Имитационное моделирование компьютерных сетей

Министерство Образования РФ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МАШИНОСТРОЕНИЯ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине:

Компьютерные сети

«Имитационное моделирование компьютерных сетей»

Выполнили Казаков П, Харченко И

Нормоконтролер Бахвалов С.В.

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.

Рис. 1. Процесс бездефектного проектирования вычислительной системы

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.

В следующей таблице приведены характеристики нескольких популярных систем имитационного моделирования различного класса - от простых программ, предназначенных для установки на персональном компьютере, до мощных систем, включающих библиотеки большинства имеющихся на рынке коммуникационных устройств и позволяющих в значительной степени автоматизировать исследование изучаемой сети.

Наиболее популярные системы моделирования

Компания и продукт	Стоимость(долл)	Тип сети	Требуемые ресурсы	Примечания
American HYTech, Prophesy	1495	ЛС	8МбОП, 6 Мбдиск, DOS, Windows, OS/2	Оценивание производительности при работе с текстовыми и графическими данными по отдельным сегментам и сети в целом
CACI Product, COMNET III	34500-39500	ЛС, ГС	32 МбОП, 100 Мбдиск, Windows, Windows NT, OS/2, Unix	Моделируетсети X.25, ATM, Frame Relay, связи LAN-WAN, SNA, DECnet, протоколы OSPF, RIP. Доступ CSMA/CD и токенный доступ, FDDI и др. Встроенная библиотека марщрутизаторов 3COM, Cisco, DEC, HP, Wellfleat,...
Make System, NetMaker XA	6995-14995	ЛС, ГС	128 МбОП, 2000 Мбдиск, AIX, Sun OS, Sun Solaris	Проверка данных о топологии сети; импорт информации о трафике, получаемой в реальном времени
NetMagic System,StressMagik	2995	ЛС	2 МбОП, 8 МБдиск, Windows	Поддержка стандартных тестов измерения производительности; имитация пиковой нагрузки на файл-сервер
Network Analysis Center, MIND	9400-70000	ГС	8 MбОП, 65 Мбдиск, DOS, Windows	Средство проектирования, оптимизации сети, содержит данные о стоимости типичных конфигураций с возможностью точного оценивания производительности
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Designer	25000	ГС	8 MбОП, 40 Мбдиск, Windows, OS/2	Определение оптимального расположения концентратора в ГС, возможность оценки экономии средств за счет снижения тарифной платы, смены поставщика услуг и обновления оборудования; сравнение вариантов связи через ближайшую и оптимальную точку доступа, а также через мост и местную телефонную сеть
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ MeshNET	30000	ГС	8 MбОП, 40 Мбдиск, Windows, OS/2	Моделирование полосы пропускания и оптимизация расходов на организацию ГС путем имитации поврежденных линий, поддержка тарифной сетки компаний AT & T, Sprint, WiTel, Bell
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Performance-1	4000	ГС	8 MбОП, 1 Мбдиск, Windows, OS/2	Моделирование производительности иерархических сетей путем анализа чувствительности к длительности задержки, времени ответа, а также узких мест в структуре сети
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Performance-3	6000	ГС	8 MбОП, 3 Мбдиск, Windows, OS/2	Моделирование производительности многопротокольных объединений локальных и глобальных сетей; оценивание задержек в очередях, прогнозирование времени ответа, а также узких мест в структуре сети; учет реальных данных о трафике, поступающих от сетевых анализаторов
System& Networks, BONES	20000-40000	ЛС, ГС	32 MбОП, 80 Мбдиск, Sun OS, Sun Solaris, HP-UX	Анализ воздействия приложений клиент-сервер и новых технологий на работу сети
MIL3,Opnet	16000-40000		16 МбОП, 100 Мбдиск, DEC AXP, Sun OS, Sun Solaris, HP-UX	Имеет библиотеку различных сетевых устройств, поддерживает анимацию, генерирует карту сети, моделирует полосу пропускания.

BONeS (фирма Systems and Networks) - графическая система моделирования общего назначения для анализа архитектуры систем, сетей и протоколов. Описывает модели на транспортном уровне и на уровне приложений. Дает возможность анализа воздействия приложений типа клиент - сервер и новых технологий на работу сети.

Netmaker (фирма OPNET Technologies) - проектирование топологии, средства планирования и анализа сетей широкого класса. Состоит из различных модулей для расчета, анализа, проектирования, визуализации, планирования и анализа результатов.

