Використання моделювання для оптимізації продуктивності мережі

Аналізатори протоколів незамінні для дослідження реальних комп’ютерних мереж, але вони не дозволяють отримувати кількісні оцінки характеристик для ще не існуючих мереж, які знаходяться в стадії проектування. У таких випадках можна використовувати засоби моделювання, за допомогою яких розробляються моделі, що відтворюють інформаційні процеси, які протікають в комп’ютерних мережах.

Методи аналітичного, імітаційного і натурного моделювання

Моделювання є потужним методом наукового пізнання, при використанні якого досліджуваний об'єкт замінюється більш простим об'єктом, який називається моделлю. Основними різновидами процесу моделювання можна вважати два його види - математичне і фізичне моделювання. При фізичному (натурному) моделюванні досліджувана система замінюється відповідної їй іншої матеріальної системою, яка відтворює властивості досліджуваної системи зі збереженням її фізичної природи. Прикладом такого виду моделювання може служити пілотна мережа, за допомогою якої вивчається принципова можливість побудови мережі на основі тих чи інших комп'ютерів, комунікаційних пристроїв, операційних систем та програм.

Можливості фізичного моделювання досить обмежені. Воно дозволяє вирішувати окремі завдання при заданні невеликої кількості досліджуваних параметрів системи. Дійсно, при натурному моделюванні обчислювальної мережі практично неможливо перевірити її роботу для варіантів з використанням різних типів комунікаційних пристроїв - маршрутизаторів, комутаторів і т.п. Перевірка на практиці близько десятка різних типів маршрутизатров пов'язана не тільки з великими зусиллями і часовими витратами, але і з чималими матеріальними витратами.

Тому, при оптимізації мереж у багатьох випадках доцільнішим є використання математичного моделювання. Математична модель являє собою сукупність відношень (формул, рівнянь, нерівностей, логічних умов), що визначають процес зміни стану системи залежно від її параметрів, вхідних сигналів, початкових умов і часу.

Особливим класом математичних моделей є імітаційні моделі. Такі моделі являють собою комп'ютерну програму, яка крок за кроком відтворює події, що відбуваються в реальній системі. Що стосується обчислювальних мереж, їх імітаційні моделі відтворюють процеси генерації повідомлень додатками, розбиття повідомлень на пакети і кадри певних протоколів, затримки, пов'язані з обробкою повідомлень, пакетів і кадрів усередині операційної системи, процес отримання доступу комп'ютером до поділюваного середовища, процес обробки пакетів маршрутизатором і т.д. При імітаційному моделюванні мережі не потрібно купувати дороге обладнання - його робота імітується програмамою, яка досить точно відтворює всі основні особливості і параметри такого устаткування.

Перевагою імітаційних моделей є можливість підміни процесу зміни подій в досліджуваній системі в реальному часу на прискорений процес зміни подій в темпі роботи програми. У результаті за кілька хвилин можна відтворити роботу мережі протягом декількох днів, що дає можливість оцінити роботу мережі в широкому діапазоні варійованих параметрів

Результатом роботи імітаційної моделі є зібрані в ході спостереження за перебігають подіями статистичні дані про найбільш важливі характеристики мережі: час реакції, коефіцієнти використання каналів і вузлів, ймовірность втрати пакетів і т.п.

Моделі теорії масового обслуговування

Протоколи канального рівня, які в даний час використовуютсья в локальних мережах, використовують методи доступу до середовища, засновані на його спільному використанні кількома вузлами за рахунок розподілення в часі. У цьому випадку, як і у всіх випадках поділу ресурсів з випадковим потоком запитів, можуть виникати черги. Для опису цього процесу зазвичай використовуються моделі теорії масового обслуговування.

Механізм поділу середовища в мережі Ethernet спрощено описується найпростішою моделлю типу M/M/1 - одноканальної моделлю з пуассонівским потоком заявок і показниковим законом розподілу часу обслуговування. Вона добре описує процес обробки надходячих випадковим чином заявок на обслуговування, системами з одним обслуговуючим приладом з випадковим часом обслуговування і буфером для зберігання заявок на час, поки обслуговуючий прилад зайнятий обробкою іншої заявки.

Спеціалізовані системи імітаційного моделювання комп’ютерних мереж

Існують спеціальні, орієнтовані на моделювання обчислювальних мереж програмні системи, в яких процес створення моделі спрощений. Такі програмні системи самі генерують модель мережі на основі вихідних даних про її топологію і використовувані протоколи, про інтенсивність потоків запитів між комп'ютерами мережі, довжину ліній зв'язку, про типи використовуваного обладнання та програм. Програмні системи моделювання можуть бути вузько спеціалізованими і достатньо універсальними, що дозволяють імітувати мережі найрізноманітніших типів. Якість результатів моделювання в значній мірі залежить від точності вихідних даних про мережу, переданих в систему імітаційного моделювання.

Програми імітаційного моделювання мережі використовують у своїй роботі інформацію про просторове розташування мережі, кількість вузлів, конфігурації зв'язків, швидкостях передачі даних, використовуваних протоколах і типі устаткування, а також про виконувані в мережі додатках.Зазвичай імітаційна модель будується не з нуля. Існують готові імітаційні моделі основних елементів мереж: найбільш поширених типів маршрутизаторів, каналів зв'язку, методів доступу, протоколів і т.п. Ці моделі окремих елементів мережі створюються на підставі різних даних: результатів тестових випробувань реальних пристроїв, аналізу принципів їх роботи, аналітичних співвідношень. У результаті створюється бібліотека типових елементів мережі, які можна налаштовувати за допомогою заздалегідь передбачених у моделях параметрів.

На сьогоднішній день є багато різноманітних програмних продуктів які дозволяють створювати моделі комп’ютерні мереж різної складності. Прикладом таких програмних продуктів можуть бути:

• XNetMod - інструмент для моделювання локальних мереж, що допускає аналіз ефективності налаштування мережі до її реалізації;
• TND-Tool (Topologycal Network Design Tool) - додаток для пошуку ефективного вирішення проблеми побудови топології мережі;
• NetRule (www.analyticalengines.com) - симулятор, що поєднує можливості математичного аналізу і засобів моделювання, підтримує велику кількість вузлів в мережі;
• GloMoSim (Global Mobile System simulator) – програмний продукт для моделювання безпровідних мережевих систем. Призначений для навчальних цілей;
• QualNet - комерційна версія GloMoSim.

Побудова пілотних проектів проектованих мереж

Якщо для задання інформації про топологію мережі не потрібно мати реальну мережу, то для збору вихідних даних про інтенсивност джерел мережного трафіку можуть знадобитися виміри на пілотних мережах, що представляють собою натурну модель проектованої мережі. Ці вимірювання можуть бути виконані різними засобами, в тому числі і за допомогою аналізаторів протоколів.

Крім отримання вихідних даних для імітаційного моделювання пілотна мережа може використовуватися для вирішення інших важливих завдань. Вона може дати відповіді на питання, які стосуються принципової працездатності того чи іншого технічного рішення або сумісності обладнання. Натурні експерименти можуть викликати значні матеріальні витрати, але вони компенсуються високою достовірністю отриманих результатів.

Пілотна мережа повинна бути схожа на ту мережу, яка проектується, для вибору параметрів якої і створюється пілотна мережа. Для цього необхідно в першу чергу виділити ті особливості створюваної мережі, які можуть найбільше вплинути на її працездатність і продуктивність.

Якщо є сумніви в сумісності продуктів різних виробників, наприклад, комутаторів, що підтримують віртуальні мережі, то в пілотній мережі повинні перевірятися на сумісність саме ці пристрої і саме в тих режимах, які викликають найбільші сумніви.

Перейти до Засоби аналізу та оптимізації мереж