Δημιουργία Εκπαιδευτικού Υλικού Για Το Μάθημα Δίκτυα Ι

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Δημιουργία Εκπαιδευτικού Υλικού Για Το Μάθημα Δίκτυα Ι Course Material Development For Computer Network I Lab ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Λυκεσάς Βασίλειος Τ02748 Θωμοπούλου Βασιλική Τ02962 Επιβλέπων: <Ιατρέλλης Ομηρος > ΛΑΡΙΣΑ 2015

2 -ii-

3 «Εγώ η Θωμοπούλου Βασιλική και ο Λυκεσάς Βασίλειος, δηλώνουμε υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία με τίτλο Δημιουργία Εκπαιδευτικού Υλικού Για Το Μάθημα Δίκτυα Ι είναι δική μας και βεβαιώνουμε ότι: Σε όσες περιπτώσεις έχουμε συμβουλευτεί δημοσιευμένη εργασία τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Σε όσες περιπτώσεις μεταφέρουμε λόγια τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Με εξαίρεση τέτοιες περιπτώσεις, το υπόλοιπο κείμενο της πτυχιακής αποτελεί δική μας δουλειά. Αναφέρουμε ρητά όλες τις πηγές βοήθειας που χρησιμοποιήσαμε. Σε περιπτώσεις που τμήματα της παρούσας πτυχιακής έγιναν από κοινού με τρίτους, α- ναφέρουμε ρητά ποια είναι η δική μας συνεισφορά και ποια των τρίτων. Γνωρίζουμε πως η λογοκλοπή αποτελεί σοβαρότατο παράπτωμα και είμαστε ενήμεροι για την επέλευση των νομίμων συνεπειών» < υπογραφή > Θωμοπούλου Βασιλική Λυκεσάς Βασίλειος

4 Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή Τόπος: Ημερομηνία: ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

5 Περίληψη Η παρούσα πτυχιακή µελέτη εστιάζεται στο εργαστηριακό μέρος του μαθήματος Δίκτυα Ι η οποία αποτελείται συνολικά από δέκα εργαστήρια. Σκοπός της πτυχιακής είναι να χρησιμοποιηθούν διάφορα προγράμματα προσομοίωσης όπως matlab, opnet, omnet++, wireshark, στα δυο πρώτα επίπεδα του OSI (φυσικό επίπεδο και ζεύξης δεδομένων). Η μεθοδολογία της εργασίας στηρίζεται στη συλλογή δεδομένων κάνοντας αρχικά μια σύντομη εισαγωγή στα δίκτυα και στη συνέχεια μέσω προγραμμάτων να δημιουργηθεί το κατάλληλο υλικό που χρειάζεται ώστε να ολοκληρωθεί κάθε εργαστήριο. Για αυτά τα προγράμματα προσομοίωσης θα δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην ευχρηστία τους, ώστε να είναι εξασφαλισμένη η λειτουργικότητα τους και από χρήστες που δεν είναι ιδιαίτερα έμπειροι στη χρήση αυτών. -i-

6

7 Ευχαριστίες Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον επιβλέποντα καθηγητή μας κ. Ιατρέλλη Όμηρο για την εμπιστοσύνη που μας έδειξε δίνοντας μας το θέμα και καθοδηγώντας μας καθ όλη τη διάρκεια διεκπεραίωσης της παρούσας πτυχιακής μελέτης, εργασία η οποία δεν θα είχε ολοκληρωθεί χωρίς την συμβολή και την πολύτιμη βοήθεια του. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ οφείλουμε στους γονείς μας για την οικονομική στήριξη, καθοδήγηση και τα εφόδια που μας έχουν προσφέρει όλα αυτά τα χρόνια για να πετύχουμε τους στόχους μας. Θωμοπούλου Βασιλική Λυκεσάς Βασίλειος 24/02/2015 -iii-

8

9 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... I ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... III ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... V 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ OSI ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ OSI ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ TCP/IP ΟΜΟΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΔΙΑΦΟΡΕΣ -OSI ΚΑΙ TCP/IP ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΩΝ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΑΥΛΟΥ (BUS) ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΑΣΤΕΡΑ(STAR) ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΑΚΤΥΛΙΟΥ (RING) ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ (MESH) ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΕΝΤΡΟΥ (TREE) ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΣΗΜΕΙΟ ΠΡΟΣ ΣΗΜΕΙΟ (POINT-TO-POINT) ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ - ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΗΜΑ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΗΜΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΗΜΑ (PERIODIC SIGNAL) ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ASK (Amplitude Shift Keying) FSK (Frequency Shift Keying) v-

10 2.6.3 PSK (Phase Shift Keying) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ FDM ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ TDM ΣΤΑΤΙΚΗ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ STDM ΕΠΙΠΕΔΟ ΖΕΥΞΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ CRC- Κυκλικός Έλεγχος Πλεονασμού VRC- ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΛΕΟΝΑΣΜΟΥ CCM - ΔΙΑΣΤΡΕΒΛΩΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ LRC- ΔΙΑΜΗΚΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΛΕΟΝΑΣΜΟΥ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ- CIRCUIT SWITCHING NETWORKS ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΠΑΚΕΤΟΥ PACKET SWITCHING ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ Σύγκριση τύπων δικτύων ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ WIRESHARK ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ ΛΑΘΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ OMNET ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ OMNET ++ - ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΟΙ ΑΠΟ ΔΥΟ ΚΟΜΒΟΙ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ (SIGNAL ENCODING) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ OPNET ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ vi-

11 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ vii-

12

13 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Δίκτυo υπολογιστών είναι μια ομάδα, από δύο ή περισσότερων, συνδεδεμένων υπολογιστών. Οι υπολογιστές σε ένα δίκτυο ονομάζονται κόμβοι. Η σύνδεση μεταξύ των κόμβων μπορεί να γίνει μέσω καλωδίωσης, πιο συχνά χρησιμοποιείται το καλώδιο Ethernet ή α- σύρματα. Οι συνδεδεμένοι υπολογιστές μπορούν να μοιράζονται τους πόρους, όπως πρόσβαση στο διαδίκτυο, εκτυπωτές, διακομιστές αρχείων(servers) και άλλα. Ένα δίκτυο μπορεί να είναι πολλαπλής σύνδεσης, το οποίο επιτρέπει σε έναν υπολογιστή να κάνει πολλά. Όταν η σύνδεση μεταξύ των υπολογιστών γίνεται με ασύρματο τρόπο τότε αναφερόμαστε στα ασύρματα δίκτυα, τα οποία μεταφέρουν δεδομένα μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, οπου ως μέσο μετάδοσης δεν χρησιμοποιούν κάποιο καλώδιο. Εικόνα 1: σύνδεση δικτύου με switch και hub -1-

14 1.1 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ OSI Το Μοντέλο Αναφοράς ανοικτής διασύνδεσης συστημάτων ή μοντέλο αναφοράς OSI (Open Systems Interface Reference Model) είναι ένα στρωματοποιημένο σύνολο δικτυακών πρωτοκόλλων που έχει μια εννοιολογική δομή και δημιουργήθηκε από την πρωτοβουλία Ανοικτή διασύνδεση συστημάτων OSI. Το μοντέλο αυτό αποτελείται από επτά στρώματα.τα πρωτόκολλα είναι χωρισμένα σε στρώματα με βάση τις λειτουργίες του κάθε στρώματος. Κάθε στρώμα χρησιμοποιεί μόνο τις λειτουργίες του κάτω στρώματος και προσφέρει λειτουργικότητα στο πάνω στρώμα. Αυτός ο διαχωρισμός των στρωμάτων διευκολύνει τη περιγραφή της συμπεριφοράς των πρωτοκόλλων και επιτρέπει τη σχεδίαση πολύπλοκων και αξιόπιστων στοιβών πρωτοκόλλων. Τα κατώτερα στρώματα κατασκευάζονται με υλικό, ενώ τα ανώτερα στρώματα είναι εφαρμογές λογισμικού. Επίπεδο 7 : Εφαρμογών Επίπεδο 6 : Παρουσίασης Επίπεδο 5 : Συνόδου Επίπεδο 4 : Μεταφοράς Επίπεδο 3: Δικτύου Επίπεδο 2: Ζεύξης Δεδομένων Επίπεδο 1 : Φυσικό Εικόνα 2: τα 7 επίπεδα του OSI Τα κατώτερα στρώματα είναι το Φυσικό, Ζεύξης Δεδομένων και το στρώμα Δικτύου, ενώ τα ανώτερα στρώματα είναι το στρώμα Μεταφοράς, Συνόδου και Παρουσίασης. -2-

15 1.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ OSI Επίπεδο 1: Φυσικό Το φυσικό επίπεδο ορίζει την αποστολή ηλεκτρικών σημάτων και τις φυσικές και ηλεκτρικές προδιαγραφές των συσκευών που ανήκουν στα κατώτερα στρώματα. Συσκευές φυσικού επιπέδου είναι οι διανεμητές (hubs), οι αναμεταδότες (repeaters), οι κάρτες δικτύου, και οι προσαρμοστές διαύλου (bus adapters). Οι σημαντικότερες υπηρεσίες του φυσικού επιπέδου είναι: Έναρξη και περαίωση της ηλεκτρικής σύνδεσης μιας επικοινωνιακής συσκευής. οι επικοινωνιακές συσκευές εξυπηρετούν αποτελεσματικά πολλούς χρήστες, επιλύοντας προβλήματα προτεραιότητας πρόσβασης (contention) και ελέγχου ροής δεδομένων. Διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση των ψηφιακών δεδομένων κατά την μετάδοση από συσκευή σε συσκευή. Για παράδειγμα, τα ψηφιακά ηλεκτρικά σήματα ταξιδεύουν ως αναλογικά σε χάλκινο καλώδιο, μετά σε οπτική ίνα, μετά να μεταδοθούν από ραδιοζεύξη ή δορυφορικά, να φθάσουν πάλι αναλογικά σε χάλκινο καλώδιο, και να γίνουν ψηφιακά στον παραλήπτη. Στα επίπεδα 1 και 2 χρησιμοποιείται το Πρωτόκολλο Ethernet, το Token ring, το FDDI και το IEEE Επίπεδο 2: Ζεύξη Δεδομένων (Data Link Layer) Στο επίπεδο αυτό γίνεται μεταφορά των δεδομένων από την μια συσκευή του δικτύου στην άλλη, και γίνεται έλεγχος για πιθανή ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων που συμβαίνουν στο φυσικό επίπεδο. Οι διευθύνσεις που δεν είναι ιεραρχημένες είναι οι φυσικές,δηλαδή είναι προκαθορισμένες και αποθηκευμένες στις κάρτες δικτύου των επικοινωνούντων κόμβων. -3-

16 Το πιο γνωστό πρότυπο είναι το Ethernet. Άλλα παραδείγματα πρωτοκόλλων διασύνδεσης δεδομένων είναι: τα HDLC και ADCCP για συνδεση point-to-point ή για δίκτυα μεταφοράς πακέτων, το IEEE 802,11 Το επίπεδο αυτό λειτουργεί και αντίστροφα. Δηλαδή δέχεται δεδομένα από το επίπεδο δικτύου και τα αποδίδει στο φυσικό επίπεδο. Τα bit που λαμβάνονται ομαδοποιούνται σε πλαίσια και οργανώνονται σε πεδία που το καθένα έχει διαφορετική αποστολή, για παράδειγμα : Το πεδίο διεύθυνσης (address), Το πεδίο ελέγχου (Flow control), Το πεδίο δεδομένων (Data), Το πεδίο ελέγχου λαθών. Στο επίπεδο αυτό χρησιμοποιούνται οι γέφυρες (bridge) και οι δικτυακοί διακόπτες (switch). Η συνδεσιμότητα παρέχεται μόνο για κόμβους που συνδέονται στο ίδιο κοινό μέσο. Επίπεδο 3: Δικτύου Το επίπεδο δικτύου εκτελεί μια φυσιολογική δρομολόγηση των δεδομένων μεταξύ των δικτύων. Κυρίως πραγματοποιεί λειτουργίες δρομολόγησης και αναφέρει τα τυχών σφάλματα με την παράδοση των πακέτων. Επίπεδο 4: Μεταφοράς Το επίπεδο μεταφοράς είναι υπεύθυνο για την μεταφορά των δεδομένων. Έτσι τα ανώτερα στρώματα μπορουν να στέλνουν αξιόπιστα τα πακέτα χωρίς να υπάρχει πρόβλημα. Ελέγχει την αξιοπιστία ενός χρησιμοποιούμενου καναλιού με έλεγχο ροής, κατάτμηση και αποτμηματοποίηση και έλεγχο σφαλμάτων. Τα πρωτόκολλα καταγράφουν τις συνδέσεις, και κρατούν λογαριασμό των πακέτων και επανεκπέμπουν αυτά που δεν παρελήφθησαν σωστά. Τα διάφορα πρωτόκολλα μορφοποιούν τα εκπεμπόμενα πακέτα, αλλά τα προς α- ποστολή δεδομένα παραλαμβάνονται αρχικά από τα ανώτερα επίπεδα. -4-

17 Γνωστά πρωτόκολλα μεταφοράς είναι τα UDP, TCP κτλ. Επίπεδο 5: Συνόδου Το επίπεδο Συνόδου συγχρονίζει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ δυο υπολογιστών, διαχειρίζεται και τερματίζει τη σύνδεση μεταξύ μιας τοπικής και μιας απομακρυσμένης ε- φαρμογής. Αυτό το επίπεδο είναι υπεύθυνο για το ομαλό κλείσιμο της συνόδου (που είναι ιδιότητα του TCP) και επίσης για την αποθήκευση και ανάκτηση κατάστασης, λειτουργίες οι οποίες δεν χρησιμοποιούνται στην στοίβα πρωτοκόλλων του Διαδικτύου. Επίπεδο 6: Παρουσίασης Το επίπεδο παρουσίασης αλλάζει τα δεδομένα σε τυπική μορφή που την αναμένει το επίπεδο εφαρμογών. Τα δεδομένα υφίστανται κρυπτογράφηση, συμπίεση, κωδικοποίηση MIME και όποια άλλη διαμόρφωση απαιτεί η μορφή δεδομένων. Παράδειγμα, η μετατροπή αρχείων από κώδικα EBCDIC σε κώδικα ASCII και η μετατροπή της δομής των δεδομένων σε μορφή XML ή αντίστροφα. Επίπεδο 7: Εφαρμογών Το επίπεδο εφαρμογών παρέχει στον χρήστη έναν τρόπο να προσπελάσει μέσω μιας εφαρμογής τις πληροφορίες ενός δικτύου. Αυτό το επίπεδο είναι η κύρια διασύνδεση του χρήστη με την εφαρμογή και με το δίκτυο. Στο επίπεδο αυτό γίνεται η διαχείριση των κατανεμημένων εφαρμογών, η αποστολή του ηλεκτρονικού ταχυδρομείου κλπ. Παραδείγματα πρωτοκόλλων επιπέδου εφαρμογών είναι τα Telnet, FTP, SMTP και http. 1.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ TCP/IP -5-

18 Η δημιουργία του μοντέλου αναφοράς TCP/IP, μιας εναλλακτικής πρότασης του μοντέλου διασύνδεσης ανοιχτών συστημάτων OSI, οφείλεται στην λειτουργία ενός δικτύου που προηγήθηκε του ιντερνέτ και που αργότερα εξελίχθηκε στην μορφή που ξέρουμε σήμερα. Το TCP/IP είναι μια συλλογή πρωτοκόλλων επικοινωνίας όπου βασίζεται το Διαδίκτυο αλλά και μεγάλο ποσοστό των εμπορικών δικτύων. Η ονομασία TCP/IP προέρχεται από τις συντομογραφίες των δυο πρωτοκόλλων που περιέχει το TCP( Πρωτόκολλο Ελέγχου Μετάδοσης) και το IP. Η συλλογή πρωτοκόλλων είναι οργανωμένη σε επίπεδα. Το καθένα απαντά σε συγκεκριμένα προβλήματα μεταφοράς δεδομένων και παρέχει μια συγκεκριμένη υπηρεσία στα υ- ψηλότερα επίπεδα. Τα ανώτερα επίπεδα είναι πιο κοντά στη λογική του χρήστη και εξετάζουν πιο αφηρημένα δεδομένα, στηριζόμενα σε πρωτόκολλα χαμηλότερων στρωμάτων για να μεταφράσουν δεδομένα σε μορφές που μπορούν να διαβιβαστούν με φυσικά μέσα. Επίπεδο 1: Ζεύξη Δεδομένων Επίπεδο 2: Δικτύου Επίπεδο 3: Μεταφοράς Επίπεδο 4: Εφαρμογής Εικόνα 3: Μοντέλο TCP/IP -6-

19 1.4 ΟΜΟΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΔΙΑΦΟΡΕΣ -OSI και TCP/IP Ομοιότητες Τα δυο μοντέλα αναφοράς χρησιμοποιούνται με μορφή επίπεδων Σε κάθε επίπεδο δρουν πρωτόκολλα Σε κάθε επίπεδο χρησιμοποιείται περισσότερα από ένα πρωτόκολλα Τα πρωτόκολλα των υψηλότερων επιπέδων από το επίπεδο μεταφοράς είναι ανεξάρτητα από το δίκτυο που χρησιμοποιείται για να επιτευχτεί η επικοινωνία Διαφορές Το μοντέλο του OSI είναι πιο ολοκληρωμένο από ότι το TCP/IP Το μοντέλο του OSI περιγράφτηκε χωρίζοντας τις έννοιες που υιοθετήθηκαν από τα πρωτόκολλα Στο μοντέλο του TCP/IP δεν υπήρξε πρόβλημα συμφωνίας πρωτοκόλλων Το OSI έχει εφτά επίπεδα, σε αντίθεση με το TCP/IP που έχει τέσσερα. Το επίπεδο συνόδου έχει πολύ μικρή εφαρμογή και το επίπεδο παρουσίασης απουσιάζει εντελώς από τις περισσότερες εφαρμογές Αντίθετα από το OSI, το TCP/IP δεν διαχωρίζεται στο φυσικό επίπεδο και στο ε- πίπεδο Ζεύξης Δεδομένων, αν και αυτό είναι αρνητικό για το TCP/IP. Το TCP/IP είναι ευρύτερα αποδεκτό από τον κόσμο των επικοινωνιών σε σχέση με το OSI. -7-

20

21 2 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ Στα δίκτυα επικοινωνιών, τοπολογία δικτύου είναι μια σχηματική περιγραφή της διάταξης του δικτύου, συμπεριλαμβανομένων των κόμβων και τις γραμμές σύνδεσης. Υπάρχουν δύο τρόποι για τον καθορισμό και την απεικόνιση του δικτύου: η φυσική τοπολογία και η λογική τοπολογία. Η φυσική τοπολογία δικτύου είναι η πραγματική γεωμετρική διάταξη των σταθμών εργασίας. Υπάρχουν αρκετές κοινές φυσικές τοπολογίες, όπως φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 4: Τοπολογίες Δικτύων H Λογική τοπολογία αναφέρεται στα φυσικά μονοπάτια των σημάτων όπου ακολουθούν από κόμβο σε κόμβο. Σε πολλές περιπτώσεις, η λογική τοπολογία είναι η ίδια όπως η φυσική τοπολογία. Για παράδειγμα, ορισμένα δίκτυα είναι φυσικά που ορίζονται σε μια διαμόρφωση αστέρα, αλλά λειτουργούν λογικά ως δίκτυα bus ή ring. -9-

22 2.1 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΩΝ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΑΥΛΟΥ (BUS) Στην τοπολογία Διαύλου, κάθε συσκευή είναι συνδεδεμένη με ένα κύριο καλώδιο που ονομάζεται bus. Επομένως, στην πραγματικότητα, κάθε συσκευή συνδέεται άμεσα με κάθε άλλη συσκευή στο δίκτυο. Εικόνα 5 : Τοπολογία bus Τα δίκτυα διαύλου είναι κατάλληλα όταν: Έχουμε μικρό αριθμό κόμβων. Η κυκλοφορία δεδομένων είναι μικρή. Αντίθετα, είναι κακή επιλογή όταν: Έχουμε μεγάλο αριθμό κόμβων.. Η κυκλοφορία στο δίκτυο είναι μεγάλη ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΑΣΤΕΡΑ(STAR) Στην τοπολογία Αστέρα, όλα τα μέρη του δικτύου συνδέονται με την κεντρική συσκευή που ονομάζεται "hub" που μπορεί να είναι ένα hub, ένας δρομολογητής ή ένα switch. -10-

23 Όλα τα δεδομένα στην τοπολογία αστέρα περνούν μέσα από την κεντρική συσκευή πριν φτάσει στον προορισμό. Το Hub λειτουργεί ως διασταύρωση για τη σύνδεση διαφορετικών κόμβων και την ίδια στιγμή που διαχειρίζεται και ελέγχει ολόκληρο το δίκτυο. Ανάλογα με το ποια κεντρική συσκευή χρησιμοποιείται, το hub μπορεί να λειτουργήσει ως αναμεταδότης(repeater) ή signal booster. Η κεντρική συσκευή μπορεί επίσης να επικοινωνεί με άλλους κόμβους διαφορετικού δικτύου.το UTP καλώδιο χρησιμοποιείται για τη σύνδεση των συσκευών σε κεντρικό κόμβο. Εικόνα 6: Τοπολογία Αστέρα Πλεονεκτήματα Σε σύγκριση με Τοπολογία διαύλου δίνει πολύ καλύτερη απόδοση, τα σήματα δεν είναι απαραίτητα να μεταδίδονται σε όλες τις συσκευές. Ένα σήμα φτάνει στον προορισμό, αφού περάσει όχι περισσότερο από 3-4 συσκευές και 2-3 συνδέσμους. Η απόδοση του δικτύου εξαρτάται από την ικανότητα του κεντρικού κόμβου. Είναι εύκολο να συνδεθούν νέοι κόμβοι ή συσκευές. Νέοι κόμβοι μπορούν να προστεθούν εύκολα χωρίς να επηρεάζει υπόλοιπο δίκτυο. Ομοίως, μπορούν επίσης να αφαιρεθούν εύκολα. -11-

24 Κεντρική διαχείριση. Βοηθά στην παρακολούθηση του δικτύου. Η αποτυχία ενός κόμβου ή η συνδέσμου δεν επηρεάζει το υπόλοιπο του δικτύου. Την ίδια στιγμή, είναι εύκολο να εντοπίσει το λάθος και να το αντιμετωπίσει. Μειονεκτήματα Εχει εξάρτηση από την κεντρική συσκευή. Αν αποτύχει όλο το δίκτυο τότε πέφτει. Η χρήση του hub, του router ή ενός switch ως κεντρική συσκευή αυξάνει το συνολικό κόστος του δικτύου. Πο επιδόσεις καθώς επίσης και ο αριθμός κόμβων που μπορούν να προστεθούν σε αυτή την τοπολογία εξαρτάται από χωρητικότητα της κεντρικής συσκευής ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΑΚΤΥΛΙΟΥ (RING) Στην τοπολογία αυτή, οι συσκευές συνδέονται σε μία διαμόρφωση κλειστού βρόχου. Γειτονικά ζεύγη των συσκευών συνδέονται άμεσα. Άλλα ζεύγη των συσκευών συνδέονται έμμεσα, τα δεδομένα που διέρχονται μέσω ενός ή περισσοτέρων ενδιαμέσων κόμβων. -12-

25 Εικόνα 7 : Τοπολογία ring Ο αναμεταδότης δέχεται το σήμα του δικτύου, και το αναμεταδίδει στο δίκτυο. Ο α- ναμεταδότης δεν έχει δυνατότητα προσωρινής αποθήκευσης. Η τοπολογία δακτυλίου είναι κατάλληλη όταν: Απαιτείται ισοκατανομή της χωρητικότητας του δικτύου στους κόμβους. Ισοκατανομή σημαίνει ότι κάθε κόμβος έχει δυνατότητα να στείλει με ίδιους ρυθμούς μετάδοσης με τους υπόλοιπους και η καθυστέρηση μετάδοσης του είναι επίσης ίδια. Όταν ο αριθμός κόμβων είναι μικρός και σε μικρή απόσταση ο ένας από τον άλλο, αλλά απαιτείται υψηλός ρυθμός μετάδοσης. Όταν κάθε κόμβος πρέπει να μεταδώσει οπωσδήποτε πριν από κάποιο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Γενικά τα δίκτυα δακτυλίου: Παρουσιάζουν καθυστέρηση μετάδοσης η οποία μπορεί να είναι σημαντική α- κόμα και σε μικρό φορτίο κίνησης. Η μέση καθυστέρηση μετάδοσης δεν αυξάνει ανάλογα με το φορτίο του δικτύου Υπάρχει σταθερή χρήση του καναλιού ακόμα και κάτω από μεγάλα φορτία κίνησης. -13-

26 Token ring Εάν ένα πρωτόκολλο Token Ring χρησιμοποιείται σε μια τοπολογία αστέρα ή τοπολογία δακτυλίου, το σήμα ταξιδεύει σε μία μόνο κατεύθυνση, που θα μεταφέρονται από το λεγόμενο token από κόμβο σε κόμβο. Εικόνα 8: Τοπολογία Token Ring ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ (MESH) Η τοπολογία του δικτύου πλέγματος απασχολεί οποιοδήποτε από τα δύο συστήματα που ονομάζεται πλήρης και μερικής πλέγματα. Στην πλήρη τοπολογία πλέγματος, κάθε συσκευή συνδέεται άμεσα με τις άλλες. Στη μερική τοπολογία πλέγματος, μερικές συσκευές είναι συνδεδεμένες με όλες τις άλλες, και μερικές συνδέονται μόνο με κόμβους με τους οποίους ανταλλάσσουν τα περισσότερα δεδομένα. -14-

27 Εικόνα 9: Τοπολογία Mesh ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΕΝΤΡΟΥ (TREE) Η τοπολογία του δέντρου χρησιμοποιεί δύο ή περισσότερα δίκτυα αστέρα συνδέοντας τους μεταξύ τους. Οι κεντρικοί υπολογιστές των δικτύων αστέρα συνδέονται με ένα κύριο bus. Έτσι, ένα δίκτυο δέντρο είναι ένα δίκτυο bus των δικτύων αστέρα. Εικόνα 10: Τοπολογία Δέντρου -15-

28 2.1.6 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΣΗΜΕΙΟ ΠΡΟΣ ΣΗΜΕΙΟ (POINT-TO-POINT) Η τοπολογία αυτή είναι η πιο απλή τοπολογία η οποία ενώνει δυο συσκευές μεταξύ τους. Εικόνα 11: τοπολογία point-to-point 2.2 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ - ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΗΜΑ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΗΜΑ Αναλογικό σήμα (analog signal) είναι μία συνεχής συνάρτηση στην οποία η α- νεξάρτητη μεταβλητή και η εξαρτημένη μεταβλητή (π.χ. χρόνος, πλάτος) παίρνουν συνεχείς τιμές. Περισσότερα από φυσικά σήματα είναι αναλογικά (π.χ. η ομιλία). Για παράδειγμα, σε ένα αναλογικό σήμα ήχου, η στιγμιαία τάση του σήματος μεταβάλλεται κατά συνεχή τρόπο με την πίεση των ηχητικών κυμάτων. Ο όρος αναλογικό σήμα αναφέρεται συνήθως σε ηλεκτρικά σήματα, ωστόσο και άλλα συστήματα μπορούν επίσης να μεταδώσουν αναλογικά σήματα. -16-

29 Εικόνα 12 : Αναλογικό σήμα ΨΗΦΙΑΚΟ ΣΗΜΑ Ψηφιακό σήμα (digital signal) είναι μια συνάρτηση στην οποία η ανεξάρτητη αλλά και η εξαρτημένη μεταβλητή παίρνουν μόνο ορισμένες διακριτές τιμές. Δημιουργούνται από τη δειγματοληψία και την κβαντοποίηση αναλογικών σημάτων. Κάθε σήμα συνεχούς χρόνου κυματομορφή που χρησιμοποιείται στην ψηφιακή επικοινωνία, αντιπροσωπεύει ένα bit ή μια ακολουθία διακριτών τιμών. Ένα σήμα παλμικού συρμού που εναλλάσσει διακριτά επίπεδα τάσης, επίσης είναι γνωστή ως γραμμή κωδικοποιημένου σήματος βασικής συχνότητας μετάδοσης. -17-

30 Εικόνα 13: Ψηφιακό σήμα 2.3 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟ Το πρώτο σήμα που υπήρξε ήταν το αναλογικό σήμα και τελευταία έχει δημιουργηθεί το ψηφιακό. Λέγεται ότι το ψηφιακό σήμα δημιουργήθηκε λόγω των υπολογιστών. Για παράδειγμα εφαρμογές ανθρώπινης φωνής, το τηλέφωνο εκπέμπουν αναλογικό σήμα ανεξάρτητα τι συμβαίνει μετά και πως μεταδίδεται. Οι περισσότερες εφαρμογές στον υπολογιστή όμως εκπέμπουν ψηφιακό σήμα. Η μετατροπή απο αναλογικό σε ψηφιακό σήμα λέγετε Ψηφιοποίηση και γίνεται ώστε το σήμα να μεταδίδεται μέσα απο κάποιο συγκεκριμένο κανάλι συνήθως χωρίς αλλοίωση ή αν υπάρχει αλλοίωση αυτή να είναι μικρή. Μέσα απο ένα κανάλι μπορεί να περάσει αναλογικό και ψηφιακό σήμα παρόλο που το αναλογικό σήμα δεν είναι καθόλου αποδοτικό. -18-

31 Εικόνα 14: Ψηφιακό σε σχέση με Αναλογικό σήμα Στην παρακάτω εικόνα το μόντεμ μετατρέπει τα ψηφιακά σήματα του υπολογιστή σε αναλογικά και τα μεταδίδει πάνω στην τηλεφωνική γραμμή. Ένα μόντεμ στο άκρο λήψης μετατρέπει τα εισερχόμενα αναλογικά σήματα πίσω σε ψηφιακά σήματα. Με άλλα λόγια, ένα μόντεμ αποστολής διαμορφώνει ψηφιακά σήματα σε αναλογικά σήματα, και ένα μόντεμ λήψης αποδιαμορφώνει αναλογικά σήματα πίσω σε ψηφιακά σήματα. Εικόνα 15: Μετατροπή ψηφιακού σήματος σε αναλογικό και αντίστροφα 2.4 ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ ΣΗΜΑ (PERIODIC SIGNAL) Ένα σήμα f(t) είναι περιοδικό αν, -19-

32 f ( t) f ( t nt ) για κάθε χρόνο t και για όλους τους ακέραιους αριθμούς n. Ένα σήμα είναι περιοδικό όταν επαναλαμβάνεται σε τακτά χρονικά διαστήματα. Παραδείγματα περιοδικών σημάτων: -- Ημιτονοειδές σήμα -- Τετραγωνικό σήμα Παραδείγματα απεριοδικών σημάτων: -- Ομιλία -- Παλμοί Οι παράμετροι σήματος είναι οι εξής: Τιμή κορυφής (V p ) Τιμή από κορυφή σε κορυφή (V pp ) Απόκλιση (DC offset) Μέση τιμή (V avg ) Ενεργός τιμή (V rms ) * Περίοδος (T) Συχνότητα (f) Φάση (φ) Στο παρακάτω σχήμα : A: πλάτος f: συχνότητα φ: φάση T (f=1/t): περίοδος ω, ω=2πf: γωνιακή συχνότητα και η συνάρτηση f ( t) Acos(2 ft ) -20-

33 Εικόνα 16 : Ημιτονοειδές σήμα 2.5 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Fourier Ο μετασχηματισμός Fourier ƒ μιας ολοκληρώσιμης συνάρτησης ορίζεται: Όταν η ανεξάρτητη μεταβλητή x αντιπροσωπεύει το χρόνο, ο μετασχηματισμός της μεταβλητής ξ αντιπροσωπεύει τη συχνότητα. Η f προσδιορίζεται από την f(x) μέσω του αντίστροφου μετασχηματισμού : για κάθε πραγματικό αριθμό x. Ο μετασχηματισμός Fourier προέρχεται από τη μελέτη της σειράς Fourier. Στη μελέτη των σειρών Fourier οι περιοδικές συναρτήσεις έχουν γραφτεί ως το άθροισμα των απλών κυμάτων που στα μαθηματικά αντιπροσωπεύεται από ημίτονα και συνημίτονα. Ο μετασχηματισμός Fourier είναι μια επέκταση της σειράς Fourier που προ- -21-

34 κύπτει όταν η περίοδος της συνάρτησης που εκπροσωπεί επιμηκύνεται και αφήνεται να προσεγγίσει το άπειρο. Λόγω των ιδιοτήτων του ημιτόνου και συνημίτονου, είναι δυνατόν να ανακτήσει το πλάτος του κάθε κύμα σε μια σειρά Fourier χρησιμοποιώντας ο- λοκλήρωμα. Για να είναι συντελεστές Fourier μιγαδικής μεταβλητής καθίσταται αναγκαίο η γραφή των ημίτονων και συνημίτονων ως εκθετικών συναρτήσεων. Η συνήθης ερμηνεία αυτού του μιγαδικού αριθμού είναι ότι δίνει τόσο το πλάτος του παρόντος κύματος στη λειτουργία και τη φάση του κύματος. Οι μιγαδικές εκθετικές συναρτήσεις μερικές φορές περιέχουν αρνητικές "συχνότητες". Ως εκ τούτου, η συχνότητα πλέον δεν μετρά τον αριθμό των κύκλων ανά μονάδα χρόνου, αλλά εξακολουθεί να είναι στενά συνδεδεμένα. Εικόνα 17: Μετασχηματισμός Fourier Στην πρώτη σειρά είναι το γράφημα λειτουργίας συνάρτησης και του μετασχηματισμού Fourier, συνάρτηση συχνότητας. Στη δεύτερη σειρά δείχνεται μία καθυστέρηση δίπλα το πραγματικό και το φανταστικό μέρος του μετασχηματισμού Fourier. Ο μετασχηματισμός Fourier αποσυνθέτει μια λειτουργία σε ιδιοσυναρτήσεις. -22-

