Имитационное моделирование компьютерных сетей

- 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.

Netsimulator.

NETSIMULATOR предназначен для моделирования сетей с пакетной коммутацией и различными методами маршрутизации пакетов.

NETSIMULATOR позволит разработчику или обслуживающему персоналу сети моделировать поведение сети, изменяя: топологию сети, способ маршрутизации пакетов, пропускные способности любого канала сети, нагрузку на сеть (интенсивности входных потоков), длины пакетов и распределение числа пакетов в одном сообщении, размеры памяти на узлах коммутации, ограничения на максимальное время пребывания сообщений в сети, приоритеты различных сообщений.

Система позволяет моделировать такие методы маршрутизации пакетов, как метод рельефов, метод Форда, метод Дейкстры, метод Бэрена, метод обмена задержками пакетов между узлами сети, метод Галлагера, метод решения уравнений Беллмана (для специального вида сети), а также случайную маршрутизацию, протоколы RIP, EGP, IGRP, BGP, OSPF и т.п. Большинство методов реализовано в нерандомизированной и рандомизированной модификациях.

Система использует принцип разделения сообщений на типы, различающиеся по длинам и приоритетам пакетов, распределением их числа, интенсивностям входных потоков и т.д.

В результате работы модели получается информация о:

средних задержках (временах доставки) сообщений различных типов;

гистограммах и функциях распределения задержки (времени доставки) сообщений;

гистограммах плотностей и функций распределения занятой памяти по узлам коммутации;

количествах сообщений различных типов, дошедших до адресата;

количествах отказов в доставке сообщений по различным причинам (нехватка памяти, превышение допустимого времени пребывания в сети и т.д.);

В процессе моделирования, по желанию пользователя возможно заполнение "журнала регистрации событий сети" для последующего статистического анализа.

Opnet.

Opnet Modeler предлагает пользователям графическую среду для создания, выполнения и анализа событийного моделирования сетей связи. Это удобное программное обеспечение может быть использовано для большого ряда задач, например, типичные создание и проверка протокола связи, анализ взаимодействий протокола, оптимизация и планирование сети. Также возможно осуществить с помощью пакета проверку правильности аналитических моделей, и описание протоколов.

В рамках, так называемого, редактора проекта могут быть созданы палитры сетевых объектов, которым пользователь может присвоить различные формы соединения узлов и связи вплоть до имеющих вид головоломки. Автоматизированное порождение сетевой топологии - кольца, звезды, случайной сети, также поддерживается и резервируется утилитами для импортируемых сетевых топологий в различных форматах. Случайный трафик может быть автоматически сгенерирован из алгоритмов, указанных пользователем, а также импортирован из входящих в стандартную комплектацию пакета форматов реальных трафиков линий. Результаты моделирования могут быть проанализированы, а графы и анимация трафика, опять же будут сгенерированы автоматически. Новая особенность - это автоматическое преобразование в формат html 4.0х.

Одним из плюсов из создания модели сети с помощью программного обеспечения является то, что уровень гибкости, обеспечиваемый ядром моделирования, тот же, что и для моделирования, написанных с нуля, но объектное построение среды позволяет пользователю намного быстрее делать разработку, усовершенствования и производить модели для многократного использования..

Есть несколько сред редактора - по одной для каждого типа объекта. Организация объектов - иерархическая, сетевые объекты (модели) связаны набором узлов и объектов связи, в то время как объекты узла связаны набором объектов, типа модулей очерёдности, модулей процессора, передатчиков и приемников. Версия ПО для моделирования радиоканала содержит модели антенны радиопередатчика, антенны приемника, перемещающихся объектов узла (включая спутники).

Логику поведения процессора и модулей очередности определяет модель процесса, которую пользователь может создавать и изменять в пределах редактора процесса. В редакторе процесса пользователь может определить модель процесса через комбинацию алгоритма работы конечного автомата (finite-state machine - FSM) и операторов языка программирования C/C++.

Вызов события модели процесса в течение моделирования управляется возбуждением прерывания, а каждое прерывание соответствует событию, которое должно быть обработано моделью процесса.

Основа связи между процессами - структура данных, называемая пакетом. Могут быть заданы форматы пакета, то есть они определяют, какие поля могут содержать такие стандартные типы данных, как целые числа, числа с плавающей запятой и указатели на пакеты (эта последняя способность позволяют инкапсулировать моделирование пакета). Структура данных, вызывающая информацию по контролю за интерфейсом (interface control infor-mation - ICI), может быть разделена между двумя событиями моделей процесса - это ещё один механизм для межпроцессорной связи, это очень удобно для команд моделирования и соответствует архитектуре многоуровневого протокола. Процесс также может динамически порождать дочерние процессы, которые упростят функциональное описание таких систем, как серверы.

