροφοριακών συστημάτων. Αυτό επιτυγχάνεται από πολλαπλούς παράγοντες, όπως από την απουσία αγορών αδειών χρήσης, ή ανανεώσεων / αναβαθμίσεων, οι οποίες προσφέρονται δωρεάν. Επιπρόσθετα, ο αριθμός των υπολογιστών στους οποίους μπορεί να εγκατασταθεί ένα ελεύθερο λογισμικό ανοιχτού κώδικα είναι απεριόριστος, σε αντίθεση με το εμπορικό λογισμικό, ενώ παράλληλα υπάρχουν πολλαπλές δυνατότητες παραμετροποίησης και επέκτασης του ελεύθερου λογισμικού ανοιχτού κώδικα. Ένα δεύτερο συγκριτικό πλεονέκτημα είναι η σημαντική ευελιξία που διαθέτουν. Οι διεθνείς βέλτιστες πρακτικές ενσωματώνονται με πολύ μεγάλη ταχύτητα στα έργα του ελεύθερου λογισμικού ανοιχτού κώδικα λόγω της συνεχούς δοκιμασίας τους σε διαφορετικά περιβάλλοντα εργασίας. Τα έργα αυτά αναγκάζονται με την πάροδο του χρόνου να ενσωματώσουν διαδικασίες και πρακτικές που είναι γενικώς παραδεκτές και αποτελεσματικές στην προγραμματιστική κοινότητα. Επίσης, εξαιτίας της εγγενούς ελευθερίας, είναι η ύπαρξη πληθώρας επιλογών και δοκιμασμένων λύσεων για σχεδόν κάθε πρόβλημα που μπορεί να προκύψει. Από πλευράς ασφάλειας, υπάρχει η διάχυτη εντύπωση ότι το ανοιχτό λογισμικό είναι πιο ευάλωτο, καθώς ο κώδικας του είναι ελεύθερα διαθέσιμος και κάθε κακόβουλος χρήστης μπορεί να τον εξετάσει, να βρει ατέλειες ή κενά ασφαλείας και να τα αξιοποιήσει εναντίον των χρηστών. Αυτό ακριβώς το γεγονός όμως, είναι και το συγκριτικό πλεονέκτημα του ανοιχτού κώδικα. Ο κώδικας μελετάται από πλήθος ανθρώπων, άρα τα όποια κενά ασφάλειας εντοπίζονται και διορθώνονται με μεγάλη ταχύτητα. Τα μειονεκτήματα του ελεύθερου λογισμικού ανοικτού κώδικα εντοπίζονται κυρίως στον τομέα της υποστήριξης του λογισμικού, της αλληλεπίδρασης του με λογισμικά κλειστού κώδικα και σε θέματα εκπαίδευσης του προσωπικού. Οι επιλογές για επαγγελματική υποστήριξη είναι λίγες έως ελάχιστες για το ανοικτό λογισμικό. Επίσης, από πλευράς 15

16 προσωπικού, εξαιτίας της μεγάλης διάδοσης και χρήσης του κλειστού λογισμικού και της πληθώρας λύσεων ανοικτού λογισμικού, υπάρχει μεγάλη δυσκολία στην εύρεση προσωπικού με καλή τεχνογνωσία σε συγκεκριμένα λογισμικά ανοικτού κώδικα. Για τον λόγο αυτό, το κόστος της εκπαίδευσης του προσωπικού σε συγκεκριμένα ελεύθερα λογισμικά ανοικτού κώδικα ενδέχεται να είναι ιδιαίτερα υψηλό. Επιπρόσθετα, έχουν εντοπιστεί πολλές ασυμβατότητες με κάποια διαδεδομένα κλειστά πρότυπα αρχείων, οι οποίες γενικότερα δημιουργούν δυσχέρειες στην αλληλεπίδραση με τα λογισμικά κλειστού κώδικα Απλοί και σύνθετοι προσομοιωτές Κατ' ελάχιστο, ένας προσομοιωτής δικτύου πρέπει να επιτρέπει στους χρήστες του να σχεδιάζουν μια δικτυακή τοπολογία και να καθορίζουν αναλυτικά τα σενάρια λειτουργίας της, προσδιορίζοντας επακριβώς τους κόμβους του δικτύου, τις συνδέσεις μεταξύ τους καθώς και την δικτυακή κίνηση μεταξύ των κόμβων. Στους σύνθετους προσομοιωτές ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να καθορίσει όλες τις παραμέτρους από τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία της δικτυακής κίνησης. Επιπρόσθετα, γραφικές εφαρμογές επιτρέπουν στους χρήστες να απεικονίσουν εύκολα τις εργασίες του περιβάλλοντος υπό προσομοίωση. Μερικά από αυτά μπορεί να βασίζονται σε κείμενο και είναι πιθανόν να προσφέρει ένα φιλικό οπτικό περιβάλλον. Παρόλα αυτά υπάρχουν και προσομοιωτές με λιγότερο έξυπνο περιβάλλον εργασίας. 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Παρουσίαση τεχνικών προσομοίωσης 2.1 Τεχνικές προσομοίωσης Η προσομοίωση είναι μέθοδος μελέτης ενός συστήματος και εξοικείωσης με τα χαρακτηριστικά του, με τη βοήθεια ενός άλλου συστήματος μπορούμε να ορίσουμε την προσομοίωση ως μια μέθοδο μελέτης ενός συστήματος (ενός αντικειμένου, ενός φαινομένου, μιας δραστηριότητας, μιας διαδικασίας) με τη βοήθεια ενός άλλου συστήματος. Η προσομοίωση δηλαδή είναι μία αναπαράσταση ή ένα μοντέλο που έχει κατασκευαστεί για να αναπαραστήσει και να επιτρέψει την κατανόηση της λειτουργίας ενός συστήματος. Το σύστημα προσομοίωσης «μιμείται» τη συμπεριφορά αυτού που αναπαριστά και συνεπώς επιτρέπει εξοικείωση με τα χαρακτηριστικά του και κατανόηση των λειτουργιών του. Το σύστημα προσομοίωσης στις περισσότερες περιπτώσεις σήμερα είναι ένα μοντέλο που «εκτελείται» σε έναν υπολογιστή. Μια προσομοίωση με υπολογιστές είναι υπολογιστικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για να πειραματιστούμε πάνω σε ένα πραγματικό σύστημα χωρίς να έχουμε άμεση επαφή μαζί του. Στόχος ενός συστήματος προσομοίωσης είναι η μελέτη, η κατανόηση και ο πειραματισμός με πολύπλοκα συστήματα (στα οποία συνήθως δεν έχουμε απευθείας πρόσβαση). Οι χρήστες χειρίζονται τα συστατικά του συστήματος με πλήρως αλληλεπιδραστικό τρόπο, όπως είναι για παράδειγμα η προσομοίωση χειρισμού ενός πολεμικού αεροπλάνου. Η έννοια της προσομοίωσης εμφανίστηκε αρχικά στο χώρο της επιστημονικής έρευνας ως τεχνική μελέτης των αποτελεσμάτων μιας δράσης πάνω σε ένα φαινόμενο χωρίς να απαιτείται παρέμβαση στο ίδιο το φαινόμενο. Οι προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται για τη μελέτη και την κατανόηση αρχών λειτουργίας πολλών φυσικών, βιολογικών και κοινωνικών διαδικασιών. Τα συστήματα προσομοίωσης αποτελούν στις μέρες μας πολύ διαδεδομένες και ταυτόχρονα από τις αποτελεσματικές εφαρμογές των ΤΠΕ στην 17

18 εκπαιδευτική διαδικασία. Η εκπαιδευτική προσομοίωση ορίζεται ως ένα μοντέλο κάποιου φαινομένου ή κάποιας δραστηριότητας, το οποίο οι χρήστες χρησιμοποιούν και μαθαίνουν μέσω της αλληλεπίδρασης με την προσομοίωση. Σε μια παιδαγωγική κατάσταση προσομοίωσης, ο μαθητής, αλλάζοντας κατά βούληση ορισμένες κύριες κατά κανόνα - μεταβλητές του προς μελέτη φαινομένου, έχει στα χέρια του την πρωτοβουλία εξέλιξής του και δεν οφείλει να απαντά απλώς σε ερωτήσεις που έχουν προβλεφθεί από τους δημιουργούς του λογισμικού. Αντίθετα, με βάση τις παρατηρήσεις που κάνει πάνω στα αποτελέσματα των χειρισμών του, είναι δυνατόν να ανακαλύψει το μοντέλο το οποίο προσομοιώνει το λογισμικό ή τις βασικές παραμέτρους που το συνθέτουν και να εφαρμόσει αυτά που έχει ήδη μάθει. Στο πλαίσιο αυτό, τα συστήματα προσομοιώσεων διαφέρουν ριζικά από τα συστήματα καθοδήγησης και τα συστήματα εξάσκησης και πρακτικής. 2.2 Τύποι προσομοιώσεων Μπορούμε να διακρίνουμε τέσσερις τύπους προσομοιώσεων: Αυτές που προσομοιώνουν κάτι α) φυσική προσομοίωση, στην οποία ένα φυσικό φαινόμενο ή κατάσταση αναπαρίσταται από το υπολογιστικό σύστημα στην οθόνη επιτρέποντας στον χρήστη να μάθει κάτι για αυτό όταν χειρίζεται κάποια ή κάποιες μεταβλητές β) επαναληπτική προσομοίωση, στην οποία ο χρήστης εκτελεί διαδοχικές φορές την προσομοίωση επιλέγοντας τιμές για τις διάφορες παραμέτρους Αυτές που δείχνουν πώς να γίνει κάτι γ) διαδικαστική προσομοίωση, η οποία στοχεύει να διδάξει μια αλληλουχία ενεργειών για την επίτευξη κάποιου στόχου δ) προσομοίωση κατάστασης, κατά την οποία ο χρήστης εξερευνά εναλλακτικές διαδρομές σε ένα σύστημα για να μελετήσει τις επιπτώσεις τους. 18

19 Δεδομένου ότι τα συστήματα προσομοίωσης κατά κανόνα έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και λειτουργίες, στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις προδιαγραφές των εκπαιδευτικών σεναρίων που πρέπει να συνοδεύουν τα συστήματα αυτά. Η προσομοίωση, ως διδακτική στρατηγική μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τρεις διαφορετικούς τρόπους στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση: Α) υποστήριξη του μαθήματος με τη βοήθεια αλληλεπιδραστικής προσομοίωσης (διδασκαλία από τον εκπαιδευτικό που χρησιμοποιεί την προσομοίωση ως εποπτικό μέσο), Β) επαλήθευση ενός μοντέλου (χρήση προσομοίωσης από τον μαθητή και αλληλεπίδραση με τον εκπαιδευτικό για συμπληρωματική ανατροφοδότηση), Γ) κλασσική αλληλεπιδραστική προσομοίωση (ατομική ή συλλογική χρήση ενός μοντέλου από μαθητές). Τα εκπαιδευτικά λογισμικά προσομοίωσης αναπτύσσονται κατά κανόνα πάνω σε ένα αποσαφηνιστικό μοντέλο του προς μελέτη φαινομένου. Κατά τη διαδικασία αυτή, το σύστημα προσομοίωσης μπορεί να ακολουθεί δύο διακριτές σχεδιαστικές προδιαγραφές: Α) Το μοντέλο είναι άγνωστο στο μαθητή. Τότε η προσομοίωση αποκαλείται μοντελοποιητική (modeling) και ο στόχος της χρήσης του συστήματος από τους μαθητές είναι να ανακαλύψουν το υποκείμενο μοντέλο μέσα από διαδικασίες διερευνητικής μάθησης. Β) Διαφορετικά, όταν το μοντέλο είναι γνωστό, η προσομοίωση αποκαλείται συμπεριφοριστική (behaviorist) και μπορούμε να διακρίνουμε τρεις κατηγορίες: τη δυναμική προσομοίωση επικεντρωμένη στη μελέτη της επιρροής των παραμέτρων, τη μεθοδολογική προσομοίωση της οποίας στόχος δεν είναι η μελέτη των συνεπειών ενός μοντέλου κάνοντας να μεταβληθούν οι παράμετροί του, αλλά η αντιπαράθεσή του με την εμπειρία ή με την κοινή λογική, και την επιχειρησιακή προσομοίωση που στοχεύει να θέσει σε λειτουργία ένα πείραμα ή μια συσκευή μαθαίνοντας έτσι τις διαδικασίες, τα μοντέλα και τα συστήματα. Με βάση την προηγούμενη προβληματική, οι εφαρμογές προσομοίωσης οφείλουν να διέπονται, ανάλογα με το είδος τους από τις συγκεκριμένες προδιαγραφές, που παρουσιάζονται στη συνέχεια: 19