35 2.6 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ASK (Amplitude Shift Keying) Διαμόρφωση μετατόπισης πλάτους -ASK είναι μια μορφή διαμόρφωση πλάτους που αντιπροσωπεύει ψηφιακά δεδομένα, όπως παραλλαγές στο πλάτος ενός φέροντος σήματος. Σε ένα σύστημα ASK, το δυαδικό σύμβολο 1 αντιπροσωπεύεται από τη μετάδοση ενός σταθερού πλάτους του φέροντος σήματος και σταθερή συχνότητα για ένα bit διάρκειας Τ δευτερολέπτων. Κάθε σύστημα ψηφιακής διαμόρφωσης χρησιμοποιεί έναν πεπερασμένο αριθμό διακριτών σημάτων να αντιπροσωπεύουν ψηφιακά δεδομένα. Το ASK χρησιμοποιεί ένα πεπερασμένο αριθμό πλάτους, όπου αποδίδεται ένα μοναδικό πρότυπο των δυαδικών ψηφίων. Συνήθως, κάθε πλάτος κωδικοποιεί ένα ίσο αριθμό από bits. Κάθε πρότυπο δυαδικών ψηφίων σχηματίζει το σύμβολο που παριστάνεται από το συγκεκριμένο πλάτος. Ο αποδιαμορφωτής, ο οποίος έχει σχεδιαστεί ειδικά για το σύμβολο που χρησιμοποιείται από τον διαμορφωτή, καθορίζει το πλάτος του λαμβανόμενου σήματος και χαρτογραφεί πίσω στο σύμβολο που αντιπροσωπεύει, ανακτώντας έτσι τα αρχικά δεδομένα. Έτσι, η συχνότητα και η φάση του φορέα διατηρούνται σταθερά. Εικόνα 18: Διάγραμμα ASK FSK (Frequency Shift Keying) Διαμόρφωση μετατόπισης συχνότητας -FSK ονομάζεται ο τύπος διαμόρφωσης σήματος όπου ψηφιακά δεδομένα παρουσιάζονται ως αλλαγές στη συχνότητα ενός φέροντος σήματος. Τα πρώτα μοντέλα modem χρησιμοποιούσαν διαμόρφωση FSK για να στείλουν και να λάβουν δεδομένα με ρυθμούς μέχρι 300, 600 ή 1200 bits το δευτερόλεπτο.κάποιοι υ- -23-

36 πολογιστές χρησιμοποιούσαν μια ειδική μορφή διαμόρφωσης FSK, το πρότυπο Kansas City, για να αποθηκεύουν δεδομένα σε κασέτες ήχου. Η διαμόρφωση FSK χρησιμοποιείται ακόμη στο ερασιτεχνικό ραδιόφωνο γιατί επιτρέπει μεταφορά δεδομένων από μη τροποποιημένο εξοπλισμό για μετάδοση φωνής. Εικόνα 19: Διάγραμμα FSK PSK (Phase Shift Keying) Διαμόρφωση μετατόπισης φάσης -PSK είναι ο τύπος διαμόρφωσης όπου η πληροφορία περιέχεται στη στιγμιαία φάση του διαμορφωμένου φέροντος σήματος. Στη μέθοδο αυτή η φάση του φέροντος σήματος μεταβάλλεται για να απεικονιστεί το bit ενώ η συχνότητα και το πλάτος παραμένουν σταθερά. Για παράδειγμα αν θεωρηθεί ότι η φάση 0 είναι το 0 τότε μεταβάλλοντας τη φάση κατά 180 είναι το 1. Η φάση μένει σταθερή για κάθε διάστημα QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Διαμόρφωση QAM είναι ο συνδυασμός των τεχνικών διαμόρφωσης PSKκαι ASK. Συγκεκριμένα, η μετάδοση της πληροφορίας γίνεται με τη βοήθεια σήματος διαμορφω- -24-

37 μένο κατά πλάτος και κατά φάση. Όταν εκπέμπουμε 2 σήματα διαμορφώνοντάς τα με QAM. -25-

38

39 3 ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ Πολυπλεξία- multiplexing είναι η τεχνική όπου επιτρέπει να μεταδίδονται τα δεδομένα από αρκετές πηγές μέσα από την γραμμή επικοινωνίας. Χρησιμοποιείται για την μετάδοση αναλογικών σημάτων. Κάθε σήμα καταλαμβάνει διαφορετική ζώνη η οποία καθορίζεται από τον πολυπλέκτη. Ο πολυπλέκτης συνθέτει τα δεδομένα από τις γραμμές εισόδου και τα μεταδίδει από γραμμή με μεγάλη χωρητικότητα. Ο αποπολυπλέκτης δέχεται τα δεδομένα, τα χωρίζει και τα οδηγεί στις γραμμές εξόδου. Εικόνα 20: η πολυπλεξία μεταδίδεται μέσα από τη γραμμή επικοινωνίας 3.1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ Οι μέθοδοι πολυπλεξίας είναι τρείς FDM-Frequency division multiplexing (πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας) TDM-Time Division Multiplexing (πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου) -27-

40 STDM- Statistical Time Division Multiplexing (στατική πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου) ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ FDM Στην πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας -FDM, το εύρος ζώνης του μέσου μετάδοσης χωρίζεται σε μικρότερες ζώνες συχνότητας, οι οποίες ονομάζονται λογικά κανάλια. Κάθε ένα από αυτά τα κανάλια αποδίδεται σε κάθε ένα από τους σταθμούς του συστήματος, οι οποίοι μπορούν να εκπέμψουν ταυτόχρονα, ο καθένας στο δικό του ξεχωριστό κανάλι, πάνω στο οποίο έχει την αποκλειστική χρήση. Εικόνα 21: πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ TDM Στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου-tdm, οι χρήστες εξυπηρετούνται ο ένας μετά τον άλλο, και χρησιμοποιώντας όλο το εύρος ζώνης για μικρό και εντελώς συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Δηλαδή σε αντίθεση με την πολυπλεξία επιμερισμού συχνότητας, όπου ο χρήστης χρησιμοποιεί ένα τμήμα του εύρους ζώνης και για όσο χρονικό διάστημα επιθυμεί, στην πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου, το εύρος ζώνης δεν υποδιαιρείται σε μικρότερα κομμάτια, αλλά αποδίδεται ολόκληρο σε κάθε χρήστη αλλά για μικρότερο χρόνο. Αυτός ο τρόπος πολυπλεξίας χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην ψηφιακή μετά- -28-

41 δοση σε αντίθεση με την πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας η οποία χρησιμοποιείται και στην αναλογική μετάδοση δεδομένων. Εικόνα 22: πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου ΣΤΑΤΙΚΗ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ STDM Η στατιστική πολυπλεξία είναι μια βελτίωση της πολυπλεξίας επιμερισμού χρόνου, και προσπαθεί να μειώσει τα προβλήματα που παρουσιάζονται σε αυτή. Βασικό πρόβλημα είναι η αναποτελεσματική χρήση της χωρητικότητας της γραμμής εξόδου, σε περιπτώσεις κατά τις οποίες υπάρχουν τερματικά που δεν στέλνουν δεδομένα στο κανάλι. Επειδή η πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου χρησιμοποιείται στη σύγχρονη μετάδοση, είναι προφανές πως εάν κάποιο τερματικό δεν έχει να στείλει δεδομένα, θα λάβει χώρα αποστολή εικονικών χαρακτήρων, έτσι ώστε να διατηρηθεί ο συγχρονισμός ανάμεσα στον πομπό και στο δέκτη. Αυτό όμως σημαίνει κακή διαχείριση της χωρητικότητας του καναλιού επικοινωνίας. -29-

42 Σε αντίθεση με τη συνήθη πολυπλεξία επιμερισμού χρόνου όπου η χωρητικότητα της γραμμής εξόδου του πολυπλέκτη ισούται με το άθροισμα της χωρητικότητας των γραμμών εισόδου που συνδέονται σε αυτόν, στη στατιστική πολυπλεξία, χρησιμοποιείται μια γραμμή εξόδου, με μικρότερη χωρητικότητα. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται συγκέντρωση, ενώ οι πολυπλέκτες οι οποίοι λειτουργούν με τον τρόπο αυτό, ονομάζονται στατιστικοί πολυπλέκτες ή συγκεντρωτές (concentrators). Αυτοί οι πολυπλέκτες λειτουργούν με το μέσο όρο των ροών κυκλοφορίας δεδομένων των γραμμών εισόδου που συνδέονται σε αυτούς, και χρησιμοποιούνται κυρίως στην ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων όπου τα μηνύματα έρχονται από τα τερματικά με τυχαίο ρυθμό, και αποθηκεύονται προσωρινά μέχρι τελικά να σταλούν όλα μαζί, μέσα από τη μια και μοναδική γραμμή εξόδου. Επειδή το μήκος του κάθε μηνύματος γενικά μπορεί να είναι οποιοδήποτε, λαμβάνει χώρα προσθήκη επί του μηνύματος ενός προθέματος, που περιέχει τη διεύθυνση του αποστολέα και του παραλήπτη, καθώς επίσης και οτιδήποτε σχετικό με την προτεραιότητα διακίνησης του μηνύματος από σημείο σε σημείο. 3.2 ΕΠΙΠΕΔΟ ΖΕΥΞΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ Το επίπεδο ζεύξης δεδομένων ασχολειται με τον έλεγχο σφαλμάτων και την ανίχνευση τους. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευσή τους είναι οι εξής: κατακορυφος ελεγχος πλεονασμου-vrc Κυκλικός Έλεγχος Πλεονασμού CRC Διαμήκης έλεγχος πλεονασμού LRC Διαστρεβλωμένη μέθοδος- CCM -30-

43 3.2.1 CRC- ΚΥΚΛΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΛΕΟΝΑΣΜΟΥ O Κυκλικός έλεγχος πλεονασμού μια κοινή τεχνική για την ανίχνευση σφαλμάτων μετάδοσης δεδομένων. Τα πακέτα μηνυμάτων ή αλλιώς frames, χωρίζονται από ένα κενό διάστημα σιωπής που αποκαλούμε καθυστέρηση, μεταξύ πακέτων, το οποίο είναι τουλάχιστον 3,5 φορές μεγαλύτερο του χαρακτήρα VRC- ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΛΕΟΝΑΣΜΟΥ Η VRC είναι μια μέθοδος ελέγχου σφαλμάτων. Διακρίνεται σε άρτια και σε περιττή όπου στα δεδομένα προστίθεται ένα bit ισοτιμίας. Το άθροισμα των λογικών 1 μαζί με το bit ισοτιμίας, θα πρέπει να είναι άρτιος αριθμός για αρτια VRC και περιττός για περιττή VRC. Εικόνα 23: Μέθοδος bit ισοτιμίας VRC CCM - ΔΙΑΣΤΡΕΒΛΩΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ Η μέθοδος αυτή συνδυάζει ταυτόχρονα την μέθοδο LRC και VRC. Δηλαδή, ένα bit ισοτιμίας παράγεται για κάθε χαρακτήρα και ένας χαρακτήρας ελέγχου για όλο το πακέτο. -31-

44 3.2.4 LRC- ΔΙΑΜΗΚΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΛΕΟΝΑΣΜΟΥ Η μέθοδος αυτή διακρίνεται σε άρτια και περιττή η οποία μοιάζει αρκετά με την VRC. Η διαφορά τους είναι ότι στην LRC παράγονται τόσα bits ισοτιμίας όσοι και οι χαρακτήρες του πακέτου, και όλα αυτά τα bits ισοτιμίας συνδυάζονται σε ένα χαρακτήρα. -32-

45 4 ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΠΑΚΕΤΩΝ Μεταγωγή είναι η διαδικασία με την οποία τα δεδομένα φτάνουν στον σωστό προορισμό τους με ασφαλή τρόπο. Υπάρχουν δυο τρόποι μεταγωγής. Ο πρώτος είναι η διαμεταγωγή κυκλώματος η οποία εξασφαλίζει ενός πλήρες φυσικό κύκλωμα, για την επικοινωνία δύο οποιονδήποτε συστημάτων. Αυτό το κύκλωμα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί από κανέναν άλλον, ακόμα και όταν δεν υπάρχει ανταλλαγή μηνυμάτων. Στα σύγχρονα συστήματα, αυτό που εξασφαλίζεται δεν είναι ένα φυσικό αλλά έ- να νοητό κύκλωμα που σημαίνει ότι σε σταθερά χρονικά διαστήματα, το υπάρχον φυσικό κύκλωμα θα διατίθεται οπωσδήποτε για την επικοινωνία των δύο συστημάτων. Αντίθετα με το φυσικό, το νοητό κύκλωμα μοιράζεται με άλλους, οπότε στην ουσία αυτό που εξασφαλίζεται είναι ένα σταθερό bit rate για την επικοινωνία. Αυτό είναι και το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου. Μειονεκτεί όμως στο βαθμό χρησιμοποίησης του συστήματος, γιατί το νοητό κύκλωμα παραμένει δεσμευμένο ακόμα και όταν τα συστήματα που επικοινωνούν δεν το εκμεταλλεύονται πλήρως. Η μεταγωγή πακέτου στοχεύει στην πιο αποτελεσματική πολύπλεξη, ώστε να μεγιστοποιείται η χρησιμοποίηση του συστήματος. Η πληροφορία δεν μεταδίδεται συνεχώς αλλά σε πακέτα σταθερού μήκους. Πολλές πηγές μπορούν να στείλουν πακέτα στο δίκτυο, τα οποία θα δρομολογηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε όταν μια πηγή δεν μεταδίδει να διατίθενται οι πόροι του συστήματος σε άλλη. Η συμπεριφορά ενός τέτοιου δικτύου είναι στατιστική. Δηλαδή οι καθυστερήσεις δεν μπορούν να προβλεφθούν ακριβώς, αλλά μόνο κατά μέσο όρο. -33-

46 Εικόνα 24: Διάγραμμα Δίκτυα Μεταγωγής 4.1 ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ- CIRCUIT SWITCHING NETWORKS Η τεχνική αυτή χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά στο τηλεφωνικό δίκτυο για την μετάδοση της φωνής, όμως χρησιμοποιείται και για την μετάδοση δεδομένων. Κάθε κέντρο μπορεί να εξυπηρετήσει έναν αριθμό γραμμών αλλά μπορεί να εξυπηρετήσει έναν συγκεκριμένο αριθμό χρηστών. Στα Δίκτυα μεταγωγής, η μετάδοση δεδομένων γίνεται μετά την εγκατάσταση μιας φυσικής ζεύξης ανάμεσα σε δύο κόμβους. Η μετάδοση τους είναι διαφανής, δηλαδή τα δεδομένα δεν επεξεργάζονται κατά την διέλευσή τους από το δίκτυο. Έτσι το κύκλωμα παραμένει ενεργό ακόμα και όταν δεν γίνεται ανταλλαγή δεδομένων. -34-

47 Εικόνα 25: Μεταγωγή κυκλώματος 4.2 ΜΕΤΑΓΩΓΗ ΠΑΚΕΤΟΥ PACKET SWITCHING Στη μεταγωγή πακέτου, ο πομπός οργανώνει την πληροφορία που θέλει να στείλει στο δέκτη με μήνυμα όπου περιέχει την διεύθυνση του παραλήπτη. Έτσι, το μήνυμα αποστέλλεται από τον πομπό στον δέκτη μέσω ενδιάμεσων κόμβων και παραδίδεται στο δίκτυο. Κάθε κόμβος λαμβάνει το μήνυμα και το στέλνει στον αμέσως επόμενο κόμβο με την πρώτη καλύτερη ευκαιρία, για να σταλθεί σωστά και με ασφάλεια στον προορισμό του. Το κάθε μήνυμα που στέλνεται αποθηκεύεται στον κόμβο. Αυτή η τεχνική ονομάζεται αποθήκευσης και πρωόθησης. -35-

48 Εικόνα 26: Τεχνική Μεταγωγή πακέτου -36-

49 5 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 5.1 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Θεωρητικό Υπόβαθρο Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων που τοποθετεί ο πομπός στο μέσο μετάδοσης ανά μονάδα χρόνου. Επειδή, ως μονάδα χρόνου θεωρούμε συνήθως το ένα δευτερόλεπτο, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μετριέται σε αριθμό δυαδικών ψηφίων ανά δευτερόλεπτο (bps: bits per second). Η χωρητικότητα (capacity) εκφράζει τη δυνατότητα μεταφοράς δεδομένων μιας γραμμής επικοινωνίας και ορίζεται ως το μέγιστο ποσό των πληροφοριών που μπορεί να μεταδοθεί διαμέσου της γραμμής αυτής κάτω από ιδανικές συνθήκες. Η πληροφορία μεταβιβάζεται στο μέσο μετάδοσης όπως για παράδειγμα μια τηλεφωνική γραμμή, προκειμένου να διαμορφωθούν τα ψηφιακά δεδομένα σε κάποιας μορφής ημιτονοειδές σήμα (φέρον) και να μεταδοθούν. Η φέρουσα συχνότητα αποτελεί ένα ι- διαίτερο χαρακτηριστικό που λέγεται και ρυθμός διαμορφωμένου σήματος ή ρυθμός σηματοδοσίας (baud rate). Στην ουσία πρόκειται για τον αριθμό των αλλαγών της τάσης του διαμορφωμένου σήματος ανά δευτερόλεπτο που μετριέται σε baud. Στην ιδανική περίπτωση που έχουμε ένα κανάλι χωρίς θόρυβο, ο τύπος του Nyquist δίνει την χωρητικότητα του καναλιού: C= 2 *B* log 2 *M Όπου: C : χωρητικότητα του καναλιού σε bps B : εύρος ζώνης συχνότητας του καναλιού σε Hz M: ο αριθμός των διαφορετικών καταστάσεων του σήματος -37-

50 Σε περίπτωση που υπάρχει ο θόρυβος η κατάσταση χειροτερεύει αμέσως. Ο θόρυβος υπολογίζεται από το λόγο ισχύος του σήματος προς την ισχύ του θορύβου και δίνεται από τη σχέση: SNR=10 *log 10 (S/N) db Η σχέση που προσδιορίζει το μέγιστο ρυθμό μετάδοσης, δηλαδή τη χωρητικότητα, και περιλαμβάνει το θόρυβο δίνεται από το θεώρημα Shannon και είναι: Max_Bit_Rate= C=B log 2 (1+S/N) Όπου Β: εύρος καναλιού σε (Hz) και S/N: το SNR σε (decibel) Εργαστηριακή Άσκηση 1. Ένα κανάλι χρησιμοποιεί εύρος ζώνης 3 KHz και SNR 30 db ή S/N= 10 3 (τυπικές παράμετροι για μια αναλογική τηλεφωνική σύνδεση). Ποια είναι η χωρητικότητα του καναλιού; Λύση: C= 3000 log 2 (1+1000) = 3000 log = 3000 * 10* log 2 2 = 3000 * 10* 1=30 Kbps Σημείωση: Στην πραγματικότητα όμως ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων σε τέτοια κανάλια δεν υπερβαίνει τα 9,6 Kbps. -38-

51 2. Σε ένα κανάλι χωρίς θόρυβο, με εύρος ζώνης 3 ΚΗz (τυπική τιμή για τηλεφωνικές γραμμές) και δύο διαφορετικές καταστάσεις σήματος ποια θα είναι η χωρητικότητα; Λύση: C= 2 * 3000 *log 2 2 =6000 bps Επομένως ένα κανάλι χωρίς θόρυβο, με εύρος ζώνης 3 ΚΗz, δεν μπορεί να μεταδώσει δυαδικά σήματα με ρυθμό μεγαλύτερο από 6000 bps. 3. Αν ένα κανάλι έχει εύρος ζώνης 3 KHz και SNR 20 db, τότε ποια είναι η μέγιστη χωρητικότητά του; Λύση: C=B log 2 (1+S/N)= 3000 log 2 (1+S/N) Όμως SNR=10log 10 (S/N) 20=10log 10 (S/N) log 10 (S/N)=2 S/N=100 Άρα, C= 3000 log 2 (1+100) bps =19.975bps 4. Σε ψηφιακό σύστημα επικοινωνίας χρησιμοποιείται κανάλι με εύρος ζώνης B=4kHz. 1. Ποιος ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης αν χρησιμοποιούνται 4 σύμβολα και το κανάλι είναι ιδανικό (χωρίς θόρυβο); 2. Αν το κανάλι είναι ενθόρυβο κι έχει λόγο S/N= 1000, βρείτε τη χωρητικότητα του καναλιού. Τι εκφράζει ο ρυθμός που βρήκατε; -39-

52 Λύση: 1. C= 2 *4000* log 2 *4=8000*2 = bps Συμπερασματικά, κανάλι χωρίς θόρυβο, με εύρος ζώνης 4 ΚΗz, δεν μπορεί να μεταδώσει δυαδικά σήματα με ρυθμό μεγαλύτερο από bps. 2. C=B log 2 (1+S/N)= 4000 log 2 (1+1000) = 4000 * 9,968 =39872 bps Ο ρυθμός αυτός εκφράζει ότι ο μέγιστος αριθμός των bits ανά δευτερόλεπτο που μπορούν να μεταδίδονται μέσω του συγκεκριμένου μέσου περιορίζονται σε bps. Μάλιστα, το όριο αυτό θεωρείται θεμελιώδες και υψηλότερες ταχύτητες μετάδοσης είναι δυνατές μόνο αν βελτιωθεί ο λόγος σήματος προς θόρυβο. 5. Τα τηλεοπτικά κανάλια είναι εύρους 6 MHz. Πόσα bits / sec μπορεί να σταλούν αν χρησιμοποιούνται ψηφιακά σήματα τεσσάρων επιπέδων; Υποθέστε ότι το κανάλι είναι αθόρυβο. Λύση: C= 2 * * log 2 *4= *2 = bps ή C= 24Mbps Επομένως, ένα τηλεοπτικό κανάλι, χωρίς θόρυβο, με εύρος ζώνης 6 MΗz, τεσσάρων επιπέδων, μπορεί να μεταδώσει σήματα με μέγιστο ρυθμό bits / sec. 1. Ένα σύστημα τηλεόρασης ψηφιακής μετάδοσης πρέπει να υποστηρίξει μεταφορά δεδομένων επιπέδου 3.5 Mbps διαμέσου καναλιού με εύρος λιγότερο από 1.4 MHz. Ποιος είναι ο μέγιστος λόγος S/N σε db που μπορεί να επιτευχθεί εάν το κανάλι επικοινωνίας παρέχει επικοινωνία χωρίς σφάλματα; Λύση: Από το θεώρημα του Shannon γνωρίζουμε ότι: C=B* log 2 (1+S/N) -40-

53 Άρα, = * log 2 (1+S/N) Επομένως, S/N = 4,66 6. Χρησιμοποιήστε το Θεώρημα του Nyquist για να προσδιορίσετε το μέγιστο ρυθμό μεταφοράς σε bit ανά δευτερόλεπτο, με τον οποίο μπορούν να στέλνονται δεδομένα μέσω ενός συστήματος μετάδοσης που έχει εύρος ζώνης 4000 Hz και χρησιμοποιεί δυο τιμές τάσης για την κωδικοποίηση των πληροφοριών. Λύση: Στην ιδανική περίπτωση ενός καναλιού χωρίς θόρυβο, ο τύπος του Nyquist περιγράφεται ως εξής: C= 2 * B* log 2 *M C= 2 * * log 2 *2= *1 = bps Άρα, C=8 Mbps 1. Έστω ότι μια τηλεφωνική γραμμή κλάσης 1 προσδιορίζεται από εύρος ζώνης από 300 Hz έως 3.4 KHz και ελάχιστο επίπεδο θορύβου 40 db. Επιπλέον, μια τηλεφωνική γραμμή κλάσης 2 προσδιορίζεται από εύρος ζώνης από 600 Hz έως 2.8 KHz και ελάχιστο επίπεδο θορύβου 30 db. Σε μια εταιρία έχει τεθεί ως απαίτηση να στέλνει τα δεδομένα της μέσω τηλεφωνικής σύνδεσης με χωρητικότητα 20 kbps χωρίς ύπαρξη θορύβου. Αν σας ζητούνταν, θα συμβουλεύατε την εταιρία να νοικιάσει την τηλεφωνική γραμμή κλάσης 1 παρότι είναι πιο ακριβή ή την τηλεφωνική γραμμή κλάσης 2 που προσφέρεται πιο φθηνά; Αιτιολογήστε την άποψη σας. Λύση: Για την τηλεφωνική γραμμή κλάσης 1 ισχύει: B = 3100 Hz ( ) και S/N = 40 db, Άρα, C = 3100 * log2 ( ) = 41.2 kbps -41-

54 Είναι απαραίτητο να μετατρέψουμε την ποσότητα των decibel στο λόγο σήματος προς θόρυβο (S/N), οπότε θα έχουμε για τα 40 decibel το S/N και για τα 30 decibel 1000 το S/N. Για την τηλεφωνική γραμμή κλάσης 2 αντίστοιχα ισχύει: B = 2200 Hz ( ) και S/N = 30 db Άρα, C = 2200 * log2 ( ) = 21.9kbps Θεωρητικά, τόσο η γραμμή κλάσης 1 όσο και η γραμμή κλάσης 2 συναντούνται στο περιθώριο λάθους 20 kbps. Η υλοποίηση με τη γραμμή κλάσης 2 είναι πολύ κοντά στο Θεώρημα του Shannon και στο απόλυτο όριο που αυτό αντιπροσωπεύει καθώς αφήνει ελάχιστο περιθώριο λάθους. Στην πράξη, δεν είναι εφικτό ένα μόντεμ να δώσει το επιθυμητό αποτέλεσμα που υ- λοποιεί η γραμμή κλάσης 2. Επομένως, θα προτείναμε τη γραμμή κλάσης 1 παρόλο που είναι πιο ακριβή. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Επειδή οποιοδήποτε φυσικό σύστημα που χρησιμοποιείται για επικοινωνία έχει κάποια όρια ως προς την ταχύτητα με την οποία μπορεί να αλλάζει κατάσταση, τα φυσικά συστήματα δεν μπορούν να μεταδίδουν bit απεριόριστα γρήγορα. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρονικά στοιχεία δεν μπορούν να αλλάζουν την τάση σε ένα σύρμα ακαριαία. Η ταχύτητα με την οποία το υλικό μπορεί να αλλάζει κατάσταση λέγεται εύρος ζώνης του υλικού. Το εύρος ζώνης ενός συστήματος μετάδοσης μπορεί να μετρηθεί. Για την ακρίβεια έχουν ανακαλυφθεί δύο θεμελιώδεις σχέσεις. Το θεώρημα του Nyquist ορίζει τη σχέση μεταξύ του εύρους ζώνης του υλικού και το θεωρητικό μέγιστο ρυθμό με τον οποίο μπορούν να στέλνονται δεδομένα. Το Θεώρημα του Shannon παρέχει ένα όριο για ρυθμό με τον οποίο μπορούν να στέλνονται δεδομένα όταν υπάρχει θόρυβος. 5.2 ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ Θεωρητικό Υπόβαθρο -42-

55 Τι είναι δίκτυο Δίκτυο είναι ένα σύνολο συσκευών (υπολογιστών, εκτυπωτών, τερματικών, δορυφόρων) συνδεδεμένων μεταξύ τους με κανάλια επικοινωνίας (φυσικές συνδέσεις) τα οποία μπορούν να παράγουν, να στέλνουν, να προωθούν και να λαμβάνουν πληροφορίες (απλά δεδομένα, ήχος, βίντεο, εικόνα). Βασικοί σκοποί ενός δικτύου Καταμερισμός πόρων (υλικού λογισμικού). Υψηλή αξιοπιστία. Ταχύτητα επίλυσης προβλημάτων. Επικοινωνία Συνεργασία χρηστών. Περιορισμός κόστους. Διευθέτηση Τα δίκτυα χωρίζονται σε δύο ομάδες με βάση τον τρόπο κοινής χρήσης των πληροφοριών. Ομότιμα δίκτυα και δίκτυα βασισμένα σε διακομιστές (server) Σε ένα ομότιμο δίκτυο, όλοι οι υπολογιστές είναι ισότιμοι, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να θέτουν τους πόρους τους στη διάθεση των άλλων χρηστών του δικτύου και να χρησιμοποιούν πόρους άλλων υπολογιστών. Σε ένα δίκτυο βασισμένο σε διακομιστές, ένας ή περισσότεροι υπολογιστές λειτουργούν ως διακομιστές οι οποίοι παρέχουν τους πόρους στο δίκτυο. Οι υπόλοιποι διακομιστές είναι οι πελάτες οι οποίοι χρησιμοποιούν τους πόρους που παρέχονται από τον διακομιστή. Οι δυνατότητες των δύο κύριων τύπων δικτύων συνοψίζονται ως εξής: Σύγκριση τύπων δικτύων Θέμα Ομότιμο δίκτυο Δίκτυο βασισμένο σε διακομιστές Μέγεθος Κατάλληλο για 10 το πολύ υπολογιστές. Περιορίζεται μόνο από το υλικό των διακομιστών και του δικτύου. -43-

56 Ασφάλεια Διαχείριση Η ασφάλεια καθορίζεται από το χρήστη κάθε υπολογιστή. Οι μεμονωμένοι χρήστες είναι υπεύθυνοι για τη δική τους διαχείριση. Δεν απαιτείται διαχειριστής πλήρους απασχόλησης. Εκτενής και συνεπής ασφάλεια πόρων και χρηστών. Κεντρική θέση για έλεγχο του δικτύου. Απαιτείται τουλάχιστον ένας καταρτισμένος διαχειριστής. Τοπολογία του δικτύου είναι η γεωμετρική αναπαράσταση των γραμμών ζεύξεων (links) και των συνδεδεμένων συσκευών του δικτύου. Υπάρχουν 6 βασικές τοπολογίες δικτύων: Τοπολογία Σημείο προς Σημείο (Point-to-Point Topology) Τοπολογία Πλέγματος (Mesh Topology) Τοπολογία Αστέρα (Star Topology) Τοπολογία Δέντρου (Tree Topology) Τοπολογία Δακτυλίου (Ring Topology) Τοπολογία Διαύλου (Bus Topology) καθώς και Σύνθετες Υβριδικές Τοπολογίες (Hybrid Topologies). Η επικοινωνία μεταξύ των υπολογιστών και γενικότερα η κοινή χρήση των πόρων τους είναι εφικτή μόνο όταν αυτοί είναι συνδεδεμένοι. Στα περισσότερα σύγχρονα δίκτυα οι υπολογιστές είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους με καλώδια. Ωστόσο, στη διασύνδεση ενός πλήθους υπολογιστών δεν παίζουν ρόλο μόνο τα καλώδια. Οι διαφορετικοί τύποι καλωδίων, καρτών δικτύου, λειτουργικών συστημάτων καθώς και πολλών άλλων στοιχείων δικτύωσης απαιτούν και διαφορετικούς τρόπους διευθέτησης του δικτύου, ή αλλιώς, απαιτούν διαφορετικές δικτυακές τοπολογίες. Για τη σωστή διευθέτηση μιας τοπολογίας απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή. Και αυτό γιατί -44-

57 μια συγκεκριμένη τοπολογία μπορεί να προσδιορίζει τον τύπο της καλωδίωσης που θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί, τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα καλώδια θα περνούν μέσα από τα ταβάνια, τοίχους και πατώματα, τον τρόπο επικοινωνίας μεταξύ των υπολογιστών καθώς και πολλά άλλα λειτουργικά στοιχεία. Όλα αυτά θα πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη κατά τη διευθέτηση της τοπολογίας, γιατί προσδιορίζουν σε μεγάλο βαθμό το επίπεδο της απόδοσης ολόκληρου του δικτύου. Τοπολογία Σημείο προς Σημείο (Point-to-Point Topology) Η πιο απλή τοπολογία όπου ένας προσωρινός/μόνιμος σύνδεσμος ενώνει δυο συσκευές. Είναι γνωστή και ως τοπολογία γραμμής (Line Topology). Λόγω της δυνατότητας δυναμικής σύνδεσης/αποσύνδεσης δύο συσκευών αποτέλεσε το βασικό μοντέλο για τη συμβατική μορφή τηλεφωνίας. Τοπολογία Διαύλου (bus) Σύμφωνα με αυτή την τοπολογία όλοι οι υπολογιστές είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους μέσω ενός κοινόχρηστου καλωδίου. Η τοπολογία αυτή είναι γνωστή και ως γραμμικός δίαυλος (linear bus), επειδή οι υπολογιστές συνδέονται σε ευθεία γραμμή. Αποτελεί την απλούστερη από όλες τις υλοποιήσεις. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Ελαχιστοποίηση των καλωδιώσεων. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Δυνατότητα σύνδεσης περιορισμένου αριθμού συσκευών. Δυσκολία στην απομόνωση σφαλμάτων και στην ανάκαμψη του δικτύου. Εξασθένηση σήματος ανάλογη με το μήκος του κεντρικού καλωδίου. -45-

