Вступ
При проектуванні сучасних комп'ютерних мереж виникає безліч питань - починаючи з вибору виробників устаткування і стандартів до спроби спрогнозувати ефективність, з якою мережа буде працювати. При проектуванні застосовують програми, що дозволяють віртуально не тільки побудувати, але і промоделювати роботу майбутньої мережі.
Імітаційне моделювання є найбільш доступним і результативним методом оцінювання працездатності мережі на етапі її проектування. Витрати, як часу, так і засобів на побудову і дослідження роботи моделі є набагато меншими, ніж аналогічні витрати на натурне моделювання. У той же час результат методу є більш точним та об'єктивним, ніж при використанні у побудові мережі експертних оцінок.
На ринку програмного забезпечення досить багато таких програм, більшість з них є комерційними. Всі засоби моделювання мають схожий перелік можливостей. Головна відмінність полягає тільки у мові програмування, що використовується для реалізації функцій і протоколів користувача. Також існують сімулятори, що поширюються на безкоштовній основі. Одним з них є сімулятор ns2 - ефективний, легкомасштабуємий засіб для створення моделей комп'ютерних мереж та їх аналізу [1].
Сімулятор ns2 дозволяє оцінити продуктивність існуючої мережі, що існує або тільки проектується, надає дані, що допомагають виробити рекомендації для підвищення ефективності роботи мережі, виявити вузькі місця і спрогнозувати її подальший розвиток. Доступність і гнучкість дозволяють використовувати ns2 для вивчення механізму роботи мережевих протоколів, протоколів маршрутизації та дисциплін обслуговування черг, знайомства з основами моделювання обчислювальних мереж, дослідження і порівняння різних мережевих топологий.
Безперечною перевагою сімулятора є відкритий код, що дозволяє доповнювати його новими можливостями. Дана робота орієнтована на розробку графічного інтерфейсу для сімулятора, що дозволяє скоротити тимчасові витрати на створення моделей та аналіз їх роботи.
Актуальність роботи
Серед аналогічних продуктів сімулятор ns2 є найбільш пристосованим засобом для проведення наукових досліджень в області комп'ютерних мереж. Велику частку користувачів сімулятора складають також ті, хто використовує його навчальному процесі. У цьому випадку простота використання програмного засобу є дуже важливою. На досягнення цієї мети і направлений проект, що розробляється.
Ефективність побудови і використання комп'ютерних мереж стала надзвичайно актуальним завданням, особливо в умовах недостатнього фінансування інформаційних технологій на підприємствах. Зниження вартості проектування мережі, її відповідність поточним вимогам і вимогам найближчого часу, можливість і вартість подальшого розвитку і переходу до нових технологій можна назвати критеріями оцінювання ефективності її роботи. А оскільки обчислювальні мережі є основою всіх інформаційних систем підприємства, вимоги до ефективності їх роботи значно зростають. Відповідно збільшуються і витрати на проектування і реалізацію мережі, її подальше розширення і підтримку.
Оптимальним вибором у даному випадку часто стає використання імітаційного моделювання для проектування і реорганізації комп'ютерних мереж. Вартість проектування мережі з використанням імітаційного моделювання може коливатися в достатньо широких межах залежно від використовуваного для моделювання програмного забезпечення. Широкі можливості і вільне розповсюдження роблять сімулятор ns2 достатньо конкурентоздатним. Єдине, перед чим може зупинятися керівник, є деяка складність використання даного програмного засобу. Можливі витрати, перш за все, тимчасові, на вивчення принципів роботи сімулятора достатньо великі. Проект, що розробляється, здатний скоротити витрати на дослідження сімулятора і, тим самим, витрати на побудову моделі у цілому.
