ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΟΠΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ ΡΙΠΗΣ ΜΕ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΑΘΗΤΙΚΟΥ ΣΥΖΕΥΚΤΗ ΑΣΤΕΡΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ζώικα Δήμητρα (Α.Μ 332) Τασολάμπρου Σταυρούλα (Α.Μ 373) ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΟΠΤΙΚΟΥ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ ΡΙΠΗΣ ΜΕ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΑΘΗΤΙΚΟΥ ΣΥΖΕΥΚΤΗ ΑΣΤΕΡΑ Επιβλέπων: ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Αναπληρωτής Καθηγητής ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2012

2 2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κ. Παπαδημητρίου Γεώργιο για την εμπιστοσύνη του δίνοντας μας τη δυνατότητα να αναλάβουμε την παρούσα διπλωματική εργασία, καθώς και για τη βοήθεια, υποστήριξη, καθοδήγηση και για τις χρήσιμες συμβουλές του. Επίσης, ευχαριστούμε τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Κυριακόπουλο Κωνσταντίνο για την καθοδήγησή του. 3

4 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 7 ABSTRACT... 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΠΙΚΑΙΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ : Ανάγκη + Υπόσχεση = Πρόκληση! ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ WDM ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ WDM ΔΙΚΤΥΩΝ WDM ΔΙΚΤΥΑ ΣΥΝΔΕΣΜΩΝ ΣΗΜΕΙΟΥ-ΠΡΟΣ-ΣΗΜΕΙΟ (WDM POINT-TO-POINT SYSTEMS) WDM ΔΙΚΤΥΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ (BROADCAST AND SELECT OPTICAL WDM NETWORK B&S) WDM ΔΙΚΤΥΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (WAVELENGTH-ROUTED NETWORKS - RWA) WDM ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ (PASSIVE OPTICAL NETWORKS-PONs) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΟΠΤΙΚΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ (OPTICAL CIRCUIT SWITCHING OCS) ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΠΑΚΕΤΟΥ (OPTICAL PACKET SWITCHING OPS) ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΡΙΠΗΣ (OPTICAL BURST SWITCHING OBS) ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ OBS ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΑΙ ΚΟΜΒΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ OBS ΔΙΚΤΥΟΥ ΕΠΙΛΥΣΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ OBS ΕΞΑΣΦΑΛΙΣΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΠΑΡΕΧΟΜΕΝΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (QUALITY OF SERVICE SUPPORT) ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΤΟ ΠΑΚΕΤΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΟΜΝΕΤ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΧΡΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ OMNET ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ MODULES MESSAGES, GATES, LINKS ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (PARAMETERS) ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΝΤΑΣ ΤΟΥΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Η ΓΛΩΣΣΑ NED SIMPLE MODULES (βλέπε Section 3.3) COMPOUND MODULES (βλέπε Section 3.4) ΚΑΝΑΛΙΑ (CHANNELS) (βλέπε Section 3.5) ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (PARAMETERS) (βλέπε Section 3.6)

6 ΠΥΛΕΣ (GATES) (βλέπε Section 3.7) ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ (LINKS) (βλέπε Section 3.9) SIMPLE MODULES Συναρτήσεις της csimplemodule SIMULATION TIME (βλέπε Section 4.1.4) ΜΗΝΥΜΑΤΑ (MESSAGES) Γενικά (βλέπε Section 5.1.1) Το μήνυμα που προκύπτει είναι ένα ακριβές αντίγραφο του προτοτύπου Ορισμός μηνυμάτων (βλέπε Section 5.2.1) Κληρονομικότητα μεταξύ κλάσεων μηνυμάτων(βλέπε 5.2.4) Αποστολή και λήψη μηνυμάτων (βλέπε Section 4.7.2) Self-messages (βλέπε Section 4.7.1) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΟΣ OBS ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΣΩ ΤΟΥ OMNeT ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΟΝΤΕΛΑ ΟΥΡΩΝ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΟΝΤΕΛΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΑΡΑΛΑΒΗΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΤΟ OMNeT ΒΑΣΙΚΕΣ ΡΥΘΜΙΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΔΟΜΗ ΟΝΤΟΤΗΤΩΝ ΟΡΙΣΜΟΣ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΟΝΤΟΤΗΤΩΝ ΑΡΧΕΙΟ ΡΥΘΜΙΣΕΩΝ ΕΞΑΓΩΓΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Επίδραση του αριθμού των buffers του αποστολέα στην απόδοση του OBS δικτύου Επίδραση του αριθμού των buffers του παραλήπτη στην απόδοση του OBS δικτύου Αντικρουόμενες επιδράσεις των αριθμών των buffers του αποστολέα και του παραλήπτη στην απόδοση του OBS δικτύου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στις μέρες μας, η τεχνολογία οπτικής μεταγωγής ριπής (OBS) έχει αποδειχθεί ένα αποτελεσματικό μοντέλο για την υποστήριξη IP κίνησης πάνω από WDM δίκτυα. Η ανάπτυξη ποικίλων εφαρμογών που μεταφέρουν φωνή, δεδομένα, βίντεο και πολυμέσα, έχει καταστήσει αναγκαία την παροχή ποιότητας υπηρεσίας (Quality of Service) πάνω από OBS δίκτυα. Με το πέρασμα των χρόνων και παρά την εξέλιξη της τεχνολογίας μετατροπής μήκους κύματος παρατηρείται μία πιο περιορισμένη ανάπτυξη αυτών των μετατροπέων στα δίκτυα OBS. Αντικείμενο της παρούσας μελέτης εργασίας είναι η περιγραφή, μοντελοποίηση, προσομοίωση και μελέτη της λειτουργίας ενός δικτύου οπτικής μεταγωγής ριπής, με τη βοήθεια του εργαλείου προσομοίωσης OMNeT++. Προτείνεται μια προσέγγιση για τον έλεγχο παθητικών οπτικών αστέρων με πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος, η οποία περιλαμβάνει ουρά αφίξεων για καθυστερημένη παραλαβή. Αυτή η λύση φέρνει τα δίκτυα οπτικού αστέρα ένα βήμα πιο κοντά σε μία πλήρως οπτική πραγματικότητα, παρέχοντας υψηλή απόδοση, χαμηλή καθυστέρηση, μικρές απαιτήσεις μνήμης και αξιοπιστία κάτα από όλες τις συνθήκες κίνησης. 7

8 ABSTRACT Nowadays, the optical burst switching technology (OBS) has proved to be an efficient paradigm for supporting IP traffic over WDM networks. The growth of a variety of applications which transmit voice, data, video and multimedia, has necessitated the need to provide Quality of Service (QoS) over OBS networks. Over the years and despite the development of wavelength conversion technology, it is likely to dictate a more limited deployment of wavelength converters in optical burst switching networks (OBS). Purpose of this study is the description, modeling, simulation and study of the operation of OBS, with the network simulator OMNeT++. This paper proposes an approach to controlling wavelengthdivision-multiplexing passive optical stars, consisting in queuing arrivals for delayed reception. This solution brings optical star networks a step closer to all-optical realization, providing high throughput, low delay, small buffer requirements, and robustness under all traffic conditions. 8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία καταπιάνεται με ένα επιστημονικό πεδίο το οποίο βρίσκεται αυτή τη στιγμή στην αιχμή της έρευνας όσον αφορά τα δίκτυα υπολογιστών. Πιο συγκεκριμένα αναφέρεται σε τεχνικές μεταγωγής για μελλοντικά οπτικά δίκτυα κορμού τεχνολογίας WDM. Η WDM τεχνολογία ή πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος είναι πιθανότατα η πλέον υποσχόμενη τεχνική στην προσπάθεια για την αξιοποίηση του τεράστιου εύρους ζώνης της οπτικής ίνας και κατ επέκταση για την αποσυμφόρηση του δικτύου που προκαλείται από τις ηλεκτρονικές συσκευές, χωρίς τη δαπανηρή εγκατάσταση νέας ίνας. Παρόλο που το πρόβλημα του εύρους ζώνης φαίνεται εκ πρώτης όψεως να έχει λυθεί με την αξιοποίηση της οπτικής ίνας, όπως ειπώθηκε, η έρευνα φαίνετα να είναι ακόμα σε πρώιμα στάδια, αφού πολλοί από τους τεχνικούς και οικονομικούς περιορισμούς (συστατικά στοιχεία των οπτικών δικτύων όπως τα laser, οι πολυπλέκτες, οι μεταγωγείς κ.α έχουν μεγάλο κόστος) αναμένεται να ξεπεραστούν στο προσεχές μέλλον. 1.1 ΕΠΙΚΑΙΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ Τα τελευταία χρόνια της δεκαετίας του 1990, είναι μια περίοδος που χαρακτηρίστηκε από την «επανάσταση του internet», μια περίοδος όπου όλο και περισσότεροι άνθρωποι συνδέονταν στο διαδίκτυο σε καθημερινή βάση. Σήμερα, μόνο λίγα χρόνια μετά, η σύνδεση στο internet, δεν είναι μια απλή υπηρεσία, αλλά αποτελεί βασικό τρόπο επικοινωνίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της νέας αυτής φιλοσοφίας αποτελούν η Ισλανδία και η Φιλανδία, στις οποίες σημειώνονται τα μεγαλύτερα ποσοστά ευρυζωνικής πρόσβασης στο διαδίκτυο [4]. Φυσικό επακόλουθο αυτής της εκθετικής αύξησης τη κίνησης του internet καθιστά την τεχνολογία WDM την de facto επιλογή γα το δίκτυο κορμού. Πρωτόκολλα Internet(IPs) πάνω σε WDM δίκτυα έχουν επιστήσει ιδιαίτερη προσοχή μεταξύ των ερευνητών, και έχουν προταθεί πολλά σχήματα ολοκλήρωσης μεταξύ IP και WDM επιπέδων [9]. Για τη μεταφορά της IP κίνησης πάνω από WDM δίκτυα, έχουν μελετηθεί τρεις τεχνολογίες μεταγωγής: οπτική μεταγωγή κυκλώματος (optical circuit switching-ocs), μεταγωγή πακέτου (optical packet switching-ops) και μεταγωγή ριπής (optical burst switching-obs). Πιο συγκεκριμένα, η ιδέα της μεταγωγής ριπών κίνησης πρωτοπαρουσιάστηκε το 1996 και η επικαιρότητα του πεδίου είναι φανερή μέχρι σήμερα από την πληθώρα πρόσφατων άρθρων που καταπιάνονται με μελέτες σχετικά με τη συγκέντρωση κίνησης σε ένα WDM οπτικό δίκτυο που χρησιμοποιεί OBS. Τέτοια ζητήματα αποτελούν σημείο ενδιαφέροντος για όλα τα συνέδρια όπου παρουσιάζονται θέματα τηλεπικοινωνιών, όπως το συνέδριο με τίτλο International Workshop on Optical Burst Packet Switching, το οποίο πραγματοποιήθηκε στη 9

10 Μαδρίτη της Ισπανίας στις 14 Σεπτεμβρίου Εξειδικευμένα περιοδικά διεθνούς κύρους (ΙΕΕΕ Journal of Lightwave Technology) και περιοδικά πιο γενικού ενδιαφέροντος επί των τηλεπικοινωνιών (ΙΕΕΕ Communications Magazine) ασχολούνται με ζητήματα μεταγωγής ριπών εξίσου συχνά. 1.2 ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ Η παρούσα διπλωματική αποτελείται κατά κύριο λόγο από δύο τμήματα, το θεωρητικό τμήμα όπου παρουσιάζονται βασικά θεωρητικά στοιχεία σχετικά με τα οπτικά δίκτυα WDM και τις οπτικές αρχιτεκτονικές μεταγωγής και στη συνέχεια το πρακτικό μέρος όπου περιγράφεται το δίκτυο οπτικής μεταγωγής ριπής στο οποίο εφαρμόζεται η προσομοίωση με τη βοήθεια του προσομοιωτή OMNeT++. Η μελέτη διαρθρώνεται σε πέντε κεφάλαια. Αρχικά, γίνεται μια σύντομη εισαγωγή η οποία προβάλλει εν τάχει το ευρύτερο θέμα πάνω στο οποίο κινείται η εργασία και παρουσιάζει το αντικείμενο και τη διάρθρωσή της. Σε επόμενη ενότητα, περιγράφεται η έννοια των οπτικών δικτύων, καθώς επίσης και οι αρχιτεκτονικές WDM δικτύων με τα βασικά δομικά τους στοιχεία. Στη συνέχεια, γίνεται λόγος για τις οπτικές αρχιτεκτονικές μεταγωγής κυκλώματος (OCS), πακέτου (OPS) και ριπής (OBS), δίνοντας όμως έμφαση στην τελευταία στη σειρά αρχιτεκτονική. Ο πυρήνας αυτής της εργασίας, αποτελείται από την ανάλυση και τη σύνθεση των διαδικασιών μοντελοποίησης και προσομοίωσης σε ένα δίκτυο οπτικού μεταγωγέα ριπής με τη βοήθεια του εργαλείου προσομοίωσης OMNeT++ v. 4.1, του οποίου γίνεται και μία σύντομη παρουσίαση. Παρουσιάζονται τα στοιχεία τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία, σύνθεση και προγραμματισμό του μοντέλου προσομοίωσης. Ακολουθεί ανάλυση των αποτελεσμάτων που αποτελεί ίσως το σημαντικότερο σημείο και απαιτεί τη μεγαλύτερη προσοχή, λόγω του ότι ο γενικότερος σκοπός είναι να οδηγήσει σε ένα δίκτυο μεγαλύτερης αξιοπιστίας, έχοντας αποφευχθεί οποιεσδήποτε ανεπιθύμητες καταστάσεις. Τέλος, γίνεται ένας γενικότερος σχολιασμός της όλης μελέτης εργασίας και διατυπώνονται γενικά συμπεράσματα. 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ : Ανάγκη + Υπόσχεση = Πρόκληση! 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, μια επανάσταση εισήχθη στον χώρο των δικτύων τηλεπικοινωνίας και διαδόθηκε χάρη στην σχετικά οικονομική τεχνολογία του καλωδίου οπτικής ίνας. Οι οπτικές γυάλινες ίνες που χρησιμοποιούνται στα οπτικά δίκτυα, βασίστηκαν στην αρχή της καθολικής εσωτερικής ανάκλασης, η οποία ήταν γνωστή από την δεκαετία του 1850 και παρουσιάστηκαν πρώτη φορά για ενδοσκοπούς στις αρχές των Η γυάλινη ίνα χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά για επικοινωνίες από τους Kao και Hockham το 1966, ενώ η κατασκευή της ξεκίνησε το Από τα τέλη του 1980 και αρχές των 1990 εμφανίστηκαν τα πρώτα οπτικά δίκτυα, τα οποία χρησιμοποίησαν την οπτική ίνα ως αντικαταστάτη για το καλώδιο χαλκό με σκοπό την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων. Η διάδοση αυτή οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα οπτικά δίκτυα ή αλλιώς δίκτυα οπτικής ίνας επιτυγχάνουν μεγαλύτερες ταχύτητες διάδοσης των δεδομένων από τα παραδοσιακά δίκτυα και προσφέρουν καλύτερη ποιότητα δικτύου. Τεράστιες ποσότητες οπτικής ίνας έχουν εγκατασταθεί στο έδαφος και επίσης κάτω από τη θάλασσα σε παγκόσμια κλίμακα για περίπου 25 χρόνια τώρα και ειδικά την τελευταία δεκαετία. Είναι αρκετά αντιπροσωπευτικό να αναφερθεί ότι μέχρι το τέλος του 1998 μόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες είχαν εγκατασταθεί περίπου 19,6 εκατομμύρια μίλια οπτικών ινών, εκ των οποίων 16 εκατομμύρια μίλια από φορείς τοπικής εμβέλειας και τα υπόλοιπα από φορείς ευρύτερης εμβέλειας [1], [8]. Ο αποκλειστικός σκοπός και κύριος λόγος εγκατάστασης αυτής της τεράστιας ποσότητας οπτικών ινών ήταν για να παίξουν το ρόλο ενός εναλλακτικού μέσου μετάδοσης υψηλής χωρητικότητας που απλά θα αντικαθιστούσε τα χάλκινα καλώδια στην υπάρχουσα δικτυακή υποδομή. Έτσι, ένα πολύ μεγάλο τμήμα των δημοσίων τηλεπικοινωνιακών δικτύων σε παγκόσμια κλίμακα έχει ακολουθήσει αυτή την τάση. Παρ όλα αυτά αξίζει να σημειωθεί ότι τα εν λόγω δίκτυα παραμένουν τελείως ηλεκτρονικά πλην του χρησιμοποιούμενου οπτικού μέσου μετάδοσης. Δηλαδή, στα άκρα των φυσικών συνδέσμων που πραγματοποιούνται με οπτικές ίνες, η ηλεκτρονική τεχνολογία αναλαμβάνει όλες τις λειτουργίες μεταγωγής, δρομολόγησης και επεξεργασίας δυαδικών ψηφίων. Οι τελικοί χρήστες μεταδίδουν και λαμβάνουν ηλεκτρικά σήματα που απλά μετατρέπονται σε οπτικά (και αντιστρόφως, στον ενδιάμεσο ή μη προορισμό) μόνο χάριν της μετάδοσης μεταξύ συνδέσεων οπτικών ινών σημείου-προς-σημείο [6] [7]. Επίσης, όλοι οι ενδιάμεσοι κόμβοι μπορούν να επεξεργάζονται μόνο ηλεκτρικά σήματα και κατά συνέπεια, αυτές οι μετατροπές από (προς) το ηλεκτρικό πεδίο στο (από το) οπτικό, συμβαίνουν αναπόφευκτα σε κάθε ενδιάμεσο βήμα (hop) της διαδρομής από την πηγή στον προορισμό. 11

12 Αυτά αποτελούν τα οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς με αντιπροσωπευτικά παραδείγματα τα SDH/SONET δίκτυα, τα FDDI και SCON δίκτυα. 2.2 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ WDM Υπάρχουν διάφορα είδη (τεχνολογίες) οπτικών δικτύων κατάλληλα για όλες τις πιθανές κλίμακες (για το κομμάτι πρόσβασης, για τοπικές, μητροπολιτικές και ευρείες περιοχές). Επίσης, τα είδη οπτικών δικτύων που υπάρχουν διαφέρουν και κατά πόσο μπορούν να υλοποιηθούν πρακτικά σήμερα. Αρχίζοντας από τα τέλη της δεκαετίας του 70, τα συστήματα μετάδοσης οπτικών ινών εξελίχθηκαν ώστε από τους, ταπεινούς για τα σημερινά δεδομένα, ρυθμούς των 45 Mbits/s να μπορούν να υποστηρίξουν στις μέρες μας ρυθμούς της τάξης των δεκάδων Gbits/s. Για την αντιμετώπιση αυτής της αδυναμίας εισήχθη η τεχνική της Πολυπλεξίας Διαίρεσης Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing-WDM), η οποία ήρθε να δώσει επιπλέον ώθηση επιτρέποντας την πολύπλεξη πολλών οπτικών καναλιών σε διαφορετικά μήκη κύματος διαμέσου μίας μόνο οπτικής ίνας, δηλαδή πολλαπλές δέσμες φωτός στέλνονται ταυτόχρονα μέσα από τον πυρήνα μίας οπτικής ίνας. Ενώ τα πρώτα πειραματικά συστήματα WDM επέτρεπαν την πολύπλεξη δύο μόνο μηκών κύματος, τα σημερινά συστήματα μπορούν να υποστηρίξουν μερικές εκατοντάδες καναλιών, καθένα από τα οποία λειτουργεί σε ρυθμούς έως και 40 Gbits/s, καταλήγοντας σε συνολικές χωρητικότητας της τάξης των Tbits/s. Έτσι, το οπτικό φάσμα χρησιμοποιείται πιο αποδοτικά. H WDM, σε συνδυασμό με οπτική ενίσχυση οδήγησε σε δραματική βελτίωση του γινομένου (χωρητικότητα x απόσταση) χωρίς αναγέννηση σήματος, μειώνοντας έτσι το συνολικό κόστος μετάδοσης. Επιπλέον, τα συστήματα WDM επιτρέπουν την αύξηση της χωρητικότητας της υπάρχουσας υποδομής μόνο με αναβάθμιση του εξοπλισμού των κόμβων του δικτύου, αποφεύγοντας την εξαιρετικά δαπανηρή τοποθέτηση επιπλέον οπτικών ινών. Η δρομολόγηση στους κόμβους του δικτύου βασίζεται στα μήκη κύματος των εισερχόμενων σημάτων [10], [11], [18]. Αυτή τη στιγμή η τεχνολογία WDM χρησιμοποιείται για να αυξηθεί η χωρητικότητα των οπτικών ζεύξεων, όπου στον τερματισμό κάθε ζεύξης το σήμα μετατρέπεται και πάλι σε ηλεκτρικό. Τα δίκτυα τα οποία βασίζονται στην τεχνολογία πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (WDM ) είναι γενικά περισσότερο πραγματοποιήσιμα και έχουν ήδη εξαπλωθεί στην πράξη ως ένα βαθμό (δίκτυα backbones). Είναι γεγονός πως όταν γίνεται λόγος για οπτικά δίκτυα εννοούμε πλέον κατά κανόνα τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς. Από την άλλη, τα δίκτυα οπτικής τεχνολογίας διαίρεσης χρόνου (OTDM) ακόμη χρειάζονται λίγο χρόνο για να ωριμάσουν πριν την εμπορική τους διάδοση [1]. 12

