Зачем используются среды имитационного моделирования компьютерных сетей

Обновлено: 07.07.2024

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.

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);

· 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.

Структурная схема

Цель описания структуры - определить, в первую очередь, общее количество рабочих мест в сети, их территориальное размещение.

Рис.4.2.1 Структурная схема.

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 не известны тактико-технические параметры вычислительной техники.

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.

Построение модели

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.

Анализ результатов моделирования

Приведем статистические данные, полученные в результате моделирования.

Загрузка серверного коммутатора и коммутаторов рабочих станций представлена в таблице 4.6.1.

Коммутаторы жилых домов

Как мы видим, средняя загрузка не превышает 50%, что нас вполне устраивает, так как не рекомендуется загружать сеть более 50ч70%. 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.

Эффективность построения и использования корпоративных информационных систем. Описание программных систем имитационного моделирования сетей. Обозначения и интерфейс программы "Net-Emul". Использование маршрутизатора (роутера) как сетевого устройства.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	22.12.2011
Размер файла	1,9 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский государственный технический университет

Кафедра квантовой физики и нанотехнологий

Имитационное моделирование компьютерных сетей

Студент группы НТ-09-1

Труфанов Иван Владимирович

Гущин Сергей Владимирович

1. Понятие и цели моделирования

Эффективность построения и использования корпоративных информационных систем стала чрезвычайно актуальной задачей, особенно в условиях недостаточного финансирования информационных технологий на предприятиях.

Основу информационной системы составляет вычислительная система, включающая такие компоненты, как кабельная сеть и активное сетевое оборудование, компьютерное и периферийное оборудование, оборудование хранения данных (библиотеки), системное программное обеспечение (операционные системы, системы управления базами данных), специальное ПО (системы мониторинга и управления сетями) и в некоторых случаях прикладное ПО.

Наиболее распространенным подходом к проектированию информационных систем в настоящее время является использование экспертных оценок. В соответствии с этим подходом специалисты в области вычислительных средств, активного сетевого оборудования и кабельных сетей на основании имеющегося у них опыта и экспертных оценок осуществляют проектирование вычислительной системы, обеспечивающей решение конкретной задачи или класса задач. Этот подход позволяет минимизировать затраты на этапе проектирования, быстро оценить стоимость реализации информационной системы. Однако решения, полученные с использованием экспертных оценок, носят субъективный характер, требования к оборудованию и программному обеспечению также грешат субъективностью, как и оценка гарантий работоспособности и развиваемости предлагаемого проекта системы.

В качестве альтернативного может быть использован подход, предполагающий разработку модели и моделирование (имитацию работы - simulation) поведения вычислительной системы. Для моделирования работы компьютерных сетей удобнее и нагляднее использовать имитационный метод моделирования.

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.

2. С истемы имитационного моделирования сетей

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 сеть. 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.

Основные понятия и определения

Для моделирования работы компьютерной сети я использовал программу "Net-Emul". Программа была создана для визуализации работы компьютерных сетей, для облегчения понимания происходящих в ней процессов. Кроме обучения, программа открывает широкие возможности для экспериментов и их наглядного отображения.

Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации. Создание компьютерных сетей вызвано практической потребностью пользователей удаленных друг от друга компьютеров в одной и той же информации. Сети предоставляют пользователям возможность не только быстрого обмена информацией, но и совместной работы на принтерах и других периферийных устройствах, и даже одновременной обработки документов.

Маска подсети или маска сети - битовая маска, определяющая, какая часть IP-адреса узла сети относится к адресу сети, а какая -- к адресу самого узла в этой сети. Например, узел с IP-адресом 12.34.56.78 и маской подсети 255.255.255.0 находится в сети 12.34.56.0/24.

ARP (англ. Address Resolution Protocol -- протокол разрешения адресов) -- сетевой протокол канального уровня, предназначенный для преобразования IP-адресов (адресов сетевого уровня) в MAC-адреса (адреса канального уровня) в сетях TCP/IP.