Несколько основных моделей процесса входят в базовую комплектацию пакета, моделируя популярные протоколы работы с сетями и алгоритмы, вроде протокола шлюза границы (border gateway protocol - BGP), протокола контроля передачи. Интернет протокол (TCP/IP), ретрансляции кадров (frame relay), Ethernet, асинхронного режима передачи (asynchronous transfer mode -ATM), и WFQ (weighted fair queuing). Базовые модели полезны для быстрого развития сложных имитационных моделей для общих архитектур сети, а также для обучения, чтобы дать точное функциональное описание протокола студентам. Существует возможность сопровождения комментариями и графикой (с поддержкой гипертекста) моделей сети, узла или процесса.

В режиме прямого диалога доступна подробная документация в формате pdf. Обучающее руководство содержит простые примеры, по которым возможно сравнительно быстро обучиться всем тонкостям программы. Я включил Opnet в студенческие лабораторные по курсу сетей в Университете Калифорнии, Сан Диего, и обнаружил, что примерно за неделю, большинство студентов приобретает базовые знания о том, как синтезировать имитационные модели, с помощью этого программного продукта.

NetMaker XA.

Вычислительное ядро моделирования, используемое в NetMaker XA от Make Systems, - одно из наиболее мощных на рынке, и это сыграло немаловажную роль в том, что продукт зарекомендовал себя столь хорошо. За что ни возьмись - все работает в полном соответствии с описаниями. У нас не возникло никаких проблем ни с моделированием спроектированной нами небольшой сети, ни с усовершенствованием системы, приведенной производителем в качестве примера. Кроме того, генерируемые программой отчеты содержали всю необходимую информацию.

Главные недостатки NetMaker XA - необходимость серьезного обучения пользователя и высокая стоимость. Если к цене базовой конфигурации изделия добавить стоимость дополнительных модулей, получится довольно значительная сумма.

Основу продукта составляют модули Visualizer, Planner и Designer. Каждый из них выполняет какую-то одну функцию; чтобы смоделировать работу сети, необходимы все три.

Visualizer служит для получения информации о сети и ее просмотра. В его состав входят SNMP-модули автоматического распознавания, которые опрашивают сетевые устройства и создают соответствующие им объекты. Информацию об этих объектах можно затем редактировать с помощью Visualizer.

Planner - это библиотека устройств, которая помогает проанализировать, что получится при установке в сети нового устройства (например, дополнительного маршрутизатора). Make Systems поставляет встраиваемые модули (plug-in), содержащие объекты с данными о продуктах различных производителей. В таких объектах содержится полное описание различных моделей устройств (от числа сетевых интерфейсов до типа процессора); вся информация заверяется производителем. С помощью Planner пользователь может самостоятельно строить свои собственные объекты для описания сетевых устройств и каналов связи, не включенных в библиотеку.

Designer нужен для построения схем сетей. Данное средство позволяет легко и быстро создавать модели и анализировать альтернативы. Если пользоваться им совместно с Planner, можно получать информацию о том, как будет работать сеть заданной конфигурации.

Если требуется пойти несколько дальше, придется приобрести еще три модуля: Accountant, Interpreter и Analyzer. В состав Account входит тарификационная база данных; этот модуль помогает проанализировать затраты, связанные с использованием тех или иных сетей общего доступа. Нам показался очень полезным модуль Interpreter, предназначенный для сбора данных от средств анализа трафика. Затем данные автоматически импортировались в нашу модель, что позволяло использовать их почти в режиме реального времени, а не строить гипотезы относительно работы сети. Наконец, Analyzer и предназначенный для него встраиваемый модуль "выживаемости" помогают разрабатывать планы восстановления после аварий, а также добиваться того, чтобы ни одна неисправность (после ее локализации) не могла привести к отказу сети в целом.

Стоит все это богатство функций очень дорого - от 37 тыс. дол. за базовый комплект плюс доплаты за встраиваемые модули. Тому, кто захочет приобрести модули Accountant, Interpreter и Analyzer, придется раскошелиться еще на 30 тыс. дол. Установить NetMaker XA можно только на SPARCstation от Sun Microsystems.

К этому надо добавить стоимость обучения, поскольку без него у вас просто ничего не получится. В Make Systems осознают, что пользоваться их продуктом не так-то просто; во время испытаний к нам прислали специалиста, который обучил нас работе с пакетом.

