ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙΛΥΣΗ ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΜΟΥ ΠΡΟΣΩΡΙΝΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΣΕ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΟΠΤΙΚΗΣ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΠΑΚΕΤΟΥ ΜΕ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΔΙΑΙΡΕΣΗΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΠΑΠΑΧΡΗΣΤΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ (Α.Μ. 364) ΠΑΡΔΑΛΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ (Α.Μ. 366) ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΠΘ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2012

2 2

3 Ευχαριστίες Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε ιδιαιτέρως τον αναπληρωτή καθηγητή του ΑΠΘ κο Παπαδημητρίου Γεώργιο για την εμπιστοσύνη που μας έδειξε στην ανάθεση της διπλωματικής εργασίας, την άριστη συνεργασία και καθοδήγηση, καθώς και τον υποψήφιο διδάκτορα του ΑΠΘ κο Κυριακόπουλο Κωνσταντίνο, για την πολύτιμη καθοδήγησή του σε κάποια σημεία της εργασίας. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Περίληψη Abstract Οπτικά Δίκτυα Πολυπλεξία Με Διαίρεση Μήκους Κύματος (WDM).9 4. Μετατροπή Μήκους Κύματος Οπτική Μεταγωγή Πακέτου Πλεονεκτήματα Οπτικής Μεταγωγής πακέτου Ανταγωνισμός Πακέτων Στα Δίκτυα Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου Σκοπός και Ανάλυση της Διπλωματικής Εργασίας Η Προσωρινή Αποθήκευση (WCBS) και Παράμετροι Αρχιτεκτονική του Κόμβου Μεταγωγής Οπτικών Πακέτων Ανάλυση και Αριθμητικές Αξιολογήσεις Απώλεια Πακέτων πριν την είσοδο στην Προσωρινή Αποθήκευση Απώλεια Πακέτου κατά τη διάρκεια της Προσωρινής Αποθήκευσης

5 7. Το Πρόγραμμα Προσομοίωσης OMNET Γενικά Δημιουργία και Εκτέλεση μιας Προσομοίωσης Ανάλυση Προσομοίωσης Αποτελέσματα Προσομοίωσης και Συμπεράσματα Επίλογος

6 1. Περίληψη Σε αυτή την εργασία, επιβεβαιώνεται και επικυρώνεται η απόδοση και η αποτελεσματικότητα της νέας σύνθεσης δομής προσωρινής αποθήκευσης, που ορίστηκε ως επιλεκτική εκπομπή μετατρεπόμενου μήκους κύματος (WCBS) και προτάθηκε από τους Ming Cheng, Weisheng Hu, (Member, IEEE), Weiqiang Sun (Member, IEEE), Fangfang Yan, και Hao He στο paper με τίτλο «Wavelength Converted Broadcast- Selective Buffering Contention Resolution in Synchronous WDM OPS Networks». Η νέα αυτή δομή αντιγράφει κάθε πακέτο μετά τη μετατροπή μήκους κύματος σε γραμμές καθυστέρησης και κάνει τη διαχείριση του πακέτου ευέλικτη και αποτελεσματική. Με την επαναδιευθέτηση της ουράς αναμονής των πακέτων, το πακέτο με τη μεγαλύτερη προτεραιότητα μπορεί να φύγει από την προσωρινή αποθήκευση χωρίς να λάβει υπόψη την υπάρχουσα ουρά, κάτι που κάνει την προεκχώρηση εφικτή. Επιπλέον, προσομοιώνεται η κατασκευή μια αρχιτεκτονικής κόμβου Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου (OPS), με χρήση της προτεινόμενης προσωρινής αποθήκευσης (WCBS). Η προσωρινή αποθήκευση WCBS βελτιώνει αποτελεσματικά την απόδοση των πακέτων υψηλής προτεραιότητας, ειδικά όταν ο φόρτος πακέτων υψηλής προτεραιότητας είναι χαμηλός. Αρχικά, γίνεται μια θεωρητική ανάλυση σχετικά με τα Οπτικά Δίκτυα, την Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος, τη Μετατροπή Μήκους Κύματος και την Οπτική Μεταγωγή Πακέτου. Ακολουθεί ο σκοπός και η ανάλυση της διπλωματικής εργασίας, μια εισαγωγή στο πρόγραμμα προσομοίωσης OMNET++ καθώς και η ανάλυση της προσομοίωσης που έγινε. Τέλος, δίνονται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της διεξαχθείσας προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της προσομοίωσης ταυτίστηκαν πλήρως με αυτά των συγγραφέων του [1]. Λέξεις Κλειδιά: προσομοίωση, προσωρινή αποθήκευση, πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος, ανταγωνισμός πακέτων, γραμμή καθυστέρησης (FDL), οπτική μεταγωγή πακέτου, προεκχώρηση, μετατροπή μήκους κύματος 6

7 Abstract In this project, we confirm the efficiency of the new composed buffer structure, termed as wavelength converted broadcast-selective (WCBS), which was proposed by Ming Cheng, Weisheng Hu, (Member, IEEE), Weiqiang Sun (Member, IEEE), Fangfang Yan, και Hao He in their paper titled «Wavelength Converted Broadcast-Selective Buffering Contention Resolution in Synchronous WDM OPS Networks». This new stucture copies each packet after conversion to all fiber delay lines, and makes the packet management flexible and efficient. By rearranging the packet waiting queue, the highest priority packet can leave the buffer without considering the existing queue, which makes preemption possible. Moreover, we simulate an OPS node architecture, employing the as-proposed WCBS buffer in output-buffered pattern. The WCBS improves the performance of high priority packets effectively, especially when the high priority packet load is low. In the beginning, a theoretical analysis is given, concerning Optical Networks, Wavelength Conversion, Wavelength Division Multiplexing and Optical Packet Switching. Therefore, we analyze the purpose of our project, we give a small introduction into the simulation program OMNET ++ and we analyze the simulation that was conducted. The results and conclusion of our simulation were approximately the same with the results of the writers of [1]. Index Terms: simulation, buffer, wavelength division multiplexing, contention resolution, fiber delay line (FDL), optical packet switching, preemption, wavelength conversion. 7

8 2. Οπτικά Δίκτυα Οι εξελίξεις που έχουν δρομολογηθεί τις τελευταίες δεκαετίες στο πεδίο της τεχνολογίας αλλά και των τηλεπικοινωνιών συντέλεσαν καθοριστικά στο να χαρακτηρισθεί η σύγχρονη κοινωνία ως κοινωνία της πληροφορίας. Βασικό χαρακτηριστικό της ζωής του σύγχρονου ανθρώπου είναι η καθημερινή επαφή του με έναν τεράστιο όγκο πληροφορίας που μπορεί να προέρχεται από το Διαδίκτυο, την τηλεόραση ή ακόμη και την τηλεφωνία. Τα τελευταία χρόνια το Διαδίκτυο (Internet) και ο Παγκόσμιος Ιστός (World Wide Web) γνωρίζουν εκπληκτική ανάπτυξη σχετικά με τον αριθμό των χρηστών και με τον χρόνο χρήσης. Αυτή η ραγδαία ανάπτυξη δε μπορεί παρά να οδηγεί σε μια τεράστια ανάγκη για αύξηση σε εύρος ζώνης καθώς και μείωση του κόστους του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Σχήμα 1 Παράδειγμα Αρχιτεκτονικής Οπτικού Δικτύου Το παραπάνω ζήτημα φαίνεται να βρίσκει λύση στο πεδίο των τηλεπικοινωνιών οπτικών ινών, δεδομένου ότι η μεταφορά δεδομένων μέσω χάλκινων καλωδίων με ηλεκτρικό σήμα, είτε στη μορφή των ομοαξονικών είτε των δισύρματων καλωδίων, έχει αρχίσει να εξαντλεί τις δυνατότητες της. Με εφαρμογή διαφόρων τεχνικών πολυπλεξίας, όπως η OTDM (Optical Time Division Multiplexing) και η WDM (Wavelength Division Multiplexing) οι ρυθμοί μετάδοσης φτάνουν τις τάξεις των Τbps. 8

9 Οι φωτονικές επικοινωνίες αποτελούν µια ιδιαίτερα πρόσφατη τεχνολογία. Η πορεία τους, που ξεκινά από τα μέσα της δεκαετίας του 60, σημειώνει µία διαρκή πρόοδο σε όλα τα μέτωπα. Η µία εφεύρεση μετά την άλλη προώθησαν τις οπτικές ίνες στη σημερινή τους θέση, ως της επίλεκτης τεχνολογίας για όλα τα συστήματα επικοινωνίας που χρησιμοποιούν σταθερές διαδρομές μήκους πάνω από μερικά μέτρα. Έτσι, μπορούμε να φανταστούμε ότι οι επικοινωνίες στο μέλλον θα βασίζονται στην ύπαρξη σταθερών σημείων που θα επικοινωνούν μεταξύ τους με τη χρήση οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν κάποια αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα ως μέσο μετάδοσης, βασικότερα από τα οποία είναι οι καλύτερες ποιότητες σήματος, η χαμηλή εξασθένιση σήματος και συνεπώς οι χαμηλές απαιτήσεις ισχύος, η ευκολία εγκατάστασης και συντήρησης και τέλος η καλύτερη ασφάλεια που παρέχουν για τη μετάδοση των δεδομένων. 3. Πολυπλεξία με Διαίρεση Μήκους Κύματος (WDM) Ο πιο σύγχρονος και περισσότερα υποσχόμενος τύπος οπτικών δικτύων, είναι τα Οπτικά Δίκτυα Πολυπλεξίας Διαίρεσης Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing WDM). Τα δίκτυα αυτά διαθέτουν τεράστια χωρητικότητα και αναμένεται να αποτελέσουν τα δίκτυα κορμού μέλλοντος για τη μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων. Ο κύριος λόγος για τον οποίο έχει εφαρμοστεί η τεχνολογία της Πολυπλεξίας με Διαίρεση Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM) είναι η καλύτερη δυνατή αξιοποίηση των οπτικών ινών και η μεγιστοποίηση του μεταφερόμενου όγκου δεδομένων μέσα από μια ίνα. Η τεχνολογία αυτή συνίσταται στην πολυπλεξία οπτικών σημάτων με διαφορετικά μήκη κύματος και την μετάδοση τους μέσα από μια μόνο οπτική ίνα. 9

10 Σχήμα 2 Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος(WDM) Η βασική ιδέα πάνω στην οποία στηρίζεται η Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος είναι η εξής: σε κάθε οπτική ίνα το οπτικό σήμα που διαδίδεται έχει μια συγκεκριμένη φέρουσα συχνότητα. Είναι δυνατόν από την ίδια ίνα να περάσουν περισσότερα του ενός διαφορετικά σήματα διαφορετικής συχνότητας ή αλλιώς διαφορετικού μήκους κύματος, που το καθένα να μεταφέρει διαφορετικά δεδομένα. Έτσι, σε ένα σύστημα WDM, ένα πλήθος διαφορετικών σημάτων μεταφέρονται υπό τη μορφή διακριτών μηκών κύματος ή καναλιών μέσω της οπτικής ίνας και αποπολυπλέκονται στο σημείο λήψης. Το πιο προφανές και ξεκάθαρο πλεονέκτημα που προσφέρει η τεχνολογία WDM είναι η δυνατότητά της να παρέχει τεράστια αύξηση (πρακτικά απεριόριστη) της χωρητικότητας μετάδοσης. Η βάση των WDM Δίκτύων Διαίρεσης Μήκους Κύματος είναι η αρχιτεκτονική των κόμβων μεταγωγής Optical Cross-Connects (OXCs). Ο ρόλος ενός OXC είναι να πραγματοποιεί την προώθηση της κίνησης από τις εισόδους του στις ζητούμενες εξόδους του και επίσης να υποστηρίζει την πρόσθεση και τον τερματισμό της κίνησης που ξεκινάει ή προορίζεται για το συγκεκριμένο κόμβο. Ένας κόμβος μεταγωγής OXC με N εισόδους και N εξόδους ικανός να χειρίζεται W μήκη κύματος για κάθε είσοδο είναι ισοδύναμος με W ανεξάρτητους NxN μεταγωγείς. 10

11 Σχήμα 3 Ένας Οπτικός Διασυνδέτης (OXC) Η WDM τεχνολογία, λοιπόν, δίνει τη δυνατότητα να υλοποίηθούν αμιγώς οπτικά δίκτυα με ρυθμούς μετάδοσης της τάξης πολλών gigabits το δευτερόλεπτο. Παρέχονται εγγυήσεις για ταχύτερα, με μεγαλύτερο εύρος ζώνης, και πιο αξιόπιστα, με καλύτερη ποιότητα σήματος δίκτυα επικοινωνιών. Για το λόγο αυτό, τον τελευταίο καιρό έχει αναπτυχθεί μεγάλο ενδιαφέρον για δίκτυα που βασίζονται σε αυτή την τεχνολογία και χρησιμοποιούν δρομολόγηση μήκους κύματος (wavelength routing). Η WDM τεχνολογία παρέχει συμβατότητα μεταξύ του εύρους ζώνης του οπτικού μέσου (οπτική ίνα) και του εύρους ζώνης του τερματικού εξοπλισμού, που απαρτίζεται κυρίως από ηλεκτρονικές διατάξεις. Επιτρέποντας τη μεταφορά πολλαπλών WDM καναλιών πάνω από μια οπτική ίνα, επιτυγχάνεται πλήρης αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης, ενώ παράλληλα τα δομικά στοιχεία των δικτύων WDM είναι ευκολότερο να υλοποιηθούν, καθώς καλούνται να υποστηρίξουν ρυθμούς μετάδοσης ανά κανάλι ίσους με αυτό των ηλεκτρονικών πομποδεκτών. Η χωρητικότητα των WDM δικτύων, όμως, δεν είναι πλήρως εκμεταλλεύσιμη χωρίς να επιλυθούν κάποια συγκεκριμένα θέματα που σχετίζονται µε τις ιδιαιτερότητες και τη φύση των WDM οπτικών δικτύων. Ένα από τα σημαντικότερα είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment RWA), πάνω στο οποίο έχει αναπτυχθεί έντονη ερευνητική δραστηριότητα τα τελευταία χρόνια. Άλλο ένα πολύ σημαντικό θέμα είναι οι εξασθενήσεις που υφίσταται ένα σήμα καθώς μεταδίδεται μέσα στο οπτικό δίκτυο. Όταν λοιπόν κάποιο σήμα διαδίδεται κατά μήκος ενός οπτικού μονοπατιού πέφτει η ποιότητα του εξαιτίας των φυσικών επιδράσεων που δέχεται. 11

12 Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η βασική ιδέα σε ένα WDM σύστημα είναι ότι ένα πλήθος διαφορετικών σημάτων μεταφέρονται υπό τη μορφή διακριτών μηκών κύματος ή καναλιών μέσω της οπτικής ίνας και αποπολυπλέκονται στο σημείο λήψης. Η ολική χωρητικότητα του μέσου είναι το άθροισμα της χωρητικότητας των εισερχόμενων σημάτων, με τη διαφορά ότι καθένα από τα σήματα αυτά μεταφέρεται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι κάθε κανάλι έχει το δικό του, αποκλειστικό, εύρος ζώνης, δηλαδή μπορεί να επιτευχθεί τεράστια αύξηση της χωρητικότητας μετάδοσης. Η WDM αποτελεί μια αρχιτεκτονική που διέπεται από τρεις βασικές αρχές, τη διαφάνεια (transparency) - που επιτυγχάνεται η διασύνδεση διαφόρων υπηρεσιών μέσω του κοινού φυσικού μέσου, την κλιμάκωση (scalability) - που επιτυγχάνεται η καλύτερη δυνατή αξιοποίηση της οπτικής ίνας, ειδικότερα σε επίπεδο, μητροπολιτικών και επιχειρησιακών δικτύων, και της δυναμικής παροχής εύρους ζώνης (dynamic provisioning) - όπου δίνεται η δυνατότητα παροχής υπηρεσιών υψηλών ταχυτήτων για ικανοποίηση αναγκών των χρηστών μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα. Βασικό πυλώνα στο μηχανισμό μετάδοσης αποτελεί το μονοπάτι φωτός (lightpath). Ένα μήνυμα αποστέλλεται από έναν κόμβο σε κάποιο άλλο χρησιμοποιώντας μια συνεχόμενη διαδρομή, χωρίς να απαιτείται κάποια οπτική-ηλεκτρονική-οπτική μετατροπή και αποθήκευση (buffering) στους ενδιάμεσους κόμβους. Αυτή η διαδρομή ονομάζεται μονοπάτι φωτός (lightpath). Ουσιαστικά είναι μία σύνδεση που εγκαθίσταται από έναν κόμβο αφετηρίας σε έναν κόμβο προορισμού. Το μονοπάτι φωτός αποτελείται από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος της οπτικής ίνας εισόδου του κόμβου μεταγωγής, ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος της οπτικής ίνας εξόδου του κόμβου μεταγωγής και τα ενδιάμεσα lightlinks που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία των ενδιάμεσων κόμβων. Αν κανένας κόμβος του δικτύου δεν έχει τη δυνατότητα για μετατροπή μήκους κύματος, τότε το μονοπάτι φωτός θα πρέπει να υπακούει στον περιορισμό της διατήρησης του μήκους κύματος, που υπαγορεύει ότι το μονοπάτι φωτός θα πρέπει να διατηρεί το ίδιο μήκος κύματος κατά μήκος όλων των συνδέσμων από τους οποίους διέρχεται μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό. Ένα μονοπάτι φωτός μπορεί να είναι πλήρως οπτικό ή όχι, ανάλογα με το αν κατά μήκος του μονοπατιού το σήμα μεταδίδεται εξολοκλήρου στον οπτικό τομέα, ή σε κάποιους από τους κόμβους μεταγωγής υφίσταται μετατροπή από οπτικό σε ηλεκτρικό. 12