58 Τοπολογία αστεριού (star) Στην τοπολογία αστεριού ο κάθε υπολογιστής συνδέεται σε ένα κεντρικό κόμβο ή ομφαλό (hub), ο οποίος είναι υπεύθυνος για τη διατήρηση και τον έλεγχο της επικοινωνίας μεταξύ των σταθμών. Σε ένα δίκτυο αστέρα οι μεταδόσεις ενός υπολογιστή μεταδίδονται μέσω του ομφαλού μόνο στον υπολογιστή - παραλήπτη και όχι σε κάθε υπολογιστή του δικτύου, όπως συμβαίνει στα δίκτυα διαύλου. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Μικρό κόστος και πολύ λιγότερες καλωδιώσεις. Καλή λειτουργία στην αναγνώριση και απομόνωση σφαλμάτων. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Δυσλειτουργία ή καταστροφή του κεντρικού κόμβου ελέγχου οδηγεί σε κατάρρευση του συστήματος. -46-

59 Τοπολογία πλέγματος (Mesh) Κάθε Η/Υ συνδέεται με κάθε άλλον υπολογιστή, μέσα από αποκλειστικές ζεύξεις μόνιμα. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Μηδαμινά έως ελάχιστα προβλήματα κυκλοφορίας. Μέγιστη Ασφάλεια. Αχρήστευση μιας γραμμής δεν οδηγεί σε αχρήστευση του συστήματος. Εύκολη ανίχνευση-απομόνωση σφαλμάτων Δυνατότητες δρομολόγησης για αποφυγή των αχρηστεμένων γραμμών. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Υψηλό έως απαγορευτικά υψηλό κόστος σε υλικό (hardware) και καλωδιώσεις. Δυσκολίες στην εγκατάσταση του συστήματος λόγω καλωδιώσεων και στενότητας χώρων. -47-

60 Τοπολογία Δακτυλίου (ring) Στην τοπολογία δακτυλίου (ring) όλες οι συσκευές συνδέονται με μορφή ενός κλειστού βρόχου, έτσι ώστε κάθε συσκευή συνδέεται άμεσα με δύο άλλες συσκευές, ένα από κάθε πλευρά. Οι τοπολογίες δακτυλίων είναι σχετικά ακριβές και δύσκολο να εγκατασταθούν, αλλά προσφέρουν το υψηλό εύρος ζώνης και μπορούν να εκταθούν σε μεγάλες αποστάσεις. Παραδείγματα τέτοιων τοπολογιών αποτελούν το token ring και το FDDI. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Εύκολη εγκατάσταση και αναβάθμιση του συστήματος. Ευκολία στην ανίχνευση και απομόνωση των σφαλμάτων. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Περιορισμένος αριθμός συνδεμένων συσκευών. Κίνδυνος κατάρρευσης συστήματος από την κατάρρευση ενός σταθμού. -48-

61 Τοπολογία δέντρου (tree) Αποτελεί επέκταση της τοπολογίας του Αστέρα. Υπάρχει ένας κεντρικός κόμβος ελέγχου και πολλοί άλλοι δευτερεύοντες κόμβοι (ή και τερματικά) συνδεμένοι με τον κεντρικό. Ο κεντρικός κόμβος περιέχει μια συσκευή επαναλήπτη (repeater) που αναπαράγει τις πληροφορίες, προτού τις προωθήσει. Οι δευτερεύοντες κόμβοι λειτουργούν κυρίως σε φυσικό επίπεδο, δρομολογώντας την πληροφορία σε μορφή bits. Παράδειγμα τα δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ / ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ίδια με του Αστέρα -49-

62 Σύνθετες Τοπολογίες (Hybrid Topologies) Χρησιμοποιούνται συνδυασμοί των 6 παραπάνω κύριων τοπολογιών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα σύνθετων τυπολογιών που συναντώνται συχνά είναι οι Τοπολογίες Αστέρα-Δακτυλίου και Αστέρα-Διαύλου. Για την εύρεση των σύνθετων δικτύων που καλύπτουν τις απαιτήσεις που εμφανίζει κάθε ιδιαίτερη περίπτωση χρησιμοποιούνται ειδικοί αλγόριθμοι βασισμένοι σε θεωρήματα γράφων τα οποία παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο για την σωστή κατανομή των συνδέσεων και των συσκευών. Εργαστηριακή Άσκηση 1. Να συμπληρωθεί κατάλληλα ο παρακάτω πίνακας ώστε να χαρακτηρίζει τις βασικές τοπολογίες δικτύων ως προς τους ακόλουθους παράγοντες: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣ ΔΙΑΥΛΟ ΑΣΤΕΡΙ ΔΑΚΤΥΛΙΟ ΠΛΕΓΜΑ ΤΙΚΑ Σ Σ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΡΓΗ ΜΕΓΑΛΗ ΙΚΑΝΟΠΟΙ ΜΕΓΑΛΗ ΗΤΙΚΗ ΕΠΕΚΤΑΣΙΜΟΤ ΕΥΚΟΛΗ ΕΥΚΟΛΗ ΕΥΚΟΛΗ ΕΥΚΟΛΗ ΗΤΑ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΜΕΓΑΛΗ ΜΕΓΑΛΗ ΙΚΑΝΟΠΟΙ ΗΤΙΚΗ ΜΕΓΑΛΗ -50-

63 ΚΟΣΤΟΣ ΦΘΗΝΟ ΙΚΑΝΟΠΟΙΗΤ ΑΚΡΙΒΟ ΑΚΡΙΒΟ ΙΚΟ ΒΛΑΒΕΣ ΔΥΣΚΟΛΙ Α ΕΥΚΟΛΙΑ ΔΥΣΚΟΛΙΑ ΔΥΣΚΟΛΙΑ 2. Μελέτη Περίπτωσης Δικτύου Μια μικρή, αυτόνομη επαγγελματική/ οικιακή /ασφαλιστική επιχείρηση που έχει έναν ιδιοκτήτη, ένα γενικό διευθυντή, ένα διαχειριστή, και τέσσερις υπαλλήλους αποφασίζει να υλοποιήσει ένα δίκτυο. Η εταιρεία καταλαμβάνει τον μισό όροφο ενός μικρού κτιρίου. Ο όγκος των συναλλαγών της υπήρξε σταθερός κατά τα τελευταία χρόνια, αλλά πρόσφατα άρχισε να αυξάνεται. Για τον χειρισμό του αυξημένου όγκου συναλλαγών πρόκειται να προσληφθούν δύο νέοι υπάλληλοι. Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται η τρέχουσα διευθέτηση. Όλοι οι εργαζόμενοι της εταιρείας διαθέτουν υπολογιστή, αλλά ο μόνος που διαθέτει εκτυπωτή είναι ο γενικός διευθυντής. Όλοι αυτοί οι υπολογιστές δεν είναι συνδεδεμένοι με καμιά μορφή δικτύου. Όταν οι υπάλληλοι θέλουν να τυπώσουν ένα έγγραφο, πρέπει να αντιγράψουν το αρχείο σε δισκέτα και να το μεταφέρουν στον υπολογιστή του γενικού διευθυντή όπου θα μπορέσουν τελικά να το τυπώσουν. Παρομοίως, όταν δύο μέλη του προσωπικού θέλουν να χρησιμοποιήσουν ορισμένα δεδομένα από κοινού, ο μόνος τρόπος είναι η αντιγραφή των δεδομένων του ενός υπολογιστή σε δισκέτα και η τοποθέτηση της δισκέτας στον άλλο υπολογιστή. -51-

64 Πρόσφατα προέκυψαν προβλήματα. Ο γενικός διευθυντής αφιερώνει υπερβολικά πολύ χρόνο για την εκτύπωση των εγγράφων άλλων ατόμων με συνέπεια μάλιστα, πολλές φορές να μην είναι ξεκάθαρο ποιο αντίγραφο ενός εγγράφου αντιστοιχεί στην πιο ενημερωμένη και έγκυρη έκδοση του. Σας έχει ανατεθεί να σχεδιάσετε ένα δίκτυο για την εταιρεία. Προκειμένου να μπορέσετε να προχωρήσετε στην επιλογή μιας λύσης, αποφασίσατε να κάνετε ορισμένες ερωτήσεις. 1. Ποιον τύπο δικτύου θα προτείνατε γι αυτή την εταιρεία; Ομότιμο Βασισμένο σε διακομιστή Απάντηση: Δεν υπάρχει απόλυτα σωστή ή απόλυτα λάθος απάντηση γι αυτό το πρόβλημα. Παραταύτα, θα έπρεπε να προταθεί ένα δίκτυο βασισμένο σε διακομιστή. Παρ όλο που αυτή τη στιγμή ολόκληρη η εταιρεία έχει μόνο επτά άτομα και κατά συνέπεια, ένα ομότιμο δίκτυο μοιάζει να επαρκεί, η εταιρεία βρίσκεται σε φάση ανάπτυξης. Επιπλέον, ορισμένες από τις πληροφορίες που θα στέλνονται μέσω του δικτύου είναι εμπιστευτικές. Είναι προτιμότερο, λοιπόν να επενδύσετε σε ένα δίκτυο βασισμένο σε διακομιστή που επιδέχεται ανάπτυξη και μπορεί να παρέχει ασφάλεια από ένα κεντρικό σημείο, παρά να επιλέξετε ένα ομότιμο δίκτυο το οποίο, με δεδομένη την ανάπτυξη της εταιρείας, θα θεωρείται σε ένα ή δύο χρόνια απαρχαιωμένο. β. Ποια τοπολογία δικτύου θα ήταν καταλληλότερη γι αυτή την περίπτωση; Διαύλου Δακτυλίου Αστεριού Πλέγματος Διαύλου /αστεριού Δακτυλίου / αστεριού -52-

65 Απάντηση: Δεν υπάρχει μόνο μια σωστή απάντηση. Σήμερα, τα περισσότερα δίκτυα που εγκαθίστανται είναι τοπολογίας διαύλου/αστεριού και διαύλου. Το δίκτυο διαύλου αστεριού με ομφαλό (hub) ως κεντρικό σημείο φαίνεται να είναι η καλύτερη λύση λόγω της ευκολίας αντιμετώπισης ενδεχόμενων προβλημάτων και πιθανής αναδιευθέτησης του. Παρόλο που θα μπορούσατε να επιλέξετε ένα δίκτυο διαύλου λόγω του χαμηλού κόστους και της ευκολίας εγκατάστασης του, αυτή η τοπολογία δεν διαθέτει δυνατότητες αντιμετώπισης των προβλημάτων από ένα κεντρικό σημείο ούτε τα διαχειριστικά πλεονεκτήματα ενός ομφαλού (hub). Η τοπολογία δακτυλίου είναι, κατά πάσα πιθανότητα, πιο πολύπλοκη απ ότι χρειάζεται γι αυτό το δίκτυο. 3. Περιγράψτε τη διαφορά μεταξύ ενός LAN και ενός WAN Απάντηση: Το τοπικό δίκτυο (LAN) είναι ο θεμέλιος λίθος οποιουδήποτε δικτύου υπολογιστών. Μπορεί να αποτελεί το απλούστερο δίκτυο (δύο υπολογιστές συνδεδεμένοι μεταξύ τους με καλώδιο ώστε να επιτρέπεται η κοινή χρήση πληροφοριών) ή να περιλαμβάνει πολλές εκατοντάδες υπολογιστές ώστε να είναι δυνατή η κοινή χρήση των πληροφοριών και των πόρων τους. Τα τοπικά δίκτυα έχουν όρια, ενώ τα δίκτυα ευρείας περιοχής (WAN) δεν έχουν. Ένα WAN μπορεί να συνδέει πολλά τμήματα μιας επιχείρησης που στεγάζονται στο ίδιο κτίριο ή σε κτίρια που βρίσκονται στις τέσσερις γωνιές της γης. Σήμερα το υπέρτατο WAN είναι ο παγκόσμιος ιστός(world Wide Web). 4. Ποιες είναι οι δύο βασικές διευθετήσεις δικτύων; Απάντηση: Οι δύο βασικές διευθετήσεις δικτύων είναι το ομότιμο δίκτυο και το δίκτυο που βασίζεται σε διακομιστή. 5. Να συμπληρωθούν κατάλληλα τα κενά στις παρακάτω προτάσεις με τις σωστές λέξεις. α. Ένας βασικός λόγος για την υλοποίηση ενός δικτύου είναι η κοινή χρήση πόρων. -53-

66 β. Υπάρχουν πολλοί πόροι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από κοινού σε ένα δίκτυο, σημαντικότεροι από τους οποίους είναι: οι εκτυπωτές οι εφαρμογές τα αρχεία, και η πρόσβαση του δικτύου στον Παγκόσμιο Ιστό (Internet) γ. Σε ένα ομότιμο δίκτυο, κάθε υπολογιστής μπορεί να ενεργεί ως διακομιστής και ως πελάτης. δ. Ο διακομιστής παρέχει υπηρεσίες και πόρους στο δίκτυο. ε. Ένα ομότιμο δίκτυο είναι επαρκές όταν δεν μας απασχολεί η ασφάλεια. στ. Οι επαγγελματίες των δικτύων χρησιμοποιούν τον όρο τοπολογία για να αναφερθούν στη φυσική διάταξη ενός δικτύου. ζ. Σε μια τοπολογία διαύλου, όλοι οι υπολογιστές είναι συνδεδεμένοι σε μια σειρά. Για να διακόψετε την αναπήδηση των σημάτων, είναι απαραίτητο να υπάρχει ένας τερματιστής σε κάθε άκρο του καλωδίου. η. Σε μια τοπολογία αστεριού, όλα τα τμήματα συνδέονται σε ένα κεντρικό στοιχείο που ονομάζεται ομφαλός (hub). θ. Σε μια τοπολογία διαύλου ένα κομμένο καλώδιο προκαλεί την πτώση ολοκλήρου του δικτύου. ι. Η πιο αξιόπιστη αλλά και πιο ακριβή στην εγκατάσταση τοπολογία είναι η τοπολογία πλέγματος. 6. Παρακάτω παρατίθενται κριτήρια επιλογής τοπικών δικτύων ( LAN ) και επιλογής δικτύων ευρείας περιοχής (WAN ). Να βρείτε τις αντιστοιχίες στις 2 κατηγορίες δικτύων. Α. ΤΟΠΙΚΑ 1. Αριθμός υποστηριζόμενων σταθμών εργασίας. -54-

67 ΔΙΚΤΥΑ LAN B. ΔΙΚΤΥΑ ΕΥΡΕΙΑΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ WAN 2. Διαθεσιμότητα εφαρμογών λογισμικού. 3. Απαιτήσεις σε ταχύτητα επικοινωνίας. 4. Ασφάλεια των δεδομένων. 5. Απόσταση των τοπικών δικτύων και των συσκευών που δικτυώνονται. 6. Ανάγκη υποστήριξης ειδικευμένων εφαρμογών. 7. Ομαλή λειτουργία δικτύου σε περιπτώσεις αποσύνδεσης σταθμών /κόμβων. 8. Εφάπαξ κόστος εγκατάστασης και κόστος λειτουργίας δικτύου. 9. Δυνατότητα υποστήριξης της λύσης σε κόμβους/ υποκαταστήματα που θα προστεθούν στο μέλλον. 10. Αρχιτεκτονική βασισμένη σε διεθνή πρότυπα. ΑΠΑΝΤΗΣΗ: LAN 1,2,3,7,10 WAN 4,5,6,8,9 7. Επιλέξτε τη σωστή απάντηση στις παρακάτω προτάσεις: 1. Στην τοπολογία δακτυλίου, αν καταρρεύσει ένας σταθμός εργασίας, το δίκτυο: i. Χωρίζεται σε 2 δίκτυα ii. Καταρρέει iii. Έχει χαμηλότερη απόδοση iv. Δεν επηρεάζεται ΑΠΑΝΤΗΣΗ : ii 2. Στην τοπολογία αστέρα, αν καταρρεύσει ο κεντρικός κόμβος, το δίκτυο : i. Χωρίζεται σε 2 δίκτυα ii. Έχει χαμηλότερη απόδοση iii. Καταρρέει iv. Δεν επηρεάζεται ΑΠΑΝΤΗΣΗ : iii 3. Στην τοπολογία αρτηρίας, αν κοπεί η αρτηρία, το δίκτυο: -55-

68 i. Χωρίζεται σε 2 δίκτυα ii. Καταρρέει iii. Έχει χαμηλότερη απόδοση iv. Δεν επηρεάζεται ΑΠΑΝΤΗΣΗ : iv 4. Στην τοπολογία αρτηρίας, αν καταρρεύσει ένας σταθμός εργασίας, το δίκτυο: i. Χωρίζεται σε 2 δίκτυα ii. Καταρρέει iii. Έχει χαμηλότερη απόδοση iv. Δεν επηρεάζεται ΑΠΑΝΤΗΣΗ : iv 8. Έστω τρία δίκτυα μεταγωγής πακέτων τα οποία και τα τρία αποτελούνται από n μεταγωγούς (n>=3). Το πρώτο δίκτυο έχει τοπολογία αστέρα με έναν κεντρικό μεταγωγό, το δεύτερο τοπολογία δακτυλίου (διπλής κατεύθυνσης) και το τρίτο τοπολογία πλέγματος, με ένα φυσικό σύνδεσμο από κάθε κόμβο προς κάθε κόμβο. Για κάθε τοπολογία να βρείτε το μέγιστο, το ελάχιστο και το μέσο αριθμό συνδέσμων (hops) που θα διανύσει ένα πακέτο. Θεωρείστε ότι όλα τα ζεύγη μεταγωγών προορισμού και πηγής είναι ισοπίθανα, καθώς και ότι ένα πακέτο είναι δυνατό να μεταδίδεται μεταξύ τερματικών συσκευών που είναι συνδεδεμένες σε ένα μεταγωγό (δηλαδή ο μεταγωγός πηγής είναι και μεταγωγός προορισμού). Επίσης, θεωρείστε ότι πάντα ακολουθείται ο συντομότερος δρόμος μεταξύ μεταγωγών. Στην παρακάτω εικόνα δίνεται ένα παράδειγμα για n=

69 ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Όλοι οι μεταγωγοί (συμπεριλαμβανομένου και της πηγής) έχουν πιθανότητα να είναι προορισμοί ίση με : 1 / n. Για την τοπολογία αστέρα: Μέγιστο = 2 σύνδεσμοι Ελάχιστο = 0 σύνδεσμοι Για τον υπολογισμό του μέσου πλήθους διανυθέντων κόμβων: Μέσος ακραίου κόμβου= 1 * 1/n +2 * (n-2) / n = (2*n -3) / n Μέσος κεντρικού κόμβου= (n-1) / n Επειδή έχουμε n-1 ακραίους κόμβους κι έναν κεντρικό: Μέσος = (n-1)/n * Μέσος ακραίου κόμβου + (1/n) * Μέσος κεντρικού κόμβου = (n-1)/n * (2*n -3) / n + (1/n) * (n-1) / n = 2*(n-1)^2 / n^2 Για την τοπολογία δακτυλίου: Όσον αφορά το μέγιστο πλήθος, στη χειρότερη περίπτωση, το πακέτο θα διανύσει το μισό δακτύλιο, άρα n/2, (ακέραιο μέρος του n/2). Ελάχιστο = 0 σύνδεσμοι -57-

70 Για τον υπολογισμό του μέσου πλήθους διανυθέντων κόμβων: Αν το n είναι άρτιος, τότε με πιθανότητα 1/n το πακέτο θα διανύσει 0 συνδέσμους ( το τερματικό πηγής θα είναι στον ίδιο μεταγωγό με το τερματικό προορισμού), με πιθανότητα επίσης 1/n θα διανύσει n/2 συνδέσμους (θα κατευθύνεται στο διαμετρικά αντίθετα μεταγωγό) ενώ θα διανύσει από 1 ως (n/2) -1 συνδέσμους με πιθανότητα 1/n δεξιόστροφα και 1/n αριστερόστροφα (προς τους υπόλοιπους μεταγωγούς). Όποτε: Μέσος = 0 * 1/n + ( n/2-1) * 2/n + n/2 * 1/n = n/ 4 Το μέγιστο είναι: n /2 Αν το n είναι περιττός, τότε με πιθανότητα 1/n το πακέτο θα διανύσει 0 συνδέσμους ( το τερματικό πηγής θα είναι στον ίδιο μεταγωγό με το τερματικό προορισμού), ενώ θα διανύσει από 1 ως (n/2) -1 συνδέσμους με πιθανότητα 1/n δεξιόστροφα και 1/n αριστερόστροφα. Όποτε: Μέσος = 0 * 1/n + ( n/2) * 2/n = n^2 1 / 4 * n Το μέγιστο είναι: (n 1)/2 Για την τοπολογία πλέγματος: Μέγιστο = 1 σύνδεσμος Ελάχιστο = 0 σύνδεσμοι Για τον υπολογισμό του μέσου πλήθους διανυθέντων κόμβων με πιθανότητα 1/n το πακέτο θα διανύσει 0 συνδέσμους ( το τερματικό πηγής θα είναι στον ί- διο μεταγωγό με το τερματικό προορισμού), ενώ με πιθανότητα επίσης 1/n θα κατευθύνεται στους υπόλοιπους n-1 μεταγωγούς διανύοντας 1 σύνδεσμο. Μέσο = 0 * (1/n) + 1 * (1/n) * (n-1) = (n-1)/n -58-

71 5.3 ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Θεωρητικό Υπόβαθρο Η πολυπλεξία επιτρέπει την παράλληλη μετάδοση δεδομένων από διαφορετικές πηγές χωρίς αλληλοπαρεμβολές. Βασικά είδη πολυπλεξίας: TDM/TDMA(Time Division Multiple Access): Πολυπλεξία στο χρόνο. FDM/FDMA(Frequency Division Multiple Access): Πολυπλεξία στη συχνότητα. WDM (Wavelength Division Multiplexing): Ειδική περίπτωση FDM για οπτικές ίνες (πολύ υψηλές συχνότητες) CDMA(Code Division Multiple Access):Πολυπλεξία κώδικα Συνδυασμοί των παραπάνω. Σχηματική αναπαράσταση Η πολυπλεξία στην συχνότητα (FDMA) Η πληροφορία διοχετεύεται σε κανάλια που διαφοροποιούνται μεταξύ τους στη συχνότητα φέροντος. -59-

72 Έτσι, πολλές συνομιλίες είναι δυνατόν να λάβουν χώρα ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας κάποιες από τις συχνότητες του συστήματος. Η πολυπλεξία στον χρόνο (TDMA) Η πληροφορία διοχετεύεται σε τμήματα που διαδέχονται το ένα το άλλο στο χρόνο. Κάθε χρήστης μεταδίδει συγκεκριμένη χρονική στιγμή που καλείται χρονοθυρίδα. Έτσι, πολλές συνομιλίες είναι δυνατόν να λάβουν χώρα ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας μια συχνότητα. Η ταχύτητα κάθε καναλιού υποβιβάζεται κατά τον αριθμό των χρονοθυρίδων. Εισαγωγικά για CDMA 1. CDMA: Code Division Multiple Access: χρήση σε στρατιωτικές εφαρμογές από δεκαετίες - βάση των συστημάτων 3ης γενιάς (UMTS) όλοι οι χρήστες σε όλο το φάσμα συχνοτήτων (στο ίδιο) την ίδια στιγμή με ιδιαίτερο κώδικα, που χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση του σήματος H CDMA τεχνική πρόσβασης αποτελεί παράδειγμα των τεχνικών πρόσβασης ευρέου φάσματος (spread spectrum) Η πληροφορία πολλαπλασιάζεται με μια κωδική ακολουθία (κώδικας), που είναι μοναδική για κάθε χρηστή. Στον δέκτη, ένας νέος πολλαπλασιασμός με τον ίδιο κώδικα λαμβάνει χώρα. Οι κώδικες είναι τέτοιοι ώστε να μπορεί ο δέκτης να αναγνωρίσει το μήνυμα του αποστολέα, χωρίς να τον επηρεάζουν οι μεταδόσεις άλλων χρηστών που επίσης λαμβάνει. Άρα: μεταδίδουν πολλοί χρήστες ταυτόχρονα, στην ίδια συχνότητα, χωρίς πρόβλημα (αρκεί οι κώδικες των χρηστών να είναι κατάλληλοι). Παράδειγμα CDMA -60-

73 Όταν δεν υπάρχουν παρεμβάλλοντες πομποί ο δέκτης λαμβάνει τα κωδικοποιημένα bits. Ανακτά τα αρχικά bit δεδομένων, d i, υπολογίζοντας το : Τα παρεμβάλλοντα εκπεμπόμενα δυαδικά σήματα είναι προσθετικά. Τέσσερις πηγές καθυστέρησης σε ένα δρομολογητή 1. Επεξεργασία στον κόμβο: Εξέταση του header Προσδιορισμός ζεύξης εξόδου Έλεγχος σφαλμάτων bits τάξεως microseconds 2. Αναμονή στην ουρά: Χρόνος αναμονής στη ζεύξη εξόδου Εξαρτάται από το βαθμό συμφόρησης του δρομολογητή Τάξεως microseconds ~milliseconds 3.Καθυστέρηση μετάδοσης -61-

74 R: bandwidth ζεύξης (bps) L: μήκος πακέτου (bits) Χρόνος μετάδοσης πακέτου: L/R Τάξεως microseconds με milliseconds Αντιστοιχεί στην προώθηση όλων των bits του πακέτου στη ζεύξη 4.Καθυστέρηση διάδοσης D: μήκος φυσικής ζεύξης S: ταχύτητα διάδοσης μέσου (~ 2-3 x 10 8 m/sec) Χρόνος διάδοσης πακέτου D/S Τάξεως microseconds με milliseconds Ένα bit, αφού προωθηθεί προς τη ζεύξη, πρέπει να διαδοθεί ως το δρομολογητή Καθυστέρηση σε κόμβο Καθυστέρηση κόμβου είναι η καθυστέρηση σε ένα δρομολογητή d proc = καθυστέρηση επεξεργασίας (processing delay) Συνήθως μερικά microseconds ή λιγότερο d queue = καθυστέρηση αναμονής ουράς (queuing delay) Εξαρτάται από τη συμφόρηση d trans = καθυστέρηση μετάδοσης (transmission delay) L/R, σημαντική για ζεύξεις χαμηλού ρυθμού d prop = καθυστέρηση διάδοσης (propagation delay) -62-

75 D/S, εξαρτάται από το μέσο μετάδοσης και την απόσταση Εργαστηριακή Άσκηση 1. Παρακολουθήστε το Flash αρχείο: 2. Πολυπλεξία (Multiplexing) είναι η τεχνική,. Απάντηση: [Η τεχνική με την οποία ροές δεδομένων από διαφορετικές διεργασίες (εφαρμογές) ή υ- πολογιστές υπηρεσίας μεταδίδονται μέσα από έναν κοινόχρηστο σύνδεσμο]. 3. Ο συνθέτει (πολυπλέκει) τα δεδομένα από τις ν γραμμές εισόδου και τα μεταδίδει μέσα από γραμμή χωρητικότητας. Απάντηση: [πολυπλέκτης, μεγαλύτερης ] 4. Ο λαμβάνει την πολυπλεγμένη ροή δεδομένων, χωρίζει τα δεδομένα ανάλογα με το κανάλι, στο οποίο ανήκουν και τα οδηγεί στις αντίστοιχες γραμμές εξόδου. Απάντηση: [αποπολυπλέκτης] 5. Σωστό / Λάθος Με την πολυπλεξία δεδομένα από πολλές πηγές μεταδίδονται μέσα από διαφορετικές γραμμές επικοινωνίας. 6. Με χρήση του εργαλείου Stop and Wait μελετήστε (πειραματιστείτε) σχετικά με την μεταφορά πακέτων (πόσα πακέτα χάνονται, πόσα διανέμονται και τα ack) σε κάθε μία από τις παρακάτω περιπτώσεις: 1. 90% του μηνύματος θα διανεμηθεί (delivered) -63-

76 2. 100% του μηνύματος θα διανεμηθεί (delivered) 3. 52% του μηνύματος θα διανεμηθεί (delivered) 4. 30% του μηνύματος θα διανεμηθεί (delivered) Απάντηση α. β. γ. -64-

77 δ. 7. Πόσο χρόνο θα πάρει για να σταλεί ένα αρχείο των bits από τον κόμβο Α στον κόμβο Β πάνω από ένα δίκτυο μεταγωγής κυκλωμάτων; i. Όλοι οι σύνδεσμοι είναι στα 1.536Mbps. ii. iii. Κάθε σύνδεσμος χρησιμοποιεί το TDM με 24 θυρίδες το δευτερόλεπτο. Χρειάζονται 500 ms για να δημιουργηθεί ένα end-to-end κύκλωμα. Λύση Κάθε κύκλωμα έχει ρυθμό μετάδοσης : -65-

78 1.536 Mbps/24 = 64 Kbps Συνεπώς, χρειάζεται bits/64Kbps = 10 s για να μεταδώσει το αρχείο. Προσθέτοντας 500 ms για να δημιουργηθεί το κύκλωμα: 10 s ms = 10.5 s συνολικά για να μεταδοθεί το αρχείο. Ο χρόνος μετάδοσης είναι ανεξάρτητος από τον αριθμό των συνδέσμων. 8. Δίκτυο CSMA/CD με ταχύτητα μετάδοσης R=400 Mbps, αποτελείται από 3 τμήματα ομοαξονικού καλωδίου μήκους 1 Km το καθένα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με επαναλήπτες με κάθε επαναλήπτη να εισάγει καθυστέρηση 5 μsec. Η ταχύτητα διάδοσης στο μέσο μετάδοσης είναι Km/sec. Στο δίκτυο αυτό εισέρχονται 80 σταθμοί (που παράγουν κίνηση με τον ίδιο ρυθμό) ανά τμήμα του και μεταδίδονται πλαίσια μήκους διπλασίου του ελαχίστου. Ποιά θα είναι η ρυθμαπόδοση του επιπέδου δικτύου κάθε σταθμού του δικτύου, αν η ε- πιβάρυνση (overhead) που εισάγει το Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων ανά μεταδιδόμενο πλαίσιο είναι 1000 bits; Λύση Το μήκος του μέσου μετάδοσης είναι 3 Km. Τρία τμήματα συνδέονται με δύο επαναλήπτες που εισάγουν επιπλέον καθυστέρηση. Οπότε σε αυτό το δίκτυο, η καθυστέρηση διάδοσης PROP είναι ίση με = 3Km +2*5 μsec=25 μsec Km / sec Γνωρίζουμε ότι στο CSMA/CD, το ελάχιστο μήκος πλαισίου αντιστοιχεί σε χρονικό διάστημα μετάδοσης διπλάσιο του PROP. Έτσι, 2*PROP=50 μsec και το ελάχιστο μέγεθος πλαισίου είναι ίσο με 2*PROP*R=50 μsec * 400 Mbps = bits. Εφόσον μεταδίδονται πλαίσια μήκους διπλασίου του ελαχίστου, κάθε ένα τέτοιο πλαίσιο θα έχει μέγεθος ίσο με bits με χρόνο μετάδοσης TRANSP=100 μsec. -66-

79 Επίσης, κάθε ένα τέτοιο πλαίσιο θα μεταφέρει = bits πληροφορίας με αποτέλεσμα το ποσοστό μεταφοράς ωφέλιμης πληροφορίας ανά πλαίσιο να είναι ίσο με /40.000= Εφόσον PROP= 25 μsec, TRANSP=100 μsec, σύμφωνα με τον γνωστό από τη θεωρία τύπο που δίνει την απόδοση ενός CSMA/CD δικτύου (n=1/(1+5α), όπου α=prop/transp), προκύπτει ότι η απόδοση του δικτύου θα είναι ίση με n= Η ρυθμαπόδοση του δικτύου θα είναι ίση με n*r=0.444*400 Mbps = Mbps. Η ρυθμαπόδοση κάθε σταθμού θα είναι ίση με (177.6 Mbps) / (3*80 σταθμοί)=740 Kbps. Η ρυθμαπόδοση του επιπέδου δικτύου κάθε σταθμού του δικτύου θα είναι ίση με 0.975*740 Kbps= Kbps. 9. Eνα δίκτυο αποτελείται από 500 Kbits/sec συνδέσμους, με 30 συνδέσμους μεταξύ αφετηρίας και προορισμού. Οι καθυστερήσεις αναμονής (queuing delays) είναι 20 milliseconds ανά σύνδεσμο, οι καθυστερήσεις διάδοσης (propagation delays) είναι 100 microseconds ανά σύνδεσμο. Θέλουμε να στείλουμε ένα πακέτο μήκους bits. Αν χρησιμοποιηθεί μεταγωγή κυκλώματος, ο χρόνος για την εγκαθίδρυση της σύνδεσης (setup time) είναι 2 seconds. Με την μεταγωγή πακέτου ο χρόνος εγκαθίδρυσης θεωρείται αμελητέος. Ποιός τρόπος μεταγωγής είναι καλύτερος και κατά πόσο; Λύση Καθυστέρηση με χρήση μεταγωγής κυκλώματος: 2sec μsec /( ) sec=2+0,003+0,02=2,023 sec Καθυστέρηση με χρήση μεταγωγής πακέτου: 30 [10000/( ) sec +20msec+100μsec]=30 (0,02+0,02+0,0001) sec=30 0,0401 sec=1,203 sec. Άρα η μεταγωγή πακέτου συμφέρει σε αυτήν την περίπτωση. -67-