Тем не менее для счастливого обладателя большой сети на несколько тысяч узлов NetMaker XA - то что нужно.

SES/Strategizer - альтернативный подход

Тот, кто не собирается включать возможность роста в свою модель сети, вполне удовлетворится значительно менее дорогим продуктом SES/Strategizer от Scientific and Engineering Software (цена 9995 дол.).

SES/Strategizer просчитывает модели очень быстро. Мы установили этот продукт на рабочей станции на базе Pentium II, и всего за 2 с программа рассчитала, как будет работать довольно сложная сеть в течение 24 ч. Можно также собирать тонкие статистические данные о каком-то одном конкретном элементе модели, например, следить за степенью загрузки центрального процессора с разбивкой по процессам, пользователям и моделям поведения.

Один из серьезных недостатков программы - необходимость перезапуска модели при каждом внесении каких-либо изменений. Другие продукты позволяют вставлять в модель различные переменные (например, учитывающие рост сети); в результате можно опробовать несколько вариантов в ходе одного прогона программы.

Установка не вызвала никаких затруднений, хотя мы были очень удивлены, получив программу на дискетах. Как и прочие пакеты, SES/Strategizer позволяет без труда задавать и модифицировать значения параметров, таких как пропускная способность. Кроме того, продукт выдает запрос на подтверждение ("Применить" или "Отмена"), если пользователь пытается закрыть диалоговое окно, щелкнув мышью на крестике в правом верхнем углу. Такая функция не предусмотрена в других продуктах, что неудобно, поскольку с ними никогда нельзя быть уверенным, какое действие будет предпринято по умолчанию.

И все же отдельные стороны SES/Strategizer нуждаются в доработке. Например, для просмотра результатов моделирования на том же ПК, где работает сама программа, требуется запустить Microsoft Excel; данные он должен брать из создаваемых SES/Strategizer файлов, где для разделения числовых полей используются знаки табуляции. Если Excel не установлен, пользователь получает странное сообщение об ошибке, указывающее на совершенно другую причину сбоя. Надо просто информировать пользователя, что ему следует установить Excel, или обеспечивать возможность просмотра средствами какой-нибудь другого приложения.

Различия между SES/Strategizer и Predictor отнюдь не так велики, как позволяет предположить разница в их ценах (19 тыс. дол.). Predictor хорош тем, что расчеты могут охватывать продолжительный период существования сети, а пользователь - учитывать рост трафика с течением времени. По части функций SES/Strategizer отстает совсем не так сильно - пользователю просто придется смириться с необходимостью постоянно просчитывать модель заново.

И все же NetMaker XA остается королем. Он - для тех, кто может раскошелиться на немалую сумму и хочет заполучить лучшее средство моделирования сети.

Основные требования, предъявляемые к системам моделирования вычислительных систем

Отсутствие необходимости программирования; возможность импорта информации из существующих систем управления сетями и средств мониторинга; наличие расширяемой библиотеки объектов; интуитивно-понятный интерфейс; простая настройка на объекты реального мира; гибкая система построения сценариев моделирования; удобное представление результатов моделирования; анимация процесса моделирования; автоматический контроль модели на внутреннюю непротиворечивость.

Советы покупателям

Как выбрать систему моделирования? Каждый выбирает себе систему по поставленным задачам и выделенным средствам.

Если вы хотите ознакомиться с принципиальными возможностями систем моделирования, если у вас не стоит задача "тюнинга", т. е. настройки уже существующей системы, а вы хотите только грубо определить, будет ли она функционировать при установке какого-либо дополнительного устройства без постоянных сбоев, - покупайте дешевый продукт.

Однако, как показывает реальный опыт, рано или поздно перед вами встанет задача полномасштабного моделирования вычислительной системы. И вот тут надо помнить о следующем.

К сожалению, в отличие от систем высокоуровневого моделирования, которые продаются и поддерживаются известными в России компаниями (ARIS -- компания "Весть-Метатехнологии", Rational Rose -- компании "Аргуссофт", "Интерфейс" и др.), поставщиков систем динамического моделирования вычислительных систем нам обнаружить не удалось. В 1997--1999 годах представлением, продажей и поддержкой семейств COMNET и OPNET занимались некоторые отечественные компании, однако потом этот процесс был приостановлен. Причины, наверное, в специфике российского рынка (открытое нежелание дать заказчику реальные спецификации и цены на информационные системы и боязнь независимой экспертизы решений), в недостаточности финансирования.