13 4. Μετατροπή Μήκους Κύματος Σ ένα δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος οι κόμβοι μεταγωγής είναι δυνατό να έχουν μηχανισμούς μετατροπής μήκους κύματος. Σε μια τέτοια περίπτωση ένα οπτικό μονοπάτι μπορεί σε κάθε σύνδεσμό του να έχει διαφορετικό μήκος κύματος. Εάν στο δίκτυο δεν υπάρχουν μηχανισμοί μετατροπής μήκους κύματος, τότε κάθε οπτικό μονοπάτι δεσμεύει το ίδιο μήκος κύματος σε κάθε ενδιάμεσο σύνδεσμο του, από την πηγή ως τον προορισμό της σύνδεσης. Η έλλειψη της δυνατότητας μετατροπής μήκους κύματος στο δίκτυο, αναφέρεται ως περιορισμός συνεχούς μήκους κύματος (wavelength continuity constraint). Η υπεροχή των Δικτύων Δρομολόγησης Μήκους Κύματος είναι, όμως, ότι υποστηρίζουν επαναχρησιμοποίηση μηκών κύματος σε διαφορετικά μέρη του δικτύου. Η ιδιότητα αυτή προσφέρει τη δυνατότητα επέκτασης των δικτύων (scalability) σε μεγάλους αριθμούς χρηστών που εξυπηρετούνται από σχετικά λίγα κανάλια. Σχήμα 4 Παράδειγμα Μετατροπής Μήκους Κύματος Στα WDM οπτικά δίκτυα είναι,επομένως, σημαντική η λειτουργία της μετατροπής μήκους κύματος (wavelength conversion). Το οπτικό σήμα φτάνοντας σε έναν ενδιάμεσο κόμβο από έναν σύνδεσμο εισόδου με μήκος κύματος λ1, είναι δυνατόν κατά την έξοδο του από τον κόμβο, να φύγει με ένα άλλο μήκος κύματος λ2 του συνδέσμου εξόδου, όπου το λ1 είναι διαφορετικό του λ2. Για να γίνει η μετάβαση αυτή από το ένα μήκος κύματος στο άλλο, θα πρέπει ο κόμβος να είναι εφοδιασμένος με έναν μετατροπέα μήκους κύματος που να υποστηρίζει τη μετατροπή από το μήκος κύματος 1 στο μήκος κύματος 2. 13

14 Υπάρχουν διαφορετικά είδη μετατροπής μήκους κύματος. Η πλήρης δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος (full wavelength conversion) σημαίνει ότι κάθε μήκος κύματος εισόδου μπορεί να μετατραπεί σε οποιοδήποτε μήκος κύματος εξόδου. Η περιορισμένη μετατροπή μήκους κύματος (limited wavelength conversion) σημαίνει ότι κάθε μήκος κύματος εισόδου στον μετατροπέα μπορεί να μετατραπεί σε ένα μόνο υποσύνολο μηκών κύματος. Μία ειδική περίπτωση της περιορισμένης μετατροπής είναι η σταθερή μετατροπή μήκους κύματος (fixed wavelength conversion), όπου κάθε μήκος κύματος μπορεί να μετατραπεί σε ακριβώς ένα άλλο μήκος κύματος. Η μετατροπή μήκους κύματος αυξάνει της επιλογές δρομολόγησης για ένα οπτικό μονοπάτι. Όταν δεν υπάρχει δυνατότητα για μετατροπή μήκους κύματος, το μήκος κύματος εισόδου θα πρέπει να είναι το ίδιο με το μήκος κύματος εξόδου. Η μετατροπή μήκους κύματος είναι γενικά μία πολύπλοκη και ακριβή επεξεργασία. Στην περίπτωση που και η μεταγωγή και η ενίσχυση και η μετατροπή μήκους κύματος γίνονται αμιγώς στον οπτικό τομέα, τότε αναφερόμαστε στα αμιγώς οπτικά (all-optical) WDM δίκτυα, που σαν αποτέλεσμα έχουν την εξασφάλιση της διαφάνειας (transparency) της λειτουργίας του δικτύου και τη σημαντική αύξηση της ταχύτητάς του. Αντιθέτως, στην περίπτωση που είναι απαραίτητη η οπτοηλεκτρονική μετατροπή μέσα στο δίκτυο, η καθυστέρηση οφείλεται περισσότερο στην επεξεργασία του σήματος στους ενδιάμεσους κόμβους, όπου και γίνεται η μετατροπή, και λιγότερο στην ίδια τη μετάδοση του σήματος. Υπάρχει μια στενή συσχέτιση του αριθμού των μεταγωγών που απαιτούνται για τη δρομολόγηση και της δυνατότητας για μετατροπή του μήκους κύματος που διαθέτουν οι κόμβοι του δικτύου. Στη γενική περίπτωση, ένας ορισμένος βαθμός μετατροπής μπορεί να επιτευχθεί με έναν κατάλληλο συνδυασμό από μεταγωγείς και μετατροπείς μήκους κύματος. Αποτελέσματα ερευνών έχουν δείξει ότι γενικά δεν υπάρχει πολύ μεγαλύτερο κέρδος όταν χρησιμοποιείται πλήρης μετατροπή μήκους κύματος στους κόμβους ενός δικτύου. Έτσι λοιπόν η περιορισμένη μετατροπή μήκους κύματος δίνει τη δυνατότητα να περιορίσει τον αριθμό των μεταγωγών, να μειώσει τον αριθμό των μετατροπέων μήκους κύματος σε σχέση με την πλήρη μετατροπή μήκους κύματος και συνεπώς να μειωθεί και το κόστος της υλοποίησης. Αξίζει να σημειωθεί ότι έστω και η περιορισμένη χρήση της μετατροπής μήκους κύματος αυξάνει το κόστος υλοποίησης, τις απαιτήσεις του δικτύου σε υλικό και την πολυπλοκότητα υπολογισμού σε σχέση με την περίπτωση όπου δεν υπάρχει καθόλου μετατροπή μήκους κύματος. 14

15 5. Οπτική Μεταγωγή Πακέτου Όπως είναι γνωστό, ο αρχικός φορέας μεταφοράς δεδομένων υπήρξε το υπάρχον παγκόσμιο δίκτυο τηλεφωνίας και εν μέρει συνεχίζει να είναι και σήμερα. Η μεταφορά δεδομένων χρησιμοποιώντας τα κλασσικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος έχει δύο βασικά μειονεκτήματα: Η δέσμευση και αποκλειστική χρήση υπολογιστικών πόρων του δικτύου ανά κλήση, σε περιπτώσεις μεταφοράς δεδομένων οδηγεί σε χαμηλή χρήση των πόρων του δικτύου Η μεταγωγή κυκλώματος παρέχει συνδέσεις σταθερού ρυθμού μεταφοράς δεδομένων. Δυο διασυνδεδεμένες διατάξεις πρέπει να χρησιμοποιούν τους ίδιους ρυθμούς κατά τη λήψη και εκπομπή, με αποτέλεσμα να περιορίζεται η ικανότητα υποστήριξης τερματικών σημείων με διαφορετικά χαρακτηριστικά Η εξέλιξη των οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς οδηγεί στην προοπτική για πραγματοποίηση της μεταγωγής πακέτου στο οπτικό επίπεδο. Αυτό σημαίνει δυνατότητα παροχής υπηρεσιών εικονικού κυκλώματος (virtual circuits services) ή αυτοδύναμων πακέτων (datagram services). Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει υπάρξει μια μεγάλη αλλαγή στη μορφή της κίνησης των τηλεπικοινωνιακών δικτύων και κυρίως των Μητροπολιτικών δικτύων (ΜΑΝ). Η αυξανόμενη χρήση του Διαδικτύου, αλλά και άλλων υπηρεσιών, απαιτεί κυρίως τη μεταφορά δεδομένων και λιγότερο φωνής και γι αυτό είναι αναγκαία η εύρεση άλλων τρόπων λειτουργίας των δικτύων, από την κλασική μορφή της μεταγωγής κυκλώματος (circuit switching), η οποία είναι κατάλληλη για συνδέσεις με χαμηλό ρυθμό μετάδοσης και μεγάλη χρονική διάρκεια. Στην περίπτωση όμως των υπηρεσιών διαδικτύου αλλά και γενικά μεταφοράς δεδομένων, η χρησιμοποίηση του δικτύου από ένα χρήστη μπορεί να είναι πολύ μικρής χρονικής διάρκειας αλλά με υψηλές απαιτήσεις στο ρυθμό μετάδοσης πληροφορίας. Στην κατάσταση αυτή τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος είναι ανεπαρκή, αφού δεν γίνεται σωστή εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης και γι αυτό είναι αναγκαία η χρησιμοποίηση δικτύων μεταγωγής πακέτου. Ειδικά στην περίπτωση των Μητροπολιτικών δικτύων υπάρχει και ένα σύνολο από ιδιαιτερότητες οι οποίες ενισχύουν περισσότερο τη χρησιμοποίηση δικτύων μεταγωγής πακέτου και οι οποίες συνοψίζονται ακολούθως: Το κόστος αποτελεί καθοριστικό παράγοντα, λόγω του μικρού μεγέθους το δικτύου 15

16 Συνύπαρξη διαφορετικών clients. Μια πληθώρα πρωτοκόλλων και ρυθμών διάδοσης (Gigabit Ethernet, 10GE, ESCON, Fibre Channel, SDH/SNET, IP, proprietary protocols). Αυτό οφείλεται στα διάφορα προεγκατεστημένα συστήματα αλλά και στην ανάγκη να έχουμε διαφορετικές λύσεις σε διάφορα προβλήματα. Η κυκλοφορία είναι σποραδική και χρονικά ταχύτατα μεταβαλλόμενη και πολλές φορές με την απαίτηση υψηλή ποσότητα πληροφορίας να διακινηθεί σε μικρό χρονικό διάστημα (bursty). Λόγω της μορφής της κίνησης, είναι δυνατόν να εμφανιστούν μεγάλες μεταβολές στην κίνηση του δικτύου ανάλογα με την ώρα της ημέρας και την εποχή. Απρόβλεπτη εμφάνιση κόμβων με μεγάλη κίνηση. Λόγω της μικρής κλίμακας του Μητροπολιτικού δικτύου και της τοπικότητας που έχει, είναι δυνατόν κάποιοι κόμβοι να παρουσιάσουν μεγάλη κίνηση λόγω διάφορων γεγονότων που συμβαίνουν σε μια πόλη (π.χ. συγκεντρώσεις πληθυσμού). Η μεταγωγή πακέτου αποτελεί εξέλιξη της μεταγωγής μηνύματος (message switching). Στη μεταγωγή μηνύματος, η προς μετάδοση πληροφορία οργανώνεται σε μηνύματα. Οι συνομιλούντες σταθμοί «ανταλλάσσουν» μηνύματα, τα οποία παραδίδουν στα όρια του δικτύου. Το δίκτυο αναλαμβάνει την παράδοση κάθε μηνύματος, προωθώντας το από κόμβο σε κόμβο μέχρι τον τελικό παραλήπτη. Η τεχνική αυτή είναι γνωστή και ως «αποθήκευσης και προώθησης» (Store and Forward). Στη μεταγωγή πακέτου ακολουθείται η φιλοσοφία της μεταγωγής μηνύματος, με τη διαφορά ότι εισάγεται τυποποίηση σε ό,τι αφορά τα μήκη μηνυμάτων. Κάθε μήνυμα τεμαχίζεται σε πακέτα σταθερού μήκους, που αποτελούν και τη βασική μονάδα πληροφορίας. Η επιλογή του μήκους των πακέτων αποτελεί μια βασική σχεδιαστική παράμετρο. Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις στη διαδικασία προώθησης των πακέτων: Η μέθοδος των αυτοδύναμων πακέτων (datagrams) Η μέθοδος των νοητών κυκλωμάτων (VC Virtual Circuits) Στην πρώτη περίπτωση, το δίκτυο χειρίζεται κάθε πακέτο ανεξάρτητα. Κάθε αυτοδύναμο πακέτο περιέχει όλη την απαραίτητη πληροφορία, σύμφωνα με το χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο δρομολόγησης, και τα πακέτα μπορούν να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδρομές για να φτάσουν στον κοινό προορισμό τους. Αντίθετα, στην περίπτωση των νοητών κυκλωμάτων, πριν από την αποστολή ενός πακέτου, εγκαθίσταται μια νοητή σύνδεση μεταξύ των δύο άκρων που πρόκειται να επικοινωνήσουν. Υπάρχουν δύο τύποι νοητών συνδέσεων: Οι σταθερές νοητές συνδέσεις (PVCs Permanent Virtual Connections) 16

17 Οι μεταγώγιμες νοητές συνδέσεις (SVCs Switched Virtual Connections) Οι πρώτες μοιάζουν με τις μισθωμένες γραμμές, εξασφαλίζοντας μόνιμη σύνδεση. Αλλαγές στη δομή του δικτύου γίνονται με παρέμβαση του παροχέα των συνδέσεων. Οι δεύτερες μπορούν να θεωρηθούν ως το ανάλογο των τηλεφωνικών κλήσεων. Ο συνδρομητής που καλεί στέλνει ένα ειδικό μήνυμα, το οποίο εγκαθιστά τη σύνδεση μεταξύ των δύο μερών. Με τα εικονικά κυκλώματα, το δίκτυο προσφέρει συνδέσεις που μοιάζουν με μεταγωγής κυκλώματος μεταξύ δύο κόμβων, οι οποίες όμως μπορεί να μη χρησιμοποιούν όλο το διαθέσιμο εύρος ζώνης της γραμμής. Για παράδειγμα, μπορεί οι επιμέρους συνδέσεις να λειτουργούν στα 10 Gbps, ενώ ο ρυθμός μετάδοσης της γραμμής να είναι 100 Gbps για κάθε μήκος κύματος. Για το λόγο αυτό στο δίκτυο πρέπει να υποστηρίζεται και κάποιο είδος πολυπλεξίας χρόνου, ώστε να συνδυάζονται πολλαπλές συνδέσεις στο ρυθμό μετάδοσης. Στους ρυθμούς αυτούς, θα ήταν ευκολότερο η πολυπλεξία να γίνεται σε οπτικό επίπεδο παρά με χρήση ηλεκτρονικών μέσων. Επίσης, ο τύπος της πολυπλεξίας χρόνου μπορεί να είναι σταθερός ή στατιστικός. Τα δίκτυα που υποστηρίζουν στατιστική πολυπλεξία χρόνου ονομάζονται δίκτυα οπτικής μεταγωγής πακέτου. Σχήμα 5 Τεχνική Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου 17

18 Σκοπός είναι η δημιουργία κόμβων μεταγωγής πακέτου με πολύ μεγαλύτερες χωρητικότητες από αυτές που θα μπορούσαν να επιτευχθούν με την ηλεκτρονική μεταγωγή πακέτου. Ένας τέτοιος κόμβος διαβάζει την επικεφαλίδα του εισερχόμενου πακέτου και το κατευθύνει στην κατάλληλη θύρα εξόδου. Είναι δυνατόν, επίσης, να αντικαθιστά την επικεφαλίδα αυτή ώστε να επιτευχθεί η περαιτέρω δρομολόγηση του πακέτου. Ο κόμβος επίσης πρέπει να μπορεί να χειρίζεται τις συγκρούσεις που προκύπτουν όταν δύο πακέτα που προέρχονται από διαφορετικές θύρες εισόδου πρέπει να εξέλθουν από την ίδια θύρα εξόδου ταυτόχρονα. Ιδανικά, όλες οι λειτουργίες εντός του κόμβου πρέπει να εκτελούνται σε οπτικό επίπεδο. Οι λειτουργίες αυτές περιλαμβάνουν τη δρομολόγηση (γνώση της τοπολογίας του δικτύου άρα και της αντίστοιχης θύρας που πρέπει να εξέλθει το κάθε πακέτο), την προώθηση (επεξεργασία και αντικατάσταση επικεφαλίδας), τη μεταγωγή (αποστολή του πακέτου στην κατάλληλη θύρα εξόδου), την καταχώρηση (αποθήκευση των πακέτων που έχουν κοινό προορισμό για την αποφυγή συγκρούσεων), την πολυπλεξία (αφαίρεση των δεδομένων με τελικό προορισμό τον κόμβο και προσθήκη νέων με προορισμούς μετέπειτα κόμβους), το συγχρονισμό των εισερχόμενων πακέτων με το εσωτερικό του ρολόι και την αναγέννηση των σημάτων στην είσοδο, ώστε να μπορεί να γίνει η επεξεργασία τους με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Δυστυχώς όμως οι περιορισμοί που υπάρχουν ακόμα όσον αφορά την επεξεργασία σημάτων σε οπτικό επίπεδο μας αναγκάζουν να χρησιμοποιούμε παραδοσιακά ηλεκτρονικά μέσα για κάποιες από αυτές τις λειτουργίες. Η αδυναμία υλοποίησης οπτικών μνημών άμεσης προσπέλασης αποτελεί τροχοπέδη στην κατασκευή αμιγώς οπτικών διατάξεων. Οι προσωρινές μνήμες (buffers) που έχουν κατασκευαστεί κάνουν χρήση οπτικών γραμμών καθυστέρησης (Optical Delay Lines ODL) που παρουσιάζουν σημαντικές αδυναμίες. Επίσης, διατάξεις επεξεργασίας επικεφαλίδας που βασίζονται σε αρχές συσχέτισης (correlation principles) εντός ενισχυτών ημιαγωγού έχουν κατασκευαστεί, αλλά έχουν σαν μειονέκτημα τον μεγάλο βαθμό πολυπλοκότητας. Αν και στα πρώτα στάδια λειτουργία της, η οπτική τεχνολογία εφαρμόστηκε στην απλή περίπτωση των συνδέσεων σημείο προς σημείο (point-to-point connections), η εισαγωγή της τεχνολογίας πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM), αφού επαναπροσδιόρισε με εντυπωσιακό τρόπο τα δίκτυα κορμού, επεκτείνεται ταχύτατα και στα Μητροπολιτικά δίκτυα, καθώς και τα δίκτυα Ευρείας περιοχής (Wide Area Networks, WAN). Συγχρόνως η γενικότερη εξέλιξη αυτή της «οπτικής επανάστασης», αν και όπως είπαμε ξεκίνησε πρώτιστα ως τεχνολογία φυσικού στρώματος (Layer 1), σήμερα επανακαθορίζει και τα 18