Optimal Perfomance (фирма Compuware; Optimal Networks) - имеет возможности быстрого оценочного и точного моделирования, помогает оптимизировать распределенное программное обеспечение.

Prophesy (компания Abstraction Software) - простая система для моделирования локальных и глобальных сетей. Позволяет оценить время реакции компьютера на запрос, количество "хитов" на WWW-сервере, количество рабочих станций для обслуживания активного оборудования, запас производительности сети при поломке определенного оборудования.

Семейство CANE (компания ImageNet) -- проектирование и реинжиниринг вычислительной системы, оценка различных вариантов, сценарии "что, если". Моделирование на различных уровнях модели OSI. Развитая библиотека устройств, которая включает физические, электрические, температурные и другие характеристики объектов. Возможно создание своих библиотек.

Семейство COMNET (фирма Compuware; CACI Products Company) -- объектно-ориентированная система моделирования локальных и глобальных сетей. Позволяет моделировать уровни: приложений, транспортный, сетевой, канальный. Использует все известные на сегодня технологии и протоколы, а также системы клиент -- сервер. Легко настраивается на модель оборудования и технологий. Возможность импорта и экспорта данных о топологии и сетевом трафике. Моделирование иерархических сетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации.

Семейство OPNET (фирма OPNET Technologies) - средство для проектирования и моделирования локальных и глобальных сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем. Возможность импорта и экспорта данных о топологии и сетевом трафике. Анализ воздействия приложений типа клиент -- сервер и новых технологий на работу сети. Моделирование иерархических сетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации. Объектно-ориентированный подход. Исчерпывающая библиотека протоколов и объектов. Включает следующие продукты: Netbiz (проектирование и оптимизация вычислительной системы), Modeler (моделирование и анализ производительности сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем), ITGuru (оценка производительности коммуникационных сетей и распределенных систем).

Stressmagic (фирма NetMagic Systems) -- поддержка стандартных тестов измерения производительности; имитация пиковой нагрузки на файл-сервер и сервер печати. Возможно моделирование взаимодействия различных пользователей с файл-сервером. Включает 87 тестов производительности.

Таблица 1. Системы моделирования

Компания	Продукт	Стоимость, долл.	Тип сети	Операционная система
Systems and Networks	Bones	20000 - 40000	LAN, WAN, клиент-серверные архитектуры	Sun Solaris, Sun OS, HP/UX
ImageNet (http://www.imagenet-cane.com/)	CANE	7900 - 25000	LAN, WAN, клиент-серверные архитектуры	Windows NT
Optimal Networks (Compuware) (http://www.optimal.com/)	Optimal Perfomance	5000 - 30000	LAN, WAN	Windows 98/NT s
Abstraction Software (http://www.abstraction.com/)	Prophesy	599	LAN, WAN	Windows 98/NT, OS/2
Network Analysis Center (http://www.nacmind.com/, http://www.salestar.com/)	WinMIND	9500 - 41000	WAN	Windows 98/NT
CACI Products (Compuware) (http://www.caciasl.com/, http://www.compuware.com/)	Семейство COMNET	19000 - 60000	LAN, WAN клиент-серверные архитектуры	Windows 98/NT, OS/2, AT&T Unix, IBM AIX, DEC Ultrix, Sun Solaris, Sun OS, HP/UX
OPNET Technologies (MIL3) (http://www.mil3.com/, http://www.opnet.com/)	Семейство OPNET	16000 - 40000	LAN, WAN, клиент-серверные архитектуры	DEC AXP, Sun Solaris, Sun OS, HP/UX, Silicon Graphics IRIX, IBM AIX, Windows
NetMagic Systems (http://www.netmagicinc.com/)	StressMagic	3000 на 1 файл-сервер	LAN	Windows 98/NT

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;

Просматривать графическое представление межузлового взаимодействия, в котором трафик каждой пары узлов отображается линией определенного цвета.

Пакет COMNETBaseline может импортировать данные из следующих продуктов:

Топологическая информация:	Информация о трафике:
HP OpenView	Network General Expert Sniffer Network Analyzer
Cabletron SPECTRUM	Network General Distributed Sniffer System
IBM NetView for AIX	Frontier Software NETscout
Digital POLYCENTER	Axon Network LAN servant
Castlerock SNMPc	HP NetMetrix
CACI SIMPROCESS	Wandel & Goltermann Domino Analyzer Compuware EcoNet
NACMIND	Большинство средств RMON

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 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).

Построение пилотных проектов проектируемых сетей

Если для задания информации о топологии сети не нужно иметь реальную сеть, то для сбора исходных данных о интенсивности источников сетевого трафика могут потребоваться измерения на пилотных сетях, представляющих собой натурную модель проектируемой сети. Эти измерения могут быть выполнены различными средствами, в том числе и с помощью анализаторов протоколов.

Помимо получения исходных данных для имитационного моделирования пилотная сеть может использоваться для решения самостоятельных важных задач. Она может дать ответы на вопросы, касающиеся принципиальной работоспособности того или иного технического решения или совместимости оборудования. Натурные эксперименты могут потребовать значительных материальных затрат, но они компенсируются высокой достоверностью полученных результатов.

Пилотная сеть должна быть как можно более похожа на ту сеть, которая создается, для выбора параметров которой и создается пилотная сеть. Для этого необходимо в первую очередь выделить те особенности создаваемой сети, которые могут оказать наибольшее влияние на ее работоспособность и производительность.

Если имеются сомнения в совместимости продуктов разных производителей, например, коммутаторов, поддерживающих виртуальные сети или другие пока не стандартизованные возможности, то в пилотной сети должны проверяться на совместимость именно эти устройства и именно в тех режимах, которые вызывают наибольшие сомнения.

Что же касается использования пилотной сети для прогнозирования пропускной способности реальной сети, то здесь возможности этого вида моделирования весьма ограничены. Сама по себе пилотная сеть вряд ли сможет дать хорошую оценку производительности сети, включающей гораздо больше узлов подсетей и пользователей, так как не ясен способ экстраполяции результатов, полученных в небольшой сети, на сеть гораздо больших размеров.

Поэтому пилотную сеть целесообразно использовать в данном случае совместно с имитационной моделью, которая может использовать образцы трафика, задержек и пропускной способности устройств, полученных в пилотной сети, для задания характеристик моделей частей реальной сети. Затем, эти частные модели могут быть объединены в полную модель создаваемой сети, работа которой будет имитироваться.

Что мы получим, используя моделирование

Используя моделирование при проектировании или реинжиниринге вычислительной системы, мы можем сделать следующее: оценить пропускную способность сети и ее компонентов, определить узкие места в структуре вычислительной системы; сравнить различные варианты организации вычислительной системы; осуществить перспективный прогноз развития вычислительной системы; предсказать будущие требования по пропускной способности сети, используя данные прогноза; оценить требуемое количество и производительность серверов в сети; сравнить различные варианты модернизации вычислительной системы; оценить влияние на вычислительную систему модернизации ПО, мощности рабочих станций или серверов, изменения сетевых протоколов.

Исследование параметров вычислительной системы при различных характеристиках отдельных компонентов позволяет выбрать сетевое и вычислительное оборудование с учетом производительности, качества обслуживания, надежности и стоимости. Поскольку стоимость одного порта активного сетевого оборудования в зависимости от производителя оборудования, используемой технологии, надежности, управляемости может меняться от десятков рублей до десятков тысяч, моделирование позволяет минимизировать стоимость оборудования, предназначенного для использования в вычислительной системе. Моделирования становится эффективным при числе рабочих станций 50-100, а когда их более300, общая экономия средств может составить 30--40% от стоимости проекта.

Финансовая сторона

Естественно, возникает вопрос о стоимости проведения обследования вычислительной системы с помощью моделирования. Стоимость самого моделирования при грамотной эксплуатации системы моделирования невысока. Основную часть стоимости обследования составляют затраты на оплату труда высококвалифицированных специалистов в области сетевых технологий, вычислительного оборудования, систем моделирования, проводящих обследование объекта, составление моделей компонентов и самой вычислительной системы, определяющих направления развития и модификаций вычислительной системы и ее моделей.

Обследование и моделирование вычислительной системы из 250 узлов может длиться одну-две недели, при этом стоимость может колебаться от $5000 до $17 500. Если стоимость проектов по информатизации крупных организаций зачастую превышает $500 000, то стоимость работ по моделированию составляет в любом случае менее 4% от стоимости проекта.

При этом мы получаем: объективную оценку решения и технико-экономическое обоснование; гарантированные требуемую производительность и запас по производительности; обоснованные и управляемые решения по поэтапной модернизации.

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: