Имитационное моделирование компьютерных сетей

Министерство Образования РФ.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МАШИНОСТРОЕНИЯ.

«Имитационное моделирование компьютерных сетей.» наименование темы

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине:

Компьютерные сети

1 050 00 00 ПЗ обозначение документа

ВЫПОЛНИЛИ СТУДЕНТЫ ГРУППЫ ИСМ-99-1_Казаков П, Харченко И подпись
Нормоконтролер _Бахвалов С.В._____ подпись

Курсовой проект защищен с оценкой______________

Иркутск 2002

Понятие и цели моделирования
Эффективность построения и использования корпоративных информационных систем стала чрезвычайно актуальной задачей, особенно в условиях недостаточного финансирования информационных технологий на предприятиях.
Критериями оценки эффективности могут служить снижение стоимости реализации информационной системы, соответствие текущим требованиям и требованиям ближайшего времени, возможность и стоимость дальнейшего развития и перехода к новым технологиям.
Основу информационной системы составляет вычислительная система, включающая такие компоненты, как кабельная сеть и активное сетевое оборудование, компьютерное и периферийное оборудование, оборудование хранения данных
(библиотеки), системное программное обеспечение (операционные системы, системы управления базами данных), специальное ПО (системы мониторинга и управления сетями) и в некоторых случаях прикладное ПО.
Наиболее распространенным подходом к проектированию информационных систем в настоящее время является использование экспертных оценок. В соответствии с этим подходом специалисты в области вычислительных средств, активного сетевого оборудования и кабельных сетей на основании имеющегося у них опыта и экспертных оценок осуществляют проектирование вычислительной системы, обеспечивающей решение конкретной задачи или класса задач. Этот подход позволяет минимизировать затраты на этапе проектирования, быстро оценить стоимость реализации информационной системы. Однако решения, полученные с использованием экспертных оценок, носят субъективный характер, требования к оборудованию и программному обеспечению также грешат субъективностью, как и оценка гарантий работоспособности и развиваемости предлагаемого проекта системы.
В качестве альтернативного может быть использован подход, предполагающий разработку модели и моделирование (имитацию работы - simulation) поведения вычислительной системы.
Бездефектное проектирование вычислительных систем
Можно говорить о "бездефектном" проектирования информационных систем. Оно достигается комплексным применением высокоуровневого моделирования
(моделирования функций или бизнес-процессов) предприятия и низкоуровневого моделирования вычислительной системы. Общая условная схема бездефектного проектирования информационной системы приведена на рис. 1.
Использование высокоуровневого моделирования позволяет гарантировать полноту и правильность выполнения информационной системой функций, определенных заказчиком. То есть построенная модель безупречна по функциональности (система должна выполнять то, что задумано). Однако гарантировать, что конкретная реализация вычислительной системы на предприятии будет выполнять эти функции, высокоуровневое моделирование не может.
К системам высокоуровневого моделирования относятся такие системы, как
ARIS, Rational Rose. С их помощью реализуются принципы структурного анализа, когда предприятие представляется в виде сложной системы, состоящей из разных компонентов, имеющих различного рода взаимосвязи друг с другом.
Эти средства позволяют определить и отразить в моделях основные компоненты предприятия, протекающих процессов, используемой информации, а также представить взаимосвязи между этими компонентами.

Создаваемые модели представляют собой документированную совокупность знаний об ИС предприятия - о его организационной структуре взаимодействиях между предприятием и прочими субъектами рынка, составе и структуре документов, последовательностях шагов процессов, должностных инструкциях отделов и их сотрудников.

Моделирование функций вычислительной системы напрямую сегодня не представляется возможным. Данная задача в полном объеме не разрешима.
Однако возможно моделирование работы системы в динамике (динамическое моделирование), при этом его результаты позволяют по косвенным показателям судить о функционировании всей системы.
Так, мы не можем проверить правильность функционирования сервера базы данных и программного обеспечения, однако по выявляемым задержкам на сервере, не обслуженным запросам и т. д. мы можем сделать вывод о его работе.
Таким образом, рассматриваемые системы предназначены не для функционального моделирования вычислительных систем (это, к сожалению, невозможно), а для динамического их моделирования.