19 ανώτερα στρώματα, Layer 2 και Layer 3 των δικτύων, έτσι ώστε να έχουμε βέλτιστη εκμετάλλευσή της. Τα δυο αυτά γεγονότα, οι αυξημένες δηλαδή ανάγκες για μετάδοση δεδομένων και ευροζωνικών υπηρεσιών και η εισαγωγή της τεχνολογίας WDM, όπως είναι φυσικό, επιβάλουν μια νέου τύπου δικτυακή αρχιτεκτονική και προσθέτουν νέες απαιτήσεις από την τεχνολογία (πολύπλοκα δομικά στοιχεία). Έτσι σταδιακά τα δίκτυα υφίστανται δυο σημαντικές αλλαγές τόσο στη δομή τους, όσο και στις συσκευές που χρησιμοποιούν. Η πρώτη αλλαγή είναι η καθιέρωση της μεταγωγής πακέτου, ως η τεχνολογία που μπορεί να ανταποκριθεί καλύτερα στη μετάδοση δεδομένων αλλά και να κάνει αποτελεσματικότερη εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης και δεύτερον, η εισαγωγή της οπτικής τεχνολογίας, όχι μόνο στη μετάδοση του σήματος, αλλά και στη μεταγωγή του πακέτου, ως αποτέλεσμα του μεγάλου εύρους ζώνης που μπορούν να προσφέρουν και να διαχειριστούν τα οπτικά. Η χρήση, όμως, της οπτικής τεχνολογίας στη μεταγωγή πακέτου έγινε για να καλύψει κάποιες βαθύτερες, από την απλή μετάδοση δεδομένων, ανάγκες για τη λειτουργία των δικτύων. Αυτό καθιστά τους οπτικούς κόμβους υψηλής χωρητικότητας πολύ ελκυστικούς στο να αντικαταστήσουν τους πολύ μεγάλους ηλεκτρονικούς κόμβους, ακόμα και στην περίπτωση που το κάθε κανάλι του δικτύου έχει ρυθμό μετάδοσης περίπου ίδιο με αυτό των ηλεκτρονικών μέσων. Έτσι στο δεύτερο στάδιο της εισαγωγής των οπτικών στα Μητροπολιτικά δίκτυα, η κοινή προσπάθεια όλων είναι η δημιουργία μεταγωγέων με Tb/s χωρητικότητα, ενώ τα ηλεκτρονικά interfaces να περιοριστούν μόνο στην αποφυγή συγκρούσεων ανάμεσα στα πακέτα (contention), καθώς και στο συγχρονισμό των πακέτων μεταξύ τους (synchronisation). Συγχρόνως δοκιμάζονται νέες μορφές πακέτου-επικεφαλίδας οι οποίες θα εκμεταλλεύονται στο μέγιστο τις δυνατότητες των οπτικών. Τέλος, στο τρίτο στάδιο, το οποίο όμως αποτελεί μακροπρόθεσμη λύση, η επιδίωξη είναι να έχουμε αμιγώς οπτικά δίκτυα. Αυτό προϋποθέτει να δημιουργηθούν αμιγώς οπτικά interfaces, η επίλυση των συγκρούσεων των πακέτων (contention) να γίνεται με χρήση οπτικών πόρων και ο «συγχρονισμός» των πακέτων με οπτικά κυκλώματα. Τέλος γίνεται προσπάθεια για απομάκρυνση από την TDM τεχνολογία και σκέψεις για συγχρονισμό των πακέτων με ακρίβεια κλάσματος της διάρκειας του bit. 19

20 5.1 Πλεονεκτήματα Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου Τα πλεονεκτήματα της οπτικής μεταγωγής πακέτου έναντι της μεταγωγής κυκλώματος είναι τα ακόλουθα: Καλύτερη αξιοποίηση των τηλεπικοινωνιακών γραμμών. Στη μεταγωγή κυκλώματος είναι δυνατόν να είναι δεσμευμένη η γραμμή επικοινωνίας (ενώ δεν χρησιμοποιείται) και έτσι η χωρητικότητά της να μένει ανεκμετάλλευτη. Στη μεταγωγή πακέτου η ίδια γραμμή επικοινωνίας χρησιμοποιείται από πακέτα διαφορετικών συνδέσεων Δυνατότητα διαφορετικού ρυθμού δεδομένων. Στη μεταγωγή πακέτου μπορεί να γίνει μετάδοση με το μέγιστο δυνατό ρυθμό ανάλογα με τις δυνατότητες της γραμμής (π.χ. οπτική ίνα) ανάμεσα στους κόμβους Δεν γίνεται εμπλοκή. Στη μεταγωγή κυκλώματος μπορεί να υπάρξει εμπλοκή λόγω μεγάλης κυκλοφορίας, όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα κανάλια. Κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει στη μεταγωγή πακέτου όπου κάθε νέο πακέτο μεταδίδεται στο δίκτυο όσο μεγάλος και αν είναι ο φόρτος κίνησης Δυνατότητα εφαρμογής προτεραιοτήτων. Τα πακέτα μπορούν να χαρακτηριστούν ως μεγαλύτερης προτεραιότητας και να μεταδοθούν πρώτα, ανάλογα με την πληροφορία που μεταφέρουν (π.χ. βίντεο, ήχος) Σχήµα 6 Κόμβος δρομολόγησης σε ένα δίκτυο οπτικής μεταγωγής 20

21 Πολλά από τα πλεονεκτήματα της μεταγωγής πακέτου (ευελιξία, διαμοιρασμός πόρων, ανθεκτικότητα, ανταποκρισιμότητα) έχουν κάποιο κόστος. Το δίκτυο μεταγωγής πακέτου είναι ένα κατανεμημένο σύνολο από κόμβους μεταγωγής πακέτων. Στην ιδανική περίπτωση, όλοι οι κόμβοι μεταγωγής πακέτων θα γνωρίζουν ανά πάσα στιγμή την κατάσταση ολόκληρου του δικτύου. Δυστυχώς, επειδή οι κόμβοι είναι κατανεμημένοι, υπάρχει χρονική καθυστέρηση ανάμεσα σε μια αλλαγή κατάστασης σε ένα τμήμα του δικτύου και στη πληροφόρηση αυτής της αλλαγής κάπου αλλού. Επιπλέον, υπάρχει επιβάρυνση που εμπλέκεται στη μεταδιδόμενη πληροφορία. Ως αποτέλεσμα, ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτου δεν μπορεί να αποδώσει τέλεια. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται περίπλοκοι αλγόριθμοι για την αντιμετώπιση των μειονεκτημάτων της χρονικής καθυστέρησης και τις επιβάρυνσης κατά τη λειτουργία του δικτύου. Συνοπτικά, επομένως, μπορούμε να πούμε ότι η μεταγωγή πακέτου σχεδιάστηκε για να παρέχει μία πιο αποδοτική λειτουργία από τη μεταγωγή κυκλώματος για καταιγιστική κίνηση δεδομένων. Με τη μεταγωγή πακέτου, ένας σταθμός μεταδίδει δεδομένα σε μικρά μπλοκ που ονομάζονται πακέτα. Κάθε πακέτο περιέχει ένα τμήμα των δεδομένων του χρήστη συν πληροφορία ελέγχου που απαιτείται για τη σωστή λειτουργικότητα του δικτύου. Ένα σημαντικό στοιχείο διάκρισης των δικτύων μεταγωγής πακέτων είναι κατά πόσο η εσωτερική λειτουργία βασίζεται σε αυτόνομα πακέτα ή νοητά κυκλώματα. Με εσωτερικά νοητά κυκλώματα,καθορίζεται μία διαδρομή ανάμεσα σε δύο τερματικά σημεία και όλα τα πακέτα για αυτό το νοητό κύκλωμα ακολουθούν την ίδια διαδρομή. Με εσωτερικά αυτόνομα πακέτα, κάθε πακέτο αντιμετωπίζεται ξεχωριστά. Έτσι πακέτα που έχουν τον ίδιο προορισμό είναι δυνατό να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδρομές. Η λειτουργία δρομολόγησης ενός δικτύου μεταγωγής πακέτων προσπαθεί να βρει την διαδρομή με το ελάχιστο κόστος στο δίκτυο, με το κόστος βασισμένο στο αριθμό των αλμάτων, την αναμενόμενη καθυστέρηση ή άλλα μέτρα. Οι προσαρμοστικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης συνήθως βασίζονται στη ανταλλαγή πληροφορίας σχετικά με τις συνθήκες κίνησης ανάμεσα στους κόμβους. 21

22 5.2 Ανταγωνισμός Πακέτων στα Δίκτυα Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου Η σύγκρουση είναι ένα αναπόφευκτο πρόβλημα που κάνει την εμφάνισή του όταν προσπαθούμε να μεγιστοποιήσουμε τη χρήση εύρους ζώνης ενός καναλιού WDM σε δίκτυα μεταγωγής πακέτων. Οποιαδήποτε πρόταση για την επίλυση της σύγκρουσης επηρεάζει έντονα τη συνολική επίδοση του δικτύου. Οι μέθοδοι λύσης σύγκρουσης διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: αποθήκευση (buffering), δρομολόγηση εκτροπής (deflection routing), μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion). Η πρώτη από τις λύσεις, η αποθήκευση, η οποία εκμεταλλεύεται το πεδίο του χρόνου, είναι βασική για τη λύση σύγκρουσης οπτικών πακέτων. Χρησιμοποιείται ευρέως στους σύγχρονους ηλεκτρονικούς δρομολογητές, όπου η σύγκρουση συχνά επιλύεται με μια τεχνική αποθήκευσης προώθησης που καθίσταται δυνατή από τη διαθεσιμότητα της μνήμης τυχαίας προσπέλασης (Random Access Memory - RAM). Οι μνήμες RAM αποτελούν ένα ώριμο τεχνολογικό εργαλείο με πολλά πλεονεκτήματα, όπως μεγάλη χωρητικότητα, μακροπρόθεσμη αποθήκευση, τυχαία προσπέλαση σε αυθαίρετο χρόνο, χαμηλό κόστος, κατάληψη μικρού χώρου, αξιοπιστία, ελεγξιμότητα και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, καθώς η μνήμη RAM είναι πολύ αργή (λιγότερο από 1 GHz), απαιτούμε ακριβές ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ταχύτητας για να χειριστούμε την υψηλή ταχύτητα των οπτικών πακέτων, όπως ανιχνευτές φωτεινής δέσμης (οπτικοοηλεκτρονική μετατροπή), ηλεκτρονικούς αποπολυπλέκτες/πολυπλέκτες και ηλεκτροοπτικούς διαμορφωτές (ηλεκτροοπτική μετατροπή) στις συνδέσεις εισόδου και εξόδου της μνήμης RAM. Δυστυχώς, δεν υπάρχει αμιγώς οπτική μνήμη τυχαίας προσπέλασης. Συνεπώς, η μοναδική εφαρμόσιμη τεχνική για αποθήκευση στο οπτικό πεδίο είναι η χρησιμοποίηση γραμμών καθυστέρησης (Fiber Delay Lines - FDLs). Τα πακέτα που συγκρούονται αποστέλλονται κατά μήκος μιας πρόσθετης ίνας, οπότε καθυστερούνται για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Στο σχήμα 7, απεικονίζεται η βασική λειτουργία: Ένα από τα συγκρουόμενα πακέτα προωθείται απευθείας στην έξοδο 1, ενώ τα υπόλοιπα αποστέλλονται σε διαφορετικού μήκους FDLs (μήκος Τ και 2Τ αντίστοιχα), προτού προωθηθούν και αυτά στη συνέχεια στην ίδια έξοδο. 22

23 Σχήμα 7 Δρομολόγηση με χρήση οπτικών γραμμών καθυστέρησης σε οπτικό κόμβο μεταγωγής πακέτου Η λειτουργία βασίζεται σε ουρές First-in First-out (FIFO) με καθορισμένες καθυστερήσεις. Οι μνήμες γραμμών καθυστέρησης διακρίνονται σε δύο τύπους: ανάδρασης (feedback-based) και τροφοδοσίας προώθησης (feed-forward). Μια μνήμη ανάδρασης αποτελείται κυρίως από μια ίνα βρόχου ανακύκλωσης, ένα διακόπτη 2 2 και έναν οπτικό ενισχυτή που εξισορροπεί τις απώλειες της διαδρομής. Μια μνήμη τροφοδοσίας προώθησης περιλαμβάνει 2 2 στοιχεία διακοπτών πολλαπλών βαθμίδων με γραμμές καθυστέρησης ή ένα διαιρέτη, γραμμές καθυστέρησης, οπτικές πύλες και ένα συζεύκτη εκπομπής και επιλογής (broadcast-and-select type). Μπορεί να παρέχει συγκεκριμένο πλήθος από οπτικές διαδρομές με ξεχωριστά μήκη. Συνεπώς και οι δύο τύποι περιορίζουν το πακέτο σε καθορισμένο μήκος ή πολλαπλάσιο αυτού. Επίσης, οι μνήμες γραμμών καθυστέρησης δε διαθέτουν χαρακτηριστικά της μνήμης RAM. Είναι ογκώδεις, και δεν παρέχουν μεγάλη χωρητικότητα, μακροπρόθεσμη αποθήκευση και τυχαία προσπέλαση σε αυθαίρετο χρόνο. Επίσης, υστερούν λόγω της μεγάλης απώλειας από τα πολλά οπτικά εξαρτήματα (συζεύκτες, κλπ) και της συσσώρευσης θορύβου από τους ενισχυτές στους βρόχους ινών. Αυτό μειώνει την ικανότητα διασύνδεσης πολλαπλών κόμβων (τυπικά κόμβοι στα backbone δίκτυα), επειδή ο θόρυβος υποβαθμίζει την ποιότητα του οπτικού σήματος. Οι μνήμες γραμμών καθυστέρησης απαιτούν, επίσης, πολύπλοκα εξαρτήματα και αλγορίθμους ελέγχου. [5] 23

24 Σχήμα 8 Μνήμες γραμμών καθυστέρησης. (α) Μνήμη βρόχου ανακύκλωσης, (β) Μνήμη γραμμών καθυστέρησης πολλών βαθμίδων, (γ) Μνήμη τύπου broadcast and select Η δρομολόγηση εκτροπής είναι μια τεχνική που επιλύει τη σύγκρουση οπτικών πακέτων στο πεδίο του χώρου. Αν δύο ή περισσότερα πακέτα προορίζονται στην ίδια θύρα εξόδου την ίδια χρονική στιγμή, μόνο ένα από αυτά επιτρέπεται να προχωρήσει προς την επιθυμητή θύρα εξόδου, ενώ τα υπόλοιπα προωθούνται σε διαφορετικές πορείες. Τα πακέτα που έχουν εκτραπεί υφίστανται μεγαλύτερη καθυστέρηση από ότι στη λύση της αποθήκευσης. Επίσης, αυτή η προσέγγιση πιθανόν να διαταράσσει την ακολουθία των πακέτων, να προκαλεί βρόχους δρομολόγησης (γεγονός που αυξάνει την καθυστέρηση και υποβαθμίζει την ποιότητα του σήματος) και να αυξάνει το φορτίο του δικτύου. Η δρομολόγηση εκτροπής χωρίς μνήμες συχνά οδηγεί σε χειρότερη επίδοση του δικτύου ως προς την απόδοση, την καθυστέρηση και την πιθανότητα απώλειας πακέτων. Εντούτοις, παραμένει ελκυστική προσέγγιση, καθώς δεν απαιτεί χρησιμοποίηση μνημών γραμμών καθυστέρησης, πολύπλοκων εξαρτημάτων και αλγορίθμων ελέγχου. [6] Στο σχήμα 9, παριστάνεται γραφικά η τεχνική της δρομολόγησης με εκτροπή. Τα πακέτα που εισέρχονται στον κόμβο από τις εισόδους 1, 2 και 4 κατευθύνονται όλα προς 24

25 την έξοδο 1 δημιουργώντας σύγκρουση. Για την αποφυγή της σύγκρουσης μόνο ένα από τα πακέτα προωθείται τελικά στην έξοδο 1, ενώ τα άλλα δύο εκτρέπονται σε διαφορετικές εξόδους του κόμβου (έξοδος 3 και n αντίστοιχα). Σχήμα 9 Δρομολόγηση με εκτροπή σε οπτικό κόμβο μεταγωγής πακέτου Το πεδίο του μήκους κύματος είναι επίσης δυνατό να χρησιμοποιηθεί για λύση σύγκρουσης. Τα πακέτα με το ίδιο μήκος κύματος που συγκρούονται, εκτός από ένα, μετατρέπονται σε μη χρησιμοποιούμενα μήκη κύματος μέσω ρυθμιζόμενων οπτικών μετατροπέων μήκους κύματος (Tunable Wavelength Converters - TWC). Έτσι, κατανέμεται ο φόρτος κυκλοφορίας σε διάφορα κανάλια και εφαρμόζοντας στο δίκτυο σύγχρονο τρόπο λειτουργίας, η ανάγκη για οπτική αποθήκευση περιορίζεται ή πιθανώς εξαλείφεται. Η προσέγγιση αυτή μπορεί να ενσωματωθεί, επίσης, σε ένα ασύγχρονο δίκτυο. Ωστόσο, αυτό απαιτεί περισσότερους ρυθμιζόμενους οπτικούς μετατροπείς μήκους κύματος, καθώς χρειάζεται ένας ρυθμιζόμενος οπτικός μετατροπέας μήκους κύματος για κάθε κανάλι μήκους κύματος σε ένα διακόπτη εισόδου. Στο σχήμα 10, παριστάνεται γραφικά η χρήση της μετατροπής μήκους κύματος για την επίλυση της σύγκρουσης οπτικών πακέτων. Τα πακέτα από τις εισόδους 1, 2 και 4 κατευθύνονται προς την έξοδο 1 στο ίδιο μήκος κύματος λ 1. Όλα τα πακέτα προωθούνται στην ίδια έξοδο, αλλά σε δύο από αυτά έχει μεταβληθεί το μήκος κύματος (λ 2 και λ 3 αντίστοιχα). 25

26 Σχήμα 10 Δρομολόγηση με μεταβολή του μήκους κύματος σε οπτικό κόμβο μεταγωγής πακέτου Καθεμιά από τις προαναφερθείσες μεθόδους έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Συνεπώς, ένας συνδυασμός των τεχνικών αυτών είναι δυνατό να παρέχει μια αποτελεσματική στρατηγική λύσης σύγκρουσης, η οποία θα προσφέρει χαμηλό κόστος υλοποίησης, μικρή καθυστέρηση πακέτων, μικρή πιθανότητα απώλειας και υψηλή απόδοση δικτύου. Παράλληλα, η χρήση οπτικών μεθόδων για την υλοποίηση των συστημάτων στο φυσικό επίπεδο μπορεί να προσφέρει εύκολο έλεγχο, ευελιξία δικτύου και υποστήριξη υψηλών ρυθμών μετάδοσης. [5] 26

27 6. Σκοπός και Ανάλυση της Διπλωματικής Εργασίας Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη της προσομοίωσης της προσωρινής αποθήκευσης σε σύγχρονα Δίκτυα Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου με Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος για επίλυση του ανταγωνισμού των πακέτων, όπως έχει ήδη αναπτυχθεί από τους Ming Cheng, Weisheng Hu, (Member, IEEE), Weiqiang Sun (Member, IEEE), Fangfang Yan, και Hao He στο paper με τίτλο «Wavelength Converted Broadcast-Selective Buffering Contention Resolution in Synchronous WDM OPS Networks». Η ανάπτυξη και εφαρμογή της προσομοίωσης έγινε στο πρόγραμμα προσομοίωσης OMNET++ και σκοπός ήταν η πλήρης ταύτιση των αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων της προσομοίωσης με αυτά της ανωτέρω προσομοίωσης. 6.1 Η Προσωρινή Αποθήκευση (WCBS) και Παράμετροι Σχήμα 11 Η δομή της προτεινόμενης προσωρινής αποθήκευσης Το σχήμα 11 δείχνει την προτεινόμενη δομή προσωρινής αποθήκευσης (WCBS). Αποτελείται από μία σειρά από Α μεταβλητούς μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs), δύο συζεύκτες αστέρες με διαστάσεις στο Α:(Β+1) και (Β+1):C αντίστοιχα, μία συστοιχία από Β+1 γραμμές καθυστέρησης (FDLs) και οπτικές πύλες και μία σειρά από C μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs). Η προσωρινή αποθήκευση (WCBS) έχει Α εισόδους και C εξόδους, μέσα από τις οποίες Α πακέτα μπορούν να έχουν πρόσβαση στην προσωρινή αποθήκευση και C πακέτα μπορούν να βγουν από αυτή σε κάθε 27

28 χρονοθυρίδα. Τόσο οι γραμμές καθυστέρησης (FDLs), όσο και οι οπτικές πύλες είναι αριθμημένες 0,1,..,Β, από επάνω προς τα κάτω. Η iστή γραμμή καθυστέρησης έχει μήκος καθυστέρησης με διάρκεια i πακέτα. Οι μεταβλητοί μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) χρησιμοποιούνται για να αποφευχθεί σύγκρουση μήκους κύματος στα ακόλουθα στάδια. Ο αριστερός συζεύκτης αστέρας εκπέμπει τα πακέτα που έχουν υποστεί μετατροπή μήκους κύματος από τις Α εισόδους στις Β+1 γραμμές καθυστέρησης (FDLs). Ο δεξιός συζεύκτης αστέρας εκπέμπει τα πακέτα που έχουν επιλεχθεί από τις οπτικές πύλες στα C μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs). Μέσα από την προσωρινή αποθήκευση (WCBS), τα πακέτα μπορούν να φύγουν αμέσως ή στις ακόλουθες Β χρονοθυρίδες. Αυτό καθιστά δυνατή την προεκχώρηση των πακέτων. Για παράδειγμα, ενεργοποιώντας την 0 ή πύλη και ρυθμίζοντας τα μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs), τα πακέτα που φτάνουν στην τρέχουσα χρονοθυρίδα μπορούν να εγκαταλείψουν την προσωρινή αποθήκευση, πριν από τα πακέτα που βρίσκονται ήδη μέσα στην προσωρινή αποθήκευση. Η προσωρινή αποθήκευση (WCBS) μπορεί επίσης να κάνει πακέτα από διαφορετικές χρονοθυρίδες να εγκαταλείψουν την προσωρινή αποθήκευση (WCBS) ταυτόχρονα, εάν τα μήκη κύματός τους δε συγκρούονται. Για παράδειγμα, εάν τα εξερχόμενα οπτικά πακέτα έχουν διαφορετικά μήκη κύματος, η 0 ή πύλη και η 2 η πύλη μπορούν να ενεργοποιηθούν στην ίδια χρονοθυρίδα και C διαφορετικά πακέτα να φύγουν από την προσωρινή αποθήκευση αφού θα έχουν επιλεχθεί από τα μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs) ξεχωριστά. Ο μέγιστος χρόνος καθυστέρησης για ένα πακέτο αποθηκευμένο στην προσωρινή αποθήκευση είναι B*T, όπου Τ είναι η διάρκεια ενός πακέτου. Προκειμένου να καταστεί εφικτό το να περάσουν όλα τα πακέτα μέσα από την προσωρινή αποθήκευση, ο μέγιστος αριθμός των πακέτων που μπορούν να αποθηκευτούν αποτελεσματικά ορίζεται ως N packet <= B*C, επειδή έως C πακέτα μπορούν να φύγουν από την προσωρινή αποθήκευση σε κάθε χρονοθυρίδα. 28

29 6.2 Αρχιτεκτονική του Κόμβου Μεταγωγής Οπτικών Πακέτων Το σχήμα 12 δείχνει έναν κόμβο OPS που χρησιμοποιεί την προσωρινή αποθήκευση (WCBS). Έχει Ν θύρες εισόδου και Ν θύρες εξόδου. Κάθε θύρα εισόδου και εξόδου «κουβαλά» Μ διαφορετικά μήκη κύματος (λ 1, λ 2,, λ Μ ). Τα εισερχόμενα οπτικά πακέτα χωρίζονται σε τομείς μήκους κύματος με τη βοήθεια αποπολυπλεκτών (DEMUXs). Η μήτρα μεταγωγής δρομολογεί κάθε πακέτο στις αντίστοιχες ίνες εξόδου του, χρησιμοποιώντας πληροφορίες που βρίσκονται στην κεφαλίδα του πακέτου. Εφόσον περισσότερα από Μ πακέτα μπορούν να δρομολογηθούν στην ίδια ίνα εξόδου, η μήτρα δρομολόγησης σχεδιάζεται να είναι ασύμμετρη με Ν*Μ θύρες εισόδου και Ν*(Μ+Α-C) θύρες εξόδου. Σχήμα 12 Ένας κόμβος Οπτικής Μεταγωγής Πακέτου που χρησιμοποιεί τη δομή προσωρινής αποθήκευσης Για να αποφευχθούν συγκρούσεις μήκους κύματος, Ν*Μ σταθεροί μετατροπείς μήκους κύματος (FWCs) τοποθετούνται πριν από τους Ν πολυπλέκτες (MUXs). Οι σταθεροί 29

30 μετατροπείς μήκους κύματος (FWCs) μετατρέπουν κάθε μήκος κύματος σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Η προσωρινή αποθήκευση (WCBS) τοποθετείται ανάμεσα στους πολυπλέκτες εξόδου (MUXs) και την κεντρική μήτρα μεταγωγής αντίστοιχα. Κάθε πολυπλέκτης έχει Μ-C άμεσες συνδέσεις στην κεντρική μήτρα μεταγωγής και C συνδέσεις στις Α θύρες εξόδου της κεντρικής μήτρας μεταγωγής μέσα από την προσωρινή αποθήκευση (WCBS). Αφού εισέλθουν στην προσωρινή αποθήκευση (WCBS), τα πακέτα περνούν μέσα από τους μεταβλητούς μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) για να αποφευχθούν συγκρούσεις μήκους κύματος. Οι μεταβλητοί μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) μπορούν να μετατρέπουν κάθε μήκος κύματος σε κάθε άλλο. Συνεπώς, τα πακέτα εκπέμπονται σε διαφορετικές γραμμές καθυστέρησης (FDLs) και μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs) μέσα από δύο συζεύκτες αστέρες. Μέσα από κατάλληλη διαμόρφωση των οπτικών πυλών και των μεταβλητών οπτικών φίλτρων (TOFs), τα πακέτα επιλέγονται για να εγκαταλείψουν την προσωρινή αποθήκευση. Ορισμένες στρατηγικές μεταγωγής δίνονται στο [1] για να βελτιωθούν οι επιδόσεις των πακέτων. Τα πακέτα που δρομολογούνται σε μια συγκεκριμένη ίνα εξόδου, μετάγονται στις άμεσες θύρες πρώτα. Όταν όλες οι άμεσες θύρες είναι κατειλημμένες, άλλα πακέτα θα περάσουν στην προσωρινή αποθήκευση ή θα απορριφθούν αν όλες οι Α θύρες εισόδου της προσωρινής αποθήκευσης είναι γεμάτες. Για να διαφοροποιηθεί η υπηρεσία, τα πακέτα με υψηλή προτεραιότητα θα έχουν πρόσβαση στις άμεσες θύρες πρώτα. Και τα πακέτα με υψηλή προτεραιότητα που βρίσκονται μέσα στην προσωρινή αποθήκευση θα εγκαταλείψουν την προσωρινή αποθήκευση πρώτα. Προφανώς, όταν η δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος δεν είναι μπλοκαρισμένη, οι συγκρούσεις μήκους κύματος μπορούν να αποφευχθούν με τη χρήση σταθερών μετατροπέων μήκους κύματος (FWCs) και μεταβλητών μετατροπέων μήκους κύματος (TWCs). Απώλεια πακέτων εμφανίζεται είτε πριν την είσοδο των πακέτων στην προσωρινή αποθήκευση είτε όταν τα πακέτα έχουν ήδη αποθηκευτεί στην προσωρινή αποθήκευση. Ο μέγιστος αριθμός των πακέτων που μπορούν να αποθηκευτούν στην προσωρινή αποθήκευση σε μία χρονοθυρίδα είναι Α-C. Για να μπορεί να δεχθεί τα πακέτα από τις Α θύρες εισόδου συνεχόμενα, η αποτελεσματική χωρητικότητα της προσωρινής αποθήκευσης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από Α-C. Αυτό σημαίνει ότι το Β*C δεν πρέπει να είναι μικρότερο από Α-C και το Α πρέπει να είναι μεγαλύτερο από C. Έτσι, όταν ο αριθμός των εισόδων και των εξόδων αποφασιστεί, η ελάχιστη απαιτούμενη τιμή για το Β είναι, όπου είναι ο μικρότερος ακέραιος που είναι μεγαλύτερος ή ίσος με x. 30

31 Είναι ξεκάθαρο ότι πακέτα από τις Α εισόδους της δομής προσωρινής αποθήκευσης μπορούν να φύγουν από τις C εξόδους αμέσως ή στις ακόλουθες Β χρονοθυρίδες. Στο πεδίο του χρόνου, πακέτα από διαφορετικές χρονοθυρίδες μπορούν να φτάσουν στα μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs) ταυτόχρονα. Διαμορφώνοντας κατάλληλα τις οπτικές πύλες και τα μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs), η προεκχώρηση των πακέτων μπορεί να επιτευχθεί και να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για να επιτευχθεί διαφοροποιημένη πιθανότητα απώλειας πακέτων και καθυστέρηση. Όταν πολλές οπτικές πύλες ενεργοποιούνται στην ίδια χρονοθυρίδα, μπορεί να εμφανιστεί σύγκρουση μήκους κύματος, αν πακέτα από διαφορετικές χρονοθυρίδες μεταδίδονται στο ίδιο μήκος κύματος. Οι μεταβλητοί μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) μπορούν να ρυθμιστούν κατάλληλα για να προληφθεί η σύγκρουση μήκους κύματος ανάμεσα σε πακέτα από διαφορετικές χρονοθυρίδες όταν εισέρχονται και αποθηκεύονται στην προσωρινή αποθήκευση. Οι απαιτήσεις στο εύρος μεταβολής των μεταβλητών μετατροπέων μήκους κύματος (TWCs) καθορίζονται από τις διαστάσεις της προσωρινής αποθήκευσης (WCBS) και του αλγορίθμου ελέγχου των οπτικών πυλών. Εάν C = 1, οι μεταβλητοί μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) μπορούν να αντικατασταθούν από σταθερούς μετατροπείς μήκους κύματος (FWCs) επειδή μόνο μία οπτική πύλη θα ενεργοποιείται σε κάθε χρονοθυρίδα και καμία σύγκρουση μήκους κύματος δεν θα πραγματοποιηθεί. Διαφορετικά εάν C > 1, για να αποφευχθούν συγκρούσεις μήκους κύματος ανάμεσα σε πακέτα οποιασδήποτε χρονοθυρίδας, κάθε μεταβλητός μετατροπέας μήκους κύματος (TWCs) πρέπει να μπορεί να ρυθμιστεί ανάμεσα σε Β+1 διαφορετικά μήκη κύματος. Για παράδειγμα ο iστός TWC είναι ικανός να μετατρέπει κάθε μήκος κύματος σε κάποιο από τα λ i0, λ i1,, λ ib. Συνολικά, οι Α μεταβλητοί μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) απαιτείται να μπορούν να ρυθμιστούν ανάμεσα σε (Β + 1)*Α μήκη κύματος. Σε αυτή την περίπτωση, όλες οι οπτικές πύλες μπορούν να ενεργοποιηθούν χωρίς το φόβο κάποιας σύγκρουσης μήκους κύματος. Σε κάθε χρονοθυρίδα, τα πακέτα που αποχωρούν επιλέγονται από τα μεταβλητά οπτικά φίλτρα (TOFs). Το εύρος μεταβολής τους καλύπτει τα (Β + 1)*Α μήκη κύματος που οι μεταβλητοί μετατροπείς μήκους κύματος (TWCs) έχουν παράγει. Ωστόσο, οι απαιτήσεις στο εύρος μεταβολής των μεταβλητών οπτικών φίλτρων (TOFs) και των μεταβλητών μετατροπέων μήκους κύματος (TWCs) μπορούν να γίνουν πιο χαλαρές αν εφαρμοστούν περισσότερο περίπλοκοι αλγόριθμοι ελέγχου στις οπτικές πύλες. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιηθεί ο αλγόριθμος FIFO και για τα πακέτα χαμηλής 31

32 προτεραιότητας και για τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας, το εύρος μεταβολής μπορεί να μειωθεί σε A*C, όταν το Β είναι αρκετά μεγάλο. 6.3 Ανάλυση και Αριθμητικές Αξιολογήσεις Απώλεια Πακέτων πριν την είσοδο στην Προσωρινή Αποθήκευση Αρχικά, οι συγγραφείς του [1] ασχολούνται με την απώλεια των πακέτων πριν την είσοδο στην προσωρινή αποθήκευση με υπολογιστικό τρόπο και με τη χρήση μαθηματικών τύπων. Θεωρούν ότι τα πακέτα φθάνουν στον κόμβο συγχρονισμένα. Η άφιξη των πακέτων πραγματοποιείται με πιθανότητα p σε κάθε εισερχόμενο κανάλι μήκους κύματος. Τα πακέτα από τις εισόδους δρομολογούνται στις Ν ίνες εξόδου με πιθανότητα 1/Ν. Η πιθανότητα i πακέτα να οδηγηθούν στην ίδια ίνα εξόδου δίνεται από: Επομένως, ο μέσος αριθμός των πακέτων που φτάνουν σε μια συγκεκριμένη θύρα εξόδου είναι: Τα πακέτα δρομολογούνται στις άμεσες θύρες εξόδου πρώτα. Όταν όλες οι άμεσες θύρες εξόδου είναι κατειλημμένες, τα πακέτα φτάνουν στις εισόδους της προσωρινής αποθήκευσης (WCBS) ή απορρίπτονται αν οι Α είσοδοι είναι γεμάτες. Από τη στιγμή που ο αριθμός θυρών εξόδου της μήτρας μεταγωγής για κάθε ίνα εξόδου είναι Μ + Α C, i M A +C πακέτα θα απορριφθούν, αν ο αριθμός των πακέτων που φτάνουν i είναι μεγαλύτερος από M + A C. Ο μέσος αριθμός των πακέτων που θα απορριφθούν πριν την προσωρινή αποθήκευση ανά χρονοθυρίδα είναι: 32

33 Έτσι, παίρνουμε την πιθανότητα απώλειας πακέτου πριν την είσοδο στην προσωρινή αποθήκευση όπως φαίνεται στο (4). Το σχήμα 13 δείχνει την πιθανότητα απώλειας πακέτου πριν την είσοδο στην προσωρινή αποθήκευση. Στο [1], η διαμόρφωση του κόμβου OPS έχει τεθεί ως Ν = Μ = 16, όπου ο αριθμός των καναλιών ίνας εισόδου και εξόδου είναι Ν * Μ = 256. Οι συγγραφείς θέτουν το μήκος μιας χρονοθυρίδας ίσο με 1. Όταν το A C αυξάνεται από 0 σε 4, η πιθανότητα απώλειας πακέτου πριν την είσοδο στην προσωρινή αποθήκευση μειώνεται σημαντικά. Επομένως, η κλίμακα της μήτρας μεταγωγής καθορίζει ένα σταθερό κομμάτι της πιθανότητας απώλειας πακέτου. 33

34 Σχήμα Απώλεια Πακέτου κατά τη διάρκεια της Προσωρινής Αποθήκευσης Στον προτεινόμενο κόμβο OPS, η στρατηγική μεταγωγής είναι ότι όταν οι M C θύρες εξόδου είναι όλες κατειλημμένες, άλλα πακέτα θα εισέλθουν στην προσωρινή αποθήκευση (WCBS) εάν είναι δυνατό και άλλα θα απορριφθούν, εάν όλες οι είσοδοι της αποθήκευσης είναι επίσης κατειλημμένες. Επομένως, ο μέσος αριθμός πακέτων από τις εισόδους της προσωρινής αποθήκευσης είναι: 34

35 Όταν το N buffer είναι μικρότερο από C, εάν η κλίμακα των γραμμών καθυστέρησης (FDLs) είναι αρκετά μεγάλη, τότε η απώλεια ίσως αποφευχθεί. Η ελάχιστη συνολική πιθανότητα απώλειας πακέτου υπολογίζεται όπως στο (6). Υπονοεί ότι η ελάχιστη συνολική πιθανότητα απώλειας πακέτου σχετίζεται μόνο με το p και το Α C όταν το N buffer είναι μικρότερο από C. Από την άλλη, όταν το N buffer είναι μεγαλύτερο από C, ο μέσος αριθμός πακέτων που φθάνουν στην προσωρινή αποθήκευση είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των πακέτων που μπορούν να μεταδοθούν ταυτόχρονα στην έξοδο. Κάποια πακέτα θα απορριφθούν στην προσωρινή αποθήκευση και ο αριθμός των πακέτων στην προσωρινή αποθήκευση δεν θα μειωθεί. Η ελάχιστη πιθανότητα απώλειας πακέτου στην προσωρινή αποθήκευση είναι: 35

36 Επομένως, η ελάχιστη συνολική πιθανότητα απώλειας πακέτου δίνεται από: Η ελάχιστη συνολική πιθανότητα απώλειας πακέτου καθορίζεται από τον αριθμό εισόδων Α, τον αριθμό εξόδων C και την πιθανότητα άφιξης πακέτων p που δίνεται από τα (6), (8). Ο αριθμός των γραμμών καθυστέρησης (FDLs) B επηρεάζει επίσης την συνολική πιθανότητα απώλειας πακέτου και τη μέση καθυστέρηση πακέτου, επειδή τα πακέτα πρέπει να αποθηκευτούν στις γραμμές καθυστέρησης. Όταν ο αριθμός των γραμμών καθυστέρησης δεν είναι αρκετά μεγάλος, μερικά πακέτα ενδέχεται να μην περάσουν από την προσωρινή αποθήκευση ακόμη και αν το N buffer είναι μικρότερο από C. Το σχήμα 14 δείχνει την επίδραση του αριθμού των γραμμών καθυστέρησης στην απόδοση των πακέτων και τη σχέση ανάμεσα στα αποτελέσματα των υπολογισμών και των προσομοιώσεων. Στο σχήμα 14(α), βλέπουμε ότι όσο το Β αυξάνεται, η πιθανότητα απώλειας από την προσομοίωση πλησιάζει το ελάχιστο αποτέλεσμα των υπολογισμών. 36

