Реферат: Имитационное моделирование компьютерных сетей

Министерство Образования РФ.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МАШИНОСТРОЕНИЯ.

«Имитационноемоделирование компьютерных сетей.»

наименование темы

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине:

Компьютерные сети

1 050 00 00 ПЗ

обозначение документа

ВЫПОЛНИЛИСТУДЕНТЫ ГРУППЫ ИСМ-99-1_Казаков П, Харченко И

подпись

Нормоконтролер _

Бахвалов С.В._____

подпись

Курсовой проект защищен

с оценкой______________

Иркутск 2002

Понятие и цели моделирования

Эффективностьпостроения и использования корпоративных информационных систем сталачрезвычайно актуальной задачей, особенно в условиях недостаточногофинансирования информационных технологий на предприятиях.

Критериямиоценки эффективности могут служить снижение стоимости реализации информационнойсистемы, соответствие текущим требованиям и требованиям ближайшего времени,возможность и стоимость дальнейшего развития и перехода к новым технологиям.

Основуинформационной системы составляет вычислительная система, включающая такиекомпоненты, как кабельная сеть и активное сетевое оборудование, компьютерное ипериферийное оборудование, оборудование хранения данных (библиотеки), системноепрограммное обеспечение (операционные системы, системы управления базамиданных), специальное ПО (системы мониторинга и управления сетями) и в некоторыхслучаях прикладное ПО.

Наиболеераспространенным подходом к проектированию информационных систем в настоящеевремя является использование экспертных оценок. В соответствии с этим подходомспециалисты в области вычислительных средств, активного сетевого оборудования икабельных сетей на основании имеющегося у них опыта и экспертных оценокосуществляют проектирование вычислительной системы, обеспечивающей решениеконкретной задачи или класса задач. Этот подход позволяет минимизироватьзатраты на этапе проектирования, быстро оценить стоимость реализацииинформационной системы. Однако решения, полученные с использованием экспертныхоценок, носят субъективный характер, требования к оборудованию и программномуобеспечению также грешат субъективностью, как и оценка гарантийработоспособности и развиваемости предлагаемогопроекта системы.

Вкачестве альтернативного может быть использован подход, предполагающийразработку модели и моделирование (имитацию работы — simulation)поведения вычислительной системы.

Бездефектное проектирование вычислительных систем

Можно говорить о «бездефектном» проектирования информационныхсистем. Оно достигается комплексным применением высокоуровневого моделирования (моделирования функций или бизнес-процессов) предприятия и низкоуровневогомоделирования вычислительной системы. Общая условная схема бездефектногопроектирования информационной системы приведена на рис. 1.

Использованиевысокоуровневого моделирования позволяет гарантировать полноту и правильностьвыполнения информационной системой функций, определенных заказчиком. То естьпостроенная модель безупречна по функциональности (система должна выполнять то,что задумано). Однако гарантировать, что конкретная реализация вычислительнойсистемы на предприятии будет выполнять эти функции, высокоуровневоемоделирование не может.

Ксистемам высокоуровневого моделирования относятся такие системы, как ARIS, Rational Rose. С их помощьюреализуются принципы структурного анализа, когда предприятие представляется ввиде сложной системы, состоящей из разных компонентов, имеющих различного родавзаимосвязи друг с другом. Эти средства позволяют определить и отразить вмоделях основные компоненты предприятия, протекающих процессов, используемойинформации, а также представить взаимосвязи между этими компонентами.

Создаваемые модели представляют собой документированнуюсовокупность знаний об ИС предприятия — о его организационной структуревзаимодействиях между предприятием и прочими субъектами рынка, составе иструктуре документов, последовательностях шагов процессов, должностныхинструкциях отделов и их сотрудников.

Моделирование функций вычислительной системы напрямуюсегодня не представляется возможным. Данная задача в полном объеме неразрешима. Однако возможно моделирование работы системы в динамике(динамическое моделирование), при этом его результаты позволяют по косвеннымпоказателям судить о функционировании всей системы.

Так,мы не можем проверить правильность функционирования сервера базы данных ипрограммного обеспечения, однако по выявляемым задержкам на сервере, необслуженным запросам и т. д. мы можем сделать вывод о его работе.

Такимобразом, рассматриваемые системы предназначены не для функциональногомоделирования вычислительных систем (это, к сожалению, невозможно), а для динамическогоих моделирования.