20 μια εκπαιδευτική προσομοίωση είτε διδάσκει σχετικά με κάτι (φυσική προσομοίωση ή επαναληπτική προσομοίωση) είτε πώς να γίνει κάτι (διαδικαστική προσομοίωση ή προσομοίωση κατάστασης), μια εκπαιδευτική προσομοίωση πρέπει να χρησιμοποιεί χαμηλή πιστότητα του αντικειμένου της προσομοίωσης για αρχάριους μαθητές και υψηλή πιστότητα του αντικειμένου της προσομοίωσης για προχωρημένους μαθητές, μια εκπαιδευτική προσομοίωση, εκτός των οπτικών αναπαραστάσεων που προσιδιάζουν στο προς αναπαράσταση φαινόμενο, πρέπει να περιέχει και εναλλακτικού τύπου αναπαραστάσεις, όπως πίνακες τιμών, γραφικές παραστάσεις, κλπ., μια εκπαιδευτική προσομοίωση πρέπει να προσφέρει ποικίλες μορφές ανάδρασης ανάλογα με το είδος της (κειμένου, εικόνων, πραγματική, πιθανοτική) και αμεσότητα ανάδρασης, μια εκπαιδευτική φυσική προσομοίωση πρέπει να περιέχει ικανό πλήθος αντικειμένων, να προσφέρει σχέσεις αιτίου αιτιατού, με σχετική λεπτομέρεια και ρεαλισμό παρουσίασης, μια εκπαιδευτική φυσική προσομοίωση πρέπει να προσφέρει τον έλεγχο στον χρήστη ώστε να ρυθμίζει ο ίδιος τη φυσική εξέλιξη του προς μελέτη φαινομένου, σε μια εκπαιδευτική επαναληπτική προσομοίωση πρέπει να υπάρχει ακρίβεια μεταβλητών στο κύριο μοντέλο και να είναι ξεκάθαρο ποιες μεταβλητές είναι άγνωστες, ποιες γνωστές αλλά όχι διαχειρίσιμες και ποιες γνωστές και διαχειρίσιμες, σε μια εκπαιδευτική επαναληπτική προσομοίωση πρέπει να είναι δυνατός ο καθορισμός αρχικών μεταβλητών και να υπάρχει υψηλό επίπεδο ελέγχου από τον χρήστη ανάμεσα στις επαναλήψεις της προσομοίωσης, σε μια εκπαιδευτική διαδικαστική προσομοίωση πρέπει να υπάρχει πλήθος δυνατών διαδρομών λύσης και πλήθος πιθανών ενεργειών. 20

21 2.3 Πλεονεκτήματα της προσομοίωσης Μπορεί να αποτελεί την μόνη προσέγγιση για την επίλυση κάποιων προβλημάτων Μπορεί να κοστίζει λιγότερο Παρουσιάζει μεγαλύτερη ευαισθησία στην αντίληψη των σχέσεων μεταξύ των προβλημάτων Είναι ασφαλής μέθοδος Δίνει τη δυνατότητα επανάληψης του ιδίου φαινομένου Δίνει τη δυνατότητα πλήρους ενόρασης του συστήματος που εξετάζεται από όλες τις πλευρές 2.4 Μειονεκτήματα της προσομοίωσης Κάποιες φορές απαιτεί σημαντικό χρόνο και κόστος Μπορεί να μην είναι η πιο κατάλληλη μέθοδος επίλυσης του προβλήματος Δεν εγγυάται ότι θα οδηγήσει στην καλύτερη δυνατή λύση Μπορεί να μην αντανακλά με ακρίβεια την υπό μελέτη κατάσταση Βασίζεται καθοριστικά στην τυχαιότητα (στοχαστικές κατανομές, τυχαίοι αριθμοί). 21

22 2.5 Προσομοίωση διακεκριμένων γεγονότων Η προσομοίωση διακεκριμένων γεγονότων (discrete-event simulation) είναι η μοντελοποίηση συστημάτων στα οποία οι μεταβλητές κατάστασης μεταβάλλονται στιγμιαία σε διακεκριμένες χρονικές στιγμές. Τα μοντέλα προσομοίωσης αναλύονται περισσότερο με μαθηματικές παρά με αναλυτικές μεθόδους. Οι αναλυτικές μέθοδοι χρησιμοποιούν την αφαιρετική αιτιολόγηση των μαθηματικών για να επιλύσουν μαθηματικά μοντέλα. Στην περίπτωση των μοντέλων προσομοίωσης που χρησιμοποιούν αριθμητικές μεθόδους, τα μοντέλα είναι προτιμότερο να εκτελεστούν παρά να επιλυθούν. Με τη διαδικασία αυτή δημιουργείται μια τεχνητή ιστορία του συστήματος βασισμένη στις αρχικές παραδοχές και στις παρατηρήσεις και η οποία αναλύεται για να καθοριστούν τα κατάλληλα μέτρα της απόδοσης του συστήματος. Από τη στιγμή που τα μοντέλα προσομοίωσης πραγματικού χρόνου είναι μάλλον μεγάλα και η ποσότητα των δεδομένων που αποθηκεύονται και επεξεργάζονται τεράστια, οι δοκιμές των μοντέλων γίνονται συνήθως με τη βοήθεια υπολογιστή. Παρόλα αυτά, είναι δυνατό να οδηγηθεί ο μελετητής σε χρήσιμα συμπεράσματα παρατηρώντας μικρά μοντέλα χωρίς να πρέπει να χρησιμοποιήσει υπολογιστή. Όλα τα μοντέλα προσομοίωσης διακεκριμένων γεγονότων περιέχουν ορισμένους παράγοντες οι οποίοι είναι οργανωμένοι με κάποια λογική για την εύκολη κωδικοποίηση, για την εύρεση λαθών και για μελλοντικές μεταβολές του προγράμματος του μοντέλου προσομοίωσης. Πιο συγκεκριμένα, οι επόμενοι παράγοντες συναντώνται στα περισσότερα μοντέλα προσομοίωσης διακεκριμένων γεγονότων: Σύστημα (system): Ένα σύνολο από οντότητες (π.χ. άνθρωποι, μηχανές κτλ) που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για την επίτευξη ενός ή περισσοτέρων στόχων. Μοντέλο (model): Μία αφηρημένη αναπαράσταση ενός συστήματος, που συνήθως περιλαμβάνει δομικές, λογικές ή μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν ένα σύστημα με όρους της κατάστασης του, των οντοτήτων του και των χαρακτηριστικών τους, των συνόλων, των διαδικασιών, των γεγονότων, των δραστηριοτήτων και των καθυστερήσεων. Κατάσταση συστήματος (system state): Μια συλλογή μεταβλητών που περιλαμβάνει όλη την πληροφορία που είναι απαραίτητη για την περιγραφή του συστήματος 22

23 κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Οντότητα (entity): Κάθε αντικείμενο ή συστατικό του συστήματος που απαιτεί ξεχωριστή αναπαράσταση σε μοντέλο. Χαρακτηριστικά (attributes): Οι ιδιότητες μιας δεδομένης οντότητας. Λίστα (list): Ένα σύνολο συσχετιζόμενων οντοτήτων, τοποθετημένων σε μια λογική σειρά. Γεγονός (event): Ένα στιγμιαίο συμβάν που μπορεί να αλλάξει την κατάσταση του συστήματος. Ειδο ποίηση γεγονότος (event notice): Μία εγγραφή ενός γεγονότος που θα συμβεί σε κάποια χρονική στιγμή στο μέλλον. Περιλαμβάνει και τα δεδομένα που χρειάζονται για την εκτέλεση του γεγονότος αυτού. Λίστα γεγονότων (event list): Μία λίστα που περιλαμβάνει ειδοποιήσεις γεγονότων, διατεταγμένες ως προς τη χρονική στιγμή που θα συμβούν. Είναι επίσης γνωστή και ως FEL (Future Event List). Δραστηριότητα (activity): Ένα χρονικό διάστημα συγκεκριμένης διάρκειας που γίνεται αντιληπτό τη στιγμή που ξεκινά. Καθυστέρηση (delay): Ένα χρονικό διάστημα ακαθόριστης διάρκειας, η οποία δεν είναι γνωστή μέχρι να τερματιστεί. Ρολόι (clock): Μία μεταβλητή που αναπαριστά το χρόνο προσομοίωσης. Στατιστικοί μετρητές (statistical counters): Μεταβλητές που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση στατιστικών μετρήσεων της απόδοσης του συστήματος. Ρουτίνα αρχικο οίησης (initialization routine): Ένα υποπρόγραμμα που αρχικοποιεί το μοντέλο προσομοίωσης τη χρονική στιγμή μηδέν. 23

24 Ρουτίνα χρονισμού (timing routine): Είναι ένα υποπρόγραμμα το οποίο καθορίζει ποιο θα είναι το επόμενο γεγονός που θα συμβεί από τη λίστα γεγονότων και το οποίο στη συνέχεια προχωρά το ρολόι προσομοίωσης για να δείξει το χρόνο που θα συμβεί το γεγονός αυτό. Ρουτίνα γεγονότος (event routine): Ένα υποπρόγραμμα που ενημερώνει την κατάσταση συστήματος όταν συμβεί ένα γεγονός συγκεκριμένου τύπου (υπάρχει μία τέτοια ρουτίνα για κάθε είδος γεγονότος). Ρουτίνες βιβλιοθήκης (library routines): Σύνολο υποπρογραμμάτων τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τυχαίων παρατηρήσεων από κατανομές πιθανοτήτων που έχουν οριστεί σαν τμήμα του μοντέλου προσομοίωσης. Γεννήτρια αναφορών (report generator): Υποπρόγραμμα που υπολογίζει εκτιμήσεις των επιθυμητών μέτρων απόδοσης από τους στατιστικούς μετρητές και παράγει αναφορές όταν τελειώσει η προσομοίωση. Κυρίως πρόγραμμα (main program): Το πρόγραμμα που καλεί τη ρουτίνα χρονισμού για να καθοριστεί το επόμενο γεγονός και στη συνέχεια μεταφέρει τον έλεγχο στην αντίστοιχη ρουτίνα γεγονότος, για να ενημερωθεί κατάλληλα η κατάσταση του συστήματος. Το κυρίως πρόγραμμα επίσης ελέγχει τη συνθήκη τέλους και καλεί τη γεννήτρια αναφορών. Η προσομοίωση ξεκινά τη χρονική στιγμή μηδέν οπότε το κυρίως πρόγραμμα καλεί τη ρουτίνα αρχικοποίησης. Στη συνέχεια ο έλεγχος επιστρέφει στο κυρίως πρόγραμμα που καλεί τη ρουτίνα χρονισμού για τον καθορισμό του επόμενου γεγονότος. Έστω ότι πρόκειται να συμβεί γεγονός τύπου i, τότε το ρολόι προχωρά στη χρονική στιγμή που θα συμβεί το γεγονός i και ο έλεγχος επιστρέφει στο κυρίως πρόγραμμα. Στη συνέχεια καλείται η ρουτίνα γεγονότος i και μετά το τέλος της εκτέλεσης της, πραγματοποιείται ένας έλεγχος ώστε να αποφασιστεί αν πρέπει να σταματήσει η προσομοίωση. Αν η απόφαση είναι καταφατική, τότε καλείται η γεννήτρια αναφορών. Αν όχι, ο έλεγχος επιστρέφεται στο κυρίως πρόγραμμα. Ο μηχανισμός για την πάροδο του χρόνου προσομοίωσης που εγγυάται ότι όλα τα γεγονότα θα συμβούν με την κατάλληλη σειρά ως προς το χρόνο, βασίζεται στη λίστα 24