37 Σχήμα 14 Σε κάποιες συνθήκες φόρτου κίνησης, οι καμπύλες της προσομοίωσης είναι περισσότερο κοντά στα αποτελέσματα των υπολογισμών, κάτι που αποφασίζεται από το μέσο αριθμό των πακέτων που φτάνουν στην προσωρινή αποθήκευση N buffer. 37

38 Ο πίνακας 1 δείχνει την τιμή του N buffer με διαφορετικές διαστάσεις της δομής και του φόρτου κίνησης. Όταν το N buffer είναι πολύ μικρότερο από το C, υπάρχει σπάνια απώλεια πακέτων στην προσωρινή αποθήκευση. Όταν το N buffer είναι μεγαλύτερο από C, τα πακέτα που αφήνουν τις εξόδους της προσωρινής αποθήκευσης θα είναι συνεχή και η προσωρινή αποθήκευση θα είναι γεμάτη. Επομένως, όταν το N buffer είναι πολύ μικρότερο ή μεγαλύτερο από C, η πιθανότητα απώλειας πακέτου της προσομοίωσης είναι κοντά στο αποτέλεσμα των υπολογισμών, όταν το Β είναι μικρό. Για παράδειγμα, όταν N buffer = (Α =3, C = 1, p = 0.75) ή N buffer = (Α =3, C = 1, p = 1), η πιθανότητα απώλειας πακέτου της προσομοίωσης είναι κοντά στο αποτέλεσμα των υπολογισμών όταν Β = 3. Όταν το N buffer είναι κοντά στο C, για να προσεγγιστεί το αποτέλεσμα των υπολογισμών, ο αριθμός των γραμμών καθυστέρησης Β πρέπει να είναι πολύ μεγάλος. Για παράδειγμα, όταν N buffer = (Α =3, C = 1, p = 0.9) ή N buffer = (Α =3, C = 1, p = 0.95), η πιθανότητα απώλειας πακέτου της προσομοίωσης δεν είναι κοντά στο αποτέλεσμα των υπολογισμών, μέχρι το Β να γίνει μεγαλύτερο από 12. Στο σχήμα 14(b), βλέπουμε ότι η μέση καθυστέρηση πακέτου αυξάνεται σημαντικά, καθώς αυξάνεται το Β. Αυξάνοντας τον αριθμό των γραμμών καθυστέρησης, η μέση καθυστέρηση πακέτου αυξάνεται, καθώς η πιθανότητα απώλειας πακέτου μειώνεται. Επομένως, υπάρχει ένας συμβιβασμός ανάμεσα στην πιθανότητα απώλειας πακέτου και τη μέση καθυστέρηση πακέτου, όταν το Β είναι η μοναδική μεταβλητή παράμετρος. Από το (5) και τον πίνακα 1, βλέπουμε ότι το N buffer μειώνεται όσο το p και / ή το Α μειώνεται. Και όταν το A C είναι σταθερό, το N buffer C μειώνεται, όσο το C αυξάνεται. Αυτό σημαίνει ότι μέσα από τη ρύθμιση των διαστάσεων της προσωρινής αποθήκευσης (WCBS) και / ή του φόρτου κίνησης, η απόδοση των πακέτων μπορεί να βελτιωθεί. Το σχήμα 15 δείχνει τη σχέση ανάμεσα στον αριθμό των εισόδων Α και την ελάχιστη πιθανότητα απώλειας πακέτου. Από τα (5) (8), ξέρουμε πως όταν το N buffer είναι μικρότερο από το C, η ελάχιστη πιθανότητα απώλειας πακέτου σχετίζεται μόνο με το p και το A C. Όταν το N buffer είναι μεγαλύτερο από C, η ελάχιστη πιθανότητα απώλειας πακέτου σχετίζεται μόνο με το p και το C. Η εικόνα στο σχήμα 15(α) είναι σε αντιστοιχία με την ανάλυση. Όσο το p και το N buffer μεταβάλλονται, η σχέση μεταξύ πιθανότητας απώλειας πακέτου και αριθμού εισόδων / εξόδων μεταβάλλεται. Το σχήμα 15(b) δείχνει ότι τα αποτελέσματα της προσομοίωσης στο [1] δεν βελτιώνονται αποτελεσματικά όσο τα ελάχιστα αποτελέσματα των υπολογισμών, καθώς δεν υπάρχουν αρκετές γραμμές καθυστέρησης (FDLs). Στο σχήμα 15(c) βλέπουμε ότι τα αποτελέσματα της 38

39 προσομοίωσης που εκτέλεσαν οι συγγραφείς του [1] προσεγγίζουν τα ελάχιστα αποτελέσματα των υπολογισμών. Σχήμα 15 Το σχήμα 16 δείχνει την πιθανότητα απώλειας πακέτου με σταθερό Α C, αλλά διαφορετικό αριθμό εξόδων C. Μπορούμε να δούμε ότι το N buffer είναι μεγαλύτερο από C, όταν Α =4, C = 1, p = 0.95 / p = 1 ή Α =5, C = 2, p = 1. Επομένως, η ελάχιστη 39

40 πιθανότητα απώλειας πακέτου σε αυτές τις διαστάσεις της δομής και φόρτο κίνησης δεν είναι ίσες με την απώλεια πακέτων πριν την προσωρινή αποθήκευση. Η διαφορά ανάμεσα στα σχήματα 16(α) και 16(b) δείχνει ότι οι πιθανότητες απώλειες πακέτου είναι διαφορετικές με τον ίδιο αριθμό γραμμών καθυστέρησης, ακόμα οι ελάχιστες πιθανότητες απώλειας των υπολογισμών είναι ίδιες. Οι απαιτήσεις στο Β είναι πολύ μικρότερες όταν το N buffer C είναι μικρότερο. Οπότε, μπορούμε να βελτιώσουμε την απόδοση των πακέτων, αυξάνοντας των αριθμό των εξόδων και μειώνοντας των αριθμό των γραμμών καθυστέρησης, επειδή οι απαιτήσεις των γραμμών καθυστέρησης είναι χαλαρές. Σχήμα 16 Οι βελτιώσεις στην απόδοση των πακέτων με υψηλή προτεραιότητα φαίνονται στα σχήματα 17 και 18. Ορίζουμε τις διαστάσεις της προσωρινής αποθήκευσης (WCBS) σε Α =3, C = 1, Β = 3. Στην προσομοίωση, τα πακέτα χωρίζονται σε πακέτα υψηλής 40

41 προτεραιότητας και σε πακέτα χαμηλής προτεραιότητας. Τα πακέτα με υψηλή προτεραιότητα θα φτάσουν πρώτα στις άμεσες θύρες εξόδου και θα φύγουν από την προσωρινή αποθήκευση. Στο σχήμα 17, η πιθανότητα των πακέτων που φτάνουν με υψηλή προτεραιότητα είναι p h = 0.6. Οι αποδόσεις των πακέτων υψηλής προτεραιότητας δεν επηρεάζονται από τα πακέτα χαμηλής προτεραιότητας. Θυσιάζοντας την απόδοση των πακέτων χαμηλής προτεραιότητας, η πιθανότητα απώλειας και η καθυστέρηση των πακέτων υψηλής προτεραιότητας μειώνονται σημαντικά. Οι αποδόσεις των πακέτων υψηλής προτεραιότητας βελτιώνονται όσο η πιθανότητα άφιξης των πακέτων υψηλής προτεραιότητας μειώνεται. Σχήμα 17 41

42 Σχήμα 18 42

43 7. Το Πρόγραμμα Προσομοίωσης ΟΜΝΕΤ 7.1 Γενικά Σχήμα 19 Το λογότυπο του OMNET++ Η προσομοίωση της λειτουργίας της προσωρινής αποθήκευσης με επιλεκτική εκπομπή μετατρεπόμενου μήκους κύματος (WCBS) έγινε με τη χρήση της πλατφόρμας προσομοίωσης Omnet ++, και συγκεκριμένα της έκδοσης με ανάπτυξη κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού C++, καθώς και στη γλώσσα προγραμματισμού NED. Το OMNET++ αναπτύχθηκε στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βουδαπέστης από τον Andras Varga. Ο αρχικός τομέας εφαρμογών του OMNET++ είναι η προσομοίωση δικτύων υπολογιστών και άλλων κατανεμημένων συστημάτων. Είναι πρόγραμμα open-source, 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. To Omnet++ καθιστά εφικτή τη μοντελοποίηση ασύρματων και ενσύρματων δικτύων παρέχοντας στο χρήστη τη δυνατότητα να δημιουργήσει απλές (simple module) αλλά και σύνθετες ενότητες (compound module). Οι απλές ενότητες διαμορφώνουν το 43

44 χαμηλότερο επίπεδο ιεραρχίας και εφαρμόζουν την δραστηριότητα μιας ενότητας και μπορούν αυθαίρετα να συνδυαστούν για να διαμορφώσουν τις σύνθετες ενότητες. Στη συνέχεια, οι ενότητες αυτές, που προσδιορίζονται από κάποια χαρακτηριστικά και παραμέτρους πρέπει να αναπαρασταθούν σαν C++ κλάσεις, όπου και προσδιορίζεται η λειτουργία τους. Οι σύνθετες ενότητες απαρτίζονται, συνήθως, από πολλές απλές ενότητες είτε άλλες σύνθετες. Οι προσομοιώσεις στο OMNeT++ αποτελούνται από ενότητες (modules) και συνδέσεις (connections). Οι ενότητες είναι τα ενεργά συστατικά στο μοντέλο και η συμπεριφορά τους ορίζεται στον κώδικα C++. Σχήμα 20 Η επιφάνεια εργασίας του OMNET++ Οι παράμετροι είναι μεταβλητές που ανήκουν σε μια ενότητα. Μπορεί να είναι του τύπου int, double, bool ή και string. Παίρνουν τις τιμές τους είτε από τα αρχεία NED, είτε από τα αρχεία διαμόρφωσης (.ini), είτε κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης από τον χρήστη. Αν η τιμή μιας παραμέτρου οριστεί με ρητό τρόπο σε ένα αρχείο NED, τότε δεν μπορεί να αλλάξει από ένα αρχείο διαμόρφωσης. Μπορούμε επίσης να ορίσουμε μια default τιμή η οποία θα εφαρμόζεται αν δεν δοθεί τιμή στην παράμετρο με άλλο τρόπο. Αν μια παράμετρος οριστεί με τον τροποποιητή volatile, τότε η παράμετρος θα υπολογίζεται κάθε φορά που διαβάζεται. 44

45 Ακρογωνιαίο λίθο για την επικοινωνία μεταξύ των ενοτήτων αποτελεί η ανταλλαγή μηνυμάτων (messages) ή και πακέτων (packets). Όταν ένα μήνυμα στέλνεται από μια ενότητα στον εαυτό της τότε το ονομάζουμε self message. Παρακάτω παρουσιάζονται μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά του ΟΜΝΕΤ++ : Ιεραρχικά Μοντέλα: Τα μοντέλα του ΟΜΝΕΤ++ έχουν ιεραρχική δομή, όπως ακριβώς και τα πραγματικά συστήματα τα οποία μοντελοποιούν. Ένα πρότυπο OMNET++ αποτελείται από τις ιεραρχικά τοποθετημένες μονάδες. Το επίπεδο ιεραρχίας της μονάδας που τοποθετείται δεν είναι περιορισμένο, επιτρέποντας στο χρήστη να απεικονίσει τη λογική δομή του πραγματικού συστήματος στην πρότυπη δομή. Αντικειμενοστραφής χαρακτήρας: Τα συστήματα στο ΟΜΝΕΤ++ αποτελούνται από αντικείμενα, το καθένα από τα οποία έχει τις δικές του ιδιότητες (attributes). Τα αντικείμενα ανήκουν σε κλάσεις. Οι κλάσεις μπορούν επεκτείνονται ή να «εξειδικεύονται». Ειδίκευση στα Δίκτυα Επικοινωνιών και τα Πληροφοριακά συστήματα: Το ΟΜΝΕΤ++ ευνοεί τη μοντελοποίηση συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών, παρέχοντας κατάλληλες δομές και αρχιτεκτονικές. Οι μονάδες επικοινωνούν μέσω της ανταλλαγής μηνυμάτων. Τα μηνύματα μπορούν να περιέχουν τις αυθαίρετα σύνθετες δομές δεδομένων. Οι μονάδες μπορούν να στείλουν τα μηνύματα είτε άμεσα στον προορισμό τους είτε κατά μήκος μιας προκαθορισμένης πορείας, μέσω των πυλών και των συνδέσεων Γραφικό Περιβάλλον: Η διαδικασία της μοντελοποίησης διευκολύνεται μέσω του διαδραστικού γραφικού περιβάλλοντος που παρέχεται. Ευελιξία: Με τη βοήθεια της γλώσσας προγραμματισμού υψηλού επιπέδου C++, το ΟΜΝΕΤ++ δίνει τη δυνατότητα να μοντελοποιηθούν με ευελιξία όλα τα πρωτόκολλα, οι αλγόριθμοι και οι τεχνολογίες. Αυτόματη παραγωγή προσομοιώσεων: Τα μοντέλα μεταγλωττίζονται αυτόματα σε εκτελέσιμες προσομοιώσεις. Ενσωματωμένα Στατιστικά: Το ΟΜΝΕΤ++ διαθέτει μία σειρά από ενσωματωμένα στατιστικά μεγέθη τα οποία μπορούν να συλλεχθούν κατά τη διάρκεια των προσομοιώσεων για την μέτρηση συγκεκριμένων μεγεθών. Παράλληλα, ο χρήστης μπορεί να ορίσει τα δικά του μεγέθη. Εύκολη Αποσφαλμάτωση: Με τη βοήθεια ενός εξελιγμένου διορθωτή λαθών (debugger), είναι δυνατή η εύκολη αναγνώριση και διόρθωση των σφαλμάτων. 45

46 Animation: Μέσω του ΟΜΝΕΤ++ μπορούν να παραχθούν γραφικά (animations) σε διάφορα επίπεδα λεπτομέρειας. Τα γραφικά καθιστούν δυνατή την οπτικοποίηση της συμπεριφοράς του συστήματος, μέσω της δυναμικής γραφικής απεικόνισης συγκεκριμένων γεγονότων που έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια μιας προσομοίωσης. Εργαλεία Ανάλυσης: Το ΟΜΝΕΤ++ παρέχει κατάλληλα εργαλεία που επιτρέπουν την ανάλυση και την παρουσίαση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. Όπως είναι προφανές, το ΟΜΝΕΤ++ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πληθώρα εφαρμογών, όπως π.χ. στη μοντελοποίηση Τοπικών Δικτύων (LAN) και Δικτύων Ευρείας Περιοχής (WAN), το σχεδιασμό και τη μελέτη της συμπεριφοράς πρωτοκόλλων, τη μοντελοποίηση κινητών συστημάτων ραδιοεπικοινωνιών, την ανάλυση δικτύων δορυφόρων κ.λ.π. Το OMNet++, ουσιαστικά, είναι μία αντικειμενοστραφής πλατφόρμα προσομοίωσης η οποία αποτελείται από ιεραρχικά δομημένα στοιχεία και παρέχει γραφικό περιβάλλον προσομοίωσης, το οποίο καθιστά τη λειτουργία του προγράμματος ακόμα πιο κατανοητή στο χρήστη. 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 να επιλέξει τα αντικείμενα (μηνύματα, ουρές, κ.λ.π.) μέσα στο μοντέλο. Είναι επίσης δυνατό να αλλαχθούν 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. Οι ενότητες έχουν θύρες (gates) έτσι ώστε να δέχονται μηνύματα ή και πακέτα από το δίκτυο. Κάθε ενότητα έχει παραμέτρους οι οποίες εξειδικεύουν και τη συγκεκριμένη συμπεριφορά της ενότητας στα γεγονότα που συμβαίνουν στο δίκτυο. Αυτές βοηθούν στην παραμετροποίηση ενός συστήματος. 46

47 Σχήμα21 Μία σύνθετη ενότητα που αποτελείται από απλές Η συμπεριφορά των απλών ενοτήτων (simple modules) υλοποιείται με τη χρήση συναρτήσεων που ενσωματώνονται σε κλάσεις σε γλώσσα C++, οι οποίες είτε επεκτείνουν είτε κληρονομούν συμπεριφορά άλλων κλάσεων του προσομοιωτή. Οι ενότητες που αποτελούνται από άλλες ενότητες ονομάζονται σύνθετες ενότητες (compound modules). Οι υποενότητες των σύνθετων ενοτήτων συνδέονται μέσω των θυρών τους με συνδέσεις που ονομάζονται connections, με σκοπό την επικοινωνία μέσω μηνυμάτων ή πακέτων. Έτσι, η σύνθετη ενότητα μπορεί να εκτελέσει ενέργειες μέσω της συνεργασίας των υποενοτήτων της. Οι θύρες (gates) είναι οι διασυνδέσεις εισόδου και εξόδου των modules. Υπάρχουν τρεις τύποι: input, output και inout. Tα μηνύματα στέλνονται έξω μέσω των output gates και φτάνουν στην ενότητα σε μια input gate. Δύο θύρες συνδέονται μεταξύ τους με μια σύνδεση (connection). [10] Οι σύνδεσμοι έχουν παραμέτρους που διακρίνουν διαφορετικούς τύπους συνδέσεων, προσδιορίζοντας διαφορετική καθυστέρηση και ρυθμούς δεδομένων σε αυτές. Οι παράμετροι ενός συνδέσμου είναι: datarate delay, είναι η καθυστέρηση διάδοσης - απόσταση δρομολογητών / ταχύτητα ζεύξης bit error rate, είναι η πιθανότητα μετάδοσης ενός λανθασμένου bit data rate (d/l), ο χρόνος μετάδοσης- μήκος πακέτου/ρυθμό μετάδοσης της ζεύξης Δεδομένου του ρυθμού μετάδοσης και του μήκους ενός συνδέσμου ο χρόνος μετάδοσης είναι υπολογίσιμος. Τα μηνύματα που πρόκειται να αποσταλούν από την ίδια θύρα περιμένουν σαν να ήταν σε μια ουρά αναμονής μέχρι την απελευθέρωση της 47

