CC BY
20
Milovan Kostadinović-Dišović,
potporučnik, dipl. inž.
VP 1439 Beograd
Dragan Ilić,
potporučnik, dipl. inž.
VP 3233 Beograd
Rezime:
SIMULACIJA RADA OPTICKE MREZE POMOĆU SIMULATORA NS-2
UDC: 621.39
Optički multipleks zasnovan na talasnoj dužini nosioca OWDM1 je tehnologija mreža iden-tifikovana kao odgovarajuća buduća širokopojasna mrežna okruženja, sa dokazanim mogućnosti-ma u pogledu odgovora napovećane zahteve navedenih mreža i kratkom vremenu za uspostavlja-nje komunikacija. Buduće optičke širokopojasne mreže OWAN2 zahtevaju stvaranje odgovaraju-ćih mrežnih protokola i algoritama koji treba da odgovore na promenljive operativne zahteve.
Ključne reči: višetalasni dupleks link, simulacija, srednja brzina dolazećeg saobraćaja, sred-nje vreme zadržavanja saobraćaja, komutacija fotonskogpaketskog prenosa, višeprotokolsko lambda komutiranje, kružna komutacija.
SIMULATION OF OPTICAL NETWORK OPERATION USING SIMULATOR NS-2
Summary:
Optical wavelenght division multiplexing (WDM3) networking technology has been identified as a suitable candidate for future wide area network (WAN4) enviroments, due ti its potential ability to meet rising demands of high bandwith and low latency communication. Networking protocols and algorithms are being developed to meet the changing operational requirements in future optical WANs (OWAN).
Key words: duplex fiberlink, simulation, mean session arrival rate, mean session holding rate, photonic packet switching, multi-protocol lambda switching, circuit switching.
Uvod
Imajući u vidu da je simulacija postala neophodan alat u opštem ispitivanju mreža, kada istraživači mogu brzo i bez troškova da procene karakteristike novih proto kola, postavlja se pitanje same suš-tine jednog ovakvog poduhvata. Glavni problemi pri izradi jednog simulatora je-su, pre svega, uniformno mrežno okruže-nje, kao i razmatranje samog dizajna si-mulatora. Naime, problem uniformnog
1 OWDM - Optical Wavelength Division Multiplex — Multiplex zasnovan na talasanoj dužini nosioca.
2 OWAN - Optical Wide Area Network.
okruženja odnosi se na samu srž rada si-mulatora koja se u ovom slučaju odnosi na mrežni sloj (rutiranje, dodela talasnih dužina, itd.).
Skoro ceo prioritetni deo ovakvog gledišta WDM mreža baziran je na simu-lacionim modelima dizajniranim speci-fično za taj problem. Znajući da postoje različite simulacione platforme i pretpo-stavke, teško je iskoristiti postojeće pro-tokole i uporediti rezultate pod običnim simulacionim okruženjem. Univerzalno
3 WDM - Wavelength Division Multiplex.
4 WAN - Wide Area Network.
192
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
simulaciono mrežno okruženje koje bi omogućilo upoređivanje ključnih karak-teristika WDM mreža postalo je neop-hodno. To bi obezbedilo razvojnim timo-vima WDM mreža okvir za rad i laku implementaciju novih protokola i karak-teristika WDM mreža koje se nalaze u ekspanziji, i lakše upoređivanje dobijenih rezultata, što uključuje ponovno korišće-nje postojećih protokola i komponenti si-mulacija. Što se tiče dizajna simulatora treba istaći da na tržištu postoji veliki broj simulatora, kako besplatnih, tako i komercijalnih, specifično urađenih, za određene namene [1]. Okosnicu simulatora NS-2, po ovom pitanju, predstavlja C++ jezik u saradnji sa OTcl5. Naime, samu funkcionalnost elemenata u svakoj vrsti simulacije koju podržava NS-2 obezbeđuje C++ programski jezik, dok povezivanje elemenata i definisanje same topologije mreže mora da se izvede po-moću jezika OTcl.
Arhitektura komutacije optičkog
simulatora
Arhitektura zastupljena u optičkom simulatoru dizajnirana je tako da se prila-godi specifičnim karakteristikama potreb-nim simulaciji u WDM mreži. Na osnovu toga treba istaći da optički simulator, za-snovan na NS-2 platformi, radi sa fizič-kom i logičkom topologijom mreže.
