Сетевые процессы, поддающиеся моделированию

Сетевое моделирование относится к разновидности структурного моделирования, нашедшей широкое применение в тех случаях, когда моделируемый процесс представляет собой сложную систему, включающую большое количество операций с достаточно сложными взаимосвязями между ними. Такие процессы будем называть сложными процессами. Использование сетевых моделей при отображении структуры таких процессов позволило на основе учета особенностей отображаемой структуры разработать эффективные методы анализа и оптимизации сложных процессов.

Широкое распространение сетевого моделирования при решении практических задач управления обусловлено тем, что она позволяет реализовывать системный подход, применять математические методы и современную вычислительную технику при исследовании сложных процессов, повышать эффективность планирования и управления такими процессами.

В процессе проектирования компьютерных сетей важным этапом является исследование технических решений на предмет выполнения ими заданных функций.

Такое исследование может быть проведено двумя способами: натурным экспериментом и компьютерным имитационным моделированием. В первом случае проектировщики, используя реальное оборудование, собирают требуемую компьютерную сеть и проводят необходимые эксперименты.

Ни один проект крупной сети со сложной топологией в настоящее время не обходится без исчерпывающего моделирования будущей сети (речь, разумеется, идет не о России). Программы, выполняющие эту задачу, достаточно сложны и дороги. Целью моделирования является определение оптимальной топологии, адекватный выбор сетевого оборудования, определение рабочих характеристик сети и возможных этапов будущего развития. Ведь сеть, слишком точно оптимизированная для решений задач текущего момента, может потребовать серьезных переделок в будущем. На модели можно опробовать влияние всплесков широковещательных запросов или реализовать режим коллапса (для Ethernet), что вряд ли кто-то может себе позволить в работающей сети. В процессе моделирования выясняются следующие параметры:

· Предельные пропускные способности различных фрагментов сети и зависимости потерь пакетов от загрузки отдельных станций и внешних каналов.

· Время отклика основных серверов в самых разных режимах, в том числе таких, которые в реальной сети крайне нежелательны.

· Влияние установки новых серверов на перераспределение информационных потоков (Proxy, Firewall и т.д.).

· Решение оптимизации топологии при возникновении узких мест в сети (размещение серверов, DNS, внешних шлюзов, организация опорных каналов и пр.).

· Выбор того или иного типа сетевого оборудования (например, 10BaseTX или 100BaseFX) или режима его работы (например, cut-through, store-and-forward для мостов и переключателей и т.д.).

· Выбор внутреннего протокола маршрутизации и его параметров (например, метрики).

· Определение предельно допустимого числа пользователей того или иного сервера.

· Оценка необходимой полосы пропускания внешнего канала для обеспечения требуемого уровня QOS.

· Оценка влияния мультимедийного трафика на работу локальной сети, например, при подготовке видеоконференций.

Перечисленные задачи предъявляют различные требования к программам. В одних случаях достаточно провести моделирование на физическом (MAC) уровне, в других нужен уже уровень транспортных протоколов (например, UDP и TCP), а для наиболее сложных задач нужно воспроизвести поведение прикладных программ. Все это должно учитываться при выборе или разработке моделирующей программы. Ведь нужно учесть, что ваша машина должна в той или иной мере воспроизвести действия всех машин в моделируемой сети. Таким образом, машина эта должна быть достаточно быстродействующей и, несмотря на это, моделирование одной секунды работы сети может занять при определенных условиях не один час.

Результаты моделирования должны иметь точность 10%-20%, так как этого достаточно для большинства целей и не требует слишком много машинного времени. Следует иметь в виду, что для моделирования поведение реальной сети, надо знать все ее рабочие параметры: длины кабеля от концентратора до конкретной ЭВМ, задержки используемых кабелей, задержки концентраторов (этот параметр часто отсутствует в документации и его придется брать из документации на сетевой протокол, например из IEEE 802.3). Параметры могут быть определены и прямым измерением. Чем точнее вы воспроизводите поведение сети, тем больше машинного времени это потребует.

Очевидно, что стоимость таких экспериментов достаточно высока и определяется в большей степени стоимостью используемого оборудования. С целью сокращения стоимости экспериментов используется компьютерное имитационное моделирование, в котором вместо реального оборудования используется их программные аналоги. На рынке программного обеспечения существует множество различных сред имитационного моделирования компьютерных сетей.

Результатами моделирования могут являться:

1. Вероятность потери пакета для логического сегмента и каждой из рабочих станций.

2. Пропускная способность серверов для каждого из логических сегментов (путь сервер -> логический сегмент)

3. Вероятность столкновения для каждого логического сегмента и каждой рабочей станции.

4. Распределение потоков по логическим сегментам (и рабочим станциям) независимо для каждого направления (вход и выход).

5. Распределение потоков для всех входов/выходов переключателей мостов и маршрутизаторов.

6. Доля вспомогательного трафика (ICMP, SNMP, отклики TCP, широковещательные запросы и т.д.) по отношению к информационному потоку для различных узлов сети (серверов, маршрутизаторов)

7. Уровень широковещательного трафика для каждого из логических сегментов

Наибольшую популярность получили две среды имитационного моделирования компьютерных сетей: GNS3 и CISCO Packet Tracer. Первая среда является свободно распространяемой и реализует имитационное моделирование путем виртуализации реального оборудования. Вторая среда распространяется свободно, но в рамках сетевых академий компании Cisco systems, Inc, и моделирует только оборудование этого производителя. В рамках лабораторных работ, в основном, будет использоваться среда CISCO Packet Tracer.