25 γεγονότων. Η δρομολόγηση ενός μελλοντικού γεγονότος σημαίνει ότι από τη στιγμή που ξεκινά μια λειτουργία, η διάρκειά της, υπολογίζεται με βάση κάποια στατιστική κατανομή και το γεγονός τέλους της, τοποθετείται στη λίστα γεγονότων. Στο πραγματικό σύστημα όμως, συμβαίνουν κάποια γεγονότα που δεν είναι δυνατόν να προβλεφθούν, τα οποία μεταβάλλουν την κατάσταση του συστήματος. Αυτά τα γεγονότα στην προσομοίωση αντιστοιχούν με το τέλος κάποιας λειτουργίας. Πιο συγκεκριμένα το ρολόι προσομοίωσης παίρνει αρχική τιμή μηδέν και υπολογίζονται οι χρονικές στιγμές που θα συμβούν τα μελλοντικά γεγονότα. Στη συνέχεια το ρολόι προχωράει και δείχνει το χρόνο του πιο επικείμενου μελλοντικού γεγονότος. Στο σημείο αυτό ενημερώνεται η κατάσταση του συστήματος καθώς έχει συμβεί κάποιο γεγονός. Τότε, το ρολόι προχωράει και δείχνει το χρόνο του καινούριου επικείμενου γεγονότος, ενημερώνεται η κατάσταση του συστήματος και ορίζονται οι χρόνοι που θα συμβούν τα μελλοντικά γεγονότα. Η διαδικασία αυτή προωθεί το ρολόι από το ένα γεγονός στο άλλο και συνεχίζεται έως ότου τελικά ικανοποιηθεί κάποια συνθήκη τέλους. 2.6 Συνεχής προσομοίωση Η συνεχής προσομοίωση (continuous simulation) είναι η μοντελοποίηση ενός συστήματος κατά μήκος του χρόνου όπου οι μεταβλητές κατάστασης μεταβάλλονται συνεχώς σε σχέση με το χρόνο. Γίνεται χρήση των διαφορικών εξισώσεων που δίνουν σχέσεις για τους ρυθμούς αλλαγής των μεταβλητών κατάστασης σε σχέση με το χρόνο. Οι εξισώσεις αυτές, μπορούν να λυθούν αναλυτικά αν είναι πολύ απλές, για να δώσουν τις τιμές των μεταβλητών κατάστασης για όλες τις τιμές του χρόνου σαν συνάρτηση των τιμών των μεταβλητών κατάστασης στο χρόνο μηδέν. Για τα περισσότερα συνεχή μοντέλα όμως δεν είναι δυνατές οι αναλυτικές λύσεις και χρησιμοποιούνται τεχνικές της αριθμητικής ανάλυσης. Για την κατασκευή συνεχών μοντέλων προσομοίωσης, υπάρχουν ειδικές γλώσσες προσομοίωσης όπως η ACSL και η CSSL-IV. 25

26 2.7 Κατανεμημένη προσομοίωση Σε ένα σύστημα ουρών με έναν εξυπηρέτη, η εκτέλεση εξαρτάται από το χρόνο που συμβαίνουν τα γεγονότα στο μοντέλο προσομοίωσης. Συνεπώς, η προσομοίωση είναι σειριακή (sequential) και όλη η δουλειά γίνεται με έναν υπολογιστή. Είναι δυνατόν να συνδεθούν μαζί ανεξάρτητοι υπολογιστές σχηματίζοντας παράλληλα (parallel) ή κατανεμημένα (distributed) υπολογιστικά συστήματα. Στα κατανεμημένα συστήματα τα διαφορετικά τμήματα της υπολογιστικής εργασίας κατανέμονται σε διαφορετικούς επεξεργαστές που δουλεύουν παράλληλα, γεγονός που οδηγεί σε ελαχιστοποίηση του συνολικού χρόνου εκτέλεσης της εργασίας. Αυτό όμως, εξαρτάται από το διαθέσιμο υλικό και λογισμικό. Η κατανεμημένη και η παράλληλη επεξεργασία εφαρμόζονται σε πολλές περιοχές. Παράδειγμα αποτελεί η εφαρμογή τους στη δυναμική προσομοίωση. Είναι δυνατό να χωριστεί το ίδιο το μοντέλο σε τμήματα που καταχωρούνται σε διαφορετικούς επεξεργαστές για εκτέλεση. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται για να διατηρηθεί η σωστή διάταξη των ενεργειών του όλου συστήματος σε σχέση με το χρόνο. Δηλαδή, να συγχρονιστεί η λειτουργία των τμημάτων του μοντέλου στους διαφορετικούς επεξεργαστές έτσι ώστε να παριστάνεται σωστά η όλη λειτουργία του μοντέλου. Το πλεονέκτημα αυτής της διαδικασίας είναι ότι δεν υπάρχει ούτε ένα ολικό (global) ρολόι προσομοίωσης, ούτε μια ολοκληρωμένη λίστα γεγονότων για όλο το μοντέλο. Αντίθετα υπάρχει ένα σύστημα για πέρασμα μηνυμάτων (message passing) μεταξύ των επεξεργαστών, όπου κάθε μήνυμα μεταφέρει μαζί του μια χρονική επιγραφή (time stamp). Ένα μειονέκτημα αυτού του τύπου προσομοίωσης είναι ότι μπορεί να συμβεί αδιέξοδο όπου και οι δύο επεξεργαστές πρέπει να περιμένουν ένα μήνυμα ο ένας από τον άλλο πριν μπορέσουν να προχωρήσουν. Μία έννοια, που σχετίζεται με την κατανομή των τμημάτων του μοντέλου στους παράλληλους επεξεργαστές, είναι γνωστή ως εικονικός χρόνος (virtual time). Ο εικονικός χρόνος χρησιμοποιείται από το μηχανισμό στρέβλωσης του χρόνου (time-warp mechanism). Στην περίπτωση αυτή κάθε επεξεργαστής προσομοιώνει το δικό του τμήμα του μοντέλου κατά μήκος του χρόνου, αλλά δεν περιμένει να πάρει μηνύματα από άλλους επεξεργαστές οι οποίοι προχωρούν στο δικό τους χρόνο. Μία άλλη βασική έννοια είναι η έννοια της αναδίπλωσης (rollback). Συμβαίνει όταν ένα τμήμα μοντέλου που προσομοιώνεται σε κάποιον επεξεργαστή λάβει κάποιο μήνυμα το οποίο θα έπρεπε να το είχε λάβει στο παρελθόν του (και το οποίο ίσως να επηρέαζε τη 26

27 λειτουργία του από εκείνο το σημείο και πέρα). Με την αναδίπλωση ο χρόνος του τμήματος αυτού του μοντέλου αναστρέφεται στο χρόνο που έπρεπε να είχε φθάσει το μήνυμα. 27

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Εργαλεία προσομοίωσης Δικτύων Η/Υ 3.1 OPNET Modeler Γενικές πληροφορίες Κατασκευαστής - OPNET Technologies, Inc Σύνδεσμος κατασκευαστή - Σύνδεσμος προϊόντος - Άδεια - Ερευνητικό, εμπορικό λογισμικό Κόστος - Δωρεάν για Πανεπιστημιακή χρήση,~$ για εμπορική χρήση Απαιτήσεις - Windows,256 MB Memory,200 MB HDD Περιορισμοί - Λειτουργία μόνο σε περιβάλλον Windows-Δεν υπάρχει δυνατότητα λειτουργίας σε Mac OS,Linux Εισαγωγή Η τεχνολογία των δικτύων έχει γίνει τόσο πολύπλοκη ώστε οι παραδοσιακές αναλυτικές μέθοδοι ή οι λεγόμενοι «κανόνες του χεριού» ("rules of thumb") να μη μπορούν να προσφέρουν κατανόηση της συμπεριφοράς του συστήματος με ακρίβεια. Το OPNET Modeler είναι ένα εμπορικό εργαλείο για τη μοντελοποίηση, την προσομοίωση και την ανάλυση των δικτύων επικοινωνιών, των κατανεμημένων συστημάτων, των υπολογιστικών συστημάτων και των εφαρμογών υπολογιστών. Επιτρέπει τον σχεδιασμό και τη μελέτη δικτύων επικοινωνιών, συσκευών, πρωτοκόλλων και εφαρμογών με μεγάλη ευελιξία και scalability. Προσφέρει αντικειμενοστραφή προσέγγιση μοντελοποίησης και editors γραφικών με το συνδυασμό των οποίων είναι δυνατή η παρακολούθηση της δομής πραγματικών δικτύων και δικτυακών στοιχείων. Το εργαλείο αυτό υποστηρίζει όλους τους τύπους δικτύων και τεχνολογιών επιτρέποντας με τον τρόπο αυτόν τον σχεδιασμό και τη 28

29 δοκιμασία ποικίλων σεναρίων με λογική βεβαιότητα για τα αποτελέσματα εξόδου, ενώ με την αλλαγή κάποιων παραμέτρων είναι αμέσως δυνατή η μελέτη της επίδρασης των αλλαγών αυτών στο δίκτυο. Οι περιοχές εφαρμογής περιλαμβάνουν πρωτόκολλα και σχέδια (schemes) ασυρμάτων και δορυφορικών επικοινωνιών, τον σχεδιασμό δικτύων και την ανάλυση της απόδοσής τους και των προβλημάτων τους πριν την πραγματική τους υλοποίηση, τη διαχείριση μικροκομματικών δικτύων και δικτύων οπτικών ινών, την ανάπτυξη και διαχείριση πρωτοκόλλων, την εκτίμηση αλγόριθμων δρομολόγησης για δρομολογητές, μεταγωγής και άλλες συνδετικές συσκευές. Κάποια από τα χαρακτηριστικά του που το κάνουν ένα τόσο δυνατό εργαλείο είναι τα ιεραρχικά μοντέλα δικτύων, η αντικειμενοστραφής μοντελοποίηση (επιτρέπει στους κόμβους και στα πρωτόκολλα να μοντελοποιούνται σαν τάξεις (classes) με όλα τα χαρακτηριστικά του αντικειμενοστραφούς σχεδιασμού), η δυνατότητα ταυτόχρονης προσομοίωσης και σύγκρισης πολλαπλών σεναρίων, η δυνατότητα εισαγωγής μοντέλων κίνησης (traffic patterns) στο λογισμικό μοντελοποίησης, η ικανότητα ανάλυσης με τη χρήση ενσωματωμένων (built-in) γραφικών εργαλείων. Περιλαμβάνει τα προφανή πλεονεκτήματα ενός προγράμματος προσομοίωσης : απαιτείται λιγότερος χρόνος για την ανάπτυξη υλικού και λογισμικού παρέχει τη δυνατότητα δοκιμής πολλών διαφορετικών σεναρίων χρήσης υλικού και λογισμικού, αλλά και πλήθους προτεινόμενων αλλαγών πριν την εφαρμογή τους χωρίς κόστος και απώλεια χρόνου βοηθά στην πρόβλεψη δυνατών προβλημάτων σε επίπεδο τόσο υλικού όσο και λογισμικού πριν την πραγματική τους χρήση, αλλά και των αποτελεσμάτων «αποτυχίας» ενός κόμβο ή τμήματος του δικτύου. παρέχει αρωγή στον σχεδιασμό μελλοντικής ανάπτυξης αλλά και στον αρχικό σχεδιασμό ενός προτεινόμενου δικτύου δίνοντας τη δυνατότητα λήψης «δοκιμασμένων» επιλογών στην κατασκευή, την τροποποίηση και την ανάλυση απόδοσης του δικτύου. Το OPNET διαθέτει μια πολύ αποδοτική μηχανή προσομοίωσης που ενισχύεται και από τη δυνατότητα που παρέχεται στον χρήστη να μεταβάλλει τη utilization της μνήμης κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Ο πυρήνας του είναι γραμμένος σε C++ γλώσσα 29

30 προγραμματισμού και μεταγλωττίζεται (compiled) και εκτελείται ακριβώς όπως ένα C++ πρόγραμμα. Το γεγονός αυτό δίνει τη δυνατότητα πολύ λεπτομερούς ελέγχου από τον χρήστη, εφ όσον ο τελευταίος γνωρίζει σε καλό επίπεδο τη γλώσσα. Με λίγα λόγια το OPNET παρέχει : Πολύ αποδοτική και scalable μηχανή προσομοίωσης, προσφέροντας γρήγορες προσομοιώσεις κάνοντας χρήση υψηλού επιπέδου τεχνικών επιτάχυνσης για ενσύρματα και ασύρματα modules. Βατή υποστήριξη για προγραμματισμό πρωτοκόλλων. Πάνω από 400 συναρτήσεις βιβλιοθήκης για μοντέλα πρωτοκόλλων. Ιεραρχικά μοντέλα δικτύου, τα οποία διαχειρίζονται σύνθετες τοπολογίες δικτύων με απεριόριστο φώλιασμα υποδικιών (subnet nesting). Αντικειμενοστραφής μοντελοποίηση. Οι κόμβοι και τα πρωτόκολλα μοντελοποιούνται σαν τάξεις (classes) με όλα τα χαρακτηριστικά του αντικειμενοστραφούς σχεδιασμού (κληρονομικότητα και specialization). Μοντελοποίηση μηχανής πεπερασμένων καταστάσεων των πρωτοκόλλων και άλλων διαδικασιών. Υπάρχει η δυνατότητα προσομοίωσης κάθε απαιτούμενης συμπεριφοράς με τη λογική της C/C++ σε καταστάσεις και μεταβάσεις μηχανής πεπερασμένων καταστάσεων και ο έλεγχός της σε επίπεδο λεπτομέρειας. Απλό paradigm μοντελοποίησης. Μοντελοποίηση της συμπεριφοράς μεμονωμένων αντικειμένων στο «Επίπεδο Επεξεργασίας» (Process Level) και διασύνδεσή τους για τον σχηματισμό συσκευών σε «Επίπεδο Κόμβου»(Node Level). Διασύνδεση των τελευταίων μέσω ζεύξεων για τον σχηματισμό δικτύων σε «Επίπεδο Δικτύου» (Network Level). Οργάνωση πολλαπλών σεναρίων δικτύων σε «Εργασίες» (Projects) για τη σύγκριση σχεδίων. Ασύρματες, από σημείο σε σημείο (point-to-point) και μεταξύ πολλαπλών σημείων ζεύξεις με δυνατότητα προγραμματισμού και συμπεριλαμβανόμενα χαρακτηριστικά ρυθμού λαθών (bit error), διαθεσιμότητας (availability), καθυστέρησης και throughput. 30

31 Την πιο ανεπτυγμένη πλατφόρμα μοντελοποίησης με μια υψηλής ποιότητας ακολουθιακή (sequential) και πλήρως παράλληλη (fully parallel) προσομοίωση διακριτών γεγονότων (discrete event simulation), υβριδική και αναλυτική προσομοίωση αλλά και άλλες τεχνολογίες προσομοίωσης. Πλήρως ανοικτό κώδικα, παρέχοντας APIs για την κατασκευή ή την αλλαγή μοντέλων και αρχείων αποτελεσμάτων, βιβλιοθήκες κώδικα που μπορούν να ενσωματωθούν στις νέες προσομοιώσεις και τον κώδικα όλων των μοντέλων του λογισμικού. Ολοκληρωμένο αποσφαλματωτή (debugger), παρέχοντας γρήγορη validation της συμπεριφοράς προσομοίωσης ή γρήγορο εντοπισμό προβλημάτων Αρχιτεκτονική του OPNET Τα εργαλεία του OPNET διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες, οι οποίες αντιστοιχούν στις τρεις φάσεις της διαδικασίας μελέτης ενός συστήματος: Προδιαγραφή (Specification) Συλλογή Δεδομένων και Προσομοίωση (Data Collection and Simulation) Ανάλυση (Analysis) Προδιαγραφή: Είναι η διαδικασία της ανάπτυξης μιας αναπαράστασης του προς μελέτη συστήματος. Τα μοντέλα που κατασκευάζονται έχουν ιεραρχική δομή, ανάλογη με αυτή των πραγματικών συστημάτων. Η ιεραρχική αυτή δόμηση είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση μοντέλων χαμηλού επιπέδου. Η προδιαγραφή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια εργαλείων που καλούνται συντάκτες (editors). Οι τρεις βασικοί συντάκτες που χρησιμοποιούνται είναι ο Συντάκτης Έργων (Project Editor), ο Συντάκτης Κόμβων (Node Editor) και ο Συντάκτης Διεργασιών (Process Editor). Οι συντάκτες είναι και εκείνοι ιεραρχικά οργανωμένοι. Ο χειριστής του Συντάκτη Έργων χρησιμοποιεί κόμβους οι οποίοι έχουν δημιουργηθεί μέσω του Συντάκτη Κόμβων. Ο 31

32 Συντάκτης Κόμβων με τη σειρά του κάνει χρήση μοντέλων που έχουν οριστεί με τη βοήθεια του Συντάκτη Διεργασιών. Συλλογή Δεδομένων και Προσομοίωση: Στη φάση αυτή, το μοντέλο που έχει κατασκευαστεί κατά τη φάση της προδιαγραφής χρησιμοποιείται για την εκτέλεση προσομοιώσεων. Μέσω των προσομοιώσεων συλλέγονται δεδομένα μετρήσεων. Το OPNET υποστηρίζει τη συλλογή τόσο τοπικών (σχετιζόμενων με ένα συγκεκριμένο αντικείμενο) όσο και γενικών (σχετιζόμενων με όλο το σύστημα) στατιστικών δεδομένων. Ο χρήστης μπορεί να εκμεταλλευθεί τις δυνατότητες που παρέχει το OPNET και να δημιουργήσει δικούς του τύπους εξόδου, όπως π.χ. αναφορές, δυαδικά αρχεία κλπ. Παρόλα αυτά, στην πλειονότητα των περιπτώσεων, οι χρήστες κάνουν χρήση των τύπων εξόδου που παρέχονται από το ίδιο το OPNET. Οι τρεις τύποι εξόδου αυτοί είναι: Διανύσματα Εξόδου (Output Vector). Ένα διάνυσμα εξόδου είναι ένα σύνολο από ζεύγη πραγματικών αριθμών που καλούνται εγγραφές (entries). Το πρώτο στοιχείο κάθε εγγραφής είναι η ανεξάρτητη μεταβλητή ενώ το δεύτερο η εξαρτημένη μεταβλητή. Τις περισσότερες φορές, η ανεξάρτητη μεταβλητή είναι ο χρόνος προσομοίωσης ενώ η εξαρτημένη μεταβλητή είναι ένα μέγεθος, του οποίου την (δυναμική) εξέλιξη παρακολουθούμε. Μονόμετρες Έξοδοι (Output Scalars): Είναι ανεξάρτητες τιμές ενός μετρητικού μεγέθους που μας ενδιαφέρει. Συνήθως, σε κάθε προσομοίωση καταγράφεται μόνο μία scalar τιμή ενός μεγέθους και η έξοδος αυτή χρησιμοποιείται για την εκτέλεση παραμετρικών προσομοιώσεων. Η τιμή αυτή μπορεί για παράδειγμα να είναι η μέγιστη τιμή που καταγράφηκε για το μέγεθος αυτό κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης ή ο μέσος όρος των τιμών που καταγράφηκαν. Μετά την εκτέλεση πολλών προσομοιώσεων, οι scalar τιμές που έχουν προκύψει μπορούν να συνδυαστούν και να απεικονιστούν σε ένα διάγραμμα, το οποίο θα δείχνει πώς μεταβάλλεται ένα μέγεθος του συστήματος ως συνάρτηση κάποιας παραμέτρου του συστήματος. Animations: Οι προσομοιώσεις μπορούν να παράγουν animations που μπορεί κανείς να δει είτε κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης είτε μετά το τέλος της. Υπάρχουν αρκετά προκαθορισμένα animations, μπορούν όμως να δημιουργηθούν και νέα. 32

33 Ανάλυση: Η τρίτη αυτή φάση αναφέρεται στην εξέταση και την παρουσίαση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται με τη βοήθεια του Συντάκτη Διάρθρωσης Ανάλυσης Πεδία Μοντελοποίησης Η μοντελοποίηση με το OPNET λαμβάνει χώρα σε τέσσερα διαφορετικά πεδία. Τα πεδία αυτά είναι: Πεδίο Δικτύου: Στα πλαίσια του πεδίου δικτύου, ορίζεται η τοπολογία ενός δικτύου. Το μοντέλο ενός δικτύου μπορεί να περιλαμβάνει ένα μεγάλο αριθμό από οντότητες οι οποίες καλούνται κόμβοι (nodes). Κάθε κόμβος υλοποιεί ένα συγκεκριμένο μοντέλο κόμβου, το οποίο έχει σχεδιαστεί μέσω του Συντάκτη Κόμβων. Το μοντέλο ενός δικτύου αποτελείται επιπλέον και από ζεύξεις οι οποίες συνδέουν τους κόμβους. Οι κόμβοι μπορεί να είναι σταθεροί, κινητοί ή δορυφορικοί, ενώ οι ζεύξεις μπορεί να είναι είτε ενσύρματες είτε ασύρματες. Μια ειδική κατηγορία αντικειμένων που συναντώνται στο πεδίο δικτύου είναι τα υποδίκτυα. Τα υποδίκτυα δίνουν τη δυνατότητα για ιεραρχική δόμηση του μοντέλου του δικτύου και χρησιμοποιούνται για να διασπάσουν την πολυπλοκότητα σε πολλά επίπεδα. Ένα υποδίκτυο μπορεί να περιέχει οποιοδήποτε συνδυασμό από κόμβους, ζεύξεις ή άλλα υποδίκτυα. Τα υποδίκτυα αυτά μπορούν με τη σειρά τους να περιέχουν κι άλλα υποδίκτυα και η ενθυλάκωση αυτή μπορεί να συνεχιστεί με τον ίδιο τρόπο. Πεδίο Κόμβου: Στο πεδίο αυτό λαμβάνει χώρα η μοντελοποίηση κόμβων οι οποίοι μπορούν ακολούθως να χρησιμοποιηθούν στο Πεδίο Δικτύου. Τα μοντέλα των κόμβων αποτελούνται από οντότητες, οι οποίες καλούνται μονάδες, καθώς και από συνδέσεις μεταξύ των οντοτήτων αυτών. 33

34 Σχήμα 3.1.1: Μοντέλο Κόμβων Πεδίο Διεργασίας: Στο πεδίο αυτό πραγματοποιείται ο προγραμματισμός των μονάδων του Πεδίου Κόμβου. Δημιουργούνται έτσι μοντέλα διεργασιών, οι οποίες εκτελούνται από τις μονάδες αυτές. Το μοντέλο μιας διεργασίας αποτελεί ουσιαστικά μια Μηχανή Πεπερασμένων Καταστάσεων (Finite State Machine, FSM) η οποία παριστάνεται με τη βοήθεια ενός Διαγράμματος Καταστάσεων-Μεταβάσεων (State Transition Diagram, STD). Αρχικά, κάθε μονάδα περιέχει μόνο μία διεργασία. Η διεργασία αυτή μπορεί όμως να δημιουργήσει διεργασίες-παιδιά με δυναμικό τρόπο. Τα παιδιά αυτά μπορούν με τη σειρά τους να δημιουργήσουν νέες διεργασίες κ.ο.κ. Οι διεργασίες αποκρίνονται σε διακοπές, οι οποίες συνδέονται με την εκδήλωση συγκεκριμένων γεγονότων, όπως π.χ. την άφιξη πακέτων ή την εκπνοή χρονικών διαστημάτων. Όταν διακόπτεται μία διεργασία, εκτελεί συγκεκριμένες δράσεις και στη συνέχεια ξαναμπλοκάρει, μέχρι να δεχθεί νέα διακοπή. 34

35 Σχήμα 3.1.2: Μοντέλο Επεξεργασίας Πεδίο Εξωτερικού Συστήματος: Το πεδίο αυτό αφορά την εκτέλεση προσομοιώσεων σε συνεργασία με άλλους εξωτερικούς προσομοιωτές. Σχήμα 3.1.3: Ιεραρχική δομή μοντελοποίησης στο OPNET 35

36 Σχήμα 3.1.4: Editors για μοντέλα Δικτύου, Κόμβου και Διεργασιών Αντικείμενα, μοντέλα και ιδιότητες Τα αντικείμενα (objects) αποτελούν τα δομικά στοιχεία των μοντέλων και εμφανίζονται σε όλα τα πεδία μοντελοποίησης του OPNET. Άλλα αντικείμενα κατασκευάζονται άμεσα από τους χρήστες ενώ άλλα δημιουργούνται έμμεσα από το ίδιο το OPNET. Επιπλέον, υπάρχουν και αντικείμενα που δημιουργούνται δυναμικά κατά τη διάρκεια μιας προσομοίωσης. Τα αντικείμενα έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν, να διαχειρίζονται, να επεξεργάζονται και να τροποποιούν πληροφορίες. Ανταποκρίνονται σε γεγονότα και προκαλούν γεγονότα. Μπορούν να περιέχουν άλλα αντικείμενα και να περιέχονται σε άλλα αντικείμενα. Τα αντικείμενα διαθέτουν ιδιότητες (attributes) μέσω των οποίων είναι δυνατός ο έλεγχος της συμπεριφοράς τους. Οι ιδιότητες αποτελούν τμήμα της διαπροσωπείας ενός αντικειμένου. Κάθε ιδιότητα έχει ένα όνομα και μία τιμή. Διαθέτει επίσης μια σειρά από χαρακτηριστικά γνωρίσματα (properties), τα οποία είναι: 36

37 Ο τύπος δεδομένων της ιδιότητας Οι τιμές που επιτρέπεται να λάβει η ιδιότητα Η προκαθορισμένη τιμή της ιδιότητας Σχόλια σχετικά με το ρόλο της ιδιότητας αυτής 1) Σχήμα 3.1.5: Μοντέλο Δικτύου Η δομή και η συμπεριφορά των αντικειμένων καθορίζεται από το μοντέλο τους. Το μοντέλο ενός αντικειμένου καθορίζεται μέσω της ιδιότητάς με όνομα model. Ένα μοντέλο μπορεί να παραμετροποιηθεί μέσω των ιδιοτήτων του (model attributes). Δηλαδή, ο χρήστης μπορεί να ελέγξει τη συμπεριφορά των μοντέλων αποδίδοντας κατάλληλες τιμές στις ιδιότητές τους, χωρίς να χρειαστεί να επέμβει στο εσωτερικό τους. Έτσι, το μοντέλο καθίσταται πιο «γενικό» και επαναχρησιμοποιήσιμο. Τα αντικείμενα ενός συγκεκριμένου μοντέλου εμφανίζουν τις ιδιότητες που αντιστοιχούν στο μοντέλο αυτό. Οι ιδιότητες ενός μοντέλου κληροδοτούνται δηλαδή στα αντικείμενα τα οποία υλοποιούν το μοντέλο αυτό. Με τον τρόπο αυτό, το μοντέλο ενός αντικειμένου 37

38 επιδρά καταλυτικά στη διαπροσωπεία του αντικειμένου αυτού, καθορίζοντας το σύνολο των ιδιοτήτων του. Οι τιμές των ιδιοτήτων ενός αντικειμένου μπορούν να αποδοθούν εξ αρχής, μπορούν όμως και να προωθηθούν (promotion). Μια ιδιότητα η οποία έχει προωθηθεί μεταβιβάζεται προς το αμέσως ανώτερο επίπεδο της ιεραρχίας αντικειμένων. Η απόδοση της τιμής της μπορεί να γίνει πλέον στο νέο αυτό επίπεδο. Οι ιδιότητες που έχουν προωθηθεί μέχρι το ανώτερο επίπεδο ιεραρχίας καλούνται ιδιότητες της προσομοίωσης. Σχήμα 3.1.6: Μπάρα εργαλείων του Μοντέλου Κόμβων 38

39 3.2 Network Simulator 2 (NS-2) Γενικές πληροφορίες Κατασκευαστής - DARPA, SAMAN Σύνδεσμος κατασκευαστή Σύνδεσμος προϊόντος - Άδεια - Ερευνητικό λογισμικό Κόστος - Δωρεάν Απαιτήσεις - Η/Υ με λειτουργικό σύστημα Linux ή Windows, 320 GB αποθηκευτικός χώρος, C++ compiler Περιορισμοί - Κανένας Πρόκειται για ένα open-source εργαλείο το οποίο χρησιμοποιείται σε μεγάλη κλίμακα από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Ο ns-2 αποτελεί ένα πολύ ισχυρό περιβάλλον εξομοίωσης το οποίο μπορεί να εξομοιώσει πολλά είδη δικτύων, όπως ασύρματα και δορυφορικά δίκτυα. Η υλοποίηση του ns-2 ξεκίνησε το 1989 στο πανεπιστήμιο Berkeley. Η αρχική ιδέα για την ανάπτυξή του ήταν η δημιουργία μίας παραλλαγής του Real network simulator.το 1995, η ανάπτυξή του υποστηρίχθηκε και από την υπηρεσία του υπουργείου άμυνας των Η.Π.Α. DARPA μέσα από το έργο Virtual InterNetwork Testbed (VINT).Το VINT ήταν ένα έργο στο οποίο συνεργάστηκαν οι εταιρίες USC/ISI, Xerox PARC, LBNL και το πανεπιστήμιο Berkeley. Στις μέρες μας, η υποστήριξη του ns-2 γίνεται από την DARPA. Η υλοποίηση του εξομοιωτή έχει γίνει σε γλώσσα C++. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιείται η scripting γλώσσα OTcl ως διεπαφή λήψης εντολών και ρύθμισης παραμέτρων. Με άλλα λόγια, ο χρήστης μπορεί να προσδιορίσει επακριβώς τα πειράματα εξομοίωσης μέσω της γλώσσας OTcl. Τα scripts που γράφονται στη γλώσσα αυτή δίνονται ως είσοδος στον εξομοιωτή και αυτός με τη σειρά του τα εκτελεί. Μέσω των OTcl scripts ο χρήστης μπορεί να ορίσει τοπολογίες δικτύων που αποτελούνται από κόμβους και συνδέσμους. Γίνεται η δυνατότητα για ακριβή προσδιορισμό των παραμέτρων των συνδέσμων, όπως το εύρος ζώνης και οι καθυστερήσεις στις ουρές. Στη συνέχεια μπορεί να καθοριστούν οι πηγές και 39

40 οι προορισμοί των κινήσεων πληροφορίας. Ο τρόπος που δημιουργούνται αυτές οι οντότητες είναι αρκετά απλός και γίνεται με τον ορισμό agents. Η έξοδος που παράγεται μπορεί να έχει διάφορες μορφές ανάλογα με τα συμπληρωματικά πακέτα που χρησιμοποιούνται. Δύο από τους πιο συνηθισμένους τύπους εξόδου είναι log αρχεία τα οποία περιγράφουν την κίνηση πακέτων πάνω από ένα σύνδεσμο ή την κατάσταση μίας ουράς. Τα αρχεία αυτά μπορούν, αφού δεχθούν κάποια επεξεργασία, να υπολογίσουν συγκεκριμένες μετρικές που ενδιαφέρουν άμεσα τον ερευνητή, όπως για παράδειγμα το throughput της κίνησης ή την καθυστέρηση μετάδοσης ενός πακέτου. Ο ns-2 υποστηρίζει πολλά δικτυακά πρωτόκολλα (όπως τα TCP, UDP και RTP),διάφορους τύπους κίνησης (όπως FTP, Telnet, HTTP, CBR και VBR), μηχανισμούς διαχείρισης ουρών (όπως τους RED, DropTail και CBQ), αλγορίθμους δρομολόγησης(όπως τους Dijkstra και Bellman Ford). Επίσης, ο ns-2 υποστηρίζει εξομοιώσεις σφαλμάτων στη λειτουργία του δικτύου, όπως ντετερμινιστικές και πιθανοτικές απώλειες πακέτων καθώς και link failures. Η χρησιμότητα του ns-2 είναι μεγάλη στο σχεδιασμό νέων πρωτοκόλλων καθώς και στον έλεγχο της ορθότητας και της αποδοτικότητας νέων μηχανισμών μετάδοσης. Επίσης, ο ns- 2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για εκπαιδευτικούς σκοπούς διότι, μέσω του πακέτου nam, μπορεί να απεικονίσει γραφικά τα δίκτυα και τις συμπεριφορές των πρωτοκόλλων. Για όλους τους παραπάνω λόγους ο ns-2 αποτελεί ένα πολύ ισχυρό και εύκολο στη χρήση περιβάλλον εξομοίωσης το οποίο η επιστημονική κοινότητα χρησιμοποιεί ευρύτατα Tι είναι η TCL Η Tcl ή «tool command language» είναι πολύ απλή γλώσσα προγραμματισμού ανοιχτής πηγής. Η Tcl παρέχει βασικά γλωσσικά χαρακτηριστικά όπως μεταβλητές, διαδικασίες ελέγχου και τρέχει σχεδόν σε όλα τα σύγχρονά λειτουργικά όπως στο Unix, Macintosh και στα Windows 95/98/NT. Αλλά το κλειδί της Tcl είναι η επεκτασιμότητα της. Η Tcl αρχικά αναπτύχθηκε σαν επαναχρησιμοποιήσιμη γλώσσα διαχείρισης εντολών για πειραματικά βοηθητικά σχεδιαστικά εργαλεία Η/Υ. Ο διερμηνέας ήταν υλοποιήσιμος σαν βιβλιοθήκη της γλώσσας προγραμματισμού C και μπορούσε να συνδεθεί μέσα από κάθε 40

41 εφαρμογή. Είναι πολύ εύκολο να προσθέσεις νέες λειτουργίες στον Tcl πυρήνα, έτσι ώστε να είναι η ιδανική επαναχρησιμοποιήσιμη γλώσσα που μπορεί να ενοποιηθεί σε οποιοδήποτε εφαρμογή. Αλλά η Tcl είναι γλώσσα προγραμματισμού από μόνη της ορθή, που μπορείς να την περιγράψεις πρόχειρα σαν διασταύρωση μεταξύ LISP/Scheme (με λιγότερα παρεγχύματα) και κελιά (με πιο ισχυρή δομή)- βλέπε TCL heritage. Μπορείς να γράψεις όσα προγράμματα θέλεις σε Tcl, όπως και σε οποιαδήποτε άλλη γλώσσα. Τα Tcl προγράμματα συνήθως αποκαλούνται σενάρια, scripts, γιατί το πρόγραμμα δεν χρειάζεται να ολοκληρωθεί σε γλώσσα μηχανής. Η σχετική σελίδα Beginning Tcl, σε ξεκινά από πρακτικές επιφάνειες εργασίας χρήστη. Μπορείς πολύ εύκολα να δημιουργήσεις μια επιφάνεια εργασίας για κάθε Tcl εφαρμογή ή ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα. Μπορείς να χρησιμοποιήσεις και άλλες επεκτάσεις όπως Expect για να ελέγχεις τις γραμμές εντολών του προγράμματος για τις επιφάνειες εργασίας των χρηστών. Η Tcl έχει πληθώρα επεκτάσεων, ώστε να μπορείς να γράψεις οποιοδήποτε είδος προγράμματος σαν Tcl script. Υπάρχουν προεκτάσεις για CGI και HTTP εφαρμογές, για γραφική καταγραφή σχεδίου και πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων Βασικά στοιχεία λειτουργίας του ns-2 Στην ενότητα αυτή περιγράφονται τα βασικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής του NS-2. Ειδικότερα, περιγράφεται η έννοια του χρονοπρογραμματισμού και η χρησιμότητα του otcl αρχείου. Χρονοπρογραμματισμός γεγονότων Ο NS-2 είναι ουσιαστικά ένας προσομοιωτής δικτύου ο οποίος βασίζεται στην διαδοχική προσομοίωση/εκτέλεση κάποιων γεγονότων. Τα γεγονότα αυτά αφορούν στην αποστολή και λήψη πακέτων ανάμεσα σε κόμβους του δικτύου και γενικότερα στην έναρξη και λήξη κάποιων διαδικασιών. Ειδικότερα, ο NS-2 προσομοιώνει την αποστολή και λήψη πακέτων με τη βοήθεια ενός χρονοπρογραμματιστή γεγονότων (Event Scheduler) ο οποίος και δομεί μια την κλάση class Scheduler. Κάθε γεγονός συνδέεται με μια συγκεκριμένη χρονική 41

42 στιγμή εκτέλεσης. Ο χρονοπρογραμματιστής τοποθετεί τα γεγονότα σε μια λίστα/σειρά ανάλογα με τη χρονική στιγμή εκτέλεσης τους. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, ο χρονοπρογραμματιστής εξασφαλίζει την σειριακή εκτέλεση των γεγονότων καλώντας τα κατάλληλα αντικείμενα που αναλαμβάνουν την εκτέλεση. Ειδικότερα: Τα γεγονότα συνδέονται με το χρόνο. Η κλάση class Event ορίζεται από τις μεταβλητές {time, uid, next, handler}, όπου time είναι η χρονική στιγμή εκτέλεσης του γεγονότος, uid είναι το μοναδικό id του γεγονότος, next είναι το επόμενο γεγονός προς εκτέλεση στην λίστα και handler είναι ένας δείκτης που δείχνει στην συνάρτηση του αντικειμένου η οποία και θα αναλάβει την εκτέλεση του γεγονότος. Τα γεγονότα τοποθετούνται στην λίστα γεγονότων με βάση τη χρονική στιγμή εκτέλεσης τους και ενεργοποιούνται ένα-ένα από τον χρονοπρογραμματιστή. Σημειώνουμε εδώ ότι η κλάση class Packet είναι υποκλάση της class Event μιας και τα πακέτα λαμβάνονται και μεταδίδονται κάποια χρονική στιγμή. Επίσης όλα τα αντικείμενα που συμμετέχουν στο δίκτυο (π.χ αυτά που δομούν τους κόμβους) ανήκουν σε υποκλάσεις της κλάσης class Handler μιας και χειρίζονται γεγονότα όπως πακέτα.η διαδικασία χρονοπρογραμματισμού παρουσιάζεται στο Σχήμα 0.2.1: Χρονοπρογραμματισμός στον NS-2 που ακολουθεί: Σχήμα 0.2.1: Χρονοπρογραμματισμός στον NS-2 42

43 Το γεγονός που βρίσκεται στην κεφαλή της ουράς αναμονής παραδίδεται στον διαχειριστή (handler) που ουσιαστικά δεν είναι άλλος από κάποιο αντικείμενο του δικτύου. Στη συνέχεια το αντικείμενο αυτό μπορεί να καλέσει άλλο αντικείμενο και τελικά νέα γεγονότα εισάγονται στην ουρά αναμονής του χρονοπρογραμματιστή Γιατί δύο γλώσσες; ( C++ και otcl ) Στην ενότητα αυτή περιγράφονται οι λόγοι που οδήγησαν τους δημιουργούς του ns-2 στο συνδυασμό δύο γλωσσών, της C++ και της otcl. Όπως ήδη αναφέρθηκε, ο NS-2 είναι γραμμένος στις γλώσσες C++ και otcl που είναι η αντικειμενοστρεφής εκδοχή της Tool Command Language). Ο προσομοιωτής χρησιμοποιεί δύο γλώσσες επειδή έχει δύο διαφορετικά είδη λειτουργιών που πρέπει να κάνει. Από τη μία, καλείται να προσομοιώσει με λεπτομέρεια την πολύπλοκη συμπεριφορά διαφόρων αντικειμένων όπως είναι οι κόμβοι, οι εφαρμογές που τρέχουν πάνω στους κόμβους, τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που υπαγορεύουν την ανταλλαγή πακέτων ανάμεσα στους κόμβους κτλ. Για να προσομοιωθεί η συμπεριφορά αυτή απαιτεί μια γλώσσα προγραμματισμού που να μπορεί να χειριστεί αποτελεσματικά bytes, επικεφαλίδες πακέτων και να υλοποιήσει αλγόριθμους που τρέχουν πάνω σε ένα μεγάλο σύνολο δεδομένων. Για αυτούς τους στόχους, η ταχύτητα στον χρόνο εκτέλεσης είναι πιο σημαντική από την ταχύτητα στον χρόνο προσομοίωσης. Από τη άλλη, πολλά σενάρια δικτύων περιλαμβάνουν την αλλαγή μερικών μόνο παραμέτρων ή ρυθμίσεων ή την απλή εφαρμογή διαφόρων σεναρίων (π.χ διάφορες μορφές τοπολογίας δικτύου). Σε αυτές τις περιπτώσεις, ο χρόνος προσομοίωσης είναι πιο σημαντικός. Ο NS-2 ικανοποιεί και τις δύο ανάγκες με το συνδυασμό δύο γλωσσών, C++ και otcl. Η γλώσσα C++ παρέχει τη δυνατότητα υλοποίησης των περίπλοκων δομών που χαρακτηρίζουν τα διάφορα δικτυακά αντικείμενα και επιπλέον προσφέρει ταχύτητα στην εκτέλεση αλλά παρουσιάζει ιδιαίτερη δυσκολία στην περίπτωση ανάγκης αλλαγής στοιχείων της (υλοποίηση αντικειμένων). Έτσι, καθίσταται κατάλληλη για την λεπτομερή υλοποίηση διαφόρων πρωτοκόλλων, π.χ. για την υλοποίηση του πρωτοκόλλου που θα 43

44 υπαγορεύει πως θα αποστέλλονται τα πακέτα ανάμεσα στους κόμβους. Η otcl από την άλλη, είναι πιο χρονοβόρα στην εκτέλεση αλλά παρέχει ευκολία στην αλλαγή και καθορισμό διαφόρων παραμέτρων. Έτσι είναι ιδανική για τη διαμόρφωση της προσομοίωσης, π.χ για την διαμόρφωση της τοπολογίας του δικτύου που θέλουμε να προσομοιώσουμε. Ο καθορισμός αυτός γίνεται στο λεγόμενο tcl script. Μέσω των otcl scripts ο χρήστης μπορεί να προσδιορίσει επακριβώς τα πειράματα εξομοίωσης. Τα OTCL scripts δίνονται ως είσοδος στον εξομοιωτή και αυτός με τη σειρά του τα εκτελεί. Στο Σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται ο συνδυασμός των δύο γλωσσών στο NS-2. Σχήμα 0.2.2: Συνδυασμός γλωσσών otcl C++ στον ΝS-2 44

45 Pure C++ objects Pure OTcl objects C++ C++/OTcl split objects ns OTcl Σχήμα 0.2.3: Διασύνδεση ιεραρχιών C++ και otcl Τα βασικά στοιχεία του δικτύου που προσομοιώνονται, όπως για παράδειγμα οι κόμβοι, οι agents (που είναι υπεύθυνοι για αποστολή πακέτων), τα πρωτόκολλα επικοινωνίας (UDP, TCP) κτλ. υλοποιούνται με κλάσεις της ιεραρχίας C++. Ωστόσο, ο χρήστης χρησιμοποιώντας το tcl script μπορεί να καθορίσει την δημιουργία αυτών των αντικειμένων χάρη στη διασύνδεση ανάμεσα σε otcl και C++ ιεραρχία κλάσεων. Η διασύνδεση αυτή επιτυγχάνεται μέσω της TclCL (Tcl with Classes, η οποία ορίζει μια Tcl/C++ interface με τη βοήθεια δύο βασικών κλάσεων του NS-2: class TclObject: Η κλάση αυτή αποτελεί μια από τις βασικές κλάσεις του NS-2. Οποιαδήποτε αντικείμενο θέλουμε να προσομοιωθεί στον ns-2 και δημιουργούμε την κλάση του σε C++, τότε η κλάση αυτή πρέπει να κληρονομεί από την βασική κλάση TclObject. Με άλλα λόγια, οποιοδήποτε αντικείμενο χρησιμοποιείται στην προσομοίωση (tcl script) αντιστοιχεί σε κατάλληλη κλάση της C++ ιεραρχίας και η κλάση αυτή κληρονομεί από την βασική κλάση TclObject. Επίσης, η κλάση αυτή ορίζεται τόσο στην C++ ιεραρχία όσο και στην otcl ιεραρχία. Βασικές συναρτήσεις της κλάσης αυτής στην ιεραρχία της C++ είναι οι bind, command ενώ στην ιεραρχία της otcl είναι η createshadow. 45

46 class TclClass: Η κλάση αυτή είναι pure virtual. Με τη βοήθεια αυτής δημιουργείται η αντιστοίχηση ανάμεσα στην otcl ιεραρχία και την C++ ιεραρχία κλάσεων. Εξασφαλίζει ότι όταν δημιουργηθεί ένα αντικείμενο που ανήκει σε κλάση της otcl ( οτcl ιεραρχία ) στο tcl script, τότε θα δημιουργηθεί και ένα αντικείμενο της αντίστοιχης κλάσης στην ιεραρχία C++. Αυτό γίνεται κατανοητό με το παρακάτω παράδειγμα: Θεωρούμε την κλάση της C++ που υλοποιεί έναν agent και είναι η κλάση TcpAgent. Η κλάση αυτή στην ιεραρχία C++ κληρονομεί από την κλάση Agent και αυτή με τη σειρά της από τη βασική κλάση TclObject. Η αντίστοιχη κλάση σε otcl είναι η κλάση Agent/TCP η οποία κληρονομεί από την tcl κλάση Agent που με τη σειρά της κληρονομεί από την tcl κλάση TclObject Αρχιτεκτονική ασύρματου κόμβου στον NS-2 Στην ενότητα αυτή περιγράφεται η βασική αρχιτεκτονική του ασύρματου κόμβου στον NS-2 και περιγράφεται η διαδρομή που ακολουθεί ένα πακέτο όταν αυτό στέλνεται ή λαμβάνεται από έναν κόμβο. Δομή απλού κόμβου Η βασική δομή του Node παρουσιάζεται αναλυτικότερα στο σχήμα που ακολουθεί: 46

47 Σχήμα 0.2.4: Δομή απλού κόμβου στον NS-2 Όταν ένας κόμβος Node λαμβάνει ένα πακέτο, αρχικά εξετάζει συγκεκριμένα πεδία του πακέτου, συνήθως την διεύθυνση του παραλήπτη και σπανιότερα την διεύθυνση του αποστολέα. Ανάλογα με την τιμή των πεδίων αυτών, το πακέτο είτε προωθείται σε άλλον κόμβο είτε τυγχάνει επεξεργασίας στο παρών κόμβο. Η εξέταση των πεδίων αυτών πραγματοποιείται από το αντικείμενο της κλάσης class Classifier. Το αντικείμενο αυτό παρέχει ένα τρόπο αντιστοιχίας κάθε πακέτου με κάποιο άλλο αντικείμενο του κόμβου. Αναλυτικότερα, αν η διεύθυνση παραλήπτη που αναγράφεται στο πεδίο του πακέτου συμπίπτει με τη διεύθυνση του παρόντος κόμβου, τότε το πακέτο προωθείται στο αντικείμενο Port Classifier και στη συνέχεια στο κατάλληλο αντικείμενο Agent. Στο παραπάνω σχήμα του κόμβου Node υπάρχουν δύο είδη Classifier, Address Classifier και Port Classifier, καθένα από τα οποία ελέγχει κατάλληλο πεδίο του πακέτου. Κάθε αντικείμενου Classifier περιέχει έναν πίνακα. Στον πίνακα αυτό κάθε αντικείμενο (πχ. agent, Link, Classifier) αντιστοιχίζεται με έναν αριθμό. O classifier ελέγχει το κατάλληλο πεδίο και αντιστοιχεί την τιμή του πεδίου στον κατάλληλο αριθμό και στη συνέχεια προωθεί το πακέτο στο αντίστοιχο αντικείμενο. Στο παραπάνω σχήμα του απλού κόμβου ο Agent υλοποιεί το πρωτόκολλο δρομολόγησης. Όταν ένα πακέτο φτάνει στον κόμβο (Node entry), ανάλογα με την τιμή των πεδίων 47

48 διεύθυνσης (address) και πόρτας (port) που φέρει, προωθείται στον κατάλληλο agent δρομολόγησης. Δομή ασύρματου κινητού κόμβου Το ασύρματο μοντέλο αποτελείται από τον κινητό κόμβο (MobileNode) κατά βάση καθώς και από επιπρόσθετα στοιχεία. Το αντικείμενο του κινητού κόμβου (MobileNode) ανήκει στην κλάση class MobileNode της ιεραρχίας C++ η οποία έχει αντιστοιχία μία προς μία με την κλάση class MobileNode της otcl (spli object). Η κλάση MobileNode κληρονομεί από την βασική κλάση class Node της C++. Ένα αντικείμενο της κλάσης MobileNode φέρει τα βασικά χαρακτηριστικά της κλάσης Node καθώς και επιπρόσθετα που του προσδίδουν δυνατότητα να κινείται μέσα σε μια δοσμένη τοπολογία και δυνατότητα να λαμβάνει και να μεταδίδει πακέτα από και προς το ασύρματο κανάλι. Μια κύρια διαφορά όμως, ανάμεσα σε ένα αντικείμενο MobileNode και σε ένα αντικείμενο Node, είναι ότι το πρώτο δεν συνδέεται μέσω αντικειμένων της κλάσης class Link με άλλους κόμβους. Η δημιουργία ενός αντικειμένου MobileNode επιτυγχάνεται μέσω του otcl script όπου επιπλέον δικτυακά αντικείμενα συνδέονται με το αντικείμενο MobileNode. 48

49 Node port classifier 255 protoco l agent addr classifier defaulttarget_ routing agent LL ARP IFQ MobileNode MAC PHY CHANNEL Propagation and antenna models Σχήμα 0.2.5: Δομή ασύρματου κόμβου στον NS-2 Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.2.5, κάθε MobileNode αποτελείται από τη βασική δομή του Node και από τα αντικείμενα: Link Layer (LL): Πρόκειται για το αντικείμενο το οποίο παρέχει τεμαχισμό και συναρμολόγηση πακέτων. Επίσης, θέτει τη MAC διεύθυνση προορισμού στην επικεφαλίδα (πεδίο) MAC του πακέτου. Στο MobileNode αυτή η λειτουργία της μετατροπής διευθύνσεως από IP σε MAC εξασφαλίζεται από το αντικείμενο ARP. Όλα τα εξερχόμενα πακέτα (αυτά που ο κόμβος στέλνει στο δίκτυο) παραδίδονται από τον Agent δρομολόγησης (Routing Agent) στο αντικείμενο LL και αυτό στη συνέχεια τα προωθεί στο αντικείμενο IFQ (το οποίο παρουσιάζεται παρακάτω). Τα πακέτα που εισέρχονται στον κόμβο, δηλαδή αυτά που ο κόμβος λαμβάνει από το δίκτυο, προωθούνται από το αντικείμενο MAC στο αντικείμενο LL και αυτό στη συνέχεια τα προωθεί στο αντικείμενο node_entry_point. 49

50 Πρωτόκολλο αντιστοιχίας διευθύνσεων (Address Resolution Protocol-ARP): Το αντικείμενο αυτό λαμβάνει τα πακέτα από το στρώμα LL. Παρέχει αντιστοιχία ανάμεσα σε IP και MAC διευθύνσεις. Όταν λαμβάνεται ένα πακέτο προς αποστολή, τότε το αντικείμενο ARP ελέγχει τη διεύθυνση IP προορισμού του πακέτου και στη συνέχεια αναζητά την αντίστοιχη διεύθυνση MAC σε έναν πίνακα που διαθέτει. Αν ο πίνακας του ARP διαθέτει την αντιστοιχία IP-MAC τότε γράφει την διεύθυνση MAC προορισμού στο κατάλληλο πεδίο του πακέτου. Διαφορετικά αποθηκεύει προσωρινά το πακέτο και μεταδίδει μια λεγόμενη ARP ερώτηση στο δίκτυο για να ανακαλύψει την επιθυμητή διεύθυνση MAC. Υπάρχει δυνατότητα αποθήκευσης ενός μόνο πακέτου για κάθε άγνωστη MAC διεύθυνση προορισμού. Αν εμφανιστεί και άλλο πακέτο με την ίδια άγνωστη MAC διεύθυνση προορισμού, τότε αυτό απορρίπτεται και χάνεται. Όταν βρεθεί η άγνωστη MAC διεύθυνση, γράφεται στο κατάλληλο πεδίο του πακέτου και αυτό εισάγεται στην ουρά αναμονής (προς αποστολή) που υλοποιείται από το αντικείμενο IFQ. Ουρά αναμονής (Interface Queue-IFQ): Πρόκειται για μια ουρά προτεραιότητας στην οποία και αποθηκεύονται τα πακέτα που είναι προς αποστολή. Η ουρά αυτή δίνει προτεραιότητα σε πακέτα δρομολόγησης (πχ. πακέτα που μεταφέρουν το ερώτημα του ARP) και μετά σε πακέτα δεδομένων και για το λόγο αυτό και τοποθετεί τα πακέτα δρομολόγησης στην κεφαλή της ουράς. Η ουρά αναμονής υλοποιείται από την κλάση class PriQueue. Στρώμα MAC (MAC Layer): Αυτό το στρώμα προσομοιώνει τα πρωτόκολλα πρόσβασης μέσου (medium access protocols) τα οποία χρησιμοποιούνται σε ένα κοινό περιβάλλον όπως είναι τα ασύρματα και τα δίκτυα τοπικής περιοχής. Ο στόχος του αντικειμένου MAC είναι διπλός: όταν στέλνεται ένα πακέτο προς το δίκτυο, τότε το αντικείμενο MAC τοποθετεί την επικεφαλίδα MAC στο πακέτο και στη συνέχεια το προωθεί στο αντικείμενο PHY. Όταν λαμβάνεται ένα πακέτο από το δίκτυο, το προωθεί στο αντικείμενο LL. Σημειώνουμε εδώ ότι η παραλαβή των πακέτων από φυσικό στρώμα (PHY) γίνεται ασύγχρονα. Ο NS-2 παρέχει υλοποίηση δύο ΜΑC πρωτοκόλλων για κινητά δίκτυα και είναι τα και TDMA. Δικτυακή διεπαφή (Network Interface-NetIF): Πρόκειται για μια διεπαφή που εξασφαλίζει την επικοινωνία του κόμβου με το κανάλι. Υλοποιείται μέσω της κλάσης Phy/WirelessPhy. Το αντικείμενο τοποθετεί στην επικεφαλίδα του προς μετάδοση πακέτου κατάλληλη μεταπληροφορία καθώς και πληροφορία σχετικά ενέργεια μετάδοσης 50

51 (transmission power), μήκος κύματος κτλ. Η πληροφορία αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη μιας και θα χρησιμοποιηθεί από το αντικείμενο Propogation Model του κόμβουπαραλήπτη. Μοντέλο ραδιοδιάδοσης (Radio Propagation Model): Το αντικείμενο αυτό χρησιμοποιεί το μοντέλο απωλειών ελευθέρου χώρου (1/r2) για κοντινές αποστάσεις και το μοντέλο δύο ακτίνων (1/r4) για μακρινές αποστάσεις. Αποφασίζει αν ένας παρών κόμβος με τη δεδομένη απόσταση, δύναμη μετάδοσης και μήκος κύματος, μπορεί να παραλάβει ένα πακέτο. Ελέγχει αν τα στοιχεία αυτά του κόμβου ικανοποιούν την αντίστοιχη μεταπληροφορία που περιέχεται στο πακέτο. Τέλος, χρησιμοποιεί μια πλήρως κατευθυντική κεραία που επιτυγχάνει μέγιστο κέρδος προς όλες τις κατευθύνσεις Εκτέλεση των προγραμμάτων προσομοίωσης Η εκτέλεση των προγραμμάτων προσομοίωσης γίνεται από την γραμμή εντολών (command line). Για να ανοίξει η γραμμή εντολών σε windows 2000 και windows XP επιλέγουμε start -> run και στο παράθυρο που ανοίγει πληκτρολογούμε cmd. Σε windows 98 Επιλέγουμε start->run και πληκτρολογούμε command. Για να δημιουργήσουμε ή να επεξεργαστούμε ένα αρχείο κώδικα tcl για προσομοίωση στο Network Simulator πληκτρολογούμε από τη γραμμή εντολών: notepad script.tcl όπου script.tcl είναι το όνομα του αρχείου που θα επεξεργαστούμε. Αφού δημιουργηθεί το αρχείο προσομοίωσης σύμφωνα με τις οδηγίες της κάθε άσκησης, εκτελούμε το πρόγραμμα με την εντολή ns script.tcl Αν δεν υπάρχουν λάθη στον κώδικα και η προσομοίωση ολοκληρωθεί επιτυχώς τότε θα έχουν δημιουργηθεί τα ανάλογα trace αρχεία σύμφωνα με τον κώδικα προσομοίωσης. Εφόσον έχει δημιουργηθεί κάποιο animation της προσομοίωσης, αυτό μπορεί να εκτελεστεί με την εντολή nam out.nam όπου out.nam είναι το αρχείο που περιλαμβάνει το animation. (καθορίζεται με την εντολή namtrace-all στο αρχείο tcl. 51

52 Σε κάποιες προσομοιώσεις δημιουργούμε και αρχεία out.tr που περιλαμβάνουν κάποια γραφική παράσταση. Για ευκολία προτείνεται η χρήση του excel. Αφού ανοίξουμε το πρόγραμμα excel, επιλέγουμε File->Open, και από το παράθυρο που εμφανίζεται επιλέγουμε το αρχείο out.tr που δημιουργήθηκε από την προσομοίωση (Αν αυτό δεν εμφανίζεται επιλέγουμε στο πεδίο File of type All Files). Στη συνέχεια, με τη βοήθεια του Text import wizard που εμφανίζεται επιλέγουμε Delimited με space για deliminator. Επίσης, πατάμε το κουμπί advanced ώστε να διαλέξουμε την τελεία ως υποδιαστολή. Αφού ολοκληρωθεί ο wizard, θα πρέπει να δεδομένα από το αρχείο out.tr να εμφανίζονται σε δύο στήλες του excel. Επιλέγοντας αυτές τις δύο στήλες, και με την βοήθεια των εντολών Insert Graph XY Scatter, μπορούμε να εμφανίσουμε την γραφική παράσταση. Αν τα αρχεία.tr αντί να περιλαμβάνουν μόνο μια γραφική παράσταση, περιλαμβάνουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά την αλληλουχία γεγονότων που συνέβησαν κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Τότε για την επεξεργασία αυτών των αρχείων πρέπει να δημιουργηθεί πρόγραμμα σε γλώσσα awk, σύμφωνα με τις οδηγίες της κάθε άσκησης. Στη συνέχεια το πρόγραμμα εκτελείται με την εντολή awk f trace.awk <out.tr όπου trace.awk είναι το αρχείο με τις οδηγίες επεξεργασίας και out.tr είναι το trace αρχείο της προσομοίωσης. Σε περίπτωση που θέλουμε να αποθηκεύσουμε τα outputs της ανάλυσης των δεδομένων σε κάποιο αρχείο (πχ results.txt) εκτελούμε την εντολή awk f analyze.awk <out.tr >results.txt 52