Elementi koji se javljaju na fizič-kom planu mreže su komutacioni čvorovi sa optičkom komutacijom, kao i linkovi sa višestrukim talasnim dužinama. Znači, na ovom nivou posmatraju se upravo ele-
5 Otcl — Object Technical Language - programski jezik koji je razvijen u SAD.
menti od kojih esencijalno zavisi meha-nizam putanje paketa kroz simuliranu mrežu. Logički sloj obuhvata module ru-tiranih putanja i module za dodeljivanje talasnih dužina WA6, koji zajedno stva-raju i održavaju virtuelnu topologiju mre-že. Na ovom nivou ostvaruje se usposta-vljena optička putanja, kao i centralizo-vana višekanalna struktura odgovorna za ukupan uvid o ostvarenim putanjama i is-korišćenim talasnim dužinama.
Verzija korišćena u ovom radu podr-žava kružnu komutaciju, dok su imple-mentacija komutacije velike količine sao-braćaja OBS7, zatim komutacije foton-skog paketskog prenosa, kao i višeproto-kolskog lambda komutiranja predviđeni za neki budući rad. Uvođenjem navedenih tehnologija znatno će se promeniti sama struktura rada optičke mreže, ako se ima u vidu kakve prednosti one donose.
Komponente optičkog simulatora
NS-2 i iniciranje saobraćaja
Vrlo bitno pitanje predstavlja uvo-đenje novih komponenti u postojeći mre-žni simulator NS-2, koje treba da obez-bede odgovarajući rad i simulaciju optič-kih komponenti, kao i njihovu međusob-nu interakciju. Optički komutacioni čvor, višetalasni linkovi, moduli za rutiranje i modul za dodelu talasnih dužina imple-mentirani su u simulator NS-2 kao po-sebne komponente koje se uvode poseb-nim naredbama OTcl jezika: WDMNode, duplex - FiberLink, RouteLogic/Wave-length i WAssignLogic.
6 WA - Wavelength Assignment - dodeljivanje tala-snih dužina.
7 OBS — Optical Burst Switching - optička komutacija.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
193
WDMNode predstavlja optički čvor koji je izveden iz postojeće definicije čvora, prisutne u samom mrežnom simu-latoru NS-2. U njemu se vrše dve vrste klasifikacije po pitanju ulaza (porta) i po pitanju optičke putanje. Klasifikator por-tova demultipleksira i prenosi pakete do njihovih odredišta, koji su objekti poseb-ne klase unutar simulatora po imenu Ap-plication/SessionTraffic. Klasifikator pu-tanja sarađuje sa WAssignLogic kompo-nentom logike, kako bi uspostavio putanje za dolazni saobraćaj i dopunjuje novim in-formacijama trenutno stanje virtuelne topo-logije. Ovaj klasifikator, kod izvornog čvo-ra, uvek pokušava da reši zahteve za putanje za svoj generisani saobraćaj ka WAssign-Logic komponenti.
Klasični dupleks link, prisutan u si-mulatoru NS-2, dopunjen je kako bi se formirao višetalasni dupleks link ozna-čen kao duplex-FiberLink [3]. Naravno, on ima određene dodatne osobine koje karakterišu upravo njegovu namenu pri optičkoj komunikaciji, kao što su broj ta-lasnih dužina i prošireni opseg, što je, pak, iskorišćeno za modelovanje karakte-ristika optičkih linkova. Druga bitna raz-lika u odnosu na postojeće klasične lin-kove prisutne u simulatoru NS-2 jeste odsutnost komponente čekanja u višeta-lasnom linku zbog činjenice da se takva osobina ne sme očekivati u modernim optičkim vezama.
Modul odgovoran za procenu pri dodeli talasnih dužina, uspostavljanje ve-za i pravljenje virtuelne topologije ozna-čen je kao WA modul u hijerahijskom konceptu optičkog simulatora NS-2. Ovaj modul sadrži logiku koja čuva in-formacije potrebne pri izračunavanju i dodele talasnih dužina. Takođe, moguće
je implementirati i nove algoritme za do-delu talasnih dužina upotrebom preno-snih klasa objekta WAssignLogic.
