Введение
При проектировании современных компьютерных сетей возникает множество проблем – начиная от выбора производителей оборудования и стандартов до попытки предсказания, с какой эффективностью эта сеть будет работать. Часто при проектировании применяют программы, позволяющие виртуально не только построить, но и промоделировать работу этой сети.
Имитационное моделирование является наиболее доступным и результативным методом оценки работоспособности сети еще на этапе ее проектирования. Затраты, как времени, так и средств, на построение и исследование работы модели на порядок меньше, чем аналогичные затраты при, например, натурном моделировании. В то же время метод дает более точный и объективный результат, чем использование при построении сети экспертных оценок.
На рынке программного обеспечения представлено сейчас довольно много таких программ, большинство из них являются коммерческими. Все средства моделирования обладают сходным набором возможностей, предоставляемых пользователю. Принципиальное различие заключается только в языке программирования используемого для реализации пользовательских функций и протоколов. Также существуют симуляторы, распространяемые на бесплатной основе. Одним из них является симулятор ns2 – эффективное, гибкое, легкомасштабируемое средство для создания моделей компьютерных сетей и их анализа [1].
Симулятор ns2 позволяет оценить производительность проектируемой или существующей сети, предоставляет данные, помогающие выработать рекомендации для повышения эффективности работы сети, выявить узкие места и спрогнозировать ее дальнейшее развитие. Доступность и гибкость позволяют успешно использовать ns2 для изучения механизма работы сетевых протоколов, протоколов маршрутизации и дисциплин обслуживания очередей, знакомства с основами моделирования вычислительных сетей, исследования и сравнения различных сетевых топологий.
Несомненным преимуществом симулятора является открытость кода, что позволяет дополнять его новыми возможностями. Данная работа направлена на разработку графического интерфейса для симулятора, позволяющего сократить временные затраты на создание моделей и анализ их работы.
Обоснование актуальности работы
Симулятор ns2 среди аналогичных продуктов является наиболее приспособленным средством для проведения научных исследований в области компьютерных сетей. Немалую долю пользователей симулятора составляют также те, кто использует его в учебных целях. В данном случае простота использования программного средства крайне важна. На достижение этой цели и направлен разрабатываемый проект.
Эффективность построения и использования компьютерных сетей стала чрезвычайно актуальной задачей, особенно в условиях недостаточного финансирования информационных технологий на предприятиях. Снижение стоимости проектирования сети, ее соответствие текущим требованиям и требованиям ближайшего времени, возможность и стоимость дальнейшего развития и перехода к новым технологиям можно назвать критериями оценки эффективности ее работы. А так как вычислительные сети являются основой всех информационных систем предприятия, требования к эффективности их работы значительно возрастают. Соответственно увеличиваются и затраты на проектирование и реализацию сети, ее дальнейшее расширение и поддержку.
Оптимальным выбором в данной ситуации часто становится использование имитационного моделирования для проектирования и реорганизации компьютерных сетей. Стоимость проектирования сети с использованием имитационного моделирования может колебаться в достаточно широких пределах в зависимости от используемого для моделирования программного обеспечения. Широкие возможности и свободное распространение делают симулятор ns2 достаточно конкурентоспособным. Единственное, перед чем может останавливаться руководитель, является некоторая сложность использования данного программного средства. Возможные затраты, прежде всего, временные, на изучение принципов работы симулятора достаточно велики, хотя и способны в дальнейшем окупить себя. Разрабатываемый проект способен сократить затраты на изучение симулятора и, тем самым, затраты на построение модели в целом.
Анализаторы протоколов незаменимы для исследования реальных сетей, но они не позволяют получать количественные оценки характеристик для еще не существующих сетей, находящихся в стадии проектирования. В этих случаях проектировщики могут использовать средства моделирования, с помощью которых разрабатываются модели, воссоздающие информационные процессы, протекающие в сетях. Разрабатываемый проект позволяет включить в модель средства моделирования работы очередей, включить возможность сбора информации о перемещении пакетов данных между узлами в процессе моделирования. Используя полученные трассировочные файлы впоследствии можно получить всю необходимую статистику работы, для чего не требуется добавление к симулятору новых дорогостоящих модулей. Такой подход позволяет использовать максимум возможностей, предоставляемых симулятором, не ограничиваясь возможностями, заложенными разработчиком [2].
