Глава 4. Имитационное моделирование работы сети
Имитационное моделирование становится эффективным методом исследования сложных систем со случайным взаимодействием элементов – транспортные потоки, промышленное производство, распределенные вычислительные системы. Принцип имитационного моделирования заключается в том, что поведение системы отображают компьютерной моделью взаимодействия ее элементов во времени и пространстве.
Главная ценность имитационного моделирования состоит в том, что в его основу положена методология системного анализа. Она дает возможность исследовать проектируемую систему по технологии операционного исследования, включая такие этапы, как содержательная постановка задачи; разработка концептуальной модели; разработка и программная реализация имитационной модели; оценка адекватности модели и точности результатов моделирования; планирование экспериментов; принятие решений. Имитационное моделирование можно применять как универсальный подход для принятия решений в условиях неопределенности и для учета в моделях трудно формализуемых факторов.
Изучение системы с помощью модели позволяет проверить новые решения без вмешательства в работу реальной системы, растянуть или сжать время функционирования системы, понять сложное взаимодействие элементов внутри системы, оценить степень влияния факторов и выявить “узкие места”.
Применение имитационного моделирования целесообразно, если:
- проведение экспериментов с реальной системой невозможно или дорого;
- аналитическое описание поведения сложной системы невозможно;
- требуется выявить реакцию системы на непредвиденные ситуации;
- нужно проверить идеи по созданию или модернизации системы;
- требуется подготовить специалистов по управлению реальной системой.
Используя моделирование при проектировании можно сделать следующее:
— оценить пропускную способность конфигурации технических средств системы и ее отдельных компонентов (сегментов);
— определить узкие места в структуре системы;
— сравнить различные варианты организации технических средств;
— осуществить перспективный прогноз развития структуры системы;
— предсказать будущие требования по пропускной способности сети;
— оценить требуемое количество и производительность серверов в сети.
Исследование параметров вычислительной системы при различных характеристиках отдельных компонентов позволяет выбрать сетевое и вычислительное оборудование с учетом производительности, качества обслуживания, надежности и стоимости.
Основные требования к системам моделирования:
— отсутствие необходимости программирования;
— возможность импорта информации из существующих систем управления сетями и средств мониторинга;
— наличие расширяемой библиотеки объектов;
— гибкая система построения сценариев моделирования;
— удобное представление результатов моделирования; анимация процесса моделирования; автоматический контроль модели на внутреннюю непротиворечивость.
Существует значительное количество достаточно популярных систем имитационного моделирования. Не останавливаясь на сильных и слабых сторонах различных систем, рассмотрим подробнее NetCrackerPro, в котором и будет построена имитационная модель вычислительной сети микрорайона.
Система имитационного моделирования NetCracker используется для разработки и исследования вычислительных сетей и сетей связи, позволяет анализировать работу сложных сетей, работающих на основе практически всех современных сетевых технологий и включающих как локальные, так и глобальные связи.
— сбор данных о работе сети;
— детальное моделирование сети;
— быстрая оценка производительности сети.
NetCracker предоставляет пользователю:
- обширную базу данных, содержащую информацию о технических характеристиках тысяч реальных устройств;
- возможность соединения этих устройств (с учетом их типов и совместимости) каналами связи с реальными свойствами;
- современный графический интерфейс, позволяющий по технологии втаскивания «draganddrop» включать в проект необходимые устройства, оснащать их встраиваемыми дополнительными элементами (сетевыми картами), задавать установку математического обеспечения различных видов трафика (отдельно для клиентов и сервера), дополнять проект рисунками и текстом, выполненным как встроенными средствами самой системы, так и внешними (Visio);
- возможность моделирования функциональных характеристик сети с учетом протоколов передачи данных и с управлением множества факторов: статистическими параметрами потоков заявок и объема сообщений, типом трафика, имитацией отказов и восстановлений устройств и каналов связи с автоматическим перераспределением потоков, отображением результатов моделирования непосредственно в окне проекта;
- наглядное представление процесса моделирования в форме анимации, показывающей пути и характер передаваемой информации;
- средства формирования отчетов о составе, стоимости и рабочих характеристиках сети.
Главной проблемой при любом моделировании сети является проблема сбора данных о существующей сети. Этот пакет может работать со многими промышленными системами управления и мониторинга сетей, получая от них собранные данные и обрабатывая их для использования при моделировании, импортировать информацию о топологии сети, просматривать графическое представление межузлового взаимодействия и предоставлять полученную модель трафика.
Система предлагает использовать простой и интуитивно понятный способ конструирования модели сети, основанный на применении готовых базовых блоков, соответствующих таким сетевым устройствам, как компьютеры, маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры и каналы связи.
Пользователь применяет технику drag-and-drop для графического изображения моделируемой сети из библиотечных ресурсов. Затем система выполняет детальное моделирование полученной сети, отображая результаты динамически в виде наглядной мультипликации результирующего трафика. Другим вариантом задания топологии моделируемой сети является импорт топологической информации из систем управления и мониторинга сетей.
После окончания моделирования пользователь получает в свое распоряжение следующие характеристики:
— прогнозируемые задержки между конечными и промежуточными узлами сети, пропускные способности каналов, коэффициенты использования сегментов, буферов и процессоров;
— пики и спады трафика, как функцию времени, а не как усредненные значения;
— источники задержек и узких мест.
Каналы связи моделируются путем задания их типа, а также двух параметров – пропускной способности и вносимой задержки распространения. Единицей передаваемых по каналу данных является кадр.
Предусмотрена система получения статистических результатов прогона модели, а также мониторинг статистики каждого элемента во временном масштабе для построения графиков. Перед моделированием или во время него можно установить режимы мультипликации и трассировки событий.
Цель описания структуры – определить, в первую очередь, общее количество рабочих мест в сети, их территориальное размещение.
4.3. Паспорта рабочих мест
На основании данной схемы составляются паспорта рабочих мест, в которых содержится информация о конфигурации рабочего места и типе выполняемых задачах на рабочем месте.
Так как в проекте предусматривается подключение жилых помещений, то составление паспортов рабочих мест невозможна, так как неизвесны тактико-технические параметры вычислительной техники.
4.4. Таблица информационных потоков
Данный проект является коммерческим и предлагает пользователям доступ к сети интернет и просмотру IP-телевиденья, так что все 250 пользователи должны быть обеспечены данным видом услуг.
Рис. 4.5.1. Полная имитационная модель объекта.
Рис. 4.5.2. Имитационная модель сети этажа одного подъезда.
Рис. 4.5.3. Имитационная модель серверной.
4.6. Анализ результатов моделирования
Приведем статистические данные, полученные в результате моделирования.
Загрузка серверного коммутатора и коммутаторов рабочих станций представлена в таблице 4.6.1.
Как мы видим, средняя загрузка не превышает 50%, что нас вполне устраивает, так как не рекомендуется загружать сеть более 50÷70%.Активное оборудование, выбранное при проектировании вполне справляется со своими функциями даже остается запас на расширение сети. Если учесть, что при моделировании все информационные потоки присутствовали одновременно, чего в реальной жизни обычно не происходит, то можно сделать вывод о том, что выбранное оборудование вполне соответствует нашим требованиям и внесение корректировок в проектирование сети не требуется. Можно, однако, заметить, что исследованная модель является лишь приближением к реальности и может не в полной степени отражать процессы, происходящие в настоящей сети, например при моделировании не учитываются случайные воздействия, которые могут коренным образом изменить ситуацию.