13 Υπάρχουν πολλά διαθέσιμα μήκη κύματος για μετάδοση στις μονότροπες ίνες. Πολλά παλαιότερα συστήματα χρησιμοποιούσαν τη ζώνη των 1.3 μm, όπου οι απώλειες ίνας είναι 0.5 db/km και δεν υπάρχει χρωματική διασπορά. Ωστόσο, τα σημερινά συστήματα λειτουργούν στη ζώνη των 1.55 μm, κυρίως λόγω της ύπαρξης πρακτικής οπτικής ενίσχυσης μόνο σε αυτή τη ζώνη (βλέπε 2.2.5). Επιπλέον, η ζώνη αυτή δίνει απώλειες μόνο 0.2 db/km, αλλά υπάρχει η ανάγκη περιορισμού της χρωματικής διασποράς. Διάφορες επιμέρους ζώνες υφίστανται στη ζώνη των 1.55 μm: Οι ζώνες C ( nm), ή L ( nm) και η S ( nm). Η WDM μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ως αραιή ή πυκνή. Τα αραιά συστήματα WDM παρέχουν 4 16 μήκη κύματος που απέχουν μεταξύ τους αρκετές δεκάδες nm. Επειδή τα κανάλια είναι σχετικά μακριά το ένα από το άλλο, τα συστήματά αυτά μπορούν να χρησιμοποιήσουν φθηνότερους πομπούς και φίλτρα απ ότι η πυκνή WDM. Ωστόσο, απέχουν τόσο, ώστε το συνολικό εύρος να ξεπερνά αυτό για το οποίο μπορεί να υπάρξει αμιγώς οπτική ενίσχυση. Τα συστήματα αυτά σήμερα λειτουργούν συνήθως σε ρυθμούς 1 Gbit/s/μήκος κύματος. Η πυκνή WDM παρέχει εκατοντάδες μηκών κύματος που απέχουν μεταξύ τους λιγότερο από 1 nm και βρίσκονται μέσα στη ζώνη της διαθέσιμης αμιγώς οπτικής ενίσχυσης. Τα περισσότερα συστήματα πυκνής WDM χρησιμοποιούν τη ζώνη C και αποστάσεις μεταξύ κυμάτων 50 ή 100 GHz. Αυτό δίνει έως 80 μήκη κύματος των 10 Gbits/s ή 40 μήκη κύματος των 40 Gbits/s. Συνεπώς, η πρόκληση είναι να μεταφέρουμε την υπόσχεση για τεχνολογία οπτικής ίνας στην πραγματικότητα ώστε να καλυφθούν οι δικτυακές απαιτήσεις [27]. Οι κύριες κατηγορίες των οπτικών δικτύων φαίνονται στην Εικόνα

14 Εικόνα 2.1 : Κύριες κατηγορίες οπτικών δικτύων 2.3 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ WDM ΔΙΚΤΥΩΝ WDM ΔΙΚΤΥΑ ΣΥΝΔΕΣΜΩΝ ΣΗΜΕΙΟΥ-ΠΡΟΣ-ΣΗΜΕΙΟ (WDM POINT- TO-POINT SYSTEMS) Σε αυτή την κατηγορία των οπτικών δικτύων, οι WDM σύνδεσμοι διασυνδέονται μέσω μη οπτικού (δηλαδή ηλεκτρονικού) εξοπλισμού. Εξαιτίας της τεχνικής WDM οι δύο κόμβοι που επικοινωνούν σε κάθε σύνδεσμο WDM είναι ικανοί να ανταλλάξουν δεδομένα χρησιμοποιώντας πολλαπλά διαφορετικά κανάλια (μήκη κύματος) ταυτόχρονα. Αυτό επιτρέπει σε κάθε κόμβο να έχει πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Η επικοινωνία μέσω της οπτικής ίνας θα μπορούσε να είναι διπλής κατεύθυνσης ή εναλλακτικά θα μπορούσαμε να έχουμε έναν WDM σημείου-προς-σημείο σύνδεσμο διπλής οπτικής ίνας, όπου η κάθε ίνα θα χρησιμοποιούνταν αποκλειστικά για τη ροή δεδομένων σε μία κατεύθυνση. Εδώ και κάποια χρόνια τώρα, οι περισσότεροι από τους κορυφαίους φορείς υπηρεσιών στη Β.Αμερική, την Ευρώπη και την Ιαπωνία έχουν ξεκινήσει να επενδύσουν πολλά χρήματα για να ακολουθήσουν αυτή την τάση αναβάθμισης σε WDM συνδέσμους. Τέτοιες αναβαθμίσεις συνεχίζονται με διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό για αυτούς και για άλλους νέους φορείς παροχής καθώς περνάει ο χρόνος. Τα κυριότερα γεγονότα που οδηγούν σε αυτή την επιλογή είναι οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης από τους πελάτες τους και το ότι οι WDM 14

15 σύνδεσμοι συχνά φαίνεται να αποτελούν την πιο οικονομικά αποδοτική λύση σε σύγκριση με άλλες επιλογές για την επιθυμητή αύξηση της χωρητικότητας. Για παράδειγμα, μια μελέτη στο [20] διεξήγαγε σύγκριση τριών δυνατών λύσεων αναβάθμισης της χωρητικότητας ενός συνδέσμου μετάδοσης σημείου-προς-σημείο, από τα 2.5Gb/s στα 10Gb/s: 1. Εγκατάσταση πρόσθετων οπτικών ινών. 2. Χρησιμοποίηση ηλεκτρονικής TDM τεχνολογίας υψηλότερης ταχύτητας. 3. Αναβάθμιση σε έναν WDM σύνδεσμο σημείου-προς-σημείο με 4 κανάλια (μήκη κύματος). Αποδείχθηκε ότι για αποστάσεις μεγαλύτερες από 50 km η τρίτη λύση ήταν η πιο οικονομικά αποδοτική. Για παράδειγμα, σε σύγκριση με την πρώτη επιλογή προσέφερε τέσσερις «εικονικές ίνες» χάρη στην WDM τεχνική και συνεπώς απέφυγε την ακριβή εγκατάσταση νέων ινών στο έδαφος. Ένας WDM σύνδεσμος σημείου-προς-σημείο (Εικόνα 2.2) αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία [1]: Δύο κόμβους (στα δύο άκρα του συνδέσμου) που έχουν πολλές θύρες εισόδου/εξόδου. Διαφορετικά interfaces (διεπαφές) ανά θύρα που επιτρέπουν την επικοινωνία μέσω διαφόρων πρωτοκόλλων πάνω από το σύνδεσμο. Ηλεκτρο-οπτικούς μετατροπείς που περιλαμβάνουν lasers στα δύο άκρα του συνδέσμου για μετάδοση σε διαφορετικά μήκη κύματος (κανάλια). Τους κατάλληλους δέκτες για κάθε μήκος κύματος οι οποίοι μετατρέπουν το σήμα πίσω σε ηλεκτρονική μορφή στα άκρα του συνδέσμου. WDM πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες τοποθετημένους αμέσως μετά τους πομπούς (για WDM πολυπλεξία) και αμέσως προτού το οπτικό σήμα φτάσει τους δέκτες (για WDM απόπλεξη). Ενισχυτές που εξασφαλίζουν επαρκή ισχύς σήματος κατά τη διαδρομή του από το ένα άκρο στο άλλο. 15

16 Εικόνα 2.2 : Παράδειγμα WDM συνδέσμου σημείου-προς-σημείο WDM ΔΙΚΤΥΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ (BROADCAST AND SELECT OPTICAL WDM NETWORK B&S) Ένα WDM οπτικό δίκτυο μπορεί να κατασκευαστεί συνδέοντας τους κόμβους του δικτύου με έναν παθητικό συζεύκτη-αστέρα μέσω οπτικής ίνας διπλής κατεύθυνσης, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.3. Κάθε κόμβος είναι εξοπλισμένος με έναν ή περισσότερους σταθερά συντονισμένους ή συντονίσιμους πομπούς και με έναν ή περισσότερους σταθερά συντονισμένους ή συντονίσιμους δέκτες. Διαφορετικοί κόμβοι εκπέμπουν μηνύματα σε διαφορετικά μήκη κύματος ταυτόχρονα. Οι ροές πληροφορίας από πολλαπλές πηγές συνδυάζονται οπτικά από τον αστέρα και η ισχύς του σήματος διαχωρίζεται ισοδύναμα και προωθείται σε όλους τους κόμβους στις ίνες παραλαβής τους [29], [30]. Ο παραλήπτης ενός κόμβου, χρησιμοποιώντας ένα οπτικό φίλτρο, συντονίζεται σε ένα από τα μήκη κύματος και έτσι μπορεί να λάβει την εισερχόμενη πληροφορία. 16

17 Εικόνα 2.3 : Οπτικό WDM δίκτυο παθητικού αστέρα Η επικοινωνία μεταξύ πηγών και προορισμών μπορεί να ακολουθήσει δύο μεθόδους: (α) single-hop και (β) multi-hop. Στα δίκτυα εκπομπής και επιλογής ενός βήματος, το μήνυμα, αφού σταλεί με τη μορφή φωτός, φτάνει στον τελικό του προορισμό κατευθείαν, δηλαδή χωρίς να μετατραπεί ενδιάμεσα σε ηλεκτρονική μορφή. Επίσης, ας σημειωθεί ότι, όταν μία πηγή εκπέμπει σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος λ1, περισσότεροι από ένας παραλήπτες μπορούν να συντονιστούν σε αυτό το μήκος κύματος, και έτσι όλοι οι δέκτες μπορούν να παραλάβουν την εισερχόμενη πληροφορία. Έτσι, ο παθητικός αστέρας μπορεί να υποστηρίξει και multicast υπηρεσίες, εκτός από unicast WDM ΔΙΚΤΥΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (WAVELENGTH- ROUTED NETWORKS - RWA) Στην αρχή της ενότητας των οπτικών δικτύων, αναφέρθηκε ότι η ιδέα-κλειδί για να υπάρχει πραγματική οπτική δικτύωση είναι η μεταφορά τμήματος της δρομολόγησης (routing), μεταγωγής (switching) και γενικότερης ευφυίας του δικτύου στο οπτικό πεδίο. Αυτό είναι που συμβαίνει με τα Δίκτυα Δρομολόγησης Μήκους Κύματος(Wavelength Routing Networks). Οι WDM σύνδεσμοι σημείου-προς-σημείο είναι ουσιαστικά ένα πρώτο βήμα προς τη σταδιακή διείσδυση της αρχιτεκτονικής Δρομολόγησης Μήκους Κύματος στο δίκτυο, ενώ τα δίκτυα Εκπομπής και Επιλογής είναι μάλλον στατικά στη φύση τους και δεν προσφέρουν δυνατότητα επέκτασης, ευελιξίας σε μεγάλους αριθμούς χρηστών που 17

18 εξυπηρετούνται από σχετικά λίγα κανάλια ( not scalable ). Έτσι, ένα βασικό σημείο υπεροχής των δικτύων Δρομολόγησης Μήκους Κύματος έναντι αυτών των δικτύων Εκπομπής και Επιλογής είναι η επαναχρησιμοποίηση μηκών κύματος σε διαφορετικά μέρη του δικτύου. Η αρχιτεκτονική που περιγράφεται στην παρούσα ενότητα εμφανίζεται σαν μία περισσότερο γενική και λιγότερο στατική πρόταση, η οποία έχει ως στόχο να βρει εφαρμογή κυρίως στο τμήμα backbone του δικτύου, που μπορεί να καλύπτει ευρείες περιοχές, μια χώρα ή ένα μεγαλύτερο μέρος της υφηλίου [31], [32]. Ας εξεταστεί πως λειτουργεί ένα τέτοιο δίκτυο σε τοπολογία πλέγματος και τι είδους υπηρεσίες μπορεί να προσφέρει στους χρήστες του, όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 2.4. Δέκα ενδιάμεσοι δικτυακοί κόμβοι (δρομολόγησης μήκους κύματος) αναπαρίστανται σχηματικά με κύκλους στο σχήμα, Αυτοί συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας μια απλή φυσική τοπολογία πλέγματος και, επίσης, κάθε ένας από αυτούς συνδέεται με έναν από 8 τελικούς κόμβους που συμβολίζονται με ορθογώνια από A έως F, όπου ο ενδιάμεσος κόμβος 1 συνδέεται με τον τελικό κόμβο Α κ.ο.κ. Μερικοί ενδιάμεσοι κόμβοι δρομολόγησης μήκους κύματος μπορεί να μην συνδέονται με κανέναν τελικό κόμβο [27]. Εικόνα 2.4 : Οπτικό WDM δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος Οι τελικοί κόμβοι είναι οι πηγές και οι προορισμοί της κυκλοφορίας δεδομένων που μετακινείται στο δίκτυο. Οι ενδιάμεσοι κόμβοι αποτελούν ένα αμιγώς οπτικό δίκτυο (alloptical network) κατά το ότι η κυκλοφορία παραμένει συνεχώς σε οπτική μορφή σε όλη την έκταση του και απλά μετατρέπεται σε ηλεκτρονική μορφή μόνο στα άκρα (στους τελικούς κόμβους). Έτσι, κάθε τελικός κόμβος είναι εξοπλισμένος με οπτικούς πομπούς και δέκτες, 18

19 που του επιτρέπουν να μετατρέπει τα ηλεκτρονικά δεδομένα που γεννάει σε οπτική μορφή πριν τη μετάδοση στον επιθυμητό προορισμό (μέσω τον ενδιάμεσο κόμβο στον οποίο προσαρτάται) και τα οπτικά δεδομένα που λαμβάνει από τον γειτονικό ενδιάμεσο κόμβο πίσω σε ηλεκτρονική μορφή προτού μπορέσει να τα επεξεργαστεί. Ο βασικός μηχανισμός επικοινωνίας σε ένα δίκτυο Δρομολόγησης Μήκους Κύματος είναι ένα φωτεινό μονοπάτι (lightpath). Το lightpath είναι ένα αμιγώς οπτικό μονοπάτι επικοινωνίας μεταξύ δύο τελικών κόμβων και παίζει το ρόλο μιας υψηλής ταχύτητας λογικής σύνδεσης μεταξύ τους για ανταλλαγή δεδομένων. Οι υποστηριζόμενοι ρυθμοί δεδομένων κατά μήκος ενός μονοπατιού φωτός ανέρχονται σε μερικά Gb/s, αλλά για σαφώς μικρότερα σε έκταση μονοπάτια φωτός, διότι γίνεται συντομότερα απαραίτητη η αναγέννηση σήματος. Για παράδειγμα, στο Σχήμα 2.4, lightpaths εγκαθίσταται μεταξύ των κόμβων A και C σε κανάλι με μήκος κύματος λ1, μεταξύ B και F σε κανάλι με μήκος κύματος λ2, και ανάμεσα στους H και G με μήκος κύματος λ1. To μονοπάτι φωτός ανάμεσα στους κόμβους A και C δρομολογείται από τα switches 1, 6 και 7 (το μήκος κύματος λ1 χρησιμοποιείται ξανά). Σε περίπτωση απουσίας ενός μετατροπέα μήκους κύματος, ένα μονοπάτι φωτός απαιτεί να χρησιμοποιείται το ίδιο μήκος κύματος σε όλη την τροχιά στο δίκτυο. Η απαίτηση αυτή δεν είναι απαραίτητη σε περίπτωση που υπάρχουν μετατροπείς μήκους κύματος στο δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, στο δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος της Εικόνας, το μονοπάτι φωτός μεταξύ D και E διασχίζει τον οπτικό σύνδεσμο από τον D στο 10 με μήκος κύματος λ1, μετατρέπεται στο μήκος κύματος λ2 κατά τη μετάβαση από το διακόπτη 10 και διασχίζει με το ίδιο μήκος κύματος λ2 τη σύνδεση ανάμεσα στους 10 και 9. Στη συνέχεια κατά την μετάβαση από το διακόπτη 9 μετατρέπεται πάλι σε λ1, και τέλος με το λ1 καταλήγει στον κόμβο Ε. Το lightpath καθορίζεται, όπως αναφέρθηκε, μοναδικά από ένα φυσικό μονοπάτι και ένα μήκος κύματος. Η απαίτηση ότι το ίδιο μήκος κύματος πρέπει να χρησιμοποιείται σε όλες τις συνδέσεις τις επιλεγμένης διαδρομής είναι γνωστή ως περιορισμός συνεχόμενου μήκους κύματος. Η χρήση μετατροπέων μήκων κύματος στους κόμβους δρομολόγησης (WXC) αποτελεί πιθανό τρόπο υπερκερασμού της απώλειας σε εύρος ζώνης που οφείλεται σε αυτό το περιορισμό. Δύο φωτεινά μονοπάτια δεν μπορούν να έχουν το ίδιο μήκος κύματος σε καμία οπτική ίνα. Αυτή η απαίτηση είναι γνωστή ως περιορισμός διακριτής ανάθεσης μήκους κύματος. Όμως δύο φωτεινά μονοπάτια μπορούν να χρησιμοποιούν το ίδιο μήκος κύματος αν έχουν μη κοινά σύνολα οπτικών δεσμών. Αυτή η ιδιότητα είναι και η λεγόμενη επαναχρησιμοποίηση μήκους κύματος. 19

20 2.3.4 WDM ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ (PASSIVE OPTICAL NETWORKS- PONs) Παρόλο που το εύρος ζώνης στα δίκτυα κορμού (backbone) αυξάνεται ταχύτατα με τη χρήση της πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος (WDM) και άλλων νέων τεχνολογιών, τα δίκτυα πρόσβασης έχουν αλλάξει πολύ λίγο τα τελευταία χρόνια. Παράλληλα, ο ρυθμός μετάδοσης στα τοπικά δίκτυα (LANs) έχει αυξηθεί αρχικά από τα 10 Mb/s στα 100Mb/s και στη συνέχεια στο 1Gb/s. Πλέον, υπάρχουν και τοπικά δίκτυα με ταχύτητα 10Gb/s. Ως αποτέλεσμα, τα δίκτυα πρόσβασης που είναι ο ενδιάμεσος ανάμεσα στα τοπικά δίκτυα υψηλών ταχυτήτων και στα δίκτυα κορμού αποτελούν σημείο συμφόρησης. Το δίκτυο πρόσβασης μεταξύ του κορμού και των οικιακών συνδρομητών αποκαλούνταν κάποτε το «τελευταίο μίλι» ωστόσο τώρα αποκαλείται το «πρώτο μίλι». Η ονομασία αυτή καταδεικνύει τη σημασία του δικτύου πρόσβασης. Επειδή οι ανάγκες των συνδρομητών σε εύρος ζώνης αυξάνονται συνεχώς και ζητείται υποστήριξη διαφορετικών τύπων κυκλοφορίας στο Διαδίκτυο, είναι απαραίτητο το «πρώτο μίλι» να υλοποιηθεί με μια ισχυρή τεχνολογία. Άλλες απαιτήσεις για το συγκεκριμένο τμήμα του δικτύου είναι το χαμηλό κόστος, η απλότητα, η δυνατότητα κλιμάκωσης και η υποστήριξη ολοκληρωμένων υπηρεσιών φωνής, δεδομένων και βίντεο στους τελικούς χρήστες. Για να αποφευχθούν τα προβλήματα συμφόρησης λόγω περιορισμένου εύρους ζώνης (bandwidth bottlenecks), οπτικές ίνες και συνεπώς οπτικοί κόμβοι διεισδύουν όλο και περισσότερο στο πρώτο μίλι. Αυτή η τάση συναντάται και στον κόσμο της DSL και στον κόσμο της καλωδιακής τηλεόρασης. Το επόμενο κύμα ανάπτυξης του δικτύου πρόσβασης υπόσχεται να φέρει τη δικτύωση μέσω οπτικών ινών μέχρι το γραφείο, ή τις πολυκατοικίες ή τις ιδιόκτητες οικίες. Σε αντίθεση με τις προηγούμενες αρχιτεκτονικές, όπου η οπτική ίνα χρησιμοποιούνταν ως τροφοδότης για να μειωθούν τα μήκη ομοαξονικών και χάλκινων καλωδιώσεων, αυτές οι νέες προσπάθειες χρησιμοποιούν οπτικά καλώδια σε ολόκληρο το δίκτυο πρόσβασης. Νέες αρχιτεκτονικές δικτύων οπτικών ινών αναδύονται, οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν ταχύτητες της τάξης των Gbps, με κόστος συγκρίσιμο με εκείνο των δικτύων DSL. Αυτός ο νέος τύπος δικτύων ονομάζεται Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (PONs) [1]. Ένα ΡΟΝ μειώνει τον αριθμό των οπτικών πομποδεκτών, και την εγκατάσταση μεγάλου μήκους οπτικών ινών. Η ύπαρξη παθητικών διατάξεων σε ένα PON μειώνει στο ελάχιστο το κόστος παροχής ενέργειας στον κόμβο και εξαλείφει την ανάγκη για χρήση, τροφοδότηση και συντήρηση ενεργών πολυπλεκτών και αποπολυπλεκτών στα σημεία διαχωρισμού σημάτων. Επιπλέον, ένα PON έχει αρκετά ακόμα πλεονεκτήματα που τα καθιστούν ελκυστική λύση για τα δίκτυα πρόσβασης [12] [13]: επιτρέπει μεταδόσεις σε ακτίνα 20km μεταξύ του κέντρου 20

21 μεταγωγής και των συνδρομητών. Επιπρόσθετα, τα PONs επιτρέπουν την εύκολη αναβάθμιση σε υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης ή την προσθήκη μηκών κύματος εξαιτίας της οπτικής διαφάνειας. Για τα δίκτυα PON έχουν προταθεί τρεις διαφορετικές τεχνολογίες υλοποίησης οι οποίες αναπτύσσονται από διαφορετικούς οργανισμούς προτύπων. Αυτές είναι: τα Παθητικά Οπτικά δίκτυα με ασύγχρονο τρόπο μετάδοσης (Asynchronous Transfer Mode PON APON), τα Ethernet Παθητικά Οπτικά δίκτυα (Ethernet PON EPON) και τα Gigabit Παθητικά Οπτικά δίκτυα (Gigabit PON GPON). Η βασική διαφορά ανάμεσα στις τρεις αυτές προσεγγίσεις είναι ο τρόπος που ενθυλακώνονται τα πακέτα δεδομένων των ανώτερων επιπέδων στις μεταδόσεις του επιπέδου διασύνδεσης δεδομένων (data link layer) [27]. Εικόνα 2.5 : Παθητικό Οπτικό Δίκτυο (PON) Στην Εικόνα 2.5, φαίνεται η αρχιτεκτονική ενός Παθητικού Οπτικού δικτύου. Ένα ΡΟΝ είναι ένα οπτικό δίκτυο σημείου προς πολλαπλά σημεία (Point-to-Multipoint PtMP) στην κατερχόμενη κατεύθυνση (downstream), δηλαδή με φορά από το τηλεπικοινωνιακό κέντρο προς τους χρήστες, και πολλαπλών σημείων προς σημείο (Multipoint-to-Point MPtP) στην ανερχόμενη κατεύθυνση, δηλαδή με αντίθετη φορά από την προηγούμενη, όπως ακριβώς δηλαδή και για το δίκτυο ενεργού αστέρα. Ένα PON διαθέτει μη ενεργά στοιχεία στο μονοπάτι του σήματος από την πηγή μέχρι τον προορισμό. Τα μόνα εσωτερικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν στο ΡΟΝ είναι παθητικά οπτικά στοιχεία, όπως οπτικές ίνες, συνδέσεις (splices), διαιρέτες (splitters) και συνδυαστές (combiners). Αναλυτικότερα η μετάδοση σε 21

22 ένα PON πραγματοποιείται μεταξύ ενός τερματικού οπτικής γραμμής (Optical Line Terminal OLT) και των μονάδων οπτικού δικτύου (Optical Network Units ONUs). Το OLT και η ONU είναι διατάξεις που μετατρέπουν το ηλεκτρικό σήμα σε οπτικό και αντίστροφα. Το τερματικό οπτικής γραμμής ανήκει σε ένα τηλεπικοινωνιακό κέντρο (central office CO) που συνδέει το δίκτυο πρόσβασης με το δίκτυο μητροπολιτικής περιοχής (Metropolitan Area Network MAN) ή το δίκτυο ευρείας περιοχής (Wide Area Network WAN), το οποίο είναι επίσης γνωστό ως δίκτυο κορμού (backbone) ή δίκτυο μακράς διαδρομής (long haul). Όλες οι μεταδόσεις σε ένα ΡΟΝ πραγματοποιούνται μεταξύ ενός τερματικού οπτικής γραμμής και των μονάδων οπτικού δικτύου. Η μονάδα οπτικού δικτύου (ONU) εντοπίζεται είτε στην περιοχή του χρήστη (FTTH) είτε σε μια περιοχή που αποτελείται από ένα σύνολο χρηστών (FTTC, FTTB). Θα πρέπει να τονιστεί ότι στα PONs δεν είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ των τελικών χρηστών. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ακόμα και μεταξύ των οικιακών χρηστών η ζήτηση για νέα είδη εφαρμογών και υπηρεσιών που απαιτούν μεγάλα ποσοστά εύρους ζώνης είναι διαρκώς αυξανόμενη και πιέζει για τεχνολογική πρόοδο, τα δίκτυα πρόσβασης με βάση την οπτική ίνα προτάθηκαν ως μια αρκετά λογική λύση. Είναι αναμενόμενο ότι, εξαιτίας των μεγάλων δυνατοτήτων του μέσου, οι φορείς παροχής υπηρεσιών θα καταστούν τελικά ικανοί να προσφέρουν τέτοιες εξελιγμένες υπηρεσίες σε απλούς πελάτες τους. 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΟΠΤΙΚΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η WDM δίνει λύση στο πρόβλημα του electronic bottleneck, με το να διαιρεί το φάσμα της εκπομπής μίας οπτικής ίνας σε ένα πλήθος από μη επικαλυπτόμενα κανάλια μηκών κύματος, από τα οποία το κάθε ένα υποστηρίζει ένα μοναδικό κανάλι επικοινωνίας ταχύτητας ίσης με τη μέγιστη ηλεκτρονική ταχύτητα. Με την εισαγωγή της τεχνολογίας WDM, το ποσοστό διαθέσιμου εύρους ζώνης μετάδοσης στα οπτικά δίκτυα έχει αυξηθεί αρκετά. Παρόλα αυτά το ποσοστό αυτό δεν είναι αρκετό για την αντιμετώπιση των αυξανόμενων απαιτήσεων σε εύρος ζώνης (bandwidth) με ταυτόχρονη μείωση του κόστος, της εκθετικής ανάπτυξης των χρηστών του Διαδικτύου και της απαίτησης μηχανισμών που θα παρέχουν αξιόπιστη ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service-QoS). Για το λόγο αυτό και για τη μεταφορά της IP κίνησης πάνω από WDM δίκτυα τρία σενάρια οπτικών τεχνολογιών έχουν μελετηθεί: οπτική μεταγωγή κυκλώματος (OCS), οπτική μεταγωγή πακέτου (OPS) και οπτική μεταγωγή ριπής (OBS). 3.2 ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ (OPTICAL CIRCUIT SWITCHING OCS) Η μεταγωγή κυκλώματος αποτελεί την παραδοσιακή τεχνική μεταγωγής που χρησιμοποιείται στην τηλεφωνία, αλλά και τη βασική τεχνική στα Ψηφιακά Δίκτυα Ενοποιημένων Υπηρεσιών στενής ζώνης (N-ISDN). Η βασική και ευρέως γνωστή ιδέα είναι η εγκατάσταση ενός κυκλώματος σταθερής χωρητικότητας για όσο χρονικό διάστημα διαρκεί μια σύνδεση. Η επικοινωνία περιλαμβάνει τις ακόλουθες τρεις φάσεις: (1) εγκατάσταση κυκλώματος, (2) μεταφορά δεδομένων και (3) αποσύνδεση. Η σύνδεση μπορεί να είναι άμεση μεταξύ των δύο διατάξεων που επικοινωνούν ή, όπως συμβαίνει συνήθως, οι διατάξεις να επικοινωνούν μέσω ενός μεταγώγιμου επικοινωνιακού δικτύου. Το δίκτυο αυτό αποτελείται από έναν ή περισσότερους διασυνδεδεμένους κόμβους [2]. Η διάδοση των δεδομένων βασίζεται στην δρομολόγηση μηκών κύματος όπου συνδέσεις κυκλωμάτων, γνωστά ως μονοπάτια φωτός (lightpaths) εγκαθίστανται μεταξύ των κόμβων του δικτύου [33]. Τα lightpaths είναι οπτικά κανάλια που καταλαμβάνουν ένα ολόκληρο μήκος κύματος μεταξύ πηγής και προορισμού, και μετάγονται στο οπτικό πεδίο μέσω των οπτικών συσκευών μεταγωγής, των OXCs. Από τη στιγμή που θα εγκατασταθεί ένα lightpath, η μετάδοση δεδομένων σε αυτό γίνεται εγγυημένα (χωρίς ανταγωνισμό) και 23

24 ανεξάρτητα από την κωδικοποίηση και το ρυθμό διαμεταγωγής του οπτικού σήματος. Ένα OXC λαμβάνει ένα οπτικό σήμα σε κάποια θύρα εισόδου και το μετάγει σε κάποια θύρα εξόδου, ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα μήκη κύματος (Εικόνα 3.1). Ένα OXC με Ν θύρες εισόδου και Ν εξόδου, είναι ικανό να διαχειριστεί W μήκη κύματος ανά θύρα. Εικόνα 3.1 : Σχηματικό ενός OXC Παρά το γεγονός ότι είναι εύκολα στην υλοποίηση και μετά την εγκατάσταση του δικτύου που είναι πρακτικά διαφανές στους χρήστες, ο βασικός περιορισμός των οπτικών δικτύων μεταγωγής κυκλώματος είναι ο περιορισμένος αριθμός των μηκών κύματος ανά δίαυλο το οποίο ανάγεται στην επίλυση του NP-πλήρους προβλήματος της δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος. Η ανάθεση σε κάθε lightpath ενός μήκους κύματος κάνει τα OCS δίκτυα ακατάλληλα για ιδιαίτερα ευμετάβλητη και "εκρηκτικής" φύσεως κίνηση, όπως η κίνηση που παρατηρείται στο διαδίκτυο. Είναι προφανές ότι αν γίνει προσπάθεια να σταλεί τέτοιας μορφής κίνηση πάνω από στατικά lightpaths, θα υπάρχει μικρή χρησιμοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Ακόμα, αν γίνει εγκατάσταση lightpaths με πολύ δυναμικό τρόπο, εισάγεται σημαντικό overhead λόγω της διαδικασίας εγκατάστασης / κατάργησης εικονικών κυκλωμάτων. Επίσης, μειονεκτήματα αποτελούν το γεγονός ότι ένα κύκλωμα αποδίδεται για όλη τη διάρκεια μιας σύνδεσης, ακόμη και αν δεν υπάρχουν δεδομένα προς μεταφορά, και η καθυστέρηση που εισάγεται λόγω της φάσης εγκατάστασης του κυκλώματος. Τα OCS δίκτυα, τέλος, δε προσφέρουν ευελιξία στην αλλαγή της κατάστασης των συνδέσμων, ειδικά όταν η κίνηση του δικτύου (traffic) είναι συνεχώς μεταβλητή. 24

25 3.3 ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΠΑΚΕΤΟΥ (OPTICAL PACKET SWITCHING OPS) Όπως είναι γνωστό, ο αρχικός φορέας μεταφοράς δεδομένων υπήρξε το υπάρχον παγκόσμιο δίκτυο τηλεφωνίας και εν μέρει συνεχίζει να είναι και σήμερα. Η μεταφορά δεδομένων χρησιμοποιώντας τα κλασσικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος έχει, όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, δύο βασικά μειονεκτήματα, αυτό της χαμηλής χρήσης των πόρων του δικτύου και αυτό του σταθερού ρυθμού μεταφοράς δεδομένων, τόσο κατά τη λήψη όσο και κατά την εκπομπή [2]. Η μεταγωγή πακέτου (optical packet switching OPS) αποτελεί εξέλιξη της μεταγωγής μηνύματος. Στη μεταγωγή μηνύματος η προς μετάδοση πληροφορία οργανώνεται σε μηνύματα. Οι «συνομιλούντες» σταθμοί ανταλλάσσουν μηνύματα και το δίκτυο αναλαμβάνει την παράδοση κάθε μηνύματος προωθώντας το από κόμβο σε κόμβο μέχρι τον τελικό παραλήπτη, τεχνική γνωστή και ως «αποθήκευσης και προώθησης» (Store and Forward). Στη μεταγωγή πακέτου ακολουθείται η φιλοσοφία της μεταγωγής μηνύματος, με τη διαφορά ότι κάθε μήνυμα «τεμαχίζεται» σε πακέτα σταθερού μήκους που αποτελούν τη βασική μονάδα πληροφορίας. Πολλές ροές δεδομένων πολυπλέκονται και μεταφέρονται ταυτόχρονα, κάνοντας καλύτερη χρήση της διαθέσιμης χωρητικότητας και προσδίδοντας μεγαλύτερη ευελιξία στη διαχείριση του εύρους ζώνης. Στα δίκτυα αυτά, το traffic μεταφέρεται σε οπτικά πακέτα μαζί με πληροφορία ελέγχου. Ενώ η ανάλογη πληροφορία ελέγχου δημιουργείται και επεξεργάζεται είτε μόνο οπτικά είτε ηλεκτρονικά μέσω ενός Οπτικό/Ηλεκτρονικό μετατροπέα (Ο/Ε) σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο, το υπόλοιπο φορτίο δεδομένων (data payload) είναι υποχρεωμένο να περιμένει σε γραμμές καθυστέρησης του αντίστοιχου διαύλου για να προωθηθεί σε επόμενο κόμβο. Η τεχνολογία της οπτικής μεταγωγής επιτρέπει την ανάθεση καναλιών ανάλογα με τις ανάγκες που προκύπτουν σε ιδιαίτερα μικρές χρονικές κλίμακες. Ένας μεταγωγέας οπτικών πακέτων μπορεί με μικρό κόστος να προσαρμοστεί σε αυξήσεις στο ρυθμό μετάδοσης. Επιπλέον, η μεταγωγή οπτικού πακέτου προσφέρει υψηλή ταχύτητα, διαφάνεια ως προς το ρυθμό μετάδοσης και τη μορφή των δεδομένων και δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης, χαρακτηριστικά που θεωρούνται ιδιαίτερα σημαντικά για τα δίκτυα του μέλλοντος. Παρά το γεγονός ότι τα δίκτυα μεταγωγής πακέτων χαρακτηρίζονται από καλή απόδοση και μπορούν εύκολα να αντιμετωπίσουν προβλήματα όπως η αποτυχία (failure) στην μετάδοση των πακέτων, δύο είναι οι βασικοί παράγοντες που εμποδίζουν την εδραίωση της OPS στα σημερινά δίκτυα: η έλλειψη σύνθετων επεξεργαστικών ικανοτήτων, όσον αφορά την κεφαλίδα του πακέτου, και η έλλειψη οπτικής μνήμης τυχαίας προσπέλασης, όσο αφορά τον τρόπο με τον οποίο επιλύονται οι συγκρούσεις μεταξύ των πακέτων. Οι συγκρούσεις αυτές προκύπτουν όταν δύο ή περισσότερα πακέτα προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν τον ίδιο πόρο του δικτύου, δηλαδή πρέπει να προωθηθούν στην ίδια έξοδο. 25

26 (a) (b) (c) Εικόνα 3.2 : Σχήματα αποφυγής συγκρούσεων σε οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου Τρεις μέθοδοι επιλέγονται για την επίλυση τέτοιων συγκρούσεων [14] [34] [35] [36]: η προσωρινή αποθήκευση (buffering) : ο πιο απλός τρόπος να επιλυθεί μία σύγκρουση είναι η αποθήκευση των πακέτων που δε μπορούν εξυπηρετηθούν, δηλαδή η εκμετάλλευση της διάστασης του χρόνου. Στα ηλεκτρικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου, τέτοιες συγκρούσεις επιλύονται με την τεχνική «αποθήκευσης και προώθησης», η οποία απαιτεί τα πακέτα να αποθηκεύονται σε μία «τράπεζα» μνήμης και να στέλνονται σε μεταγενέστερο χρόνο. Η μνήμη αυτή είναι η ηλεκτρονική RAM που έχει χαμηλό κόστος και είναι γρήγορη. Ωστόσο, δεν υπάρχει ισοδύναμη οπτική RAM και ο μοναδικός τρόπος να «αποθηκευτεί» προσωρινά ένα οπτικό πακέτο είναι οι οπτικές γραμμές καθυστέρησης (fiber delay lines FDLs). Τα πακέτα που συγκρούονται αναγκάζονται να καλύψουν μια επιπλέον απόσταση, ταξιδεύοντας στη γραμμή καθυστέρησης και καθυστερούνται για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Πιο συγκεκριμένα, στην Εικόνα 3.2 για την οπτική αποθήκευση, δεν υπάρχουν μετατροπείς μήκους κύματος, και το τμήμα μεταγωγής έχει μία η περισσότερες πόρτες που οδηγούν στις FDLs. Έτσι, τα πακέτα που ανταγωνίζονται αποθηκεύονται στις γραμμές καθυστέρησης και σε περίπτωση που ο buffer είναι κατειλημμένος το πακέτο απορρίπτεται. η εναλλακτική δρομολόγηση (deflection routing): με αυτή την τεχνική, οι συγκρούσεις επιλύονται στη διάσταση του χώρου. Εάν δύο ή περισσότερα πακέτα πρέπει να χρησιμοποιήσουν την ίδια έξοδο για να επιτύχουν τη βέλτιστη δρομολόγηση, τότε ένα μόνο θα προωθηθεί στην επιθυμητή έξοδο, ενώ τα υπόλοιπα θα προωθηθούν σε εναλλακτικές εξόδους και θα ακολουθήσουν διαδρομές οι οποίες κατά πάσα πιθανότητα θα είναι μεγαλύτερες από τη βέλτιστη. Τα πακέτα αυτά θα υποστούν μεγαλύτερες καθυστερήσεις ενώ είναι πιθανό να διαταραχθεί και η σειρά 26

27 των πακέτων. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 3.2, στην εναλλακτική δρομολόγηση ούτε μετατροπείς μήκους κύματος παρέχονται ούτε οπτικές γραμμές καθυστέρησης, χαρακτηριστικό που αποτελεί το πιο σημαντικό πλεονέκτημά της. Το switching block ελέγχει και στέλνει το εισερχόμενο πακέτο στην πρώτη κενή πόρτα που χαρακτηρίζεται από το ίδιο μήκος κύματος, διαφορετικά απορρίπτει το πακέτο. Ωστόσο, ένα πρόβλημα που μπορεί να προκύψει είναι η δημιουργία βρόχων. Εάν δεν υπάρχει τρόπος αποφυγής των βρόχων, ένα πακέτο μπορεί να επισκεφθεί ξανά κόμβους από τους οποίους είχε περάσει και στο παρελθόν και να παραμείνει στο δίκτυο για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η δημιουργία αυτών των βρόχων έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της καθυστέρησης, τη μείωση στην ποιότητα του σήματος και την αύξηση του συνολικού φόρτου του δικτύου. η μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion): το μήκος κύματος είναι μία διάσταση που υπάρχει μόνο στο οπτικό πεδίο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση συγκρούσεων. Εάν δύο πακέτα που βρίσκονται στο ίδιο μήκος κύματος πρέπει να χρησιμοποιήσουν την ίδια έξοδο του μεταγωγέα, το ένα από τα δύο μπορεί να μετατραπεί σε ένα άλλο μήκος κύματος χρησιμοποιώντας έναν μεταβλητό οπτικό μετατροπέα μήκους κύματος. Μόνο όταν εξαντληθούν τα μήκη κύματος, είναι απαραίτητη η αποθήκευση του πακέτου σε γραμμή καθυστέρησης. Η διαδικασία αυτή απεικονίζεται και στην Εικόνα 3.2. Με τη διαμοίραση του φόρτου σε αρκετά μήκη κύματος και τη χρήση μεταβλητών οπτικών μετατροπέων μήκους κύματος, μειώνονται οι ανάγκες για αποθήκευση ή και εξαλείφονται εντελώς και μειώνεται η πιθανότητα απώλειας πακέτου. Μειονέκτημα όμως αυτής της τεχνικής μπορεί να θεωρηθεί ο ιδιαίτερα μεγάλος αριθμός μετατροπέων μήκους κύματος που απαιτείται. Αν όμως η μετατροπή μήκους κύματος χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με την αποθήκευση, ο αριθμός των απαιτούμενων μετατροπέων μειώνεται σημαντικά. 3.4 ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΡΙΠΗΣ (OPTICAL BURST SWITCHING OBS) Tα πλήρως οπτικά δίκτυα τείνουν να είναι μη αποδοτικά για κίνηση που δεν έχει υποστεί μορφοποίηση (shaping/grooming) ή στατιστική πολύπλεξη και προκαλούν σπατάλη όταν η κίνηση δεν καταναλώνει ένα ολόκληρο μήκος κύματος. Η τεχνολογία οπτικής μεταγωγής πακέτου (OPS) είναι μια τεχνολογία με σκοπό τη μετάδοση δεδομένων χρήστη μέσω οπτικών πακέτων, στην οποία ένα μήκος κύματος δεσμεύεται από ένα πακέτο μόνο όταν αυτό μεταδίδεται και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και από άλλους μετά από τη μετάδοση. 27

28 Η OPS είναι πιο αποδοτική και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υποστήριξη κίνησης IP και ATM. Παρ όλα αυτά, η OPS απαιτεί πρακτικές, συμφέρουσες και κλιμακούμενες (scalable) λύσεις όσον αφορά την οπτική ενταμίευση (buffering) και την επεξεργασία οπτικών επικεφαλίδων, οι οποίες είναι ακόμα πολλά χρόνια μακριά. Η οπτική μεταγωγή ριπών κίνησης (Optical Burst Switching OBS), λοιπόν, είναι μία τεχνολογία που έχει τραβήξει την προσοχή και το ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Το OBS ήρθε για να προστεθεί στις δύο βασικές αρχιτεκτονικές μεταγωγής οπτικών WDM δικτύων, δηλαδή την οπτική μεταγωγή κυκλώματος (ή Wavelength Routing) και την οπτική μεταγωγή πακέτου (ή Optical Packet Switching). Η βασική ιδέα του OBS είναι η συνάθροιση των πακέτων σε ριπές, οι οποίες ταξιδεύουν και μετάγονται σε ένα OBS δίκτυο με πλήρως οπτικό τρόπο, το οποίο σημαίνει ότι δεν υπάρχει καμία οπτικο-ηλεκτρο-οπτική μετατροπή δεδομένων μέσα στο OBS δίκτυο [15]. Στις ριπές ανατίθενται μήκη κύματος και διατρέχουν μόνο τους κόμβους του πυρήνα. Ένα δίκτυο μεταγωγής οπτικής ριπής που έχει σχεδιαστεί κατάλληλα μπορεί να λειτουργεί σε αρκετά υψηλά επίπεδα χρησιμοποίησης (utilization) με αρκετά μικρή πιθανότητα απόρριψης ριπής λόγω έλλειψης διαθέσιμων πόρων (μηκών κύματος), επιτυγχάνοντας ιδιαίτερα καλή απόδοση. Όταν ο αριθμός των μηκών κύματος είναι μεγάλος, η καλή απόδοση του δικτύου επιτυγχάνεται ακόμα και χωρίς δυνατότητα αποθήκευσης. Επίσης, μειώνεται το συνολικό κόστος του συστήματος, προσφέροντας υψηλή ταχύτητα και διαφάνεια δικτύου, ανεξάρτητα από τη τεχνολογία που χρησιμοποιείται και το ρυθμό δεδομένων ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ OBS ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΑΙ ΚΟΜΒΩΝ Μία πολύ σημαντική παράμετρος στην κατανόηση της τεχνολογίας της Οπτικής Μεταγωγής Πακέτων είναι η αρχιτεκτονική στην οποία βασίζεται το δίκτυο όπως και η αρχιτεκτονική των κόμβων του δικτύου. Σε αυτή την ενότητα γίνεται αναφορά και στα δύο αυτά θέματα: παρουσιάζεται μία γενική αρχιτεκτονική δικτύου OBS, αναλύονται τα είδη κόμβων που υπάρχουν σε ένα τέτοιου είδους δίκτυο, η αρχιτεκτονική τους και οι λειτουργίες για τις οποίες είναι υπεύθυνοι σε γενικές γραμμές. Μία πρώτη και πολύ γενική σκιαγράφηση ενός OBS δικτύου είναι ο χαρακτηρισμός του σαν ένα ζευγάρι δικτύων που αλληλεπικαλύπτεται και λειτουργεί σαν ολότητα. Το ζευγάρι αυτό αποτελείται από ένα αμιγώς-οπτικό δίκτυο και ένα υβριδικό δίκτυο ελέγχου που χρησιμοποιεί Οπτική Μεταγωγή Πακέτου [15]. Το πρώτο δίκτυο είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά των ριπών δεδομένων ενώ στο δεύτερο γίνεται η μεταφορά και η επεξεργασία των Επικεφαλίδων Πακέτων της Ριπής (BHPs) οι οποίες και καθορίζουν βάσει των πληροφοριών που φέρουν για το πώς πρέπει να γίνει η δρομολόγηση των ριπών στο αμιγώς οπτικό δίκτυο. 28

29 Ένα οπτικό δίκτυο Μεταγωγή Ριπής αποτελείται από κόμβους οπτικής μεταγωγής οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους από οπτικές ίνες οι οποίες υποστηρίζουν την τεχνολογία WDM( Wavelength Division Multiplexing). Οι κόμβοι αυτοί μπορεί να είναι δύο ειδών είτε περιφερειακοί (κόμβοι) δρομολογητές (ingress-εισόδου ή egress-εξόδου) είτε κεντρικοί (core nodes) δρομολογητές. Κάθε είδος από τους κόμβους υπηρετεί διαφορετικές λειτουργίες: οι περιφερειακοί κόμβοι εισόδου δέχονται την εισερχόμενη ροή δεδομένων την οποία και συναρμολογούν σε ριπές οι οποίες δρομολογούνται σύμφωνα με διάφορα κριτήρια στα κατάλληλα μήκη κύματος καναλιών εξόδου, αντίστοιχα οι περιφερειακοί κόμβοι εξόδου δέχονται τις ριπές και τις αποσυνθέτουν σε πακέτα προωθώντας τα στους παραλήπτες του επόμενου επιπέδου. Οι κεντρικοί κόμβοι είναι υπεύθυνοι για την μεταγωγή από κανάλια εισόδου σε κανάλια εξόδου των ριπών σε αμιγώς-οπτικό επίπεδο και για την επίλυση συγκρούσεων των ριπών. Στην ουσία κάθε κόμβος ενός OBS δικτύου υποστηρίζει λειτουργίες και ενός περιφερειακού και ενός κεντρικού δρομολογητή υποστηρίζοντας όχι μόνο καινούργια εισερχόμενη κίνηση αλλά αμιγώς-οπτική διερχόμενη κίνηση δεδομένων [16] [18]. Ένα μοντέλο της αρχιτεκτονικής ενός OBS δικτύου φαίνεται στην Εικόνα 3.3. Εικόνα 3.3 : Αρχιτεκτονική δικτύου οπτικής μεταγωγής ριπής Εξετάζοντας πιο αναλυτικά τις λειτουργίες κάθε είδους κόμβου ξεδιπλώνεται η όλη φιλοσοφία της OBS τεχνολογίας. Φτάνοντας τα δεδομένα με μορφή πακέτων παραλαμβάνονται από τους περιφερειακούς δρομολογητές εισόδου όπου και συναρμολογούνται σε ριπές. Οι κόμβοι αυτοί είναι επίσης υπεύθυνοι για την δρομολόγηση των ριπών, την ανάθεση μήκους κύματος σε αυτές καθώς και για την χρονοδρομολόγηση τους στους κόμβους εξόδου. Οι ριπές αυτές δρομολογούνται αμιγώς-οπτικά διαμέσου των 29

30 κεντρικών δρομολογητών χωρίς ενδιάμεση αποθήκευση των δεδομένων.οι κεντρικοί δρομολογητές είναι υπεύθυνοι εκτός των άλλων και για την σηματοδότηση, την χρονοδρομολόγηση των ριπών στους εσωτερικούς συνδέσμους και την επίλυση των συγκρούσεων μεταξύ τους. Τέλος οι ριπές παραλαμβάνονται από τους περιφερειακούς δρομολογητές εξόδου οι οποίοι αναλαμβάνουν την αντίστροφη διαδικασία της συναρμολόγησης, και προωθούν τα πακέτα στους παραλήπτες τους στα επόμενα επίπεδα. Πιο συγκεκριμένα, ο κεντρικός δρομολογητής αποτελείται από δύο μέρη: από ένα OXC (Optical Cross Connect) και μία μονάδα ελέγχου μεταγωγής (SCU-Switch Control Unit). Στη Μονάδα Ελέγχου γίνεται η επεξεργασία της πληροφορίας που φέρει κάθε Πακέτο Επικεφαλίδας Ριπής(θα αναφέρεται BHP, όπως στην αγγλική ορολογία). Βάσει αυτής της πληροφορίας (και κυρίως του προορισμού και του χρόνου άφιξης της ριπής) ο scheduler αποφασίζει το κατάλληλο κανάλι εξόδου. Αν το συγκεκριμένο κανάλι εξόδου δεν είναι απασχολημένο αλλά διαθέσιμο τότε δεσμεύεται και το OXC ρυθμίζεται κατάλληλα από την Μονάδα Ελέγχου για τη μεταγωγή της ριπής. Εάν δε βρεθεί κάποιο διαθέσιμο κανάλι, τότε κατά πάσα πιθανότητα η ριπή θα χαθεί (το ακριβώς θα συμβεί ορίζεται από την πολιτική επίλυσης συγκρούσεων). Εικόνα 3.4 : Η αρχιτεκτονική ενός κεντρικού δρομολογητή Από όλα τα παραπάνω είναι φανερό πως η Μονάδα Ελέγχου Μεταγωγής φέρει την ευθύνη για την επεξεργασία των πληροφοριών που φέρει το BHP, την χρονοδρομολόγηση(επιλογή κατάλληλου μήκους κύματος για τη ριπή), την ανίχνευση τυχών συγκρούσεων και την επίλυση αυτών εάν προκύψουν εν τέλει, τον έλεγχο και την ενημέρωση των πινάκων για κάθε ριπή και την αλλαγή πληροφοριών στο BHP εάν χρειαστεί καθώς και τον έλεγχο της μετατροπής μήκους κύματος της ριπής. Συνήθως το BHP καταφτάνει στον κόμβο πριν από 30

31 την ριπή που αντιπροσωπεύει, αν όμως συμβεί το αντίθετο και μία ριπή χωρίς να έχει πρώτα φτάσει το BHP της εισέλθει τότε αυτή κόβεται (πέφτει). Τέλος, ένας περιφερειακός δρομολογητής αποτελείται από τρεις λειτουργικές μονάδες: τον Χρονοδρομολογητή(Scheduler), την Μονάδα Δρομολόγησης(Routing Module) και τον Συναρμολογητή Ριπής(Burst Assembler). Στη μονάδα δρομολόγησης γίνεται η επιλογή του καναλιού για κάθε πακέτο καθώς και η προώθηση του στον κατάλληλο Συναρμολογητή Ριπής. Στον Συναρμολογητή τα πακέτα τοποθετούνται σε ξεχωριστή κάθε φορά ουρά ανάλογα με κάποια χαρακτηριστικά (π.χ. κόμβος προορισμού, κλάση υπηρεσίας κλπ) [18]. Εικόνα 3.5 : Η αρχιτεκτονική ενός περιφερειακού δρομολογητή ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ OBS ΔΙΚΤΥΟΥ Η αρχή λειτουργίας ενός δικτύου μεταγωγής έχει ως εξής: στις παρυφές του δικτύου, τα εισερχόμενα πακέτα συνενώνονται για να σχηματίσουν ριπές. Λίγο πριν ξεκινήσει η μετάδοση της ριπής, μεταδίδεται ένα πακέτο ελέγχου (κεφαλίδα) το οποίο θα δεσμεύσει τους πόρους που χρειάζεται η ριπή για τη μετάδοση και τη μεταγωγή της. Η ριπή των δεδομένων μεταδίδεται σχεδόν αμέσως μετά το πακέτο ελέγχου, χωρίς να υπάρχει επιβεβαίωση ότι η δέσμευση των πόρων ολοκληρώθηκε με επιτυχία. Παρόλο που υπάρχει πιθανότητα κάποια ριπή να απορριφθεί λόγω έλλειψης πόρων, αυτή η προσέγγιση μειώνει σημαντικά τη 31

32 συνολική καθυστέρηση, καθώς η καθυστέρηση διάδοσης συνήθως υπερισχύει του χρόνου μετάδοσης στα δίκτυα ευρείας περιοχής [1]. Εικόνα 3.6 : Μετάδοση στο κανάλι ελέγχου και δεδομένων Το πακέτο ελέγχου μεταδίδεται στο μήκος κύματος που χρησιμοποιείται αποκλειστικά για το σκοπό αυτό και προπορεύεται ελαφρά της ριπής, ενός χρόνου τ όπως φαίνεται και στις Εικόνες 3.6 και 3.7 [16]. Η χρονική αυτή απόσταση ανάμεσα στο πακέτο ελέγχου και τη ριπή πρέπει να επαρκεί για την ηλεκτρονική επεξεργασία του πακέτου ελέγχου και τη ρύθμιση του πίνακα μεταγωγής σε όλους τους κόμβους. Όταν η ριπή φτάσει σε έναν κόμβο, η ρύθμιση του πίνακα μεταγωγής έχει ήδη γίνει, άρα η διέλευσή της πραγματοποιείται χωρίς μετατροπές [16]. Εικόνα 3.7 : Μετάδοση ριπών δεδομένων και κεφαλίδων σε ένα WDM σύνδεσμο Το δίκτυο μεταγωγής ριπής δεν θέτει περιορισμούς στη μορφή που θα έχουν τα δεδομένα. Ωστόσο, η μορφή του πακέτου ελέγχου πρέπει να είναι καθορισμένη, αφού το δίκτυο θα πρέπει να είναι σε θέση να ερμηνεύσει τα περιεχόμενά του. Τα πεδία που υποχρεωτικά 32

33 περιλαμβάνονται στο πακέτο ελέγχου είναι το μέγεθος της ριπής και η απόσταση μεταξύ του πρώτου bit του πακέτου ελέγχου και του πρώτου bit της ριπής. Η διαδικασία με την οποία συνενώνονται τα πακέτα για να σχηματίσουν ριπές, στην τεχνολογία Οπτικής Μεταγωγής Ριπής επιδρά σημαντικά στην απόδοση του δικτύου διότι καθορίζει τα χαρακτηριστικά της κίνησης (traffic) στο δίκτυο. Η συναρμολόγηση ριπής λαμβάνει χώρα, όπως ειπώθηκε, στους περιφερειακούς δρομολογητές εισόδου όπου και φτάνουν τα πακέτα από τα πιο υψηλά επίπεδα του δικτύου. Εκεί τα πακέτα αποθηκεύονται σε ουρές ανάλογα με τον κόμβο προορισμού τους και την κλάση προτεραιότητάς τους (Εικόνα 3.8). Στη διαδικασία αυτή λαμβάνονται υπόψη και οι απαιτήσεις των ριπών ως προς την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (quality of service). Το μέγεθος κάθε ριπής επιβάλλεται να είναι μεγαλύτερο από μια καθορισμένη ελάχιστη τιμή, έτσι ώστε να επιτρέπει την μετατροπή του πακέτου ελέγχου σε ηλεκτρονική μορφή, την ανάγνωση και την επεξεργασία του καθώς και τη ρύθμιση της συσκευής μεταγωγής. Η απαίτηση για μεγέθη πάνω από μια ελάχιστη τιμή ενισχύεται και από την πεπερασμένη χωρητικότητα του καναλιού που χρησιμοποιείται για τα πακέτα ελέγχου. Εάν οι ριπές είναι πολύ μικρές, τα αντίστοιχα πακέτα ελέγχου θα είναι πάρα πολλά και μπορεί να εξαντλήσουν τη χωρητικότητα του καναλιού ελέγχου [17]. Εικόνα 3.8 : Συναρμολόγηση ριπών Πρέπει να σημειωθεί ότι στην περίπτωση που η κίνηση του δικτύου δεν είναι μεγάλη, δεν είναι εφικτό να καθυστερούνται τα πακέτα επ άπειρο μέχρι να σχηματιστεί μια ριπή ικανού μεγέθους. Μετά τη παρέλευση συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος, τα υπάρχοντα πακέτα συνενώνονται και σχηματίζουν μια ριπή, το μέγεθος της οποίας ενισχύεται τεχνητά προκειμένου να φτάσει το ελάχιστο επιτρεπτό όριο [1]. Οι πολιτικές συναρμολόγησης ριπής καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο αποφασίζεται πότε θα ξεκινήσει και πότε θα ολοκληρωθεί η διαδικασία συναρμολόγησης ριπής καθώς και πότε θα αρχίσει η μετάδοση της ριπής προς τον προορισμό της. Δύο βασικές πολιτικές συναρμολόγησης ριπής είναι οι βασισμένες στο χρόνο (timer-based) και οι βασισμένες σε μια τιμή κατωφλίου (threshold-based) τεχνικές οι οποίες βασίζονται σε περιορισμό ανώτατου 33

34 ορίου στο μέγεθος (σε bytes) της ριπής. Δύο αντιπροσωπευτικοί αλγόριθμοι, ένας από κάθε κατηγορία είναι: Ο Fixed-A ssembly-period (FAP) αλγόριθμος, ή αλλιώς TMAX. Είναι ο απλούστερος Timer-based αλγόριθμος. Εδώ τα πακέτα εισερχόμενα στους περιφερειακούς κόμβους αποθηκεύονται σε ουρές ανάλογα με τον προορισμό τους και συναρμολογούνται σε ριπές ανά προκαθορισμένα ίσα χρονικά διαστήματα. Δηλαδή με την αρχή της δημιουργίας μίας ριπής αρχίζει να μετρά ο χρόνος, και μετά από χρόνο TMAX η συναρμολόγηση ολοκληρώνεται και η ριπή αποστέλλεται στο δίκτυο. Αμέσως αρχίζει η δημιουργία της επόμενης ριπής. Έτσι οδηγούμαστε σε ριπές που ισαπέχουν στο χρόνο (απέχουν μεταξύ τους χρόνο TMAX) αλλά δεν έχουν απαραίτητα το ίδιο μέγεθος, αν δεν υποθέσουμε ομοιόμορφο φορτίο κίνησης. Ο Single-Threshold αλγόριθμος: Είναι ο απλούστερος βασισμένος σε κατώφλι αλγόριθμος. Τα πακέτα και εδώ αποθηκεύονται σε ουρές ανάλογα με τον προορισμό τους, υπάρχει δε ένα σταθερό και κοινό για όλες τις ριπές ανώτατο όριο μεγέθους (το BMAX). Όταν μια ριπή φτάσει αυτό το όριο μεγέθους ολοκληρώνεται η συναρμολόγησή της και αποστέλλεται στον προορισμό της. Οδηγεί σε ριπές σταθερού μεγέθους BMAX, οι οποίες όμως είναι τυχαία κατανεμημένες στο χρόνο, ανάλογα με την κατανομή της κίνησης στο δίκτυο ΕΠΙΛΥΣΗ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΩΝ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ OBS Ένα από τα βασικά ζητήματα που προκύπτουν στην εφαρμογή της μεταγωγής ριπής είναι ο χειρισμός των συγκρούσεων μεταξύ ριπών που προκύπτουν όταν δύο οι περισσότερες ριπές πρέπει να οδηγηθούν στην ίδια γραμμή εξόδου. Ο ανταγωνισμός ριπών τυπικά επιλύεται με τεχνικές που λειτουργούν στο πεδίο του χρόνου, του χώρου και των μηκών κύματος, για τις οποίες έγινε λόγος και στην ενότητα επίλυση συγκρούσεων στα δίκτυα OPS [18] [19]. Buffering στο οπτικό πεδίο: στο OBS οι ριπές μετάγονται με πλήρως οπτικό τρόπο, άρα και το buffering γίνεται στο οπτικό πεδίο. Ακόμα δεν έχει εφευρεθεί κάποια οπτική μνήμη τυχαίας προσπέλασης, επομένως το buffering γίνεται με τη χρήση των FDLs (Fiber Delay Lines). Τα Fiber Delay Lines είναι στην ουσία οπτικές ίνες σε σπειροειδή διάταξη, για εξοικονόμηση χώρου, που εκμεταλλεύονται την καθυστέρηση διάδοσης του φωτός για να καθυστερήσουν μια ριπή για ένα χρονικό διάστημα ανάλογο με το μήκος τους. Το πρόβλημα είναι ότι μια τυπική FDL καθυστερεί μια ριπή για σταθερό χρόνο (της τάξης των sec/km), και επομένως η ευελιξία της είναι μικρή. Πολλές FDLs μαζί μπορούν να συνδυαστούν για να κατασκευαστεί ένας FDL buffer ο οποίος μπορεί να "αποθηκεύσει" έναν μικρό σχετικά αριθμό από bursts, τα οποία αντιμετώπισαν ανταγωνισμό. Όμως ένας FDL 34

35 buffer είναι γενικά πολύ ογκώδης, είναι αναγκαστικά ακολουθιακός (δηλαδή ακολουθεί τη λογική FIFO) και προκαλεί εξασθένηση του οπτικού σήματος, λόγω του μεγάλου μήκους του. Δρομολόγηση εκτροπής (deflection routing): Μια ακόμα λύση είναι η δρομολόγηση εκτροπής, η οποία έχει προταθεί ειδικά για οπτικούς διακόπτες που διαθέτουν μικρούς ή και καθόλου buffers. Σύμφωνα με τη δρομολόγηση εκτροπής, κάθε φορά που συμβαίνει μια σύγκρουση ανάμεσα σε δύο ριπές, μια από αυτές θα δρομολογηθεί σε μια οποιαδήποτε διαθέσιμη θύρα εξόδου. Δεν υπάρχει όμως καμία εγγύηση ότι αυτή η θύρα εξόδου οδηγεί στον προορισμό της ριπής, ή ότι οδηγεί μέσω μιας βέλτιστης διαδρομής. Έτσι, κάποιες «άτυχες» ριπές οδηγούνται στον προορισμό τους μέσω μη βέλτιστων διαδρομών, διανύοντας περισσότερα hops απ όσα πραγματικά χρειάζονται. Γενικά η δρομολόγηση εκτροπής λειτουργεί καλύτερα σε μικρά δίκτυα με υψηλό βαθμό συνδεσιμότητας. Επίσης, οδηγώντας κάποιες ριπές μέσω μη βέλτιστων διαδρομών δαπανά περισσότερους πόρους του δικτύου, και γι' αυτό δεν προτείνεται όταν το φορτίο κίνησης είναι ήδη υψηλό. Μετατροπή μήκους κύματος: Τέλος, τα οπτικά WDM δίκτυα που υποστηρίζουν μετατροπή μήκους κύματος έχουν ακόμα μια επιλογή για την επίλυση ανταγωνισμού. Όταν εμφανίζεται ανταγωνισμός μεταξύ δύο ριπών, η μία μεταδίδεται στο μήκος κύματος που επιθυμεί, ενώ η άλλη υφίσταται μετατροπή μήκους κύματος και μεταδίδεται σε κάποιο διαθέσιμο μήκος κύματος της ίδιας θύρας εξόδου, εφ' όσον φυσικά υπάρχει. Η λύση αυτή είναι βέλτιστη, υπό την έννοια ότι οι δύο ριπές μεταδίδονται παράλληλα, χωρίς να καθυστερείται σημαντικά καμία από τις δύο. Όμως απαιτεί την ύπαρξη μετατροπέων μήκους κύματος, οι οποίοι αυξάνουν σημαντικά το κόστος του δικτύου, καθώς και ένα μεγάλο αριθμό οπτικών καναλιών ανά οπτική ίνα. Παρόλο που οι παραπάνω μέθοδοι επίλυσης συγκρούσεων εφαρμόζονται ικανοποιητικά στα δίκτυα μεταγωγή ριπής, απαιτούνται επιπλέον λύσεις που θα αυξήσουν την απόδοση του δικτύου και τη χρησιμοποίηση του εύρους ζώνης. Για παράδειγμα, στην περίπτωση που μία ριπή συγκρούεται και δε μπορεί να εκτραπεί λόγω της μη διαθεσιμότητας μήκους κύματος, θύρας εξόδου ή FDL, η απώλεια δεδομένων είναι αναπόφευκτη. Σύνθετη οπτική μεταγωγή ριπής (composite optical burst switching): όταν εφαρμόζονται οι συνήθεις μέθοδοι και η σύγκρουση δεν επιλύεται επιτυχώς απορρίπτεται ολόκληρη η ριπή, παρόλο που η επικάλυψη μεταξύ των ριπών που συγκρούονται μπορεί να είναι ελάχιστη. Αντί να απορρίπτεται ολόκληρη η ριπή (και συνεπώς αρκετά πακέτα), η σύνθετη οπτική μεταγωγή ριπής προτείνει να απορρίπτεται μόνο το αρχικό μέρος της ριπής, μέχρι να βρεθεί διαθέσιμο κανάλι. 35

36 Μόλις βρεθεί κανάλι, το υπόλοιπο κομμάτι της ριπής μεταδίδεται κανονικά. Με τη μέθοδο αυτή ελαχιστοποιείται η πιθανότητα απώλειας πακέτου (αντί της πιθανότητας απώλειας ριπής) γεγονός που συνεπάγεται την αύξηση της απόδοσης του δικτύου ως προς τον αριθμό των διερχόμενων πακέτων. Αναλυτικά μοντέλα έχουν δείξει ότι η σύνθετη μεταγωγή ριπής μπορεί να υποστηρίξει σημαντικά μεγαλύτερη κίνηση από ότι η απλή μεταγωγή ριπής, για συγκεκριμένη τιμή της πιθανότητας απώλειας πακέτου. Η μεγάλη βελτίωση οφείλεται στο γεγονός ότι κατά μέσο όρο το μέρος της ριπής που απορρίπτεται είναι αρκετά μικρότερο από αυτό που τελικά μεταδίδεται επιτυχώς. Κατάτμηση της ριπής (burst segmentation): οι ριπές διαχωρίζονται σε τμήματα τα οποία καθορίζουν τα σημεία όπου θα μπορούσε να κατατμηθεί η ριπή. Όταν προκύψει σύγκρουση, απορρίπτονται τα τμήματα της ριπής που αλληλοεπικαλύπτονται με την άλλη ριπή. Υπάρχουν δύο επιλογές, είτε θα απορριφθεί ένα κομμάτι από το τέλος της μίας ριπής είτε ένα κομμάτι από την αρχή της άλλης [20] [21]. Η κατάτμηση των ριπών μπορεί να εφαρμοστεί σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους επίλυσης συγκρούσεων, όπως είναι η εναλλακτική δρομολόγηση. Τα τμήματα που αποκόπτονται από μία ριπή μπορούν να δρομολογηθούν σε εναλλακτικές εξόδους. Ο συνδυασμός των δύο μεθόδων αυξάνει την πιθανότητα η ριπή να φτάσει στον προορισμό της και άρα βελτιώνει συνολική απόδοση του δικτύου. Επίσης, αυτός ο συνδυασμός μπορεί να υποστηρίξει τη διαφοροποίηση των παρεχόμενων υπηρεσιών. Σε ένα τέτοιο σενάριο οι προτεραιότητες των ριπών μαζί με άλλους παράγοντες όπως το μέγεθος των τμημάτων που συγκρούονται λαμβάνονται υπόψη στην απόφαση για το ποιες ριπές θα κατατμηθούν και/ή θα δρομολογηθούν σε εναλλακτικές εξόδους [1] [22]. Ο Πίνακας 3.1 δίνει μία σύντομη περίληψη αυτών των τεχνικών επίλυσης συγκρούσεων σε δίκτυα OBS [27]. Ας σημειωθεί ότι ορισμένοι από τους ισχυρισμούς μπορούν να εφαρμοστούν από κοινού (συνδυασμός μεθόδων). 36

37 Πίνακας 3.1 : Σύγκριση διαφορετικών τεχνικών επίλυσης συγκρούσεων ΕΞΑΣΦΑΛΙΣΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΠΑΡΕΧΟΜΕΝΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (QUALITY OF SERVICE SUPPORT) Τα συστήματα μεταγωγής ριπής έχουν τη δυνατότητα υποστήριξης διαφοροποιημένων υπηρεσιών. Όπως αναφέρθηκε, ο μηχανισμός δημιουργίας ριπών μπορεί να λάβει υπόψη τις απαιτήσεις των πακέτων ως προς την ποιότητα της υπηρεσίας και να σχηματίσει ριπές με κοινές απαιτήσεις. Για να μπορεί ο μεταγωγέας ριπών να διαχωρίσει τις τάξεις στις οποίες ανήκουν οι ριπές, θα μπορούσαν να προστεθούν σχετικές πληροφορίες στο πακέτο ελέγχου. Αυτό ωστόσο δεν είναι επιθυμητό διότι αυξάνει το επεξεργαστικό κόστος και την πολυπλοκότητα του αλγορίθμου δρομολόγησης, μειώνοντας έτσι το QoS. Η υποστήριξη του Quality of Service μπορεί να θεωρεί ως ένα από τα πιο σημαντικά και ουσιώδη ζητήματα στα οπτικά δίκτυα μεταγωγής ριπών. Η έννοια του QoS αναφέρεται στην μέθοδο με την οποία δίνεται προτεραιότητα σε ορισμένα είδη δικτυακής κίνησης. Για να επιτευχθεί αυτός ο υψηλός στόχος της κατηγοριοποίησης και απόδοσης προτεραιότητας σε κρίσιμη διαδικτυακή κίνηση, πρέπει να οριστούν οι εφαρμογές με έναν τρόπο, με τον οποίο θα δεσμεύονται οι πηγές του δικτύου σε εφαρμογές, ανάλογα με τις απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής και της προσδοκίες του χρήστη. Το traffic που του δίνεται μεγαλύτερη προτεραιότητα, δέχεται καλύτερη συμπεριφορά στις απαιτήσεις του σε σύγκριση με traffic που έχει χαμηλότερη προτεραιότητα. Οι περισσότεροι παροχείς υπηρεσιών δικτύου, για την υποστήριξη του QoS, προσφέρουν διάφορα επίπεδα υπηρεσιών, που διαφοροποιούν τις εφαρμογές ως προς την προτεραιότητας τους, και είναι γνωστά ως κλάσεις υπηρεσιών (Classes of Services - CoS) [38]. Η κάθε CoS 37

38 χαρακτηρίζεται από διαφορετικές απαιτήσεις Υπολογισμού (Computational Requirements), Απαιτήσεις σε Δίκτυο (Network Requirements) και σε Απαιτήσεις σε Χρόνο (Timing Requirements). Η υλοποίηση πολλαπλών κλάσεων υπηρεσίας σε ένα δίκτυο μεταγωγής ριπής μπορεί να γίνει με κατάλληλους χειρισμούς της χρονικής απόστασης μεταξύ των ριπών και των πακέτων ελέγχου. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση, τόσο μεγαλύτερος είναι και ο χρόνος που διαθέτει ο μεταγωγέας για να προετοιμαστεί για την άφιξη της ριπής. Εφόσον η άφιξη της ριπής είναι γνωστή πολύ πριν γίνει, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα εύρεσης διαθέσιμου καναλιού και άρα μικρότερη πιθανότητα απόρριψης ριπής [27]. Σε αυτή την προσέγγιση οι ριπές που ανήκουν σε υψηλές κλάσεις θα πρέπει να περιμένουν περισσότερο προτού δρομολογηθούν. Αυτή η καθυστέρηση, όμως, υφίσταται μόνο στις παρυφές του δικτύου και είναι ανεκτή από τις περισσότερες εφαρμογές. Στην Εικόνα 3.9 εικονίζεται ένα σενάριο με τρία μήκη κύματος τα οποία προσπαθούν να δεσμεύσουν δύο ριπές με διαφορετικές προτεραιότητες. Η ριπή με τη χαμηλή προτεραιότητα δε μπορεί να εξυπηρετηθεί αφού όλα τα μήκη κύματος είναι δεσμευμένα στο διάστημα που τα χρειάζεται, ενώ η ριπή υψηλής προτεραιότητας βρίσκει διαθέσιμο κανάλι εξαιτίας της μεγάλης απόστασης που έχει από το πακέτο ελέγχου [1] [37]. Εικόνα 3.9 : Δέσμευση καναλιών από ριπές με διαφορετικές προτεραιότητες 3.5 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ Συνοψίζοντας, στο κεφάλαιο αυτό έγινε λόγος για τις τεχνικές οπτικής μεταγωγής και περιγράφηκε η λειτουργία της καθεμιάς από αυτές. Σύμφωνα με το [23], ανακεφαλαιώνονται στον Πίνακα 3.2 οι βασικές ιδιότητες των δικτύων οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, πακέτου και ριπής. 38

39 Πίνακας 3.2 : Κύριες ιδιότητες οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, πακέτου και ριπής Στη συνέχεια, ο Πίνακας 3.3 απεικονίζει μία σύγκριση των οπτικών τεχνικών μεταγωγής, παραθέτοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των OCS, OPS και OBS δικτύων μεταγωγής [5]. Πίνακας 3.3 : Σύγκριση οπτικών τεχνικών μεταγωγής 39

40 Αναλυτικότερα, το δίκτυο οπτικής μεταγωγής ριπής παρουσιάζει πιο αποτελεσματική χρήση εύρους ζώνης έναντι του δικτύου οπτικής μεταγωγής κυκλώματος. Σε ένα σύστημα OCS, μία οπτική διαδρομή θα πρέπει να εγκατασταθεί από την πηγή στον προορισμό. Αν η διάρκεια μεταφοράς δεδομένων είναι μικρή σε σχέση με το χρόνο εγκατάστασης, το εύρος ζώνης δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ικανοποιητικά. Σε σύγκριση με ένα OBS δίκτυο, αυτό δεν απαιτεί από άκρη σε άκρη εγκατάσταση ενός μονοπατιού και ως εκ τούτου μπορεί να προσφέρει πιο αποτελεσματική χρήση εύρους ζώνης. Επιπρόσθετα, η τεχνολογία οπτικού buffer δεν έχει ωριμάσει αρκετά για να επιτρέπει την κατασκευή χαμηλού κόστους και την ευρεία χρήση τους στα οπτικά δίκτυα. Οι οπτικοί κόμβοι του δικτύου μπορεί είτε να μην περιέχουν καθόλου buffers είτε να περιέχουν περιορισμένο αριθμό. Έτσι, ο περιορισμός του JET στα δίκτυα οπτικής μεταγωγής πακέτου, μπορεί να ξεπεραστεί με τη χρήση των OBS [5]. Επιπλέον, σε ένα OBS δίκτυο μειώνονται οι απαιτήσεις επεξεργασίας και η κατανάλωση ενέργειας στο δίκτυο. Ένας οπτικός κόμβος του πυρήνα σε ένα OPS δίκτυο θα πρέπει να εκτελέσει λειτουργίες επεξεργασίας δεδομένων για κάθε πακέτο που φθάνει, ενώ σε ένα OBS δίκτυο ο κόμβος εκτελεί εργασίες επεξεργασίας για κάθε ριπή που φθάνει, η οποία περιέχει διάφορα πακέτα. Ως εκ τούτου, μικρότερος χρόνος επεξεργασίας ανά πακέτο απαιτείται σε ένα OBS δίκτυο από ότι σε ένα OPS. Αυτό το πλεονέκτημα μπορεί αν αντισταθμιστεί από το γεγονός ότι ένας edge κόμβος του δικτύου οπτικής μεταγωγής ριπής είναι πιθανόν να είναι πιο σύνθετος από αυτόν του δικτύου οπτικής μεταγωγής πακέτου, λόγω της πιθανής ανάγκης για συνάθροιση μίας ριπής. Κατά συνέπεια, η κατανάλωση ενέργειας στην άκρη ενός OBS δικτύου μπορεί να είναι υψηλότερη από ότι σε ένα δίκτυο OPS. 40

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΤΟ ΠΑΚΕΤΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΟΜΝΕΤ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια οι τεχνικοί δικτύων ολοένα και περισσότερο στηρίζονται στην προσομοίωση για να σχεδιάσουν και να αναπτύξουν τα πολύπλοκα και επιρρεπή σε σφάλματα δίκτυα. Η προσομοίωση δικτύων είναι μία τεχνική όπου ένα πρόγραμμα διαμορφώνει τη συμπεριφορά ενός δικτύου με τον υπολογισμό της αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφόρων οντοτήτων του δικτύου. Αντιστοίχως, η προσομοίωση των δικτύων ήρθε να συμπληρώσει ένα πολύ σημαντικό ρόλο, βοηθώντας τους ερευνητές και τους σχεδιαστές να αντιληφθούν την συμπεριφορά και την απόδοση των πρωτοκόλλων και των δικτύων. Σήμερα η προσομοίωση συχνά χρησιμοποιείται για την απόδοση των δικτύων και πρωτοκόλλων με σκοπό να βοηθήσει στον καθορισμό της τεχνολογίας, να προγραμματίσει τις παραγόμενες δυνατότητες και να επιδείξει την εκπλήρωση των απαιτήσεων του πελάτη. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιείται για να προβλέψει την αναμενόμενη συμπεριφορά των νέων δικτυακών πρωτοκόλλων και σχεδίων μέσα από ποιοτικές και ποσοτικές εκτιμήσεις απόδοσης ή ορθότητας, καθώς και για να εξερευνήσει γρήγορα τα όρια και τις δυνατότητες ενδεχόμενων σχεδίων πρωτοκόλλων μέσα από σύντομη αποτίμηση και επανάληψη. Λόγω αυτής της μεγάλης εξάπλωσης της προσομοίωσης των δικτύων δημιουργήθηκαν από πολλές ερευνητικές ομάδες προγράμματα τα οποία ασχολούνται με την προσομοίωση δικτύων, πρωτοκόλλων, υπηρεσιών και οτιδήποτε άλλο χρήζει ενδιαφέροντος προσομοίωσης με σκοπό την καλύτερη σχεδίαση και ανάπτυξη των δικτύων. Βέβαια από τα πολλά προγράμματα που έχουν δημιουργηθεί είναι λογικό κάποια από αυτά να απαιτούν κάποιο οικονομικό αντίτιμο ώστε να είναι δυνατή η χρήση τους από τους απλούς χρήστες, ενώ αρκετά από αυτά υπάρχουν ελεύθερα στο διαδίκτυο και μπορεί οποιοσδήποτε απλός χρήστης να τα «κατεβάσει» και να τα χρησιμοποιήσει στον προσωπικό του υπολογιστή. Τα εργαλεία αυτά, όπως τα ns-2, OMNeT++ v.4.1, GloMoSim και JiST αναφέρονται και λειτουργούν σε διάφορες πλατφόρμες, όπως τα Windows, Linux, Solaris και SunOS. The Network Simulator NS-2: Αποτελεί ένα από τα πιο διαδεδομένα εργαλεία προσομοίωσης, το οποίο εμφανίστηκε για πρώτη φορά το Το εργαλείο αυτό χρησιμοποιείται ευρέως για την προσομοίωση αδόμητων (ad-hoc) δικτύων και προσφέρει αποτελέσματα για ενσύρματα και ασύρματα δίκτυα. Το NS-2 είναι ένα open source εργαλείο προσομοίωσης που τρέχει κυρίως σε περιβάλλον Linux ( ). Είναι ένας αντικειμενοστραφής προσομοιωτής (Object Oriented Simulator), ο οποίος χρησιμοποιεί στο προσκήνιο την γλώσσα προγραμματισμού OTcl (Object Tool Command Language) και στο παρασκήνιο την C++. 41

42 GloMoSim : Σε GloMoSim χτίζετε ένα εξελικτικό περιβάλλον προσομοίωσης για τα ασύρματα και συνδεμένα με καλώδιο συστήματα δικτύων ( Σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας την παράλληλη ικανότητα προσομοίωσης διακριτών γεγονότων που παρέχεται από την Parsec. Το GloMoSim μπορεί ελεύθερα να το αποκτήσει κάποιος από το δυαδίκτυο. Για να «τρέξει», χρειάζεται ο πιό πρόσφατος μεταγλωττιστής της Parsec (που περιλαμβάνεται τώρα με τη διανομή του GloMoSim.). Java in Simulation Time JiST : Μια νέα προσέγγιση στο χώρο των δικτυακών προσομοιώσεων είναι το JiST, που όπως υποδηλώνει το όνομά του χρησιμοποιεί τη γλώσσα Java για την υλοποίηση των προσομοιώσεων [40]. Οι προσομοιώσεις στo περιβάλλον αυτό αποτελούνται από οντότητες που αναπαριστούν στοιχεία του δικτύου με τα γεγονότα της προσομοίωσης να σχηματίζονται από κλήσεις μεθόδων αυτών των οντοτήτων ( ). 4.2 ΕΓΧΕΙΡΙΔΙΟ ΧΡΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ OMNET++ Η παρούσα ενότητα έχει ως στόχο να υπογραμμίσει τα βασικά στοιχεία του προσομοιωτή, έτσι ώστε ένας χρήστης να μπορεί να πραγματοποιήσει προσομοιώσεις με τη βοήθεια του OMNeT++. Eίναι βασισμένο στη γλώσσα C++ που αναπτύχθηκε στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βουδαπέστη από τον Andras Varga [39]. Είναι πρόγραμμα open-source, ελεύθερο για μη κερδοσκοπική χρήση, και έχει μια αρκετά μεγάλη και ενεργή κοινότητα χρηστών. Αυτό το εργαλείο προσομοίωσης τρέχει εξίσου καλά στα Linux και στα περισσότερα λειτουργικά συστήματα που βασίζονται ή μοιάζουν με Unix, αλλά και σε Win32 πλατφόρμες ( Ακολουθούν μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά [39]: Ιεραρχικά Μοντέλα : τα μοντέλα του OMNeT++ έχουν ιεραρχική δομή όπως ακριβώς και τα πραγματικά συστήματα τα οποία μοντελοποιούν. Ένα πρότυπο OMNeT++ αποτελείται από ιεραρχικά τοποθετημένες μονάδες. Αντικειμενοστρέφεια : τα συστήματα αποτελούνται από αντικείμενα, καθένα από τα οποία έχει τις δικές του ιδιότητες. Τα αντικείμενα αυτά ανήκουν σε κλάσεις και οι κλάσεις μπορούν να επεκτείνονται. Γραφικό περιβάλλον : η διαδικασία της μοντελοποίησης διευκολύνεται μέσω του διαδραστικού γραφικού περιβάλλοντος που παρέχεται στο χρήστη. Ευελιξία : με τη βοήθεια της C++, το OMNeT++ δίνει τη δυνατότητα να μοντελοποιηθούν με ευελιξία τα πρωτόκολλα, οι αλγόριθμοι και οι τεχνολογίες. 42

43 Εύκολη αποσφαλμάτωση : με τη βοήθεια ενός εξελιγμένου debugger είναι δυνατή η εύκολη αναγνώριση και διόρθωση των σφαλμάτων. Animation : μπορούν να παραχθούν γραφικά (animations) σε διάφορα επίπεδα λεπτομέρειας, τα οποία καθιστούν δυνατή την οπτικοποίηση της συμπεριφοράς του συστήματος. Σε αντίθεση με το ns-2, ο OMNeT++ δεν αποτελεί μόνο δικτυακό προσομοιωτή, αλλά έναν προσομοιωτή διακριτών γεγονότων γενικής χρήσης. Στη συνέχεια του κεφαλαίου θα ακολουθήσει μία εκτεταμένη αναφορά στο συγκεκριμένο προσομοιωτή και στον τρόπο λειτουργίας του. Για κάθε σημείο υπάρχει και αναφορά στα αντίστοιχα Sections του User Manual του OMNeT++, χαρακτηριστικό που βοηθά τον αναγνώστη να ανατρέξει στα αντίστοιχα σημεία [39] ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Το OMNeT++ v. 4.1 είναι ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης που βασίζεται στην πλατφόρμα Eclipse, και επεκτείνεται με τη προσθήκη νέων συντακτών (editors), οδηγών και πρόσθετης λειτουργικότητας. Το OMNeT++, δηλαδή, προσθέτει λειτουργικότητα σε αρχεία.ned που έχουν δημιουργηθεί και διαμορφωθεί. Ξεκινώντας ο χρήστης του OMNeT++, εμφανίζεται στην οθόνη η Εικόνα 4.1 από την οποία, πατώντας την επιλογή OK έχει πρόσβαση στο περιβάλλον προσομοίωσης και μπορεί: Να δημιουργήσει μία καινούρια προσομοίωση Να ανοίξει μία ήδη υπάρχουσα προσομοίωση Εικόνα 4.1 : Εικόνα έναρξης OMNeT++ 43

44 Ένα μοντέλο στο OMNeT++ αποτελείται από τη γλώσσα NED (.ned αρχεία), που περιγράφουν τη δομή του μοντέλου, τους ορισμούς των μηνυμάτων (.msg αρχεία), το αρχείο ρυθμίσεων (.ini αρχεία) και τα C++ αρχεία με κατάληξη.h/.cc. Το OMNeT++ IDE παρέχει ένα Simulation Perspective, το οποίο σχετίζεται με τα αρχεία NED, INI και MSG [41]. Το σύστημα προσομοίωσης παρέχει τον πυρήνα προσομοίωσης, ο οποίος περιέχει τον κώδικα που διαχειρίζεται την προσομοίωση και την βιβλιοθήκη της κλάσης προσομοίωσης, και τη διεπαφή με το χρήστη, η οποία χρησιμοποιείται κατά την εκτέλεση της προσομοίωσης για να εξηγήσει τον έλεγχο των λαθών, για επίδειξη των αποτελεσμάτων ή για παράλληλη εκτέλεση προσομοιώσεων. Στο OMNeT++, η γραμμή μενού και η γραμμή εργαλείων έχουν την εμφάνιση που παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα. Περνώντας το ποντίκι πάνω από κάθε εικονίδιο, μπορεί ο χρήστης να βρει τι σημαίνει το κάθε κουμπί. Εικόνα 4.2 : Γραμμή μενού και γραμμή εργαλείων OMNeT++ Δημιουργία OMNeT++ project Στην περίπτωση που ο χρήστης επιθυμεί να δημιουργήσει ένα νέο project (OMNeT++), επιλέγει από τη γραμμή μενού File / New / OMNeT++ Project, δίνει ένα όνομα στο project και πατά Finish. 44

45 Εικόνα 4.3 : Δημιουργία νέου OMNeT++ project Επιπρόσθετα, ο χρήστης, όπως αναφέρθηκε, έχει τη δυνατότητα να ανοίξει ένα ήδη υπάρχον project, αρκεί να επιλέξει από το παράθυρο Project Explorer του περιβάλλοντος αυτό που επιθυμεί. Εικόνα 4.4 : Project Explorer Δημιουργία NED αρχείου Από τη στιγμή που ο χρήστης έχει ένα «άδειο» OMNeT++ project, μπορεί να δημιουργήσει καινούρια NED αρχεία. 45

46 Εικόνα 4.5 : Δημιουργία νέου NED αρχείου Επιλέγοντας από τη γραμμή μενού File / New / Network Description File, ορίζει το κατάλογο που θα βρίσκεται το αρχείο, δίνει ένα όνομα με κατάληξη.ned και πατά Finish. Ένα NED αρχείο απαρτίζεται από το Design μέρος, το οποίο υποστηρίζει τη γραφική απεικόνιση του μοντέλου (Εικόνα 4.6), και το Source τμήμα, στο οποίο παρουσιάζεται ο κώδικας (Εικόνα 4.7). Στο γραφικό μέρος, ο χρήστης μπορεί να επεξεργαστεί το μοντέλο του δικτύου χρησιμοποιώντας το ποντίκι. Το μέρος αυτό εμφανίζει τα ορατά στοιχεία του μοντέλου και τα οποία μπορεί να είναι απλές οντότητες, σύνθετες και τύποι δικτύων. Οι απλές οντότητες και οι υποοντότητες εμφανίζονται στα ned αρχεία ως εικονίδια, ενώ οι σύνθετες και τα δίκτυο ως ορθογώνια. Το τμήμα του πηγαίου κώδικα επιτρέπει στο διαχειριστή του δικτύου να εργάζεται απευθείας με την πηγή NED. Αξίζει να σημειωθεί ότι το αρχείο ned ανανεώνεται συνεχώς, καθώς ο χρήστης πληκτρολογεί κατά τη συγγραφή κώδικα. Όταν ο IDE εντοπίσει λάθη σε ένα αρχείο, το πρόβλημα θα επισημανθεί με ένα δείκτη σφάλματος ( ), ώστε να δείχνει την περιγραφή και τη θέση του προβλήματος. Δείκτης σφάλματος ενδέχεται να εμφανιστεί και στο παράθυρο κειμένου [41]. Για παράδειγμα, αν υπάρχουν δύο οντότητες με το ίδιο όνομα και το πακέτο σε συναφή projects, τα αρχεία των δύο οντοτήτων θα επισημαίνονται με ένα λάθος. 46

47 Εικόνα 4.6 : Design Editor Εικόνα 4.7 : Source Editor Ο επεξεργαστής κειμένου (Source editor) μπορεί να προσφέρει πιθανές λέξεις ή πρότυπα, αλλά αυτό εξαρτάται από τα συμφραζόμενα, αφού θα προσφέρει μόνο έγκυρες προτάσεις (Content Assist - Εικόνα 4.8). 47

48 Εικόνα 4.8 : NED Source Editor με ενεργοποιημένο content assist Δημιουργία C++ αρχείου Για να δημιουργήσει ο χρήστης του εργαλείου προσομοίωσης OMNeT++ ένα C++ αρχείο, που αντιστοιχεί σε κάποια απλή οντότητα και της δίνει λειτουργικότητα, επιλέγει File / New / Class (OMNeT++), ορίζει όνομα στο αρχείο και πατά Finish. Στην Εικόνα 4.9 φαίνεται και η αντίστοιχη διαδικασία. Ο διαχειριστής του δικτύου στο.cc αρχείο προσδίδει λειτουργικότητα στις οντότητες χρησιμοποιώντας συναρτήσεις από τις βιβλιοθήκες του OMNeT++ και τα.cc αρχεία χρειάζεται να έχουν το ίδιο όνομα με τις οντότητες που αντιπροσωπεύουν. Σε περίπτωση που εντοπιστεί λάθος στο.cc αρχείο, αυτά γίνονται ορατά με ένα δείκτη σφάλματος και όταν ο χρήστης περάσει το κέρσορα πάνω από το αυτό του δίνεται επεξήγηση [41], όπως χαρακτηριστικά φαίνεται και στην Εικόνα