MAC-адрес (от англ. Media Access Control -- управление доступом к среде) -- это уникальный идентификатор, сопоставляемый с различными типами оборудования для компьютерных сетей.

3. Обозначения и интерфейс программы "Net - Emul"

Основная функция концентратора - это повторение сигналов, поступающих на один из его портов, на всех остальных портах или на следующем в логическом кольце порте синхронно с сигналами-оригиналами. Все компьютеры, подключенные к концентраторам, образуют единый логический сегмент, в котором любая пара взаимодействующих устройств полностью блокирует возможность обмена данными для других компьютеров.

Сетевой коммутатор или свитч -- устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Маршрутизатор или роутер, -- сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети.

Алгоритм моделирования работы компьютерной сети в "Net - Emul"

1. Запустив программу, создаём новую сцену ("Новый" в пункте меню "Файл"). Теперь на панели инструментов выбираем компьютер, и начинаем расставлять. По умолчанию, у компьютера есть только один интерфейс. Для того чтобы добавить адаптер нужно выбрать пункт меню "Интерфейсы" в контекстном меню, либо на панели параметров.

информационный программный моделирование маршрутизатор

2. После того как компьютеры расставлены, поставим концентратор и соединим каждый компьютер с концентратором, выбрав на панели инструментов иконку провода. Для того чтобы соединить два устройства кабелем, протянуть мышкой линию, используя инструмент "Соединение".

3. Построим более сложную сеть, добавив коммутатор и маршрутизатор.

5. Сейчас мы можем посмотреть насколько правильно она функционирует, увидеть работу различных сетевых устройств и поэкспериментировать с сетью. При наведении мыши на рабочую область мы видим оранжевый кружок, это значит, что надо указать от какого компьютера данные будут отправлены. Мы пошлем данные от этого компьютера:

6. Появилось диалоговое окно отправки данных. Можно менять объем пакетов в зависимости от поставленной задачи. Просто нажимаем "Далее".

7. Теперь появился зеленый кружок, т.е. нужно выбрать получателя.

8. Опять щелкаем по выбранному компьютеру. Появляется диалог. В этом диалоговом окне нужно указать интерфейс, на который будут отправляться данные. Так как у данного компьютера один адаптер, то на него мы и отправим пакеты. Далее нажимаем кнопку "Отправка" и наблюдаем бегущие кадры между компьютерами.

9. При помощи функции "Показать журнал" мы можем наблюдать все процессы произведенные данным устройством: приём/передача пакетов, сверка протоколов, их ip-адреса, шлюзы и т.д.

Использовав моделирование при проектировании или реинжиниринге вычислительной системы, теперь мы можем сделать следующее: оценить пропускную способность сети и ее компонентов, определить узкие места в структуре вычислительной системы; сравнить различные варианты организации вычислительной системы; осуществить перспективный прогноз развития вычислительной системы; предсказать будущие требования по пропускной способности сети, используя данные прогноза; оценить требуемое количество и производительность серверов в сети; сравнить различные варианты модернизации вычислительной системы; оценить влияние на вычислительную систему модернизации ПО, мощности рабочих станций или серверов, изменения сетевых протоколов.

Исследование параметров вычислительной системы при различных характеристиках отдельных компонентов позволяет выбрать сетевое и вычислительное оборудование с учетом производительности, качества обслуживания, надежности и стоимости. Моделирование позволяет минимизировать стоимость оборудования, предназначенного для использования в вычислительной системе. Моделирования становится эффективным при числе рабочих станций 50-100, а когда их более 300, общая экономия средств может составить 30 - 40% от стоимости проекта.

Подобные документы

Использование компьютерных сетей для передачи данных. Основные преимущества использования корпоративных сетей, защищенных от доступа извне физически или при помощи аппаратно программных средств сетевой защиты. Сетевой экран и алгоритмы шифрования.