48 θύρας. Η βιβλιοθήκη του OMNet++ υποστηρίζει αυτή τη διαδικασία αναμονής καθώς και απώλειες πακέτων και παρέχει μεθόδους για την υλοποίηση τους. Για να περιγραφεί η δομή των μοντέλων και των ενοτήτων του δικτύου χρησιμοποιείται η γλώσσα NED. Η γλώσσα NED (Network Description) υλοποιεί την περιγραφή ενός δικτύου σε ενότητες που μπορεί να αποτελείται από πολλές και διάφορες δικτυακές οντότητες (κανάλια, απλές, σύνθετες ενότητες, γεννήτριες μηνυμάτων / πακέτων κ.α. τύποι). Κάθε ενότητα είναι ένα στιγμιότυπο ενός τύπου ενότητας, η οποία μπορεί να αποτελέσει ένα μέρος για ένα πιο σύνθετο τύπο ενότητας. Τόσο οι απλές (simple modules) όσο και οι σύνθετες ενότητες (compound modules) συνδέονται μεταξύ τους με τη χρήση θυρών. Οι συνδέσεις έχουν και αυτές παραμέτρους, προσδιορίζοντας διαφορετική καθυστέρηση και ρυθμούς δεδομένων σε αυτές. Κάθε μία παράμετρος χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει την καθυστέρησης της μετάδοσης δεδομένων, είτε την καθυστέρηση στην ουρά αναμονής ενός στοιχείου. Ένα μήνυμα δεσμεύει τη θύρα μιας ενότητας μέχρι αυτό να μεταδοθεί. Κατά την διάρκεια αυτού του χρόνου κανένα άλλο μήνυμα ή πακέτο δε μπορεί να χρησιμοποιήσει την ίδια θύρα. Σε περίπτωση που επιθυμούμε να αποσταλούν όλα μαζί, μπορούμε να προσθέσουμε κάποιου τύπου καθυστέρηση στις συνδέσεις. Το OMNET++ τρέχει εξίσου καλά στα Linux και στα περισσότερα λειτουργικά συστήματα που βασίζονται ή μοιάζουν με Unix, αλλά και στα Windows. Στην παρούσα εργασία, για την εκτέλεση του κώδικα χρησιμοποιήθηκε το λειτουργικό σύστημα Windows 7 της Microsoft. To ΟΜΝΕΤ++ υπάρχει ελεύθερο στο Διαδίκτυο και στη διεύθυνση 48

49 Παρακάτω παρουσιάζεται η διαδικασία δημιουργίας ενός OMNET project και κάποιων αρχείων με τη βοήθεια κάποιων screenshots και κομματιών κώδικα: Δημιουργία ενός OMNeT++ Project Σχήμα 22 Το project πρέπει να οριστεί σαν ένα OMNeT++ project, πηγαίνοντας File New Omnet++ project από το μενού (σχήμα 22). Στη συνέχεια, ορίζουμε ένα όνομα για το project, και πατάμε το κουμπί Finish. Εάν ο χρήστης δε σκοπεύει να δημιουργήσει απλές ενότητες, μπορεί να αποεπιλέξει το C++ Support checkbox που θα απενεργοποιήσει όλες τις σχετικές λειτουργίες με C++. Σχήμα 23 49

50 Σύνταξη Κώδικα C++ Το OMNeT++ παρέχει έναν άρτιο συντάκτη για κώδικα C++, που προσφέρει στο χρήστη βοήθεια σε πραγματικό χρόνο. Καθώς ο χρήστης πληκτρολογεί τον κώδικα, το πρόγραμμα προσομοίωσης εμφανίζει αυτόματη συμπλήρωση, καθώς και highlighting για το συντακτικό. Πατώντας CTRL+SPACE ενεργοποιείται το παράθυρο βοήθειας περιεχομένου (content assist window σχήμα 24) οπουδήποτε μέσα στον κώδικα. Άλλη μια χρήσιμη συντόμευση είναι το CTRL+TAB, που προσφέρει εναλλαγή ανάμεσα στο αρχείο C++ και στο αρχείο header. Σχήμα 24 Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, ένα simple module δεν είναι τίποτα περισσότερο από μία κλάση C++, που πρέπει να είναι υποκλάση από την csimplemodule, με μία ή περισσότερες συναρτήσεις μέλη που πρέπει να οριστούν για να καθορίσουν τη συμπεριφορά του. Η κλάση πρέπει να οριστεί στο OMNeT++ με την εντολή Define_Module(). Η εντολή Define_Module() πρέπει πάντοτε να τοποθετείται σε αρχεία.cc ή.cpp και όχι σε αρχεία header(.h), επειδή ο κώδικας του μεταγλωττιστή ξεκινά από αυτήν. 50

51 Η παρακάτω ενότητα HelloModule είναι η απλούστερη ενότητα που μπορεί κανείς να γράψει. // αρχείο: HelloModule.cc #include <omnetpp.h> class HelloModule : public csimplemodule protected: virtual void initialize(); virtual void handlemessage(cmessage *msg); ; // ορισμός της κλάσης στο OMNeT++ Define_Module(HelloModule); void HelloModule::initialize() ev << "Hello World!\n"; void HelloModule::handleMessage(cMessage *msg) delete msg; // απλά διαγράφει οτιδήποτε δέχεται Για να μπορούμε να αναφερόμαστε σε αυτή την απλή ενότητα σε αρχεία NED, χρειαζόμαστε και το παρακάτω αρχείο NED: // αρχείο: HelloModule.ned simple HelloModule gates: input in; 51

52 Ο συντάκτης NED σε γραφική μορφή Σχήμα 25 Σε γραφική μορφή (σχήμα 25), μπορεί κανείς να δημιουργήσει σύνθετες οντότητες, κανάλια, και άλλους τύπους συστατικών. Επίσης, μπορούν να δημιουργηθούν υποενότητες, χρησιμοποιώντας την παλέτα των διαθέσιμων τύπων. Οι ιδιότητες (properties) μπορούν να τροποποιηθούν στο παράθυρο των ιδιοτήτων ή από εντολές στη γραμμή του μενού. Ο συντάκτης προσφέρει πολλές επιλογές, όπως αναίρεση, αντιγραφή αντικειμένου, μετακίνηση, ευθυγράμμιση αντικειμένων και εστίαση. Σχήμα 26 52

53 Στο παράθυρο των ιδιοτήτων (σχήμα 26), ο χρήστης μπορεί να δει και τροποποιήσει τις γραφικές και μη γραφικές ιδιότητες των αντικειμένων. Ο συντάκτης NED σε μορφή κειμένου Σχήμα 27 To Text mode επιτρέπει στο χρήστη να δουλέψει με τον κώδικα του NED απευθείας. Πατώντας Ctrl+Space, ο συντάκτης προσφέρει αυτόματη συμπλήρωση σε keywords και τύπους module,παραμέτρους, θύρες και ονόματα υποενοτήτων. Επίσης, στα αριστερά του κειμένου εμφανίζονται τα λάθη που κάνει ο χρήστης σε πραγματικό χρόνο ώστε να μπορεί να τα διορθώσει. 53

54 Σχήμα 28 Δημιουργία msg αρχείων Επιλέγοντας File New - Message Definition (msg) από το μενού, μπορούμε να εμφανίσουμε έναν οδηγό, που θα μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε ένα αρχείο msg και να ορίσουμε και τον κατάλογο στον οποίο θα βρίσκεται. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει ένα άδειο αρχείο msg ή να επιλέξει από προδημιουργηθέντα πρότυπα. Πατώντας το κουμπί Finish δημιουργείται το νέο αρχείο msg. 54

55 Σχήμα 29 Ο συντάκτης των αρχείων msg είναι ένας βασικός συντάκτης κειμένου που παρέχει συντακτική υποστήριξη highlight (σχήμα 30) Σχήμα 30 55

56 Ο τρέχον χρόνος της προσομοίωσης μπορεί να παρθεί από το OMNET με τη χρήση της συνάρτησης simtime() και αναπαρίσταται στην κλάση SimTime. Αυτή η κλάση αποθηκεύει το χρόνο της προσομοίωσης σε έναν integer αριθμό 64 bit, χρησιμοποιώντας αναπαράσταση δεκαδικού σταθερού σημείου. Αν και ο χρόνος της προσομοίωσης δε μπορεί φυσικά να είναι αρνητικός, είναι χρήσιμο να μπορούν να αναπαρασταθούν και αρνητικοί αριθμοί, επειδή εμφανίζονται συχνά στην ανάλυση αριθμητικών εκφράσεων. Τα μηνύματα αποτελούν κεντρική ιδέα στο OMNeT++. Αντικείμενα μηνυμάτων μπορούν να αναπαραστήσουν γεγονότα (events), πακέτα, εντολές, διεργασίες, πελάτες ή άλλου είδους οντότητες. Τα μηνύματα αναπαριστώνται με τη χρήση της κλάσης cmessage και της υποκλάσης cpacket. Η κλάση cpacket χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση πακέτων δικτύου σε ένα δίκτυο επικοινωνίας, και η κλάση cmessage χρησιμοποιείται για άλλες χρήσεις. Οι χρήστες μπορούν να δημιουργήσουν υποκλάσεις τόσο από τη cmessage όσο και από τη cpacket, και να δημιουργήσουν νέους τύπους και να προσθέσουν δεδομένα. Η κλάση cmessage μπορεί να έχει τα ακόλουθα πεδία, όπου άλλα χρησιμοποιούνται στον πυρήνα της προσομοίωσης και άλλα παρέχονται στο χρήστη της προσομοίωσης για διευκόλυνση. το πεδίο ονόματος (name) είναι ένα string (const char *). Το όνομα του μηνύματος εμφανίζεται σε πολλά σημεία στο γραφικό περιβάλλον, και είναι γενικά προτιμότερο να επιλέξει ο χρήστης ένα περιγραφικό όνομα. Το όνομα του μηνύματος κληρονομείται από τη cobject. το όνομα μηνύματος (message kind) είναι ένας integer. Ορισμένες αρνητικές τιμές διατηρούνται από τη βιβλιοθήκη της προσομοίωσης, αλλά μηδέν και θετικές τιμές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ελεύθερα από στο μοντέλο για οποιονδήποτε σκοπό. τα πεδία χρόνου αποστολής, χρόνου άφιξης, πηγή οντότητας, πύλη πηγής, οντότητα προορισμού, πύλη προορισμού αποθηκεύουν πληροφορίες σχετικά με την τελευταία αποστολή ή χρονοδρομολόγηση του μηνύματος και δεν ενδείκνυται η τροποποίησή τους από το μοντέλο. Αυτά τα πεδία κυρίως χρησιμοποιούνται εσωτερικά από τον πυρήνα της προσομοίωσης, αλλά η πληροφορία είναι ακόμη στο αντικείμενο του μηνύματος όταν το μήνυμα παραλαμβάνεται από μία οντότητα. 56

57 τα πεδία λίστα παραμέτρων, πληροφορία ελέγχου και δείκτης πλαισίου διευκολύνουν τον προγραμματισμό μερικών διεργασιών προσομοίωσης. Η κλάση cpacket κληρονομεί την κλάση cmessage με πεδία που είναι χρήσιμα για την αναπαράσταση πακέτων δικτύου: Το μήκος πακέτου αναπαριστά το μήκος του πακέτου σε bits, χρησιμοποιείται από τον πυρήνα της προσομοίωσης για να υπολογίσει τη διάρκεια μετάδοσης όταν ένα πακέτο ταξιδεύει μέσω μίας σύνδεσης. Το πακέτο ενθυλάκωσης βοηθάει στη μοντελοποίηση επιπέδων πρωτοκόλλου υποστηρίζοντας την ιδέα της ενθυλάκωσης και της αποενθυλάκωσης. Η διάρκεια κρατά τη διάρκεια μετάδοσης αφότου το πακέτο στάλθηκε από ένα κανάλι με έναν αριθμό δεδομένων. Ο constructor cmessage δέχεται μερικά ορίσματα. Θα έπρεπε να δημιουργηθεί ένα μήνυμα χρησιμοποιώντας ένα όνομα αντικειμένου (const char * string) και ένα είδος μηνύματος (int). cmessage *msg = new cmessage("timer", kind); Και τα δύο ορίσματα είναι προαιρετικά και αρχικοποιούνται με κενό string, επομένως οι ακόλουθες δηλώσεις είναι επίσης έγκυρες. cmessage *msg = new cmessage(); cmessage *msg = new cmessage("timer"); Το είδος του μηνύματος συνήθως αρχικοποιείται με μία συμβολική δήλωση που αποδεικνύει τι αναπαριστά το αντικείμενο του μηνύματος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο θετικές τιμές και 0. Ο constructor cpacket δέχεται ένα επιπλέον όρισμα που λέγεται bit length. Αφού ένα μήνυμα έχει δημιουργηθεί, τα δεδομένα μέλη μπορούν να τροποποιηθούν με τις παρακάτω συναρτήσεις. msg->setkind( kind ); msg->setbitlength( length ); msg->setbytelength( lengthinbytes ); msg->setschedulingpriority( priority ); 57

58 msg->setbiterror( err ); msg->settimestamp(); msg->settimestamp( simtime ); Με αυτές τις συναρτήσεις ο χρήστης μπορεί να ορίσει το είδος του μηνύματος, την προτεραιότητα, το error flag και το time stamp. Η συνάρτηση settimestamp ( ) χωρίς κανένα όρισμα ορίζει το timestamp ίσο με τον τρέχον χρόνο προσομοίωσης. Η setbytelength ( ) ορίζει το ίδιο πεδίο όπως με τη setbitlength. Οι τιμές μπορούν να οριστούν με τις παρακάτω συναρτήσεις: int k = msg->getkind(); int p = msg->getschedulingpriority(); int l = msg->getbitlength(); int lb = msg->getbytelength(); bool b = msg->hasbiterror(); simtime_t t = msg->gettimestamp(); 58

59 7.2 Δημιουργία και Εκτέλεση μιας Προσομοίωσης Ένα μοντέλο στο OMNET++ αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη : Τα αρχεία σε γλώσσα NED (.ned αρχεία) που περιγράφουν την τοπολογία, την δομή της κάθε ενότητας με τις παραμέτρους, τις θύρες κ.τ.λ. Τα αρχεία των μηνυμάτων (msg. αρχεία) ή των πακέτων (.pkt αρχεία). Παρέχεται η δυνατότητα στον προγραμματιστή να ορίσει 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. Κάθε ενότητα (module) πρέπει να περιλαμβάνει κάποιες βασικές συναρτήσεις που ορίζουν την αντίδραση της όταν δέχεται ένα μήνυμα. H συνάρτηση initialize() καλείται πριν την εκτέλεση του πρώτου event της προσομοίωσης και περιέχει των κώδικα αρχικοποίησης του module. Μπορεί να διαβάσει παραμέτρους, να αρχικοποιήσει μεταβλητές μιας κλάσης, να δεσμεύσει χώρο μνήμης, κ.τ.λ. Η συνάρτηση handlemessage(cmessage *msg) είναι η συνάρτηση που καλείται σε κάθε event. Ο κώδικάς της εκτελείται κάθε φορά που κάποιο μήνυμα φτάνει στο module. Είναι δηλαδή αυτή που υποδεικνύει στο module πώς να το χειριστεί. Αν θέλουμε ο κώδικας της handlemessage να αρχίσει να εκτελείται πριν φτάσει κάποιο μήνυμα από άλλο module, πρέπει να κανονίσουμε ένα self message. Για να χειριστούμε μηνύματα μέσω προγραμματισμού της handlemessage μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την send(), την scheduleat() και την cancelevent(). Η συνάρτηση activity() είναι η εναλλακτική προσέγγιση της handlemessage(). Με αυτήν προγραμματίζουμε το module σαν να ήταν μια διεργασία συστήματος. Εκτελεί έναν ατέρμονα βρόγχο και μπορούμε να αναστείλουμε την λειτουργία του με την wait(). Πρέπει να τονίσουμε, ότι για να λάβουμε μήνυμα με αυτήν πρέπει να χρησιμοποιήσουμε την συνάρτηση receive(). Όταν η activity τερματιστεί, τερματίζεται και το module. Γενικά, αν δεν σκοπεύουμε να χρησιμοποιήσουμε την wait(), η χρήση της activity() πρέπει να αποφεύγεται. 59

60 Τα προγράμματα προσομοίωσης δημιουργούνται από τα συστατικά μέρη που περιγράφηκαν και παραπάνω. Πρώτα τα αρχεία NED μεταγλωττίζονται σε C++ πηγαίο κώδικα. Στη συνέχεια, όλα τα αρχεία με τον πηγαίο κώδικα C++ μεταγλωττίζονται και συνδέονται με τον πυρήνα προσομοίωσης και την διεπαφή του χρήστη για να διαμορφώσουν ένα εκτελέσιμο αρχείο προσομοίωσης. Σχήμα 31 Η διεπαφή (GUI) του OMNET++ Καθοριστικής σημασίας είναι ο ρόλος της διεπαφής (GUI) του προγράμματος. Ο αρχικός σκοπός της διεπαφής με τον χρήστη είναι να κατασταθούν τα εσωτερικά στοιχεία του μοντέλου ορατά στο χρήστη και να ελεγχθεί η εκτέλεση της προσομοίωσης. 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. Για να εκτελεστεί ο κώδικας της προσομοίωσης αρκεί ο χρήστης να πατήσει το πλήκτρο Run που βρίσκεται στη γραμμή εργαλείων του προγράμματος. Ο χρήστης μπορεί να καθορίσει την ταχύτητα της εκτέλεσης επιλέγοντας ένα από τα πλήκτρα 60

61 Normal, Fast ή Express. Είναι σύνηθες, η Express προσομοίωση να είναι φορές γρηγορότερη από την Fast προσομοίωση. Στην παραπάνω μπάρα μπορούμε επίσης μπορούμε να δούμε πόσα δευτερόλεπτα προσομοίωσης έχουν περάσει σε ένα πραγματικό δευτερόλεπτο εκτέλεσης (Simsec/sec) και πόσα γεγονότα συνέβησαν σε ένα δευτερόλεπτο προσομοίωσης (Ev/Simsec). Η ένδειξη Simsec/sec είναι χρήσιμη για να υπολογίσουμε πόσο θα κρατήσει η προσομοίωση. Η ένδειξη Ev/Simsec είναι ανεξάρτητη από το αν χρησιμοποιούμε Normal, Fast ή Express εκτέλεση και εξαρτάται μόνο από τη φύση και το μέγεθος του μοντέλου. Αφού τρέξει η προσομοίωσή μετά από λίγο θα εμφανιστεί ένα εικονίδιο πληροφόρησης το οποίο μας πληροφορεί ότι η προσομοίωση τελείωσε και ότι δεν υπάρχουν άλλα γεγονότα τα οποία να μπορούν προσομοιωθούν. 61

62 8. Ανάλυση Προσομοίωσης Στο τρέχον κεφάλαιο, θα παραθέσουμε ενδεικτικά κάποια κομμάτια από τον κώδικα που γράψαμε για την υλοποίηση της προσομοίωσης στο πρόγραμμα προσομοίωσης ΟΜΝΕΤ++ και θα εξηγήσουμε συνοπτικά τη στρατηγική και τον τρόπο σκέψης που ακολουθήθηκε προκειμένου να φτάσουμε στη σωστή απεικόνιση του δοθέντος προβλήματος μέσα στο πρόγραμμα προσομοίωσης. Η περίπτωση που θα αναλυθεί είναι αυτή στην οποία έχουμε τρεις εισόδους στην προσωρινή αποθήκευση (Α = 3), τέσσερις γραμμές καθυστέρησης μέσα στον buffer (B = 3) και μία έξοδο από την προσωρινή αποθήκευση με ένα φίλτρο (C = 1). Ο φόρτος είναι ο μέγιστος (load =1) και ο αριθμός των εισόδων και των εξόδων του κόμβου είναι Ν = 16. Όπως προαναφέρθηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, η γλώσσα NED χρησιμοποιείται για να οριστούν οι οντότητες που θα αποτελέσουν κομμάτια της προσομοίωσης καθώς και τα χαρακτηριστικά αυτών των οντοτήτων. Επομένως, το πρώτο στάδιο είναι η δημιουργία του σχήματος 32 με τη βοήθεια της γλώσσας NED και στη συνέχεια η προσθήκη λειτουργικότητας στις οντότητες με τη χρήση κλάσεων της C++. Σχήμα 32 62

63 Η πρώτη οντότητα που χρειάστηκε να δημιουργηθεί είναι μια οντότητα που θα λειτουργεί ως γεννήτρια πακέτων, η οποία ονομάστηκε source. Όπως φαίνεται και στο κομμάτι του κώδικα, η οντότητα source είναι ένα simple module, χωρίς εισόδους και με μία έξοδο source.ned simple source gates: output out; Για να προσθέσουμε λειτουργικότητα στην οντότητα source, δημιουργούμε την αντίστοιχη κλάση σε C++, όπως παρακάτω: source.cc #include <omnetpp.h> #include "MyPacket_m.h" #include "mylib.h" #include <iostream> #include <string> #include <ostream> #include <stdlib.h> #include <time.h> using namespace std; #define STACKSIZE #define load 1 63

64 /* Χρησιμοποιούμε την activity για να δημιουργήσουμε τα πακέτα μας. */ class source:public csimplemodule public: source() : csimplemodule(stacksize) virtual void initialize(); virtual void activity(); ; Define_Module(source); void source::initialize() for (int m=0;m<16;m++) for (int n=0;n<(4)*a;n++) high_prio_array[m][n]=0; low_prio_array[m][n]=0; wave_array[m][n]=n+1; packet_sent[m][n]=false; deleted_times[m][n]=0; sent_times[m][n]=0; high_prio_counter[m]=0; low_prio_counter[m]=0; void source::activity() 64

65 double ia_time=1; for(;;) int sourceid=getid(); if (sourceid==36) for(int i=0;i<m;i++) number_of_packets_with_high_prio[i]=0; number_of_packets_with_low_prio[i]=0; c1[i]=0; c2[i]=0; high_prio_counter[i]=0; low_prio_counter[i]=0; int number_of_packets= truncnormal((n*load), (N-N*load)/3);//αριθμός πακέτων που δημιουργούνται(0..16) if (number_of_packets>16) number_of_packets=16; total_number_of_packets = total_number_of_packets + number_of_packets; MyPacket *job[number_of_packets];/*πίνακας 16 στοιχείων τύπου MyPacket*/ for(int i=0;i<number_of_packets;i++) job[i] = new MyPacket("job"); /* δημιουργούμε 16 πακέτα τύπου MyPacket*/ job[i]->settimestamp(simtime()); int dest=intuniform(1,16);/*δίνουμε με ομοιόμορφη κατανομή destination*/ double prio=uniform(0,1);/*δίνουμε με ομοιόμορφη κατανομή priority*/ int wl=intuniform(1,16);/*δίνουμε με ομοιόμορφη κατανομή wavelength*/ 65

66 job[i]->setdestination(dest); job[i]->setwavelength(wl); if (prio<high_prio_prob) job[i]->setpriority(true); else job[i]->setpriority(false); EV<<"Priority : "<<job[i]->getpriority()<<" Destination : "<<job[i]- >getdestination()<<" wavelength : "<<job[i]->getwavelength() <<"\n"; send(job[i],"out"); if (job[i]->getpriority()==0) total_number_of_packets_low++; else total_number_of_packets_high++; EV<<"sinolikos arithmos paketon high prio "<<total_number_of_packets_high<<"\n"; EV<<"sinolikos arithmos paketon low prio "<<total_number_of_packets_low<<"\n"; EV<<" sinolikos arithmos paketos "<<total_number_of_packets<<"\n"; wait(ia_time);//περιμένει για να ξαναστείλει Η λειτουργία της οντότητας source είναι να δημιουργεί πακέτα με βάση τον δοθέντα φόρτο και να τα κατευθύνει στην έξοδο ώστε να οδηγηθούν στον αποπολυπλέκτη. Εκτός από το να τα δημιουργεί, η source δίνει στα πακέτα και τις τρεις ιδιότητές τους, οι οποίες θα καθορίσουν στη συνέχεια την πορεία του πακέτου μέσα στον κόμβο. Οι ιδιότητες αυτές είναι ο προορισμός (destination), το μήκος κύματος (wavelength), και η 66

67 προτεραιότητα (priority) του πακέτου, που δίνονται με τη χρήση κατανομών. Στην αρχή του κώδικα, χρησιμοποιείται η εντολή #include για να συμπεριληφθούν και κάποιες βιβλιοθήκες που είναι απαραίτητες. Στην initialize() αρχικοποιούνται τα στοιχεία κάποιων πινάκων που είναι προγραμματιστικά απαραίτητοι στη συνέχεια του κώδικα. Επίσης, όταν πρόκειται για την πρώτη οντότητα source του κόμβου, που έχει id = 36, μηδενίζουμε τα στοιχεία κάποιων πινάκων, αφού όλες οι οντότητες source που έχουμε, θα αρχίσουν να ξαναφτιάχνουν πακέτα από την αρχή και ο αριθμός των πακέτων με υψηλή και χαμηλή προτεραιότητα θα είναι διαφορετικός από τον πρώτο «γύρο» δημιουργίας των πακέτων. Αμέσως μετά την οντότητα source, η οντότητα που παραλαμβάνει τα δημιουργημένα πακέτα είναι αυτή του αποπολυπλέκτη. Η οντότητα demux είναι ένα simple module που αποτελείται από μία είσοδο και 16 εξόδους demux.ned simple gates: input in; output out[16];

68 demux.cc #include <omnetpp.h> #include <MyPacket_m.h> #include "mylib.h" class demux : public csimplemodule protected: virtual void handlemessage(cmessage *msg); ; Define_Module(demux); void demux::handlemessage(cmessage *msg) /* για κάθε πακέτο που φτάνει παίρνει το wavelength και το στέλνει * στην αντίστοιχη θύρα εξόδου. */ MyPacket *pkt = check_and_cast<mypacket *>(msg); bool prio=pkt->getpriority(); int dest=pkt->getdestination(); int wl=pkt->getwavelength(); if (prio==1) number_of_packets_with_high_prio[dest-1]++; else number_of_packets_with_low_prio[dest-1]++; send(pkt, "out",wl-1);

69 Η λειτουργία του αποπολυπλέκτη είναι να διαβάζει το μήκος κύματος του πακέτου και στη συνέχεια να το κατευθύνει στην αντίστοιχη θύρα εξόδου. Δηλαδή, τα πακέτα με μήκος κύματος ίσο με ένα θα κατευθυνθούν στη θύρα εξόδου 1, τα πακέτα με μήκος κύματος ίσο με δύο θα κατευθυνθούν στη θύρα εξόδου 2 κ.ο.κ μέχρι και τα πακέτα με μήκος κύματος ίσο με δεκάξι που θα κατευθυνθούν στη θύρα εξόδου 16. Άλλη μια λειτουργία που εκτελείται στη handlemessage() του demux είναι η καταμέτρηση των πακέτων με υψηλή και με χαμηλή προτεραιότητα για κάθε destination στους αντίστοιχους πίνακες, κάτι που θα φανεί προγραμματιστικά χρήσιμο στη συνέχεια. Η οντότητα source και η οντότητα demux σχηματίζουν από κοινού μία σύνθετη οντότητα που ονομάζεται compound1, όπως φαίνεται και στο σχήμα compound1.ned module gates: output out[16]; submodules: src: demux1: connections: src.out --> demux1.in; for i=0..15 demux1.out[i] --> out[i];

70 Σχήμα 33 Αμέσως μετά την έξοδο από τους αποπολυπλέκτες, τα πακέτα οδηγούνται στον οντότητα matrix. Το simple module matrix αποτελείται από 256 θύρες εισόδου (Ν*Μ=16*16), που θα συνδεθούν με τις εξόδους των compound1 και 288 θύρες εξόδου ( (M-C+A)*N = (16-1+3)*16 ) matrix.ned simple matrix int A=3; int C =1; int B= (A/C)+1; int N=16; int M=16; gates: 70

71 input in[n*m];//n*m output out[(m-c+a)*n];//(m-c+a)*n Η λειτουργία της μήτρας μεταγωγής, όπως αναλύθηκε και στο κεφάλαιο 6, είναι να διαβάσει τον προορισμό του πακέτου (destination) και να το κατευθύνει σε κάποια από τις 18 θύρες εξόδου που αντιστοιχούν σε αυτόν τον προορισμό. Οι 15 πρώτες είναι άμεσες και δεν μεσολαβεί buffer, ενώ οι 3 τελευταίες είναι και οι είσοδοι στο buffer (A = 3). Για να λάβει αυτή την απόφαση, η οντότητα matrix διαβάζει την προτεραιότητα του πακέτου (priority) και κατευθύνει τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας πρώτα στις άμεσες γραμμές. Μόνο εφόσον δεν υπάρχουν άλλα πακέτα υψηλής προτεραιότητας, θα οδηγηθεί κάποιο πακέτο χαμηλής προτεραιότητας σε άμεση θύρα. Στις τελευταίες γραμμές του αρχείου matrix.cc γίνεται και ο υπολογισμός της πιθανότητας απώλειας πακέτου πριν από το buffer που αναλύεται στη συνέχεια στα αποτελέσματα και συμπεράσματα matrix.cc #include <string.h> #include <omnetpp.h> #include "MyPacket_m.h" #include "mylib.h" class matrix : public csimplemodule protected: virtual void handlemessage(cmessage *msg); ; 71

72 Define_Module(matrix); void matrix::handlemessage(cmessage *msg) MyPacket *pkt = check_and_cast<mypacket *>(msg); int dest=pkt->getdestination(); int prio=pkt->getpriority(); if(prio==1) if (c1[dest-1]<18) send(pkt,"out",(dest-1)*18+c1[dest-1]); c1[dest-1]++; else deleted_packets_before_buffer_high++; EV<<deleted_packets_before_buffer_high<<" deleted packet with priority : "<<pkt->getpriority()<<"\n"; delete pkt; else if (prio==0) if (number_of_packets_with_high_prio[dest-1]+c2[dest-1]<18) send(pkt,"out",(dest-1)*18+c2[dest- 1]+number_of_packets_with_high_prio[dest-1]); c2[dest-1]++; else deleted_packets_before_buffer_low++; EV<<deleted_packets_before_buffer_low<<" deleted packet with priority : "<<pkt->getpriority()<<"\n"; delete pkt; 72

73 for(int i=0;i<16;i++) EV<<number_of_packets_with_high_prio[i]<<" "<<number_of_packets_with_low_prio[i]<<"\n"; loss_prob_before_buffer = log10 ((double) (deleted_packets_before_buffer_high+deleted_packets_before_buffer_low)/total_numbe r_of_packets); EV<<"loss_prob_before_buffer "<<loss_prob_before_buffer; Αμέσως μετά στην πορεία του, ένα πακέτο που εισάγεται στην προσωρινή αποθήκευση, θα συναντήσει τον μετατροπέα μήκους κύματος. Ο μετατροπέας μήκους κύματος είναι μια απλή οντότητα (simple module) που ονομάζεται TWC και περιλαμβάνει μία θύρα εισόδου και μία θύρα εξόδου. 73

74 twc.ned simple gates: input in; output out; Η λειτουργία του μετατροπέα μήκους κύματος είναι (όπως φαίνεται και στην αντίστοιχη κλάση σε C++) να αλλάξει το μήκος κύματος του εισερχόμενου πακέτου σε ένα άλλο. Οι τιμές του μήκους κύματος που δίνονται στα πακέτα λαμβάνονται από τον πίνακα wave_array. Όταν εξαντληθούν όλες οι διαθέσιμες τιμές για μήκος κύματος, τότε αρχίζουμε να ξαναδίνουμε τις τιμές από την αρχή. Αυτή η λειτουργία επιτελείται προγραμματιστικά με τη βοήθεια του πίνακα k[]. Επίσης, κάθε φορά που εισέρχεται ένα νέο πακέτο στον μετατροπέα, αυξάνεται κατά ένα και η τιμή της μεταβλητής number_of_packets_in_buffer, που δείχνει τον αριθμό των πακέτων που έχουν εισέλθει στην προσωρινή αποθήκευση twc.cc #include <string.h> #include <omnetpp.h> #include "MyPacket_m.h" #include "mylib.h" class twc : public csimplemodule protected: virtual void handlemessage(cmessage *msg); 74

75 ; Define_Module(twc); void twc::handlemessage(cmessage *msg) MyPacket *pkt = check_and_cast<mypacket *>(msg); int dest = pkt->getdestination(); number_of_packets_in_buffer++; pkt->setwavelength(wave_array[dest-1][k[dest-1]]); EV<<"New Wavelength : "<<pkt->getwavelength(); // σε κάθε πακέτο αλλάζουμε το μήκος κύματος // παίρνοντας τις τιμές του πίνακα διαδοχικά. // Το πρώτο πακέτο θα πάρει 1, το δεύτερο 2 κ.ο.κ. // Όταν καλύπτονται όλες οι τιμές ξεκινάμε απο την αρχή. k[dest-1]++; if (k[dest-1]==number_of_wavelengths) k[dest-1]=0; send(pkt, "out"); coupler.ned simple gates: input in[3]; 75

76 output out[4]; Συνολικά μέσα στην προσωρινή αποθήκευση συναντάμε δύο συζεύκτες αστέρες, η λειτουργία των οποίων, όμως, είναι προγραμματιστικά διαφορετική για να εξυπηρετήσει τους σκοπούς της προσομοίωσης. Ο πρώτος συζεύκτης αστέρας είναι μια απλή οντότητα τύπου coupler, που αποτελείται από 3 εισόδους (όσο και το Α) και από 4 εξόδους (όσες και οι γραμμές καθυστέρησης του buffer) coupler.cc #include <string.h> #include <omnetpp.h> #include "MyPacket_m.h" #include "mylib.h" class coupler : public csimplemodule protected: ; virtual void handlemessage(cmessage *msg); Define_Module(coupler); void coupler::handlemessage(cmessage *msg) MyPacket *pkt = check_and_cast<mypacket *>(msg); // Δημιουργούμε 4 (όσες οι θύρες εξόδου) αντίγραφα του // πακέτου που φτάνει και κάνουμε broadcast προς όλες τις // θύρες εξόδου 76

77 for (int i=0;i<=b;i++) MyPacket *copy = pkt->dup(); send(copy, "out",i); delete pkt; //διαγράφουμε το αρχικό πακέτο Η λειτουργία του coupler είναι η εξής: Για κάθε πακέτο που εισέρχεται στον coupler, δημιουργούνται τόσα αντίγραφα, όσες και οι γραμμές καθυστέρησης της προσωρινής αποθήκευσης (στην προκειμένη περίπτωση τέσσερα). Στη συνέχεια, καθένα από αυτά τα αντίγραφα οδηγείται στην αντίστοιχη θύρα εξόδου του συζεύκτη αστέρα και κατά συνέπεια στην αντίστοιχη γραμμή καθυστέρησης. Με αυτό τον τρόπο επιτελείται η λειτουργία της εκπομπής (broadcast) που πραγματοποιείται στον συζεύκτη. Τέλος, το αρχικό πακέτο διαγράφεται. Αφού περάσουν από τον πρώτο coupler και στη συνέχεια από τις γραμμές καθυστέρησης, τα πακέτα οδηγούνται στον δεύτερο συζεύκτη αστέρα που ονομάζεται couplerx, για να διαφοροποιηθεί από τον πρώτο. Ο couplerx αποτελείται από τέσσερις εισόδους (όσες και οι γραμμές καθυστέρησης) και από μία έξοδο (εφόσον C = 1) couplerx.ned simple gates: input in[4]; output out[1];

78 Ο couplerx έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να ελέγχει αρχικά εάν ένα πακέτο που έχει πάρει κάποιο συγκεκριμένο μήκος κύματος έχει σταλεί ή έχει διαγραφεί οριστικά. Αν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος έχει διαγραφεί οριστικά τότε το αντίστοιχο deleted_times θα έχει πάρει τιμή B+1, ενώ εάν έχει σταλεί και έχουν φτάσει στον couplerx όλα τα αντίγραφα του πακέτου με συγκεκριμένο μήκος κύματος, τότε το άθροισμα sent_times+deleted_times θα έχει πάρει τιμή B+1. Σε αυτήν την περίπτωση μηδενίζουμε τις αντίστοιχες μεταβλητές couplerx.cc #include <string.h> #include <omnetpp.h> #include "MyPacket_m.h" #include "mylib.h" class couplerx : public csimplemodule protected: virtual void handlemessage(cmessage *msg); Define_Module(couplerx); void couplerx::handlemessage(cmessage *msg) int i=0; MyPacket *pkt = check_and_cast<mypacket *>(msg); bool prio=pkt->getpriority(); int dest=pkt->getdestination(); int wl=pkt->getwavelength(); if (sent_times[dest-1][wl-1]+deleted_times[dest-1][wl-1]==(3+1)) 78

79 sent_times[dest-1][wl-1]=0; deleted_times[dest-1][wl-1]=0; packet_sent[dest-1][wl-1]=false; if (packet_sent[dest-1][wl-1]==1) deleted_times[dest-1][wl-1]++; delete pkt; else EV<<"arrived packet with wavelength : "<<pkt->getwavelength()<<"\n"; if (prio==0) low_prio_array[dest-1][low_prio_counter[dest-1]] = wl; low_prio_counter[dest-1]++; else if (prio==1) high_prio_array[dest-1][high_prio_counter[dest-1]] = wl; high_prio_counter[dest-1]++; EV<<high_prio_counter[dest-1]<<" paketa me ipsili proteraiotita kai " << low_prio_counter[dest-1]<< " paketa me xamili gia tin exodo "<<dest<<"\n"; if (high_prio_counter[dest-1]>=c) for (i=0;i<c;i++) selected_wv[dest-1][i]=high_prio_array[dest-1][i]; else if (high_prio_counter[dest-1]<c && high_prio_counter[dest-1]>0) for (i=0;i<high_prio_counter[dest-1];i++) 79

