Имитационное моделирование компьютерных сетей

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 достигается баланс трафика по нескольким альтернативным маршрутам.

COMNETIII поддерживает следующие  алгоритмы маршрутизации:

• RIP (минимум хопов),
• Наименьшая измеренная задержка,
• OSPF,
• IGRP,
• Задаваемые пользователем таблицы маршрутизации.

Протоколы, выполняющие транспортные функции и функции доставки сообщений между конечными узлами представлены в системе COMNETIII обширным набором протоколов: ATP, NCP, NCPBurstMode, TCP, UDP, NetBIOS, SNA. При использовании этих протоколов пользователь выбирает их из библиотеки системы и задает конкретные параметры, например, размер сообщения, размер окна и т.п.

Представление результатов

Графики и отчеты

COMNETIII позволяет при моделировании  задавать форму отчета о результатах  для каждого отдельного элемента  модели. Для этого необходимо в пункте меню Report выбрать требуемый элемент (пункт подменю networkelement) и задать для него опреленный тип отчета (пункт typeofreport).

Отчет генерируется каждый раз при запуске определенной модели. Отчет представлен в стандартной текстовой форме, имеющей ширину в 80 символов, и его легко можно распечатать на любом принтере.

Можно задать генерацию нескольких отчетов разного типа для каждого элемента сети.

Существуют другие способы получения статистических результатов прогона модели, кроме отчетов. В COMNETIII имеются кнопки Statistics, с помощью которых можно включить сбор статистики для каждого типа элемента модели - узлов, каналов, источников трафика, маршрутизаторов, коммутаторов и т.п. Монитор статистики каждого элемента можно установить для сбора только базовых статистических параметров (минимум, максимум, среднее значение и дисперсия) или же сбора данных во временном масштабе для построения графиков.

Если результаты наблюдений сохранены в файле для последующего построения графиков и анализа, то возможно также построение гистограмм и процентных показателей. Возможно построение графиков и во время моделирования.

Мультипликация и отслеживание событий

Перед моделированием или во время него можно установить режимы мультипликации и трассировки событий с помощью пунктов меню Animation иTrace.

Параметры меню Animation позволяют изменять скорость тактов моделирования и скорость продвижения токенов - графических символов, соответствующих кадрам и пакетам. В анимационном режиме система COMNETIII показывает поступление токенов в каналы связи и выход их из каналов, текущее количество пакетов в узлах, количество сессий, установленных с данным узлом, процент использования и многое другое.

В режиме трассировки можно отображать процесс наступления событий в модели либо в файл, либо на экран. При отображении на экран можно перейти в режим пошагового моделирования, когда очередное событие в модели наступает и отображается только при очередном нажатии на соответствующую кнопку графического интерфейса. Можно задать уровень отслеживаемых событий - от высокоуровневых событий, связанных с работой приложений до событий самого низкого уровня, связанных с обработкой кадров на канальном уровне.

Статистический анализ

COMNETIII включает интегрированный  набор средств для статистического анализа исходных данных и результатов моделирования. С их помощью можно подобрать подходящее распределение вероятностей для экспериментально полученных данных. Средства анализа результатов позволяют вычислить доверительные интервалы, выполнить регрессионный анализ и оценить вариации оценок, полученных по нескольким прогонам модели.

COMNETPredictor

С 1 мая 1997 на рынке появилось новое средство компании CACIProducts - COMNETPredictor. COMNETPredictor предназначен для тех случаев, когда необходимо оценить последствия изменений в сети, но без детального ее моделирования.

COMNETPredictor работает следующим  образом. Из системы управления  или мониторинга сети загружаются  данные о работе существующего  варианта сети и делается предположение об изменении параметров сети: числа пользователей или приложений, пропускной способности каналов, алгоритмов маршрутизации, производительности узлов и т.п. Затем COMNETPredictor производит оценку последствий предлагаемых изменений и выдает результаты в виде графиков и диаграмм, на которых отображаются задержки, коэффициенты использования и предполагаемые узкие места сети.

Благодаря оригинальной технологии Flow Decomposition анализ даже крупных глобальных сетей выполняется за несколько минут.

COMNETPredictor дополняет систему COMNETIII, которая может использоваться затем для более тщательного анализа наиболее важных вариантов сети.

COMNET Predictor работает в среде Windows 95, Windows NT и Unix.

 

COMNET Predictor от CACI - отличный  продукт, да и стоит он дешевле NetMaker XA. Правда, Predictor несколько менее проработан и не так прост в установке. Кроме того, генерируемые им отчеты немного запутанны и малоинформативны, а схемы сетей чересчур перегруженны.

Мы перепробовали несколько дисководов CD-ROM, прежде чем смогли считать информацию с присланного нам диска. Только один дисковод сумел нормально справиться с этой задачей. Установка продукта тоже удалась отнюдь не с первой попытки.

В базовую конфигурацию Predictor входит все, что требуется для построения схемы сети с помощью буксировки пиктограмм устройств из библиотеки. К сожалению, на схеме отображается так много информации, что разобраться в ней очень трудно. В состав Predictor входят и средства для самостоятельного создания устройств и редактирования библиотечной информации.

Опция Baseliner позволяет импортировать информацию о топологии сети и характере трафика из различных популярных средств мониторинга сети. Благодаря Baseliner вы разберетесь, какие объемы трафика генерирует то или иное приложение. После этого можно построить модель, в которой объем трафика от этого приложения будет ежемесячно возрастать на 10%, получив, таким образом, прогноз на несколько месяцев вперед. Тому, кто научится разбираться в схемах сетей (а сделать это не очень-то просто), Predictor покажется очень мощным средством, которым нетрудно пользоваться. Параметры элементов сетей, подобранных из библиотеки, поддаются тонкой настройке.

Затем можно пустить в ход предположения о росте сети - надо указать Predictor, в какой момент их следует включать в модель. По мере продвижения расчетов Predictor будет информировать пользователя о возникновении проблем. Например, сообщается, что через шесть месяцев уровень загрузки какого-либо маршрутизатора достигнет 80%, что является предельной величиной. Тогда можно ввести в модель еще один маршрутизатор и посмотреть, решит ли он это проблему.

Пользователю предоставляется целый ряд отчетов, однако чтобы извлечь из них полезную информацию, придется немало потрудиться: многие таблицы и графики дублируют друг друга, и это затрудняет понимание.

Бесспорно, 29 тыс. дол. - это недешево, однако если вспомнить, что Predictor может работать не только под Unix, но и под Windows NT и Windows 95, станет понятно: его пользователь способен сэкономить на оборудовании (сравните с NetMaker XA).

 

 

Системы моделирования, не вошедшие в обзор

CPSIM (компания BoyanTech) -- простая система моделирования последовательных и параллельных процессов. Модель -- ориентированный граф, в котором узлы -- объекты (компьютеры, серверы, сетевое оборудование), дуги -- каналы связи.

NetDA/2 (компания IBM) - предназначена для проектирования, анализа и оптимизации глобальных сетей и реинжиниринга имеющихся SNA-сетей. Возможно задание собственных алгоритмов маршрутизации. Позволяет моделировать сценарии "что, если". Поддерживает и протокол TCP/IP. Реализована на OS/2.

NPAT (Network Planning and Analysis Tools); фирма Sun, - предназначена для моделирования интегрированных сетей данные/голос на базе магистралей Т1 и Т3. Реализована на Solaris 2.6, 7.

SES/Workbench (фирма HyPerfomix) -- моделирование локальных и глобальных сетей на уровне приложений, канальном и физическом уровнях. Моделирование сложных приложений, СУБД. Позволяет провести стоимостной анализ вариантов. Имеется механизм расстановки контрольных точек и трассировки.

WinMIND (фирма Network Analysis Center) -- система проектирования, настройки конфигурации и оптимизации сети; содержит данные о стоимости типичных конфигураций с возможностью точной оценки производительности и тарифной платы.

Семейство AUTONET (фирма Network Design and Analysis) -- включает систему мониторинга и управления AMS, позволяет проводить оценку производительности сети, а также точное моделирование и тарификацию сетевых решений.

Проект ns2/VINT 
 
1996 год ознаменован началом работ над проектом VINT (Virtual InterNetwork Testbed), организованным DARPA (Defense Research Projects Agency) и реализуемым под руководством целого ряда научных организаций и центров: USC/ISI (University of Southern California / Information Sciences Institute), Xerox PARC, LBNL (Lawrence Berkley National Laboratory) и UCB (UC Berkley). На сегодня основными спонсорами проекта являются DARPA, NSF и ACIRI (AT&T Center for Internet Research at ICSI).Главной целью проекта VINT являлось построение программного продукта, позволяющего осуществлять имитационное моделирование сетей связи и обладающего целым рядом характеристик, среди которых высокая производительность, хорошая масштабируемость, визуализация результатов и гибкость. В качестве основы программной реализации был выбран разрабатываемый в University of California с 1989 года пакет network simulator (до 1995 года известный как REAL). Логично, что для программного продукта было выбрано имя network simulator 2 (далее - ns2).  
ns2, как и его предшественники, разрабатывался как программное обеспечение с открытым исходным кодом (open source code software - OSS). Такое ПО распространяется бесплатно - без каких либо ограничений на право использования, модификации и распространения третьими лицами. Таким образом, с точки зрения стоимости ns2 безусловно является лидером по сравнению с коммерческим ПО упоянутым выше - он бесплатен. По этой же причине бесплатны и всегда доступны on-line все обновления и дополнения (новые библиотеки, протоколы и т.п.). Еще одним не менее замечательным свойством программного обеспечения OSS является возможность модификации ядра программы и гибкая настройка в соответствии с требованиями конкретного пользователя. Одним из отличительных свойств ns2 с точки зрения гибкости является мультиоперационность. Полные версии, включающие все функции, на данный момент работоспособны под управлением следующих операционных систем:  
- SunOS; 
- Solaris; 
- Linux; 
- FreeBSD; 
- Windows 95/98/ME/NT/2000. 
Для инсталляции полной версии ns2 необходимо иметь 250 МБ свободного места на диске компьютера и компилятор С++. Существует также упрощенная версия (компилированная) для некоторых ОС, в частности  всех версий Windows, являющаяся не столь гибкой как полная версия, в частности невозможно добавлять компоненты, модифицировать ядро и т.п. Однако эта версия очень проста в использовании и не требует глубоких знаний ОС и языка C++. Для функционирования упрощенной версии ns2 достаточно иметь 3 МБ свободного места на жестком диске компьютера. 
Требования к производительности компьютера у ns2 не столь жестки. В принципе, компьютер с процессором 486 может обеспечить приемлемое функционирование даже полной версии ns2.При необходимости использования ns2 группой пользователей достаточно иметь инсталлированную полную версию на машине под управлением Unix-like ОС. Пользователи могут иметь доступ в режиме терминала к ns2 и производить необходимые модификации в том числе и ядра программы компилируя свою версию в домашнюю директорию. Так же при помощи X-сервера возможна анимация полученных результатов.