Modul rutiranja je, sa određenim iz-menama, prenesen iz klasičnog simulatora NS-2 zbog činjenice da su algoritmi rutiranja postojećih mreža slični, po funkcionalnosti, sa rutiranjem u WDM mrežama. Kao početni algoritam rutira-nja, optički simulator koristi algoritam sa fiksnom - alternativnom i najkraćom putanjom (engl. fixed-alternate shortest path).
Generisanje saobraćaja ima značaj-nu ulogu u simulaciji, radi pravilnog shvatanja performansi sistema. U simulatoru NS-2, postojeći izvori saobraćaja, kao što su CBRS, Exponential i Pareto, dizajnirani su tako da su sposobni za si-mulacije paketskog prenosa. Prema tome, upravo ovde su i napravljene najveće izmene, kako bi se izašlo u susret komu-taciji kola prisutnoj u optičkoj komunikaciji, na ovom nivou razvoja simulatora.
Da bismo opisali saobraćaj u mreži, moramo se upoznati sa dva važna para-metra: srednjom brzinom dolazećeg sao-braćaja (MSAR)9 i srednjim vremenom zadržavanja saobraćaja (MSHT)10. Oba parametra mere se saobraćajem između izvora i odredišta. Proizvod MSAR i MSHT predstavlja saobraćaj meren u er-lanzima i za svaki prenos - distribucija dolaznih paketa je uzeta kao CBR, Exponential ili Pareto. Takođe, postojeći alat za generisanje scenarija prisutan u simu-latoru NS-2 proširen je dodacima za ge-nerisanje topologije i saobraćaja. Narav- * 9 10
* CBR - Constant Bit Rate.
9 MSAR - Mean Session Arrival Rate - srednja brzina dolazećeg saobraćaja.
10 MSHT - Mean Session Holding Time - srednje vre-me zadržavanja saobraćaja.
194
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
no, u svakom trenutku moguće je izgene-risati željenu topologiju i karakteristike mreže prema nekom specifičnom zahte-vu, a moguće je obaviti i veliki broj me-renja na nekom slučajno uzetom uzorku i primeru mreže.
Vizuelni prikaz i simulacija u
simulatoru NS-2
Za vizuelno prikazivanje rada simu-lacije optički simulator koristi već posto-jeći alat implementiran u simulatoru NS--2, označen kao nam. nam, koji čita izla-zni rezultat koji je generisao simulator NS-2, i koji daje vizuelni prikaz. Prikaz protoka je uobičajen i predstavljen paket-skom animacijom. Da bi se podržao rad WDM mreža, ekstenzije uvedene u nam alatu daju prikaz dva stanja: posmatranje događaja i statistiku virtuelne topologije.
Posmatranje događaja uvedeno je radi prikazivanja paketskog prenosa u virtuelnoj tehnologiji, kao što je, na primer, zahtev za prenošenje dolaznog sao-
braćaja. Posmatranje se može aktivirati u novom, odvojenom prozoru ili u okviru glavnog prozora. Klikom na određeni do-gađaj u mreži ponavljanje tog događaja se momentalno prikazuje tamo gde se pojavio. To omogućuje da se detektuju i ispitaju zanimljivi momenti. Izgled kla-sičnog primera topologije mreže prika-zan je na slici 1.
Primer simulacije koji je urađen ko-rišćenjem optičkog simulatora NS-2 ima niz pogodnosti, i pored činjenice da nije urađen kao primer jedne konkretne i pri-menjene optičke mreže, što bi predstavlja-lo pravi smisao jednog ovakvog rada i izazov za autore i njihov budući rad. Kao i većina simulacija koje funkcionišu pod ovim linux baziranim simulatorom, i ova se simulacija sastoji od dva bitna dela [4].
U jednom je moguće definisati i me-njati čitav niz različitih parametara bitnih za rad simulacije i krajnje rezultate, dok se u drugom pozivaju različite procedure kojima se kontroliše rad i simulacija de-finisane mreže. Već je istaknuto da je
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
195
sam simulator NS-2 baziran na OTcl pro-gramskom jeziku, koji svoju podršku za-tim nalazi u C++ okruženju, na kojem je i zasnovan ovaj linux mrežni simulator, tako da je neophodno poznavanje ovog jezika za pisanje programskog koda.
Protokol koji je implementiran u op-tički deo ovog simulatora, a koji se odno-si na proceduru dodele talasnih dužina, označen je kao FirstFit, dok je protokol odgovoran za rutiranje WDMStatic. Ova dva protokola rešavaju najbitniji problem po pitanju rutiranja pri prenosu u optič-kom domenu RWA11. Zbog činjenice da je moguće definisati čitav niz parametara po pitanju izgleda same mreže u ovoj si-mulaciji (broj čvorova, propusni opseg linka, broj talasnih dužina po svakom lin-ku), topologija mreže se proizvoljno bira pomoću slučajnog uzorka.
Zahvaljujući promeni parametara mo-guće je ispitivati različita ponašanja u mre-ži. Naravno, ostavljena je mogućnost defi-nisanja sasvim konkretne i unapred defini-sane mreže, pomoću odgovarajućih naredbi implementiranih u optički simulator. Kao krajnji rezultat dobija se izlazni fajl u kojem se nalaze izračunate vrednosti određe-ne simulacije, a koje se odnose na srednje kašnjenje paketa u mreži, verovatnoću blo-kiranja na pojedinačnom linku, iskorišće-nost linka, kao i srednji broj hopova u mre-ži. Izmenama određenih parametara mogu se dobiti različite krive zavisnosti ispitivane mreže, od kojih su neke date na sledećim slikama. Krive prikazane na slikama dobi-jene su korišćenjem klasičnih statističkih alata za obradu podataka, pri čemu su po-daci uzeti iz rezultujućeg fajla simulacije.
11 RWA - Routing Wavelengt Assignment - rutiranje u optičkom domenu.
Na slikama 2 i 3 dati su prikazi za po dve putanje: putanja 1 i putanja 2. Za obe putanje dati su prikazi za 48 i 64 ta-lasne dužine.
Sl. 2 - Zavisnost srednjeg broja hopova u mreži od faktora konverzije talasne dužine
Sl. 3 - Zavisnost srednjeg broja hopova u mreži od saobraćaja koji se prenosi
Mogućnost konverzije talasnih duži-na u mreži primenjena je uz korišćenje modela konverzije talasne dužine, izraže-na u procentima (engl. Sparse wavelength conversion), i parametar koji predstavlja procenat čvorova u mreži koji imaju mo-gućnost konverzije talasne dužine, a uve-den je u simulaciju pod ovim imenom i tokom simulacije se može menjati.
196
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
Zaključak
Imajući u vidu kakve prednosti donosi postojanje jedne ovakve infrastrukture, s razlogom se mogu navesti mnogobrojne pogodnosti jednog detaljnog simuliranog procesa koji treba sprovesti, kako bi se u potpunosti mogle sagledati mogućnosti op-tičke mreže, čak i pre same njene izgradnje. Naravno, gusti multipleks, zasnovan na ba-zi talasnih dužina (DWDM - Dense Wavelength Division Multiplex), već je sada re-alna potreba, pa treba raditi na implementa-ciji, kako simulacije, tako i same mreže.
Konačni cilj svakako predstavlja ko-mutacija i rutiranje u samom i isključi-vom optičkom domenu pomoću uređaja tipa OSR12, koji predstavlja optički ruter,
što je sigurno izazov za budućnost i sam mrežni simulator NS-2, pošto se planira uvođenje modula za podršku rada ova-kvog uređaja u budućim rešenjima ovog softverskog alata.
Budući radovi u ovoj oblasti zahteva-ju korišćenje već postojećih rezultata, na primeru primene jedne konkretne optičke mreže, sa navedenim načinom prenosa in-formacija, čija će se implementacija zahte-vati i u sistemu veza Vojske Srbije.
Literatura:
[1] http://www.isi.edu
[2] Somani, A. K.: Survivability and traffic grooming in WDM optical networks, Cambridge University Press 2005.
[3] Green, P.: Progress in optical networking, IEEE Communications Magazine, Jan. 2001.
[4] Fall, K., Varadhan, K.: The ns manual, VINT Project, 2001.
12 OSR - Optical Switching Router - optički ruter.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.
197
