Пакети програм моделювання і оптимізація мереж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розглянемо особливості моделювання та можливості використання деяких пакетів програм на прикладі задачі дослідження продуктивності при проектуванні мереж зв'язку. Аналізатори протоколів незамінні для дослідження реальних мереж, але вони не дозволяють одержувати кількісні оцінки характеристик для ще не існуючих мереж, що знаходяться в стадії проектування. У цих випадках проектувальники можуть використовувати засоби моделювання, за допомогою яких створюються моделі, що відтворюють інформаційні процеси у мережах.

Моделювання являє собою потужний метод дослідження мереж зв'язку, при використанні якого мережа заміняється моделлю. При фізичному (натурному) моделюванні досліджувана мережа заміняється відповідною їй матеріальною системою, що відтворює властивості досліджуваної системи зі збереженням їх фізичної природи. Прикладом цього виду моделювання може служити пілотна мережа, за допомогою якої вивчається принципова можливість побудови мережі на основі тих чи інших комп'ютерів, комунікаційних пристроїв та операційних систем. Однак можливості фізичного моделювання мереж досить обмежені. Воно дозволяє вирішувати окремі задачі при задаванні невеликої кількості з'єднань досліджуваних параметрів системи. Дійсно, при натурному моделюванні мережі практично неможливо перевірити її роботу для усіх варіантів з використанням різних типів комунікаційних пристроїв - маршрутизаторів, комутаторів і т.п. Перевірка на практиці біля десятка різних типів маршрутизаторів пов'язана не тільки з великими часовими витратами, але і з чималими матеріальними витратами.

Однак навіть і в тих випадках, коли при оптимізації мережі змінюються не типи пристроїв і операційних систем, а тільки їхні параметри, проведення експериментів у реальному масштабі часу для величезної кількості всіляких комбінацій цих параметрів практично неможливо за доступний для огляду час. Навіть проста зміна максимального розміру пакета в якому-небудь протоколі вимагає переконфігурування операційної системи в сотнях комп'ютерів мережі, що вимагає від адміністратора мережі проведення дуже великої роботи.

Тому, при оптимізації мереж у багатьох випадках перевага віддається використанню математичного моделювання на ЕОМ. Математична модель мережі являє собою сукупність співвідношень (формул, рівнянь, нерівностей, логічних умов), що визначають процес зміни стану системи в залежності від її параметрів, вхідних сигналів, початкових умов і часу. Особливим класом математичних моделей є імітаційні моделі. Такі моделі являють собою комп'ютерну програму, що крок за кроком відтворює події, які відбуваються в реальній системі. Стосовно мереж, їхні імітаційні моделі відтворюють процеси генерації повідомлень, розбивання повідомлень на пакети і кадри конкретних протоколів, затримки, пов'язані з обробкою повідомлень, пакетів і кадрів всередині мережі, процес одержання доступу до подільного мережного середовища, процес опрацювання пакетів і т.д. При імітаційному моделюванні мережі не потрібно набувати дороге устаткування - його робота імітується програмами, що досить точно відтворюють всі основні особливості і параметри такого устаткування.

Перевагою імітаційних моделей є можливість підміни процесу зміни подій у досліджуваній мережі в реальному масштабі часу на прискорений процес зміни подій у темпі роботи програми. У результаті за кілька хвилин можна відтворити роботу мережі протягом декількох днів, що дає можливість оцінити роботу мережі в широкому діапазоні варіаційних параметрів. Результатом роботи імітаційної моделі є зібрані в ході спостереження за подіями, що протікають, статистичні дані про найважливіші характеристики мережі: часи реакції, коефіцієнти використання каналів і вузлів, імовірності втрат пакетів та інше.

Існують спеціальні мови імітаційного моделювання, що полегшують процес створення програмної моделі в порівнянні з використанням універсальних мов програмування. Прикладами мов імітаційного моделювання можуть служити такі мови, як SIMULA, GPSS, SIMDIS. Існують також системи імітаційного моделювання, що орієнтуються на вузький клас досліджуваних систем і дають можливість будувати моделі без програмування. Подібні системи для обчислювальних мереж розглядаються нижче.

Такі програмні системи самі генерують модель мережі на основі вхідних даних про її топологію і використовувані протоколи, про інтенсивності потоків запитів між комп'ютерами мережі, довжини ліній зв'язку, про типи використовуваного устаткування. Програмні системи моделювання можуть бути вузько спеціалізованими і досить універсальними, що дають можливість імітувати мережі всіляких типів. Якість результатів моделювання значною мірою залежить від точності вихідних даних про мережу, переданих у систему імітаційного моделювання.

Програмні системи моделювання мереж - це інструмент, що може знадобитися будь-якому адміністратору мережі, особливо при проектуванні нової мережі чи внесенні кардинальних змін у вже існуючу. Продукти даної категорії дозволяють перевірити наслідки впровадження тих чи інших проектних рішень ще до оплати устаткування, що набувається. Звичайно, більшість з цих програмних пакетів коштує досить дорого, але і можлива економія може бути теж дуже відчутною.

Програми імітаційного моделювання мережі використовують у своїй роботі інформацію про просторове розташування мережі, кількість вузлів, конфігурації зв'язків, швидкості передачі даних, використовуваних протоколах і типу устаткування. Звичайно, імітаційна модель будується не з нуля. Існують готові імітаційні моделі основних елементів мереж: найбільш розповсюджених типів маршрутизаторів, каналів зв'язку, методів доступу, протоколів і т.п. Ці моделі окремих елементів мережі створюються на підставі різних даних: результатів тестових випробувань реальних пристроїв, аналізу принципів їхньої роботи, аналітичних співвідношень. У результаті створюється бібліотека типових елементів мережі, які можна налаштовувати за допомогою заздалегідь передбачених у моделях параметрів.

Системи імітаційного моделювання звичайно включають також набір засобів для підготовки вихідних даних про досліджувану мережу - попередньої обробки даних про топологію мережі й виміряний трафік. Ці засоби можуть бути корисні, якщо мережа, що моделюється являє собою варіант існуючої мережі і існує можливість провести в ній вимірювання трафіка й інших параметрів, потрібних для моделювання. Крім того, система забезпечується засобами для статистичної обробки отриманих результатів моделювання.

У табл. 1 наведені характеристики декількох популярних програм імітаційного моделювання різного класу - від простих програм до потужних систем, що включають бібліотеки більшості наявних на ринку комунікаційних пристроїв і забезпечують можливість значного ступеня автоматизації дослідження мережі, яка проектується.

Таблиця 1

Програмні продукти імітаційного моделювання мережhttp://www.cityholding.dp.ua/list/htm/12/44

Розглянемо більш докладно можливості деяких пакетів програм. Зокрема, система імітаційного моделювання COMNET дозволяє аналізувати роботу складних мереж, що працюють на основі практично всіх сучасних мережних технологій і що включають як локальні, так і глобальні зв'язки. Система COMNET складається з декількох основних частин, що працюють як автономно, так і в комплексі:

COMNETBaseliner - пакет, призначений для збору вихідних даних про роботу мережі, необхідних для проведення моделювання.

COMNETIII разом з пакетом AdvanceFeaturesPack - система детального моделювання мережі.

COMNETPredictor - система швидкої оцінки продуктивності мережі.

COMNETBaseliner. Головною проблемою при будь-якому моделюванні мережі є проблема збору даних про існуючу мережу. Саме цю проблему допомагає вирішити пакет COMNETBaseliner. Цей пакет може працювати з багатьма промисловими системами управління і моніторингу мереж, одержуючи від них зібрані дані й обробляючи їх для використання при моделюванні мережі за допомогою систем COMNETIII чи COMNETPredictor.

COMNETBaseline дозволяє створювати різноманітні фільтри, за допомогою яких можна отримати потрібну для моделювання інформацію з імпортованих даних. За допомогою COMNETBaseline можна:

-вводити інформацію про топологію мережі, можливо, в ієрархічному вигляді;

-комбінувати інформацію з декількох файлів реєстрації трафіка, що можуть імпортуватися з різних засобів моніторингу в єдину модель трафіка;

-надавати отриману модель трафіка для попереднього швидкого огляду;

-переглядати графічне представлення міжвузлової взаємодії, у якій трафік кожної пари вузлів відображається лінією визначеного кольору.

COMNETIII. Система імітаційного моделювання мереж COMNETIII дозволяє точно передбачувати продуктивність локальних, глобальних і корпоративних мереж. COMNETIII пропонує використовувати простий і інтуїтивно зрозумілий спосіб конструювання моделі мережі, заснований на застосуванні готових базових блоків, що відповідають добре знайомим мережним пристроям, таким як комп'ютери, маршрутизатори, комутатори, мультиплексори і канали зв'язку. Користувач застосовує техніку drag-and-drop для графічного зображення мережі, що моделюється з бібліотечних елементів. Потім система COMNETIII виконує детальне моделювання отриманої мережі, відображаючи результати динамічно у виді наочної мультиплікації результуючого трафіка. Іншим варіантом завдання топології мережі, що моделюється є імпорт топологічної інформації із систем керування і моніторингу мереж.

Після закінчення моделювання користувач одержує у своє розпорядження наступні характеристики продуктивності мережі:

-прогнозовані затримки між кінцевими і проміжними вузлами мережі, пропускні здатності каналів, коефіцієнти використання сегментів, буферів і процесорів;

-піки і спади трафіка як функцію часу, а не як усереднені значення;

-джерело затримок і вузьких місць мережі.

Система COMNETIII оперує з вузлами трьох типів - процесорними вузлами, вузлами-маршрутизаторами і комутаторами. Вузли можуть приєднуватися за допомогою портів до комунікаційних каналів будь-якого типу, від каналів локальних мереж до супутникових ліній зв'язку. Вузли і канали можуть характеризуватися середнім часом наробітку на відмову і середній час відновлення для моделювання надійності мережі.

У COMNETIII моделюється не тільки взаємодія комп'ютерів по мережі, але і процес поділу процесора кожного комп'ютера між його додатками. Робота додатка моделюється за допомогою команд декількох типів, у тому числі команд обробки даних, відправлення і читання повідомлень, читання і запису даних у файл, установлення сесій і припинення програми до одержання повідомлень. Для кожного додатку задається так званий репертуар команд.

Вузли-маршрутизатори можуть моделювати роботу маршрутизаторів, комутаторів, мостів, концентраторів і будь-яких пристроїв, що мають поділювану внутрішню шину, за допомогою якої пакети передаються між портами. Шина характеризується пропускною здатністю і кількістю незалежних каналів. Вузол-маршутизатор має також усі характеристики процесорного вузла, так що він може виконувати додатки, що, наприклад, поновлюють таблиці маршрутизації чи розсилають маршрутну інформацію з мережі. Неблокуючі комутаційні вузли можуть моделюватися шляхом задавання кількості незалежних каналів, рівного числу модулів комутатора. Бібліотека COMNETIII включає велику кількість описів конкретних моделей маршрутизаторів з параметрами, заснованими на результатах тестування в Harvard NetworkDeviceTestLab.

Вузол-комутатор моделює роботу комутаторів, а також маршрутизаторів, концентраторів і інших пристроїв, що передають пакети з вхідного порту на вихідний з незначною затримкою.

Канали зв'язку моделюються шляхом задавання їхнього типу, а також двох параметрів - пропускної здатності і внесеної затримки поширення у каналі. Одиницею переданих по каналу даних є кадр. Пакети при передаванні по каналах сегментуються на кадри. Кожен канал характеризується: мінімальним і максимальним розміром кадру, накладними витратами на кадр і інтенсивністю помилок у кадрах.

COMNETIII включає засоби для моделювання глобальних мереж на самому верхньому рівні абстракції. Таке представлення глобальних мереж доцільне, коли задавання точних відомостей про топологію фізичних з'єднань і про повний трафік глобальної мережі неможливе чи недоцільне. Наприклад, нема сенсу точно моделювати роботу INTERNET при дослідженні передачі трафіка між двома локальними мережами, підключеними до INTERNET.

При моделюванні глобальних мереж імітується розбиття пакетів на кадри, причому кожен тип глобального сервісу характеризується мінімальним і максимальним розмірами кадру і накладними витратами на службову інформацію.

Зв'язок із глобальною мережею імітується за допомогою каналу доступу, що має визначені затримку поширення і пропускну здатність. Сама глобальна мережа характеризується затримкою доставки інформації від одного каналу доступу до іншого, імовірністю втрати кадру чи його примусового видалення з мережі (при порушенні угоди про параметри трафіка типу CIR). Ці параметри залежать від ступеня завантаженості глобальної мережі, що може бути задана як нормальна, помірна і висока. Існує можливість моделювати віртуальні канали в мережі.

У системі COMNETIII робоче навантаження створюється джерелами трафіка. Кожен вузол може бути з'єднаний з декількома джерелами трафіка різного типу. Джерела-додатки генерують додатки, що виконуються вузлами типу процесорів або маршрутизаторів. Вузол виконує команду за командою, імітуючи роботу додатків у мережі. Джерела можуть генерувати складні нестандартні додатки, а також прості, що займаються в основному відправленням і одержанням повідомлень по мережі.

Джерела викликів генерують запити на встановлення з'єднань у мережах з комутацією каналів (мережі з віртуальними з'єднаннями, що комутуються, ISDN, POTS). Джерела планованого навантаження генерують дані, використовуючи залежний від часу розклад. При цьому джерело генерує дані періодично, використовуючи визначений розподіл інтервалу часу між порціями даних. Можна моделювати залежність інтенсивності генерації даних від часу дня.

Комунікаційні протоколи фізичного і канального рівнів враховуються в системі COMNETIII у таких елементах мережі як канали. Протоколи мережного рівня відбиті в роботі вузлів моделі, що приймають рішення про вибір маршруту пакетів у мережі. Магістраль мережі і кожна з підмереж можуть працювати на основі різних і незалежних алгоритмів маршрутизації. Алгоритми маршрутизації, використовувані COMNETIII, приймають рішення на основі обчислення найкоротшого шляху. Використовуються різні варіації цього принципу, що відрізняються використовуваною метрикою і засобом відновлення таблиць маршрутизації. Застосовуються статичні алгоритми, у яких таблиця поновлюється тільки один раз на початку моделювання, і динамічні алгоритми, що періодично поновлюють таблиці. Можливе моделювання багато шляхової маршрутизації, при якій досягається баланс трафіка по декількох альтернативних маршрутах.

Протоколи, що виконують транспортні функції і функції доставки повідомлень між кінцевими вузлами представлені в системі COMNETIII великим набором протоколів: ATP, NCP, NCPBurstMode, TCP, UDP, NetBIOS, SNA. При використанні цих протоколів користувач вибирає їх з бібліотеки системи і задає конкретні параметри, наприклад, розмір повідомлення, розмір вікна і т.п.

COMNETIII дозволяє при моделюванні задавати форму звіту про результати для кожного окремого елемента моделі. Існують різні способи одержання статистичних результатів прогону моделі, зокрема, збір статистики для кожного типу елемента моделі - вузлів, каналів, джерел трафіка, маршрутизаторів, комутаторів і т.п. Монітор статистики кожного елемента можна установити для збору тільки базових статистичних параметрів (мінімум, максимум, середнє значення і дисперсія) чи збору даних у тимчасовому масштабі для побудови графіків. Якщо результати спостережень збережені у файлі для наступної побудови графіків і аналізу, то можлива також побудова гістограм і процентних показників. Можлива побудова графіків і під час моделювання.

Параметри меню дозволяють змінювати швидкість тактів моделювання і швидкість руху токенів - графічних символів, що відповідають кадрам і пакетам. В анімаційному режимі система COMNETIII показує надходження токенів у канали зв'язку і вихід їх з каналів, поточна кількість пакетів у вузлах, кількість сесій, встановлених з даним вузлом, відсоток використання і багато чого іншого.

COMNETIII включає інтегрований набір засобів для статистичного аналізу вихідних даних і результатів моделювання. З їхньою допомогою можна підібрати придатний розподіл імовірностей для експериментально отриманих даних. Засоби аналізу результатів забезпечують можливість обчислити довірчі інтервали, виконати регресійний аналіз і оцінити варіації оцінок, отриманих за декількома прогонами моделі.

COMNETPredictor. Цей програмний продукт призначений для тих випадків, коли необхідно оцінити наслідки змін у мережі, але без детального її моделювання. COMNETPredictor працює у такий спосіб. Із системи управління чи моніторингу мережі завантажуються дані про роботу існуючого варіанту мережі і робиться припущення про зміну параметрів мережі: числа користувачів чи додатків, пропускної здатності каналів, алгоритмів маршрутизації, продуктивності вузлів і т.п. Потім COMNETPredictor робить оцінку наслідків пропонованих змін і видає результати у вигляді графіків і діаграм, на яких відображаються затримки, коефіцієнти використання і передбачувані вузькі місця мережі. COMNETPredictor доповнює систему COMNETIII, що може використовуватися потім для ретельнішого аналізу найважливіших варіантів мережі.

OPNET Products - це серія пакетів програм для вирішення різних задач розробки мереж. Вони поєднують як прогнозуюче моделювання, так всебічне розуміння технологій організації мереж що дозволяє користувачам більш ефективно проектувати, керувати інфраструктурою мереж та мережним обладнанням. Зокрема, це такі пакети програм:

OPNET Modeler - призначений для моделювання та імітації середовища мережі, прискорює науково-дослідні роботи для проектувальників, що розробляють структуру мережі, вибирають устаткування, протоколи зв'язку та системи.

OPNET SP Guru - призначений для інтелектуального керування мереж, що дає можливість провайдерам служб більш ефективно проводити пошук помилок у конфігурації мережі, виконувати прогнозуюче планування та автоматизоване проектування мережі.

OPNET IT Gur - призначений для інтелектуального керування мереж, що дає можливість менеджерам діагностувати проблеми у функціюванні мережі, затверджувати зміни в конфігурації сервера, планувати ріст і високу продуктивність.

OPNET WDM Guru - призначений для проектування і оптимізації високопродуктивних оптоволоконних мереж, обслуговування та задавання розмірів поточних і майбутніх станів мереж, включаючи варіанти росту та відмовлення.

OPNET Netbіz - платформа, що надбудовується для автоматизації аналізу та проектування мереж і яка включає власні алгоритми та правила проектування.

Система автоматизованого проектування HTZ-Simulation призначена для планування і вичерпного моделювання мереж радіозв'язку в діапазонах хвиль ВЧ, УВЧ і НВЧ. Система забезпечує розв'язання широкого класу задач проектування, починаючи від вибору будівельних майданчиків на місцевості, до оптимізації всієї радіомережі в цілому.

Основними задачами, що можуть бути успішно розв'язані за допомогою цієї програмної системи проектування є такі: оптимізація існуючих радіомереж при малих фінансових витратах; територіальне планування нових радіомереж; оцінка електромагнітної сумісності нових та існуючих радіомереж; проектування мікрохвильових ліній передачі для стаціонарних абонентів; частотно-територіальне планування радіомереж з щільниковою структурою для рухомих абонентів; спільне проектування і дослідження щільникової мережі для рухомих абонентів і мікрохвильових ліній; оцінка кореляції між результатами розрахунків і вимірів; підготовка результатів розрахунків для включення в звіти про проведені дослідження.

Побудова пілотних проектів проектованих мереж. Якщо для задавання інформації про топологію мережі не потрібно мати реальну мережу, то для збору вихідних даних про інтенсивність джерел мережного трафіка можуть знадобитися вимірювання на пілотних мережах, що являють собою натурні моделі проектованої мережі. Ці виміри можуть бути виконані різними засобами, у тому числі і за допомогою аналізаторів протоколів.

Крім одержання вихідних даних для імітаційного моделювання, пілотна мережа може використовуватися для розв'язання самостійних важливих задач. Вона може дати відповіді на питання, що стосуються принципової працездатності того чи іншого технічного рішення або сумісності устаткування. Натурні експерименти можуть вимагати значних матеріальних витрат, але вони компенсуються високою вірогідністю отриманих результатів.

Пілотна мережа повинна бути якомога більше схожа на ту мережу, що створюється, для вибору параметрів якої і створюється пілотна мережа. Для цього необхідно в першу чергу виділити ті особливості створюваної мережі, що можуть вплинути на її працездатність і продуктивність. Якщо існують сумніви щодо сумісності продуктів різних виробників, наприклад, комутаторів, що підтримують віртуальні мережі чи інші поки що не стандартизовані можливості, то в пілотній мережі повинні перевірятися на сумісність саме ці пристрої і саме в тих режимах, які викликають найбільші сумніви.

Що ж стосується використання пілотної мережі для прогнозування пропускної здатності реальної мережі, то тут можливості цього виду моделювання дуже обмежені. Сама по собі пілотна мережа навряд чи зможе дати добру оцінку продуктивності реальної мережі, яка включає набагато більше вузлів підмереж і користувачів. Неясним є спосіб екстраполяції результатів, отриманих у невеликій мережі, на мережі багато більших розмірів. Тому пілотну мережу доцільно використовувати разом з імітаційною моделлю мережі, у якій використовуються значення характеристик трафіка, затримок і пропускної здатності пристроїв, отриманих у пілотній мережі.

пакет програма моделювання

Размещено на Allbest.ru