дипломная работа [573,3 K], добавлен 25.09.2014

Основы систематизации языков имитационного моделирования, моделирование систем и языки программирования. Особенности использования алгоритмических языков, подходы к их разработке. Анализ характеристик и эффективности языков имитационного моделирования.

курсовая работа [1,4 M], добавлен 15.03.2012

Применение метода имитационного моделирования с использованием генератора случайных чисел для расчета статистически достоверных переменных. Создание программы на языке GPSS. Результаты моделирования диспетчерского пункта по управлению транспортом.

курсовая работа [399,9 K], добавлен 28.02.2013

Имитационное моделирование как один из наиболее широко используемых методов при решении задач анализа и синтеза сложных систем. Особенности имитационного моделирования систем массового обслуживания. Анализ структурной схемы системы передачи пакетов.

курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.05.2013

Описание нетрадиционных и мультипроцессорных архитектур вычислительных систем. Принципы параллельной и конвейерной обработки данных. Теория массового обслуживания и управления ресурсами компьютерных систем. Базовые топологии локальных и глобальной сетей.

книга [4,2 M], добавлен 11.11.2010

Теоретические основы моделирования систем в среде имитационного моделирования AnyLogic. Средства описания поведения объектов. Анимация поведения модели, пользовательский интерфейс. Модель системы обработки информации в среде компьютерного моделирования.

курсовая работа [1,5 M], добавлен 15.05.2014

Ознакомление с современными концепциями построения моделирующих систем. Характеристика основных приемов имитационного моделирования. Перевод алгоритма на язык программирования. Понятие и этапы верификации: установления правильности машинной программы.

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Шахов Владимир Григорьевич, Ким Ен Нам

Рассмотрены вопросы исследования загруженности сервера при его работе в локальной сети. В качестве инструмента анализа предложено имитационное моделирование на основе пакета GPSS-PC. Результаты моделирования проверены на практике и позволяют использовать имитационные модели для достаточно большого класса приложений.

Текст научной работы на тему «Использование имитационного моделирования для анализа загруженности сетевого оборудования»

В. Г. ШАХОВ КИМЕН НАМ

ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ЗАГРУЖЕННОСТИ СЕТЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ_

Рассмотрены вопросы исследования загруженности сервера при его работе в локальной сети. В качестве инструмента анализа предложено имитационное моделирование на основе пакета вРЯ-РС. Результаты моделирования проверены на практике и позволяют использовать имитационные модели для достаточно большого класса приложений.

Вопросы проектирования компьютерных сетей в настоящее время имеют большое значение. При проектировании и инсталляции сетей появляется комплекс задач, относящихся к системному анализу и включающих трассировку, планирование трафиков, доменную политику, назначение и проверку прав и полномочий пользователей, оптимизацию информационных потоков, политику безопасности и т.д.

Одна из подзадач — планирование и оценка загруженности сетевого сервера. От его эффективности зависит работа всей сети. Возможна установка специального сервера, но это дорого и в ряде приложений неэффективно. На практике в качестве сервера чаще используют обычные компьютеры, но по возможности с увеличенными объемами памяти и развитыми внешними устройствами. При этом обязательно решаются задачи эффективной загрузки сервера по критериям минимизации времени ожидания (длины очередей), потерь пакетов или размеров буферной памяти.

Один из возможных вариантов решения поставленной задачи - использование имитационного моделирования. Наиболее разработанный пакет моделирования — пакет GPSS. Общецелевая система моделирования GPSS (GENERAL PURPOSE SIMULATING SYSTEM) предназначена для построения статистических (имитационных, на основе метода Монте-Карло) моделей дискретных сложных систем различной физической природы [ 1 ]. Общим для систем, исследование которых может быть проведено с помощью GPSS, является наличие различных случайных факторов, существенным образом влияющих на смену состояний в системе. При этом предполагается, что множество состояний исследуемой системы является дискретным (конечным или счетным); смена состояний происходит в некоторые моменты времени. Интервалы между моментами смены состояний могут быть как случайными, так и детерминированными величинами.

Существенной особенностью GPSS является ориентация на построение моделей таких систем, в которых возможно возникновение очередей различного рода. К таким системам относятся всевозможные системы массового обслуживания (СМО), вычислительные системы (ВС), транспортные - в том числе и железнодорожные - системы и т.д.

С помощью средств СР55 экспериментатор имеет возможность описать как алгоритм функционирования исследуемой системы, так и воздействие случайных факторов на систему. Таким образом, СР5Б может рассматриваться и как некоторый язык описания сложных систем.

Естественно, что аналогичные выборки, в принципе, могли бы быть получены в процессе наблюдения за функционированием реальной сложной системы. Однако метод статистического моделирования в подавляющем числе случаев является более предпочтительным. Это объясняется следующими факторами:

а) стоимость натуральных экспериментов почти всегда больше стоимости машинных экспериментов с моделью;

б) измерение ряда показателей качества функционирования на реальных системах принципиально невозможно и может быть проведено только при изменении самой системы (например, для измерения времени реакции ВС на внешние сигналы, запросы необходимо определенным образом изменять и надстраивать операционную систему ВС);

в) при выработке рекомендаций по модернизации системы невозможно провести эксперимент с еще не существующей структурой;

г) условия работы, при которых нужно провести эксперимент, могут быть недопустимыми для реальной системы;

д) натуральный эксперимент часто невозможен из-за чрезвычайно больших интервалов времени между моментами смены состояний системы (например, при исследовании показателей надежности устройств, редко выходящих из строя);

е) машинный эксперимент возможен и с моделями еще не созданных систем. На основании оценок качества функционирования системы, полученных в результате эксперимента с моделью, может быть проведен поиск как наилучших условий работы, так и наилучшей структуры исследуемой системы.

В работе рассмотрена простейшая модель СРЗЭ, которая отражает работы компьютерной сети с обработкой поступающих на сервер заданий.

Рассмотрим работу сервера в компьютерной сети. С рабочих станций на сервер поступают в различные моменты заявки, которые требуют обработки на сер-

вере. Интервалы между поступлениями заявок имеют равномерное распределение от 10 мс до 200 мс. Для упрощения описания модели положим, что время выполнения заявок постоянно.

Тогда определим загруженности сервера в зависимости от времени выполнения заявок и количества заявок. Одновременно рассмотрим статистические характеристики очередей на сервере. При построении модели примем, что одна единица модельного времени имитирует одну миллисекунду реального времени. Изменяем время выполнения заявок по 5, 10, 20,50, ЮОмс, а количество заявок - по 1000,5000, 10000.

На рис. 1 приведена структурная схема программы моделирования.

Моделирующий сегмент включает следующие блоки:

на схеме SERVER означает одноканальное устройство, a BUF — очередь;

- GENERATE: генерация заявок на обслуживание (в данном случае обращения пользователей к серверу)!

- QUEUE: формирование очереди на обслуживание (что эквивалентно объему буферной памяти) ;

Имитационное моделированиекомпьютерных сетей .

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 предлагаемого проекта системы.

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

Бездефектноепроектирование вычислительных систем

Можно говорить о"бездефектном" проектирования информационных систем. Оно достигаетсякомплексным применением высокоуровневого моделирования (моделирования функцийили бизнес-процессов) предприятия и низкоуровневого моделированиявычислительной системы. Общая условная схема бездефектного проектированияинформационной 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 помощью реализуются принципы структурного анализа, когдапредприятие представляется в виде сложной системы, состоящей из разныхкомпонентов, имеющих различного рода взаимосвязи друг с другом. Эти средствапозволяют определить и отразить в моделях основные компоненты предприятия, протекающих процессов, используемой информации, а также представить взаимосвязимежду этими компонентами.

Создаваемые модели представляют собойдокументированную совокупность знаний об ИС предприятия — о его организационнойструктуре взаимодействиях между предприятием и прочими субъектами рынка, составе и структуре документов, последовательностях шагов процессов, должностных инструкциях отделов и их сотрудников.

Моделирование функций вычислительной системынапрямую сегодня 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 мы можем сделать вывод о его работе.

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

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:

Использование моделирования дляоптимизации производительности сети

Анализаторы протоколовнезаменимы для исследования реальных сетей, но они не позволяют получатьколичественные оценки характеристик для еще не существующих сетей, находящихсяв стадии проектирования. В этих случаях проектировщики могут использоватьсредства моделирования, с помощью которых разрабатываются модели, воссоздающиеинформационные процессы, протекающие в сетях.

Методы аналитического, имитационного инатурного 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 изучается принципиальная возможностьпостроения сети на основе тех или иных компьютеров, коммуникационных устройств, операционных систем и приложений.

Возможности физическогомоделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельные задачи призадании небольшого количества сочетаний исследуемых параметров системы. Действительно, при натурном моделировании вычислительной сети практическиневозможно проверить ее работу для вариантов с использованием различных типовкоммуникационных устройств — маршрутизаторов, коммутаторов Проверка напрактике около десятка разных типов маршрутизаторов связана не только сбольшими усилиями и временными затратами, но и с немалыми материальнымизатратами.

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 дляогромного количества всевозможных сочетаний этих параметров практическиневозможно за обозримое время. Даже простое изменение максимального размерапакета в каком-либо протоколе требует переконфигурирования операционной системыв сотнях компьютеров сети, что требует от администратора сети проведения оченьбольшой работы.

Поэтому, при оптимизациисетей во многих случаях предпочтительным оказывается использованиематематического моделирования. Математическая модель представляет собойсовокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от еепараметров, входных сигналов, начальных условий и времени.

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.

Результатом работыимитационной модели являются собранные в ходе наблюдения за протекающимисобытиями статистические данные о наиболее важных характеристиках сети: временахреакции, коэффициентах использования каналов и узлов, вероятности потерьпакетов

Существуют специальныеязыки имитационного моделирования, которые облегчают процесс созданияпрограммной модели по сравнению с использованием универсальных языковпрограммирования. Примерами языков имитационного моделирования могут служитьтакие языки, как SIMULA, GPSS, SIMDIS.

Существуют также системыимитационного моделирования, которые ориентируются на узкий класс изучаемыхсистем и позволяют строить модели без программирования. Подобные системы длявычислительных сетей рассматриваются ниже.

Моделитеории массового обслуживания

Используемые в настоящеевремя в локальных сетях протоколы канального уровня используют методы доступа ксреде, основанные на ее совместном использовании несколькими узлами за счетразделения во времени. В этом случае, как и во всех случаях разделения ресурсовсо случайным потоком запросов, могут возникать очереди. Для описания этогопроцесса обычно используются модели теории массового обслуживания.

Механизм разделениясреды протокола Ethernet упрощенно описывается простейшей моделью типа M/M/1 -одноканальной моделью с пуассоновским потоком заявок и показательным закономраспределения времени обслуживания. Она хорошо описывает процесс обработкислучайно поступающих заявок на обслуживание системами с одним обслуживающимприбором со случайным временем обслуживания и буфером для хранения поступающихзаявок на время, пока обслуживающий прибор занят выполнением другой заявки (рисунок 4.1). Передающая среда Ethernet представлена в этой моделиобслуживающим прибором, а пакеты соответствуют заявкам.

Введем обозначения: l -интенсивность поступления заявок, в данном случае это среднее число пакетов, претендующих на передачу в среде в единицу времени, b — среднее времяобслуживания заявки (без учета времени ожидания обслуживания), то есть среднеевремя передачи пакета в среде с учетом паузы между пакетами в 9.6 мкс, r -коэффициент загрузки обслуживающего прибора, в данном случае это коэффициентиспользования среды, r = lb.