Моделирование вычислительной системы позволяет произвести более точный, по сравнению с экспертными оценками, расчет необходимой производительности отдельных компонентов и всей системы в целом, в том числе системного и прикладного программного обеспечения.. При этом появляется возможность использовать не максимальные значения характеристик используемого вычислительного оборудования, а характеристики, учитывающие, специфику использования этого оборудования в конкретном учреждении.
Основу моделирования составляют модели оборудования и процессов
(технологий, программного обеспечения), используемых при работе интересующего объекта. При моделировании на компьютере воспроизводятся реальные процессы в обследуемом объекте, исследуются особые случаи, воспроизводятся реальные и гипотетические критические ситуации. Основным достоинством моделирования является возможность проведения разнообразных экспериментов с исследуемым объектом, не прибегая к физической реализации, что позволяет предсказать и предотвратить большое число неожиданных ситуаций в процессе эксплуатации, которые могли бы привести к неоправданным затратам, а может, и к порче оборудования.
В случае моделирования вычислительных систем таким объектом является информационная система, определяющая способы получения, хранения, обработки и использования различной корпоративной и внешней информации.
В процессе моделирования возможно следующее:
• определение минимально необходимого, но обеспечивающего потребности передачи, обработки и хранения информации оборудования (даже не имеющего реальных аналогов) в настоящее время;
• оценка необходимого запаса производительности оборудования, обеспечивающего возможное увеличение производственных потребностей в ближайшее время (один-два года);
• выбор нескольких вариантов оборудования с учетом текущих потребностей, перспективы развития на основании критерия стоимости оборудования;

• проведение проверки работы вычислительной системы, составленной из рекомендованного оборудования.

Использование моделирования для оптимизации производительности сети

Анализаторы протоколов незаменимы для исследования реальных сетей, но они не позволяют получать количественные оценки характеристик для еще не существующих сетей, находящихся в стадии проектирования. В этих случаях проектировщики могут использовать средства моделирования, с помощью которых разрабатываются модели, воссоздающие информационные процессы, протекающие в сетях.

Методы аналитического, имитационного и натурного моделирования

Моделирование представляет собой мощный метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. Основными разновидностями процесса моделирования можно считать два его вида - математическое и физическое моделирование. При физическом (натурном) моделировании исследуемая система заменяется соответствующей ей другой материальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы с сохранением их физической природы. Примером этого вида моделирования может служить пилотная сеть, с помощью которой изучается принципиальная возможность построения сети на основе тех или иных компьютеров, коммуникационных устройств, операционных систем и приложений.
Возможности физического моделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельные задачи при задании небольшого количества сочетаний исследуемых параметров системы. Действительно, при натурном моделировании вычислительной сети практически невозможно проверить ее работу для вариантов с использованием различных типов коммуникационных устройств - маршрутизаторов, коммутаторов и т.п. Проверка на практике около десятка разных типов маршрутизаторов связана не только с большими усилиями и временными затратами, но и с немалыми материальными затратами.
Но даже и в тех случаях, когда при оптимизации сети изменяются не типы устройств и операционных систем, а только их параметры, проведение экспериментов в реальном масштабе времени для огромного количества всевозможных сочетаний этих параметров практически невозможно за обозримое время. Даже простое изменение максимального размера пакета в каком-либо протоколе требует переконфигурирования операционной системы в сотнях компьютеров сети, что требует от администратора сети проведения очень большой работы.
Поэтому, при оптимизации сетей во многих случаях предпочтительным оказывается использование математического моделирования. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от ее параметров, входных сигналов, начальных условий и времени.
Особым классом математических моделей являются имитационные модели. Такие модели представляют собой компьютерную программу, которая шаг за шагом воспроизводит события, происходящие в реальной системе. Применительно к вычислительным сетям их имитационные модели воспроизводят процессы генерации сообщений приложениями, разбиение сообщений на пакеты и кадры определенных протоколов, задержки, связанные с обработкой сообщений, пакетов и кадров внутри операционной системы, процесс получения доступа компьютером к разделяемой сетевой среде, процесс обработки поступающих пакетов маршрутизатором и т.д. При имитационном моделировании сети не требуется приобретать дорогостоящее оборудование - его работы имитируется программами, достаточно точно воспроизводящими все основные особенности и параметры такого оборудования.
Преимуществом имитационных моделей является возможность подмены процесса смены событий в исследуемой системе в реальном масштабе времени на ускоренный процесс смены событий в темпе работы программы. В результате за несколько минут можно воспроизвести работу сети в течение нескольких дней, что дает возможность оценить работу сети в широком диапазоне варьируемых параметров.
Результатом работы имитационной модели являются собранные в ходе наблюдения за протекающими событиями статистические данные о наиболее важных характеристиках сети: временах реакции, коэффициентах использования каналов и узлов, вероятности потерь пакетов и т.п.
Существуют специальные языки имитационного моделирования, которые облегчают процесс создания программной модели по сравнению с использованием универсальных языков программирования. Примерами языков имитационного моделирования могут служить такие языки, как SIMULA, GPSS, SIMDIS.
Существуют также системы имитационного моделирования, которые ориентируются на узкий класс изучаемых систем и позволяют строить модели без программирования. Подобные системы для вычислительных сетей рассматриваются ниже.

