TEΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ T.E. ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΔΙΚΤΥΩΝ Πτυχιακή Εργασία Προσαρμογή υφιστάμενων εργαστηριακών ασκήσεων τεχνολογίας δικτύων στο λογισμικό προσομοίωσης δικτύων Riverbed. Σπουδαστής Ποιμενίδης Αλέξανδρος Επιβλέπων Δρ. Πολίτης Αναστάσιος Καθηγητής Εφαρμογών Σέρρες 2015

2 Αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής  Λόγω της εξαγοράς του λογισμικού OPNET από τη Riverbed τον Οκτώβριο του 2012, και της διακοπής της υποστήριξης καθώς και της παροχής αδειών χρήσης του λογισμικού, ήταν αναγκαία η αντικατάσταση του λογισμικού του εργαστηρίου Ασφάλειας και Διαχείρισης Δικτύων και η προσαρμογή των εργαστηριακών ασκήσεων στο νέο αυτό πρόγραμμα.  Θα εξηγήσουμε τι ακριβώς είναι ένας προσομοιωτής και θα παρουσιάσουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης ενός προσομοιωτή.

 Θα αναφέρουμε ποιοι προσομοιωτές δικτύων υπάρχουν σήμερα και θα κάνουμε μια αναφορά για τον καθένα.  Θα εξηγήσουμε τι ακριβώς είναι το πρόγραμμα προσομοίωσης δικτύων Riverbed και θα δώσουμε οδηγίες για το πώς να προσομοιώσει κάποιος τις εργαστηριακές ασκήσεις στο Riverbed.  Τέλος, θα απαντηθούν οι ερωτήσεις των εργαστηριακών ασκήσεων. 3

Εισαγωγή στην Προσομοίωση  Η προσομοίωση (simulation) είναι η αναπαράσταση ενός συστήματος με τη βοήθεια ενός άλλου συστήματος.  Το σύστημα προσομοίωσης «μιμείται» τη συμπεριφορά αυτού που αναπαριστά και συνεπώς επιτρέπει την εξοικείωση με τα χαρακτηριστικά του και την κατανόηση των λειτουργιών του.  Σκοπός της προσομοίωσης είναι η μελέτη ενός συστήματος, ενός φαινομένου, μιας δραστηριότητας, μιας διαδικασίας. 4

 Τα συστήματα προσομοίωσης αποτελούν στις μέρες μας πολύ διαδεδομένες και αποτελεσματικές εφαρμογές στην εκπαιδευτική διαδικασία.  Η εκπαιδευτική προσομοίωση ορίζεται ως ένα μοντέλο κάποιου φαινομένου ή κάποιας δραστηριότητας, το οποίο οι χρήστες χρησιμοποιούν και μαθαίνουν μέσω της αλληλεπίδρασης με την προσομοίωση. 5

Πλεονεκτήματα προσομοίωσης  Μπορεί να κοστίζει λιγότερο από το χειρισμό του πραγματικού συστήματος.  Είναι ασφαλής μέθοδος (π.χ. χειρισμός αεροπλάνου) σε αντίθεση με πολλά από τα πραγματικά πειράματα.  Μπορεί να αποτελεί την μόνη προσέγγιση για την επίλυση κάποιων προβλημάτων (π.χ. μελέτη λειτουργίας ενός απροσπέλαστου συστήματος).  Παρουσιάζει μεγαλύτερη ευαισθησία στην αντίληψη των σχέσεων μεταξύ των προβλημάτων (αφού οι μεταβλητές που μπορούμε να χειριστούμε είναι εμφανείς και προσπελάσιμες από τους χρήστες της προσομοίωσης).  Δίνει τη δυνατότητα επανάληψης του ιδίου φαινομένου κατά βούληση.  Δίνει τη δυνατότητα πλήρους ενόρασης του συστήματος που εξετάζεται από όλες τις πλευρές. 6

Μειονεκτήματα προσομοίωσης  Κάποιες φορές απαιτεί σημαντικό χρόνο ανάπτυξης και μεγάλο κόστος.  Μπορεί να μην είναι η πιο κατάλληλη μέθοδος επίλυσης του προβλήματος.  Δεν εγγυάται ότι θα οδηγήσει στην καλύτερη δυνατή λύση.  Μπορεί να μην αντανακλά με ακρίβεια την υπό μελέτη κατάσταση.  Σε μια προσομοίωση το μοντέλο που την διέπει έχει ήδη δημιουργηθεί από κάποιον άλλο.  Οδηγεί στην ανάγκη για περιβάλλοντα που επιτρέπουν τη δημιουργία μοντέλων. 7

Προσομοιωτές δικτύων  Οι προσομοιωτές δικτύων εξυπηρετούν ένα ευρύ φάσμα αναγκών. Επιτρέπουν στους μηχανικούς και στους ερευνητές να δοκιμάσουν σενάρια που θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα δύσκολο ή δαπανηρό να μιμηθούν χρησιμοποιώντας πραγματικό υλικό.  Στους προσομοιωτές, συνήθως, τα δίκτυα υπολογιστών μοντελοποιούνται με συσκευές, συνδέσεις, εφαρμογές και αναλύεται η επίδοση τους.  Οι χρήστες μπορούν να προσαρμόσουν την προσομοίωση ώστε να καλύψουν συγκεκριμένες ανάγκες τους.  Οι προσομοιωτές συνήθως υποστηρίζουν τα πιο δημοφιλή πρωτόκολλα και δίκτυα που χρησιμοποιούνται σήμερα όπως WLAN, WiMax, TCP, WSN κ.λπ.  Από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μπορούμε να οδηγηθούμε σε συμπεράσματα για την λειτουργία των πραγματικών δικτύων. 8

Περιγραφή των δικτυακών προσομοιωτών που χρησιμοποιούνται ευρέως  Κάποιοι από τους πιο γνωστούς προσομοιωτές που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι ns-2, ns-3, OMNeT++ και NetSim. NS-2 και NS-3 Ο ns (network simulator) είναι ένας προσομοιωτής δικτύων διακριτών γεγονότων. Υπάρχουν οι ns-1, ns-2 και ns-3. Όλοι τους χρησιμοποιούνται κυρίως για έρευνα και διδασκαλία. NS-2  Ο NS-2 Είναι γνωστός στον ακαδημαϊκό κόσμο για την επεκτασιμότητα του, λόγω του ότι είναι ανοικτού κώδικα, και υπάρχει άφθονο υλικό στο διαδίκτυο.  Είναι γραμμένος σε C++ και OTcl (αντικειμενοστραφής έκδοση της γλώσσας TCL).  Έχει ενσωματωμένα τα γνωστότερα δικτυακά πρωτόκολλα όπως πχ τα TCP και UDP και τα πρωτόκολλα εφαρμογής (FTP, Telnet, Web, CBR). 9

NS-3  Κατά τη διαδικασία της ανάπτυξης του ns-3, αποφασίστηκε να μην υπάρχει η προς τα πίσω συμβατότητα με τον ns-2.  Ο νέος προσομοιωτής γράφτηκε από την αρχή, με τη χρήση της C++ και σε μερικές περιπτώσεις με την Python.  Προσπαθεί να λύσει προβλήματα που παρουσιάστηκαν στον NS-2.  Δωρεάν λογισμικό για έρευνα ανάπτυξη και χρήση.  Υπάρχει λιγότερο υλικό που να αφορά τον NS-3 σε σχέση με τον NS-2. 10

11 OMNeT++  Το OMNeT++ (Optical Micro-Networks Plus Plus) είναι ένας αντικειμενοστραφής προσομοιωτής δικτύων διακριτών γεγονότων.  Παρέχει ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (IDE) βασισμένο στο eclipse.  Υποστηρίζει ενσύρματα και ασύρματα δίκτυα, ad-hoc δίκτυα, δικτυακά πρωτόκολλα, δίκτυα ουρών, καθώς και μοντελοποίηση μικροεπεξεργαστών και άλλων συστημάτων hardware.  Υπάρχουν επεκτάσεις για real time προσομοιώσεις, εξομοιώσεις δικτύου, ενσωμάτωση βάσεων δεδομένων.  Δημοφιλής στην επιστημονική κοινότητα καθώς και στη βιομηχανία και έχει δημιουργηθεί μια μεγάλη κοινότητα χρηστών.  Διανέμεται σε ακαδημαϊκά και εκπαιδευτικά ιδρύματα με τη δική του άδεια (Academic Public License) ενώ για εταιρική χρήση απαιτεί μια πληρωμένη άδεια.

12 NetSim  Είναι γραμμένο σε C και Java, χρησιμοποιείται για σχεδιασμό δικτύων καθώς και για έρευνα και ανάπτυξη δικτύων.  Το NetSim καλύπτει ποικίλες τεχνολογίες όπως ασύρματοι δικτυακοί αισθητήρες, ασύρματα δίκτυα, WiMax, TCP, IP, Aloha, Zigbee, LTE, MANET κ.λπ.  Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανίχνευση εισβολέων, κρυπτογράφηση πακέτων και λήψη πακέτων με τη χρήση του Wireshark.

13 Εισαγωγή στο Riverbed  To Riverbed Modeler Academic Edition αντικατέστησε την έκδοση OPNET IT Guru Academic Edition.  Το Riverbed Modeler Academic Edition αποτελεί ένα εξειδικευμένο ακαδημαϊκό εργαλείο στο χώρο των επικοινωνιών, το οποίο προσφέρει τη δυνατότητα με τη βοήθεια ενός γραφικού περιβάλλοντος να μοντελοποιηθούν και να προσομοιωθούν διάφορα είδη δικτύων.  Αποτελείται από μια σουίτα πρωτοκόλλων και τεχνολογίες σε ένα εξελιγμένο περιβάλλον ανάπτυξης. Υποστηρίζει πληθώρα τεχνολογιών και δικτυακών πρωτοκόλλων όπως TCP, VoIP, OSPFv3, MPLS, IPv6, LTE, WiMax κ.α.  Ενσωματώνει εργαλεία για όλα τα στάδια μελέτης και περιέχει σχεδιασμό, προσομοίωση, συλλογή και ανάλυση δεδομένων.

14 Μικρά Διαδίκτυα  Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση με το Riverbed Modeler Academic Edition.  Σε αυτή την άσκηση σχεδιάζουμε την επέκταση του δικτύου μιας μικρής εταιρίας. Η εταιρία έχει ένα δίκτυο τοπολογίας αστέρα στον πρώτο όροφο και έχει σκοπό να προσθέσει άλλο ένα δίκτυο τοπολογίας αστέρα στον δεύτερο όροφο.  Θα δημιουργήσουμε και θα δοκιμάσουμε αυτό το σενάριο ώστε να διαβεβαιώσουμε ότι ο προστιθέμενος φόρτος που προστέθηκε από το δεύτερο δίκτυο δεν θα δημιουργήσει πρόβλημα στο δίκτυο.

15  Όταν δημιουργούμε ένα νέο δικτυακό μοντέλο, θα πρέπει πρώτα να δημιουργήσουμε ένα νέο project και scenario. Το project είναι μια ομάδα από σχετιζόμενα σενάρια, κάθε ένα από τα σενάρια εξερευνεί μια διαφορετική πτυχή του δικτύου. Τα project μπορούν να περιέχουν πολλά σενάρια. Τι άλλαξε στην άσκηση;  Αρχικά έγινε μετάφραση του tutorial.  Αλλαγή της ιδιότητας Applications Definitions του αντικειμένου Sm_Application_Config σε Default.

16  Ή αλλιώς κάνουμε Edit στην ιδιότητα Applications Definitions του αντικειμένου Sm_Application_Config και δημιουργούμε το παρακάτω όπως ακριβώς φαίνεται στην εικόνα.

17 Τι βλέπουμε μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης;  Το φόρτο του δικτύου (Ethernet Load (bits/sec)) μεταξύ των δυο σεναρίων.  Την καθυστέρηση του δικτύου (Ethernet Delay (sec)) μεταξύ των δυο σεναρίων.

18 Μελέτη των επιδόσεων ενός οικιακού δικτύου  Το περιβάλλον προσομοίωσης δίνεται έτοιμο.  Πρόκειται για την μοντελοποίηση ενός οικιακού δικτύου που αποτελείται από τρεις προσωπικούς Η/Υ συνδεδεμένους στο διαδίκτυο.  Οι εφαρμογές που χρησιμοποιούνται είναι η περιήγηση στον παγκόσμιο ιστό, η μεταφορά αρχείων, το , η χρήση ραδιοφώνου (audio streaming), το web tv κ.α.  Αντικείμενο της άσκησης είναι να εκτελέσουμε μερικές προσομοιώσεις (σενάρια) για να διαπιστώσουμε με ποιον τρόπο διαφέρουν οι επιδόσεις της σύνδεσης όταν η οικογένεια συνδέεται σε αυτό μέσω: μιας σύνδεσης α) 4 Mbps β) 8 Mbps γ) 24 Mbps και δ) 50 Mbps.

19 Τι άλλαξε στην άσκηση;  Όλο το project δημιουργήθηκε από την αρχή.  Περισσότερες εφαρμογές.  Αλλάξαμε τους ρυθμούς μετάδοσης. Είχαμε 4 ζεύξεις: α) 20Kbps β)40Kbps γ)512Kbps δ)2Mbps  Κάποιες ερωτήσεις. (Για ποια ταχύτητα ο μέσος χρόνος απόκρισης είναι 0,5sec)

20  Τη χρήση της ζεύξης για όλα τα σενάρια.  Γράφημα Queuing Delay (sec). Τι βλέπουμε μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης;

21 Ethernet  Αντικείμενο της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι η επίδειξη της λειτουργίας των δικτύων Ethernet.  Θα εξετάσoυμε τις επιδόσεις των δικτύων κάτω από διαφορετικά σενάρια λειτουργίας.

22 Τι άλλαξε στην άσκηση;  Έχουμε εννιά διαφορετικά σενάρια αντί για ένα.  Η τιμή της παραμέτρου OFF State Time από exponential(0) σε exponential(0.1).  Ο χρόνος εκτέλεσης της προσομοίωση, από 15sec σε 45sec.  Ο τρόπος με τον οποίο βλέπουμε το γράφημα.

23 Τι βλέπουμε μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης;  Πως επηρεάζεται η διαμεταγωγή του δικτύου τόσο από τον φόρτο όσο και από το μέγεθος των πακέτων.  Συγκρούσεις στον κόμβο 0. Χρόνος μεταξύ των αφίξεων (Interarrival Time): exponential(0.1), exponential(0.05) και exponential(0.025).

24 Hubs ή Switches ?  Αντικείμενο της παρούσας άσκησης είναι η μελέτη των επιδόσεων τοπικών δικτύων τα οποία υλοποιούνται είτε με τη χρήση Hub είτε με Switch.  Στην παρούσα άσκηση θα δημιουργήσoυμε τοπικά δίκτυα χρησιμοποιώντας δυο διαφορετικές συσκευές μεταγωγής, hubs και switch, και θα μελετήσουμε πως επηρεάζεται η διαμεταγωγή και αριθμός των συγκρούσεων από τον τύπο των συσκευών μεταγωγής που χρησιμοποιούνται.

25  Η τιμή της παραμέτρου OFF State Time από exponential(0) σε exponential(0.1).  Τρέχαμε ταυτόχρονα τα δυο σενάρια. Τι άλλαξε στην άσκηση;

26 Τι βλέπουμε μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης;  Βλέπουμε πως η προσθήκη του switch βελτιώνει τη διαμεταγωγή (throughput) και την καθυστέρηση (delay) στο δίκτυο.  Τις συγκρούσεις και για τα δυο σενάρια.

27 Σχεδιασμός ενός πλήρους δικτύου  Αντικείμενο της παρούσας άσκησης είναι η μελέτη του τρόπου με τον οποίο διαφορετικές αποφάσεις για τον σχεδιασμό ενός δικτύου μπορούν να επηρεάσουν τις επιδόσεις του.  Στην παρούσα άσκηση προσομοιώνεται ένα μοντέλο τοπικού δικτύου (LAN) μιας εταιρίας η οποία αποτελείται από τέσσερα τμήματα: το Τμήμα Έρευνας (Research), το Τεχνικό Τμήμα (Engineering), το Τμήμα Πωλήσεων (Sales) και το Τμήμα Ηλεκτρονικού Εμπορίου (E- Commerce).  Σκοπός της άσκησης είναι η επίδειξη του σχεδιασμού ενός δικτύου λαμβάνοντας υπόψη τους χρήστες, τις υπηρεσίες και τη θέση των υπολογιστών.

28 Τι άλλαξε στην άσκηση;  Είχαμε Background Utilization 99%.  Είχαμε ταυτόχρονη εκτέλεση των προσομοιώσεων.

29 Τι βλέπουμε μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης;  Το Page Response Time (seconds) των δυο σεναρίων για όλο το δίκτυο.

30 Firewalls  Αντικείμενο της παρούσας άσκησης είναι η εξοικείωση του σπουδαστή με το ρόλο των firewall τα οποία προστατεύουν την πληροφορία στους εξυπηρετητές παρέχοντας πρόσβαση σε πελάτες με τα κατάλληλα δικαιώματα.

31 Τι άλλαξε στην άσκηση;  Είχαμε firewalls και VPNs, τώρα μόνο firewalls.  Είχαμε ταυτόχρονη εκτέλεση των προσομοιώσεων.

32 Τι βλέπουμε μετά την εκτέλεση της προσομοίωσης;  Traffic Received (bytes/sec) του πελάτη DataBase για τον κόμβο Α.  Traffic Received (bytes/sec) του πελάτη Http για τον κόμβο Α.

33 Ευχαριστώ. Ποιμενίδης Αλέξανδρος