<img src="/cache/referats/6757/image001.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1028">
Рис. 1. Процесс бездефектного проектирования вычислительной системы

Моделированиевычислительной системы позволяет произвести более точный, по сравнению сэкспертными оценками, расчет необходимой производительности отдельныхкомпонентов и всей системы в целом, в том числе системного и прикладногопрограммного обеспечения… При этом появляется возможность использовать немаксимальные значения характеристик используемого вычислительного оборудования,а характеристики, учитывающие, специфику использования этого оборудования вконкретном учреждении.

Основумоделирования составляют модели оборудования и процессов (технологий,программного обеспечения), используемых при работе интересующего объекта. Примоделировании на компьютере воспроизводятся реальные процессы в обследуемомобъекте, исследуются особые случаи, воспроизводятся реальные и гипотетическиекритические ситуации. Основным достоинством моделирования является возможностьпроведения разнообразных экспериментов с исследуемым объектом, не прибегая кфизической реализации, что позволяет предсказать и предотвратить большое числонеожиданных ситуаций в процессе эксплуатации, которые могли бы привести кнеоправданным затратам, а может, и к порче оборудования.

Вслучае моделирования вычислительных систем таким объектом являетсяинформационная система, определяющая способы получения, хранения, обработки ииспользования различной корпоративной и внешней информации.

Впроцессе моделирования возможно следующее:

 определение минимально необходимого, нообеспечивающего потребности передачи, обработки и хранения информацииоборудования (даже не имеющего реальных аналогов) в настоящее время;

 оценка необходимого запаса производительностиоборудования, обеспечивающего возможное увеличение производственныхпотребностей в ближайшее время (один-два года);

 выбор нескольких вариантов оборудования сучетом текущих потребностей, перспективы развития на основании критериястоимости оборудования;

 проведение проверки работы вычислительнойсистемы, составленной из рекомендованного оборудования.Использование моделирования дляоптимизации производительности сети

Анализаторыпротоколов незаменимы для исследования реальных сетей, но они не позволяютполучать количественные оценки характеристик для еще не существующих сетей,находящихся в стадии проектирования. В этих случаях проектировщики могутиспользовать средства моделирования, с помощью которых разрабатываются модели,воссоздающие информационные процессы, протекающие в сетях.

Методыаналитического, имитационного и натурного моделирования

Моделированиепредставляет собой мощный метод научного познания, при использовании которогоисследуемый 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 другойматериальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы ссохранением их физической природы. Примером этого вида моделирования можетслужить пилотная сеть, с помощью которой изучаетсяпринципиальная возможность построения сети на основе тех или иных компьютеров,коммуникационных устройств, операционных систем и приложений.

Возможностифизического моделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельныезадачи при задании небольшого количества сочетаний исследуемых параметровсистемы. Действительно, при натурном моделировании вычислительной сети практическиневозможно проверить ее работу для вариантов с использованием различных типовкоммуникационных устройств — маршрутизаторов,коммутаторов и т.п. Проверка на практике около десятка разных типов маршрутизаторов связана не только с большими усилиями ивременными затратами, но и с немалыми материальными затратами.

Нодаже и в тех случаях, когда при оптимизации сети изменяются не типы устройств иоперационных систем, а только их параметры, проведение экспериментов в реальноммасштабе времени для огромного количества всевозможных сочетаний этихпараметров практически невозможно за обозримое время. Даже простое изменениемаксимального размера пакета в каком-либо протоколе требуетпереконфигурирования операционной системы в сотнях компьютеров сети, что требуетот администратора сети проведения очень большой работы.

Поэтому,при оптимизации сетей во многих случаях предпочтительным оказываетсяиспользование математического моделирования. Математическая модель представляетсобой совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логическихусловий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от еепараметров, входных сигналов, начальных условий и времени.

Особымклассом математических моделей являются имитационные модели. Такиемодели представляют собой компьютерную программу, которая шаг за шагомвоспроизводит события, происходящие в реальной системе. Применительно квычислительным сетям их имитационные модели воспроизводят процессы генерациисообщений приложениями, разбиение сообщений на пакеты и кадры определенныхпротоколов, задержки, связанные с обработкой сообщений, пакетов и кадров внутриоперационной системы, процесс получения доступа компьютером к разделяемойсетевой среде, процесс обработки поступающих пакетов маршрутизатороми т.д. При имитационном моделировании сети не требуется приобретатьдорогостоящее оборудование — его работы имитируется программами, достаточноточно воспроизводящими все основные особенности и параметры такогооборудования.

Преимуществомимитационных моделей является возможность подмены процесса смены событий висследуемой системе в реальном масштабе времени на ускоренный процесс сменысобытий в темпе работы программы. В результате за несколько минут можновоспроизвести работу сети в течение нескольких дней, что дает возможностьоценить работу сети в широком диапазоне варьируемых параметров.

Результатомработы имитационной модели являются собранные в ходе наблюдения за протекающимисобытиями статистические данные о наиболее важных характеристиках сети: временахреакции, коэффициентах использования каналов и узлов, вероятности потерьпакетов и т.п.

Существуютспециальные языки имитационного моделирования, которые облегчают процесссоздания программной модели по сравнению с использованием универсальных языковпрограммирования. Примерами языков имитационного моделирования могут служитьтакие языки, как SIMULA, GPSS, SIMDIS.

Существуюттакже системы имитационного моделирования, которые ориентируются на узкий классизучаемых систем и позволяют строить модели без программирования. Подобныесистемы для вычислительных сетей рассматриваются ниже.

Моделитеории массового обслуживания

Используемыев настоящее время в локальных сетях протоколы канального уровня используютметоды доступа к среде, основанные на ее совместном использовании несколькимиузлами за счет разделения во времени. В этом случае, как и во всех случаяхразделения ресурсов со случайным потоком запросов, могут возникать очереди. Дляописания этого процесса обычно используются модели теории массовогообслуживания.

Механизмразделения среды протокола Ethernet упрощенноописывается простейшей моделью типа M/M/1 — одноканальной моделью спуассоновским потоком заявок и показательным законом распределения времениобслуживания. Она хорошо описывает процесс обработки случайно поступающихзаявок на обслуживание системами с одним обслуживающим прибором со случайнымвременем обслуживания и буфером для хранения поступающих заявок на время, покаобслуживающий прибор занят выполнением другой заявки (рисунок 4.1). Передающаясреда Ethernet представлена в этой моделиобслуживающим прибором, а пакеты соответствуют заявкам.

Введемобозначения: l — интенсивность поступления заявок, вданном случае это среднее число пакетов, претендующих на передачу в среде вединицу времени, b — среднее время обслуживаниязаявки (без учета времени ожидания обслуживания), то есть среднее времяпередачи пакета в среде с учетом паузы между пакетами в 9.6 мкс,r — коэффициент загрузки обслуживающего прибора, вданном случае это коэффициент использования среды, r= lb.

Втеории массового обслуживания для данной модели получены следующие результаты:среднее время ожидания заявки в очереди (время ожидания пакетом доступа ксреде) W равно:

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

Специализированные системыимитационного моделирования вычислительных сетей

Существуютспециальные, ориентированные на моделирование вычислительных сетей программныесистемы, в которых процесс создания модели упрощен. Такие программные системысами генерируют модель сети на основе исходных данных о ее топологии ииспользуемых протоколах, об интенсивностях потоков запросов между компьютерамисети, протяженности линий связи, о типах используемого оборудования иприложений. Программные системы моделирования могут быть узкоспециализированными и достаточно универсальными, позволяющие имитировать сетисамых различных типов. Качество результатов моделирования в значительнойстепени зависит от точности исходных данных о сети, переданных в системуимитационного моделирования.

Программныесистемы моделирования сетей — инструмент, который может пригодиться любомуадминистратору корпоративной сети, особенно при проектировании новой сети иливнесении кардинальных изменений в уже существующую. Продукты данной категориипозволяют проверить последствия внедрения тех или иных решений еще до оплатыприобретаемого оборудования. Конечно, большинство из этих программных пакетовстоят достаточно дорого, но и возможная экономия может быть тоже весьмаощутимой.

Программыимитационного моделирования сети используют в своей работе информацию опространственном расположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скоростяхпередачи данных, используемых протоколах и типе оборудования, а также овыполняемых в сети приложениях.

Обычноимитационная модель строится не с нуля. Существуют готовые имитационные моделиосновных элементов сетей: наиболее распространенных типов маршрутизаторов,каналов связи, методов доступа, протоколов и т.п. Эти модели отдельныхэлементов сети создаются на основании различных данных: результатов тестовыхиспытаний реальных устройств, анализа принципов их работы, аналитическихсоотношений. В результате создается библиотека типовых элементов сети, которыеможно настраивать с помощью заранее предусмотренных в моделях параметров.

Системыимитационного моделирования обычно включают также набор средств для подготовкиисходных данных об исследуемой сети — предварительной обработки данных отопологии сети и измеренном трафике. Эти средства могут быть полезны, еслимоделируемая сеть представляет собой вариант существующей сети и имеетсявозможность провести в ней измерения трафика и других параметров, нужных длямоделирования. Кроме того, система снабжается средствами для статистическойобработки полученных результатов моделирования.