49 Εικόνα 4.9 : Δημιουργία C++ κλάσης 49

50 Εικόνα 4.10 : Εντοπισμός λάθους στο.cc αρχείο Δημιουργία INI αρχείου Στο OMNeT++, τα μοντέλα προσομοίωσης ρυθμίζονται για εκτέλεση χρησιμοποιώντας αρχεία που ονομάζονται INI αρχεία. Ο επεξεργαστής αρχείου INI είναι μέρος του OMNeT++ IDE. Για να δημιουργηθεί ένα τέτοιο αρχείο επιλέγεται από τη γραμμή μενού File / New / Initialization File και ανοίγει ένα παράθυρο όπου ο χρήστης επιλέγει ένα όνομα με την κατάληξη.ini. 50

51 Εικόνα 4.11 : Δημιουργία INI αρχείου Η επεξεργασία του INI αρχείου γίνεται στο συντάκτη (Source) όπως δείχνει και η Εικόνα Όπως στα αρχεία.ned, έτσι και στα αρχεία.ini, λάθη που εντοπίζονται μπορούν να σημειωθούν στην αριστερή πλευρά του συντάκτη, όπως δηλώνει και η Εικόνα Εικόνα 4.12 : Source mode 51

52 Εικόνα 4.13 : Εντοπισμός λάθους στο.ini αρχείο Δημιουργία MSG αρχείου Προχωρώντας στα MSG αρχεία, ο χειριστής της προσομοίωσης επιλέγοντας File / New / Message Definition, εμφανίζεται το παρακάτω παράθυρο από το οποίο δίνεται ένα όνομα στο αρχείο με την κατάληξη.msg. 52

53 Εικόνα 4.14 : Δημιουργία MSG αρχείου Το MSG αρχείο έχει τη μορφή της Εικόνας 4.15 και το OMNeT++ δημιουργεί γι αυτό τα.cc και.h αρχεία, με τα οποία σχετίζεται άμεσα. 53

54 Εικόνα 4.15 : Message Editor Τέλος, αφού ο χρήστης έχει καθορίσει τα αρχεία από τα οποία αποτελείται το μοντέλο του, περνά στο τελευταίο βήμα στο οποίο η προσομοίωση πρέπει να «τρέξει», πατώντας από τη γραμμή εργαλείων το εικονίδιο. Τότε, δύο παράθυρα εμφανίζονται στην οθόνη. Για παράδειγμα, σε περίπτωση που ο χρήστης «τρέξει» το project με όνομα Tictoc1, η Εικόνα 4.16 δείχνει γραφικά τη κίνηση του δικτύου και των πακέτων, ενώ η Εικόνα 4.17 (Tkenv Tictoc1) δείχνει βήμα - βήμα τη λειτουργία του δικτύου. Εικόνα 4.16 : Γραφική απεικόνιση κίνησης του δικτύου 54

55 Εικόνα 4.17 : Το κύριο παράθυρο Tkev Αναλυτικότερα, το κύριο παράθυρο της προσομοίωσης περιλαμβάνει [41]: Γραμμή εργαλείων : ο χρήστης έχει πρόσβαση στις βασικές λειτουργίες του περιβάλλοντος που «τρέχει» η προσομοίωση. Είναι δυνατό να «τρέξει» την προσομοίωση βήμα-βήμα ( ), γρήγορα ( ), πολύ γρήγορα ( ) ή να τη σταματήσει. Γραμμή κατάστασης : περιέχει πληροφορίες για την τρέχουσα κατάσταση της προσομοίωσης. Στην επάνω γραμμή εμφανίζεται ο τρέχον αριθμός της προσομοίωσης, το όνομα του δικτύου, το τρέχον event, ο χρόνος προσομοίωσης και το όνομα του module όπου το επόμενο συμβάν θα πραγματοποιηθεί. Η μεσαία γραμμή εμφανίζει τον αριθμό των μηνυμάτων που έχουν δημιουργηθεί κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης και τον τελικό αριθμό τους στην προσομοίωση. Η τελευταία γραμμή περιέχει δεδομένα απόδοσης. Χρονοδιάγραμμα : Εμφανίζει τα περιεχόμενα των μελλοντικών Events σε μία λογαριθμική κλίμακα του χρόνου. Κάθε σημείο (τελεία) παριστάνει ένα event. Αρχείο καταγραφής (Log Area) : περιέχει την έξοδο της προσομοίωσης. 55

56 4.2.2 ΕΝΝΟΙΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ Τα τυπικά χαρακτηριστικά από τα οποία συναρμολογούνται τα μοντέλα στο OMNeT++ είναι οι λεγόμενες οντότητες (modules), οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους μέσω πυλών (gates/ports) και επικοινωνούν ανταλλάσσοντας μηνύματα (messages), μεταφέροντας δυαδικά δεδομένα. Ο χρήστης περιγράφει τη δομή του μοντέλου της προσομοίωσης με τη γλώσσα NED (Network Description), ενώ οι οντότητες προγραμματίζονται σε C++ [39]. MODULES Τα δομικά στοιχεία ενός μοντέλου στο OMNeT++ είναι τα modules. Τα modules μπορούν να χαρακτηριστούν ως αυτόνομες μονάδες οι οποίες επικοινωνούν με το πέρασμα μηνυμάτων (Εικόνα 4.18). Οι ενεργές ενότητες ονομάζονται απλές οντότητες, οι οποίες μπορούν να ομαδοποιηθούν σε σύνθετες, με αποτέλεσμα το βάθος της ιεραρχίας να είναι απεριόριστο. Το σημαντικότερο που πρέπει να γίνει κατανοητό για τα simple modules είναι το γεγονός ότι είναι επαναχρησιμοποιήσιμα και μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους σχηματίζοντας σύνθετες οντότητες τα compound modules. Και τα simple και τα compound modules είναι στιγμιότυπα κάποιου τύπου module που έχει ορίσει ο χρήστης και μπορούν να αποθηκευτούν σε ξεχωριστά αρχεία, σχηματίζοντας βιβλιοθήκες. Εικόνα 4.18 : Simple και compound modules MESSAGES, GATES, LINKS Οι οντότητες επικοινωνούν ανταλλάσοντας μηνύματα. Σε μία πραγματική προσομοίωση, τα μηνύματα μπορούν να αναπαριστούν πλαίσια ή πακέτα σε ένα δίκτυο υπολογιστών, jobs ή πελάτες σε ένα δίκτυο ουρών, ή άλλους τύπους κινητών οντοτήτων. Οι απλές ενότητες μπορούν να στέλνουν μηνύματα είτε απευθείας στον προορισμό τους ή κατά μήκος ενός προκαθορισμένου μονοπατιού μέσω πυλών και συνδέσεων. 56

57 Οι πύλες είναι οι διασυνδέσεις εισόδου και εξόδου των ενοτήτων. Υπάρχουν τρεις τύποι: input, output και inout. Τα μηνύματα στέλνονται έξω μέσω πυλών εξόδου και φτάνουν στο module μέσω πυλών εισόδου. Δύο θύρες συνδέονται μεταξύ τους με μια σύνδεση (link). Κάθε σύνδεση δημιουργείται μέσα σε ένα compound module και συνδέει τις πύλες δύο υποοντοτήτων, ή μία πύλη μιας υποοντότητας με μια πύλη της σύνθετης οντότητας. Ένα ολοκληρωμένο δίκτυο φαίνεται και στην Εικόνα Λόγω της ιεραρχικής δομής του μοντέλου, τα μηνύματα τυπικά ταξιδεύουν μέσω μιας σειράς συνδέσεων, που ξεκινούν και φτάνουν σε απλές οντότητες. Σε μια σύνδεση μπορούν να αντιστοιχηθούν τρεις παράμετροι για την ρεαλιστική μοντελοποίηση ενός δικτύου [39]: 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. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (PARAMETERS) Τα modules μπορούν να έχουν παραμέτρους. Θα χαρακτηρίζαμε τις παραμέτρους σαν μια μορφή μεταβλητών, οι οποίες μπορούν να ανατεθούν είτε στα αρχεία NED είτε στο αρχείο διαμόρφωσης omnetpp.ini. Μπορούν να πάρουν αριθμητικές, αλφαριθμητικές και Boolean τιμές. Οι αριθμητικές τιμές περιλαμβάνουν εκφράσεις που χρησιμοποιούν άλλες παραμέτρους και καλούν συναρτήσεις C. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΝΤΑΣ ΤΟΥΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥΣ Οι απλές οντότητες ενός μοντέλου περιέχουν αλγορίθμους, όπως C++ συναρτήσεις. Τα αντικείμενα προσομοίωσης (μηνύματα, ενότητες, ουρές, κτλ.) αναπαριστώνται από κλάσεις C++, που έχουν σχεδιαστεί να δουλεύουν μαζί αποτελεσματικά. ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Ένα μοντέλο στο OMNeT++ αποτελείται από τα ακόλουθα 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). Το σύστημα προσομοίωσης παρέχει τα ακόλουθα συστατικά: 57

58 Πυρήνας προσομοίωσης: περιέχει τον κώδικα που διαχειρίζεται την προσομοίωση και τις βιβλιοθήκες κλάσεων της προσομοίωσης Διεπαφές χρήστη: χρησιμοποιούνται στην εκτέλεση της προσομοίωσης για να διευκολύνουν την αποσφαλμάτωση. 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 διαβάζεται το αρχείο διαμόρφωσης (.ini) Η ΓΛΩΣΣΑ NED Ακολουθεί μία σύντομη περιγραφή της γλώσσας NED και των κυριότερων χαρακτηριστικών της. Ο χρήστης περιγράφει τη δομή ενός μοντέλου προσομοίωσης με τη γλώσσα NED (Network Description), η οποία του επιτρέπει να δηλώσει απλές οντότητες, να τις συνδέσει και να τις συναρμολογήσει σε σύνθετες οντότητες. Ο χρήστης μπορεί να διαχειριστεί τις σύνθετες οντότητες σα δίκτυα (networks). SIMPLE MODULES (βλέπε Section 3.3) Τα simple modules αποτελούν τα ενεργά συστατικά μέρη του μοντέλου και δηλώνονται με τη λέξη κλειδί simple. Ένα παράδειγμα simple module φαίνεται παρακάτω. simple Queue { parameters: int gates: input in; output out; } Και ο τομέας parameters και ο τομέας gates είναι προαιρετικός. Αξίζει να σημειωθεί ότι η δήλωση ενός module στην γλώσσα NED (η οποία περιέχεται σε ένα αρχείο με κατάληξη.ned) δεν περιέχει καθόλου κώδικα για να ορίσει την λειτουργία του module. Αυτός ο 58

59 κώδικας περιέχεται σε μια κλάση C++. Αρχικά το OMNeT++ ψάχνει να εντοπίσει μια κλάση με το ίδιο όνομα όπως ο τύπος NED που δηλώσαμε (στο παράδειγμα παραπάνω ως: «Queue»). Παράλληλα, μπορούν να επεκταθούν οι δυνατότητες μιας κλάσης με τη δημιουργία υποκλάσεων από αυτήν. Μια υποκλάση της Queue που ορίστηκε παραπάνω είναι η εξής: simple BoundedQueue extends Queue { capacity = 10; } COMPOUND MODULES (βλέπε Section 3.4) Ένα compound module ομαδοποιεί άλλα modules σε μια μεγαλύτερη μονάδα, αλλά δεν έχει κώδικα C++ που να σχετίζεται με αυτό. Μπορεί να έχει πύλες και παραμέτρους, όπως μία απλή, αλλά δεν έχει λειτουργικότητα. Η συμπεριφορά του είναι το αποτέλεσμα της συνεργασίας των simple modules που το αποτελούν. Σε περίπτωση που ο διαχειριστής του μοντέλου επιθυμεί να προσθέσει κώδικα σε μια σύνθετη οντότητα, τότε αρκεί να ενθυλακώσει το κώδικα σε μια απλή οντότητα και να την προσθέσει σαν μια υποοντότητα. Μία δήλωση ενός compound μπορεί να είναι η εξής και όλα τα τμήματα που περιέχει μπορεί να είναι προαιρετικά. module Host { types:... parameters:... gates:... submodules:... connections: 59

60 }... Τα modules που αποτελούν το compound module γράφονται κάτω από την δεσμευμένη λέξη submodules. Οι τύποι των καναλιών και των modules που χρησιμοποιούνται μόνο τοπικά μπορούν να γραφούν κάτω από το types. Κάτω από τις δεσμευμένες λέξεις parameters, gates και connections η συμπεριφορά είναι ανάλογη των simple modules. Ο χρήστης μπορεί να δημιουργήσει συνδέσεις χρησιμοποιώντας απλές προγραμματιστικές δομές (loop, conditions). Φυσικά και στα compound modules μπορούν να δημιουργηθούν άλλα modules που να κληρονομούν και να επεκτείνουν τις δυνατότητες τους με την βοήθεια του extends. ΚΑΝΑΛΙΑ (CHANNELS) (βλέπε Section 3.5) Τα κανάλια ενθυλακώνουν παραμέτρους και συμπεριφορά που σχετίζεται με τις συνδέσεις (connections). Όπως και στα simple modules έτσι και στα κανάλια υπάρχει από πίσω τους μια κλάση C++. Ένα παράδειγμα είναι το εξής: channel CustomChannel { } Συνήθως δεν χρειάζεται να γραφούν καινούριες κλάσεις για κανάλια γιατί χρησιμοποιούνται οι έτοιμες που προσφέρονται από το OMNeT++. Αυτές είναι : ned.idealchannel ned.delaychannel ned.dataratechannel Το επόμενο παράδειγμα δείχνει τη δημιουργία ενός τύπου καναλιού channel C extends ned.dataratechannel { datarate = 100Mbps; 60

61 } delay = 100us; ber = 1e-10; ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ (PARAMETERS) (βλέπε Section 3.6) Όπως ααφέρθηκε και προηγουμένως, οι παράμετροι είναι μεταβλητές που ανήκουν σε ένα module και μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά τη σύνθεση της τοπολογίας. Μπορεί να είναι του τύπου int, double, bool, string και xml. Παίρνουν τις τιμές τους είτε από τα αρχεία NED, είτε από τα αρχεία διαμόρφωσης (.ini), είτε κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης από τον χρήστη. Αν η τιμή μιας παραμέτρου οριστεί με ρητό τρόπο σε ένα αρχείο NED, τότε δεν μπορεί να αλλάξει από ένα αρχείο διαμόρφωσης. Μπορεί επίσης να οριστεί μια default τιμή η οποία θα εφαρμόζεται αν δεν δοθεί τιμή στην παράμετρο με άλλο τρόπο ( = default( )). Αν οριστεί μια παράμετρος με τον τροποποιητή volatile, τότε η παράμετρος θα υπολογίζεται κάθε φορά που διαβάζεται. ΠΥΛΕΣ (GATES) (βλέπε Section 3.7) Οι θύρες είναι τα σημεία επικοινωνίας των modules. Το OMNeT++ έχει τρεις τύπους πυλών input, output και inout, με την τελευταία να είναι μία πύλη εισόδου - εξόδου ενωμένες μεταξύ τους. Εκτός από απλές θύρες μπορούν να δημιουργηθούν και gate vectors (διανύσματα από θύρες έναν μονοδιάστατο πίνακα). Το μέγεθος των διανυσμάτων μπορεί να δηλωθεί μέσα στις αγκύλες ή να μείνει κενό. Στην συνέχεια μπορεί να επεκταθεί το gate vector και να προστεθούν νέες θύρες με τον τελεστή gate++. Για παράδειγμα: simple Sink { gates: } input in[ ]; 61

62 ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ (LINKS) (βλέπε Section 3.9) Οι θύρες input και output συνδέονται με απλό βέλος ενώ οι inout με διπλό. Για να συνδεθούν δύο θύρες με ένα κανάλι χρησιμοποιούνται τα βέλη και μπαίνει το όνομα του καναλιού ανάμεσα. <--> {delay=10ms} <--> <--> C <--> SIMPLE MODULES Τα simple modules προγραμματίζονται σε C++, χρησιμοποιώντας τη βιβλιοθήκη κλάσεων του OMNeT++ και όλες οι απλές οντότητες που δημιουργούνται είναι υποκλάσεις της κλάσης csimplemodule. Αντίστοιχα, οι σύνθετες οντότητες είναι υποκλάσεις της κλάσης ccompoundmodule. Το παρακάτω διάγραμμα κληρονομικότητας απεικονίζει τη σχέση μεταξύ των κλάσεων [39]. Εικόνα 4.19 : Κληρονομικότητα κλάσεων στο OMNeT++ Συναρτήσεις της csimplemodule Οι συναρτήσεις της csimplemodule που πρέπει να τροποποιήθούν για να προσδωθεί λειτουργικότητα στο module είναι: 62

63 void initialize( ) (βλέπε Section ): H συνάρτηση initialize() καλείται πριν την εκτέλεση του πρώτου event της προσομοίωσης και περιέχει των κώδικα αρχικοποίησης του module. Μπορεί να διαβάσει παραμέτρους, να αρχικοποιήσει μεταβλητές μιας κλάσης, να δεσμεύσει χώρο μνήμης. void handlemessage(cmessage *msg) (βλέπε Section 4.4.1): Είναι η συνάρτηση που καλείται σε κάθε event. Ο κώδικάς της εκτελείται κάθε φορά που ένα μήνυμα φτάνει στο module. Είναι δηλαδή αυτή που υποδεικνύει στο module πώς να το χειριστεί. Αν ο χρήστης επιθυμεί ο κώδικας της handlemessage να αρχίσει να εκτελείται πριν φτάσει κάποιο μήνυμα από άλλο module, πρέπει να κανονιστεί ένα self message. Για το χειρισμό μηνυμάτων μέσω προγραμματισμού της handlemessage μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι send( ) στέλνονται μηνύματα σε άλλες οντότητες, scheduleat( ) προγραμματίζεται ένα γεγονός, event και η cancelevent( ) διάγραφεται ένα γεγονός που προγραμματίστηκε με την scheduleat ( ). void activity( ) (βλέπε Section 4.4.2): Είναι η εναλλακτική προσέγγιση της handlemessage( ). Με αυτήν προγραμματίζεται το module σαν να ήταν μια διεργασία συστήματος. Εκτελεί έναν ατέρμονα βρόγχο και μπορεί να ανασταλεί η λειτουργία του με την wait( ). Πρέπει να τονιστεί ότι για να παραληφθούν μηνύματα με αυτήν πρέπει να χρησιμοποιηθεί η συνάρτηση receive( ). Όταν η activity τερματιστεί, τερματίζεται και το module. Γενικά, αν δεν χρησιμοποιείται η wait( ), η χρήση της activity( ) πρέπει να αποφεύγεται. Επίσης, με την activity ( ) μπορούν να χρησιμοποιηθούν και συναρτήσεις όπως οι send ( ), scheduleat( ), cancelevent ( ) και η end ( ) για να τερματίζεται η εκτέλεση της οντότητας. void finish( ) (βλέπε Section 4.3.3): Παρέχει τον χώρο όπου ο χρήστης μπορεί να προσθέσει κώδικα για να καταγράψει στατιστικά στοιχεία όταν η προσομοίωση έχει τελειώσει επιτυχώς. Η συνάρτηση δεν καλείται όταν η προσομοίωση σταματά με ένα μήνυμα λάθους. Παρακάτω παρουσιάζεται ένα παράδειγμα τόσο με τη χρήση της activity όσο και της handlemessage (cmessage *msg). void Sink::activity() { while(true) { msg = receive(); delete msg; 63

64 } } ενώ με τη χρήση της handlemessage ισχύει void Sink::handleMessage(cMessage *msg) { delete msg; } SIMULATION TIME (βλέπε Section 4.1.4) O τρόπος για να ανακτηθεί ο χρόνος προσομοίωσης είναι μέσω της συνάρτησης simtime ( ). O χρόνος προσομοίωσης αναπαρίσταται εσωτερικά με τον τύπο simtime_t o οποίος είναι μέλος της κλάσης SimTime ΜΗΝΥΜΑΤΑ (MESSAGES) Γενικά (βλέπε Section 5.1.1) Όπως έχει ειπωθεί και σε προηγούμενη ενότητα, ένα μοντέλο προσομοίωσης στο OMNeT++ είναι ένα σύνολο από απλές και σύνθετες οντότητες που επικοινωνούν μεταξύ τους ανταλλάσοντας μηνύματα. Η ουσία των απλών οντοτήτων είναι ότι μπορούν να δημιουργούν, να στέλνουν, να λαμβάνουν, να αποθηκεύουν και να καταστρέφουν μηνύματα. Τα μηνύματα στο OMNeT++ είναι στιγμιότυπα της κλάσης cmessage. Μπορούν να αναπαραστήσουν events, πλαίσια, πακέτα κ.τ.λ. Αντικείμενα μηνυμάτος δημιουργούνται χρησιμοποιώντας το το τελεστή της C++ new, και καταστρέφονται χρησιμοποιώντας το τελεστή delete, όταν πλέον δε είναι χρήσιμα. Κάθε φορά που δημιουγείται ένας νέος τύπος μηνύματος στην ουσία δημιουργείται μια υποκλάση της cmessage. Κάθε αντικείμενο cmessage έχει μια σειρά από πεδία, μερικά από τα οποία χρησιμοποιούνται από τον πυρήνα της προσομοίωσης και άλλα από τον προγραμματιστή της προσομοίωσης για διευκόλυνση. Τέτοιες ιδιότητες είναι: το όνομα του μηνύματος (name), που μπορεί ελεύθερα να χρησιμοποιηθεί από τον προγραμματιστή της προσομοίωσης. Το όνομα του μηνύματος εμφανίζεται σε πολλά 64

65 σημεία στο γραφικό περιβάλλον, και είναι γενικά χρήσιμο να επιλεγεί ένα περιγραφικό όνομα. το είδος του μηνύματος ( message kind ), το οποίο θα είναι ένας ακέραιος αριθμός και χρησιμοποιείται για να μεταφέρει μία τιμή που αποπνέει το ρόλο, τον τύπο, την κατηγορία και την ταυτότητα του μηνύματος. η προτεραιότητα του κάθε μηνύματος ( scheduling priority ), η οποία χρησιμοποιείται από τον πυρήνα της προσομοίωσης για να καθορίσει τη σειρά παραλαβής των μηνυμάτων που έχουν τις ίδιες τιμές χρόνου άφιξης. και επίσης ο χρόνος αποστολής και άφιξης, η διεύθυνση πηγής και προορισμού, κτλ. Αντίστοιχα η κλάση cpacket κληρονομεί από την κλάση cmessage. Για τη δημιουργία ενός νέου μηνύματος χρησιμοποιούμε τον κατάλληλο constructor: cmessage *msg = new cmessage( MessageName, msgkind); Όπου MessageName το όνομα του μηνύματος και msgkind το είδος του. Όταν ένα μήνυμα έχει δημιουργηθεί, τα δεδομένα-μέλη του μπορούν να αλλάξουν από τις ακόλουθες συναρτήσεις: msg->setkind( kind ); msg->setbitlength( length ); msg->setbytelength( lengthinbytes ); msg->setschedulingpriority( priority ); Είναι συχνά χρήσιμο να αντιγραφεί ένα μήνυμα ή ένα πακέτο, ώστε να κρατηθεί το ένα και να σταλεί από την έξοδο το αντίγραφο. Αυτό γίνεται με τη μέθοδο dup( ). cmessage *copy = msg->dup(); Το μήνυμα που προκύπτει είναι ένα ακριβές αντίγραφο του προτοτύπου. 65

66 Ορισμός μηνυμάτων (βλέπε Section 5.2.1) Πολλές φορές θα χρειαστεί να προστεθούν αρκετά πεδία στο cmessage για να μπορέσει ο χρήστης να το χρησιμοποιήσει. Δεδομένου ότι η βιβλιοθήκη προσομοίωσης είναι γραμμένη σε C++, ένας φυεικός τρόπος επέκτασης της cmessage είναι μέσω της δημιουργίας υποκλάσεων αυτής. To OMNeT++ για να τον διευκολύνει παρέχει μια πολύ απλή διαδικασία: τους ορισμούς μηνυμάτων για να περιγραφούν τα περιεχόμενα των μηνυμάτων. Ένας C++ κώδικας αυτόματα δημιουργείται από τους ροισμούς μηνυμάτων, σώζοντας το χρήστη από συγγραφή γραμμών κώδικα. Έτσι, αρκεί να δημιουργηθεί ένα αρχείο κειμένου που να έχει την κατάληξη.msg και την εξής μορφή περιεχομένου για παράδειγμα: message MyPacket { int srcaddress; int destaddress; int hops = 32; }; όπου, MyPacket το όνομα του μηνύματος που επιθυμούμε, και srcaddress, destaddress και hops τα πεδία του μηνύματος. Στην συνέχεια αναλαμβάνει το OMNeT++ να δημιουργήσει την κλάση σε C++ και να παράσχει τα κατάλληλα αρχεία mypacket_m.h και mypacket_m.cc. Το αρχείο mypacket_m.h περιέχει τη δήλωση της C++ κλάσης MyPacket,και θα πρέπει να περιλαμβάνεται με τους κώδικες C++, όταν χρειάζεται ο χρήστης να διαχειριστεί αντικείμενα MyPacket. Ένα τέτοιο αρχείο μπορεί να είναι: class MyPacket : public cmessage {... virtual int getsrcaddress() const; virtual void setsrcaddress(int srcaddress);... }; 66

67 Έτσι, στα C++ αρχεία πρέπει να περιέχεται: #include "mypacket_m.h" Κληρονομικότητα μεταξύ κλάσεων μηνυμάτων(βλέπε 5.2.4) Εξορισμού, η κλάση cmessage αποτελεί υποκλάση των μηνυμάτων. Ωστόσο, μπορεί ρητά να καθοριστεί η βασική κλάση χρησιμοποιώντας τη λέξη κλειδί extends. message FooPacket extends FooBase { }; Για το παραπάνω παράδειγμα ο παραγώμενος C++ κώδικας θα είναι ο παρακάτω: class FooPacket : public FooBase {... }; Αποστολή και λήψη μηνυμάτων (βλέπε Section 4.7.2) Εφόσον έχει δημιουργηθεί ένα αντικείμενο μηνύματος μπορεί να σταλεί σε μια output gate με τις συναρτήσεις: send(cmessage *msg, const char *gatename, int index=0); send(cmessage *msg, int gateid); Στην πρώτη συνάρτηση, το msg είναι το μήνυμα που στέλνεται, το gatename το όνομα της πύλης και αν πρόκειται για gate vector το τρίτο όρισμα index είναι δείκτης προς τη συγκεκριμένη θύρα. Η δεύτερη συνάρτηση χρησιμοποιεί το ID της πύλης και είναι ταχύτερη 67

68 από την πρώτη επειδή δε χρειάζεται να ψάξει για την πύλη μέσω του ονόματος της. Παραδείγματα αποτελούν : send(msg, "out"); send(msg, "outv", i); Για τις συναρτήσεις λήψης μηνύματος void handlemessage(cmessage *msg) και void activity( ) έγινε λόγος σε προηγούμενη ενότητα (βλέπε Section 4.7.7). Self-messages (βλέπε Section 4.7.1) Είναι πιθανό οι απλές οντότητες να χρειαστεί να στείλουν μηνύματα στον εαυτό τους, τα λεγόμενα self-messages. Αυτά χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν events που συμβαίνουν μέσα στο module ή για να υλοποιήσουν χρονόμετρα. Τέτοιου είδους μηνύματα παραλαμβάνονται από την οντότητα με τον ίδιο τρόπο που γίνεται και με τα άλλα μηνύματα ( μέσω της κλήσης της συνάρτησης receive ( ) ή της handlemessage( ) ). Η οντότητα μπορεί να καθορίσει αν πρόκειται για self message μέσω της isselfmessage ( ). Ένα module μπορεί να στείλει ένα μήνυμα στον εαυτό του με την συνάρτηση scheduleat( ). Για παράδειγμα: scheduleat(simtime( ) + delta, msg) Στέλνει το μήνυμα msg στον εαυτό του σε χρονικό διάστημα delta, από το χρόνο που δείχνει το ρολόι προσομοίωσης εκείνη τη στιγμή. Με την συνάρτηση cancelevent( ) μπορεί να ακυρωθεί η αποστολή ενός self-message. cancelevent(msg); Η συνάρτηση αυτή παίρνει ως δείκτη το μήνυμα που πρόκειται να ακυρωθεί, και επιπλέον επιστρέφει τον ίδιο δείκτη. 68

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΝΟΣ OBS ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΣΩ ΤΟΥ OMNeT ΕΙΣΑΓΩΓΗ Καθώς το εύρος ζώνης του δικτύου συνεχώς αυξάνεται, η εκτέλεση της δρομολόγησης στο ηλεκτρονικό πεδίο μέσω οπτικών-ηλεκτρονικών και ηλεκτρονικών-οπτικών μετατροπών γίνεται τόσο πολύπλοκη όσο και δαπανηρή. Ως εκ τούτου, η εφαρμογή της λειτουργίας δρομολόγησης στο οπτικό πεδίο παίζει ένα σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των οπτικών δικτύων. Γενικά, για την υλοποίηση των λειτουργιών δρομολόγησης στο οπτικό πεδίο, τα OCS και OBS δίκτυα έχουν διαφορετικές απαιτήσεις για την αναδιαμόρφωση του χρόνου μεταγωγής. Ένας αργός μεταγωγέας μπορεί να είναι επαρκής για την OCS λειτουργία, καθώς ένα φωτεινό μονοπάτι (ligthpath) συνήθως δημιουργείται για μεγάλη περίοδο σε σύγκριση με το χρόνο αναδιαμόρφωσης της μεταγωγής στους κόμβους. Ωστόσο, για κίνηση ριπής, ο χρόνος αναδιαμόρφωσης της μεταγωγής χρειάζεται να είναι μικρότερος για καλύτερη αποτελεσματικότητα δικτύου, με αποτέλεσμα να χρειάζεται γρήγορη οπτική μεταγωγή για OBS δίκτυα. Πρόσφατες προσπάθειες έχουν γίνει για να εφαρμοστούν αυστηρές αρχιτεκτονικές που χρησιμοποιούν συντονιζόμενους μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) σε συνδυασμό με ημιαγωγούς οπτικών ενισχυτών (SOAs). Ωστόσο, η πολυπλοκότητα υλικού (hardware) σε τέτοιες διαμορφώσεις έχει παρακινήσει ομάδες ερευνητών να μελετήσουν εναλλακτικές αρχιτεκτονικές κόμβων που μπορούν να προσφέρουν απλή και γρήγορη λειτουργία. Στην παρούσα εργασία προτείνεται ένα νέο δίκτυο αστέρα βασισμένο στο συζεύκτη παθητικού αστέρα (PSC), όπου μειώνεται ακόμη περισσότερο η οπτική απαίτηση υλικού (hardware). 5.2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΔΙΚΤΥΟΥ Η εμφάνιση των OBS δικτύων προέκυψε από την επιθυμία για γρήγορη μεταφορά ενός μεγάλου ποσοστού δεδομένων διαμέσου ενός οπτικού δικτύου υψηλής χωρητικότητας χωρίς να χρειάζεται η παροχή κυκλωμάτων μακράς διαρκείας και από την προτίμηση για επίτευξη ευέλικτης δικτύωσης σε οπτικούς διασυνδετικούς κόμβους (OXCs) χωρίς να χρειάζεται η ανάπτυξη νέων οπτικών δρομολογητών. Τυπικά, το OBS χρησιμοποιεί ηλεκτρονική επεξεργασία στο επίπεδο ελέγχου για να διαβάσει την κεφαλίδα της ριπής (burst header cell BHP). Στο επίπεδο δεδομένων, η μεταγωγή των ριπών δεδομένων μπορεί να είναι πλήρως 69

70 οπτική εάν χρησιμοποιείται πλήρως οπτική δομή μεταγωγής. Οι ριπές δεδομένων μπορούν να περιέχουν πολλαπλά πακέτα με ποικίλα ποσοστά δεδομένων. Εικόνα 5.1 : Τοπολογία αστέρα με n-κόμβους Η Εικόνα 5.1 δείχνει ένα γενικό δίκτυο παθητικού οπτικού αστέρα n-κόμβων. Ο συζεύκτης παθητικού αστέρα διανέμει τα σήματα που φθάνουν από την είσοδο στις ίνες εξόδου, κατανέμοντας ομοιόμορφα την ισχύ τους (Εικόνα 5.2). Ο κόμβος i αποτελείται από δύο ξεχωριστά blocks, ένα για μετάδοση (Ti) και ένα για παραλαβή (Rj), παίζοντας το ρόλο και του αποστολέα και του παραλήπτη. Κάθε πομπός δημιουργεί μία ριπή με πιθανότητα p, ανεξάρτητα σε κάθε σχισμή. Όταν ο κόμβος i θέλει να μεταδώσει μία ριπή στον κόμβο j, o πομπός Ti στέλνει μία ριπή δεδομένων (BDP), χρησιμοποιώντας το laser του κλειδωμένο σε ένα σταθερό μήκος κύματος, ενώ ο παραλήπτης Rj συντονίζει το φίλτρο του στο μήκος κύματος που χρησιμοποιήθηκε από τον κόμβο i. Το σταθερό μήκος κύματος λc χρησιμοποιείται για να μεταδώσει μία ριπή ελέγχου (BCP) στο κανάλι ελέγχου. Στα οπτικά δίκτυα, κάθε κόμβος έχει έναν σταθερό μεταδότη και έναν συντονιζόμενο παραλήπτη στο μήκος κύματος του καναλιού ελέγχου. Κάθε BCP αποτελείται από n mini-σχισμές (slots), όπου καθεμιά ανατίθεται σε έναν διαφορετικό κόμβο. Συνεπώς, συγκρούσεις που σχετίζονται με πολλαπλές μεταδόσεις που συμβαίνουν στο ίδιο μήκος κύματος δε συμβαίνουν σε αυτή την αρχιτεκτονική συστήματος. 70

71 Εικόνα 5.2 : Η λειτουργία ενός 4 x 4 παθητικού συζεύκτη αστέρα Χωρίς ικανότητες μετατροπής μήκους κύματος στους οπτικούς μεταγωγείς, η αποφυγή διαμάχης ριπής γίνεται ένα σημαντικό ζήτημα. Έτσι, προτείνεται μία προσέγγιση για WDM παθητικούς αστέρες, περιλαμβάνοντας τη χρήση ουρών αφίξεων στα OBS δίκτυα για καθυστερημένη παραλαβή. Κάθε κόμβος έχει το δικό του buffer μετάδοσης και buffer παραλαβής, που χαρακτηρίζονται από ένα μέγεθος b. Οι ριπές που δημιουργούνται από την πηγή αποθηκεύονται σε έναν από τους buffers μετάδοσης πριν από τη μετάδοση, ή απορρίπτονται όταν όλοι οι buffers είναι πλήρης. Η Εικόνα 5.3 δείχνει τους οπτικούς buffers των παραληπτών. Ο buffer είναι φυσικά τοποθετημένος ανάμεσα στην ίνα που φτάνει από το PSC και το φίλτρο. Χρησιμοποιείται για να επιλύσει τις διαμάχες στον παραλήπτη μεταξύ ριπών που προορίζονται για τον κόμβο. Αναλυτικότερα, έστω ότι μία διαμάχη συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερες ριπές φτάνουν στον ίδιο παραλήπτη σε ένα time-slot. Σε αυτό το δίκτυο ο δέκτης συντονίζεται σε ένα από τα μήκη κύματος για παραλαβή, και χρησιμοποιώντας έναν οπτικό buffer θα αποθηκεύσει και σε μεταγενέστερα time-slots θα παραλάβει τα επιπρόσθετα πακέτα. Κάθε οπτική γραμμή (ODL) καθυστερεί τη μεταδιδόμενη οπτική ριπή για ένα timeslot, παράγοντας έναν οπτικό buffer πεπερασμένου χρόνου. Η διαδικασία παραλαβής συνίσταται στην επιλογή ενός συγκεκριμένου time-slot για τη κάθε ριπή. Επομένως, ο οπτικός buffer χρησιμοποιείται για να ξεπεραστεί η απώλεια ριπών λόγω συγκρούσεων. 71

72 Εικόνα 5.3 : Δομή οπτικού buffer παραλήπτη, ODL: Optical Delay Line Η δομή των οπτικών buffers αναπαρίσταται στην Εικόνα 5.3, οι οποίοι αποτελούνται από γραμμές καθυστέρησης (delay lines), οπτικούς μεταγωγείς (optical switches) και οπτικό συζεύκτη. Όταν μία ριπή δεδομένων (BDP) φτάνει στον κόμβο προορισμού, «ταξιδεύει» μέσω του πρώτου μεταγωγέα S1. Εάν ο κόμβος αποφασίσει να παραλάβει το πακέτο στο τρέχον slot, θα επαναδρομολογήσει το μήκος κύματος κρατώντας τη ριπή στη έξοδο O1 του S1 και συντονίζει το φίλτρο αναλόγως. Ωστόσο, αυτό δεν είναι το μοναδικό slot στο οποίο μπορεί να παραληφθεί η ριπή. Εάν για οποιονδήποτε λόγο ο προορισμός επιθυμεί να παραλάβει τη ριπή μια σχισμή αργότερα, μπορεί να περιμένει μέχρι η ριπή να φτάσει το δεύτερο μεταγωγέα S2 και στη συνέχεια να οδηγήσει τη ριπή στην έξοδο O1 του S2. Ομοίως, ο παραλήπτης μπορεί να επιλέξει έναν από τους μεταγωγείς να καθυστερήσει την παραλαβή της ριπής για 2,3,,k time-slots. Με άλλα λόγια, το OBS δίκτυο επιτρέπει στις ριπές να παραλαμβάνονται από το συντονιζόμενο φίλτρο σε αυθαίρετες χρονικές στιγμές, παρέχοντας έναν τρόπο βελτιστοποίησης της διαδικασίας παραλαβής. 5.3 ΜΟΝΤΕΛΑ ΟΥΡΩΝ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ Ο διαμοιρασμός των πόρων και η αναμονή σε ουρές είναι ένα φαινόμενο που συναντάται σε κάθε τομέα της σύγχρονης ζωής. Η αναμονή είναι ένα στοιχείο που χαρακτηρίζει την καθημερινότητα όλων μας. Η ανάλυση και η πρόβλεψη της συμπεριφοράς ουρών από την αναμονή στην τράπεζα, όταν αναφερόμαστε σε πραγματικό σύστημα, μέχρι των ουρών των πακέτων στους δρομολογητές ενός δικτύου, έχει αποκτήσει τεράστια σημασία. Η πειθαρχία ουράς σε ένα σύστημα ουρών μπορεί να ακολουθήσει ένα από τα ακόλουθα μοντέλα, όπως το μοντέλο First In First Out (FIFO), το Last In First Out (LIFO), η εξυπηρέτηση με προτεραιότητα (Priority Service) και η τυχαία στρατηγική επιλογής. Στόχος της θεωρίας αυτής είναι η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί το σύστημα ουρών αναμονής, έτσι ώστε να παρθούν τα κατάλληλα μέτρα που θα συμβάλλουν στη βελτίωση της απόδοσης 72

73 του συστήματος, στη μείωση του χαμένου χρόνου της αναμονής σε κάποιο ανεκτικό επίπεδο και στην επίλυση τυχόν συγκρούσεων πακέτων στο παραλήπτη ΜΟΝΤΕΛΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Στο δίκτυο που περιγράφεται στην παρούσα μελέτη, οι buffers μετάδοσης ακολουθούν τη στρατηγική First In First Out (FIFO), σύμφωνα με την οποία επιλέγεται το πακέτο που έχει «ξοδέψει» τον περισσότερο χρόνο στο σύστημα. Αυτή η στρατηγική απαιτεί μία διατεταγμένη ουρά από ριπές. Δεδομένου ότι μία ριπή που απορρίφθηκε είναι η παλαιότερη ριπή στο buffer και ως εκ τούτου αμέσως επιλέγεται για αναμετάδοση, η κατανομή των μεταδόσεων στη FIFO περίπτωση σχετίζεται με το γεγονός συγκρούσεων. Κατά τη FIFO, όταν μία ριπή καθορίζεται στην πηγή να απορριφθεί από τον προορισμό θα μεταδοθεί στο επόμενο time-slot. Είναι επίσης αξιοσημείωτο να παρατηρηθεί, ότι στην περίπτωση της τυχαίας στρατηγικής, στην οποία κάθε ριπή στο buffer έχει την ίδια πιθανότητα να επιλεγεί για εξυπηρέτηση, αναμένεται να προσφέρει υψηλότερη χωρητικότητα. Η κατανομή των ριπών σε αυτή την περίπτωση δεν είναι συσχετισμένη με γεγονότα συγκρούσεων, και παραμένει σταθερή στο χρόνο ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΑΡΑΛΑΒΗΣ Όσο αναφορά τη στρατηγική παραλαβής, μία ριπή είναι διαθέσιμη στον παραλήπτη όταν είναι σε έναν από τους μεταγωγείς Si του buffer παραλαβής και παραλαμβάνεται όταν επαναδρομολογείται από τον μεταγωγέα Sj. Η θέση της ριπής στον παραλήπτη καθορίζεται από το δείκτη του μεταγωγέα-switch στον οποίο είναι διαθέσιμη η ριπή. Με άλλα λόγια, ένα πακέτο που στο τρέχον slot είναι διαθέσιμο στο μεταγωγέα Si θα είναι στη θέση i. Η FIFO διαδικασία παραλαβής επιλέγει για παραλαβή στο τρέχον slot το πακέτο στη δεξιότερη μη κενή θέση. 5.4 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΤΟ OMNeT++ Αφού ολοκληρώθηκε η κατανόηση όλων των απαραίτητων στοιχείων για τη λειτουργία του δικτύου, σχεδιάστηκε το μοντέλο και έγινε η προσομοίωση του με τη βοήθεια του εργαλείου προσομοίωσης OMNeT++. Οι οντότητες που χρησιμοποιήθηκαν είναι μία σύνθετη Compound, που αναπαριστά έναν κόμβο δικτύου που συμπεριφέρεται σαν αποστολέας και σαν παραλήπτης, ο Tbuffer, που αντιπροσωπεύει το buffer του αποστολέα, όπου 73

74 αποθηκεύονται ριπές που δημιουργούνται από την πηγή και ο παθητικός συζεύκτης αστέρας, Coupler, στον οποίο φτάνει ένα σήμα εισόδου και έπειτα το διαχωρίζει σε μερικά σήματα εξόδου. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε η οντότητα Filter που φιλτράρει τα πακέτα ανάλογα με τον επιθυμητό προορισμό και ο Rbuffer, που αντιπροσωπεύει το buffer του παραλήπτη, τοποθετημένος ανάμεσα στον αστέρα και τον παραλήπτη, αποθηκεύει ριπές για το συγκεκριμένο προορισμό επιλύοντας συγκρούσεις μεταξύ ριπών που προορίζονται για το συγκεκριμένο κόμβο. Για έναν αρχάριο το δίκτυο θα μπορούσε να έχει τη δομή που παρουσιάζεται στην Εικόνα 5.4, η οποία με τη βοήθεια του προσομοιωτή OMNeT++ αντιστοιχίζεται με τη Εικόνα 5.5. Το συγκεκριμένο εργαλείο προσομοίωσης παρέχει στο χρήστη τη δυνατότητα να επιλέξει από ένα σύνολο εικονιδίων, προκειμένου να «ζωγραφίσει» με διαφορετικό τρόπο την κάθε οντότητα. Κάνοντας κλίκ σε κάθε οντότητα, ο διαχειριστής του δικτύου μπορεί να ξεκινήσει την εξερεύνηση της ιεραρχίας των οντοτήτων, αφού για τις σύνθετες οντότητες εμφανίζονται οι απλές από τις οποίες αποτελούνται και οι μεταξύ τους συνδέσεις. Εικόνα 5.4 : Φυσική απεικόνιση του δικτύου 74

75 Εικόνα 5.5 : Απεικόνιση του δικτύου στο OMNeT++ Στο μοντέλο υπάρχουν 100 κόμβοι τύπου Compound1 καθένας από τους οποίους διαθέτει έναν buffer αποστολέα (τύπου Tbuffer) και έναν buffer παραλήπτη (Rbuffer). Εύκολα διαπιστώνει κανείς ότι ο συνολικός αριθμός των Tbuffers είναι 100 και αντίστοιχα και ο αριθμός των Rbuffers. 5.5 ΒΑΣΙΚΕΣ ΡΥΘΜΙΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Έχοντας καταλήξει στη δομή του δικτύου, πρέπει να συνταχθούν τα κατάλληλα.ned,.cc και.msg αρχεία, ώστε τελικά να συλλεχθούν χρήσιμα αποτελέσματα μετά την ολοκλήρωση του «τρεξίματος» με τη χρήση του εργαλείου προσομοίωσης OMNeT ΔΟΜΗ ΟΝΤΟΤΗΤΩΝ Στον Πίνακα 5.1 που ακολουθεί, παρουσιάζεται η δομή των οντοτήτων (modules) που συνθέτουν το μοντέλο της προσομοίωσής μας. Για κάθε οντότητα δίνεται το όνομά της, το είδος της και οι πύλες (gates, vectors ή όχι) από τις οποίες αποτελείται. 75

76 Simple Module Κώδικας Compound Module Tc (Control Transmitter) Td (Data Transmitter) Mux Rc (Control Receiver) Compound1 Rd (Data Receiver) Demux 76

77 Coupler Tswtch Tmux1 Tbuffer Tsink Filter Swtch Rbuffer 77

78 Mux1 Sink Rbuffer Πίνακας 5.1 : Αρχεία.ned Αναλυτικότερα, για κάθε simple module αναφέρεται το αντίστοιχο.ned αρχείο. Τo module Compound1 είναι μία σύνθετη οντότητα, που αποτελείται από 6 απλές, τον αποστολέα του πακέτου ελέγχου (Tc), τον αποστολέα του πακέτου δεδομένων (Td), τον παραλήπτη του πακέτου ελέγχου (Rc), τον παραλήπτη του πακέτου δεδομένων (Rd) και έναν Mux και Demux, οι οποίοι συλλέγουν και διαχωρίζουν τα πακέτα ελέγχου και δεδομένων αντίστοιχα. Στη συνέχεια, στον κόμβο αποστολέα/παραλήπτη είναι συνδεδεμένοι ένας Tbuffer και ένας Rbuffer. Κάθε κόμβος έχει το δικό του buffer αποστολής και παραλαβής. Όσο αναφορά τον Tbuffer, αυτός αποτελεί ένα compound module που περιλαμβάνει επίσης simple modules. Ομοίως και ο Rbuffer. Υπάρχουν και δύο ακόμη απλές οντότητες, ο παθητικός συζεύκτης αστέρας (Coupler) και ένα φίλτρο (filter). Να σημειωθεί ότι ανάλογα με τον αριθμό των κόμβων που ο χρήστης χρησιμοποιεί κάθε φόρα, ο αριθμός εισόδων και εξόδων του Coupler ποικίλει (για παράδειγμα, 5 κόμβοι αντιστοιχίζονται σε 5 inputs και 5 outputs στο Coupler, όπως φαίνεται ενδεικτικά στον Πίνακα 5.1, για 100 κόμβους έχουμε 100 inputs, outputs).τέλος, στο αρχείο net.ned φαίνονται οι συνδέσεις μεταξύ των οντοτήτων που αναφέρθηκαν. 78

79 Εικόνα 5.6 : Net.ned αρχείο (Source mode) 100 κόμβων Ο πηγαίος κώδικας (Source mode) του Net.ned αρχείου αντιστοιχεί στην ακόλουθη γραφική απεικόνιση (Graphical mode). 79

80 Εικόνα 5.7 : Net.ned αρχείο (Graphical mode) 100 κόμβων Με την εκτέλεση της προσομοίωσης, εμφανίζεται στο χρήστη μία όχι και τόσο ευδιάκριτη εικόνα (Εικόνα 5.8) που αντιπροσωπεύει το δίκτυο οπτικής μεταγωγής ριπής, λόγω του μεγάλου αριθμού των κόμβων (n=100). Για το λόγο αυτό και για να μη χάνεται ο αναγνώστης, στις υποενότητες που ακολουθούν παρουσιάζεται η λειτουργία πέντε κόμβων. 80

81 Εικόνα 5.8 : Απεικόνικση δικτύου 100 κόμβων κατά την εκτέλεση της προσομοίωσης ΟΡΙΣΜΟΣ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ Οι ριπές που κινούνται στο δίκτυο οπτικής μεταγωγής ριπής (OBS) αποτελούνται από τα πακέτα ελέγχου και τα πακέτα δεδομένων. Για το σκοπό αυτό, δύο τύποι μηνυμάτων, με κατάληξη.msg, δημιουργούνται με συγκεκριμένο περιεχόμενο. Αναλυτικότερα, το αρχείο με όνομα ControlPacket.msg αναπαριστά το πακέτο ελέγχου και περιλαμβάνει πληροφορίες σχετικά με την πηγή (Source) που το δημιουργεί, το προορισμό (Destination) που επιλέγεται και το μήκος κύματος του που είναι σταθερό με λ c (wavelength). Εικόνα 5.9 : Πακέτο Ελέγχου Εικόνα 5.10 : Πακέτο Δεδομένων 81

82 Ομοίως, το αρχείο με όνομα DataPacket.msg αναφέρεται στο πακέτο δεδομένων με πληροφορίες σχετικά με την πηγή (Source) που έχει επιλεγεί, το προορισμό (Destination) και το μήκος κύματος του (wavelength), λ i (i = 1,2,, 100). Από τους ορισμούς των μηνυμάτων δημιουργείται αυτόματα C++ κώδικας και ο χρήστης έχει στη διάθεση του αρχεία με όνομα ControlPacket_m.cc, ControlPacket_m.h, DataPacket_m.cc και DataPacket_m.h. Τα αρχεία αυτά χρησιμοποιούνται για να μπορεί ο χρήστης να διαχειριστεί πιο εύκολα αντικείμενα τύπου ControlPacket και DataPacket. Ενδεικτικά, το παραγόμενο αρχείο ControlPacket_m.h περιλαμβάνει την ακόλουθη δήλωση κλάσης.... Εικόνα 5.11 : Αρχείο ControlPacket_m.h Αντίστοιχα και για το DataPacket_m.h αρχείο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΟΝΤΟΤΗΤΩΝ Τα μοντέλα προσομοίωσης στο OMNeT++, όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη ενότητα της εργασίας, αποτελούνται από απλές και σύνθετες οντότητες, από τις οποίες οι απλές αποτελούν τα ενεργά στοιχεία του μοντέλου, και η συμπεριφορά τους καθορίζεται από το χρήστη με C++ κώδικα. Κάθε C++ κλάση κληρονομεί από τη csimplemodule, με μία ή 82

83 περισσότερες συναρτήσεις-μέλη που επαναπροσδιορίζονται για να καθοριστεί η συμπεριφορά τους. Η κάθε κλάση καταγράφεται στο OMNeT++ μέσω της εντολής Define_Module( ). Η γραμμή Define_Module( ) τοποθετείται πάντα στο.cc αρχείο. Ο παρακάτω κώδικας αναφέρεται στην Tc απλή οντότητα. Τη μορφή αυτή έχουν και τα υπόλοιπα.cc αρχεία της προσομοίωσης, με τις συναρτήσεις-μέλη να ποικίλουν ανάλογα με τη λειτουργία της κάθε οντότητας. Εικόνα 5.12 : Δήλωση και ορισμός κλάσης Αξίζει να σημειωθεί ότι το βασικό σημείο για την υλοποίηση της προσομοίωσης του δικτύου οπτικής μεταγωγής ριπής (OBS), είναι ότι κάθε ένας από τους 100 κόμβους του δικτύου λειτουργεί τόσο ως αποστολέας όσο και ως παραλήπτης, δηλαδή παίζει το ρόλο και της πηγής και του προορισμού. Όπως έχει αναφερθεί, μία ριπή αποτελείται από το πακέτο ελέγχου και το πακέτο δεδομένων, τα οποία δημιουργούνται από τον αποστολέα του πακέτου ελέγχου (control transmitter Tc) και τον αποστολέα του πακέτου δεδομένων (data transmitter Td) και παραλαμβάνονται από τους control receiver (Rc) και data receiver (Rd) αντίστοιχα. Αναλυτικότερα, ο αποστολέας του πακέτου ελέγχου (Tc) δημιουργεί το πακέτο με μήκος κύματος σταθερό στο κανάλι ελέγχου και ίσο με λ c = -1. Το πακέτο αυτό περιλαμβάνει πληροφορίες σχετικά με την πηγή από την οποία προέρχεται και τον προορισμό που καταλήγει (1-100 κόμβοι). Επίσης, το πακέτο έχει στοιχεία και για το τύπο μηνύματος που αντιπροσωπεύει. Ο κώδικας εκτελείται για όλους τους κόμβους και ο αποστολέας του 83

84 πακέτου ελέγχου δημιουργεί ή όχι ριπές. Ωστόσο, οι Tc των κόμβων δεν αποτελούν πάντα πηγές πακέτων ελέγχου, αφού αυτό εξαρτάται από το φόρτο (load) του δικτύου κάθε φορά. Αφού το μήνυμα σταλεί στην επόμενη απλή οντότητα, ο αποστολέας του πακέτου ελέγχου περιμένει T=1 για να ξαναδημιουργήσει λειτουργίας του Tc φαίνεται παρακάτω.. Ένα τμήμα του κώδικα της Εικόνα 5.13 : Τμήμα αρχείου Tc.cc - Δημιουργία πακέτου ελέγχου και αποστολή Όσο αναφορά τον αποστολέα του πακέτου δεδομένων (Td), αυτός με τη σειρά του ξεκινά να δημιουργήσει πακέτο μετά από κάποιο χρόνο, αφού όπως έχει αναφερθεί, η ριπή ελέγχου προηγείται της ριπής δεδομένων κάποιο χρόνο τ. Μόνο οι κόμβοι που έχουν δημιουργήσει πακέτο ελέγχου, παράγουν πακέτο δεδομένων, με μήκος κύματος λ i, i = 1,2,,100, διεύθυνση πηγής και προορισμού, η οποία προκύπτει από το πακέτο ελέγχου που δημιουργήθηκε προηγουμένως. Εφόσον, η ριπή δεδομένων δημιουργηθεί στέλνεται στην οντότητα που είναι συνδεδεμένη με τον data transmitter. Εικόνα 5.14 : Τμήμα αρχείου Td.cc - Δημιουργία πακέτου δεδομένων και αποστολή Όταν ο χρήστης αποφασίσει να «τρέξει» την προσομοίωση, κόμβοι δημιουργούν control και data packets και το αντίστιχο gui φαίνεται στις Εικόνες 5.15 και 5.16 αντίστοιχα ( για χάριν ευκολίας και ευκρίνειας απεικονίζεται η λειτουργία για ένα δίκτυο πέντε κόμβων). 84

85 Εικόνα 5.15 : Αποστολή ControlPacket Εικόνα 5.16 : Αποστολή DataPacket Αναλυτικότερα, ο χρήστης του εργαλείου προσομοίωσης έχει τη δυνατότητα να δει τι συμβαίνει στη σύνθετη οντότητα Compound κατά την αποστολή control packet ή data packet. Στη σύνθετη οντότητα Compound έχει τοποθετηθεί μία απλή οντότητα με όνομα Mux, η οποία είναι συνδεδεμένη με τον control transmitter (Tc) και τον data transmitter (Td) και στην οποία γίνεται έλεγχος για τον τύπο του μηνύματος, ανάλογα με την τιμή που δόθηκε σ αυτό (Εικόνα 5.17 και 5.18). Εικόνα 5.17 : Αποστολή ControlPacket από Tc Εικόνα 5.18 : Αποστολή DataPacket από Td Ο έλεγχος αυτός φαίνεται στο τμήμα κώδικα της Εικόνας Στην παράμετρο για τη handlemessage ( ) παίρνουμε το μήνυμα ως δείκτη *cmessage. Ωστόσο, ο χρήστης επιθυμεί να έχει πρόσβαση σε πεδία που καθορίζονται από το ControlPacket και DataPacket. Έτσι, στην περίπτωση που δεν υπάρχουν μηνύματα τέτοιου τύπου, το πρόγραμμα απλά θα 85

86 «καταρρεύσει», προκαλώντας σφάλματα. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποείται η check_and_cast < > ( ) συνάρτηση, που αποτελεί μέρος του εργαλείου προσομοίωσης OMNeT++ και λύση dynamic_cast. Εικόνα 5.19 : Τμήμα κώδικα αρχείου Mux.cc Στη συνέχεια της προσομοίωσης του δικτύου οπτικής μεταγωγής ριπής βρίσκεται το compound module Τbuffer, που περιλαμβάνει τρεις απλές οντότητες οι οποίες αποκτούν λειτουργικότητα με κώδικα C++. Ο Tbuffer ακολουθεί τη λογική της FIFO στρατηγικής, δηλαδή επιλέγεται για μετάδοση κάθε φορά το πακέτο που έχει το περισσότερο χρόνο στο buffer. Όταν ένα πακέτο φτάσει στο Tbuffer ελέγχεται αν πρόκειται για ριπή ελέγχου ή δεδομένων. Στην πρώτη περίπτωση, δεν γίνεται κάποια επεξεργασία και το πακέτο ελέγχου στέλνεται από την κατάλληλη έξοδο. Εικόνα 5.20 : Τμήμα κάδικα αρχείου Tswtch.cc - Έλεγχος για το είδος του μηνύματος Στη δεύτερη περίπτωση, που ένα πακέτο δεδομένων φτάνει στο Tswtch γίνεται έλεγχος για τον αριθμό των πακέτων που υπάρχουν στον buffer του transmitter. Αν αυτός είναι γεμάτος τότε το πακέτο δεδομένων που φτάνει διαγράφεται, αφού δε μπορεί να αποθηκευτεί. Σε αντίθετη περίπτωση, ο έλεγχος περνά στον Rbufferr, για το κατά πόσο είναι γεμάτος ή όχι. Αν δεν υπάρχουν διαθέσιμες θέσεις, το πακέτο ελέγχου αποθηκεύεται στον buffer του αποστολέα και καθυστερεί ένα slot. 86

87 Εικόνα 5.21 : Τμήμα κώδικα αρχείου Tswtch.cc Ωστόσο, αν υπάρχουν διαθέσιμες θέσεις στο buffer του παραλήπτη και το πακέτο δεδομένων που φτάνει στον Tbuffer έχει σα διεύθυνση προορισμού την ίδια με αυτή που έχει επιλεχθεί, στέλνεται στην αντίστοιχη έξοδο. Σε αντίθετη περίπτωση, όταν οι προορισμοί δεν ταυτίζονται, το πακέτο στέλνεται στην έξοδο 1, προωθώντας το στο επόμενο Tswtch. Το πακέτο δεδομένων δηλαδή θα διαγραφεί όταν δεν μπει στον buffer του transmitter..... Εικόνα 5.22 : Τμήμα κώδικα αρχείου Tswcth.cc 87

88 Τον Tbuffer ακολουθεί ο συζεύκτης παθητικού αστέρα, Coupler, ο οποίος με τη λειτουργικότητα που του δίνεται στο Coupler.cc αρχείο, κάνει τον ίδιο έλεγχο με τον Mux, για το αν πρόκειται για πακέτο ελέγχου ή δεδομένων, το αντιγράφει και στη συνέχεια το στέλνει σε όλους τις εξόδους του στις οποίες είναι συνδεδεμένες οντότητες τύπου filter. Η Εικόνα 5.24 παρουσιάζει την αποστολή αντιγράφων γραφικά. Κάθε κόμβος διαθέτει μία οντότητα τέτοιου τύπου οπότε όταν ένα πακέτο ελέγχου φτάσει σε αυτή στέλνεται αμέσως, ενώ αν φτάσουν πακέτα δεδομένων τα φιλτράρει και προωθεί μόνο αυτά που προορίζονται για το συγκεκριμένο κόμβο. Η λειτουργία της οντότητας αυτής, δηλαδή, διευκολύνει το χρήστη ώστε να συγκεντρώνονται στο buffer του κάθε παραλήπτη μόνο πακέτα με τον αντίστοιχο προορισμό... Εικόνα 5.23 : Τμήμα κώδικα αρχείου Coupler.cc - Δημιουργία αντιγράφων 88

89 Εικόνα 5.24 : Αποστολή αντιγράφων από την οντότητα Coupler Όσο αναφορά τον Rbuffer, αυτός έχει υπόσταση μόνο για πακέτα δεδομένων. Όταν μία ριπή δεδομένων φτάσει στον Rbuffer του συγκεκριμένου προορισμού, γίνεται έλεγχος για το αν το μήκος κύματος που έχει επιλεχθεί από τον control receiver (Rc) είναι ίδιο με το μήκος κύματος του πακέτου που εισέρχεται στον buffer του παραλήπτη. Αν τα μήκη κύματος ταυτίζονται, το πακέτο στέλνεται από την κατάλληλη έξοδο. Διαφορετικά, αποθηκεύεται στον Rbuffer (όπως και στην περίπτωση του Tbuffer) και λαμβάνεται από τον παραλήπτη μετά από ένα slot. Με αυτό τον τρόπο, επιτυγχάνεται επίλυση συγκρούσεων στον αποδέκτη, όταν δύο ή περισσότερα πακέτα με διαφορετικά μήκη κύματος φτάνουν στον ίδιο προορισμό την ίδια χρονική στιγμή (slot). Εικόνα 5.25 : Τμήμα κώδικα αρχείου swtch.cc Συγκριτικά, λοιπόν, με τον buffer του παραλήπτη στον οποίο το πακέτο δεδομένων επεξεργάζεται οπτικά με βάση το μήκος κύματος του, στον buffer του αποστολέα έχουμε 89

90 ηλεκτρονική επεξεργασία. Έχοντας φτάσει τα πακέτα δεδομένων στον Rbuffer, τότε δεν υπάρχει πιθανότητα να χαθεί κάποιο, και ο επόμενος προορισμός τους είναι ο κόμβος παραλαβής. Τα πακέτα εισέρχονται στον Demux, ο οποίος ακολουθώντας την αντίστροφη διαδικασία από τον Mux, επιτυγχάνει να καταλήγουν μόνο ριπές ελέγχου στον control receiver (Rc) και ριπές δεδομένων στον data receiver (Rd). Η λογική του Rc φαίνεται στο τμήμα του κώδικα της Εικόνας Εικόνα 5.26 : Τμήμα κώδικα αρχείου Rc.cc Στην οντότητα αυτή όταν το πακέτο ελέγχου που φτάνει έχει ως προορισμό τον κόμβο στον οποίο βρισκόμαστε κρατάται. Σε αντίθετη περίπτωση, η ριπή ελέγχου απλά διαγράφεται. Τέλος, στον data receiver (Rd) καταλήγουν πλέον μόνο πακέτα δεδομένων που προορίζονται για το συγκεκριμένο κόμβο και τότε μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι μία ριπή έχει μεταδοθεί επιτυχώς. Οι Εικόνες 5.28 και 5.29 δείχνουν γραφικά τη λειτουργία των Rc και Rd, αντίστοιχα, στο εσωτερικό του κόμβου.. Εικόνα 5.27 : Τμήμα κώδικα αρχείου Rd.cc Επιτυχής παραλαβή πακέτου δεδομένων 90

91 Εικόνα 5.28 : Λήψη ControlPacket από Rc Εικόνα 5.29 : Λήψη DataPacket από Rd Καταλήγοντας, πέρα από τα.cc αρχεία των απλών οντοτήτων, που αποτελούν τα ενεργά στοιχεία της προσομοίωσης και τους προσδίδεται λειτουργικότητα, υπάρχει και το αρχείο mylib.cc και mylib.h. Σε αυτά δηλώνονται όλες οι μεταβλητές (μετρητές και πίνακες) που χρησιμοποιούνται από το χρήστη ώστε να είναι ορατές από όλα τα αρχεία.cc. Όπως αναφέρει και ο Andras Vagra στο OMNeT++ User Manual v 4.1, είναι καλύτερο να αποφεύγεται η χρήση μεταβλητών τύπου global, αφού υπάρχει η πιθανότητα να προκαλέσουν προβλήματα. Οι μεταβλητές αυτές δεν έχουν επαναφορά στις αρχικές τους τιμές (στο μηδέν), όταν η προσομοίωση «ξαναχτίζεται» στο Tkenv, και έχουν σε κάθε τμήμα του μοντέλου το δικό τους αντίγραφο όταν η προσομοίωση «τρέχει» παράλληλα. Έτσι, λοιπόν, σε κάθε.cc αρχείο περιλαμβάνεται η εντολή, η οποία λέει στον προεπεξεργαστή να εντοπίσει τα περιεχόμενα του συγκεκριμένου αρχείου. Συμπερασματικά, για να διαπιστώσει ο χρήστης ότι σε κάθε απλή οντότητα έχει προσδώσει λειτουργικότητα, μπορεί κάνοντας δεξί κλίκ πάνω σε κάθε εικονίδιο του.ned αρχείου και στη συνέχεια επιλέγοντας Goto C++ Definition να μεταφερθεί στον αντίστοιχο C++ κώδικα. Κάτι τέτοιο αποδεικνύει και την άμεση σύνδεση module με C++ source mode ΑΡΧΕΙΟ ΡΥΘΜΙΣΕΩΝ Στο εργαλείο προσομοίωσης OMNeT++, τα μοντέλα της προσομοίωσης διαμορφώνονται στα αρχεία με κατάληξη.ini. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να καθορίζει οποιοδήποτε αριθμό από δίκτυα (networks) στα αρχεία.ned, και για κάθε προσομοίωση καθορίζεται το δίκτυο που θα δημιουργηθεί στο αρχείο διαμόρφωσης με όνομα omnetpp.ini. Για το δίκτυο οπτικής μεταγωγής ριπής που προσομοιώνεται το omnetpp.ini παρουσιάζεται στην Εικόνα Στη 91

92 παρούσα προσομοίωση το Net αποτελεί το όνομα του δικτύου και βρίσκεται στο υψηλότερο επίπεδο της ιεραρχίας. Εικόνα 5.30 : Αρχείο omnetpp.ini Ο συντάκτης (editor) του αρχείου.ini θεωρεί ότι όλες οι δηλώσεις τύπου NED (απλές οντότητες, σύνθετες, κανάλια) μπορούν να αξιοποιηθούν κατάλληλα για την παροχή διαγνωστικών στο χρήστη. Κοιτάζοντας τη δήλωση network = Λέξη-Κλειδί, αναγνωρίζει τη μονάδα τύπου NED που βρίσκεται στο υψηλότερο επίπεδο και χτίζει μία στατική εικόνα του δικτύου. Επιπρόσθετα, το εργαλείο προσομοίωσης OMNeT++ υποστηρίζει άμεσα διαφορετικές εκτελέσεις με τις ίδιες παραμέτρους, αλλά διαφορετικά διαστήματα τυχαίων αριθμών. Υπάρχουν δύο επιλογές ρυθμίσεων που σχετίζονται με το προηγούμενο και δηλώνονται στο configuration file (Εικόνα 5.30). Εικόνα 5.31 : Παραγωγή τυχαίων αριθμών Με τη λέξη-κλειδί repeat κάθε συνδυασμός μεταβλητών επανάληψης εκτελείται 10 φορές. Στη δεύτερη περίπτωση, κάθε «τρέξιμο» της προσομοίωσης εκτελείται με ένα μοναδικό διάστημα τυχαίων αριθμών. Η εντολή αυτή είναι η προεπιλεγμένη (default). 5.6 ΕΞΑΓΩΓΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Έχοντας ολοκληρώσει την μοντελοποίηση του δικτύου οπτικής μεταγωγής ριπής (OBS) και την εκτέλεση της προσομοίωσης με τις απαραίτητες ρυθμίσεις κάθε φορά, εξάγονται σημαντικά στοιχεία από το πρόγραμμα OMNeT++ v 4.1 για διαφορετικά «τρεξίματα». Εξετάζεται η απόδοση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής όσο αναφορά την πιθανότητα 92