80 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η έννοια της πολυπλεξίας (multiplexing) είναι θεμελιώδης για τα δίκτυα υπολογιστών. Η πολυπλεξία επιτρέπει να στέλνουν δεδομένα πολλές πηγές σε πολλούς προορισμούς μέσω ενός μεριζόμενου καναλιού επικοινωνίας. Οι διεργασίες λαμβάνουν χώρα στο φυσικό επίπεδο του μοντέλου αναφοράς OSI και δεν γίνονται αντιληπτές από τα πρωτόκολλα των ανώτερων επιπέδων. Συγκριτικά, όσον αφορά κάποιες τεχνικές πολύπλεξης: Έστω ότι σ ένα μεγάλο δωμάτιο, πολλά ζευγάρια ανθρώπων συνομιλούν: με το TDMΑ όλα τα άτομα βρίσκονται οπουδήποτε στο δωμάτιο, αλλά ο καθένας περιμένει τη σειρά του για να μιλήσει (πρώτα μιλάει ο ένας, μετά ο άλλος κ.ο. κ.) με το FDMΑ οι άνθρωποι στο δωμάτιο χωρίζονται σε ομάδες, όπου κάθε ομάδα βρίσκεται σε αρκετή απόσταση από την άλλη ώστε οι ομάδες να συνομιλούν ταυτόχρονα αλλά ανεπηρέαστα η μία από την άλλη. με το CDMA όλα τα άτομα βρίσκονται οπουδήποτε στο δωμάτιο και μιλάνε ταυτόχρονα, αλλά σε διαφορετική γλώσσα ώστε αυτοί που μιλάνε την ίδια γλώσσα επικοινωνούν, ενώ απορρίπτουν τις άλλες συνομιλίες σαν θόρυβο. 5.4 WIRESHARK Εισαγωγικά Το Wireshark είναι ένα ελεύθερο και ανοιχτού κώδικα λογισμικό ανάλυσης πρωτοκόλλων δικτύου υπολογιστών. Χρησιμοποιείται για ανάλυση δικτύου, παρακολούθηση δικτύου, εντοπισμό και αντιμετώπιση προβλημάτων στα δίκτυα και για εκπαίδευση. Το αρχικό όνομα του προγράμματος ήταν Ethereal, και τον Μάιο του 2006 άλλαξε σε Wireshark για λόγους εμπορικών σημάτων. -68-

81 Είναι διαθέσιμο για όλα τα κύρια λειτουργικά συστήματα χρησιμοποιεί το GTK+ για το γραφικό περιβάλλον και το Pcap για σύλληψη πακέτων. Το Wireshark είναι ένα βασικό εργαλείο το οποίο έχει παθητικό ρόλο, δηλαδή από μόνο του είναι ανενεργό. Συγκεκριμένα παρατηρεί πακέτα που στέλνονται και λαμβάνονται από εφαρμογές και πρωτοκόλλα που τρέχουν σε έναν υπολογιστή αλλά δεν μπορεί από μόνο του να στείλει πακέτα. Ο μηχανισμός λειτουργίας του βασίζεται σε ένα αντίγραφο πακέτων που λαμβάνει κάθε φορά που στέλνονται/λαμβάνονται πακέτα α- πό/προς εφαρμογές και πρωτοκόλλα που εκτελούνται σε έναν υπολογιστή, Θα ήταν χρήσιμο αν παρακολουθούσατε το παρακάτω video για να δείτε πως λειτουργεί (Wireshark Basics Tutorial): Μπορείτε να κατεβάσετε το Wireshark στον υπολογιστή σας από το παρακάτω σύνδεσμο: Φίλτρα Στο WIRESHARK Ένα κοινό πρόβλημα κατά την εκκίνηση του Wireshark με τις προεπιλεγμένες ρυθμίσεις είναι ότι λαμβάνεται μεγάλη ποσότητα πληροφοριών στην οθόνη με αποτέλεσμα να μην μπορούμε να βρούμε την πληροφορία που αναζητάμε. Γι αυτό το λόγο τα φίλτρα είναι τόσο σημαντικά, θα μας βοηθήσουν να αναζητήσουμε, στα χρήσιμα αρχεία καταγραφών, τα δεδομένα που μας ενδιαφέρουν. Φίλτρα σύλληψης: Χρησιμοποιούνται για την επιλογή των δεδομένων που θα καταγραφούν στα αρχεία καταγραφής. Καθορίζονται πριν την εκκίνηση της σύλληψης. Φίλτρα απεικόνισης: Χρησιμοποιούνται για την αναζήτηση μέσα στα αρχεία καταγραφών. Μπορούν να τροποποιηθούν ενόσω τα δεδομένα συλλαμβάνονται. Οι στόχοι των δυο φίλτρων είναι διαφορετικοί. Τα φίλτρα σύλληψης χρησιμοποιούνται ως μιας πρώτης μορφής φιλτράρισμα για τον περιορισμό του μεγέθους των συλληφθέντων δεδομένων με σκοπό την αποφυγή δημιουργίας μεγάλων αρχείων καταγραφής. Τα φίλτρα απεικόνισης είναι περισσότερο δυνατά (και σύνθετα) και μας επιτρέπουν να α- ναζητήσουμε τα ακριβή δεδομένα που επιθυμούμε. -69-

82 Τα βήματα για τη ρύθμιση ενός φίλτρου σύλληψης είναι τα επόμενα: -επιλέγουμε capture (Σύλληψη) > options (Επιλογές). -δίνουμε το όνομα που θέλουμε στο πεδίο "capture filter" ή πατάμε στο κουμπί "capture filter" για να δώσουμε ένα όνομα στο φίλτρο μας και να το χρησιμοποιήσουμε και για τις ακόλουθες συλλήψεις μας. - Πατάμε στο Start για τη σύλληψη των δεδομένων. Βήματα για τη ρύθμιση ενός φίλτρου σύλληψης -70-

83 Τα φίλτρα απεικόνισης χρησιμοποιούνται για την αναζήτηση μέσα σε δεδομένα τα οποία έχουν συλληφθεί με κάποιο φίλτρο σύλληψης. Οι δυνατότητες αναζήτησης μπορούν να είναι μεγαλύτερες από εκείνες ενός φίλτρου σύλληψης και δεν είναι απαραίτητο να γίνει η επανεκκίνηση της σύλληψης όταν επιθυμήσουμε την αλλαγή του φίλτρου μας. -71-

84 -72-

85 Εργαστηριακή Άσκηση Βήμα 1: Λήψη ενός ίχνους Παρέχουμε ένα ίχνος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί με την έναρξη του Wireshark και επιλέγοντας Άνοιγμα από το μενού Αρχείο. Με χρήση Windows / Mac, μπορείτε να εντοπίσετε το αρχείο ίχνος και να το ανοίξετε άμεσα και να ξεκινήσει το Wireshark με το ίχνος. Παρακάτω παρέχεται το ίχνος: Βήμα 2: Ελέγξτε το ίχνος Κατ 'αρχάς, θα ρίξουμε μια ματιά στο σχήμα ενός πλαισίου Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη πλαισίων που μπορούν να ληφθούν σε ένα ίχνος, το πεδίο Πληροφορίες περιγράφει τον τύπο, όπως Beacon, Δεδομένα, και Αναγνώριση. Σκοπός είναι να επιθεωρηθεί ένα πλαίσιο δεδομένων, το οποίο μεταφέρει πακέτα σε δίκτυα. Βρείτε ένα πλαίσιο δεδομένων στο ίχνος και επιλέξτε το. Το Wireshark θα μας επιτρέψει να επιλέξουμε ένα πλαίσιο (από την κορυφή του πίνακα) και να δούμε τα στρώματα του πρωτοκόλλου, τόσο όσον αφορά τα πεδία κεφαλίδας (στη μέση του πίνακα) αλλά και τα bytes που απαρτίζουν το πλαίσιο (στον κάτω πίνακα). Μπορείτε να το κάνετε αυτό απλά με κύλιση προς τα κάτω μέχρι να βρείτε ένα, ή κάνοντας κλικ στη στήλη Πληροφορίες για την ταξινόμηση με βάση αυτό το κλειδί και στη συνέχεια κινείστε προς το τμήμα των δεδομένων του ίχνους. Επιλέγουμε ένα πλαίσιο δεδομένων κι έχουμε την αντίστοιχη εικόνα, όπως διακρίνεται και παρακάτω. -73-

86 Ελέξτε τα στρώματα πρωτοκόλλου που καταγράφονται με το πλαίσιο των εν λόγω πρωτοκόλλων. Κοιτάξτε στη μέση του πίνακα. Πλαίσιο είναι ένα αρχείο που προστέθηκε από το Wireshark με πληροφορίες σχετικά με το χρόνο και το μήκος του πλαισίου. Δεν συλλαμβάνει bits που στάλθηκαν "over the air". Το Radiotap είναι επίσης ένα αρχείο που δημιουργήθηκε από το Wireshark για να συλλάβει τις παραμέτρους φυσικής στιβάδας, όπως η ισχύς του σήματος και η διαφοροποίηση. Παραλείψτε αυτό το αρχείο για την παρούσα χρονική στιγμή. Το ΙΕΕΕ είναι τα δυαδικά ψηφία του πλαισίου 802,11 δεδομένων. Αυτό είναι το record που ψάχνουμε. Είναι επιλεγμένα και επεκταμένα στην εικόνα, -74-

87 ώστε να γίνονται εμφανή τα εσωτερικά πεδία (στη μέση του πίνακα) και το τμήμα του πλαισίου που καταλαμβάνει (επισημαίνεται με το κάτω πίνακα, και εντοπίζονται στο κάτω μέρος για διάστημα 28 bytes). Τα δεδομένα είναι ένα αρχείο που περιέχει το ωφέλιμο φορτίο του πλαισίου δεδομένων, δηλαδή, που έχει πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου, όπως LLC, πακέτα IP, κλπ. Εναλλακτικά, μπορείτε να δείτε οι ίδιοι τα πρωτόκολλα υψηλότερου στρώματος. Αν το Wireshark μπορεί να κατανοήσει το περιεχόμενο του ωφέλιμου φορτίου του πλαισίου δεδομένων, τότε θα δημιουργήσει τα αρχεία πρωτοκόλλου για αυτά. Ωστόσο, σε πολλές ασύρματες ρυθμίσεις (όπως το ίχνος του δείγματος) τα περιεχόμενα του ωφέλιμου φορτίου κρυπτογραφούνται και μοιάζουν να είναι απλώς ένα record. Όλα τα πλαίσια στη συνέχεια αναφέρονται ως πρωτόκολλο , αντί πρωτόκολλα ανώτερου στρώματος όπως το TCP. Είναι δυνατόν να δηλωθεί στο Wireshark το κλειδί του ασύρματου δικτύου και να αποκρυπτογραφήσει τα ωφέλιμα φορτία. Ωστόσο, εμείς θα παραλείψουμε αυτό το βήμα καθώς το ενδιαφέρον μας είναι τα 802,11 κεφαλίδες. Αναπτύξτε το IEEE αρχείο του πλαισίου δεδομένων και ελέγξτε τις λεπτομέρειες των διαφόρων πεδίων κεφαλίδας. Εσείς μπορείτε να επεκτείνετε αυτό το μπλοκ χρησιμοποιώντας το "+" ή επέκταση εικονιδίου, όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα πεδία με το Wireshark είναι: Πλαίσιο ελέγχου: Κωδικοποιεί τον τύπο πλαισίου και τον υπότυπο, π.χ. δεδομένα, καθώς και διάφορες σημαίες. Διάρκεια. Το πεδίο αυτό μας πληροφορεί για το πόσο χρόνο χρειάζεται το α- σύρματο μέσο για πρόσθετα πακέτα που αποτελούν μέρος αυτής της ανταλλαγής. Αναγνωριστικό BSS, διεύθυνση πηγής, διεύθυνση προορισμού σε περίπτωση που εξαρτάται από τις ιδιαιτερότητες του πλαισίου δεδομένων. Αυτά τα πεδία διεύθυνσης εντοπίζουν ποιος διαβίβασε -75-

88 το πακέτο καθώς και αυτόν που θα το παραλάβει. Το αναγνωριστικό BSS είναι η διεύθυνση του σημείου ασύρματης πρόσβασης. Τμήμα και αριθμό ακολουθίας. Τα πεδία αυτά αριθμούν το πλαίσιο για την επανασυναρμολόγηση και αναμετάδοση, εάν αυτό κριθεί απαραίτητο. Ο αριθμός ακολουθίας αυξάνεται με κάθε νέα μετάδοση. Ακολουθία ελέγχου πλαισίου. Αυτό είναι ένα CRC πάνω από το πλαίσιο. Έρχεται στο τέλος (κάντε κλικ σε αυτό και θα δείτε τη θέση του στο πλαίσιο), αλλά εμφανίζεται με τα άλλα πεδία κεφαλίδας για λόγους διευκόλυνσης. Μπορεί επίσης να υπάρξει ένα WEP ή WPA2 πεδίο με τις παραμέτρους ασφαλείας στην περίπτωση που το ωφέλιμο φορτίο του πλαισίου είναι κρυπτογραφημένο. Τέλος, επεκτείνετε το πεδίο ελέγχου πλαισίου και κοιτάξτε με λεπτομέρεια, συμπεριλαμβανομένων των σημαιών (flags) που θα βρείτε μέσα σε αυτό. Όλα τα πλαίσια αρχίζουν με ένα πεδίο ελέγχου πλαισίου, καθώς και τις λεπτομέρειες των υποπεδίων και των flags που καθορίζουν τη μορφή του υπόλοιπου μηνύματος. Μπορεί να είναι σαν το πλαίσιο δεδομένων που ερευνήσαμε πρωτύτερα ή πολύ διαφορετικό όπως ένα πλαίσιο αναγνώρισης (ACK) που θα εξετάσουμε αργότερα. Τα υποπεδία είναι: Έκδοση, με μηδενική τιμή για την τρέχουσα έκδοση. Τύπος και Δευτερεύων Τύπος (subtype) που προσδιορίζει τον τύπο του πλαισίου, π.χ., δεδομένων ή ACK. Προς DS. Αυτή η σημαία έχει οριστεί αν το πλαίσιο αποστέλλεται από έναν υ- πολογιστή με το ενσύρματο δίκτυο μέσω του AP. Από το DS. Αυτή η σημαία έχει οριστεί αν το πλαίσιο αποστέλλεται από το ενσύρματο δίκτυο σε έναν υπολογιστή μέσω του AP. Περισσότερα τμήματα (fragments). Ορίστε αν υπάρχουν περισσότερα τμήματα σε αυτό το μήνυμα. Επανάληψη. Ρυθμίστε εάν το πλαίσιο είναι μια αναμετάδοση. -76-

89 Διαχείριση ενέργειας. Ορίστε αν ο αποστολέας θα πάει σε εξοικονόμησης ενέργειας (save sleep) μετά τη μετάδοση. Περισσότερα δεδομένα. Ρυθμίστε εάν ο αποστολέας έχει περισσότερα πλαίσια για αποστολή. Προστατευόμενη. Ρυθμίστε εάν το πλαίσιο είναι κρυπτογραφημένοo με WEP / WPA2. Τάξη. Ρυθμίστε εάν ο δέκτης πρέπει να κρατήσει τα πλαίσια σε σειρά. Συμπερασματικά, σε διαφορετικούς υπολογιστές μπορεί να χρησιμοποιηθούν αυτές οι σημαίες με διαφορετικό τρόπο, ανάλογα με τον τρόπο εφαρμογής του Για παράδειγμα, ορισμένοι υπολογιστές μπορούν να κάνουν βαριά χρήση της εξοικονόμησης -77-

90 ενέργειας ή τα χαρακτηριστικά κρυπτογράφησης ενώ άλλοι μπορεί και όχι. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι υπάρχουν δεκάδες διαφορετικοί τύποι πλαισίων, αυτό σημαίνει ότι θα είστε σε θέση να δείτε όλα τα είδη της ασύρματης κυκλοφορίας στα περισσότερα ίχνη. Βήμα 3: Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) Τώρα που έχουμε κάποια εξοικείωση με πλαίσια δεδομένων, θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε διάφορα μέρη του ασύρματου συστήματος, ξεκινώντας με το φυσικό στρώμα. Στο χαμηλότερο στρώμα, η αποστολή και η λήψη μηνυμάτων είναι καθ όλα σχετική με τη ζώνη συχνοτήτων, τη διαμόρφωση, το λόγο σήματος προς θόρυβο με το οποίο λαμβάνεται το σήμα. Μπορούμε να δούμε όλους αυτούς τους παράγοντες, χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες στην κεφαλίδα Radiotap. Απαντήστε στις παρακάτω ερωτήσεις σε αυτό το βήμα, για να διερευνήσετε τις πτυχές του φυσικού επιπέδου, αρχής γενομένης με τη συχνότητα. Η συχνότητα ή το κανάλι είναι η ίδια για όλα τα πλαίσια στο ίχνος, δεδομένου ότι η διεπαφή ασύρματου δικτύου είναι ρυθμισμένη να ακούει σε μια σταθερή συχνότητα. 1. Ποια είναι η συχνότητα του καναλιού; Για να βρείτε τη συχνότητα, αναπτύξτε την κεφαλίδα Radiotap οποιουδήποτε πλαισίου και αναζητήστε τη συχνότητα του καναλιού. Απάντηση: Η συχνότητα καναλιού είναι 2462 MHz, ή GHz. Αυτό είναι γνωστό ως "802.11b/g κανάλι 11 ". Για να δείτε τη διαμόρφωση μπορείτε να παρατηρήσετε την τιμή Data Rate, και για να εξετάσετε το SNR μπορείτε να παρατηρήσετε την τιμή SSI του σήματος (σε συνδυασμό με την τιμή θορύβου SSI). Η τιμή SSI σήμα- -78-

91 τος είναι ευρύτερα γνωστή ως RSSI (Ένδειξη Έντασης Σήματος). Τα πεδία αυτά θα ποικίλουν ανάλογα με τα διαφορετικά πλαίσια. Για να τα δείτε, πρώτα θα πρέπει να προσθέσετε πρώτα νέες στήλες στην κύρια οθόνη. Προσθέστε δύο νέες στήλες εμφάνισης για το TX Ρυθμός (ή Data Rate) και RSSI (ή τιμή SSI Σήματος) πηγαίνοντας στο Προτιμήσεις Πίνακα (κάτω από το μενού Επεξεργασία) και επιλέγοντας Στήλες (με την επέκταση του μπλοκ User Interface). Οι στήλες στο σχήμα ονομάζονται Ρυθμός, με ένα πεδίο τύπου IEEE TX Ρυθμός, και RSSI, με ένα πεδίο είδος του ΙΕΕΕ RSSI. Μπορείτε να αναδιατάξετε τις στήλες έτσι ώστε οι στήλες αυτές να είναι προς τα αριστερά της Info για ορατότητα. Όταν επιστρέψετε στην κύρια οθόνη θα έχετε Rate και RSSI πληροφορίες για κάθε πλαίσιο. -79-

92 2. Ποια είναι τα επίπεδα των τιμών (rates) που χρησιμοποιούνται; Δώστε μια ταξινομημένη λίστα των rates από την χαμηλότερη στην υψηλότερη. Συμβουλή: μπορείτε να κάνετε κλικ στη στήλη rate για να ταξινομήσετε ως προς την εν λόγω αξία. Απάντηση: Οι τιμές είναι 1, 6, 12, 18, 24, 38, 48, και 54 Mbps. Αυτά είναι τα περισσότερα από τα πιθανά ποσοστά b / g. Θα πρέπει επίσης να δείτε μια ποικιλία των τιμών RSSI όπως "-60 dbm". Το RSSI μετριέται σε λογαριθμική κλίμακα στην οποία 0 dbm σημαίνει 1 milliwatt της ισχύος και κάθε +10 σημαίνει έναν παράγοντα 10 μεγαλύτερων και κάθε -10 σημαίνει ένα συντελεστή 10 μικρότερα. Έτσι -60 dbm σημαίνει ένα εκατομμυριοστό του 1 mw, ή 10-9 Watts, ένα μικρό ποσό της ισχύος. Το SNR είναι το επίπεδο του σήματος σε σχέση με το επίπεδο θορύβου, μια σχεδόν -80-

93 σταθερή αξία που δίνεται στην κεφαλίδα Radiotap και είναι -90 dbm. Οι τιμές αυτές προσθέτονται ή αφαιρούνται από την λογαριθμική κλίμακα. Έτσι, ένα επίπεδο σήματος του -60 dbm είναι 30 db ή ένας παράγοντας του 1000 μεγαλύτερο από το επίπεδο θορύβου των -90 dbm. Αυτό σημαίνει ότι ένα πλαίσιο με ένα RSSI του -60 dbm έχει SNR της τάξεως 30dB. Το RSSI μπορεί να διαφέρει σημαντικά, πράγμα που σημαίνει ότι μερικά πλαίσια θα έχουν πολύ ασθενέστερο ή ισχυρότερο σήμα από άλλα πλαίσια. Παραλλαγές των 40 db είναι συνήθεις, πράγμα που σημαίνει ότι ένα πλαίσιο μπορεί να είναι φορές ασθενέστερο ή ισχυρότερο από ότι ένα άλλο πλαίσιο που ελήφθη από την ίδια διεπαφή δικτύου. 3. Ποιο είναι το εύρος της RSSI και ως εκ τούτου η μεταβολή του SNR στο ίχνος; Δώστε αυτό ως το ισχυρότερο και ασθενέστερο RSSI και τη διαφορά db μεταξύ τους. Απάντηση: Η σειρά RSSI από -44 dbm (ισχυρότερη) έως -69 dbm (πιο αδύναμο σήμα). Αυτή είναι μια παραλλαγή από 25 db ή γύρω από ένα παράγοντα 300 στο SNR. Βήμα 4: Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων (Link Layer) Σύμφωνα με μενού Στατιστικές (Statistics), επιλέξτε Συζητήσεις (Conversations) και WLAN (για ασύρματο LAN, δηλαδή, 802,11). Αυτό θα ανοίξει ένα παράθυρο όπως αυτό του παρακάτω σχήματος το οποίο απαριθμεί κάθε ζεύγος επικοινωνούντων υπολογιστών. Μπορείτε να ταξινομήσετε τον κατάλογο με βάση το μέγεθος κάνοντας κλικ στις επικεφαλίδες στήλης Πακέτα ή Bytes. Η εικόνα αυτή θα μας βοηθήσει περαιτέρω στην εξερεύνηση του ίχνους, ξεκινώντας με μια περίληψη της δραστηριότητας στο επίπεδο ζεύξης. -81-

94 Στο ίχνος μας, το μεγαλύτερο μέρος της δραστηριότητας είναι ένα σχετικά μικρό κομμάτι των συνομιλιών. Οι συζητήσεις χαμηλής δραστηριότητας (low activity) οφείλονται στους ανενεργούς υπολογιστές, και σε ένα μικρό αριθμό πακέτων που περιστασιακά συλλαμβάνονται από παρακείμενα ασύρματα δίκτυα. Απαντήστε στις παρακάτω ερωτήσεις σε αυτό το βήμα για να διερευνήσετε τις διάφορες πτυχές στο στρώμα ζεύξης : 1. Τι είναι η BSS ταυτότητα που χρησιμοποιείται από τις πιο ενεργές ασύρματες συνομιλίες; Μια τιμή BSS ID χαρακτηρίζει ένα AP, οπότε αυτό το αναγνωριστικό BSS προσδιορίζει το πιο ενεργό AP, πιθανώς το AP που παρακολουθούμε. Σημείωση: Mπορείτε να ταξινομήσετε τη διεύθυνση προέλευσης ή προορισμού, κάνοντας κλικ στον τίτλο της στήλης. -82-

95 Απάντηση: Εξετάζοντας τα πεδία διευθύνσεων σε πλαίσια, το AP έχει αναγνωριστικό BSS από 00: 16: b6: e3: e9: 8f. Μπορούμε επίσης να ελέγξουμε τα ποσά που έχουμε για διαφορετικούς τύπους κίνησης. Τα πλαίσια είναι είτε Δεδομένων (Data), Ελέγχου (Control) ή πλαίσια διαχείρισης (Management frames). Αυτά τα πλαίσια διακρίνονται από την τιμή του τύπου υποπεδίο (subfield) του πεδίου Πλαίσιο Ελέγχου. Μπορείτε να ελέγξετε διαφορετικά πακέτα για να δείτε τις τιμές για τους διάφορους τύπους των πακέτων. Για να δείτε μόνο τα πλαίσια δεδομένων φιλτράρετε εισάγοντας την έκφραση "wlan.fc.type==2" στο πλαίσιο Φίλτρο πάνω από τη λίστα των πλαισίων στην κορυφή του πίνακα. Κάνοντας κλικ στο Τύπο υποπεδίο (subfield) μας δίνεται η ένδειξη κατάστασης στο κάτω μέρος του Wireshark που το αναγνωρίζει με το όνομα wlan.fc.type. Η έκφραση που χρησιμοποιείται για να φιλτράρουμε δεδομένα με τύπο 2 είναι : "wlan.fc.type ==" data frame" ή "wlan.fc.type==2". Στις περιπτώσεις που εισάγετε αυτήν την έκφραση στο πλαίσιο του φίλτρου σας, η ο- θόνη θα πρέπει να μοιάζει με την παρακάτω εικόνα. Αφού εφαρμόσετε αυτό το φίλτρο, η γραμμή κατάστασης στο κάτω μέρος θα σας πει πόσα από τα πακέτα εμφανίζονται στο ίχνος. Μπορεί να υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη δεδομένων πλαισίων, ανάλογα με την αξία του τύπου υποπεδίο (subfield), όπως αναφέρεται στη στήλη Info. Μπορείτε να κάνετε κλικ στην επικεφαλίδα της στήλης για να ταξινομήσετε με βάση τον τύπο του πλαισίου και να παρατηρήσετε ποια είδη είναι πιο διαδεδομένα. 2. Πόσα πλαίσια δεδομένων υπάρχουν στο ίχνος, και ποιος είναι ο πλέον κοινός subtype του πλαισίου δεδομένων; -83-

96 Εκτελέστε την ίδια δραστηριότητα για Έλεγχος (Τύπος 1) και Διαχείριση Πλαισίου (τύπου 0), αλλάζοντας την έκφραση του φίλτρου προκειμένου να αναζητήσετε μια διαφορετική τιμή τύπου. Αυτό θα σας επιτρέψει να μάθετε ποια από αυτά τα πλαίσια είναι το ίχνος καθώς και τα πιο διαδεδομένα είδη. Απάντηση: Υπάρχουν 1783 πλαίσια δεδομένων, ή 48% του συνόλου (3731) πλαισίων. Το πιο κοινό πλαίσιο δεδομένων είναι απλά "δεδομένα" με τον υπότυπο 0. Το ποσοστό των πλαισίων δεδομένων θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από το αν υπάρχουν ενεργές μεταφορές δεδομένων κατά τη διάρκεια του ίχνους. Υπάρχει μια σχετικά μικρή μεταφορά κατά τη διάρκεια αυτού του ίχνους. 3. Πόσα πλαίσια ελέγχου υπάρχουν στο ίχνος, και ποιος είναι ο πιο κοινός υποτύπος (subtype); -84-

97 Απάντηση: Υπάρχουν 1391 πλαίσια ελέγχου ή 37% του συνόλου. Το πιο κοινό πλαίσιο ελέγχου είναι το πλαίσιο Αναγνώριση από τον υπότυπο 13. Το ποσοστό των πλαισίων ελέγχου θα πρέπει να είναι συγκρίσιμο, αλλά πιθανόν χαμηλότερο από το ποσοστό των πλαισίων δεδομένων λόγω Acknowledgements (όπως κάθε πλαίσιο δεδομένων χωρίς μετάδοση αναγνωρίζεται). 4. Πόσα πλαισία διαχείρισης περιέχει το ίχνος, και ποια είναι η πιο κοινή μορφή υπότυπου; Απάντηση: Υπάρχουν 557 πλαίσια διαχείρισης ή 15% του συνόλου. Το πιο κοινό πλαίσιο διαχείρισης είναι το πλαίσιο Beacon με υπότυπο 8. Πλαίσια διαχείρισης είναι πιθανό να συμβούν υπό έναν κανονικό ρυθμό στο background λόγω Beacons. Το ποσοστό του ίχνους που καταλαμβάνουν εξαρτάται από το αν υπάρχουν ενεργές μεταφορές δεδομένων. Καθώς θα παρατηρείτε αυτούς τους διαφορετικούς τύπους πλαισίων, σημειώστε το μήκος τους. Τα πλαίσια δεδομένων μπορεί να είναι μακρά, μέχρι 1500 bytes, ενώ τα πλαισία διαχείρισης είναι συνήθως πολύ μικρότερα, και τα πλαίσια ελέγχου πολύ μικρά. Θα πρέπει λοιπόν να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι τα περισσότερα από τα bytes στο ίχνος λαμβάνονται σε πλαίσια δεδομένων, αν και υπάρχουν πολλά άλλα πλαίσια. Αυτό είναι καθησυχαστικό, δεδομένου ότι ο βασικός στόχος του 802,11 είναι η μεταφορά δεδομένων. Ελέγξτε το IEEE αρχείο ενός πλαισίου αναγνώρισης. Εξετάσαμε τη μορφή των πλαισίων δεδομένων, έτσι ας στραφούμε σε πλαίσια αναγνώρισης. Θα πρέπει να δείτε ότι έχει λίγους τομείς σε σύγκριση με ένα πλαίσιο δεδομένων, π.χ., μόνο μία διεύθυνση, και ότι είναι πολύ σύντομο. 5. Σημειώστε τη σειρά με την οποία αποστέλλονται τα IEEE αρχεία σε ένα πλαίσιο Acknowledgement και τα μήκη τους σε bytes. Μην σπάσετε το πε- -85-

98 δίο ελέγχου πλαισίου σε υποπεδία, καθώς έχουμε ήδη εξετάσει αυτές τις λεπτομέρειες. Απάντηση: Τα πεδία είναι Ελέγχου Πλαισίου (2 bytes), Διάρκεια (2 bytes), Διεύθυνση Παραλήπτη (6 bytes), και Πλαίσιο Ακολουθίας Ελέγχου (4 bytes). Στο επόμενο βήμα θα διερευνηθούν τα πλαίσια διαχείρισης. Για να ολοκληρώσουμε την έρευνα στο στρώμα ζεύξης, ας εξετάσουμε την αξιοπιστία και άλλα χαρακτηριστικά, όπως η διαχείριση ενέργειας. Αναμένουμε ότι οι ασύρματες μεταδόσεις δεν είναι ιδιαίτερα αξιόπιστες, όπως συμβαίνει στην ενσύρματη μετάδοση, αλλά το επίπεδο σφάλματος στην ασύρματη επικοινωνία δεν πρέπει να είναι πολύ μεγάλο ή αρκετό από το μέσο να πάει χαμένο, για παράδειγμα. Μπορούμε να εκτιμήσουμε το ρυθμό αναμετάδοσης ή να ελέγξουμε για να δούμε πόσα πλαίσια που έχουν επαναληφθεί τους έχει οριστεί το αντίστοιχο bit στο πεδίο ελέγχου πλαισίου. Αυτό το bit αποδεικνύει πως το πλαίσιο είναι μια αναμετάδοση του πρωτότυπου. Χρησιμοποιήστε τις κατάλληλες εκφράσεις στο φίλτρο για να βρείτε τον αριθμό των πλαισίων δεδομένων που είναι πρωτότυπα και πόσα είναι αναμεταδόσεις. Για παράδειγμα, οι εκφράσεις "wlan.fc.type == 2 && wlan.fc.retry == 0" θα σας βοηθήσουν να βρείτε τα πρωτότυπα πλαίσια δεδομένων. 6. Δώστε μια εκτίμηση του ποσοστού αναμετάδοσης, καθώς και τον αριθμό των αναμεταδόσεων πάνω από τον αριθμό των αρχικών μεταδόσεων. Απάντηση: Υπάρχουν 1430 αρχικά πλαίσια δεδομένων και 353 πλαίσια αναμετάδοσης δεδομένων. Η εκτίμηση του ποσοστού της αναμετάδοσης είναι περίπου 353/1430 ή 25%. Αυτό δεν αποτελεί έκπληξη καθώς πολλά πακέτα χρειάζεται να αναμεταδοθούν εξαιτίας λαθών, αλλά τα πακέτα εξακολουθούν να έχουν μια εύλογη πιθανότητα σωστής λήψης. -86-

99 Τέλος, θα εξετάσουμε τη διαχείριση ενέργειας. Ολοένα και περισσότερο, συσκευές πελάτες (client devices) χρησιμοποιούν λειτουργίες διαχείρισης ενέργειας για να μπουν σε μια κατάσταση αναστολής λειτουργίας χαμηλής ισχύος όταν ολοκληρώσουν την αποστολή ή τη λήψη της κυκλοφορίας (traffic). Συσκευές πελάτες (client devices) που πρόκειται να αναστείλουν τη λειτουργία τους ορίζουν τη σημαία Power Management στον τομέα ελέγχου πλαισίου. Χρησιμοποιήστε μια κατάλληλη έκφραση στο φίλτρο για να ψάξετε πλαίσια που δείχνουν πότε ένας πελάτης πρόκειται να αδρανοποιηθεί. Μπορείτε να βρείτε όλα τα πλαίσια που δείχνουν το «sleep» με την έκφραση "wlan.fc.pwrmgt == 1". Μπορείτε μόνο να εξετάσετε τη συμπεριφορά εξοικονόμησης ενέργειας στα πλαίσια που μεταφέρονται από έναν πελάτη προς το AP, καθώς τα πλαίσια που προέρχονται από το AP δεν μπορούν να δείξουν ότι ο πελάτης πρόκειται να πέσει σε αδράνεια (sleep). Αυτά τα πλαίσια θα έχoυν το " DS" θέσει σημαία ("wlan.fc.tods == 1"). Για να κάνετε αναζήτηση για τις δύο συνθήκες, μπορείτε να συνδυάσετε τις εκφράσεις σε φίλτρο με "&&" ή "and". 7. Τι ποσοστό των πλαισίων που αποστέλλονται στο AP σηματοδοτούν το σβήσιμο του πελάτη (power down); Απάντηση: Τα 16 από 822 ή 2% των πλαισίων που αποστέλλονται στο AP έχει ορίσει το bit διαχείρισης ισχύος τους, υποδεικνύοντας ότι είναι έτοιμα να κοιμηθούν (sleep). Αυτό είναι ένα χαμηλό ποσοστό που κατά πάσα πιθανότητα θα ήταν υψηλότερο αν το ίχνος σε συμπεριλάμβανε κινητά τηλέφωνα ή άλλες συσκευές που αδρανοποιούνται πιο συχνά, και είναι πιθανό να αυξηθεί αρκετά στο μέλλον καθώς οι κινητές συσκευές κάνουν μεγαλύτερη χρήση των τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας. Αν κάποιος περιηγηθεί στα πλαίσια που χρησιμοποιούν διαχείριση ενέργειας θα συναντήσει μερικά ασυνήθιστα είδη. Για παράδειγμα, το "Null fuction" πλαίσιο δεν μεταφέρει δεδομένα. Αντ αυτού, θα αποστέλλεται από έναν πελάτη για να σηματοδοτήσει τον ύπνο (sleep). -87-