Модели теории массового обслуживания

Используемые в настоящее время в локальных сетях протоколы канального уровня используют методы доступа к среде, основанные на ее совместном использовании несколькими узлами за счет разделения во времени. В этом случае, как и во всех случаях разделения ресурсов со случайным потоком запросов, могут возникать очереди. Для описания этого процесса обычно используются модели теории массового обслуживания.
Механизм разделения среды протокола Ethernet упрощенно описывается простейшей моделью типа M/M/1 - одноканальной моделью с пуассоновским потоком заявок и показательным законом распределения времени обслуживания.
Она хорошо описывает процесс обработки случайно поступающих заявок на обслуживание системами с одним обслуживающим прибором со случайным временем обслуживания и буфером для хранения поступающих заявок на время, пока обслуживающий прибор занят выполнением другой заявки (рисунок 4.1).
Передающая среда Ethernet представлена в этой модели обслуживающим прибором, а пакеты соответствуют заявкам.
Введем обозначения: l - интенсивность поступления заявок, в данном случае это среднее число пакетов, претендующих на передачу в среде в единицу времени, b - среднее время обслуживания заявки (без учета времени ожидания обслуживания), то есть среднее время передачи пакета в среде с учетом паузы между пакетами в 9.6 мкс, r - коэффициент загрузки обслуживающего прибора, в данном случае это коэффициент использования среды, r = lb.
В теории массового обслуживания для данной модели получены следующие результаты: среднее время ожидания заявки в очереди (время ожидания пакетом доступа к среде) W равно:

Рис. 4.1. Применение модели теории массового обслуживания M/M/1 для анализа трафика в сети Ethernet

Специализированные системы имитационного моделирования вычислительных сетей

Существуют специальные, ориентированные на моделирование вычислительных сетей программные системы, в которых процесс создания модели упрощен. Такие программные системы сами генерируют модель сети на основе исходных данных о ее топологии и используемых протоколах, об интенсивностях потоков запросов между компьютерами сети, протяженности линий связи, о типах используемого оборудования и приложений. Программные системы моделирования могут быть узко специализированными и достаточно универсальными, позволяющие имитировать сети самых различных типов. Качество результатов моделирования в значительной степени зависит от точности исходных данных о сети, переданных в систему имитационного моделирования.
Программные системы моделирования сетей - инструмент, который может пригодиться любому администратору корпоративной сети, особенно при проектировании новой сети или внесении кардинальных изменений в уже существующую. Продукты данной категории позволяют проверить последствия внедрения тех или иных решений еще до оплаты приобретаемого оборудования.
Конечно, большинство из этих программных пакетов стоят достаточно дорого, но и возможная экономия может быть тоже весьма ощутимой.
Программы имитационного моделирования сети используют в своей работе информацию о пространственном расположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скоростях передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования, а также о выполняемых в сети приложениях.
Обычно имитационная модель строится не с нуля. Существуют готовые имитационные модели основных элементов сетей: наиболее распространенных типов маршрутизаторов, каналов связи, методов доступа, протоколов и т.п.
Эти модели отдельных элементов сети создаются на основании различных данных: результатов тестовых испытаний реальных устройств, анализа принципов их работы, аналитических соотношений. В результате создается библиотека типовых элементов сети, которые можно настраивать с помощью заранее предусмотренных в моделях параметров.
Системы имитационного моделирования обычно включают также набор средств для подготовки исходных данных об исследуемой сети - предварительной обработки данных о топологии сети и измеренном трафике. Эти средства могут быть полезны, если моделируемая сеть представляет собой вариант существующей сети и имеется возможность провести в ней измерения трафика и других параметров, нужных для моделирования. Кроме того, система снабжается средствами для статистической обработки полученных результатов моделирования.
Систем динамического моделирования вычислительной системы достаточно много, они разрабатываются в разных странах. Удалось обнаружить такие системы, произведенные в Румынии и других странах, не являющихся лидерами компьютерно-информационной индустрии. Кроме того, зачастую развитые системы диагностирования установленной вычислительной системы (интеллектуальные кабельные тестеры, сканеры, анализаторы протоколов) также причисляют к системам моделирования, что не соответствует действительности.
Классифицируем системы по двум связанным критериям: цена и функциональные возможности. Как и следовало ожидать, функциональные возможности систем моделирования жестко связаны с их ценой. Анализ предлагаемых на рынке систем показывает, что динамическое моделирование вычислительных систем - дело весьма дорогостоящее. Хотите получить реальную картину в вычислительной системе - платите деньги. Все системы динамического моделирования могут быть разбиты на две ценовые категории:
• Дешевые (сотни и тысячи долларов).
• High-end (десятки тысяч долларов, в полном варианте - сто и более тысяч долларов).
К сожалению, найти системы среднего ценового диапазона не удалось, однако многие из них представляют собой набор пакетов и разброс в цене одной и той же системы определяется комплектом поставки, т. е. объемом выполняемых функций. Дешевые системы отличаются от дорогих тем, насколько подробно удается в них описать характеристики отдельных частей моделируемой системы.
Они позволяет получить лишь "прикидочные " результаты, не дают статистических характеристик и не предоставляют возможности проведения подробного анализа системы. Системы класса high-end позволяют собирать исчерпывающую статистику по каждому из компонентов сети при передаче данных по каналам связи и проводить статистическую оценку полученных результатов.
По функциональности системы моделирования, используемые при исследовании вычислительных систем, могут быть разбиты на два основных класса:
• Системы, моделирующие отдельные элементы (компоненты) системы.
• Системы, моделирующие вычислительную систему целиком.

Более подробные сведения об этих системах и их характеристиках приведены в табл. 1. К числу наиболее мощных и интересных относятся COMNET III фирмы
CACI Products Company (в 2000 году система была продана фирме Compuware) и
OPNET фирмы OPNET Technologies (ранее называлась MIL3).

Система имитационного моделирования COMNET компании CACIProducts

Компания CACIProducts является одним из лидеров рынка систем имитационного моделирования сетей, разрабатывая подобные средства уже 35 лет.
Система имитационного моделирования COMNET позволяет анализировать работу сложных сетей, работающих на основе практически всех современных сетевых технологий и включающих как локальные, так и глобальные связи.
Система COMNET состоит из нескольких основных частей, работающих как автономно, так и в комплексе:

. COMNETBaseliner - пакет, предназначенный для сбора исходных данных о работе сети, необходимых для проведения моделирования.

