Άσκηση 1 η Τοπικά Δίκτυα Δεδομένων (LANs) 1. Σκοπός της άσκησης Η τεχνική CSMA εφαρμόζεται σήμερα στα περισσότερα ενσύρματα πολλαπλής πρόσβασης τοπικά δίκτυα - μικρής έκτασης - ως η οικονομικότερη και γρηγορότερη λύση δικτύωσης των χρηστών τους. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική, η οποία βασίζεται στην τεχνολογία Code Division Multiple Access (CDMA), οι χρήστες του δικτύου έχουν πρόσβαση σε αυτό μέσω ενός κοινού καναλιού επικοινωνίας το οποίο "μοιράζονται". Σε ένα τέτοιο δίκτυο, ο κάθε χρήστης ελέγχει πρώτα εάν το κανάλι επικοινωνίας είναι ελεύθερο (δεν είναι δηλαδή κατειλημμένο από κάποιον άλλο χρήστη) και έπειτα αρχίζει την εκπομπή/λήψη δεδομένων μέσα από αυτό. Σε αντίθετη περίπτωση, περιμένει για κάποιο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και έπειτα ξαναπροσπαθεί. Έτσι αποφεύγεται η αυθαίρετη πρόσβαση των χρηστών στο δίκτυο (και συνεπώς η δημιουργία συγκρούσεων των πακέτων τους - collision), ιδιαίτερα όταν ήδη κάποιος χρήστης χρησιμοποιεί το κανάλι επικοινωνίας. Στην περίπτωση όμως που δύο ή περισσότεροι χρήστες προσπαθήσουν ταυτόχρονα να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο ενώ προηγουμένως έχουν ελέγξει ότι αυτό ήταν ελεύθερο, τότε ξεκινούν την μετάδοση πακέτων πάνω από το κανάλι επικοινωνίας με αποτέλεσμα την δημιουργία "συγκρούσεων" (Collision) μεταξύ των πακέτων αυτών των χρηστών. Συνεπώς τα πακέτα αυτών των χρηστών δεν φτάνουν ποτέ στον προορισμό τους. ενώ παράλληλα οι χρήστες δεν γνωρίζουν (έγκαιρα) τι έχει συμβεί, έτσι ώστε να τα ξαναστείλουν. Η πιθανότητα δημιουργίας τέτοιου είδους συγκρούσεων σε ένα τέτοιο δίκτυο αυξάνει όσο αυξάνει ο αριθμός των χρηστών, μειώνοντας παράλληλα την απόδοση του δικτύου (π.χ. ταχύτητα μεταφοράς αρχείων, throughput, κτλ.). Η βελτίωση των επιδόσεων ενός τέτοιου δικτύου προϋποθέτει την χρήση ενός επιπλέον πρωτοκόλλου επικοινωνίας, βάσει του οποίου θα δίνεται η δυνατότητα, στους χρήστες, ελέγχου ύπαρξης collision κατά την εκπομπή των πακέτων. Η τεχνική CSMA/CD είναι μια βελτιωμένη έκδοση του απλού CSMA πρωτοκόλλου επικοινωνίας η οποία προσφέρει όλα τα παραπάνω καθιστώντας τους χρήστες ικανούς να ανιχνεύουν τις πιθανές συγκρούσεις στα πακέτα τους, ιδιαίτερα στην περίπτωση πολλαπλής και ταυτόχρονης πρόσβασης στο κοινό κανάλι επικοινωνίας. Η τεχνική αυτή βελτιώνει αισθητά την επίδοση του δικτύου, ελαχιστοποιώντας τις πιθανότητες δημιουργίας collision σε αυτό, χωρίς όμως και να τις μηδενίζει. Σκοπός λοιπόν αυτής της άσκησης είναι να γνωρίσει ο σπουδαστής τα βασικά χαρακτηριστικά των τοπικών δικτύων δεδομένων (Local Area Networks - LANs) που κάνουν χρήση της τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) και πιο συγκεκριμένα του IEEE 802.3 - Ethernet. Χρησιμοποιώντας το λογισμικό πακέτο εξομοίωσης "ComNet", θα πρέπει να σχεδιάσουν, δημιουργήσουν και τέλος να μελετήσουν την λειτουργία τέτοιων δικτύων και να παρουσιάσουν μια αναφορά η οποία θα περιλαμβάνει τα αποτελέσματά των μετρήσεων καθώς και τα συμπεράσματά τους σχετικά με την επίδοση και τη συμπεριφορά αυτών των δικτύων.
2. Περιγραφή Μοντέλου Το δίκτυο που αρχικά θα πρέπει να υλοποιηθεί αποτελείται από 2 σταθμούς εργασίας (Users) και έναν Εξυπηρετητή (Server), που επικοινωνούν με την τεχνική CSMA και CSMA/CD. Το εύρος ζώνης του είναι 10Mbps. Ονομάστε τους σταθμούς εργασίας User 1 και User 2 τον Server σαν Server 1. Το δίκτυο στην τελική του μορφή θα πρέπει να είναι όπως αυτό του σχήματος 1. Σχήμα 1. Τοπικό δίκτυο LAN Παράμετροι του Server Name: Server 1 Type: Processing Node Parameters: Default Παράμετροι των Users Name: User 1, User 2 Type: Processing Node Parameters: Default Παράμετροι του LAN Name: LAN Type: CSMA/CD Parameters: 802.3 Ethernet 10BASE5 Για να θέσετε την IEEE 802.3 Ethernet 10BASE5 παράμετρο, ακολουθήστε το link των parameters, όπως φαίνεται στο σχήμα 2 (το κουμπί που είναι μέσα στον κύκλο). Το αποτέλεσμα θα είναι να εμφανιστεί το παράθυρο "CSMA/CD parameters". Από την αριστερή στήλη επιλέξτε το IEEE 802.3 Ethernet 10BASE5, και με την επιλογή "Copy>>>" φέρτε το στην δεξιά στήλη. Το τελικό αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι όπως αυτό στο σχήμα 3. Έπειτα επιλέξτε "Done" και επιστρέψτε στην επιφάνεια εργασίας.
Σχήμα 2. Σχήμα 3. 3. Επικοινωνία Δικτύου Κάθε σταθμός εργασίας (User) θα δημιουργεί ένα μήνυμα (communication message) που θα έχει προορισμό μόνο τον Server. Το μήνυμα αυτό θα αντιπροσωπεύει μία "αίτηση μεταφοράς αρχείου" (File transfer request) από τον Server προς τον αντίστοιχο User. Όταν ο Server λάβει την αίτηση, θα πρέπει να απαντήσει σε αυτή με κάποιο "αρχείο απάντησης" (Response message) που θα απευθύνεται στον αντίστοιχο User. Το δίκτυο λοιπόν θα πρέπει να περιλαμβάνει: Αίτηση μεταφοράς αρχείου (Communication message) Message Name: Msg 1, Msg 2. Scheduled by: Iteration time. Interarrival time: 1.0 (First and Last arrivals = None, κοιτάξτε το σχήμα 4). Message size calc: Probability distribution. Probability Distribution: 1000 (κοιτάξτε το σχήμα 5). Destinations: Random list (ανοίξτε το Edit Destination μενού και επιλέξτε μόνο τον
Server 1). Packet/Protocol: TCP/IP MicrosoftV1.0 (κοιτάξτε το σχήμα 6). Θέστε ως Flow Control το Sliding Window και Απενεργοποιήστε τις επιλογές για Open και Close. Τέλος, αφήστε όλες τις άλλες παραμέτρους όπως έχουν με τις Default values. Σχήμα 4. Σχήμα 5.
Αρχείο απάντησης (Response message) Σχήμα 6. Response Name: Server Resp (επιλέξτε και την παράμετρο "Suppress Warning about *" όπως φαίνεται στο σχήμα 7). Message size cal: Probability distribution. Probability Distribution: 10.000 (κοιτάξτε το σχήμα 8). Packet/Protocol: TCP/IP MicrosoftV1.0 (κοιτάξτε το σχήμα 9). Αφήστε όλες τις άλλες παραμέτρους όπως έχουν με τις Default values. Σχήμα 7.
Σχήμα 8. Σχήμα 9.
4. Δημιουργία Αναφοράς (Report) Ανοίξτε το Report Menu και επιλέξτε Select Report. Κάντε τις παρακάτω ρυθμίσεις: Για τα Links επιλέξτε (ON κατάσταση) το "Channel utilization" και το "Collision Stats" (κοιτάξτε το σχήμα 10). Για τις Αιτήσεις Μεταφοράς Αρχείου και τα Αρχεία Απάντησης επιλέξτε το "Message delivered" και "Message Delay" (κοιτάξτε το σχήμα 11). Για τα Nodes (User και Server) επιλέξτε το "Received Message Counts" (κοιτάξτε το σχήμα 12). Σχήμα 10. Σχήμα 11.
Σχήμα 12.
5. Ερωτήσεις 1. Εξομοιώνοντας το δίκτυο που δημιουργήσατε για 1 λεπτό (δες σχήμα 13 για 60 seconds) θα δείτε (ανοίγοντας το αρχείο "Stat1.rpt" από το Report/Browse reports) την αναφορά του σχήματος 14. Διαβάστε προσεχτικά τα αποτελέσματα της εξομοίωσης που δείχνει αυτή η αναφορά. Πόσες αιτήσεις αρχείου έκανε κάθε User προς τον Server και γιατί; Πόσες απαντήσεις έστειλε ο Server συνολικά (και στους δύο Users) και ξεχωριστά (στον κάθε User); (5%) User 1 προς Server: User 2 προς Server: Server προς User 1: Server προς User 2: Server προς User 1 και User2: Αιτιολόγηση:
2. Βάσει του μοντέλου που δημιουργήσατε, ο κάθε User και ο Server μεταφέρουν κάποια ποσότητα πληροφορίας μέσα από το δίκτυο, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος των αρχείων αίτησης μεταφοράς και απάντησης. Έτσι, στην διάρκεια του ενός λεπτού πόσα Bytes (ή Bits) μεταφέρθηκαν μέσα από το κανάλι; Θεωρώντας ότι το κανάλι (Ethernet 10BASE5) μπορεί να μεταφέρει 10.000.000Bits το δευτερόλεπτο (συνεπώς 60x10.000.000=600.000.000Bits σε 1 λεπτό), πόση είναι η επί τις εκατό χρησιμοποίηση (Utilisation) του καναλιού επικοινωνίας; Υπολογίστε αυτό το Utilisation και συγκρίνετέ το με αυτό της αναφοράς του ComNet. (5%) Bytes ή Bits που μεταφέρθηκαν από το κανάλι: Utilisation Δικτύου: Υπολογισμός Utilisation:
3. Πόσο χρόνο χρειάζεται ο κάθε user για να μεταφέρει ένα αρχείο απάντησης από τον Server, από την στιγμή που θα το ζητήσει από αυτόν; Θεωρώντας ότι η ωφέλιμη ταχύτητα μεταφοράς (throughput) του αρχείου σε κάθε χρήστη ορίζεται ως το πηλίκο του μεγέθους του αρχείου που μεταφέρθηκε προς τον χρόνο μεταφοράς του, υπολογίστε το throughput του συγκεκριμένου δικτύου για κάθε χρήστη και συνολικά. Παρατηρήστε και καταγράψτε τον αριθμό των collision episodes, collide frame, multiple collision episodes. (5%) Χρόνος μεταφοράς αρχείου για τον User 1: Χρόνος μεταφοράς αρχείου για τον User 2: Throughput User 1: Throughput User 2: Αριθμός Collision Episodes: Αριθμός Collide Frames: Multiple Collision Episodes:
4. Επαναλάβετε την εξομοίωση με αρχείο απάντησης μεγέθους 1.000.000Bytes. Σχολιάστε τα αποτέλεσμα της αναφοράς του ComNet. (5%) User 1 προς Server: User 2 προς Server: Server προς User 1: Server προς User 2: Server προς User 1 και User2: Bytes ή Bits που μεταφέρθηκαν από το κανάλι: Utilisation Δικτύου: Χρόνος μεταφοράς αρχείου για τον User 1: Χρόνος μεταφοράς αρχείου για τον User 2: Throughput User 1: Throughput User 2: Αριθμός Collision Episodes: Αριθμός Collide Frames: Multiple Collision Episodes:
5. Επαναλάβετε την εξομοίωσή με 3, 4 και 5 συνολικά Users στο δίκτυο (προσθέτοντας σταδιακά 1, 2 και τέλος 3 χρήστες), ίδιους με αυτούς που δημιουργήσατε στην αρχή της άσκησης, οι οποίοι να ζητούν το ίδιο αρχείο από τον Server. Αναφερθείτε και σχολιάστε τι συμβαίνει σχετικά με το Utilisation του δικτύου, το Throughput του κάθε χρήστη και τον αριθμό των collision episodes, για κάθε περίπτωση. Δώστε τους αντίστοιχους πίνακες τιμών και σχεδιάστε την γραφική παράσταση αυτών σε συνάρτηση με τον αριθμό των ενεργών User που έχει κάθε φορά το μοντέλο σας (Σχήμα 15). (15%) Utilisation δικτύου με: 3 Users: 4 Users: 5 Users: Throughput με 3 χρήστες: User 1 User 2 User 3 Throughput με 4 χρήστες: User 1 User 2 User 3 User 4 Throughput με 5 χρήστες: User 1 User 2 User 3 User 4 User 5 Collision Episodes με: 3 Users: 4 Users: 5 Users:
6. Σχολιάστε τα συμπεράσματά σας όσον αφορά την λειτουργία και απόδοση αυτών των δικτύων. (15%) Η σωστή και τεκμηριωμένη εξήγηση των αποτελεσμάτων βαθμολογείται με 35%, η ολική παρουσία της εργασίας σας βαθμολογείται με 10%, η χρήση και αναφορά σε εξωτερικές πηγές πληροφορίας (π.χ. βιβλία, Journals, Journals, Conference proceedings, κτλ.) με 5%. Για κάθε εβδομάδα καθυστερημένης παράδοσης η εργασία βαθμολογείται με -20%. Σχήμα 13. Σχήμα 14.
Network utilisation % 1 2 3 4 5 Number of simultaneous users Throughput (Mbps) Number of collision episodes 1 2 3 4 5 Number of simultaneous users 1 2 3 4 5 Number of simultaneous users Σχήμα 15.