Имитационное моделирование компьютерных сетей
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Иркутский
государственный технический университет
Физико-технический
институт
Кафедра
квантовой физики и нанотехнологий
Имитационное
моделирование компьютерных сетей
Выполнил
Студент группы НТ-09-1
Труфанов Иван Владимирович
Проверил
Научный руководитель
Гущин Сергей Владимирович
Иркутск -
2011
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.
Модели имитационного метода моделирования 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.
2.
Системы 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.адрес - уникальный идентификатор (адрес) устройства (обычно
компьютера), подключённого к локальной сети и (или) интернету. IP-адрес
представляет собой 32-битовое (по версии IPv4) или 128-битовое (по версии IPv6)
двоичное число.
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.(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.адрес (от англ. Media Access
Control - управление доступом к среде) - это уникальный идентификатор,
сопоставляемый с различными типами оборудования для компьютерных сетей.
. Обозначения
и интерфейс программы "Net - Emul"
Так выглядит компьютер в программе. В нашей программе оно
выполняет ограниченный набор функции, а именно производит отправку сообщений от
одного компьютера к другому, а так же имеется возможность устанавливать
определенные программы, связанные с работой сети, и просматривать arp-таблицы и
маршрутизации
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"
. 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.
4. Далее разобьем нашу сеть на 2 подсети. Допустим, у нас есть пул
адресов сети класса С. Разобьем его на 2 части: 192.168.1.0-192.168.1.127 и
192.168.1.128-192.168.1.255 с маской 255.255.255.128.
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".
. 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.
Заключение
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.