. COMNETIII вместе с пакетом AdvanceFeaturesPack - система детального моделирования сети.

. COMNETPredictor - система быстрой оценки производительности сети.

COMNETBaseliner
Главной проблемой при любом моделировании сети является проблема сбора данных о существующей сети. Именно эту проблему помогает решить пакет
COMNETBaseliner.
Этот пакет может работать со многими промышленными системами управления и мониторинга сетей, получая от них собранные данные и обрабатывая их для использования при моделировании сети с помощью систем COMNETIII или
COMNETPredictor.
COMNETBaseline позволяет создавать разнообразные фильтры, с помощью которых можно извлечь нужную для моделирования информацию из импортируемых данных.
С помощью COMNETBaseline можно:

. Импортировать информацию о топологии сети, возможно, в иерархическом виде;

. Комбинировать информацию из нескольких файлов регистрации трафика, которые могут импортироваться из разных средств мониторинга в единую модель трафика;

. Предоставлять полученную модель трафика для предварительного беглого обзора;

COMNETIII

Общая характеристика
Система имитационного моделирования сетей COMNETIII позволяет точно предсказывать производительность локальных, глобальных и корпоративных сетей. Система COMNETIII работает в среде Windows 95, WindowsNT и Unix.
COMNETIII предлагает использовать простой и интуитивно понятный способ конструирования модели сети, основанный на применении готовых базовых блоков, соответствующих хорошо знакомым сетевым устройствам, таким как компьютеры, маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры и каналы связи.
Пользователь применяет технику drag-and-drop для графического изображения моделируемой сети из библиотечных элементов:
Затем система COMNETIII выполняет детальное моделирование полученной сети, отображая результаты динамически в виде наглядной мультипликации результирующего трафика.
Другим вариантом задания топологии моделируемой сети является импорт топологической информации из систем управления и мониторинга сетей.
После окончания моделирования пользователь получает в свое распоряжение следующие харакетристики производительности сети:

. Прогнозируемые задержки между конечными и промежуточными узлами сети, пропускные способности каналов, коэффициенты использования сегментов, буферов и процессоров.

. Пики и спады трафика как функцию времени, а не как усредненные значения.

. Источники задержек и узких мест сети.

Рис. 4.1. Моделирование сети с помощью системы COMNETIII

Типы узлов
Система COMNETIII оперирует с узлами трех типов - процессорными узлами, узлами-маршрутизаторами и коммутаторами. Узлы могут присоединяться с помощью портов к коммуникационным каналам любого типа, от каналов локальных сетей до спутниковых линий связи. Узлы и каналы могут характеризоваться средним временем наработки на отказ и средним временем восстановления для моделирования надежности сети.
В COMNETIII моделируется не только взаимодействие компьютеров по сети, но и процесс разделения процессора каждого компьютера между его приложениями.
Работа приложения моделируется с помощью команд нескольких типов, в том числе команд обработки данных, отправки и чтения сообщений, чтения и записи данных в файл, установления сессий и приостановки программы до получения сообщений. Для каждого приложения задается так называемый репертуар команд.

Узлы-маршрутизаторы могут моделировать работу маршрутизаторов, коммутаторов, мостов, концентраторов и любых устройств, которые имеют разделяемую внутреннюю шину, с помощью которой пакеты передаются между портами. Шина характеризуется пропускной способностью и количеством независимых каналов. Узел-маршутизатор обладает также всеми характеристиками процессорного узла, так что он может выполнять приложения, которые, например, обновляют таблицы маршрутизации или рассылают маршрутную информацию по сети. Неблокирующие коммутационные узлы могут моделироваться путем задания количества независимых каналов, равного числу модулей коммутатора. Библиотека COMNETIII включает большое количество описаний конкретных моделей маршрутизаторов с параметрами, основанными на результатах тестирования в Harvard NetworkDeviceTestLab.
Узел-коммутатор моделирует работу коммутаторов, а также маршрутизаторов, концентраторов и других устройств, которые передают пакеты с входного порта на выходной с незначительной задержкой.

Каналы связи и глобальные сети
Каналы связи моделируются путем задания их типа, а также двух параметров - пропускной способности и вносимой задержки распространения. Единицей передаваемых по каналу данных является кадр. Пакеты при передаче по каналам сегментируются на кадры. Каждый канал характеризуется: минимальным и максимальным размером кадра, накладными расходами на кадр и интенсивностью ошибок в кадрах.
В системе COMNETIII можно моделировать все распространенные методы доступа к передающей среде, в том числе ALOHA. CSMA/CD, TokenRing, FDDI и т.п.
Каналы "точка-точка" могут также использоваться для моделирования каналов
ISDN и SONET/SDH.
COMNETIII включает средства для моделирования глобальных сетей на самом верхнем уровне абстракции. Такое представление глобальных сетей целесообразно, когда задание точных сведений о топологии физических связей и о полном трафике глобальной сети невозможно или нецелесообразно.
Например, нет смысла точно моделировать работу Internet при исследовании передачи трафика между двумя локальными сетями, подключенными к Internet.
COMNETIII позволяет укрупненно моделировать сети FrameRelay, сети с коммутацией ячеек (например, АТМ), сети с коммутацией пакетов (например,
Х.25).
При моделировании глобальных сетей имитируется разбиение пакетов на кадры, причем каждый тип глобального сервиса характеризуется минимальным и максимальным размерами кадра и накладными расходами на служебную информацию.
Связь с глобальной сетью имитируется с помощью канала доступа, который имеет определенные задержку распространения и пропускную способность. Сама глобальная сеть характеризуется задержкой доставки информации от одного канала доступа до другого, вероятностью потери кадра или его принудительного удаления из сети (при нарушении соглашения о параметрах трафика типа CIR). Эти параметры зависят от степени загруженности глобальной сети, которая может быть задана как нормальная, умеренная и высокая. Имеется возможность моделировать виртуальные каналы в сети.

Рабочая нагрузка
В системе COMNETIII рабочая нагрузка создается источниками трафика. Каждый узел может быть соединен с несколькими источниками трафика разного типа.
Источники-приложения генерируют приложения, которые выполняются узлами типа процессоров или маршрутизатров. Узел выполняет команду за командой, имитируя работу приложений в сети. Источники могут генерировать сложные нестандартные приложения, а также простые, занимающиеся в основном отправкой и получением сообщений по сети.
Источники вызовов генерируют запросы на установление соединений в сетях с коммутацией каналов (сети с коммутируемыми виртуальными соединениями, ISDN,
POTS).
Источники планируемой нагрузки генерируют данные, используя зависящее от времени расписание. При этом источник генерирует данные периодически, используя определенное распределение интервала времени между порциями данных. Можно моделировать зависимость интенсивности генерации данных от времени дня.
Источники "клиент-сервер" позволяют задавать не трафик между клиентами и сервером, а приложения, которые порождают этот трафик. Эти приложения работают в модели "клиент-сервер", и источник данного типа позволяет промоделировать вычислительную загрузку компьютера, работающего в роли сервера, то есть учесть время выполнения вычислительных операций, операций, связанных с обращением к диску, подсистеме ввода-вывода и т.п.

Протоколы
Коммуникационные протоколы физического и канального уровней учитываются в системе COMNETIII в таких элементах сети как каналы (links). Протоколы сетевого уровня отражены в работе узлов модели, которые принимают решения о выборе маршрута пакетов в сети.
Магистраль сети и каждая из подсетей могут работать на основе различных и независимых алгоритмов маршрутизации. Алгоритмы маршрутизации, используемые
COMNETIII, принимают решение на основе вычисления кратчайшего пути.
Используются различные вариации этого принципа, отличающиеся используемой метрикой и способом обновления таблиц маршрутизации. Применяются статические алгоритмы, у которых таблица обновляется только один раз в начале моделирования, и динамические алгоритмы, периодически обновляющие таблицы. Возможно моделирование многопутевой маршрутизации, при которой достиг

Вернуться