Аналізатори протоколів є незамінними для дослідження реальних мереж, але вони не дозволяють отримувати кількісні оцінки характеристик для мереж, що знаходяться у стадії проектування. У таких випадках можна використовувати засоби моделювання, за допомогою яких розробляються моделі, які відтворюють інформаційні процеси, що протікають в мережах. Проект, що розробляється, дозволяє включити до моделі засоби моделювання роботи черг, можливість збору інформації про переміщення пакетів даних між вузлами в процесі моделювання. Використовуючи отримані файли трасувань згодом можна отримати необхідну статистику роботи, для чого не потрібне додавання до симулятору нових модулів. Такий підхід дозволяє використовувати максимум можливостей сімулятора, не обмежуючи себе можливостями, що запропоновані розробником [2].
Цілі та завдання роботи
Сімулятор ns2 на даний момент не отримав широкого поширення у Східній Європі, у тому числі і в Україні, але у декількох ВУЗах займаються дослідженням сімулятора і використанням його в учбових курсах, присвячених мережевим технологіям. Розширення і доповнення сімулятора новими можливостями дозволяє ефективно використовувати його і стосовно комп'ютерних мереж учбового закладу, і за його межами.
Працювати над розширенням сімулятора ns2 можна у декількох напрямах:
1) створення моделей часток мереж або мереж у цілому, аналіз ефективності їх побудови, модернізація та усунення недоліків мережі на основі отриманих за допомогою моделювання даних;
2) розробка додаткових утиліт для ns2, що дозволяють отримати статистику роботи моделі, розрахувати необхідні параметри, виконати аналіз і вказати недоліки топології, що моделювалась, представити інформацію у вигляді, що є зручним для користвача, роздрукувати і зберегти результати моделювання;
3) доповнення новими можливостями ядра сімулятора, наприклад, нові або вдосконалені протоколи, дисципліни обслуговування черг, моделі трафіку, додатки та ін.;
4) розробка утиліт конвертації моделей сімулятора ns2 у формат моделей інших сімуляторів та назад.
Напрями розробки проекту ns2 представлені на рисунку 1.
Рисунок 1 - Напрями розробки проекту ns2
Напрями 3 і 4 є найбільш складними та вимагають серйозних витрат часу. Для реалізації нового протоколу або дисципліни обслуговування сімулятора ns2 необхідно в першу чергу провести глибоке дослідження предмету модифікації або розробки, виявити всі його можливі гідності та недоліки, сформулювати принципи підвищення його ефективності. Потрібно також чимало часу для вивчення внутрішньої структури ядра сімулятора ns2, принципів реалізації його структурних елементів і об'єктів. Складність розробки конвертора моделей полягає в тому, що більшість засобів моделювання комп'ютерних мереж мають, на відмінну від сімулятора ns2, закритий код, структура форматів їх моделей розробниками не розголошується.
Виходячи з цього, в даній науковій роботі було вибрано комбінацію першого і другого напрямів - розробка утиліти для полегшення роботи з ns2, що містить типові моделі мереж для демонстрації її використання [2].
На даний момент графічний інтерфейс став невід'ємною частиною багатьох застосувань. Зручність використання такого застосування виправдовує всі витрати на його розробку. Наявність графічного інтерфейсу у засобі імітаційного моделювання значно спрощує процес розробки і аналізу моделі. Розробниками сімулятора ns2 не було передбачено ефективної можливості створення моделі за допомогою графічного інтерфейсу, тому даний проект може стати одним з перших подібних засобів.
Метою проекту є реалізація графічного середовища для створення моделей комп'ютерних мереж за допомогою мережевого сімулятора ns2.
Система повинна надавати можливість створення моделей мережі топології із заданими характеристиками:
- тип підмереж (LAN, WAN);
- параметри каналів зв'язку (пропускна спроможність, затримка, тип і розмір черги);
- тип передаваного трафіку, розмір пакетів;
- моніторинг об'єктів моделі і ін.
Необхідно також забезпечити можливість збереження і завантаження моделі для подальшої модифікації, спроектувати систему з використанням принципів об'єктно-орієнтованого програмування, представити основні об'єкти системи у вигляді класів.
Застосування, що розроблюється, повинне виконувати наступні функції:
- надання графічного середовища для візуального моделювання комп'ютерних мереж;
- перетворення моделі у скрипт сімулятора ns2;
- запуск створеного скрипта в ns2 із різними опціями;
- аналіз результатів роботи сімулятора і подання отриманих даних у вигляді, що є зручним для користувача.
Схема процесу моделювання за допомогою системи представлена на рисунку 2.
Рисунок 2 - Схема процесу моделювання за допомогою системи
Огляд та аналіз основних досліджень і розробок
Симулятор ns2 є дискретним, використовує механізм подій і призначений для досліджень в області комп'ютерних мереж. Симулятор підтримує більшість існуючих протоколів стека TCP/IP, протоколів маршрутизації, дисциплін обслуговування черг. Є можливим моделювання локальних і глобальних, бездротових і супутникових мереж. На відміну від більшості програмних засобів, що виконують подібні функції, ns2 має відкритий код і доступний для вільного використання і модифікації. Існують версії програми для різних операційних систем. Найбільшу функціональність забезпечує версія для Unix-систем, але існують також модифікації для Windows і інших ОС [3].
Сімулятор ns2 і графічний інтерпретатор nam є достатньо простими і зручними засобами для вивчення, порівняння і аналізу принципів роботи мережевих протоколів. В університетах Європи і США ns2 широко застосовується в учбових і дослідницьких цілях. Існує бібліотека скриптів, що включає велику кількість моделей, наприклад, реалізовано механізми «ковзаючого вікна» і «повільного старту» протоколу TCP, різні дисципліни обслуговування черг, що дозволяють обчислити вірогідність втрати пакетів, та ін.
Без використання додаткових розробок стеження за характеристиками мережі реалізується сімулятором ns2 за допомогою:
- файлів трасувань. Виникаючі події реєструються у файлі трасування, за допомогою якого можна визначити потрібні параметри вузлів мережі, наприклад, використовуючи мову AWK. Спосіб застосовний, якщо топологія мережі є відносно простою, для мережі із складною топологією і необмеженою кількістю вузлів обробка файлів трасувань займає багато часу;
- моніторів продуктивності. Використовуються для відстежування загальної статистики черг (монітори черг) і потоків (монітори потоків) [4].
Гнучкість і перспективність проекту ns2 у поєднанні з відкритим кодом зумовили виникнення безлічі розробок на базі сімулятора, більшість з яких ведуться крупними західними дослідницькими центрами і університетами. Розробники проекту ведуть роботу над різними додатками до ns2. На сьогоднішній день у повний пакет окрім самого сімулятора входять різні допоміжні утиліти:
- засіб для анімації моделі Network Animator (nam), що наочно демонструє роботу скрипта;
- засіб для аналізу моделі xgraph (призначений для використання в Unix-системах);
- генератор топології мережі, що дозволяє автоматизувати процес створення моделі;
- відладчик скриптів [5].
Всі існуючі розробки реалізують окремі функції, що дозволяють більш ефективно використовувати можливості сімулятора. Існують утиліти для графічного створення моделей, анімації і аналізу результатів моделювання.
У 2006 р. декількома інститутами спільно з користувачами ns2 почато роботу над наступною версією сімулятора, названою ns3. Метою проекту є реструктуризація ns2 і розробка ще більш функціонального засобу дослідження і вивчення комп'ютерних мереж нового покоління. Зміни і поліпшення припускають:
- реструктуризацію ядра сімулятора. Планується по можливості усунути існуючі обмеження на масштабованість, розробити новий інтерфейс опису і анімації моделі, додати підтримку паралельних обчислень, поліпшити облік статистичних даних;
- оновлення моделей протоколів. Сімулятор ns2 практично не підтримує протокол IPv6, багато бездротових протоколів також вимагають оновлення, необхідно ввести підтримку новітньої мережевої архітектури і протоколів маршрутизації;
- покращення інтеграції програмного забезпечення;
- нові можливості тестування, розробку документації, підтримку користувачів і надання нових можливостей для використання сімулятора в учбових цілях.
Критерии успіху проекту, висунуті розробниками, за 4 роки припускають:
- утримання симулятором лідуючих позицій в області мережевих досліджень завдяки своїй ефективності, масштабованості, відкритості;
- легкість інтеграції розробленого коду;
- легкість переходу між моделюванням і натурним експериментом;
- наявність сучасних засобів для бездротового моделювання [6].
Останнім доповненням до nam є nam Graphical Editor, найбільш близький за призначенням до проекту, що розробляється. Застосовуючи дану розробку немає необхідності використовувати tcl-код для написання проектів. Створити топологію мережі і промоделювати роботу різних протоколів і джерел трафіку можна з використанням графічного інтерфейсу [7]. Необхідно відзначити, що даний засіб дозволяє працювати тільки в UNIX-подібних системах. Дослідження ресурсів мережі Інтернет, присвячених роботі з симулятором ns2, показало, що даний графічний редактор поки не має широкого поширення.
Крім розробок, що надають можливісті створення моделей за допомогою графічного інтерфейсу, існують також засоби аналізу отриманих в процесі моделювання даних. Розроблене в 2003 р. польським студентом Ярославом Малеком (Jaroslaw Malek) застосування Trace graph призначене для аналізу файлів трасувань сімулятора ns2. Trace graph є мультиоперационным застосуванням, працює як в Linux та інших UNIX-подібних системах, так і в Windows. Для роботи застосування необхідна наявність бібліотек системи Matlab.
Підтримуються моделі як дротових, так і бездротових і супутникових мереж. Особливостями застосування є:
- можливість побудови двовимірних і тривимірних графіків для аналізу різних параметрів;
- відстежування таких параметрів, як затримки передачі, пропускна спроможність, час обробки пакетів, число проміжних вузлів та ін.;
- статистика окремих вузлів і каналів або мережі в цілому;
- можливість збереження результатів у текстовий файл або файл зображення.
Существуют і більш спеціалізовані розробки, що доповнюють сімулятор новими елементами - протоколами, генераторами трафіку, алгоритмами і т.і.
Можно привести безліч прикладів проектів, що присвячені дослідженням різних аспектів роботи комп'ютерних мереж (протоколів, принципів роботи і алгоритмів обслуговування черг і т. і.) і мереж різних конфігурацій (у т.ч. бездротових, мереж із змінною якістю обслуговування та ін.).
На території України та Росії сімулятор ns2 також набирає популярності. Назва сімулятора стала все частіше з'являтися у темах наукових робіт і доповідей. Перші проекти були присвячені створенню російськомовної документації для сімулятора, ведуться розробки, що містять застосування ns2 для моделювання і дослідження комп'ютерних мереж і протоколів їх роботи.
Сімулятор ns2 часто позиціонується як інструмент вивчення студентами основних принципів роботи комп'ютерних мереж (алгоритми передачі, методи відкидання пакетів). Прикладом може стати проект учбово-дослідницької лабораторії фізичних основ і технологій бездротового зв'язку при Ніжегородському державному університеті. Дана робота присвячена вивченню ns2, як об'єкт для дослідження було обрано протокол транспортного рівня TCP (Transport Control Protocol) з алгоритмом SlowStart і технологія обслуговування черги RED (Random Early Detection). Моделювання таких систем дозволяє глибоко вивчити принципи і особливості роботи ns2. Методична розробка призначена для студентів, що спеціалізуються в області телекомунікацій, зокрема, мережевих протоколів і стандартів. Для виконання роботи потрібне володіння основними принципами побудови комп'ютерних мереж (модель OSI, стек протоколів TCP/IP, основи маршрутизації). В ході виконання даної роботи студенти отримають необхідні знання за структурою мови OTcl і принципами роботи системи ns2. У роботі представлені також практичні завдання, що дозволяють практично застосувати отримані дані.
Література
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.