Цели и задачи работы
Симулятор ns2 на данный момент не получил широкого использования в Восточной Европе, в том числе и в Украине, но в ряде ВУЗов начаты исследования симулятора и использование его в учебных курсах, посвященных сетевым технологиям. Расширение и дополнение симулятора новыми возможностями позволяет эффективно использовать его и применительно к компьютерным сетям учебного заведения, и за его пределами.
Работа над расширением симулятора ns2 может вестись в нескольких направлениях:
1) создание моделей конкретных участков сетей или сетей в целом, анализ эффективности их построения, модернизация и устранение недостатков сети на основе полученных при помощи моделирования данных;
2) разработка дополнительных утилит для ns2, позволяющих получить статистику работы модели, рассчитать необходимые параметры, выполнить анализ и указать недостатки моделируемой топологии, представить информацию в удобном пользователю виде, распечатать и сохранить результаты моделирования;
3) дополнение новыми возможностями ядра симулятора, такими как новые либо усовершенствованные протоколы, дисциплины обслуживания очередей, модели трафика, приложения и т.д.;
4) разработка утилит конвертирования моделей симулятора ns2 в формат моделей других симуляторов и обратно.
Направления развития проекта представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Направления развития проекта ns2
Направления 3 и 4 представляют наибольшую сложность и требуют серьезных временных затрат. Для реализации нового протокола или дисциплины обслуживания симулятора ns2 необходимо в первую очередь провести глубокое исследование предмета модификации или разработки, выявить все его возможные достоинства и недостатки, сформулировать принципы повышения его эффективности. Требуется также немалое время для изучения внутренней структуры ядра симулятора ns2, принципов реализации его структурных элементов и объектов. Сложность разработки конвертора моделей заключается в том, что большинство средств моделирования компьютерных сетей имеют, в отличии от симулятора ns2, закрытый код, структура форматов их моделей разработчиками не разглашается.
Исходя из сказанного выше, в данной научной работе была выбрана комбинация первого и второго направлений – разработка утилиты для упрощения работы с ns2, включающей типовые модели сетей для демонстрации ее использования [2].
В настоящее время графический интерфейс стал неотъемлемой частью многих приложений. Удобство использования такого приложения оправдывает все затраты на его разработку. Наличие графического интерфейса у средства имитационного моделирования значительно упрощает процесс разработки и анализа модели. Разработчиками симулятора ns2 не было предусмотрено эффективной возможности создания модели с помощью графического интерфейса, поэтому данный проект может стать одним из первых подобных средств.
Целью проекта является реализация графической среды для создания моделей компьютерных сетей с помощью сетевого симулятора ns2.
Система должна предоставлять возможность создания моделей сети разветвленной топологии с заданными характеристиками:
- тип подсетей (LAN, WAN);
- параметры каналов связи (пропускная способность, задержка, тип и размер очереди);
- тип передаваемого трафика, размер пакетов;
- мониторинг объектов модели и др.
Необходимо также обеспечить возможность сохранения и загрузки модели для дальнейшей модификации, спроектировать систему с использованием принципов объектно-ориентированного программирования, представить основные объекты системы в виде классов.
Разрабатываемое приложение должно выполнять следующие функции:
- предоставление графической среды для визуального моделирования компьютерных сетей;
- преобразование модели в скрипт симулятора ns2;
- запуск полученного скрипта в ns2 с различными опциями;
- анализ результатов работы симулятора и предоставление полученных данных в удобном пользователю виде.
Схема процесса моделирования с помощью системы представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема процесса моделирования с помощью системы
Обзор и анализ основных исследований и разработок
Симулятор ns2 является дискретным, использует механизм событий и предназначен для исследований в области компьютерных сетей. Симулятор поддерживает большую часть существующих протоколов стека TCP/IP, протоколов маршрутизации, дисциплин обслуживания очередей. Возможно моделирование локальных и глобальных, беспроводных и спутниковых сетей. В отличии от большинства программных средств, выполняющих подобные функции, ns2 имеет открытый код и доступен для свободного использования и модификации. Существуют версии программы для различных операционных систем. Наибольшую функциональность обеспечивает версия для Unix-систем, но существуют также модификации для Windows и других ОС [3].
Симулятор ns2 и графический интерпретатор nam являются достаточно простыми и наглядными средствами для изучения, сравнения и анализа принципов работы сетевых протоколов. В университетах Европы и США ns2 широко применяется в учебных и исследовательских целях. Существует библиотека скриптов, включающая большое количество моделей, например, реализующие механизмы «скользящего окна» и «медленного старта» протокола TCP, различные дисциплины обслуживания очередей, позволяющие вычислить вероятность потери пакетов, и др.
Без использования дополнительных разработок отслеживание характеристик сети в симуляторе ns2 реализуется с помощью:
- трассировочных файлов. Возникающие события регистрируются в трассировочном файле, с помощью которого несложно определить нужные параметры узлов сети, например с помощью языка AWK. Способ применим, если топология сети относительно проста, для сети со сложной топологией и неограниченным числом узлом обработка трассировочных файлов занимает много времени;
- мониторов производительности. Используются для отслеживания общей статистики очередей (мониторы очередей) и потоков (мониторы потоков) [4].
Гибкость и перспективность проекта ns2 в сочетании с открытым кодом обусловили возникновение множества разработок на базе симулятора, большинство из которых ведутся крупными западными исследовательскими центрами и университетами. Разработчики проекта ведут работу над различными дополнениями к ns2. На сегодняшний день в полный пакет кроме самого симулятора входят различные вспомогательные утилиты:
- средство для анимации модели Network Animator (nam), наглядно демонстрирующее работу скрипта;
- средство для анализа модели xgraph (предназначено для использования в Unix-системах);
- генератор топологии сети, позволяющий автоматизировать процесс создания модели;
- отладчик скриптов [5].
Все существующие разработки реализуют отдельные функции, позволяющие эффективнее использовать возможности симулятора. Существуют утилиты для графического создания моделей, анимации и анализа результатов моделирования.
В 2006 г. рядом институтов совместно с уже существующими пользователями ns2 начата работа над следующей версией симулятора, названной ns3. Целью проекта является реструктуризация ns2 и разработка еще более функционального средства исследования и изучения компьютерных сетей нового поколения. Изменения и улучшения предполагают:
- реструктуризацию ядра симулятора. Планируется по возможности устранить существующие ограничения на масштабируемость, разработать новый интерфейс описания и анимирования модели, добавить поддержку параллельных вычислений, улучшить учет статистических данных;
- обновление моделей протоколов. Симулятор ns2 практически не поддерживает протокол IPv6, многие беспроводные протоколы также требуют обновления, необходимо ввести поддержку новейших сетевых архитектур и протоколов маршрутизации;
- улучшенную интеграцию программного обеспечения;
- новые возможности тестирования, разработку документации, поддержку пользователей и предоставление новых возможностей для использования симулятора в учебных целях.
Критерии успеха проекта, выдвинутые разработчиками, за 4 года предполагают:
- удержание симулятором лидирующих позиций в области сетевых исследований благодаря своей эффективности, масштабируемости, открытости;
- легкость интеграции разработанного кода;
- легкость перехода между моделированием и натурным экспериментом;
- наличие современных средств для беспроводного моделирования [6].
Последним дополнением к nam является nam Graphical Editor, наиболее близкий по назначению к разрабатываемому проекту. Применяя данную разработку нет необходимости использовать tcl-код для написания проектов. Создать топологию сети и промоделировать работу различных протоколов и источников трафика можно с использованием графического интерфейса [7]. Необходимо отметить, что данное средство позволяет работать только в UNIX-подобных системах. Исследование ресурсов сети Интернет, посвященных работе с симулятором ns2, показало, что данный графический редактор пока не получил широкого распространения.
Помимо разработок, предоставляющих возможность создания моделей с помощью графического интерфейса, существуют также средства анализа полученных в процессе моделирования данных. Разработанное в 2003 г. польским студентом Ярославом Малеком (Jaroslaw Malek) приложение Trace graph предназначено для анализа трассировочных файлов симулятора ns2. Trace graph является мультиоперационным приложением, работает как в Linux и других UNIX-подобных системах, так и в Windows. Для работы приложения необходимо наличие библиотек системы Matlab.
Поддерживаются модели как проводных, так и беспроводных и спутниковых сетей. Особенностями приложения являются:
- возможность построения двумерных и трехмерных графиков для анализа различных параметров;
- отслеживание таких параметров, как задержки передачи, пропускная способность, время обработки пакетов, число промежуточных узлов и др.;
- статистика отдельных узлов и каналов или сети в целом;
- возможность сохранения результатов в текстовый файл или файл изображения.
Существуют и более специализированные разработки, дополняющие симулятор новыми элементами – протоколами, генераторами трафика, алгоритмами и т.п.
Можно привести множество примеров проектов, посвященным исследованиям различных аспектов работы компьютерных сетей (протоколов, принципов работы и алгоритмов обслуживания очередей и т. п.) и сетей различных конфигураций (в т. ч. беспроводных, сетей с переменным качеством обслуживания и т. д.).
На территории Украины и России симулятор ns2 также набирает популярность. Название симулятора стало все чаще появляться в темах научных работ и докладов. Первые проекты, как правило, были посвящены созданию русскоязычной документации для симулятора, ведутся разработки, включающие применение ns2 для моделирования и исследования компьютерных сетей и протоколов их работы.
Симулятор ns2 часто позиционируется как инструмент изучения студентами основных принципов работы компьютерных сетей (алгоритмы передачи, методы отбрасывания пакетов). Примером может послужить проект Учебно-исследовательской лаборатории физических основ и технологий беспроводной связи при Нижегородском государственном университете. Данная работа посвящена изучению ns2, в качестве объекта для исследования был выбран протокол транспортного уровня TCP (Transport Control Protocol) с алгоритмом SlowStart и технология обслуживания очереди RED (Random Early Detection). Моделирование таких систем позволяет глубоко изучить принципы и особенности работы ns2. Методическая разработка предназначена для студентов, специализирующихся в области телекоммуникаций, в частности, сетевых протоколов и стандартов. Для выполнения работы требуется владение основными принципами построения компьютерных сетей (модель OSI, стек протоколов TCP/IP, основы маршрутизации). В ходе выполнения данной работы студенты получат необходимые знания по структуре языка OTcl и принципах работы системы ns2. В работе представлены также практические задания, позволяющие применить полученные сведения на практике.
Литература
1. Gilberto Flores Lucio, Marcos Paredes-Farrera, Emmanuel Jammeh. OPNET Modeler and Ns-2: Comparing the Accuracy Of Network Simulators for Packet-Level Analysis using a Network Testbed, University of Essex, Colchester, Essex, United Kingdom, 2002.
2. Ерыгина Т.П., Аноприенко А.Я. Разработка графической среды для создания моделей для сетевого симулятора NS2 // Информатика и компьютерные технологии 2006: материалы второй региональной студенческой научно-технической конференции. г. Донецк, 13 декабря 2006 г.
3. Ерыгина Т.П., Аноприенко А.Я. Применение средства моделирования вычислительных сетей NS2 в исследовательских и учебных целях // Информатика и компьютерные технологии 2005: материалы первой региональной студенческой научно-технической конференции. г. Донецк, 15 декабря 2005 г.
4. Sandeep Bajaj, Lee Breslau, Deborah Estrin. Improving Simulation for Network Research, USC Computer Science Department, 1999.
5. Кучерявый Е.А.
NS2 как универсальное средство имитационного моделирования сетей связи, Tampere University of Technology, Telecommunications Laboratory, Tampere, Finland, 2001.
6. Thomas R. Henderson, Sally Floyd, George F. Riley. NS-3 Project Goals, Department of Electrical Engineering, University of Washington, Seattle, Washington, 2006.
7. Deborah Estrin, Mark Handley, John Heidemann
Network Visualization with the VINT Network Animator Nam, USC Computer Science Department Technical Report 99-703b, 1999.