Систем динамическогомоделирования вычислительной системы достаточно много, они разрабатываются вразных странах. Удалось обнаружить такие системы, произведенные в Румынии идругих странах, не являющихся лидерами компьютерно-информационнойиндустрии. Кроме того, зачастую развитые системы диагностирования установленнойвычислительной системы (интеллектуальные кабельные тестеры, сканеры,анализаторы протоколов) также причисляют к системам моделирования, что несоответствует действительности. Классифицируем системы по двум связаннымкритериям: 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 моделированиевычислительных систем — дело весьма дорогостоящее. Хотите получить реальнуюкартину в вычислительной системе — платите деньги. Все системы динамическогомоделирования могут быть разбиты на две ценовые категории:

 Дешевые (сотни и тысячи долларов).

 High-end (десяткитысяч долларов, в полном варианте — сто и более тысяч долларов).

К сожалению, найти системысреднего ценового диапазона не удалось, однако многие из них представляют собойнабор пакетов и разброс в цене одной и той же системы определяется комплектомпоставки, т. е. объемом выполняемых функций. Дешевые системы отличаются отдорогих тем, насколько подробно удается в них описать характеристики отдельныхчастей моделируемой системы. Они позволяет получить лишь «прикидочные» результаты, не дают статистических характеристик и не предоставляютвозможности проведения подробного анализа системы. Системы класса high-end позволяют собирать исчерпывающую статистику покаждому из компонентов сети при передаче данных по каналам связи и проводитьстатистическую оценку полученных результатов. По функциональности системымоделирования, используемые при исследовании вычислительных систем, могут бытьразбиты на два основных класса:

 Системы, моделирующие отдельные элементы(компоненты) системы.

 Системы, моделирующие вычислительную системуцеликом.

Вследующей таблице приведены характеристики нескольких популярных системимитационного моделирования различного класса — от простых программ,предназначенных для установки на персональном компьютере, до мощных систем,включающих библиотеки большинства имеющихся на рынке коммуникационных устройстви позволяющих в значительной степени автоматизировать исследование изучаемойсети.

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

МоделируетсетиX.25, ATM, Frame Relay, связиLAN-WAN, SNA, DECnet, протоколыOSPF, 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

NetMagicSystem,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.

Наиболеепопулярные системы моделирования

BONeS

(фирма Systems and Networks) — графическая система моделирования общегоназначения для анализа архитектуры систем, сетей и протоколов. Описывает моделина транспортном уровне и на уровне приложений. Дает возможность анализавоздействия 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 различныхмодулей для расчета, анализа, проектирования, визуализации, планирования ианализа результатов.

Optimal

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

Prophesy

(компания Abstraction Software)- простая система для моделирования локальных и глобальных сетей. Позволяетоценить время реакции компьютера на запрос, количество "хитов" на WWW-сервере, количество рабочих станций дляобслуживания активного оборудования, запас производительности сети при поломкеопределенного оборудования.

Семейство CANE

(компания ImageNet) — проектирование и реинжиниринг вычислительной системы, оценка различныхвариантов, сценарии «что, если». Моделирование на различных уровняхмодели OSI. Развитая библиотека устройств, которая включает физические,электрические, температурные и другие характеристики объектов. Возможно созданиесвоих библиотек.

Семейство COMNET

(фирма Compuware; CACI ProductsCompany) — объектно-ориентированная системамоделирования локальных и глобальных сетей. Позволяет моделировать уровни:приложений, транспортный, сетевой, канальный. Использует все известные насегодня технологии и протоколы, а также системы клиент — сервер. Легконастраивается на модель оборудования и технологий. Возможность импорта иэкспорта данных о топологии и сетевом трафике. Моделирование иерархическихсетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмовмаршрутизации.

Семейство OPNET

(фирмаOPNET Technologies) — средство для проектирования имоделирования локальных и глобальных сетей, компьютерных систем, приложений ираспределенных систем. Возможность импорта и экспорта данных о топологии исетевом трафике. Анализ воздействия приложений типа клиент — сервер и новыхтехнологий на работу сети. Моделирование иерархических сетей, многопротокольныхлокальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации. Объектно-ориентированныйподход. Исчерпывающая библиотека протоколов и объектов. Включает следующиепродукты: Netbiz (проектирование и оптимизациявычислительной системы), Modeler (моделирование ианализ производительности сетей, компьютерных систем, приложений ираспределенных систем), ITGuru (оценкапроизводительности коммуникационных сетей и распределенных систем).

Stressmagic

(фирма NetMagic Systems) — поддержка стандартных тестов измерения производительности; имитация пиковойнагрузки на файл-сервер и сервер печати. Возможно моделирование взаимодействияразличных 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 (www.imagenet-cane.com/)