В теории массовогообслуживания для данной модели получены следующие результаты: среднее времяожидания заявки в очереди (время ожидания пакетом доступа к среде) W равно:

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

Специализированные системыимитационного моделирования вычислительных сетей

Существуют специальные, ориентированные на моделирование вычислительных сетей программные системы, вкоторых процесс создания модели упрощен. Такие программные системы самигенерируют модель сети на основе исходных данных о ее топологии и используемыхпротоколах, об интенсивностях потоков запросов между компьютерами сети, протяженности линий связи, о типах используемого оборудования и приложений. Программные системы моделирования могут быть узко специализированными идостаточно универсальными, позволяющие имитировать сети самых различных типов. Качество результатов моделирования в значительной степени зависит от точностиисходных данных о сети, переданных в систему имитационного моделирования.

Программные системымоделирования 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.

Программы имитационногомоделирования сети используют в своей работе информацию о пространственномрасположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скоростях передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования, а также о выполняемых в сетиприложениях.

Обычно имитационнаямодель строится не с нуля. Существуют готовые имитационные модели основныхэлементов сетей: наиболее распространенных типов маршрутизаторов, каналовсвязи, методов доступа, протоколов Эти модели отдельных элементов сетисоздаются на основании различных данных: результатов тестовых испытаний реальныхустройств, анализа принципов их работы, аналитических соотношений. В результатесоздается библиотека типовых элементов сети, которые можно настраивать спомощью заранее предусмотренных в моделях параметров.

Системы имитационногомоделирования обычно включают также набор средств для подготовки исходныхданных об исследуемой сети — предварительной обработки данных о топологии сетии измеренном трафике. Эти средства могут быть полезны, если моделируемая сетьпредставляет собой вариант существующей сети и имеется возможность провести вней измерения трафика и других параметров, нужных для моделирования. Крометого, система снабжается средствами для статистической обработки полученныхрезультатов моделирования.

Системдинамического моделирования вычислительной системы достаточно много, ониразрабатываются в разных странах. Удалось обнаружить такие системы, произведенные в Румынии и других странах, не являющихся лидерамикомпьютерно-информационной индустрии. Кроме того, зачастую развитые системыдиагностирования установленной вычислительной системы (интеллектуальныекабельные тестеры, сканеры, анализаторы протоколов) также причисляют к системаммоделирования, что не соответствует действительности. Классифицируем системы подвум связанным критериям: цена и функциональные возможности. Как и следовалоожидать, функциональные возможности систем моделирования жестко связаны с ихценой. Анализ предлагаемых на рынке систем показывает, что динамическоемоделирование вычислительных систем — дело весьма дорогостоящее. Хотитеполучить реальную картину в вычислительной системе — платите деньги. Всесистемы динамического моделирования могут быть разбиты на две ценовыекатегории:

Ксожалению, найти системы среднего ценового диапазона не удалось, однако многиеиз них представляют собой набор пакетов и разброс в цене одной и той же системыопределяется комплектом поставки, объемом выполняемых функций. Дешевыесистемы отличаются от дорогих тем, насколько подробно удается в них описатьхарактеристики отдельных частей моделируемой системы. Они позволяет получитьлишь «прикидочные «результаты, не дают статистических характеристики не предоставляют возможности проведения подробного анализа системы. Системыкласса high-end позволяют собирать исчерпывающую статистику по каждому изкомпонентов 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:

В следующей таблицеприведены характеристики нескольких популярных систем имитационногомоделирования различного класса — от простых программ, предназначенных дляустановки на персональном компьютере, до мощных систем, включающих библиотекибольшинства имеющихся на рынке коммуникационных устройств и позволяющих взначительной степени автоматизировать исследование изучаемой сети.

Читайте также: