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.

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. 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.

IP-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.

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»

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»

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.

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.

Для настройки ip-адреса интерфейса открываем окно «Интерфейсы». Выставляем ip-адреса и маски подсети в соответствующих строках каждого интерфейса. После нажатия на кнопку «Ок» или «Применить», мы можем наблюдать, как индикатор поменял цвет с желтого на зеленый и от нашего устройства, которому сейчас дали адрес, побежал кадр Arp-протокола. Это нужно для того, чтобы выявить нет ли в нашей сети повторения адресов. После того, как мы расставили все ip-адреса конечным узлам, у нас уже есть в принципе работающие подсети. Но только каждая работает автономно и послать сообщения из одной такой подсети в другую мы не сможем. В подсети левее маршрутизатора у всех узлов должен быть шлюз 192.168.1.126, правее — 192.168.1.254. Шлюзы мы задали и теперь у нас полностью рабочая сеть.

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.

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.