ВВЕДЕНИЕ
Построение и эксплуатация сетей связи – это комплексная задача, связанная с выбором логической и физической структуры сети, точек размещения оборудования, выбор способа и схемы построения линейных сооружений, изучения потребностей в услугах связи, прогнозировании спроса на них и выбора требуемых параметров оборудования и линий связи. Решение каждой из этих подзадач отражается на характеристиках сети связи. Назначение сети как технической системы состоит в выполнении работы по доставке трафика при предоставлении услуг связи. Качество предоставления услуг является основной характеристикой функционирования этой системы. Каждая из услуг может иметь специфические требования к качеству обслуживания, производимого ее пользователями трафика. В этом пособии рассматриваются математические методы, применимые для оценки и анализа параметров сетей связи с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Приведенные в пособии материалы дают лишь необходимые сведения для пояснения приводимых понятий и методов. Для углубленного изучения теоретических основ и расширения области знаний о задачах связанных с расчетом параметров сетей связи следует обратиться к и рекомендуемой и дополнительной литературе. В первой главе пособия приведены основные понятия, показатели качества и математические модели, применяемые при анализе технических решений и расчете канальной емкости в сетях с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. В последующих главах пособия приведены материалы, посвященные применению средств имитационного моделирования. Имитационное моделирование представляет собой разновидность математического моделирования, которая позволяет получить численные оценки параметров исследуемых процессов и явлений. В отличие от аналитического моделирования, которое позволяет получить точные общие аналитические зависимости, имитационное моделирование позволяет получить лишь частные решения для конкретных условий. Однако, благодаря относительно низкой трудоемкости построения имитационных моделей и высокой скорости вычислений оно дает возможность получения достаточно точного описания тех же зависимостей. К тому же точные аналитические модели удается получить далеко не во всех случаях, и тогда имитационное моделирование становится, практически, единственным методом исследования. Следует отметить, что чаще всего аналитические методы моделирования и имитационное моделирование взаимно дополняют друг друга. Часто имитационные модели используются для проверки теоретических гипотез и моделей. 5
Технологии имитационного моделирования глубоко проникли в современную жизнь. Компьютерные игры, виртуальная реальность, дополненная реальность – это лишь примеры имитационных моделей, которые встречаются на бытовом уровне. В области научных исследований, разработок, производства и образования также используется множество, как правило, программных средств, которые можно отнести к системам имитационного моделирования. Системы имитационного моделирования позволяют, в ряде случаев, заменить натурное (физическое) моделирование и тем самым значительно облегчить решение задач проектирования. Области применения имитационного моделирования весьма разнообразны, однако нас интересует вполне конкретная сфера деятельности, а именно построение телекоммуникационных систем и сетей. Круг решаемых в этой области задач тоже весьма широк: от уровня свойств физической среды, электрических сигналов и т. д. до уровня поведения пользователя (человека). В настоящее время нет единой системы имитационного моделирования, которая бы давала возможность глубоко и досконально моделировать процессы и явления, происходящие на всех этих уровнях. В данном учебном пособии даются основные сведения, необходимые для построения имитационных моделей и анализе результатов моделирования с использованием двух систем имитационного моделирования AnyLogic и OMNeT++. По мнению автора, на момент написания пособия, эти системы являются наиболее проработанными и достаточно документированными. Обе системы доступны для свободного использования (или ограниченного использования, достаточного для решения рассматриваемых в настоящем пособии задач). Выбор двух систем объясняется их особенностями и особенностями задач в области теории и практики развития телекоммуникационных систем. Первая рассматриваемая система AnyLogic является системой имитационного моделирования общего назначения и не содержит готовых средств, ориентированных именно на телекоммуникационные приложения. Однако, особенность ее реализации, выражающаяся в широких функциональных возможностях, простоте освоения, наглядности результатов и некоторых других, позволяют найти ей применение в задачах исследования процессов, описываемых моделями систем массового обслуживания. Такое описание часто используется при описании элементов телекоммуникационных систем и сетей связи. Вторая система имитационного моделирования OMNeT++ ориентирована на построение моделей сетей связи и содержит широкий набор библиотечных элементов, позволяющий упростить задачи моделирования сложных телекоммуникационных систем. Ее использование 6
позволяет достаточно простыми средствами создавать модели близкие по свойствам к реальным сетевым устройствам. Выбор той или иной системы для решения конкретной задачи определяется исследователем (разработчиком модели), поэтому навыки работы с этими системами позволят достаточно свободно ориентироваться в выборе средств решения конкретных задач. В пособии приводятся достаточно подробные описания процесса построения нескольких, наиболее наглядных, по мнению автора, имитационных моделей. Разумеется, материалы данного пособия не охватывают всего множества возможных вариантов построения моделей, а дают лишь начальные сведения и позволяют получить начальные навыки работы, что может быть весьма полезно для дальнейшей углубленной работы с данными системами. Для углубленного изучения способов построения моделей и систем имитационного моделирования следует обратиться к документации этих систем и дополнительной литературе, в частности, приведенной в перечне рекомендуемой литературы. Материалы данного учебного пособия могут быть полезны для самостоятельного изучения систем имитационного моделирования, а также при выполнении лабораторного практикума по специальности 11.04.02 в рамках учебного плана. 7
79. Методы анализа вычислительных сетей и средств коммуникаций: математическое и имитационное моделирование. Использование при проектировании вычислительных сетей.
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 маршрутизатров 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 практичеки 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, 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.
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.