80 selected_wv[dest-1][i]=high_prio_array[dest-1][i]; for(i=high_prio_counter[dest-1];i<c;i++) selected_wv[dest-1][i]=low_prio_array[dest-1][ihigh_prio_counter[dest-1]]; else if (high_prio_counter[dest-1]==0) for (i=0;i<c;i++) selected_wv[dest-1][i]=low_prio_array[dest-1][i]; for(i=0;i<c;i++) EV<<"selected wavelength "<<selected_wv[dest-1][i]<<" gia tin exodo "<<dest<<" \n"; send(pkt,"out",0); ((number_of_packets_in_buffer/simtime())/16); "<<number_of_packets_in_buffer<<"packets : "<<total_number_of_packets<<"\n"; //EV<<"mesos arithmos paketon sto buffer : "<<average_number_of_packets_in_buffer<<" \n"; Στην συνέχεια ελέγχουμε εάν το συγκεκριμένο μήκος κύματος έχει σταλεί με την μεταβλητή Boolean packet_sent : Αν έχει τιμή true τότε διαγράφουμε το επόμενο αντίγραφο του πακέτου που έχει φτάσει στον couplerx και αυξάνουμε τον μετρητή deleted_times κατά μια μονάδα (έτσι ώστε όταν θα έχουν αποσταλεί όλα τα αντίγραφα του πακέτου από όλες τις FDL το άθροισμα sent_times+deleted_times να έχει τιμή B+1). Αν έχει τιμή false τότε ελέγχουμε αν το πακέτο είναι χαμηλής ή υψηλής προτεραιότητας και αντίστοιχα αποθηκεύουμε το μήκος κύματος του σε έναν από τους πίνακες low_prio_array ή high_prio_array. 80

81 Τέλος, επιλέγεται για κάθε φίλτρο το μήκος κύματος στο οποίο θα συντονιστεί. Αν υπάρχουν πακέτα υψηλής προτεραιότητας επιλέγεται ένα μήκος κύματος από τον πίνακα high_prio_array, διαφορετικά από τον low_prio_array. Αποφασίσαμε να επιλέγεται κάθε φορά η πρώτη (ή οι πρώτες ανάλογα με τον αριθμό των φίλτρων) θέση από τον αντίστοιχο πίνακα, διότι το πακέτο με το συγκεκριμένο μήκος κύματος έχει παραμείνει στο buffer περισσότερο χρόνο filter.ned simple gates: input in; output out; Το φίλτρο σχεδιάστηκε ώστε να συντονίζεται κάθε φορά στο αντίστοιχο μήκος κύματος (ή στα αντίστοιχα μήκη κύματος εάν έχουμε πολλές εξόδους για το buffer), το οποίο έχει επιλεχθεί προηγουμένως στον couplerx. Έτσι, όταν ένα πακέτο φτάνει στο φίλτρο εκεί ελέγχεται άν το μήκος κύματος του είναι ίδιο με το επιλεγμένο μήκος κύματος του φίλτρου : Αν ισχύει, τότε το πακέτο στέλνεται στην έξοδο και ενημερώνονται οι μεταβλητές packet_sent και sent_times. Αν δεν ισχύει, τότε ενημερώνονται οι μεταβλητές packet_sent και deleted_times και το αντίγραφο του πακέτου που έχει φτάσει διαγράφεται. Επίσης, αυξάνουμε τους αντίστοιχους μετρητές για την καθυστέρηση και τον συνολικό αριθμό πακέτων που έχουν σταλεί από το κάθε buffer, ανάλογα κάθε φορά αν το πακέτο είναι υψηλής ή χαμηλής προτεραιότητας. Τέλος, ελέγχουμε αν το πακέτο έχει διαγραφεί οριστικά (deleted_times = B+1). 81

82 filter.cc #include <omnetpp.h> #include "MyPacket_m.h" #include "mylib.h" #include <string.h> class filter : public csimplemodule protected: ; virtual void handlemessage(cmessage *msg); Define_Module( filter ); void filter::handlemessage(cmessage *msg) MyPacket *pkt = check_and_cast<mypacket *>(msg); int dest=pkt->getdestination(); int wl=pkt->getwavelength(); int prio=pkt->getpriority(); if (wl==selected_wv[dest-1][0])//(wl==selected_wv[dest-1][1] wl==selected_wv[dest- 1][0]) send(pkt,"out"); sent_packets_through_buffer++; if (prio==0) 82

83 else total_delay_low = total_delay_low + deleted_times[dest-1][wl-1]; total_delay_high = total_delay_high + deleted_times[dest-1][wl-1]; EV<<"sending wl :"<<wl<<" in exit "<<dest<<" \n"; packet_sent[dest-1][wl-1] = true; sent_times[dest-1][wl-1]++; EV<<"sent_times= "<<sent_times[dest-1][wl-1]<<"\n"; EV<<"del_times= "<<deleted_times[dest-1][wl-1]<<"\n"; else //diaforetika diagrafete to paketo, ayxanoume ton deikti //deleted_times k ston pinaka packet_sent-->false. delete pkt; EV<<"deleting wl :"<<wl<<" in exit "<<dest<<"\n"; packet_sent[dest-1][wl-1]=false; deleted_times[dest-1][wl-1]++; EV<<"sent_times= "<<sent_times[dest-1][wl-1]<<"\n"; EV<<"del_times= "<<deleted_times[dest-1][wl-1]<<"\n"; //an o deiktis deleted_times parei timi B+1 tote to paketo prepei //na diagrafei oristika if (deleted_times[dest-1][wl-1]==b+1) EV<<" oristiki diagrafi wl = "<<wl<<" stin exodo "<<dest<<" \n"; if (prio==0) total_delay_low = total_delay_low + deleted_times[dest-1][wl-1]; 83

84 1][wl-1]; else total_delay_high = total_delay_high + deleted_times[dest- EV<<"average_delay "<<average_delay<<"\n"; if (prio==0) deleted_packets_in_buffer_low++; EV<<"diagegramena paketa me xamili proteraiotita : "<<deleted_packets_in_buffer_low<<"\n"; else deleted_packets_in_buffer_high++; EV<<"diagegramena paketa me ipsili proteraiotita : "<<deleted_packets_in_buffer_high<<"\n"; Οι οντότητες των μετατροπέων μήκους κύματος, του πρώτου συζεύκτη αστέρα (coupler), του δεύτερου συζεύκτη αστέρα (couplerx) και του φίλτρου σχηματίζουν από κοινού μια σύνθετη οντότητα με το όνομα compound2, όπως φαίνεται και στο σχήμα 34. Η υλοποίηση της σύνθετης οντότητας πραγματοποιείται στο αρχείο compound2.ned. Η σύνθετη οντότητα αποτελείται από 18 εισόδους, όπου οι 15 πρώτες συνδέονται απευθείας με τις αντίστοιχες εξόδους, αφού είναι οι άμεσες γραμμές που δεν έχουν 84

85 καθυστέρηση. Οι έξοδοι του compound2 είναι συνολικά δεκάξι. Οι τρείς επόμενες είσοδοι συνδέονται με τους μετατροπείς μήκους κύματος (A = 3). Αμέσως μετά, οι μετατροπείς μήκους κύματος συνδέονται με τον πρώτο συζεύκτη αστέρα, ο οποίος με τη σειρά του συνδέεται με τέσσερις συνδέσεις (όσες και οι γραμμές καθυστέρησης της προσωρινής αποθήκευσης) με τον δεύτερο συζεύκτη αστέρα. Όπως φαίνεται και στον κώδικα, σε κάθε γραμμή καθυστέρησης αποδίδεται αντίστοιχα και μία παράμετρος delay ανάλογα με τη θέση της. Τέλος, ο δεύτερος συζεύκτης συνδέεται με το φίλτρο, το οποίο συνδέεται με την τελευταία έξοδο του compound compound2.ned module compound2 gates: input in[18]; output out[16]; submodules: twc1[3]: coupler1: coupler2: filter1: connections: 85

86 for i=0..14 in[i] --> out[i]; for i= in[i] --> twc1[i-15].in; coupler1.out[0] --> delay = 0s; --> coupler2.in[0]; coupler1.out[1] --> delay = 1s; --> coupler2.in[1]; coupler1.out[2] --> delay = 2s; --> coupler2.in[2]; coupler1.out[3] --> delay = 3s; --> coupler2.in[3]; twc1[0].out --> coupler1.in[0]; twc1[1].out --> coupler1.in[1]; twc1[2].out --> coupler1.in[2]; coupler2.out[0] --> delay = s; --> filter1.in; filter1.out --> out[15]; Σχήμα 34 86

87 Το τελευταίο κομμάτι του σχήματος της προσομοίωσης είναι μια απλή οντότητα που ονομάζεται sink. Σκοπός αυτής της οντότητας να συγκεντρώνει και να διαγράφει όλα τα πακέτα που φτάνουν στο τελικό στάδιο της προσομοίωσης. Έχει 256 θύρες εισόδου (16*16) και όπως είναι λογικό καμία έξοδο sink.ned simple sink gates: input in[256]; Η ουσιαστική λειτουργία της οντότητας sink περιγράφεται σε μία μόνο γραμμή του κώδικα του αρχείου sink.cc και είναι η γραμμή -delete msg; όπου και γίνεται η διαγραφή των πακέτων. Μιας και είναι όμως η τελευταία οντότητα του σχήματος της προσομοίωσης, το sink είναι το ιδανικό σημείο για να συλλέξουμε πληροφορίες και να υπολογίσουμε τον αριθμό των πακέτων που έχουν χαθεί μέσα στην προσωρινή αποθήκευση, τον συνολικό αριθμό πακέτων που έχουν χαθεί, είτε με υψηλή είτε με χαμηλή προτεραιότητα, τις πιθανότητες απώλειας πακέτου είτε πριν είτε μετά την προσωρινή αποθήκευση, καθώς και τις μέσες καθυστερήσεις των πακέτων. Όλοι αυτοί οι υπολογισμοί γίνονται με τη βοήθεια των αντίστοιχων μεταβλητών. 87

88 sink.cc #include <omnetpp.h> #include "mylib.h" class sink : public csimplemodule protected: virtual void handlemessage(cmessage *msg); ; Define_Module( sink ); void sink::handlemessage(cmessage *msg) deleted_packets_in_buffer = deleted_packets_in_buffer_low+deleted_packets_in_buffer_high; deleted_packets_before_buffer = deleted_packets_before_buffer_low+deleted_packets_before_buffer_high; total_deleted_packets = deleted_packets_before_buffer+deleted_packets_in_buffer; total_high_deleted_packets = deleted_packets_before_buffer_high + deleted_packets_in_buffer_high; total_low_deleted_packets = deleted_packets_before_buffer_low + deleted_packets_in_buffer_low; total_loss_prob= log10((double) total_deleted_packets/total_number_of_packets); loss_prob_before_buffer = log10((double) deleted_packets_before_buffer/total_number_of_packets); loss_prob_in_buffer = log10((double) deleted_packets_in_buffer/total_number_of_packets); high_loss_prob = log10((double) total_high_deleted_packets/total_number_of_packets_high); 88

89 low_loss_prob = log10((double) total_low_deleted_packets/total_number_of_packets_low); total_delay=total_delay_high+total_delay_low; average_delay = (double)total_delay/total_number_of_packets; average_delay_high = (double)total_delay_high/total_number_of_packets_high; average_delay_low = (double)total_delay_low/total_number_of_packets_low; average_number_of_packets_in_buffer = (double) ((number_of_packets_in_buffer/simtime())/16); EV<<"diagegramena paketa sto buffer : "<<deleted_packets_in_buffer<<"\n"; EV<<"diagegramena paketa prin to buffer : "<<deleted_packets_before_buffer_low+deleted_packets_before_buffer_high<<"\n"; EV<<"sinolika diagegramena paketa : "<<total_deleted_packets<<"\n"; EV<<"sinoliki pithanotita apoleias paketou"<<total_loss_prob<<"\n"; EV<<"pithanotita apoleias paketou ptin to buffer"<<loss_prob_before_buffer<<"\n"; EV<<"pithanotita apoleias paketou sto buffer"<<loss_prob_in_buffer<<"\n"; EV<<"pithanotita apoleias paketou ipsilis proteraiotitas"<<high_loss_prob<<"\n"; EV<<"pithanotita apoleias paketou xamilis proteraiotitas"<<low_loss_prob<<"\n"; EV<<"sinoliki mesi kathisterisi : "<<average_delay<<"\n"; EV<<"mesi kathisterisi high prio : "<<average_delay_high<<"\n"; EV<<"mesi kathisterisi low prio : "<<average_delay_low<<"\n"; EV<<"mesos arithmos paketon sto buffer : "<<average_number_of_packets_in_buffer<<" \n"; delete msg; // Διαγράφει όσα πακέτα φτάνουν στην έξοδο Απαραίτητη προϋπόθεση για να μπορέσουμε να τρέξουμε την προσομοίωση στο OMNET ++ είναι πέρα από τη δημιουργία των επιμέρους αρχείων που περιγράφουν τη δομή και τη λειτουργικότητα των οντοτήτων της προσομοίωσης, να δημιουργήσουμε και 89

90 ένα αρχείο network.ned, το οποίο περιγράφει τη συνολική δομή του δικτύου, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται μεταξύ τους οι οντότητες, είτε απλές είτε σύνθετες. Το τελικό σχήμα της προσομοίωσης αποτελείται, όπως φαίνεται και στο σχήμα 35, από 16 δεκάξι σύνθετες οντότητες τύπου compound1, που συνδέονται στις εξόδους τους με μία απλή ενότητα μήτρας μεταγωγής τύπου matrix, που συνδέεται στις εξόδους της με δεκάξι σύνθετες οντότητες τύπου compound2, που συνδέονται με τη σειρά τους στις εξόδους τους με μια απλή οντότητα τύπου sink network.ned network netfinal parameters: submodules: com1[16]: com2[16]: mtrx: sink1: connections: //δημιουργούμε τις συνδέσεις 90

91 for i=0..mtrx.n-1, for j=0..(mtrx.m-1) com1[i].out[j] --> delay = s; --> mtrx.in[(i*mtrx.n)+j]; for i=0..mtrx.n-1, for j=0..(mtrx.m-mtrx.c+mtrx.a-1) com2[i].in[j] <-- mtrx.out[i*(mtrx.m-mtrx.c+mtrx.a)+j]; for i=0..mtrx.n-1, for j=0..mtrx.m-1 com2[i].out[j] --> sink1.in[(i*mtrx.n)+j]; Σχήμα 35 Για να δηλώσουμε ένα σύνολο μεταβλητών που θέλουμε να χρησιμοποιηθούν σε πολλά σημεία της προσομοίωσης από πολλές διαφορετικές οντότητες, χρησιμοποιούμε το αρχείο mylib.h 91

92 mylib.h #ifndef MYLIB_H_ #define MYLIB_H_ #define M 16 #define N 16 #define number_of_wavelengths 12 #define C 1 #define B 3 #define A 3 #define high_prio_prob 0.5 extern int number_of_packets_with_high_prio[m];//numbers of //packets with high priority for every output extern int number_of_packets_with_low_prio[m];//numbers of packets //with low priority for every output extern int c1[m]; extern int c2[m]; extern int k[m]; extern int wave_array[m][number_of_wavelengths]; extern int high_prio_array[m][number_of_wavelengths]; // πίνακας όπου αποθηκεύονται τα μήκη κύματος των πακέτων υψηλής προτεραιότητας για κάθε buffer extern int low_prio_array[m][number_of_wavelengths]; //πίνακας όπου αποθηκεύονται τα μήκη κύματος των πακέτων χαμηλής προτεραιότητας για κάθε buffer extern int high_prio_counter[m]; // μετρητής για τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας extern int low_prio_counter[m]; // μετρητής για τα πακέτα χαμηλής προτεραιότητας extern int selected_wv[m][c]; // Το επιλεγμένο μήκος κύματος για κάθε φίλτρο extern bool packet_sent[m][number_of_wavelengths]; // Boolean μεταβλητή η οποία γίνεται true όταν ένα πακέτο με συγκεκριμένο μήκος κύματος σταλεί από τον φίλτρο. 92

93 extern int deleted_times[m][number_of_wavelengths]; // μετρητής για το πόσες φορές κάποιο συγκεκριμένο μήκος κύματος έχει διαγραφεί μέσα στο buffer. Αν πάρει την τιμή B+1 το πακέτο διαγράφεται οριστικά. extern int sent_times[m][number_of_wavelengths]; //Μετρητής για το αν κάποιο μήκος κύματος έχει επιλεγεί από το φίλτρο και έχει σταλεί. extern int deleted_packets_before_buffer_high; extern int deleted_packets_before_buffer_low; extern int deleted_packets_before_buffer; extern int deleted_packets_in_buffer_high; extern int deleted_packets_in_buffer_low; extern int deleted_packets_in_buffer; extern int total_high_deleted_packets; extern int total_low_deleted_packets; extern int total_deleted_packets; extern int sent_packets_through_buffer; extern int total_delay; extern int total_delay_high; extern int total_delay_low; extern double average_delay; extern double average_delay_high; extern double average_delay_low; extern int total_number_of_packets; extern int total_number_of_packets_high; extern int total_number_of_packets_low ; extern int number_of_packets_in_buffer; extern double average_number_of_packets_in_buffer; extern double loss_prob_before_buffer; extern double loss_prob_in_buffer; 93

94 extern double total_loss_prob; extern double high_loss_prob; extern double low_loss_prob; Εκτελώντας την προσομοίωση στο πρόγραμμα OMNET++, το Γραφικό Περιβάλλον Χρήστη (GUI), μας εμφανίζει το σχήμα με τις οντότητες που έχουμε δημιουργήσει, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτές συνδέονται μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο σχήμα 36. Καθώς η προσομοίωση «τρέχει», μπορούμε να δούμε με τη μορφή κόκκινων κουκίδων, την πορεία των πακέτων από τη μία οντότητα στην άλλη, μια λειτουργία του προγράμματος που βοηθά εξαιρετικά το χρήστη να κατανοήσει, να εντοπίσει και στη συνέχεια να διορθώσει πιθανά προβλήματα που υπάρχουν στο δημιουργηθέν πρόγραμμα. Σχήμα 36 94

95 Στο σχήμα 37 μπορούμε να δούμε ότι καθώς εκτελείται η προσομοίωση, το OMNET++ μας εμφανίζει ένα παράθυρο, στο οποίο φαίνονται διαδοχικά όλα τα events που λαμβάνουν χώρα, αλλά και τα αποτελέσματα που έχουμε επιλέξει να εμφανίζονται στην οθόνη μας με την εντολή EV<<. Σχήμα 37 95