100 Βήμα 5: Διαχείριση (Management) Όπως συνέβη και τα πλαίσια δεδομένων και τα ACK, θα εξετάσουμε διάφορους τύπους πλαισίων διαχείρισης που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση ενός υπολογιστή με ένα AP, έτσι ώστε να μπορούν να στέλνουν και να λαμβάνουν μηνύματα. Beacon Πλαίσια Επιλέξτε ένα πλαίσιο Beacon στο ίχνος σας, του οποίου το BSS ID είναι αυτό της κύριας ΑΡ του προηγούμενου βήματος. Τα πλαίσια Beacon αποστέλλονται περιοδικά από ένα AP για να κάνουν γνωστή την ύπαρξη τους και τις δυνατότητές τους στους κοντινούς υπολογιστές. Το αρχείο IEEE για αυτό το πλαίσιο θα είναι παρόμοιο με το αρχείο για ένα πλαίσιο δεδομένων που προαναφέρθηκε, με διαφορετικούς κωδικούς τύπου και υποτύπου για να δείξει ότι είναι ένα πλαίσιο Beacon. Ωστόσο, το ωφέλιμο φορτίο αυτού του πλαισίου θα διαφέρει: είναι το πρότυπο IEEE αρχείο του πλαισίου διαχείρισης ασύρματου LAN. Θα δείτε ότι μετά από μερικές σταθερές παραμέτρους έχει μια σειρά από παραμέτρους ετικέτας που απαριθμούν τις δυνατότητες του AP. Αυτά περιλαμβάνουν το όνομα SSID του AP (μια συμβολοσειρά κειμένου για να πάει με το BSS ID), τα ποσοστά των δεδομένων που υποστηρίζει, και το κανάλι στο οποίο λειτουργεί. 1. Τι είναι το SSID του κύριου AP; Αυτό είναι μία από τις tagged παραμέτρoυς στο πλαίσιο Beacon. Απάντηση: Το SSID είναι "djw". Αυτό μπορεί να φανεί στις tagged παραμέτρους, ή στο πεδίο πληροφοριών. 2. Πόσο συχνά πλαίσια Beacon αποστέλλονται για την κύρια AP; Μπορείτε να βρείτε το χρονικό διάστημα Beacon στο ίδιο το πλαίσιο Beacon, ή να αλλάξετε την εμφάνιση της ώρας για να δείχνουν το χρονικό διάστημα από το τελευταίο πλαίσιο. (Κάτω από View, επιλέξτε Time Display Format και "Δευτερόλεπτα από την προηγούμενη Προβολή πακέτων".) -88-

101 Απάντηση: Τα πλαίσια Beacon αποστέλλονται από τους "djw" AP κάθε 102,4 χιλιοστά του δευτερολέπτου, ή σε ποσοστό περίπου 10 / δευτερόλεπτο. Πλαίσια Beacon εμφανίζονται τακτικά στο ίχνος, και όταν δεν υπάρχει ενεργή μεταφορά δεδομένων είναι συχνά στην κύρια κίνηση (traffic). 3. Τι ποσοστά δεδομένων υποστηρίζει η κύρια AP; Τα ποσοστά αναφέρονται στις tagged παραμέτρους. Απάντηση: Το AP υποστηρίζει 1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12, 18, 24, 36, 48, και 54 Mbps. Οι ρυθμοί αυτοί προβλέπονται στις δύο tagged παραμέτρους, ως υποστηριζόμενοι ρυθμοί και επεκτάσιμα υποστηριζόμενοι ρυθμοί (δεδομένου ότι υπάρχουν πολλοί από αυτούς). Οι τιμές 1, 2, 5.5, και 11 Mbps έχουν την ένδειξη "Β", που σημαίνει ότι είναι b ποσοστά κληρονομιάς (legacy rates) και όχι τα ποσοστά g. 4. Σε τι ποσοστό γίνεται η μετάδοση του πλαισίου Beacon; Η απάντηση στο ερώτημα αυτό θα πρέπει να βρεθεί στην κεφαλίδα Radiotap, ή πιο εύκολα εμφανίζεται στη στήλη που προστέθηκε στο προηγούμενο βήμα. Απάντηση: Τα πλαίσια Beacon για αυτό το ΑΡ μεταδίδονται όλα με ρυθμό 1 Mbps. Αυτό είναι τυπικό. Ένα χαμηλό ποσοστό χρησιμοποιείται για να επιτρέψει στα πλαίσια Beacon να ληφθούν σε μια ευρύτερη περιοχή γύρω από το AP (δεδομένου ότι ένα χαμηλότερο ποσοστό μπορεί γενικά να λαμβάνεται με ένα ασθενέστερο σήμα). -89-

102 5.5 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ ΛΑΘΩΝ (Parity checking- Checksum- Cyclic Redundancy Check Κώδικας Hamming) Θεωρητικό Υπόβαθρο Το στρώμα ζεύξης δεδομένων (data link layer) έχει την ευθύνη να μεταφέρει πακέτα από έναν κόμβο δικτύου σε έναν γειτονικό του κόμβο πάνω από μια ζεύξη. Τι κάνει το στρώμα ζεύξης Χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες του φυσικού στρώματος, δηλαδή τη (μη ασφαλή) μετάδοση δεδομένων, και παρέχει ασφαλή μετάδοση. Μετατρέπει τον δίαυλο μεταφοράς bit του φυσικού στρώματος σε ζεύξη πακέτου. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ενός συνόλου από διαδικασίες, που ονομάζεται πρωτόκολλο στρώματος ζεύξης δεδομένων. Ασχολείται με τα σφάλματα μετάδοσης Ανίχνευση Διόρθωση Ρυθμίζει ουσιαστικά τη ροή των δεδομένων, προς αποφυγή συμφόρησης. Παλιός τρόπος: Ένα αρχείο 6.4 ΜΒ μεταφέρεται μέσω δικτύου με 64 Kbps, λειτουργία που α- παιτεί περίπου 13 λεπτά. Όλοι οι άλλοι υπολογιστές που είναι συνδεδεμένοι με το δίκτυο, θα πρέπει να περιμένουν 13 λεπτά πριν από την επόμενη μεταφορά. Μεταγωγή πακέτων (Packet Switching) Το αρχείο σπάει σε μικρότερα πακέτα. Οι άλλοι σταθμοί πρέπει να περιμένουν για ένα πακέτο μόνο πριν μεταδώσουν. Αν το αρχείο 6.4 ΜΒ κατανέμεται σε πακέτα 640-byte (δηλαδή, πακέτα), κάθε πακέτο χρειάζεται μόνο 0,08 δευτερόλεπτα για να σταλεί. -90-

103 Μορφή πακέτου Παράδειγμα πλαισίου, όπου ο χαρακτήρας soh χρησιμοποιείται για να σηματοδοτεί την αρχή του πλαισίου, και ο χαρακτήρας eot για να σηματοδοτεί το τέλος του. Η μορφή είναι απλή και σαφής. Ο δέκτης μπορεί να προσδιορίζει πότε έχει ληφθεί ολόκληρο το πλαίσιο, ακόμα και αν υπάρχουν καθυστερήσεις μεταξύ των χαρακτήρων. Ανίχνευση σφαλμάτων Αποστολή πρόσθετων πληροφοριών ώστε εσφαλμένα δεδομένα μπορούν να ανιχνευθούν και να απορριφθούν. Διόρθωση σφαλμάτων Αποστολή πρόσθετων πληροφοριών ώστε εσφαλμένα δεδομένα μπορούν να διορθωθούν και να γίνουν δεκτά. Έλεγχος ισοτιμίας (Parity checking) Μια μέθοδος ανίχνευσης των σφαλμάτων μετάδοσης που βασίζεται στην ισοτιμία (parity) είναι να στέλνεται ένα πρόσθετο bit πληροφοριών μαζί με τον κάθε χαρακτήρα. Απλούστερη μορφή ανίχνευσης σφαλμάτων Τοποθετείται ένα επιπλέον bit στο πλαίσιο προς αποστολή. Εάν τα δεδομένα που θα αποσταλούν περιλαμβάνουν d bits, τότε ο αποστολέας εισάγει ένα πρόσθετο bit στα δεδομένα προς αποστολή (σύνολο d+ 1 ). Το πρόσθετο bit ( parity bit) επιλέγεται κατά τέτοιον τρόπο, ώστε : Το σύνολο των «άσσων» στο πλαίσιο (συμπεριλαμβανομένου και του parity bit) να είναι άρτιος αριθμός (άρτια ισοτιμία). Το σύνολο των «άσσων» στο πλαίσιο (συμπεριλαμβανομένου και του parity bit) να είναι περιττός αριθμός (περιττή ισοτιμία). Ο δέκτης πρέπει να γνωρίζει από πριν εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί άρτια ή περιττή ισοτιμία. Για άρτια ισοτιμία: -91-

104 Μετρά τους «άσσους» στο πλαίσιο και εάν είναι άρτιος κανένα σφάλμα δεν σημειώθηκε. Παρομοίως για περιττή ισοτιμία. Even parity ένας άρτιος αριθμός bits είναι 1 Odd parity ένας περιττός αριθμός των bits είναι 1 -Περιορισμοί Η ισοτιμία μπορεί να ανιχνεύσει μόνο τα σφάλματα που αλλάζουν ένα μόνο αριθμό των bits. Αρχικά δεδομένα και ισοτιμία: (άρτια ισοτιμία) Εσφαλμένα δεδομένα: (ακόμη ισοτιμία!) Δεν μπορεί να πιάσει τα λάθη που αλλάζουν δύο bits, πρέπει να βρεθούν άλλες μέθοδοι. -Παραδείγματα Άρτιας Ισοτιμίας : Υπάρχουν πολλές μέθοδοι ανίχνευσης και εντοπισμού σφαλμάτων: Εντοπισμός σφαλμάτων multi-bit Διόρθωση σφαλμάτων μέσω περιττών πληροφοριών Έλεγχος αθροίσματος (Check Sum) -92-

105 Κυκλικός έλεγχος πλεονασμού (Cyclic Redundancy Check) Checksum (Έλεγχος Αθροίσματος) Ο έλεγχος αθροίσματος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο σφαλμάτων: Ο αποστολέας εκτελεί τα εξής βήματα: Το σύνολο των δεδομένων χωρίζεται σε n τμήματα, το καθένα με k bits. Τα τμήματα αθροίζονται. Παίρνουμε το συμπλήρωμα ως προς 1 του αθροίσματος (checksum). Στέλνεται μαζί με τα δεδομένα. Παράδειγμα: Έστω ότι έχουμε 16 bit προς μετάδοση: Χωρίζονται σε δύο τμήματα των 8 bit και αθροίζονται (αποτέλεσμα ) Το συμπλήρωμα ως προς 1 του αθροίσματος είναι το checksum ( ). Μεταδίδονται και τα 24 bits (δεδομένα και checksum). Ο παραλήπτης εκτελεί τα εξής βήματα: Το σύνολο των δεδομένων χωρίζεται σε n τμήματα, το καθένα με k bits. Τα τμήματα αθροίζονται. Το αποτέλεσμα αθροίζεται με το checksum. Εάν το αποτέλεσμα είναι άσσοι, δεν υπάρχει σφάλμα. Παράδειγμα: Ο παραλήπτης λαμβάνει: Χωρίζονται τα δεδομένα σε δύο τμήματα των 8 bit και αθροίζονται (αποτέλεσμα ) Αθροίζουμε με το checksum ( ). Το πλαίσιο γίνεται αποδεκτό. Cyclic Redundancy Check (Κυκλικός έλεγχος πλεονασμού) Από μαθηματικής άποψης, για τον υπολογισμό της τιμής CRC χρησιμοποιείται ένα πολυώνυμο, το οποίο συνήθως εκφράζεται με δυνάμεις του Χ, για να διαιρεθεί το μήνυμα. Παράδειγμα: για είναι: Π(x) = x 7 + x 4 + x 3 + x 1-93-

106 Αποστολέας και δέκτης πρέπει να συμφωνήσουν σε ένα διαιρέτη πολυωνύμου C(x) βαθμού k. Α(n + 1) -bit μήνυμα, Π (x), αποστέλλεται με επιπλέον bits k. Θέλουμε να κάνουμε το Π (x) να διαιρείται ακριβώς με το C(x). Ο δέκτης ελέγχει αν το μήνυμα επίσης διαιρείται ακριβώς με C(x). Αν ναι, δεν υπάρχει σφάλμα. Εάν όχι, τότε με καλή πιθανότητα εμφανίστηκε σφάλμα. Με τον έλεγχο κυκλικού πλεονασμού (CRC) ανιχνεύονται περισσότερα σφάλματα από ότι με το άθροισμα ελέγχου (Checksum). Εργαστηριακή άσκηση Μέρος Α: 1. O χαρακτήρας ASCII 7-bit πρόκειται να αποσταλεί με ένα bit ισοτιμίας. Ποια είναι η τιμή του bit ισοτιμίας, αν η ισοτιμία είναι άρτια; Ο χαρακτήρας έγινε δεκτός με το χαρακτήρα ASCII Νομίζετε ότι η μέθοδος της ισοτιμίας του εντοπισμού σφαλμάτων θα έχει βρει το σφάλμα μετάδοσης; Γιατί; Απάντηση: Στην περίπτωση που αποσταλεί ο χαρακτήρα ASCII , με άρτια ισοτιμία, θα απαιτούσε το bit ισοτιμίας να είναι το 1. Αν ο λαμβανόμενος χαρακτήρα είναι ASCII , το σφάλμα δεν θα έχει βρεθεί στη μετάδοση, καθώς όσον αφορά την ισοτιμία, εξακολουθεί να έχει άρτια ισοτιμία. Γίνεται εμφανής λοιπόν η αδυναμία αυτής της μεθόδου ανίχνευσης λαθών να εντοπίζει σφάλμα όταν αλλάζουν δύο bits. Μπορεί να εντοπίσει ορθά ένα λάθος μόνο αν υπάρχει αλλαγή ενός μόνο bit. 2. Ο κυκλικός έλεγχος πλεονασμού είναι μια μέθοδος ελέγχου σφαλμάτων που χρησιμοποιείται κατά τη μεταφορά αρχείων. Εξηγήστε πώς λειτουργεί ο CRC. Περιγράψτε μια άλλη μέθοδο ελέγχου σφαλμάτων. Ποιο είναι ένα πλεονέκτημα της CRC σε σχέση με την άλλη μέθοδο; Ο κυκλικός έλεγχος πλεονασμού είναι μια μέθοδος ελέγχου για σφάλματα στη μετάδοση δεδομένων χρησιμοποιώντας μια διαδικασία διαίρεσης. Τα δεδομένα χωρίζονται σε προκαθορισμένα μήκη και διαιρούνται με ένα σταθερό διαιρέτη. -94-

107 Το υπόλοιπο του υπολογισμού επισυνάπτεται και αποστέλλεται με τα δεδομένα. Όταν τα δεδομένα παραληφθούν, το υπόλοιπο υπολογίζεται εκ νέου. Εάν τα υπόλοιπα δεν ταιριάζουν, στην μετάδοση έχει συμβεί κάποιο λάθος. Το checksum (έλεγχος αθροίσματος) είναι μια μέθοδος ελέγχου για σφάλματα στη μετάδοση δεδομένων από την καταμέτρηση του αριθμού των bits σε ένα πακέτο δεδομένων. Ένα πακέτο δεδομένων έχει δημιουργηθεί από τη διαίρεση των συνολικών δεδομένων σε μικρότερες ομάδες. Η καταμέτρηση των bits του πακέτου δεδομένων συνδέεται με το πακέτο δεδομένων και χρησιμοποιείται από το δέκτη για να ελεγχθεί αν όλα τα bits έχουν φτάσει με επιτυχία. Εάν ο αριθμός ταιριάζει, τότε ολόκληρη η μετάδοση έχει γίνει. Η τιμή ελέγχου κυκλικού πλεονασμού, η οποία είναι λίγο δυσκολότερο να υπολογιστεί, μπορεί να ανιχνεύει περισσότερα σφάλματα από ένα μηχανισμό που χρησιμοποιεί ισοτιμία ή άθροισμα ελέγχου. Αν και από μαθηματική άποψη η τιμή CRC είναι πολύπλοκη, μπορεί να υλοποιηθεί με απλό και φθηνό υλικό. 3. Αν τα δεδομένα που πρέπει να αποσταλούν είναι τα παρακάτω, Δεδομένα= και ο συγκεκριμένος διαιρέτης, Διαιρέτης = , ποια είναι τα CRC bits που προκύπτουν; Απάντηση: -95-

108 4. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο CRC, να δώσετε τη λύση, γνωρίζοντας τα παρακάτω δεδομένα: M(x) = C(x) = 1101 x r M(x) = Απάντηση: -96-

109 Επαλήθευση Στέλνουμε M(x) - Υπόλοιπο = M(x) XOR Υπόλοιπο = Υποθέστε ότι χρησιμοποιούμε έναν κώδικα κυκλικού πλεονασμού (Cyclic Rendundancy Code, CRC) με πολυώνυμο γεννήτορα g(x) = x 4 + x 3 + x + 1. i. Ποιά είναι η μεταδιδόμενη σειρά από bits αν τα bits του μηνύματος είναι ? (τα check bits μπαίνουν στο τέλος) ii. Υποθέστε ότι τα δύο πρώτα bits και το τελευταίο bit της μεταδιδόμενης σειράς που βρήκατε στο (i) λαμβάνονται λανθασμένα. Βρείτε αν τα λάθη αυτά θα γίνουν αντιληπτά στον δέκτη. Απάντηση: Για το (i) ερώτημα θα χρειαστεί να κάνουμε τη διαίρεση των κατάλληλων πολυωνύμων για να βρούμε το πολυώνυμο με τα check bits και επομένως και τα check bits τα ίδια. Για το (ii) ερώτημα προτείνεται ότι για να μην γίνουν αντιληπτά τα λάθη, θα πρέπει το πολυώνυμο Ε(x) που αντιστοιχεί στα συγκεκριμένα λάθη να διαιρείται ακριβώς με το πολυώνυμο γεννήτορα g(x). Θα γίνει μια δοκιμή, αν αυτό μπορεί να ισχύει, κοιτάζοντας τι γίνεται για x=

110 (i) To πολυώνυμο που αντιστοιχεί στα data bits S(x)= x 12 +x 11 +x 9 +x 8 +x 6 +x 5 +x 4 +x Θέλoυμε να βρούμε τα L=4 check bits (L ο βαθμος του g(x)). Αυτά θα ναι οι συντελεστές του πολυωνύμου C(x) που προκύπτει ως υπόλοιπο από την διαίρεση. C(x) =Remainder{(S(x)x L )/g(x)} Να σημειωθεί ότι η διαίρεση αυτή είναι σαν τις κανονικές διαιρέσεις πολυωνύμων, με την διαφορά ότι η αριθμητική είναι modulo 2. Δηλαδή, 1+1=0, 1+0=1, 0-1=1, κλπ. Κάνουμε επομένως την διαίρεση: x 16 +x 15 +x 13 +x 12 +x 10 +x 9 +x 8 + x 5 x 4 + x 3 + x + 1 x 16 +x 15 +x 13 +x 12 x 12 + x 6 + x 4 + x 2 + x x 10 +x 9 +x 8 + x 5 x 10 +x 9 +x 7 + x 6 x 8 +x 7 +x 6 + x 5 x 8 +x 7 + x 5 + x 4 x 6 + x 4 x 6 + x 5 + x 3 + x 2 x 5 + x 4 + x 3 + x 2 x 5 + x 4 + x 2 + x x 3 + x Άρα, C(x)= x 3 + x = 1 x 3 +0 x 2 +1 x +0 Με άλλα λόγια τα check bits είναι c 3 =1, c 2 =0, c 1 =1, c 0 =0-98-

111 και το συνολικό πακέτο που στέλνεται είναι το Data check (ii) Η σειρά από πού λαμβάνεται μετά από τα λάθη είναι η: Για να δούμε αν τα λάθη αυτά θα γίνουν αντιληπτά από τον δέκτη, μπορούμε να σχηματίσουμε το πολυώνυμο που αντιστοιχεί στο λαμβανόμενο πακέτο (το πολυώνυμο αυτό είναι το x 13 + x 12 + x 10 + x 9 + x 8 + x 5 + x 3 + x+1), να το διαιρέσουμε με το g(x) και να δούμε αν το υπόλοιπο είναι μηδέν ή όχι. Αν κάνουμε την διαίρεση θα βρούμε ότι το υ- πόλοιπο δεν είναι μηδέν και άρα τα λάθη ανιχνεύονται. Εναλλακτικά, θα μπορούσαμε να σχηματίσουμε το πολυώνυμο που αντιστοιχεί στα λάθη (είναι το Ε (x)=x 16 + x ), να το διαιρέσουμε με το g(x) και να δούμε πάλι αν το υπόλοιπο είναι μηδέν ή όχι. Αν κάνουμε τη διαίρεση θα βρούμε πάλι ότι το υπόλοιπο δεν είναι μηδέν και άρα τα λάθη ανιχνεύονται. Τρίτη εναλλακτική (και πιο εύκολη, γιατί αποφεύγουμε τις διαιρέσεις) είναι να παρατηρήσουμε τα εξής. Η μόνη περίπτωση να μην ανιχνευτούν τα λάθη είναι το πολυώνυμο Ε (x)=x 16 + x που αντιστοιχεί στα λάθη να διαιρείται ακριβώς με το πολυώνυμο γεννήτορα g (x)= x 4 + x 3 + x + 1, δηλαδή να έχουμε ότι: Ε(x)= g(x) q(x) για κάποιο πολυώνυμο q(x). Αυτή η σχέση θα πρέπει να ισχύει για κάθε x, άρα και για x=1. Άρα θα πρέπει να ισχύει Ε(1)=g(1)q(1) Όμως έχουμε ότι Ε(1)=1+1+1=1 (η αριθμητική θυμίζουμε είναι modulo 2) ενώ g(1)= =

112 Άρα η παραπάνω σχέση ΔΕΝ μπορεί να ισχύει και άρα το g(x) δεν διαιρεί το Ε(x). Ε- πομένως, η σειρά λαθών που αναφέρεται στο ερώτημα πάντα ανιχνεύεται για τον κώδικα με το συγκεκριμένο πολυώνυμο γεννήτορα. Μέρος Β: Στο δεύτερο μέρος του εργαστηρίου θα εξετάσουμε πως μπορούμε να μειώσουμε το ρυθμό σφαλμάτων χρησιμοποιώντας τον κώδικα Hamming. Στόχος λοιπόν είναι να μειωθεί το ποσοστό σφάλματος στο κανάλι θορύβου χρησιμοποιώντας τα παρακάτω εργαλεία: MATLAB και Simulink. Θα ακολουθηθεί η παρακάτω διαδικασία: Έναρξη MATLAB κάνοντας διπλό κλικ στο εικονίδιο του MATLAB ή πηγαίνοντας στο «πρόγραμμα» «Έναρξη» και, στη συνέχεια, αναζητείστε το φάκελο του προγράμματος MATLAB και κάνετε κλικ στο «MATLAB». Πληκτρολογήστε Simulink για να ανοίξει ένα νέο παράθυρο. Κάντε κλικ στο «Communication Blockset», θα ανοίξει όλες τις υποβιβλιοθήκες των επικοινωνιών. Δημιουργώντας το μοντέλο του Hamming κώδικα: 1. Πληκτρολογήστε channeldoc στο MATLAB prompt ώστε να ανοίξει το μοντέλο του θορύβου καναλιού. Στη συνέχεια, αποθηκεύστε το πρότυπο ως -100-

113 my_hamming στον κατάλογο όπου μπορείτε να κρατήσετε τα αρχεία της εργασίας σας. 2. Σύρετε τις ακόλουθες 2 Communications Blockset από την βιβλιοθήκη του Simulink στο μοντέλο: o Hamming Encoder block, από την υποβιβλιοθήκη αποκλεισμός της α- νίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων βιβλιοθήκη o Hamming Decoder block, από την υποβιβλιοθήκη αποκλεισμός της α- νίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων βιβλιοθήκη 3. Κάντε κλικ στο δεξί όριο του μοντέλου και σύρετε προς τα δεξιά για να διευρύνει το παράθυρο μοντέλο. 4. Μετακινήστε το Binary Symmetric Channel Block, το Error Rate Calculation block, και το Display block προς τα δεξιά κάνοντας κλικ και σύροντας. Αυτό δημιουργεί περισσότερο χώρο μεταξύ του Binary Symmetric Channel Block και τα μπλοκ δίπλα σε αυτό. Το μοντέλο θα πρέπει τώρα να μοιάζει με το παρακάτω σχήμα. 5. Κάντε κλικ στο μπλοκ Hamming Encoder και σύρετέ το στην κορυφή της γραμμής μεταξύ του μπλοκ Bernoulli γεννήτρια Binary και το Binary Symmetric Block, προς τα δεξιά από το σημείο διακλάδωσης, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Στη συνέχεια, αφήστε το κουμπί του ποντικιού. Το μπλοκ Hamming του κωδικοποιητή θα πρέπει να συνδεθεί αυτόματα με τη γραμμή από το μπλοκ Bernoulli γεννήτρια Binary στο Binary Symmetric Block

114 6. Κάντε κλικ στο μπλοκ Hamming αποκωδικοποιητή και σύρετε πάνω από την γραμμή μεταξύ του Binary Symmetric Block και το τμήμα υπολογισμού του ρυθμού σφαλμάτων. Ρύθμιση παραμέτρων του μοντέλου Hamming κώδικα Κάντε διπλό κλικ στη γεννήτρια Binary στο μπλοκ Bernoulli ώστε να κάνετε τις ακόλουθες αλλαγές στις ρυθμίσεις των παραμέτρων στο παράθυρο διαλόγου του μπλοκ, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Ονοματίστε Το μπλοκ Οθόνη Μπορείτε να αλλάξετε την ετικέτα που εμφανίζεται κάτω από το μπλοκ για να γίνει πιο κατανοητή. Για παράδειγμα, για να αλλάξετε την ετικέτα κάτω από το μπλοκ Display για "Σφάλμα ρυθμός εμφάνισης", επιλέξτε πρώτα την ετικέτα με το ποντίκι. Αυτό προκαλεί ένα πλαίσιο για να εμφανιστεί γύρω από το κείμενο. Εισάγετε τις αλλαγές στο κείμενο στο πλαίσιο. Τρέχοντας το μοντέλο Hamming κώδικα Για να εκτελέσετε το μοντέλο, επιλέξτε Προσομοίωση > Έναρξη. Το μοντέλο τερματίζει μετά από την έλευση 100 λαθών. Το ποσοστό σφάλματος που εμφανίζεται στο επάνω παράθυρο της οθόνης μπλοκ είναι περίπου

115 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Αλλάξτε τις αρχικές παραμέτρους στο μοντέλο (initial seed) ή εκτελέστε μια προσομοίωση για διαφορετικό χρονικό διάστημα. Ποιο είναι το ποσοστό σφάλματος που εμφανίζεται στο επάνω παράθυρο του μπλοκ εμφάνισης; 2. Γιατί το ποσοστό σφάλματος είναι πάντα περίπου 0.001, όταν το σφάλμα του καναλιού είναι 0.01; 3. Αλλάξτε στο κανάλι πιθανότητα σφάλματος σε 0.02, 0.03.Ποιο είναι το ποσοστό σφάλματος μετά την αποκωδικοποίηση Hamming; Συγκρίνετε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης σας με τα θεωρητικά αποτελέσματα. 4. Πώς θα αποκτήσετε ένα χαμηλότερο ποσοστό σφάλματος για την ίδια πιθανότητα λάθους; ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ 1. Αλλάζοντας το Initial Seed στο παράθυρο παραμέτρων παρατηρούμε ότι μετά την προσομοίωση, για ένα διαφορετικό χρονικό διάστημα, τα αποτελέσματα διαφέρουν ελάχιστα. 2. Ο λόγος που το ποσοστό σφάλματος παραμένει πάντα κοντά στο.0001 όταν το σφάλμα του καναλιού είναι.01 είναι ο εξής: Η πιθανότητα να συμβούν δύο ή περισσότερα λάθη όταν έχουμε λέξη κωδικοποίησης 7 bits είναι: 1 (0.99) 7 7(0.99) 6 (0.01) = Αν οι λέξεις προς κωδικοποίηση με δύο ή περισσότερα λάθη αποκωδικοποιηθούν τυχαία, κάποιος περιμένει τα μισά από τα bits στο αποκωδικοποιημένο μήνυμα να είναι λάθος. Αυτό υποδηλώνει το ποσοστό σφάλματος.001 είναι μια λογική τιμή. 3. Βάση της απάντησης παραπάνω. 4. Προκειμένου να αποκτηθεί ένα χαμηλότερο ποσοστό λάθους με την ίδια πιθανότητα σφάλματος, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον κώδικα Hamming με μεγαλύτερες παραμέτρους. Στην πράξη, αλλάζουμε για παράδειγμα το Codeword length και το Message length στο Hamming Encoder και Decoder αντίστοιχα block πα

116 ράθυρα διαλόγου. Επιπρόσθετα, κρίνεται απαραίτητο να γίνουν οι αντίστοιχες αλλαγές στις παραμέτρους του Bernoulli Binary Generator block και του Binary Symmetric Channel block. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Επειδή ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός και οι γραμμές μετάδοσης υφίστανται ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, τα δεδομένα που μεταφέρονται μέσω ενός δικτύου μπορούν να αλλοιωθούν ή να χαθούν. Επίσης, οι παρεμβολές μπορούν να κάνουν έναν παραλήπτη να ερμηνεύσει τον ηλεκτρικό θόρυβο ως δεδομένα. Τα δίκτυα υπολογιστών περιλαμβάνουν διάφορους μηχανισμούς για την ανίχνευση τέτοιων σφαλμάτων μετάδοσης. Οι μηχανισμοί αυτοί απαιτούν από τον αποστολέα να υπολογίζει και να μεταδίδει κάποιες πρόσθετες πληροφορίες μαζί με τα δεδομένα, και από τον παραλήπτη να επαληθεύει ότι αυτές οι πρόσθετες πληροφορίες συμφωνούν με τα δεδομένα που έλαβε. Εξετάσαμε τρεις μηχανισμούς ανίχνευσης σφαλμάτων: το bit ισοτιμίας, τα αθροίσματα ελέγχου και τους ελέγχους κυκλικού πλεονασμού (CRC). Ένα bit ισοτιμίας στέλνεται μαζί με κάθε μεμονωμένο χαρακτήρα, ενώ ένα άθροισμα ελέγχου ή μια τιμή CRC στέλνεται μαζί με κάθε πλαίσιο. Η αυτόματη διόρθωση σφαλμάτων μπορεί να πάρει διάφορες μορφές. Ο πλέον γνωστός κώδικας αυτόματης διόρθωσης σφαλμάτων είναι ο κώδικας Hamming, που διορθώνει απλά σφάλματα με την προσθήκη δυαδικών ψηφίων ελέγχου. Παράδειγμα χρησιμοποίησης της μεθόδου της αυτόματης διόρθωσης σφαλμάτων αποτελεί το σχήμα κωδικοποίησης που χρησιμοποιείται στους δίσκους CD- ROM, στους οποίους το φυσικό μέσο αποθήκευσης είναι πολύ ευαίσθητο στα σφάλματα. Το σύστημα αυτό σχεδιάστηκε με την προοπτική να διορθώνεται αυτόματα ένας μεγάλος αριθμός σφαλμάτων, ώστε το σύστημα αποθήκευσης να έχει τον απαιτούμενο βαθμό αξιοπιστίας. Καμία μέθοδος ανίχνευσης σφαλμάτων δεν είναι τέλεια, επειδή τα σφάλματα μετάδοσης μπορεί να επηρεάσουν και τις πρόσθετες πληροφορίες όπως και τα δεδομένα

117 5.6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ OMNET ++ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το OMNET++ είναι ένα πακέτο προσομοίωσης διακριτών γεγονότων βασισμένο στη γλώσσα C++ που αναπτύχθηκε στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βουδαπέστη από τον Andreas Varga. Ο αρχικός τομέας εφαρμογών του OMNET++ είναι η προσομοίωση δικτύων υπολογιστών και άλλων κατανεμημένων συστημάτων. Είναι πρόγραμμα opensource, ελεύθερο για μη κερδοσκοπική χρήση, και έχει μια αρκετά μεγάλη και ενεργή κοινότητα χρηστών. Επιτρέπει επίσης τη σχεδίαση αρθρωτών μοντέλων προσομοίωσης, τα οποία μπορούν να συνδυαστούν και να επαναχρησιμοποιηθούν αρκετά εύκολα. Έχει αποδειχθεί ότι αυτό το πλαίσιο προσομοίωσης είναι κατάλληλο για την προσομοίωση σύνθετων συστημάτων όπως τους κόμβους Διαδικτύου και τη δυναμική των πρωτοκόλλων TCP/IP με τρόπο πολύ ρεαλιστικό. Το OMNET++ υποστηρίζει ένα πολύ καλά δομημένο και εξίσου βοηθητικό γραφικό περιβάλλον το GNED το οποίο υπάρχει ελεύθερο στο internet ώστε να μπορεί ο οποιοσδήποτε κοινός χρήστης να το κατεβάσει και να το τρέξει στον υπολογιστή του. Το OMNET++ αν και μπορεί από μόνο του να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές προσομοίωσης χρησιμοποιείται ευρέως ως πλατφόρμα πάνω στην οποία έχουν αναπτυχθεί άλλα προγράμματα προσομοίωσης που αφορούν σε συγκεκριμένες κατηγορίες και τύπους δικτύων. Το OMNET++ τρέχει εξίσου καλά στα Linux και στα περισσότερα λειτουργικά συστήματα που βασίζονται ή μοιάζουν με Unix, αλλά και σε Win32 πλατφόρμες (Windows 2000, XP). Υπάρχει ελεύθερο στο internet και στο site ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ Ο προσομοιωτής OMNET++ λοιπόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για : Μοντελοποίηση κυκλοφορίας των δικτύων τηλεπικοινωνιών Μοντελοποίηση πρωτοκόλλων Μοντελοποίηση δικτύων ουρών αναμονής Μοντελοποίηση πολυεπεξεργαστών και άλλων κατανεμημένων hardware συστημάτων Επικύρωση αρχιτεκτονικών υλικού Αξιολόγηση των πτυχών απόδοσης των σύνθετων συστημάτων λογισμικού -105-

118 Μοντελοποίηση οποιουδήποτε άλλου συστήματος όπου η προσέγγιση διακριτών γεγονότων είναι κατάλληλη. Τα προσομοιωμένα μοντέλα αποτελούνται από ιεραρχικά τοποθετημένες ενότητες. Στο OMNET++ υπάρχουν δύο τύποι ενοτήτων: απλές και σύνθετες ενότητες. Οι απλές ενότητες διαμορφώνουν το χαμηλότερο επίπεδο ιεραρχίας και εφαρμόζουν την δραστηριότητα μιας ενότητας και μπορούν αυθαίρετα να συνδυαστούν για να διαμορφώσουν τις σύνθετες ενότητες. Οι ενότητες επικοινωνούν με τη μεταβίβαση μηνυμάτων. Τα μηνύματα μπορεί να σταλούν είτε μέσω των συνδέσεων που εκτείνονται μεταξύ των ενοτήτων είτε άμεσα στις ενότητες προορισμού τους. Ο χρήστης καθορίζει τη δομή του μοντέλου (τις ενότητες και τη διασύνδεσή τους) με τη χρησιμοποίηση της γλώσσας περιγραφής τοπολογίας (NED) από το OMNET++. Οι απλές ενότητες εφαρμόζονται στην C++, χρησιμοποιώντας τις κλήσεις συστήματος του πυρήνα προσομοίωσης και την βιβλιοθήκη της κλάσης της προσομοίωσης. Για κάθε απλή ενότητα, είναι δυνατό να επιλεχθεί προσομοίωση μεταξύ των τύπων proccessstyle και protocol-style, ανάλογα με το τι επιθυμεί ο χρήστης. Επομένως, διαφορετικά μέρη υπολογισμού και συστημάτων επικοινωνιών μπορούν να προγραμματιστούν με φυσικό τρόπο και να συνδεθούν εύκολα. Η βιβλιοθήκη της κλάσης προσομοίωσης παρέχει μια καλά ορισμένη διεπαφή (API) στον προγραμματιστή εφαρμογής για τις πιο κοινές εργασίες προσομοίωσης, που περιλαμβάνουν: τυχαία παραγωγή αριθμού, ουρές, πίνακες, μηνύματα, εξερεύνηση τοπολογίας και δρομολόγηση. Επίσης δημιουργία και καταστροφή ενότητας, δυναμικές τοπολογίες, στατιστικά στοιχεία, εκτίμηση πυκνότητας (που περιλαμβάνει ιστογράμματα, P2 και Κ-split) καθώς και καταγραφή των δεδομένων εξόδου. Η αντικειμενοστραφής προσέγγιση επιτρέπει την εύκολη επέκταση των κλάσεων της βάσης που παρέχονται από τον πυρήνα προσομοίωσης. Τα στοιχεία του μοντέλου συντάσσονται και συνδέονται με τη βιβλιοθήκη προσομοίωσης και μια από τις βιβλιοθήκες διεπαφής με το χρήστη για να διαμορφώσουν ένα εκτελέσιμο πρόγραμμα. Μια βιβλιοθήκη διεπαφής με τον χρήστη βελτιστοποιείται για το commandline, ενώ η άλλη χρησιμοποιεί ένα γραφικό περιβάλλον διεπαφής με τον χρήστη (GUI) που μπορεί να χρησιμοποιείται για να εντοπίσει και να διορθώσει τα λάθη της προσομοίωσης. Το GUI καθιστά το εσωτερικό ενός μοντέλου προσομοίωσης πλήρως ορατό, επιδεικνύει γραφικά το δίκτυο, δείχνει με κίνηση τη ροή των μηνυμάτων και αφήνει το χρήστη -106-

119 να επιλέξει τα αντικείμενα (μηνύματα, ουρές, κ. λ. π.) μέσα στο μοντέλο. Είναι επίσης δυνατό να αλλαχτούν οι παράμετροι και τα πεδία μηνυμάτων για τη διαδικασία της διόρθωσης. Τα χαρακτηριστικά της οπτικοποίησης καθιστούν το OMNET++ κατάλληλο ακόμη και για εκπαιδευτικούς ή λόγους επίδειξης. Λόγω της αρθρωτής σχεδίασης, είναι δυνατό να ενσωματωθεί η μηχανή προσομοίωσης (συμπεριλαμβανομένων των μοντέλων) σε άλλες εφαρμογές. Το OMNET++ επίσης υποστηρίζει την προσομοίωση παράλληλων διακριτών γεγονότων (PDES). ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΜΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Ένα μοντέλο στο OMNET++ αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη : Τη γλώσσα NED (.ned αρχεία) που περιγράφει την τοπολογία, την δομή του μοντέλου με τις παραμέτρους, τις πύλες κ.τ.λ. Τα αρχεία NED μπορεί να γραφτούν σε οποιονδήποτε επεξεργαστή κειμένου ή με τον GNED γραφικό επεξεργαστή. Τους ορισμούς των μηνυμάτων (msg. αρχεία). Μπορεί ο προγραμματιστής να ο- ρίσει διάφορους τύπους μηνυμάτων και να προσθέσει πεδία δεδομένων σε αυτά. Το OMNET++ θα μεταφράσει τους ορισμούς των μηνυμάτων σε πλήρως δομημένες κλάσεις της C++. Τα αρχεία από τις απλές ενότητες. Είναι αρχεία C++ με κατάληξη.h/.cc. Το σύστημα προσομοίωσης παρέχει τα ακόλουθα μέρη : Ο πυρήνας προσομοίωσης. Αυτός περιέχει τον κώδικα που διαχειρίζεται την προσομοίωση και την βιβλιοθήκη της κλάσης προσομοίωσης. Είναι γραμμένος σε C++ και μαζί με την μεταγλώττιση δημιουργεί μια βιβλιοθήκη (ένα αρχείο με κατάληξη.a ή.lib). Διεπαφή με τον χρήστη. Το OMNET++ παρέχει διεπαφή με τον χρήστη που χρησιμοποιείτε κατά την εκτέλεση της προσομοίωσης για να εξηγήσει τον έλεγχο των λαθών, για επίδειξη των αποτελεσμάτων ή για παράλληλη εκτέλεση προσομοιώσεων. Είναι γραμμένη σε C++ και μαζί με την μεταγλώττιση δημιουργεί μια βιβλιοθήκη (ένα αρχείο με κατάληξη.a ή.lib). Τα προγράμματα προσομοίωσης δημιουργούνται από τα παραπάνω συστατικά μέρη. Πρώτα τα αρχεία NED μεταγλωττίζονται σε C++ πηγαίο κώδικα, χρησιμοποιώντας τον NEDC μεταφραστή που είναι μέρος του OMNET++. Στη συνέχεια όλα τα αρχεία με -107-

120 τον πηγαίο κώδικα C++ μεταγλωττίζονται και συνδέονται με τον πυρήνα προσομοίωσης και την διεπαφή του χρήστη για να διαμορφώσουν ένα εκτελέσιμο αρχείο προσομοίωσης. Το εκτελέσιμο αρχείο προσομοίωσης είναι ένα αυτόνομο πρόγραμμα, κατά συνέπεια μπορεί να τρέξει σε άλλες μηχανές χωρίς το OMNET++ ή τα αρχεία του μοντέλου να είναι παρόντα. Όταν το πρόγραμμα αρχίζει, διαβάζει ένα αρχείο σχηματισμού (configuration file συνήθως αποκαλούμενο omnetpp.ini). Αυτό το αρχείο περιέχει τις ρυθμίσεις που ελέγχουν το πώς η εκτελείται προσομοίωση, τιμές των παραμέτρων του μοντέλου κ. λ π. Το αρχείο σχηματισμού μπορεί επίσης να ορίσει διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να τρέξει η προσομοίωση και στην απλούστερη περίπτωση, θα εκτελεσθούν από το πρόγραμμα προσομοίωσης το ένα μετά από άλλο. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης γράφεται σε αρχεία εξόδου : σε ενδιάμεσα αρχεία εξόδου, σε κλιμακωτά αρχεία εξόδου, και ενδεχομένως στα αρχεία εξόδου του χρήστη. Το OMNET++ παρέχει ένα εργαλείο GUI που ονομάζεται Plove για να βλέπει και να σχεδιάζει το περιεχόμενο των αρχείων εξόδου των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Δεν αναμένεται ότι κάποιος θα επεξεργαστεί τα αρχεία αποτελέσματος χρησιμοποιώντας το OMNET++ μόνο: τα αρχεία εξόδου είναι αρχεία κειμένων που μπορούν να διαβαστούν από προγράμματα όπως το Matlab ή το Octave, ή να εισαχθεί στους υπολογισμούς με λογιστικό φύλλο (spreadsheet) όπως στο OpenOffice, το Calc, το Gnumeric ή το Excel. Όλα αυτά τα εξωτερικά προγράμματα παρέχουν την πλούσιες λειτουργίες για στατιστική ανάλυση και απεικόνιση των αποτελεσμάτων, και είναι έξω από το πεδίο του OMNET++ να αναπαραγάγει αυτές τις λειτουργίες. Ο αρχικός σκοπός της διεπαφής με τον χρήστη είναι να κατασταθούν τα εσωτερικά στοιχεία του μοντέλου ορατά στο χρήστη, να ελεγχθεί η εκτέλεση προσομοίωσης και να επιτραπεί ενδεχομένως στον χρήστη να επέμβει με την αλλαγή των μεταβλητών και των αντικειμένων μέσα στο μοντέλο. Αυτό είναι πολύ σημαντικό στη φάση της ανάπτυξης και διόρθωσης του προγράμματος προσομοίωσης. Εξίσου σημαντικό είναι και το γεγονός ο χρήστης αποκτά μια οπτική εμπειρία που τον διευκολύνει να πάρει μια αίσθηση της συμπεριφοράς του μοντέλου. Το γραφικό ενδιάμεσο με τον χρήστη μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να καταδείξει τη λειτουργία ενός προτύπου. Το ίδιο μοντέλο προσομοίωσης μπορεί να εκτελεσθεί με διαφορετική διεπαφή με τον χρήστη, χωρίς οποιαδήποτε αλλαγή στα αρχεία του μοντέλου από τον ίδιο. Ο χρήστης θα μπορεί να εξετάζει και να διορθώνει την προσομοίωση με ένα ισχυρό γραφικό ενδι

121 άμεσο με τον χρήστη, και τελικά να την τρέχει με ένα απλό και γρήγορο γραφικό περιβάλλον που υποστηρίζει εκτέλεση batch. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Μέρος Α: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΣΩ ΤΟΥ OMNET ++ Για αρχή, θα ξεκινήσουμε με ένα δίκτυο που αποτελείται από δύο κόμβους τερματικούς. Οι τερματικοί κόμβοι κάνουν κάτι απλό: ένας από τους κόμβους θα δημιουργήσει ένα πακέτο δεδομένων, και θα στείλει το πακέτο δεδομένων στον άλλον κόμβο και αντίστροφα. Τα βήματα που πρέπει να ακολουθηθούν για να εφαρμοστεί η προσομοίωση είναι: Δημιουργούμε ένα νέο project : File > New > OMNET++ project Επιλέγουμε Empty project with src and simulation folders Αρχικά ορίζουμε την περιγραφή και τη λειτουργικότητα του κόμβου: Δημιουργούμε ένα νέο simple module Στο φάκελο src File > New > Simple Module Στη συνέχεια: 1. Δημιουργείτε έναν κατάλογο εργασία που ονομάζεται tictoc σε αυτόν τον κατάλογο. 2. Γίνεται η περιγραφή του δικτύου, δημιουργώντας ένα αρχείο τοπολογίας και ονομάζεται, tictoc1.ned: -109-

122 Ποια συμπεράσματα απορρέουν από την παραπάνω εικόνα; Απάντηση: Το tictoc1 είναι ένα δίκτυο, το οποίο συναρμολογείται από δύο υποενότητες, tic και toc. Αυτές οι δύο υποενότητες είναι και περιπτώσεις του ίδιου τύπου μονάδας που ονομάζεται Txc1. Εάν ενώσουμε την πύλη εξόδου tic (out), στην πύλη της εισόδου toc (in), και αντίστροφα (δίκτυο... {...}), θα υπάρξει μια καθυστέρηση διάδοσης της τάξης των 100ms. Το Txc1 είναι ένας απλός τύπος μονάδας (επίπεδο NED, και θα υλοποιηθεί σε C ++). Το Txc1 έχει μία θύρα εισόδου και μία πύλη εξόδου από το όνομα (simple... {...}). 3. Πρέπει τώρα να εφαρμοστεί η λειτουργικότητα της απλής μονάδας Txc1. Αυτό ε- πιτυγχάνεται με το γράψιμο ενός αρχείο txc1::cc, σε γλώσσα προγραμματισμού C++: -110-

123 Το Txc1 είναι απλός τύπος μονάδας που αντιπροσωπεύεται από την C++ class Txc1, η οποία είναι υποκλάση του csimplemodule, και είναι δρομολογημένα στην OMNeT++ με το Define_Module() macro. Αλλάζονται δύο μέθοδοι από το csimplemodule: initialize() και handlemessage(). Έχουν επίκληση από τον πυρήνα της προσομοίωσης: η πρώτη μόνο μία φορά, και η δεύτερη κάθε φορά που ένα μήνυμα δεδομένων φτάνει στην module. Η initialize() δημιουργεί ένα αντικείμενο μηνύματος (cmessage), και στέλνεται στην gate out. Δεδομένου ότι αυτή η πύλη συνδέεται με την πύλη εισόδου (input gate) της άλλης μονάδας, ο πυρήνας της προσομοίωσης θα παραδώσει αυτό το μήνυμα στην άλλη μονάδα ως handlemessage(), μετά από μια καθυστέρηση διάδοσης 100ms θα ανατεθεί στο σύνδεσμο στο αρχείο NED. Η άλλη μονάδα στέλνει ακριβώς πίσω/αντίστροφα (άλλη καθυστέρηση 100ms), και αυτό οδηγεί σε μια συνεχή κατάσταση ping-pong. Τα μηνύματα (πακέτα, θέσεις εργασίας, κλπ) και τα events (χρονόμετρα, χρονικά όρια), εκπροσωπούνται από αντικείμενα cmessage (ή υποκατηγορίες) στη OMNeT++. Αφού σταλούν ή να προγραμματιστούν, θα μπουν από τον πυρήνα προσο

124 μοίωσης στην λίστα «προγραμματισμένα γεγονότα (scheduled events)» ή στα «μελλοντικά γεγονότα (future events)» μέχρι να έρθει η ώρα να παραδοθούν στις διάφορες μονάδες μέσω handlemessage(). 4. Τώρα δημιουργείται το Makefile που θα βοηθήσει στην σύνδεση του προγράμματος για την δημιουργία του εκτελέσιμου αρχείου tictoc: 5. Κατάρτιση και σύνδεση με την πρώτη προσομοίωση, με την έκδοση της εντολής make: 6. Κατά την εκτέλεση δεν μπορεί να βρει το αρχείο omnetpp.ini, οπότε θα πρέπει να δημιουργηθεί ένα omnetpp.ini. Δημιουργείται με τον εξής απλό τρόπο, omnetpp.ini: Το tictoc2 και τα περαιτέρω βήματα θα μοιράζονται το παρακάτω αρχείο omnetpp.ini: Το αρχείο omnetpp.ini είναι κοινό όλων των προσομοιώσεων tictoc

125 -113-

126 7. Μόλις ολοκληρωθούν τα παραπάνω βήματα, θα ξεκινήσει η προσομοίωση δίνοντας την εντολή: 8. Με το πάτημα του κουμπιού Run στη γραμμή εργαλείων ξεκινά η προσομοίωση. Αυτό που πρέπει να δούμε είναι ότι οι τερματικοί κόμβοι tic toc ανταλλάσσουν μηνύματα μεταξύ τους. Αρχείο τοπολογίας που ονομάζεται, tictoc1.ned

127 Ο χρόνος που παρουσιάζεται στη γραμμή εργαλείων είναι ο πραγματικός χρόνος προσομοίωσης; Απάντηση: Η κύρια γραμμή εργαλείων του παραθύρου εμφανίζει τον χρόνο προσομοίωσης. Αυτός είναι εικονικός χρόνος, και αφορά το πρόγραμμα που τον χρειάζεται για να εκτελέσει την προσομοίωση. Στην πραγματικότητα, ο αριθμός των δευτερόλεπτων του προγράμματος που μπορούν να προσομοιώσουν σε πραγματικό χρόνο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την φύση και την πολυπλοκότητα του μοντέλου προσομοίωσης. Ο χρόνος που χρειάζεται η προσομοίωση για να επεξεργαστεί ένας τερματικός κόμβος το μήνυμα, είναι μηδενικός. Η μόνη διεργασία που καθυστερεί την προσομοίωση σε αυτό το μοντέλο είναι η καθυστέρηση διάδοσης του μηνύματος στις συνδέσεις. 9. Μπορεί να μεταβληθεί η επιβράδυνση της διάδοσης μηνύματος με το ρυθμιστικό στο επάνω μέρος του παραθύρου γραφικών. Μπορεί να σταματήσει η προσομοίωση πατώντας το πλήκτρο F8 (ισοδύναμο με το πλήκτρο STOP στην γραμμή εργαλείων), single-step με το (F4), run με το (F5), animation με το (F6), και με το F7-115-

128 (express mode) απενεργοποιούνται εντελώς οι δυνατότητες εντοπισμού της μέγιστης ταχύτητας. 10. Η έξοδος από το πρόγραμμα προσομοίωσης, πραγματοποιείται κάνοντας κλικ στο εικονίδιο Close ή επιλέγοντας File Exit. Μέρος Β: ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΑΙ ΤΕΛΕΙΟΠΟΙΗΣΗ ΓΡΑΦΙΚΩΝ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ TICTOC2 Το δίκτυο TICTOC2 ενισχύεται και τελειοποιείται γραφικά προσθέτοντας debugging output. Το μοντέλο προσομοίωσης μεταλλάσσεται στο GUI. Ανατίθεται στο εικονίδιο block/routing (το αρχείο images/block/routing.png), έτσι ο κόμβος tic γίνεται κυανό χρώμα και ο toc, κίτρινο. Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη του display strings στο αρχείο NED. Το εικονίδιο καθορίζεται από την σειρά εμφάνισης του i = tag

129 Το αποτέλεσμα φαίνεται παρακάτω: Μπορεί επίσης να τροποποιηθεί το αρχείο C++ με την πρόσθεση κάποιων μηνυμάτων σφάλματος στο Txc1 γράφοντας στο OMNeT++ EV ένα αντικείμενο όπως : -117-

130 και: Το ακόλουθο αποτέλεσμα θα εμφανιστεί στο κύριο παράθυρο του κειμένου, όταν εκτελείτε η προσομοίωση στο OMNeT++ GUI Tkenv: Υπάρχει η δυνατότητα να ανοιχτούν ξεχωριστά παράθυρα εξόδου για τους κόμβους μεταγωγής tic toc, κάνοντας δεξί κλικ στα εικονίδια τους και την επιλογή του module από το μενού που θα εμφανιστεί. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι χρήσιμο όταν υπάρχει μεγάλο μοντέλο προσομοίωσης (fast scrolling logs syndrome)

131 Προσθήκη μεταβλητών κατάστασης Σε αυτό το βήμα προστίθεται ένας μετρητής στη μονάδα, και διαγράφεται το μήνυμα μετά από δέκα ανταλλαγές. Προστίθεται ο μετρητής ως μέλος της εξής κατηγορίας: Ορίζουμε την μεταβλητή σε 10 initialize() και μειώνεται στο handlemessage() για την άφιξη κάθε μηνύματος. Αφού φτάσει στο μηδέν, η προσομοίωση θα τερματιστεί από γεγονότα και θα τερματίσει. Σημειώνεται το: Η γραμμή στην πηγή, καθιστά δυνατό την ορατότητα της τιμής του μετρητή στη Tkenv. Με διπλό κλικ στο εικονίδιο tic, επιλέγεται η Contents page από το παράθυρο που αναδύεται

132 Θα συνεχίσει η λειτουργία της προσομοίωσης, έως ότου μηδενιστεί ο μετρητής. Μοντελοποίηση Επεξεργασίας καθυστέρησης Στα προηγούμενα μοντέλα προσομοίωσης, οι τερματικοί κόμβοι tic toc έστελναν αμέσως πίσω το μήνυμα που λάμβαναν. Τώρα θα προστεθεί κάποια χρονική καθυστέρηση: οι τερματικοί κόμβοι tic toc θα κρατήσουν το μήνυμα -κατά την προσομοίωση- 1 δευτερόλεπτο πριν το στείλουν πίσω. Στο OMNeT++, τέτοιος χρονισμός επιτυγχάνεται ό- ταν η μονάδα στέλνει ένα μήνυμα προς τον εαυτό της. Τέτοια μηνύματα ονομάζονται αυτό-μηνύματα. Προστέθηκαν δύο μεταβλητές cmessage*, event and tictocmsg στην τάξη: Με την επιλογή "send" και με την λειτουργία scheduleat(), το self-messages, προσδιορίζεται ως προς τον χρόνο που πρέπει να παραδοθεί πίσω στο module. Τώρα στο handlemessage() πρέπει να γίνει η διάκριση μεταξύ του νέου -120-

133 μηνύματος που έφτασε μέσω της πύλης εισόδου ή του self-messages που επιστράφηκε κατά την λήξη του χρονομέτρου. if (msg= =event) θα μπορούσε να γραφτεί: if (msg->isselfmessage()) Το αποτέλεσμα της εκτέλεσης της προσομοίωσης φαίνεται στη συνέχεια. Μοντελοποίηση επεξεργασίας καθυστέρησης Λήξη χρονικού ορίου, ακυρώνοντας τα χρονόμετρα Για την μοντελοποίηση πρωτοκόλλων δικτύωσης, μετατρέπεται το μοντέλο σε προσομοίωση stop-and-wait. Θα υπάρχουν ξεχωριστές τάξεις για τους τερματικούς κόμβους tic toc. Το βασικό σενάριο είναι παρόμοιο με τα προηγούμενα: οι τερματικοί κόμβοι tιc και toc αλληλομεταδίδουν μηνύματα. Ωστόσο, ο toc θα «χάσει» το μήνυμα με κάποια μη μηδενική πιθανότητα και στην περίπτωση αυτή ο tic θα πρέπει να το ξαναστείλει. Ο κωδικός του toc είναι: -121-

134 Χάρη στο bubble() η κλήση στον κώδικα του κόμβου toc θα εμφανίσει μια επεξήγηση κάθε φορά που πέφτει το μήνυμα. Έτσι, ο κόμβος tic θα ξεκινήσει να χρονομετρά κάθε φορά που στέλνει -122-

135 μήνυμα. Όταν τελειώσει ο χρόνος, θα αναλαμβάνει να στείλετε ένα άλλο στην θέση του μηνύματος που χάθηκε. Αν φτάνει η απάντηση στον κόμβο toc, το χρονόμετρο θα πρέπει να σταματά, δηλαδή να ακυρώνεται. Το χρονόμετρο στην ουσία είναι self-message. Η ακύρωση του χρονοδιακόπτη θα γίνει με κλήση στην εντολή CancelEvent(). Αυτό δεν εμποδίζει από το να είναι σε θέση να επαναχρησιμοποιηθεί το ίδιο μήνυμα του χρονικού ορίου ξανά και ξανά. Επαναμετάδοση του ίδιου μηνύματος Με αυτό το βήμα βελτιώνεται το προηγούμενο μοντέλο. Πριν δημιουργήθηκε απλώς ένα πακέτο δεδομένων για αναμετάδοση. Το πακέτο δεν περιείχε πολλά δεδομένα, αλλά στην πραγματική ζωή συνήθως είναι πιο πρακτικό να κρατιούνται αντίγραφα των αρχικών πακέτων, ώστε να στέλνεται ξανά όταν χρειάζεται χωρίς την ανάγκη να ξαναδημιουργηθεί από την αρχή. Σε αυτό το στάδιο της προσομοίωσης θα κρατηθεί το αρχικό πακέτο και θα σταλεί μόνο αντίγραφο. Θα διαγραφεί το αρχικό όταν φθάσει αναγνώριση του κόμβου toc, πως έγινε η σύνδεση και η μεταφορά των δεδομένων. Για τον πιο εύκολο οπτικό έλεγχο του μοντέλου, θα περιλαμβάνεται μια ακολουθία αριθμών και ονομάτων του μηνύματος. Προκειμένου να αποφευχθεί η πάρα πολύ μεγάλη αύξηση του handlemessage(), θα μπει αντίστοιχος κωδικός σε δύο νέες λειτουργίες, την generatenewmessage() και την sendcopyof() και θα καλέσουν το handlemessage(). Οι λειτουργίες: -123-

136 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το Omnet++ είναι πακέτο λογισμικού που συνοδεύεται από πλήρη τεκμηρίωση. Χαρακτηρίζεται ένα από τα πιο ελκυστικά λογισμικά προσομοίωσης δικτύων γενικότερα. Ο προσομοιωτής του Omnet++ δομήθηκε με απόλυτο σεβασμό στην αρχιτεκτονική υλοποίησης που προωθεί το λογισμικό. Πολύ μεγάλη σημασία για το Omnet++ έχει και η δυνατότητα εκτέλεσης προσομοιώσεων με δύο διαφορετικούς τρόπους: στη γραμμή εντολών και σε γραφικό περιβάλλον εργασίας. Η πρώτη περίπτωση είναι πολύ χρήσιμη για γρήγορη εκτέλεση μεγάλων σεναρίων προσομοίωσης, ή και την εκτέλεση πολλών προσομοιώσεων σε σειρά. Από την άλλη το γραφικό περιβάλλον είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για την παρακολούθηση της εξέλιξης μιας προσομοίωσης και τον εντοπισμό σφαλμάτων. Επιπλέον δίνει την δυνατότητα επίδειξης ζωντανών προσομοιώσεων, πακέτο πολύ πιο ελκυστικό από την προβολή στατιστικών δεδομένων. Το Omnet++ διαθέτει πολλά εργαλεία, και ακόμα πιο πολλές βοήθειες, ώστε να θεωρείται πληρέστατο για την υλοποίηση προσομοιωτών ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, πολλά επίπεδα ανώτερα από την προσομοίωση που παρουσιάστηκε στο σημερινό εργαστήριο

137 5.7 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ OMNET ++ - ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΟΙ ΑΠΟ ΔΥΟ ΚΟΜΒΟΙ Στο σημερινό εργαστήριο που ουσιαστικά αποτελεί συνέχεια του Εργαστηρίου 6 θα δημιουργήσουμε περισσότερους από 2 κόμβους, κάποιοι τερματικοί αλλά και κάποιοι μεταγωγής tic, καθώς και τη σύνδεση αυτών σε ένα δίκτυο (τοπολογία). Μέρος Α Αρχικά, ένας από τους κόμβους δημιουργεί ένα μήνυμα, και οι άλλοι (μεταγωγής) το διοχετεύουν σε τυχαίες κατευθύνσεις, μέχρι να φτάσει σε ένα προκαθορισμένο κόμβο προορισμού (τερματικό). Το αρχείο ned θα χρειαστεί μερικές αλλαγές. Πρώτα από ό- λα, η μονάδα txc (module txc) θα πρέπει να έχει πολλαπλές πύλες εισόδου και εξόδου: Η [] μετατρέπει τις πύλες σε gate vectors. Το μέγεθος του φορέα (ο αριθμός των πυλών) θα καθοριστεί όπου χρησιμοποιούμε το txc για την κατασκευή του δικτύου. Θα δημιουργηθούν λοιπόν 6 μονάδες ( modules ) ως φορέας modules, και η σύνδεσή τους. Η προκύπτουσα τοπολογία θα μοιάζει με αυτήν που παρουσιάζεται παρακάτω: -125-

138 -126-

139 Σε αυτό το σημείο, ο κόμβος tic [0] θα δημιουργήσει μήνυμα που θα σταλεί. Πώς επιτυγχάνεται η δημιουργία του μηνύματος; Ποιες συναρτήσεις και ποιες λειτουργίες χρησιμοποιούνται; Απάντηση: Η δημιουργία του μηνύματος επιτυγχάνεται με την εντολή initialize(), και με τη βοήθεια της λειτουργίας getindex(), η οποία επιστρέφει το δείκτη της μονάδας στον φορέα (vector). Η ουσία του κώδικα είναι η λειτουργία forwardmessage(), η οποία επικαλείται από την handlemessage() κάθε φορά που ένα μήνυμα φτάνει στον κόμβο. Αντλείται ένας αριθμός τυχαίας πύλης (size() είναι το μέγεθος του gate vector), και στέλνεται μήνυμα στην εν λόγω πύλη

140 Όταν το μήνυμα φτάσει στο κόμβο tic[3], η λειτουργία handlemessage() θα διαγράψει το μήνυμα. Ο πλήρης κώδικας txc10.cc, είναι : -128-

141 -129-

142 Δημιουργία καναλιών για την επικοινωνία των κόμβων Το δίκτυο που δημιουργήθηκε είναι αρκετά περίπλοκο και οι συνδέσεις που χρησιμοποιεί έχουν πάντα την ίδια παράμετρο καθυστέρησης. Είναι δυνατόν να δημιουργηθούν τύποι για τις συνδέσεις (που ονομάζονται κανάλια) παρομοίως σε απλά modules. Θα πρέπει να δημιουργηθεί ένας τύπος καναλιού, το οποίο θα καθορίζει την παράμετρο καθυστέρησης και θα χρησιμοποιηθεί για όλες τις συνδέσεις αυτού του είδους- στο δίκτυο. Έχει οριστεί ο νέος τύπος του καναλιού μέσα στον ορισμό του δικτύου με την προσθήκη ενός τύπους ενότητα. Ο ορισμός αυτός του τύπου είναι ορατός μόνο μέσα στο δίκτυο. Καλείται ως local or inner type. Μπορεί να χρησιμοποιηθούν απλές modules ως εσωτερικές. Δημιουργείται κανάλι με ειδίκευση την ενσωματωμένη εντολή DelayChannel. Τα κανάλια Built-in μπορεί να βρεθούν στο εσωτερικό του ned package. Αυτός είναι ο λόγος που χρησιμοποιείται το πλήρες όνομα τύπου ned.delaychannel, μετά την λέξη κλειδί επεκτείνεται. Τώρα γίνεται έλεγχος των αλλαγών των συνδέσεων της ενότητας

143 Προσδιορίστηκε το όνομα του καναλιού μέσα στον ορισμό σύνδεσης. Αυτό επιτρέπει να αλλάξει εύκολα η παράμετρος καθυστέρησης για ολόκληρο το δίκτυο. Καθορισμός κατηγορίας μηνύματος Σε αυτό το στάδιο η διεύθυνση προορισμού δεν είναι πλέον ενσωματωμένη στον κόμβο tic[3], άρα θα πλοηγηθεί σε ένα τυχαίο προορισμό, και θα προσθέσει τη διεύθυνση προορισμού στο μήνυμα. Ο καλύτερος τρόπος είναι στην υποκατηγορία cmessage να προστεθεί ο προορισμός ως μέλος των δεδομένων. Η χειρονακτική κωδικοποίηση της κλάσης μηνύματος είναι συνήθως επίπονη, διότι περιέχει πολλά στερεότυπα κώδικα, έτσι το -131-

144 OMNeT++ δημιουργεί την εργασία/πρόγραμμα. Η προδιαγραφή της τάξης του μηνύματος βρίσκεται στο tictoc13.msg: Το makefile έχει ρυθμιστεί έτσι ώστε να γίνεται επίκληση του μηνύματος compiler, opp_msgc και να δημιουργεί το tictoc13_m.h και το tictoc13_m.cc από τη δήλωση του μηνύματος. Θα περιέχει μια παραγόμενη κατηγορία το TicTocMsg13 subclassed από το cmessage, η class (τάξη) θα έχει κτήτορα και το setter μεθόδους για κάθε τομέα. Θα περιλαμβάνει το tictoc13_m.h σε κώδικα C++, και μπορεί να χρησιμοποιεί το TicTocMsg13 με οποιαδήποτε άλλη κατηγορία. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες γραμμές στο generatemessage() για να δημιουργηθεί το μήνυμα και συμπληρώνονται τα πεδία: Εν συνεχεία, ξεκινά το handlemessage(): -132-

145 Στο επιχείρημα για το handlemessage(), παίρνουμε το μήνυμα στον δείκτη ως cmessage*. Ωστόσο, μπορεί να υπάρξει πρόσβαση μόνο στα πεδία που ορίζονται στο TicTocMsg13. Η C++ προσφέρει μια λύση η οποία ονομάζεται dynamic_cast. Εδώ χρησιμοποιείται η check_and_cast <> (), η οποία παρέχεται από το OMNeT++ και προσπαθεί να ρίξει το δείκτη μέσω του dynamic_cast, και αν αποτύχει να σταματήσει την προσομοίωση με ένα μήνυμα λάθους, παρόμοιο με το ακόλουθο: Πώς μπορεί να ελεγχθεί εάν η διεύθυνση προορισμού είναι η ίδια με τη διεύθυνση του κόμβου; Απάντηση: Η συνάρτηση getindex() επιστρέφει το δείκτη της μονάδας στον φορέα submodule. Για να εκτελέσει το μοντέλο περισσότερο από ένα μήνυμα, όταν φτάσει στον προορισμό του (το μήνυμα), ο κόμβος προορισμού θα δημιουργήσει ένα άλλο μήνυμα με μια τυχαία διεύθυνση προορισμού, και ούτω καθεξής. Άρα παρακάτω περιγράφεται ο καθορισμός κατηγορίας μηνύματος -133-

146 Με διπλό κλικ τα μηνύματα ανοίγουν. Το παράθυρο επιθεώρησης εμφανίζει πολλές χρήσιμες πληροφορίες, και τα πεδία του μηνύματος εμφανίζονται στη σελίδα περιεχομένων. Μέρος Β -134-

147 Εμφάνιση του αριθμού των πακέτων που αποστέλλονται / παραλαμβάνονται Για την εμφάνιση του αριθμού των πακέτων που αποστέλλονται / παραλαμβάνονται, πρέπει να παρθεί μια γενική εικόνα κατά το χρόνο εκτέλεσης του αριθμού των μηνυμάτων που αποστέλλονται ή λαμβάνονται από κάθε κόμβο. Αυτό επιτυγχάνεται με την πρόσθεση δύο μετρητών στο module: τον numsent και τον numreceived. Καθορίζοντας το ρολόι στο μηδέν με την μέθοδο initialize() μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί το Find/inspect και άλλα αντικείμενα διαλόγου (Inspect menu, στη γραμμή εργαλείων) για να γνωστοποιηθεί ο αριθμός των πακέτων που εστάλησαν ή λαμβάνονται από τους διάφορους κόμβους

148 Παρατηρώντας τα αποτελέσματα, τι μπορούμε να συμπεράνουμε για το συγκεκριμένο μοντέλο προσομοίωσης; Απάντηση: Είναι αλήθεια ότι σε αυτό το μοντέλο προσομοίωσης οι αριθμοί είναι περίπου ίδιοι, ώστε να φανεί από αυτούς και μόνο ότι το intuniform() λειτουργεί σωστά. Αλλά στην πραγματικότητα μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο το γεγονός ότι μπορεί να παρθεί γρήγορα μια γενική εικόνα για την κατάσταση των διαφόρων κόμβων στο εν λόγω μοντέλο προσομοίωσης. Μπορεί επίσης να κανονιστεί αυτή η πληροφορία να εμφανίζεται πάνω στα εικονίδια της module. Η ετικέτα t της οθόνης καθορίζει το κείμενο συμβολοσειρών που χρειάζεται για την τροποποίηση και εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης. Ο κώδικας που ακολουθεί κάνει την παραπάνω εργασία: -136-

149 Τρέξτε το πρόγραμμα και εμφανίστε το αποτέλεσμα της συγκεκριμένης προσομοίωσης που δείχνει τον αριθμών των πακέτων που αποστέλλονται και παραλαμβάνονται στο παρόν δίκτυο. Απάντηση: -137-

150 Μέρος Γ Προσθήκη της συλλογής στατιστικών στοιχείων Ο βασικός κορμός της προσομοίωσης OMNET++ μπορεί να καταγράψει ένα λεπτομερές αρχείο καταγραφής για ανταλλαγές μηνυμάτων αυτόματα κατά τον καθορισμό της. Γίνεται επιλογή της ρύθμισης παραμέτρων στο αρχείο omnetpp.ini. Αυτό το αρχείο καταγραφής μπορεί να εμφανιστεί αργότερα από τον IDE. Το αρχείο καταγραφής μπορεί να είναι αρκετά μεγάλο, έτσι ώστε να ενεργοποιηθεί αυτή η δυνατότητα μόνο αν χρειάζεται πραγματικά. Το προηγούμενο μοντέλο προσομοίωσης κάνει κάτι αρκετά ενδιαφέρον, ώστε να συλλεχτούν κάποια στατιστικά στοιχεία. Για παράδειγμα, μπορεί να δώσει το μέσο αριθμό hop ενός μηνύματος πριν φτάσει στον προορισμό του

151 Καταγράφονται οι διάφορες καταστάσεις του κάθε μηνύματος κατά την άφιξή τους σε ένα διάνυσμα εξόδου (μια ακολουθία ζευγών χρόνου/αξία, δηλαδή ένα είδος χρονοσειράς). Μπορεί επίσης να υπολογιστεί η μέση τιμή, η τυπική απόκλιση, οι ελάχιστες και οι μέγιστες τιμές ανά κόμβο, και να γράφουν σε ένα αρχείο στο τέλος της προσομοίωσης. Στη συνέχεια, θα χρησιμοποιηθούν τα εργαλεία του OMNeT++ IDE για να αναλυθούν τα αρχεία εξόδου. Γι αυτό, προστίθεται ένα αντικείμενο διανύσματος εξόδου (το οποίο θα καταγράφει τα δεδομένα σε Tictoc15-0.vec) και ένα αντικείμενο ιστογράμματος (το οποίο υπολογίζει επίσης μέση, κλπ) στην κατηγορία. Όταν ένα μήνυμα φτάσει στον κόμβο προορισμού, ενημερώνουμε τα στατιστικά στοιχεία. Ο παρακάτω κώδικας προστίθεται στο handlemessage (). Η κλήση hopcountvector.record() γράφει τα δεδομένα στο Tictoc15-0.vec. Σε ένα μεγάλο μοντέλο προσομοίωσης ή σε μεγάλο χρονικό διάστημα εκτέλεσης, το αρχείο Tictoc15-0.vec μπορεί να αυξηθεί πάρα πολύ. Για να χειριστεί αυτή η κατάσταση, μπορεί να ενεργοποιηθεί / απενεργοποιηθεί ο ειδικός φορέας του omnetpp.ini, και μπορεί επίσης να καθοριστεί ένα χρονικό διάστημα προσομοίωσης το οποίο θα είναι ενδιαφέρον (τα δεδομένα που καταγράφονται έξω από αυτό το διάστημα θα πρέπει να απορρίπτονται.) -139-

152 Όταν ξεκινά μια νέα προσομοίωση, το υπάρχον αρχείο Tictoc15-0.vec/sca διαγράφεται. Τα κλιμακωτά στοιχεία/δεδομένα που συλλέχθηκαν (από το αντικείμενο ιστογράμματος στην παρούσα προσομοίωση) πρέπει να καταγράφονται σε χαρτί, στη λειτουργία finish(). Η λειτουργίας αυτή παίρνει επίκληση για την επιτυχή ολοκλήρωση της προσομοίωσης, δηλαδή όχι όταν έχει σταματήσει με ένα λάθος. Οι κλήσεις recordscalar() στον παρακάτω κώδικα γράφουν το αρχείο Tictoc15-0.sca. Τα δεδομένα της προσομοίωσης, φαίνονται στην module inspector's Contents, στα αντικείμενα hopcountstats και hopcountvector, και μπορούν να ανοίξουν τα inspectors (με διπλό κλικ). Κατά την εκτέλεση της προσομοίωσης σε Fast (ή ακόμα και σε Express) θα αρκετός χρόνος για να εμφανιστούν αρκετά στοιχεία. Μετά από λίγο θα φανούν οι παρακάτω οθόνες. Όταν συλλεχθούν αρκετά δεδομένα, μπορεί να σταματήσει η προσομοίωση και στη συνέχεια θα αναλυθούν τα αποτέλεσμα στα αρχεία (Tictoc15-0.vec και Tictoc15-0.sca) σε λειτουργίας off-line. Θα πρέπει να γίνει επιλογή από το μενού για Simulate Call finish() (ή κλικ στο αντίστοιχο κουμπί της γραμμής εργαλείων) πριν από την έξοδο, αυτό θα προκαλέσει finish() στις λειτουργίες για την κίνηση και τα δεδομένα θα γραφτούν στο Tictoc15-0.sca

153 -141-

154 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Γενικά, ο το OMNET++ είναι ένας αντικειμενοστραφής προσομοιωτής διακεκριμένων γεγονότων (Discrete Event Simulator DES). Διαθέτει μια «γενική» αρχιτεκτονική έτσι ώστε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση οποιουδήποτε συστήματος για το οποίο είναι κατάλληλη η προσέγγιση των διακεκριμένων γεγονότων και το οποίο μπορεί να αντιστοιχηθεί σε οντότητες που επικοινωνούν μεταξύ τους ανταλλάσοντας μηνύματα. Για τις απεικονίσεις ενεργής προσομοίωσης χρησιμοποιείται φαινόμενο διασποράς (fading), με τον τρόπο αυτό προστίθεται και κάποια τυχαιότητα στην επικοινωνία, γεγονός που καταδεικνύεται από την απεικόνιση. Πάνω από κάθε κόμβο αναγράφεται ο αριθμός μηνυμάτων που απέστειλε επιτυχώς και ο συνολικός αριθμός που έχει στείλει μέχρι αυτή τη στιγμή. Ο διαφορετικός χρωματισμός αποδίδει την υπεροχή της αποστολής έναντι της απόρριψης μηνυμάτων. Τέλος υπάρχει η δυνατότητα παράθεσης του κυρίως περιβάλλοντος, όπου διακρίνονται οι αναφορές της προσομοίωσης, τα μηνύματα και οι μονάδες με τις παραμέτρους τους. Υπάρχουν πολλές κλάσεις για τη συλλογή και αποθήκευση στατιστικών αποτελεσμάτων όπως η cstddev, η cweightedstddev, η LongHistogram κτλ. Κάθε μία έχει την δικιά της χρησιμότητα και τις δικές της μεθόδους για να συλλέγει δεδομένα όπως η συνάρτηση collect(). Τα αντικείμενα του τύπου coutvector είναι υπεύθυνα για την καταγραφή χρονοσειρών δεδομένων, δηλαδή ζευγάρια που αποτελούνται από μια τιμή και μια χρονοσφραγίδα. Με την συνάρτηση record() γίνεται η καταγραφή. Συνήθως δηλώνεται το coutvector σαν μέλος της κλάσης του module, αρχικοποιείται στην initialize() και γίνεται καταγραφή με το record() στην handlemessage(). 5.8 ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ (SIGNAL ENCODING) Κωδικοποίηση Σημάτων (Signal Encoding) Σύστημα επικοινωνιών -142-

155 Τύποι Συστημάτων Αναλογικές ή ψηφιακές πληροφορίες Φωνή ή δεδομένα Αναλογικό ή ψηφιακό σήμα μετάδοσης Τεχνικές Κωδικοποίησης και Διαμόρφωσης Ψηφιακές πληροφορίες Ψηφιακό Σήμα Γενικά ο εξοπλισμός για τη μετάδοση ψηφιακών πληροφοριών μέσω ψηφιακών σημάτων είναι πιο απλός και πιο οικονομικός. Ψηφιακά σήματα έχουν το πλεονέκτημα ότι οι αναμεταδότες μπορούν να αποκωδικοποιήσουν το σήμα και να αφαιρέσουν τυχόν θόρυβο. Ρυθμός μετάδοσης Ρυθμός μετάδοσης συμβόλων (baud rate symbols per second or pulses per second). Κωδικοποίηση Απόλυτη κωδικοποίηση (το σήμα αντιπροσωπεύει τα δεδομένα) -143-

156 Διαφορική κωδικοποίηση (το σήμα αντιπροσωπεύει «αλλαγές» στα δεδομένα) Μονοπολική (unipolar) ή διπολική κωδικοποίηση (bipolar) Μονοπολική: Το σήμα εναλλάσσεται μεταξύ θετικής τιμής και μηδέν. Διπολική: Το σήμα εναλλάσσεται μεταξύ θετικών και αρνητικών τιμών Η μέθοδος μη επαναφοράς στο μηδέν (NRZ : Non Return to Zero): αποτελεί την κλασική μέθοδο μονοπολικής κωδικοποίησης, στην οποία το λογικό μηδέν αναπαρίσταται από τη μηδενική στάθμη, και το λογικό ένα από την υψηλότερη στάθμη. Παράδειγμα αυτής της μεθόδου φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα (το οποίο αφορά την κωδικοποίηση του byte με τιμή , χρησιμοποιώντας τα 0 Volts για το 0, και τα +5 Volts για το 1) : Non-Return to Zero (NRZ-L) 1= χαμηλή στάθμη (0 volt), 0= υψηλή στάθμη (5 volt) Non-Return to Zero, Invert on one (NRZI) 1= μετάβαση (transition) στην αρχή του παλμού, 0=μη μετάβαση Η μέθοδος της διπολικής επαναφοράς στο μηδέν (BRZ : Bipolar Return to Zero) : είναι μια από τις διπολικές μεθόδους κωδικοποίησης σύμφωνα με την οποία το λογικό μηδέν παριστάνεται από τη στάθμη που είναι χαμηλότερη της μηδενικής (δηλαδή την -144-

157 αρνητική), ενώ το λογικό ένα παριστάνεται από τη στάθμη που είναι υψηλότερη της μηδενικής (δηλαδή της θετικής). Οι στάθμες αυτές διαρκούν μόνο για χρονικό διάστημα ίσο με το μισό του χρόνου μετάδοσης του δυαδικού ψηφίου, ενώ στη συνέχεια το κανάλι επιστρέφει στη μηδενική στάθμη. Παράδειγμα αυτής της μεθόδου φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα ( το οποίο αφορά την κωδικοποίηση του byte , χρησιμοποιώντας τα 5 Volts για το 0, και τα +5 Volts για το 1) : ΑΜΙ (Alternate Mark Inversion) Ο κανόνας κωδικοποίησης της ΑΜΙ έχει ως εξής: Το λογικό «1» εμφανίζεται ως παλμός, εναλλάξ θετικός και αρνητικός. Το λογικό «0» χαρακτηρίζεται ως απουσία παλμού, δηλαδή ως μηδενική στάθμη τάσης. Κώδικας Manchester: σε αυτή τη μορφή κωδικοποίησης, ο χρόνος μετάδοσης κάθε δυαδικού ψηφίου, διαιρείται σε δύο ίσα διαστήματα. Ένα δυαδικό ψηφίο με τιμή 1, α- ποστέλλεται έχοντας την υψηλή στάθμη κατά τη διάρκεια του πρώτου διαστήματος, και τη χαμηλή στάθμη κατά τη διάρκεια του δεύτερου διαστήματος. Ένα δυαδικό ψηφίο με τιμή 0, αποστέλλεται ανάποδα, δηλαδή, χρησιμοποιείται πρώτα η χαμηλή στάθμη, και μετά η υψηλή. Αυτό το σχήμα εξασφαλίζει ότι ο χρόνος μετάδοσης κάθε δυαδικού ψηφίου, έχει μια μεταβολή κατάστασης στο μέσο (δηλαδή εναλλαγή της τάσης), διευκολύνοντας τον αποδέκτη να συγχρονιστεί με τον αποστολέα. Ένα μειονέκτημα αυτής της κωδικοποίησης, είναι ότι απαιτεί διπλάσιο εύρος ζώνης σε σχέση με τη συνήθη δυαδική κωδικοποίηση, διότι οι παλμοί έχουν το μισό πλάτος. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται η κωδικοποίηση κατά Manchester του byte με τιμή χρησιμοποιώντας τα - 5 Volts για το 0, και τα +5 Volts για το

158 ΕΡΩΤΗΣΗ 1 Έστω ότι έχουμε τη δυαδική ακολουθία Να σχεδιασθούν οι κυματομορφές για τις παρακάτω μορφοποιήσεις κωδικοποίησης: 1. Μονοπολική μη επαναφορά στο μηδέν-nrz 2. Διπολική επαναφορά στο μηδέν-rz 3. ΑΜΙ RZ 4. Manchester ΑΠΑΝΤΗΣΗ: -146-

159 ΕΡΩΤΗΣΗ 2 Να εξετάσετε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των παραπάνω τρόπων κωδικοποίησης ως προς την δυνατότητα εξαγωγής πληροφορίας χρήσιμης για τον συγχρονισμό αποστολέα και παραλήπτη. ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Κατά την κωδικοποίηση Unipolar NRZ το μεταδιδόμενο σήμα χαρακτηρίζεται από τη μη ύπαρξη μεταβολών όταν το αρχικό σήμα έχει μακρές ακολουθίες από 0 ή 1. Στις περιπτώσεις αυτές δεν μπορούμε να αποσπάσουμε πληροφορίες συγχρονισμού. Επίσης δεν υπάρχει τρόπος ανίχνευσης σφάλματος κατά την μετάδοση της ακολουθίας. Κατά την κωδικοποίηση Bipolar RZ αντιμετωπίζεται το ζήτημα του συγχρονισμού αποστολέα-παραλήπτη, αλλά επίσης δεν παρέχει την δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων κατά την μετάδοση του σήματος. Κατά την κωδικοποίηση AMI RZ παρέχεται η δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων κατά την μετάδοση του σήματος. Αν ανιχνευθούν δύο διαδοχικοί παλμοί, μη λαμβάνοντας υπόψη τα 0, με την ίδια πολικότητα τότε είναι φανερό ότι υ- πάρχει σφάλμα κατά την μετάδοση. Έχει όμως μειονέκτημα αναφορικά με τον συγχρονισμό στην περίπτωση μακρών ακολουθιών 0 στο αρχικό σήμα οπότε εμποδίζεται η απόσπαση πληροφοριών συγχρονισμού. Κατά την κωδικοποίηση Manchester αντιμετωπίζεται επίσης το ζήτημα του συγχρονισμού, διότι στη μέση κάθε bit έχουμε εναλλαγή του παλμού. Παρουσιάζεται επίσης ανοχή στον θόρυβο κατά την μετάδοση του σήματος. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Μέρος Α Πειραματιστείτε με την ψηφιακή κωδικοποίηση σήματος. Για να πειραματιστείτε με ορισμένα συστήματα κωδικοποίησης σήματος σε ψηφιακόδεδομένα-ψηφιακό σήμα περιβάλλον μπορείτε να εργαστείτε όπως υποδεικνύεται παρακάτω. Τόσο η αναλογική όσο και ψηφιακή πληροφορία μπορεί να κωδικοποιηθεί ως αναλογικά ή ψηφιακά σήματα. Η πραγματική μορφή του σήματος εξαρτάται από την τεχνική -147-

160 κωδικοποίησης και επιλέγεται για να βελτιστοποιήσει τη χρήση του μέσου μετάδοσης, έτσι ώστε να διατηρήσει το εύρος ζώνης ή να ελαχιστοποιηθούν τα σφάλματα. Τα ψηφιακά δεδομένα (δηλαδή δυαδικά) μεταδίδονται και αποκωδικοποιούν κάθε bit δεδομένων σε στοιχεία του σήματος. Στην απλούστερη περίπτωση, υπάρχει μία αντιστοιχία ένα-προς-ένα μεταξύ των δυαδικών ψηφίων και τα στοιχεία του σήματος. Για να βγάλετε εις πέρας την παρούσα εργασία, θα χρησιμοποιήσετε τα ισχυρά εργαλεία προγραμματισμού του MATLAB με πολλές ενσωματωμένες μαθηματικές λειτουργίες του. Διαδικασία και Λεπτομέρειες 1. Μόλις συνδεθείτε, ξεκινήστε MATLAB από ένα παράθυρο xterm. 2. Ανοίξτε ένα νέο Μ-αρχείο από το gui MATLAB. 3. Το παρακάτω δείχνει ένα πρόγραμμα MATLAB που κωδικοποιεί ένα δυαδικό string χρησιμοποιώντας το σύστημα NRZ-L και γραφήματα για το αντίστοιχο σήμα. Πληκτρολογήστε τους κωδικούς αυτούς στο κενό αρχείο και στη συνέχεια α- ποθηκεύσετε το ως NRZ Encoding.m (τα σχόλια δίνονται στον κώδικα με το σύμβολο "%") clear; % init: clears all vars from memory bits=[ ]; numofbits = length(bits); % input string % store no of bits in string samptime = 0.001; % sample time endtime = numofbits-samptime; % required end time for given bit string t = 0:sampTime:endTime; % x-axis (0 to endtime with samptime step) j = 1; bit = 1; % index of the signal vector, s % current bit for i = 0:sampTime:endTime if (floor(i)+1 ~= bit) % checks whether in the same bit bit = bit + 1; end; if (bits(bit) == 0) % sets voltage for bit 0 (+ve) -148-

161 s(j) = 1; else % sets voltage for bit 1 (-ve) s(j) = -1; end; j = j + 1; end; % plots the signal plot(t,s); axis([0 numofbits -3 3]); xlabel('time (s)'); ylabel('voltage'); 4. Συνεχίστε με την εκτέλεση αυτού του προγράμματος από την επιλογή Εκτέλεση από το μενού Debug ή πατώντας το πλήκτρο F5. Το σχήμα παρακάτω δείχνει το πιθανό αποτέλεσμα της συμβολοσειράς εισόδου NRZ-L μορφή κωδικοποίησης -149-

162 5. Αλλάξτε τη σειρά των bit και εκτελέστε ξανά το πρόγραμμα. Παρατηρήστε και προσπαθήστε να κατανοήσετε τη συμπεριφορά. Απάντηση: Εφόσον αλλάζει η σειρά των bit έχουμε αλλαγή πολικότητας στην διάρκεια μετάδοσης του που σημαίνει ότι οι παλμοί που αντιστοιχούν στο συγκεκριμένο bit γίνονται από θετικοί (αρνητικοί), οι αρνητικοί (θετικοί) ενώ αν είναι μηδέν παραμένουν μηδέν. 6. Επιλέξτε οποιαδήποτε bit για να επισημάνετε τα προβλήματα στην αποκωδικοποίηση του σήματος, όπως μια σειρά από bit μονάδες ή μηδενικά. Είναι δυνατόν για ένα σήμα NRZ-L να περιέχουν ένα συστατικό dc; Θα υπάρξει κανένα πρόβλημα με το ρολόι ή τον συγχρονισμό; Απάντηση: Κατά την κωδικοποίηση NRZ-L το μεταδιδόμενο σήμα χαρακτηρίζεται από την μη ύπαρξη μεταβολών όταν το αρχικό σήμα έχει μακρές ακολουθίες από 0 ή 1. Η ε- ναλλάξ εμφάνιση θετικών αρνητικών παλμών εξασφαλίζει την απουσία DC συνιστώσας. Όμως η παρούσα κωδικοποίηση δεν εξασφαλίζει ικανοποιητικό αριθμό μεταβάσεων (ισοδυνάμως δεν εξασφαλίζει ισχυρή φασματική συνιστώσα) όπου να μπορεί να βασιστεί η ανάκτηση του σήματος χρονισμού (ωρολογίου), ιδιαίτερα για τις περιπτώσεις όπου εμφανίζονται μακρές σειρές μηδενικών. Στις περιπτώσεις αυτές δεν μπορούμε να αποσπάσουμε πληροφορίες συγχρονισμού. Επίσης δεν υπάρχει τρόπος ανίχνευσης σφάλματος κατά την μετάδοση της ακολουθίας. 7. Τώρα, προσθέστε την ακόλουθη γραμμή μετά το βρόχο for. Επίσης, τα σχόλια από την πρόταση άξονα axes καθώς και οι τιμές της τάσης μπορεί να διαφέρουν δραματικά. Αυτή η νέα γραμμή προσομοιώνει την εισαγωγή του τυχαίου θορύβου σε ένα σήμα δεδομένων. Έχετε προβλέψει κανένα πρόβλημα στη λήψη του σήματος με NRZ-L; % randn generates an array of random number between (0,1) -150-

163 s = s + 2*randn(size(i)); Απάντηση: Όσον αφορά τη δυνατότητα εντοπισμού σφάλματος εννοούμε ότι για κάθε αλλαγή της πολικότητας σε ένα μόνο bit κάθε φορά που μεταδίδεται η δυαδική ακολουθία της εκφώνησης θα πρέπει να διερευνηθούν τα αποτελέσματα της κάθε κωδικοποίησης. Αν άλλαζε η πολικότητα του ενός μόνο παλμού θα ήταν εφικτή η διαπίστωση σφάλματος στη μετάδοση. Σε ότι αφορά όμως την κωδικοποίηση NRZ-L, δεν παρέχει κανένα μηχανισμό εντοπισμού σφάλματος όπως σημειώθηκε και παραπάνω. 8. Επαναλάβετε τα βήματα 1-7 για ΝRΖΙ κωδικοποίηση χρησιμοποιώντας το παρακάτω % Performs NRZI encoding on a bit string. It assumes each signal element % is 0.5 sec giving 2 bps data rate. clear; bits=[ ]; numofbits = length(bits); samptime = 0.001; % input string % store no of bits in string % sample time endtime = numofbits-samptime; t=0:samptime:10; % required end time for given bit string % x-axis done=0; % flag to assist in voltage inversion j = 1; bit = 1; prevvol = -1; % initial voltage (-ve) for i = 0:sampTime:endTime if (floor(i)+1 ~= bit) % checks whether in the same bit bit = bit + 1; done = 0; end; -151-

164 if (bits(bit) == 0) % Maintains voltage for bit 0 s(j) = prevvol; else if (~done) % Inverts voltage for bit 1 s(j) = -1*prevVol; prevvol = s(j); done = 1; j = j + 1; continue; end; s(j) = s(j-1); % Maintains voltage for a signal element end; j = j + 1; end; % plots the signal plot(t,s); axis([0 numofbits -3 3]); xlabel('time (s)'); ylabel('voltage'); 9. Η μορφή του σήματος για την παραπάνω λίστα θα πρέπει να είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: -152-

165 ΝRΖΙ μορφή κωδικοποίησης 10. Τώρα, επαναλάβετε τα βήματα 1-7 για την Manchester κωδικοποίηση χρησιμοποιώντας το παρακάτω % Performs Manchester encoding on a bit string. It assumes each signal element % is 0.5 sec. clear; % init: clears all vars from memory bits = [ ]; % input string numofbits = length(bits); samptime = 0.001; % store no of bits in string % sample time endtime = numofbits - samptime; % end time t=0:samptime:endtime; % time vector cycle = floor(length(t)/(numofbits-1)); % samples per bit j = 1; -153-

166 halfelem = j + cycle/2; bit = 1; % samples per half bit % tracks the current bit for i=0:samptime:endtime if (floor(i)+1 ~= bit) % check whether in the same bit % if new bit, recalc offset to next bit centre halfelem = j + cycle/2; bit = bit + 1; end; if (bits(bit)== 0) % if bit 0, do high to low transition at bit centre if (j < halfelem) s(j) = 1; else s(j) = -1; end; else % if bit 1, do low to high transition at bit centre if (j < halfelem) s(j) = -1; else s(j) = 1; end; end; j = j + 1; end; % plots the signal plot(t,s); axis([0 numofbits -3 3]); -154-

167 xlabel('time (s)'); ylabel('voltage'); 11. Η μορφή του σήματος για την παραπάνω λίστα θα πρέπει να είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Manchester κωδικοποίηση 12. Ποιο είναι το πρόβλημα με μια τέτοια μορφή σήματος; Απάντηση: Κατά την κωδικοποίηση Manchester ερχόμαστε αντιμέτωποι με το πρόβλημα του συγχρονισμού, καθώς στη μέση κάθε bit έχουμε εναλλαγή παλμού. Επιπλέον, κατά τη μετάδοση του σήματος παρουσιάζεται ανοχή στο θόρυβο

168 13. Μπορείτε να δοκιμάσετε να εφαρμόσετε άλλα συστήματα κωδικοποίησης, όπως η διπολική-ami; Απάντηση: Μπορούν να εφαρμοστούν άλλα συστήματα κωδικοποίησης, όπως είναι το Bipolar-AMI και το Pseudoternary. Bipolar AMI: Το 0 κωδικοποιείται χωρίς σήμα, το 1 κωδικοποιείται σε θετικό/αρνητικό επίπεδο Pseudoternary: Το 1 κωδικοποιείται χωρίς σήμα, το 0 κωδικοποιείται σε θετικό/αρνητικό επίπεδο Πλεονεκτήματα Καλύτερη ικανότητα συγχρονισμού Όχι ύπαρξη DC συνιστώσας Μικρότερο απαιτούμενο εύρος ζώνης Ευκολότερη ανίχνευση λαθών Μειονεκτήματα Μικρότερη αποδοτικότητα από τους NRZ Ανάγκη διάκρισης μεταξύ 3 επιπέδων Απαιτεί ~3 db ισχυρότερο σήμα για ίδιο Bit Error Rate με τους NRZ -156-

169 14. Συνεχίστε τον παρακάτω κώδικα στη Matlab ώστε να σχεδιάσετε psuedoternary σύστημα κωδικοποίησης ( Psuedo Ternary Encoding ). Data= [ ]; j = 1.99 : time = [ ] for (k = 1 : length clcmessage = [ ] data = zeros(1,2*length(message)-1 data (1 : 2 : end) = message i = (1 : 11) time =time i(k), j(k)])] end Απάντηση: signal = [ ] n = length(data) prebit = 1 for t = 1 : 2 : n if (data(t) == 0 signal(t : t+1) = 0 else if (data(t) == 1 &prebit == 1 signal (t : t+1) = 1 prebit = ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ OPNET -157-

170 Συνοπτικά σχετικά με OPNET OPtimised Network Engineering Tools (OPNET) Εργαλείο γενικής χρήσης για διακριτές προσομοιώσεις Αποτέλεσε πρωτότυπο έργο στο MIT Πρωτόκολλα (π.χ. TCP, IP, RIP, OSPF, BGP) Το Riverbed Modeler Academic Edition OPNET παρέχει ένα εικονικό περιβάλλον δικτύου (VNE) το οποίο μοντελοποιεί τη συμπεριφορά των δικτύων, συμπεριλαμβανομένων των routers, switches, τα πρωτόκολλα, τους διακομιστές και μεμονωμένες εφαρμογές. Το VNE αποτελείται από: υλικό (π.χ. σταθμό εργασίας, διακομιστή, διανομέα, διακόπτη, router) και τη σύνδεσή τους τύπους (10BaseT, 100BaseT, PPP-DS1, PPP-DS3) το εικονικό αυτό περιβάλλον επιτρέπει στους διαχειριστές, να εργαστούν πάνω στο δίκτυο και το σύστημα σχεδιασμού για τη αποτελεσματική διάγνωση δύσκολων προβλημάτων, τους δίνει τη δυνατότητα να επικυρώσουν τυχόν αλλαγές πριν τα δίκτυα εφαρμοστούν στην πράξη και επιπλέον αποτελεί λύση σχεδιασμού για μελλοντικά σενάρια, όπως η αύξηση της κίνησης και τυχόν αποτυχίες του δικτύου. Για να δημιουργήσουμε μια προσομοίωση δικτύου ορίζουμε τους κόμβους (υπολογιστές, διακόπτες, δρομολογητές, κλπ) σε ένα δίκτυο, τις συνδέσεις μεταξύ των κόμβων και των εφαρμογών που θα τρέχουν στους κόμβους. Το Riverbed Modeler Academic Edition OPNET αποτελείται από έργα (projects) και σενάρια. Τα σενάρια μπορεί να περιέχουν διαφορετικές εκδόσεις του ίδιου δικτύου ή μοντέλα διαφορετικών δικτύων. Ένα έργο αποτελείται από ένα ή περισσότερα σενάρια δικτύου. Το OPNET είναι ένα εικονικό περιβάλλον για τη μοντελοποίηση, την ανάλυση και την πρόβλεψη των επιδόσεων των υποδομών της τεχνολογίας των πληροφοριών, συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών, τεχνολογίες και servers του δικτύου

171 Μπορείτε να το κατεβάσετε από Άνοίξτε το OPNET software, πηγαίνετε στο File -> Manage Model Files -> Add Model Directory, και επιλέξτε το φάκελο που θέλετε να τοποθετηθεί η «δουλειά» σας. rios Building Topologies Creating Topologies Network Object Model Libraries LAN and Cloud Objects Object Attributes Model Architecture Subnets Creating Traffic Choosing Statistics P roject s and Scena -159-

172 Viewing Results Project Editor Το πρώτο βήμα είναι να καθορίσετε τα ονόματα των έργων και το σενάριο και να επιλέξετε πώς να δημιουργήσετε την τοπολογία. Η τοπολογία του δικτύου μπορεί να δημιουργηθεί ή να φορτωθεί από: Κενό Σενάριο - χτισμένο με το χέρι ACE αρχεία κίνησης (traffic files) αρχεία Διαμόρφωσης συσκευής (device configuration) αρχεία κειμένου αρχεία XML Τοπολογίες Τοπολογίες μπορεί να κατασκευαστεί με το χέρι ή εισάγονται να οικοδομήσουμε με το χέρι: Επιλέξτε κατάλληλο κόμβο και σύνδεση αντικειμένων κόμβους θέση και συνδέσεις Ορίστε τα χαρακτηριστικά του κόμβου και σύνδεση Να φορτώσετε την τοπολογία: Χρησιμοποιήστε το λογισμικό τρίτων για να συγκεντρώσει πληροφορίες για την τοπολογία. Εισαγωγή στο εικονικό περιβάλλον του opnet Επιβεβαιώστε το μοντέλο Διαλέξτε τα αντικείμενα του δικτύου (network objects) Παλέτες αντικείμενων Ένας κατάλογος των διαφόρων συσκευών δικτύου χρηστικά αντικείμενα Απλοποιήστε την εγκατάσταση και τη διαμόρφωση του μοντέλου του δικτύου Πρότυπα μοντέλα Generic συσκευές δικτύου LAN αντικείμενα ένα αντικείμενο δικτύου που αντιπροσωπεύει μια οντότητα LAN -160-

173 Cloud αντικείμενα Αντιπροσωπεύει ένα σύμπλεγμα από δρομολογητές ή πάροχο υπηρεσιών Internet (ISP) Χαρακτηριστικά εισόδους της συσκευής που ελέγχουν τη συμπεριφορά του Η βιβλιοθήκη των αντικειμένων περιέχει: Routers Switches Hubs Workstations Servers Firewalls Printers Load Balancers Ιδιότητες αντικειμένων (attributes) Οι ιδιότητες των συσκευών καθορίζουν την συμπεριφορά τους. Όλα τα αντικείμενα έ- χουν ιδιότητες

174 Πριν από την εκτέλεση μιας προσομοίωσης, επιλέξτε στατιστικά στοιχεία που θα σας βοηθήσουν να απαντήσετε σε ερωτήσεις σχετικά με το δίκτυο. Επίσης να επιλέξετε τα στατιστικά στοιχεία που θα επικυρώσει το μοντέλο του δικτύου σας και να διασφαλίσετε την ακρίβειά τους. Μετά την εκτέλεση επιλέξτε γραφήματα που θα παρουσιάζουν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τρία διαθέσιμα είδη στατιστικών στοιχείων: Παγκόσμια στατιστικά στοιχεία Στατιστικές για τους κόμβους Στατιστικά για τις συνδέσεις Προσομοίωση -162-

175 Αποτελέσματα Μερικές φορές είναι χρήσιμο να μπορείς να δεις πολλά αποτελέσματα σε ένα γράφημα. Αυτό μπορεί εύκολα να γίνει με αυτόν τον προσομοιωτή. Εργαστηριακό Μέρος Ethernet Δίκτυο άμεσης σύνδεσης με έλεγχο προσπέλασης μέσου Σκοπός Αυτή η εργαστηριακή άσκηση έχει σχεδιαστεί για να σας δείξει τη λειτουργία του δικτύου Ethernet. Η προσομοίωση σε αυτή την εργαστηριακή άσκηση θα σας βοηθήσει να εξετάσετε την απόδοση του δικτύου Ethernet για διάφορα σενάρια. Γενικά Το Ethernet αποτελεί ένα λειτουργικό παράδειγμα της γενικότερης τεχνολογίας τοπικών δικτύων πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος σήματος και ανίχνευση συγκρούσεων (carrier sense multiple access with collision detection, CSMA/CD). Το Ethernet είναι ένα δίκτυο πολλαπλής πρόσβασης, που σημαίνει ότι πολλοί κόμβοι στέλνουν και λαμβάνουν πλαίσια μέσω ενός κοινόχρηστου συνδέσμου. Ο όρος ανίχνευση φέροντος σήματος στα αρχικά CSMA/CD σημαίνει ότι όλοι οι κόμβοι μπορούν να διακρίνουν ένα αδρανές από ένα κατειλημμένο μέσο. Ο όρος ανίχνευση συγκρούσεων σημαίνει ότι ο κόμβος παρακολουθεί καθώς μεταδίδει, και μπορεί επομένως να ανιχ

176 νεύσει πότε ένα πλαίσιο το οποίο μεταδίδει έχει παρεμβληθεί (συγκρουστεί) με ένα πλαίσιο που μεταδίδεται από έναν άλλον κόμβο. Το Ethernet θεωρείται ότι είναι ένα 1- επίμονο πρωτόκολλο επειδή ένας προσαρμογέας με πλαίσιο προς αποστολή θα μεταδώσει με πιθανότητα 1 όποτε ελευθερωθεί μια κατειλημμένη γραμμή. Σε αυτή την εργαστηριακή άσκηση θα ρυθμίσετε ένα δίκτυο Ethernet με τριάντα κόμβους που συνδέονται με ομοαξονικό σύνδεσμο σε τοπολογία διαύλου. Ο ομοαξονικός σύνδεσμος λειτουργεί με ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων 10 Mbps. Θα μελετήσετε πώς επηρεάζεται η διεκπεραιωτική ικανότητα του δικτύου από το φόρτο του δικτύου, καθώς και από το μέγεθος των πακέτων. Μέρος 1 ο Δημιουργήστε ένα νέο έργο Για να δημιουργήσετε ένα νέο έργο για το δίκτυο Ethernet: 1. Ξεκινήστε το OPNET Riverbed Modeler Academic Edition ->Επιλέξτε New (Νέο) από το μενού File (Αρχείο). 2. Επιλέξτε Project (Έργο) ->Πατήστε στο ΟΚ ->Δώστε στο έργο το όνομα τα αρχικά σας Ethernet, και στο σενάριο το όνομα Coax ->Πατήστε στο ΟΚ. 3. Στο πλαίσιο διαλόγου Startup Wizard: Initial Topology (Οδηγός εκκίνησης: αρχική τοπολογία), βεβαιωθείτε ότι έχετε επιλέξει Create Empty Scenario (Δημιουργία κε-

177 νού σεναρίου) ->Πατήστε στο Next (Επόμενο) -> Επιλέξτε Office (Γραφείο) από τον κατάλογο Network Scale (Κλίμακα δικτύου) ->Πατήστε στο Next -> Στο πλαίσιο X Span καταχωρήστε την τιμή 200 και στο πλαίσιο Y Span αφήστε την τιμή 100 -> Πατήστε δύο φορές στο Next ->Πατήστε στο ΟΚ. 4. Κλείστε το πλαίσιο διαλόγου Object Palette (Παλέτα αντικειμένων). Μέρος 2 ο Δημιουργήστε το δίκτυο Για να δημιουργήσετε το ομοαξονικό δίκτυο Ethernet: 1. Για να διευθετήσετε το δίκτυο, επιλέξτε Topology (Τοπολογία) ->Rapid Configuration (Γρήγορη διευθέτηση). Από το πτυσσόμενο μενού επιλέξτε Bus (Δίαυλος) και πατήστε στο ΟΚ. 2. Στο πλαίσιο διαλόγου Rapid Configuration πατήστε στο κουμπί Select Models (Επιλογή μοντέλων). Από το πτυσσόμενο μενού Model List (Κατάλογος μοντέλων) επιλέξτε ethcoax και πατήστε στο ΟΚ. 3. Στο πλαίσιο διαλόγου Rapid Configuration, καθορίστε τις παρακάτω οκτώ τιμές και πατήστε στο ΟΚ. 4. Για να διευθετήσετε τον ομοαξονικό δίαυλο, πατήστε με το δεξιό πλήκτρο του ποντικιού στον οριζόντιο σύνδεσμο -> Από το μενού επιλέξτε Advanced Edit Attributes (Προχωρημένη επεξεργασία ιδιοτήτων): -165-

178 1. Πατήστε στην τιμή της ιδιότητας model _ Από το πτυσσόμενο μενού επιλέξτε Edit ->Επιλέξτε το μοντέλο eth_coax_adv. 2. Στην ιδιότητα delay (καθυστέρηση) καταχωρίστε την τιμή 0.05 (καθυστέρηση διάδοσης σε sec/m). 3. Στην ιδιότητα thickness (πάχος) καταχωρίστε την τιμή Πατήστε στο ΟΚ. 5. Έχετε τώρα δημιουργήσει το δίκτυο. Θα πρέπει να μοιάζει με την παρακάτω εικόνα. 6. Φροντίστε να αποθηκεύσετε το έργο σας

179 Μέρος 3 ο Διευθετήστε τους κόμβους του δικτύου Για να διευθετήσετε την κυκλοφορία που παράγεται από τους κόμβους: 1. Πατήστε με το δεξιό πλήκτρο του ποντικιού σε οποιονδήποτε από τους 30 κόμβους -> Πατήστε στην επιλογή Select Similar Nodes (Επιλογή παρόμοιων κόμβων) ώστε να γίνει επιλογή όλων των κόμβων του δικτύου. 2. Πατήστε με το δεξιό πλήκτρο του ποντικιού σε οποιονδήποτε από τους 30 κόμβους ->Πατήστε στην επιλογή Edit Attributes. 3. Ενεργοποιήστε το πλαίσιο ελέγχου Apply Changes to Selected Objects (Εφαρμογή αλλαγών στα επιλεγμένα αντικείμενα). Αυτό είναι σημαντικό ώστε να μη χρειαστεί να διευθετήσετε κάθε κόμβο χωριστά. 4. Πατήστε στο συν (+) δίπλα στην επιλογή Traffic Generation Parameters (Παράμετροι παραγωγής κυκλοφορίας) για να την αναπτύξετε: Αλλάξτε την τιμή της ιδιότητας ON State Time (Χρόνος ενεργού κατάστασης) σε exponential(100) -> Αλλάξτε την τιμή της ιδιότητας OFF State Time σε exponential(0.001). (Σημείωση: τα πακέτα παράγονται μόνο στην ενεργό κατάσταση ON.) -167-

180 5. Πατήστε στο συν (+) δίπλα στην επιλογή Packet Generation Arguments (Ορίσματα παραγωγής πακέτων) για να την αναπτύξετε: 1. Αλλάξτε την τιμή της ιδιότητας Packet Size (Μέγεθος πακέτου) σε constant(1024). 2. Πατήστε με το δεξιό πλήκτρο του ποντικιού στην ιδιότητα Interarrival Time (Χρόνος μεταξύ αφίξεων) και επιλέξτε Promote Attribute to Higher Level (Προβιβασμός ιδιότητας σε υψηλότερο επίπεδο). Αυτό μας επιτρέπει να αποδώσουμε πολλές τιμές στην ιδιότητα Interarrival Time, και έτσι να ελέγξουμε την απόδοση του δικτύου σε διαφορετικές συνθήκες φόρτου εργασίας. 6. Πατήστε στο ΟΚ για να επιστρέψετε στον Επεξεργαστή Έργου. 7. Φροντίστε να αποθηκεύσετε το έργο σας. Μέρος 4 ο -168-

181 Διευθετήστε την προσομοίωση Για να εξετάσετε την απόδοση του δικτύου σε διαφορετικές συνθήκες φόρτου εργασίας, πρέπει να εκτελέσετε την προσομοίωση πολλές φορές αλλάζοντας το φόρτο στο δίκτυο. Υπάρχει ένας εύκολος τρόπος για να γίνει αυτό. Θα καταχωρήσουμε διάφορες τιμές για την ιδιότητα Interarrival Time για την παραγωγή πακέτων. 1. Πατήστε στο κουμπί Configure/Run Simulation (Διευθέτηση/εκτέλεση προσομοίωσης) ->Καταχωρήστε στην ιδιότητα Duration (Διάρκεια) την τιμή Πάνω σε έναν κόμβο του δικτύου πατάω δεξί κλικ κι επιλέγω Select Similar Nodes και στη συνέχεια κάνω δεξί κλικ κι επιλέγω Edit Similar Nodes. 3. Θα πρέπει να εμφανιστεί το πλαίσιο διαλόγου Attributes of Ethcoax_station sites με τις προβιβασμένες ιδιότητες όλων των κόμβων του δικτύου

182 4. Ρυθμίστε εν συνεχεία το πεδίο Traffic Generation Parameters για τους πρώτους 9 κόμβους όπως φαίνεται στην εικόνα που ακολουθεί. 5. Πατήστε στο ΟΚ. Θα παρατηρήσετε τώρα Simulation Configuration ότι το πλήθος εκτελέσεων της ομάδας (Number of runs in set) είναι Αποθηκεύστε το έργο σας. Μέρος 5 ο Επιλέξτε τα στατιστικά στοιχεία Για να επιλέξετε τα στατιστικά στοιχεία που θα συγκεντρωθούν κατά την προσομοίωση: 1. Πατήστε με το δεξιό πλήκτρο του ποντικιού οπουδήποτε στο χώρο εργασίας του έργου (αλλά όχι πάνω σε κόμβο ή σύνδεσμο) και από το αναδυόμενο μενού επιλέξτε Choose Individual DES Statistics (Επιλογή επιμέρους στατιστικών στοιχείων) - >Αναπτύξτε τον κλάδο (ιεραρχία) Global Statistics (Συνολικά στατιστικά στοιχεία). 1. Αναπτύξτε τον κλάδο Traffic Sink (Υποδοχέας κυκλοφορίας) -> Ενεργοποιήστε το πλαίσιο ελέγχου Traffic Received (packets/sec) (Ληφθείσα κυκλοφορία (πακέτα/δευτερόλεπτο)) (φροντίστε να επιλέξετε τα στατιστικά στοιχεία με μονάδα μέτρησης packets/sec)

183 2. Αναπτύξτε τον κλάδο Traffic Source (Πηγή κυκλοφορίας) -> Ενεργοποιήστε το πλαίσιο ελέγχου Traffic Sent (packets/sec) (Αποσταλείσα κυκλοφορία (πακέτα/δευτερόλεπτο)). 3. Πατήστε στο ΟΚ. 2. Για να πάρετε τώρα τη μέση τιμή αυτών των στατιστικών στοιχείων ως βαθμωτή τιμή, με το τέλος κάθε προσομοίωσης: 1. Από το μενού DES επιλέξτε Choose Statistics (Advanced). 2. Κάτω από την επιλογή Global Statistic Probes θα πρέπει να φαίνονται οι α- νιχνεύσεις (probes) Traffic Sent και Traffic Received

184 3. Πατήστε με το δεξιό πλήκτρο του ποντικιού στην ανίχνευση Traffic Received -> Επιλέξτε Edit Attributes. Δώστε στην ιδιότητα scalar data την τιμή enabled ->Δώστε στην ιδιότητα scalar type την τιμή time average (μέσος χρόνος) -> Συγκρίνετε την οθόνη με την παρακάτω εικόνα και πατήστε στο ΟΚ. 4. Επαναλάβετε την παραπάνω διαδικασία για την ανίχνευση Traffic Sent. 5. Από το μενού File του παραθύρου Probe Model επιλέξτε Save (Αποθήκευση) και μετά κλείστε το παράθυρο. 6. Θα βρεθείτε τώρα πίσω στον Επεξεργαστή Έργου. Αποθηκεύστε το έργο σας

185 Μέρος 6 ο Εκτελέστε την προσομοίωση Για να εκτελέσετε την προσομοίωση: 1. Πατήστε στο κουμπί Configure/Run Simulation: ->Βεβαιωθείτε ότι η ιδιότητα Duration έχει τιμή 15 second(s)->πατήστε στο κουμπί Run. Ανάλογα με την ταχύτητα του επεξεργαστή σας, η προσομοίωση μπορεί να χρειαστεί αρκετά λεπτά για να ολοκληρωθεί. 2. Ο προσομοιωτής θα ολοκληρώσει τώρα εννέα εκτελέσεις, μία για κάθε χρόνο μεταξύ αφίξεων της παραγωγής κυκλοφορίας (που αναπαριστούν το φόρτο στο δίκτυο). Παρατηρήστε ότι κάθε επόμενη εκτέλεση διαρκεί περισσότερο επειδή η κυκλοφορία αυξάνεται. 3. Μετά την ολοκλήρωση των εννέα εκτελέσεων, πατήστε στο κουμπί Close (Κλείσιμο). 4. Αποθηκεύστε το έργο σας

186 Μέρος 7 ο Εμφανίστε τα αποτελέσματα Για να δείτε και να αναλύσετε τα αποτελέσματα: Από το μενού DES θα επιλέξετε Results (Αποτελέσματα). Στη συνέχεια επιλέξτε View Results (Προβολή αποτελεσμάτων ). Θα ανοίξει ο Result Browser, και παίρνουμε τα γραφήματα όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες, τόσο για το Traffic Sink, όσο και για το Traffic Source

187 5.10 ΔΙΚΤΥΑ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ Ως Δίκτυα Μεταγωγής μπορεί να θεωρηθούν όλα τα δίκτυα Σημείο προς Σημείο που εφαρμόζουν την τεχνική αποθήκευσης και προώθησης των πακέτων μεταγωγής. Σε ένα τέτοιο δίκτυο για να συνδεθούν δύο απομακρυσμένοι κόμβοι, αναπτύσσονται τεχνικές έμμεσης διασύνδεσης η οποία πραγματοποιείται με τη συνεργασία ενδιάμεσων κόμβων που ονομάζονται μεταγωγείς (switches) ενώ οι σύνδεσμοι που τους συνδέουν ονομάζονται διαμοιρασμένοι σύνδεσμοι. Στα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος εγκαθίσταται φυσική ζεύξη μεταξύ δύο κόμβων. Το κύκλωμα παραμένει ενεργό σε όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας, ακόμα και όταν δεν ανταλλάσσονται δεδομένα. Αν όλα τα δυνατά κυκλώματα δεσμευτούν, δεν θα μπορέσουν να δημιουργηθούν νέες συνδέσεις, ενώ για δημιουργηθεί το φυσικό κύκλωμα, -175-

188 απαιτείται η διαθεσιμότητα πομπού και δέκτη. Τυπικό παράδειγμα αυτή της λειτουργίας είναι το τηλεφωνικό δίκτυο για μεταφορά φωνής. Στα δίκτυα μεταγωγής μηνύματος η πληροφορία οργανώνεται σε ένα μήνυμα με τη διεύθυνση του παραλήπτη και περνώντας από ενδιάμεσους κόμβους μέσα στο δίκτυο, ακολουθώντας τη βέλτιστη, ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου, χρόνου και απόστασης, διαδρομή, καταλήγει στον προορισμό της. Κάθε ενδιάμεσος κόμβος χρησιμοποιεί την τεχνική της αποθήκευσης και προώθησης. Έτσι η πληροφορία φτάνει στον παραλήπτη ακόμα κι αν αυτός δεν είναι άμεσα διαθέσιμος. Στα δίκτυα μεταγωγής πακέτων τα δεδομένα χωρίζονται σε μικρότερα τμήματα που ονομάζονται πακέτα και μπορεί να έχουν μέγεθος από 128 bit μέχρι και 1000 byte. Κάθε πακέτο εκτός από τα δεδομένα έχει και πληροφορίες ελέγχου για τη σωστή δρομολόγησή του και ταξινόμησή του στο δέκτη. Π.χ. διεύθυνση αποστολέα και παραλήπτη, κλπ. Και εδώ χρησιμοποιείται η τεχνική της αποθήκευσης και προώθησης, χωρίς να εγκαθίστανται μόνιμες συνδέσεις ανάμεσα σε πομπό και δέκτη. Αυτή η τεχνική αποδείχτηκε ιδιαίτερα αποδοτική. Υπάρχουν δύο τεχνικές μεταγωγής πακέτου: Στα δίκτυα μεταγωγής με αυτοδύναμα πακέτα κάθε πακέτο αντιμετωπίζεται ανεξάρτητα και δρομολογείται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα ανάλογα με τις συνθήκες που ε- πικρατούν στο δίκτυο. Τυπικό παράδειγμα αυτή της λειτουργίας είναι το Διαδίκτυο. Στα δίκτυα μεταγωγής πακέτων με νοητά κυκλώματα μία ροή δεδομένων δρομολογείται πάντα μέσω των ίδιων μεταγωγέων δημιουργώντας έτσι ένα νοητό κύκλωμα (χωρίς να υπάρχει φυσικό κύκλωμα), η εγκατάσταση του οποίου προηγείται της μεταφοράς των δεδομένων. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της μεταγωγής πακέτου; Πλεονεκτήματα μεταγωγής πακέτου: 1. Καλύτερη αξιοποίηση των τηλεπικοινωνιακών γραμμών. 2. Δυνατότητα μετατροπής ρυθμού δεδομένων. Δηλαδή δύο σταθμοί με διαφορετικές ταχύτητες ανταλλάσουν πακέτα αφού καθένας συνδέεται στον αντίστοιχο κόμβο) -176-

189 3. Στο δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος μπορεί να δημιουργηθεί εμπλοκή κλήσεων. Ενώ στο δίκτυο μεταγωγής πακέτων, δέχεται πακέτα ακόμα και με καθυστέρηση. 4. Μπορεί να εφαρμοστεί σχήμα προτεραιοτήτων. Αν ένας κόμβος έχει ένα αριθμό πακέτων, μπορεί να μεταδώσει πρώτα τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας. Σύγκριση μεταγωγής κυκλώματος και μεταγωγής πακέτου Μεταγωγή κυκλώματος Μεταγωγή πακέτου Δεν χρειάζεται επεξεργασία πακέτων Χρησιμοποιείται για μετάδοση δεδομένων που είναι σποραδική Δεν χρειάζεται αποθήκευση και αποφάσεις δρομολόγησης Επιλέγεται για μετάδοση φωνής και εικόνας Συνδυασμός και των δύο: νέα τεχνολογία που ονομάζεται ATM (Asychronous Transfer Mode) Προσπαθεί να συνδυάσει τα πλεονεκτήματα και των δύο μεθόδων. Έχει εγγυημένη παράδοση των δικτύων μεταγωγής και ευκαμψία των δικτύων μεταγωγής πακέτων. Οι δύο μέθοδοι μεταγωγής πακέτου Αυτοδύναμο Πακέτο Κάθε πακέτο ακολουθεί τον δικό του δρόμο. Η επιλογή του δρόμου εξαρτάται από τον αριθμό των πακέτων. Νοητό κύκλωμα Πριν αρχίσει η ανταλλαγή επιλέγεται η καλύτερη διαδρομή. Αυτή τη διαδρομή ακολουθούν όλα τα πακέτα από την έναρξη έως τον τερματισμό. Δίκτυα Hellaspac

190 Πλεονεκτήματα Αυτοδύναμου πακέτου Καλύτερη αξιοποίηση των φυσικών κυκλωμάτων Πλεονεκτήματα Νοητού κυκλώματος Ταξινομημένη παραλαβή πακέτων, δηλαδή εύκολη, χωρίς καθυστερήσεις μετάδοση και ανασύσταση του μηνύματος. Για λίγα πακέτα συντομότερη παράδοση Ιδανική για μεταδόσεις λίγων πακέτων μικρής διάρκειας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα: το Διαδίκτυο (Internet, TCP/IP) Ο κόμβος δεν χρειάζεται να παίρνει περίπλοκες αποφάσεις δρομολόγησης πακέτων Μειονέκτημα: Μειωμένη αξιοπιστία, αν χαλάσει ένας κόμβος ή αν υπάρξει συμφόρηση δεν μπορεί να γίνει αναδρομολόγηση Μειονέκτημα: Τα πακέτα πρέπει να α- ναδιατάσσονται γιατί μπορεί να φθάσουν στον κόμβο του παραλήπτη με διαφορετική σειρά από αυτή που στάλθηκαν -178-

191 Διαφορετικά δίκτυα με διαφορετικά πρωτόκολλα ΠΑΝΤΑ θα χρειάζεται να επικοινωνούν μεταξύ τους. Εικονικά Κυκλώματα σε Σειρά (Concatenated Virtual Circuits) Διαδικτύωση χωρίς Συνδέσεις (Connectionless Internetworking) Διαφορετικά πρωτόκολλα δρομολόγησης Διαφορετικές διευθύνσεις Λύση: Όλοι να καταλαβαίνουν το ίδιο πρωτόκολλο, IP -179-

192 Σύγκριση Εικονικά κυκλώματα σε σειρά Υπάρχει σύνδεση και κάθε δρομολογητής πρέπει να διατηρεί πίνακες με την κατάσταση κάθε σύνδεσης Δεν υπάρχουν εναλλακτικά μονοπάτια έτσι τα πακέτα παραδίδονται σε σειρά Προκράτηση πόρων και η δυνατότητα παροχή ποιότητας υπηρεσιών Διαδικτύωση χωρίς σύνδεση Κάθε δρομολογητής δεν πρέπει να διατηρεί πίνακες με την κατάσταση κάθε σύνδεσης Υπάρχουν εναλλακτικά μονοπάτια έτσι πακέτα μπορούν να παραδίδονται εκτός σειράς Δύσκολη η παροχή ποιότητας υπηρεσιών Πλαισίωση (Framing) Στο επίπεδο «ζεύξης δεδομένων» δύο υπολογιστές ανταλλάσσουν πλαίσια (frames). Ένα πλαίσιο περιέχει: Διεύθυνση παραλήπτη Δεδομένα Κώδικα ανίχνευσης σφαλμάτων κατά την επικοινωνία Αρχή και τέλος Πρωτόκολλο (προαιρετικό: σε περίπτωση που κάποια μηχανή υποστηρίζει διάφορα πρωτόκολλα) Πλαίσια βασισμένα σε χαρακτήρες (bytes) Binary Synchronous Communication (BISYNC) IBM, 1960 s Digital Data Communication Message Protocol (DDCMP) Digital Equipment Corporation DECNET. Point-to-Point Protocol (PPP) Binary Synchronous Communication (BISYNC) -180-

193 SYN: Synchronization (χαρακτήρας συγχρονισμού) SOH: Start of Header (αρχή της επικεφαλίδας) STX: Start of Text (Αρχή δεδομένων) ETX: End of Text (Τέλος δεδομένων) CRC: Cyclic Redundancy Check (κώδικας ανίχνευσης σφάλματος) BODY: Πληροφορίες Πλαίσια βασισμένα σε συρμούς ψηφίων (bit streams) High-level Data Link Control (HDLC) BS: Beginning Sequence ES: Ending Sequence Η σειρά μεταδίδεται επίσης και όταν το κανάλι είναι ανενεργό. Παράδειγμα bit-stuffing Πως αντιμετωπίζεται η περίπτωση όπου η σειρά παρουσιάζεται μέσα στα δεδομένα; Ο αποστολέας μόλις στείλει 5 συνεχόμενα 1, (δεδομένου ότι δεν θέλει να στείλει το ES), τότε στέλνει «0» και μετά συνεχίζει με τα υπόλοιπα ψηφία. Ο παραλήπτης, μόλις παραλάβει 5 συνεχόμενα 1, τότε ελέγχει το επόμενο ψηφίο. Εάν είναι «0», τότε υποθέτει ότι αποτελεί bit-stuffing, το αγνοεί και συνεχίζει την λήψη των υπολοίπων ψηφίων. Εάν όμως είναι «1», τότε αντιλαμβάνεται ότι το πλαίσιο είτε έχει τελειώσει είτε υπάρχει κάποιο λάθος και παίρνει το επόμενο ψηφίο. Εάν είναι «0», δηλαδή έχει πάρει , τότε το πλαίσιο έχει τελειώσει. Εάν είναι «1», τότε υπάρχει κάποιο λάθος (7 συνεχόμενα «1»), οπότε ολόκληρο το πλαίσιο απορρίπτεται, και περιμένει το επόμενο που α- ποτελεί την αρχή του επόμενου πλαισίου

194 Πλαίσια βασισμένα σε ρολόι Σύγχρονο Οπτικό Δίκτυο - Synchronous Optical Network (SONET) Το επικρατέστερο πρότυπο για οπτικά δίκτυα μεγάλης απόστασης. Χρησιμοποιείται για την πολυπλεξία πολλών ζεύξεων χαμηλής ταχύτητας σε μία ζεύξη υψηλής ταχύτητας. Ταχύτητες: STS-1: 51.84Mbps STS-48: Mbps Ακέραια πολλαπλάσια του 51.84Mbps Κάθε πλαίσιο διαρκεί 125μs και χρησιμοποιεί κωδικοποίηση NRZ. Για το συγχρονισμό αποστολέα-παραλήπτη, το σήμα αναδεύεται (scrabbled) έτσι ώστε να αποφεύγονται μεγάλες ακολουθίες από 0 ή 1. Πλαίσιο SONET STS-1 2 από τα bytes κάθε επικεφαλίδας αποτελούν κώδικες συγχρονισμού. Δεν υπάρχει ανάγκη για byte-stuffing Ο παραλήπτης περιμένει ότι ο κώδικας συγχρονισμού θα εμφανίζεται περιοδικά κάθε 90 bytes. Πλαισίωση, έλεγχος σφαλμάτων και θόρυβος Υποθέτουμε πως έχουμε πλαίσιο μεγέθους n bits και η πιθανότητα σφάλματος σε ένα bit = p (ανεξάρτητη από την πιθανότητα σφάλματος σε οποιοδήποτε άλλο bit). Πιθανότητα αλάνθαστης μετάδοσης του πλαισίου (1-p)n Όσο μεγαλώνει ένα πλαίσιο, μεγαλώνει και η πιθανότητα σφάλματος! Όσο μικραίνει ένα πλαίσιο αυξάνονται και οι μη ωφέλιμες πληροφορίες (επικεφαλίδες κλπ) που μεταδίδονται -182-

195 Εάν η πιθανότητα λάθους σε ένα πλαίσιο είναι «μικρή» τότε, σε περίπτωση λάθους, ο παραλήπτης μπορεί να ζητήσει επαναμετάδοση του πλαισίου. Σε περίπτωση που η πιθανότητα λάθους σε ένα πλαίσιο είναι «μεγάλη», τότε μπορεί να είναι πιο αποδοτικό να χρησιμοποιείται διόρθωση λαθών (π.χ. Forward error correction code FEC). Αξιόπιστη Μετάδοση (Reliable Transmission) Χρήση πακέτων επαλήθευσης (acknowledgements ACKs) και χρονομέτρων (timers) Ο δέκτης κάθε φορά που παραλαμβάνει ένα πλαίσιο χωρίς σφάλματα τότε στέλνει πακέτο επαλήθευσης στον αποστολέα. Ο αποστολέας συνεχίζει να στέλνει πλαίσια ενόσω λαμβάνει ACKs. Εάν περάσει μια χρονική περίοδος κατά την οποία ο αποστολέας δεν λάβει κανένα ACK, ή αν λάβει αρνητικές επαληθεύσεις NACK (δηλαδή ο δέκτης έλαβε πλαίσια με σφάλματα), ο αποστολέας ξαναστέλνει τα προηγούμενα πλαίσια. Πρωτόκολλα Παύσης και Αναμονής (Stop and Wait Protocols) Ο πομπός στέλνει ένα πλαίσιο και σταμάτα, περιμένοντας επαλήθευση (ACK). Όταν πάρει ACK στέλνει το επόμενο πλαίσιο. Εάν πάρει NACK ή λήξει κάποιο χρονόμετρο, τότε ξαναστέλνει το προηγούμενο πακέτο Μειονέκτημα: Χαμηλή απόδοση. Σπάνια χρησιμοποιείται. Πρωτόκολλα Ολισθαίνοντος Παραθύρου (Sliding Window) -183-

196 Ο αποστολέας διατηρεί ένα παράθυρο με τους αύξοντες αριθμούς όλως των πλαισίων που έχει στείλει και για τα οποία δεν έχει λάβει επαλήθευση. Κάθε φορά που στέλνει καινούργιο πλαίσιο, αυξάνει το άνω όριο του παραθύρου. Κάθε φορά που λαμβάνει επαλήθευση, αυξάνει το κάτω όριο του παραθύρου. Ο παραλήπτης επίσης διατηρεί παράθυρο με τους αύξοντες αριθμούς των πλαισίων που αναμένει Αν πάρει πλαίσιο εκτός παραθύρου, τότε το αγνοεί. Οι αύξοντες αριθμοί επαληθευμένων πλαισίων μπορούν να μπουν στην επικεφαλίδα εξερχόμενων πλαισίων για καλύτερη απόδοση (piggybacking) Παράδειγμα: Πρωτόκολλο Ολισθαίνοντος Παραθύρου με Παράθυρο 1bit Υποθέτουμε ότι ο αύξων αριθμός αποτελείται από 3 bits (δηλαδή 0-7). Οπισθοδρόμηση κατά Ν (Go Back N) -184-

197 Το παράθυρο του παραλήπτη είναι 1 Το παράθυρο του αποστολέα δεν μπορεί να υπερβαίνει το MaxSeqNum Συνεχής αποστολή, καθορισμός timer για κάθε PDU Αναμετάδοση PDU σε περίπτωση σφάλματος, όχι μόνο του ενός αλλά και όλων των υπολοίπων Ο παραλήπτης μπορεί να κάνει λήψη δυο φορές το ίδιο πακέτο Επιλεκτική Επανάληψη (Selective Repeat) Το παράθυρο του παραλήπτη είναι μεγαλύτερο από 1 Το παράθυρο του αποστολέα δεν μπορεί να υπερβαίνει το (MaxSeqNum+1)/2 Αναμετάδοση μόνο του πακέτου που περιέχει σφάλμα. Παραλαβή πακέτων εκτός σειράς. Απαιτείται ένας buffer για σωστή ανακατάταξη πακέτων. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Σε ένα κανάλι μετάδοσης χωρίς σφάλματα και με καθυστέρηση μονόδρομης διάδοσης 320ms και ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 1 Mbit/sec (10 6 bit/sec), γίνεται μετάδοση πλαισίων μεγέθους 512 bytes (1 byte = 8 bits) χρησιμοποιώντας πρωτόκολλο GO-BACK-N με μέγεθος παραθύρου 127. Αν το μέγεθος των κεφαλίδων των πλαισίων και των πλαισίων επιβεβαίωσης (TRANSA=0) θεωρείται αμελητέο, να υπολογισθεί : A. η απόδοση η GBN του πρωτοκόλλου, B. αν το μέγεθος παραθύρου είναι 31, να υπολογισθεί το μέγεθος πλαισίου ώστε να επιτευχθεί η ίδια απόδοση η GBN, -185-