53 3.3 NS3 (Network Simulator 3) Γενικές πληροφορίες Κατασκευαστής - National Science Foundation, Planete Group Σύνδεσμος κατασκευαστή Σύνδεσμος προϊόντος - Άδεια - Ερευνητικό λογισμικό Κόστος - Δωρεάν Απαιτήσεις - Η/Υ με λειτουργικό σύστημα UNIX, GNU toolchain, Mercurial. Περιορισμοί - Κανένας Παρόμοια με το NS2, το NS3 είναι επίσης ένας αντικειμενοστραφής, διακριτού συμβάντος προσομοιωτής δικτύου που αναπτύχθηκε κατά κύριο λόγο για χρήση στους τομείς της έρευνας και της εκπαίδευσης. Το NS3 έχει σχεδιαστεί ως ο αντικαταστάτης του δημοφιλούς NS2. Ωστόσο, το NS3 δεν αποτελεί μια ενημερωμένη και αναβαθμισμένη έκδοση του NS2. Αντίθετα, το NS3 είναι ένας εντελώς καινούριος προσομοιωτής δικτύων, ο οποίος είναι εξολοκλήρου βασισμένος στο δίδυμο γλωσσών C++ και Python. Για αυτό, σε πάρα πολλές περιπτώσεις είναι εντελώς ασύμβατος με την τεχνολογία στην οποία βασίζεται ο προσομοιωτής NS2. Η βασική ιδέα του NS3 προέρχεται από το συγκερασμό χαρακτηριστικών που προέρχονται από διαφορετικούς παλαιότερους προσομοιωτές δικτύου, όπως ο NS2, ο YANS, και το GTNetS. Οι βασικές διαφορές μεταξύ NS3 και NS2 είναι οι ακόλουθες: 1. Διαφορετικό λογισμικό: Ο πυρήνας του NS3 είναι γραμμένος σε C++ και Python (σε αντίθεση με τον προσομοιωτή NS2 που χρησιμοποιεί τη γλώσσα Otcl). Επίσης, ο προσομοιωτής NS3 αξιοποιεί τα αρκετά προηγμένα σχεδιαστικά πρότυπα που υπάρχουν στην γλώσσα C++ και δεν είχαν αξιοποιηθεί στο έπακρο κατά την ανάπτυξη του προσομοιωτή NS2. 53

54 2.Έχει δοθεί σημαίνουσα βαρύτητα στον ρεαλισμό της εφαρμογής: Τα συσχετισμένα αντικείμενα συνεργάζονται με τα σχεδιαζόμενα πρωτόκολλα με τέτοιο τρόπο ώστε το αποτελέσματα να είναι ρεαλιστικά και όσο το δυνατόν πιο κοντά στην πραγματικότητα. 3.Ολοκληρωμένη εφαρμογή: Το NS3 υποστηρίζει την ενσωμάτωση πολλαπλών εφαρμογών δικτύου ώστε να καλύψει την ανάγκη της επαναχρησιμοποίησης των μοντέλων προσομοίωσης. 4.Υποστήριξη virtualization: χρησιμοποιούνται εικονικές μηχανές χαμηλών απαιτήσεων. 5.Αρχιτεκτονική με δυνατότητα tracing: Το NS3 αναπτύσσει ένα πλαίσιο κατάλληλο για τον εντοπισμό και τη συλλογή στατιστικών στοιχείων σύμφωνα με το οποίο επιχειρεί να επιτρέψει την προσαρμογή των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης χωρίς να είναι απαραίτητη η επανοικοδόμηση ( recompile) του πυρήνα προσομοίωσης. Ο προσομοιωτής NS3 επιτρέπει την μελέτη ενός ευρέως συνόλου διαδικτυακών πρωτοκόλλων καθώς και συστημάτων μεγάλης κλίμακας σε ένα κατάλληλο και ελεγχόμενο περιβάλλον. Επιπρόσθετα, αποτελεί ένα καινοτόμο εργαλείο το οποίο ακολουθεί και είναι απόλυτα σύμφωνο με τις ανάγκες που υπάρχουν για προσομοίωση στην σύγχρονη έρευνα σχετικά με την ανάπτυξη πρωτοκόλλων και τις αρχιτεκτονικών δικτύωσης. Μια ακόμη σημαντική παράμετρος του προσομοιωτή NS3 είναι ότι ενσωματώνει απευθείας όλες τις σύγχρονες τεχνολογίες δικτύων (κυρίως ασύρματων) όπως είναι οι τεχνολογίες Wimax. 54

55 3.4 OMNeT++ Γενικές πληροφορίες Κατασκευαστής - András Varga Σύνδεσμος κατασκευαστή - Σύνδεσμος προϊόντος - win32-source--ide--mingw-zip Άδεια - Ερευνητικό λογισμικό Κόστος - Δωρεάν Απαιτήσεις - Η/Υ με λειτουργικό σύστημα Linux, Mac OS X, Windows (XP, Win2K, Vista, 7) Επισκόπηση του OMNeT++ Το OMNeT++ είναι ένας αντικειμενοστραφής προσομοιωτής διακεκριμένων γεγονότων (Discrete Event Simulator DES). Διαθέτει μια «γενική» αρχιτεκτονική έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τομείς όπως: Μοντελοποίηση ασύρματων και ενσύρματων δικτύων επικοινωνιών Μοντελοποίηση πρωτοκόλλων Μοντελοποίηση δικτύων ουρών Μοντελοποίηση μικροεπεξεργαστών και άλλων συστημάτων hardware Γενικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση οποιουδήποτε συστήματος για το οποίο είναι κατάλληλη η προσέγγιση των διακεκριμένων γεγονότων και το οποίο μπορεί να αντιστοιχηθεί σε οντότητες που επικοινωνούν μεταξύ τους ανταλλάσοντας μηνύματα. 55

56 Σχήμα Παραμετροποίηση Εξομοίωσης Modules Τα δομικά στοιχεία ενός μοντέλου στο OMNeT++ είναι τα modules. Τα modules θα τα χαρακτηρίζαμε ως αυτόνομες μονάδες οι οποίες επικοινωνούν με το πέρασμα μηνυμάτων. Τα ενεργά modules, αυτά δηλαδή που διαθέτουν κάποια λειτουργικότητα και τους 56

57 αλγορίθμους, θα τα ονομάζουμε simple modules. Αυτά γράφονται σε C++ και χρησιμοποιούν την βιβλιοθήκη προσομοίωσης στην οποία θα αναφερθούμε εκτενώς σε επόμενο κεφάλαιο. Το σημαντικότερο που πρέπει να κατανοήσουμε για τα simple modules είναι το γεγονός ότι είναι επαναχρησιμοποιήσιμα και μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους σχηματίζοντας σύνθετες οντότητες τα compound modules. Το βάθος αυτής της ιεραρχίας δεν έχει όριο. Από αυτήν την οπτική γωνία όλο το τελικό μοντέλο που θα δημιουργήσουμε είναι στην ουσία ένα compound module. Η δομή του μοντέλου περιγράφεται στην γλώσσα ΝΕD η οποία αποτελεί συστατικό μέρος του ΟMNeT++. Και τα simple και τα compound modules είναι στιγμιότυπα κάποιου τύπου module που έχει ορίσει ο χρήστης. Αυτά τα module types μπορούν να αποθηκευτούν σε ξεχωριστά αρχεία σχηματίζοντας βιβλιοθήκες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορα projects Messages, gates, connections Τα modules επικοινωνούν μεταξύ τους με την ανταλλαγή μηνυμάτων (messages). Σε πραγματικές προσομοιώσεις ένα μήνυμα μπορεί να αναπαριστά π.χ. ένα πλαίσιο ή ένα πακέτο σε δίκτυο υπολογιστών. Ένα μήνυμα μπορεί να περιέχει αφηρημένα δεδομένα και στέλνεται είτε μέσα από θύρες (gates) και συνδέσεις(connections) είτε κατευθείαν στον προορισμό τους. Όταν ένα μήνυμα στέλνεται από ένα module στον εαυτό του τότε το ονομάζουμε self message. Οι θύρες (gates) είναι οι διασυνδέσεις εισόδου και εξόδου των modules. Υπάρχουν τρεις τύποι: input, output και inout. Tα μηνύματα στέλνονται έξω μέσω των output gates και φτάνουν στο module σε μια input gate. Δύο θύρες συνδέονται μεταξύ τους με μια σύνδεση (connection). Σε μια σύνδεση μπορούν να αντιστοιχηθούν τρεις παράμετροι για την ρεαλιστική μοντελοποίηση ενός δικτύου: Propagation delay Αναπαραγωγή καθυστέρησης, δηλαδή ο χρόνος που καθυστερεί ένα μήνυμα όταν ταξιδεύει διαμέσου της σύνδεσης. Bit error rate καθορίζει την πιθανότητα λάθους στη μετάδοση. Data rate ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, καθορίζεται σε bits/sec. 57

58 3.4.4 Παράμετροι ( Parameters) Τα modules μπορούν να έχουν παραμέτρους. Θα χαρακτηρίζαμε τις παραμέτρους σαν μια μορφή μεταβλητών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον καθορισμό της συμπεριφοράς των simple modules και για την παραμετροποίηση της τοπολογίας του μοντέλου. Μπορούν να πάρουν αριθμητικές, αλφαριθμητικές και Boolean τιμές Προγραμματίζοντας τους αλγορίθμους Τα simple modules περιέχουν αλγορίθμους σε συναρτήσεις C++ οι οποίες συνδυάζονται με τις έτοιμες κλάσεις της βιβλιοθήκης προσομοίωσης. Τα αντικείμενα της προσομοίωσης, όπως modules, messages, queues, κ.α. αναπαρίστανται με έτοιμες κλάσεις που έχουν σχεδιαστεί να δουλεύουν μαζί αποτελεσματικά Δημιουργία και εκτέλεση προσομοίωσης Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πως στο OMNeT++ ένα μοντέλο αποτελείται από τα ακόλουθα συστατικά μέρη αρχεία: Αρχεία NED: περιγράφουν την δομή των modules με τις παραμέτρους, τις θύρες, κ.τ.λ. Ορισμοί μηνυμάτων (.msg files). Χρησιμοποιούνται για τον ορισμό των τύπων των μηνυμάτων και των πεδίων τους. Το ΟMNeT++ τα μεταφράζει σε κλάσεις C++. Πηγαίος κώδικας των simple modules (αρχεία.h/.cc). Οι γενικές αρχές λειτουργίας του προσομοιωτή είναι οι εξής: Πρώτα τα.msg files μεταφράζονται σε κώδικα C++ και στην συνέχεια όλα τα πηγαία αρχεία μεταγλωττίζονται και συνδέονται με τον πυρήνα προσομοίωσης και την βιβλιοθήκη της διασύνδεσης χρήστη για να σχηματιστεί το εκτελέσιμο αρχείο. Στο τέλος φορτώνονται τα αρχεία.ned και 58

59 διαβάζεται το αρχείο διαμόρφωσης (.ini) στο οποίο θα αναφερθούμε παρακάτω. Η προσομοίωση ξεκινά. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης γράφονται σε αρχεία δεδομένων (vector files, scalar files) τα οποία μπορούν να αναλυθούν με τα εργαλεία του OMNeT++ ή με κάποιο άλλο λογισμικό Η Γλώσσα ΝΕD Ακολουθεί μια περιγραφή της γλώσσας ΝED και των κύριων χαρακτηριστικών της. Ο χρήστης περιγράφει την δομή του μοντέλου της προσομοίωσης με την γλώσσα NED (ΝΕtwork Description). Μας επιτρέπει να δηλώσουμε simple modules, να τα συνδέσουμε και να τα συναρμολογήσουμε σχηματίζοντας compound modules. Σχήμα 3.4.2: Ο Ned Editor 59