Полезным является каталог Network Buyer's Guide (www.networkbuyersguide.com), в котором дано описание продукта, производитель, цена и контактная информация.

Опыт показывает, что попытки обращения непосредственно к производителю приводят к положительному результату. Либо производитель сам откликнется и поставит эту систему, либо он назовет дистрибьютора в Европе, у которого этот продукт можно приобрести. Мы общались с CACI Products и OPNET Technologies (ранее -- MIL3) и успешно получали необходимое ПО.

К сожалению, консалтинговые компании, которые были бы связаны с моделированием сетей, в настоящее время в России нам не известны.

В нашей стране наибольшее распространение получили системы COPMNET III и OPNET. Именно эти продукты отличаются высокой полнотой библиотеки, поскольку у производящих их компаний есть соглашения с производителями сетевого оборудования. Но прежде, чем покупать дорогостоящую систему, определите, какие пакеты из входящих в ее состав вам реально понадобятся.

В данном обзоре рассматриваются три продукта старшего класса. Пакет NetMaker XA от Make Systems получил награду World Class ("Продукт мирового класса"). Впрочем, COMNET Predictor от CACI Products, который можно объединять с более мощным продуктом под названием COMNET III, совсем немного отстал от лидера. Пакет SES/Strategizer, предлагаемый компанией Scientific and Engineering Software по цене 9995 дол., можно порекомендовать тем, кто желает сэкономить.

Изучив ряд пакетов для моделирования работы сети, мы пришли к выводу, что все они вполне могут решить ту задачу, на решение которой рассчитаны. Однако толку от них сумеет добиться лишь тот, кто готов потратить немало средств и усилий. Продукты, предлагаемые лидерами рынка компаниями Make Systems и CACI Products, а также недавно дебютировавшей в этой области фирмой Scientific and Engineering Software (SES), справились (хотя и с разной степенью успешности) с анализом данных о конфигурации тестовой сети и предоставили информацию о возможных последствиях тех или иных изменений.

NetMaker XA от Make Systems занял первое место как наиболее полный и гибкий продукт. COMNET Predictor от CACI - недавно представленный родственник более широко известной программы COMNET III - тоже произвел хорошее впечатление, однако ему не помешали бы более совершенное средство составления схем и менее сложные для восприятия отчеты. Пакет SES/Strategizer от SES сравнительно дешев, однако, в отличие от NetMaker XA и COMNET Predictor, не позволяет учитывать будущий рост сети.

Надо сказать, что мы ожидали от рассмотренных пакетов несколько большего. В частности, ни одна из программ не способна сообщить, что сеть чересчур сложна, или предложить, каким образом надо ее усовершенствовать для повышения производительности. Они лишь указывают, будет ли работоспособным предлагаемый проект и в каком месте можно нарваться на проблемы. Администратору приходится самому выбирать лучший способ решения проблем.

Мало того, ни один из продуктов нельзя рассматривать как полностью готовое к употреблению средство, способное в точности смоделировать работу существующей или даже вновь спроектированной сети. Необходимо потратить значительные средства на обучение, прежде чем станут возможными построение корректных моделей и интерпретация полученных результатов. Затем понадобится еще в течение шести-девяти месяцев непрерывно подстраивать модель, и только после этого она будет хотя бы приблизительно приведена в соответствие с действительностью.

Чтобы понять, почему так получается, надо вспомнить, как строятся модели при работе с этими продуктами. Все программы оснащены средствами графического проектирования, позволяющими строить схемы сети с помощью буксировки значков, соответствующих различным устройствам, из библиотеки на рабочее поле программы. Далее указывается, каким образом устройства соединены LAN- и WAN-каналами, работающими на разных скоростях, и, наконец, схема дополняется данными о работе сети, полученными от сетевых мониторов.

Получив все эти данные, программа строит систему математических уравнений, с помощью которых моделируется поведение сети. К сожалению, одна-две ошибки в начальной информации могут испортить все.

Проблемы и тенденции

Средства моделирования столь же разнообразны, как и отображаемые ими локальные сети

Системы управления сетью обычно рекламируются как всеохватывающие и всемогущие. Средства моделирования работы сети назвать таковыми никак нельзя. Разброс цен на эти средства составляет от 129 дол. (за работающую под Windows программу LANModel от Network Performance Insitute) до 40 тыс. дол. (за COMNET III от CACI, которая может работать под Windows 95, Windows NT и Unix).

Каждый из продуктов действительно имеет свою собственную "экологическую" нишу. Одни средства рассчитаны на управление локальными сетями, а другие предназначены для администраторов территориально-распределенных сетей. Одни просто позволяют строить схемы сетей и обладают ограниченными возможностями моделирования, другие же способны производить сложный анализ глобальных сетей.

Однако ни одно из средств не способно охватить все задачи, поэтому если необходимо смоделировать сеть и проанализировать ее работу, придется покупать несколько продуктов. Имеются также заметные различия между продуктами, которые, как утверждается, решают одни и те же задачи.

Возьмем, к примеру, моделирование. Хотя в комплект поставки многих продуктов, указанных в сводной таблице, входят библиотеки сетевых элементов, устройств и протоколов, отнюдь не все продукты способны моделировать одни и те же объекты. Скажем, программа CANE от ImageNet может моделировать 9000 различных устройств и конечных станций, а комплект поставки продукта SimuNet от Telenix содержит только библиотеку маршрутизаторов Cisco. Из 13 средств, перечисленных в таблице, десять способны моделировать маршрутизаторы Cisco и другие устройства межсетевой связи, такие как концентраторы, шлюзы и коммутаторы. Менее половины программ позволяют учитывать работу каналов связи локальных и территориально-распределенных сетей. В библиотеку одного из средств, NetArchitect от Datametrics System, входят процессоры, контроллеры дисков и диски.

Что же касается протоколов, надо отметить следующее. Восемь продуктов могут моделировать работу протоколов сетевого уровня, таких как IP и IPX. Семь программ способны моделировать протоколы канального уровня, например IEEE 802.3, 802.5, ATM, frame relay. Шесть пакетов принимают во внимание протоколы как сетевого, так и канального уровня. Библиотека протоколов, входящая в состав пакета Virtual Agent от Network Tools, позволяет моделировать работу SNMP, который повсеместно используется в локально-сетевых устройствах. Однако не так-то просто обнаружить средство, умеющее работать с частными протоколами для устаревшего оборудования и связными протоколами.

Следует обязательно выяснить, работу каких сетевых элементов способно рассчитывать то или иное средство. В этой области можно нарваться на самые интересные результаты. Большинство продуктов рассчитывают, как будут работать те элементы сети, о которых у них имеются данные. Однако три пакета сплоховали: CANE от Image Net не может моделировать работу дисков, микросхем и контроллеров; Virtual Agent от Network Tools не принимает во внимание работу с очередями и скорость передачи данных по физическому носителю; SimuNet от Telenix не в состоянии учитывать, например, архитектуру устройств. За исключением NetArchitect от Datametrics, ни одно средство не умеет смоделировать работу системы в целом. Это означает, что невозможно принять во внимание, например, влияние параметров конечных станций. По-видимому, к этой проблеме производители обратятся несколько позже, когда станут более распространенными сети, при построении которых учитывается характер работающих в них приложений. Службы каталогов и сетевые протоколы в таких сетях будут поддерживать передачу трафика, чувствительного к задержкам.

Кроме того, средства моделирования сетей имеют несколько ограниченные возможности учета воздействия на пропускную способность сети работы с приоритетами и уровнями обслуживания. Если вспомнить, какое значение сейчас придается средствам предоставления уровней обслуживания и управления ими, станет ясно, что этот недостаток должен быть исправлен.

Достоинство всех перечисленных решений - наличие в их комплектах поставки примеров моделей и характеристик работы сети; - они помогают пользователям освоиться с продуктами. Это можно только приветствовать, поскольку моделирование и анализ поведения сетей - наука хитрая; производители и пользователи только начинают ее постигать.

Следует ожидать, что средства моделирования будут адаптироваться к изменениям характера сетей, которые становятся все более интеллектуальными и все в большей степени ориентируются на системные параметры (в частности, на учет характера приложений и предоставляемых сетевых услуг). В ближайшем будущем следует ожидать и появления средств моделирования и прогнозирования для Gigabit Ethernet. Это особенно важно в связи с выявленными проблемами с дифференциальными задержками на многомодовом кабеле.

Еще один важный момент - передача голоса через IP. Ясно, что производители средств моделирования будут обращать все больше внимания на эту проблему, по мере того как компании, стремящиеся переложить свой междугородний телефонный трафик на Internet, будут пытаться оценить воздействие соответствующей нагрузки на свои сети, базирующиеся на маршрутизаторах. Можно также ожидать появления новых компаний, которые сосредоточат свои усилия на новых технологиях, таких как Gigabit Ethernet и IP-телефония.

Появление новых производителей средств анализа приведет к усилению конкуренции и снижению цен на изделия, однако при этом усложнится проблема выбора.