Средства анализа и оптимизации локальных сетей

Н.А. Олифер, В.Г. Олифер

4. Использование моделирования для оптимизации производительности сети

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.

4.1. Методы аналитического, имитационного и натурного моделирования

Моделирование представляет собой мощный метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. Основными разновидностями процесса моделирования можно считать два его вида - математическое и физическое моделирование. При физическом (натурном) моделировании исследуемая система заменяется соответствующей ей другой материальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы с сохранением их физической природы. Примером этого вида моделирования может служить пилотная сеть, с помощью которой изучается принципиальная возможность построения сети на основе тех или иных компьютеров, коммуникационных устройств, операционных систем и приложений.

Возможности физического моделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельные задачи при задании небольшого количества сочетаний исследуемых параметров системы. Действительно, при натурном моделировании вычислительной сети практически невозможно проверить ее работу для вариантов с использованием различных типов коммуникационных устройств - маршрутизаторов, коммутаторов и т.п. Проверка на практике около десятка разных типов маршрутизатров связана не только с большими усилиями и временными затратами, но и с немалыми материальными затратами.

Но даже и в тех случаях, когда при оптимизации сети изменяются не типы устройств и операционных систем, а только их параметры, проведение экспериментов в реальном масштабе времени для огромного количества всевозможных сочетаний этих параметров практичеки невозможно за обозримое время. Даже простое изменение максимального размера пакета в каком-либо протоколе требует переконфигурирования операционной системы в сотнях компьютеров сети, что требует от администратора сети проведения очень большой работы.

Поэтому, при оптимизации сетей во многих случаях предпочтительным оказывается использование математического моделирования. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от ее параметров, входных сигналов, начальных условий и времени.

Особым классом математических моделей являются имитационные модели. Такие модели 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. Существуют специальные языки имитационного моделирования, которые облегчают процесс создания программной модели по сравнению с использованием универсальных языков программирования. Примерами языков имитационного моделирования могут служить такие языки, как SIMULA, GPSS, SIMDIS. Существуют также системы имитационного моделирования, которые ориентируются на узкий класс изучаемых систем и позволяют строить модели без программирования. Подобные системы для вычислительных сетей рассматриваются ниже в разделе 4.3.

4.2. Модели теории массового обслуживания

Используемые в настоящее время в локальных сетях протоколы канального уровня используют методы доступа к среде, основанные на ее совместном использовании несколькими узлами за счет разделения во времени. В этом случае, как и во всех случаях разделения ресурсов со случайным потоком запросов, могут возникать очереди. Для описания этого процесса обычно используются модели теории массового обслуживания.

Механизм разделения среды протокола Ethernet упрощенно описывается простейшей моделью типа M/M/1 - одноканальной моделью с пуассоновским потоком заявок и показательным законом распределения времени обслуживания. Она хорошо описывает процесс обработки случайно поступающих заявок на обслуживание системами с одним обслуживающим прибором со случайным временем обслуживания и буфером для хранения поступающих заявок на время, пока обслуживающий прибор занят выполнением другой заявки (рисунок 1). Передающая среда Ethernet представлена в этой модели обслуживающим прибором, а пакеты соответствуют заявкам.

Введем обозначения: l - интенсивность поступления заявок, в данном случае это среднее число пакетов, претендующих на передачу в среде в единицу времени, b - среднее время обслуживания заявки (без учета времени ожидания обслуживания), то есть среднее время передачи пакета в среде с учетом паузы между пакетами в 9.6 мкс, r - коэффициент загрузки обслуживающего прибора, в данном случае это коэффициент использования среды, r = lb. В теории массового обслуживания для данной модели получены следующие результаты: среднее время ожидания заявки в очереди (время ожидания пакетом доступа к среде) W равно:

4.3. Специализированные системы имитационного моделирования вычислительных 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. 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. Программы имитационного моделирования сети используют в своей работе информацию о пространственном расположении сети, числе узлов, конфигурации связей, скоростях передачи данных, используемых протоколах и типе оборудования, а также о выполняемых в сети приложениях.

Обычно имитационная модель строится не с нуля. Существуют готовые имитационные модели основных элементов сетей: наиболее распространенных типов маршрутизаторов, каналов связи, методов доступа, протоколов и т.п. Эти модели отдельных элементов сети создаются на основании различных данных: результатов тестовых испытаний реальных устройств, анализа принципов их работы, аналитических соотношений. В результате создается библиотека типовых элементов сети, которые можно настраивать с помощью заранее предусмотренных в моделях параметров. Системы имитационного моделирования обычно включают также набор средств для подготовки исходных данных об исследуемой сети - предварительной обработки данных о топологии сети и измеренном трафике. Эти средства могут быть полезны, если моделируемая сеть представляет собой вариант существующей сети и имеется возможность провести в ней измерения трафика и других параметров, нужных для моделирования. Кроме того, система снабжается средствами для статистической обработки полученных результатов моделирования.

В следующей таблице приведены характеристики нескольких популярных систем имитационного моделирования различного класса - от простых программ, предназначенных для установки на персональном компьютере, до мощных систем, включающих библиотеки большинства имеющихся на рынке коммуникационных устройств и позволяющих в значительной степени автоматизировать исследование изучаемой сети.

Компания и продукт	Стоимость(долл)	Тип сети	Требуемые ресурсы	Примечания
American HYTech, Prophesy	1495	ЛС	8МбОП, 6 Мбдиск, DOS, Windows, OS/2	Оценивание производительности при работе с текстовыми и графическими данными по отдельным сегментам и сети в целом
CACI Product, COMNET III	34500-39500	ЛС, ГС	32 МбОП, 100 Мбдиск, Windows, Windows NT, OS/2, Unix	Моделируетсети X.25, ATM, Frame Relay, связи LAN-WAN, SNA, DECnet, протоколы OSPF, RIP. Доступ CSMA/CD и токенный доступ, FDDI и др. Встроенная библиотека марщрутизаторов 3COM, Cisco, DEC, HP, Wellfleat, ...
Make System, NetMaker XA	6995-14995	ЛС, ГС	128 МбОП, 2000 Мбдиск, AIX, Sun OS, Sun Solaris	Проверка данных о топологии сети; импорт информации о трафике, получаемой в реальном времени
NetMagic System,StressMagik	2995	ЛС	2 МбОП, 8 МБдиск, Windows	Поддержка стандартных тестов измерения производительности; имитация пиковой нагрузки на файл-сервер
Network Analysis Center, MIND	9400-70000	ГС	8 MбОП, 65 Мбдиск, DOS, Windows	Средство проектирования, оптимизации сети, содержит данные о стоимости типичных конфигураций с возможностью точного оценивания производительности
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Designer	25000	ГС	8 MбОП, 40 Мбдиск, Windows, OS/2	Определение оптимального расположения концентратора в ГС, возможность оценки экономии средств за счет снижения тарифной платы, смены поставщика услуг и обновления оборудования; сравнение вариантов связи через ближайшую и оптимальную точку доступа, а также через мост и местную телефонную сеть
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ MeshNET	30000	ГС	8 MбОП, 40 Мбдиск, Windows, OS/2	Моделирование полосы пропускания и оптимизация расходов на организацию ГС путем имитации поврежденных линий, поддержка тарифной сетки компаний AT & T, Sprint, WiTel, Bell
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Performance-1	4000	ГС	8 MбОП, 1 Мбдиск, Windows, OS/2	Моделирование производительности иерархических сетей путем анализа чувствительности к длительности задержки, времени ответа, а также узких мест в структуре сети
Network Design and Analysis Group, AutoNet/ Performance-3	6000	ГС	8 MбОП, 3 Мбдиск, Windows, OS/2	Моделирование производительности многопротокольных объединений локальных и глобальных сетей; оценивание задержек в очередях, прогнозирование времени ответа, а также узких мест в структуре сети; учет реальных данных о трафике, поступающих от сетевых анализаторов
System& Networks, BONES	20000-40000	ЛС, ГС	32 MбОП, 80 Мбдиск, Sun OS, Sun Solaris, HP-UX	Анализ воздействия приложений клиент-сервер и новых технологий на работу сети
MIL3,Opnet	16000-40000		16 МбОП, 100 Мбдиск, DEC AXP, Sun OS, Sun Solaris, HP-UX	Имеет библиотеку различных сетевых устройств, поддерживает анимацию, генерирует карту сети, моделирует полосу пропускания.

4.4. Система имитационного моделирования COMNET компании CACIProducts

Компания CACIProducts является одним из лидеров рынка систем имитационного моделирования сетей, разрабатывая подобные средства уже 35 лет. Система имитационного моделирования COMNET позволяет анализировать работу сложных сетей, работающих на основе практически всех современных сетевых технологий и включающих как локальные, так и глобальные связи. Система COMNET состоит из нескольких основных частей, работающих как автономно, так и в комплексе:

- COMNETBaseliner - пакет, предназначенный для сбора исходных данных о работе сети, необходимых для проведения моделирования.

- COMNETIII вместе с пакетом AdvanceFeaturesPack - система детального моделирования сети.

- COMNETPredictor - система быстрой оценки производительности сети.

4.4.1. COMNETBaseliner

Главной проблемой при любом моделировании сети является проблема сбора данных о существующей сети. Именно эту проблему помогает решить пакет COMNETBaseliner. Этот пакет может работать со многими промышленными системами управления и мониторинга сетей, получая от них собранные данные и обрабатывая их для использования при моделировании сети с помощью систем COMNETIII или COMNETPredictor. COMNETBaseline позволяет создавать разнообразные фильтры, с помощью которых можно извлечь нужную для моделирования информацию из импортируемых данных. С помощью COMNETBaseline можно:

- Импортировать информацию о топологии сети, возможно, в иерархическом виде;

- Комбинировать информацию из нескольких файлов регистрации трафика, которые могут импортироваться из разных средств мониторинга в единую модель трафика;

- Предоставлять полученную модель трафика для предварительного беглого обзора;

- Просматривать графическое представление межузлового взаимодействия, в котором трафик каждой пары узлов отображается линией определенного цвета.

4.4.2. COMNETIII

4.4.2.1. Общая характеристика

Система имитационного моделирования сетей COMNETIII позволяет точно предсказывать производительность локальных, глобальных и корпоративных сетей. Система COMNETIII работает в среде Windows 95, WindowsNT и Unix. COMNETIII предлагает использовать простой и интуитивно понятный способ конструирования модели сети, основанный на применении готовых базовых блоков, соответствующих хорошо знакомым сетевым устройствам, таким как компьютеры, маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры и каналы связи. Пользователь применяет технику drag-and-drop для графического изображения моделируемой сети из библиотечных элементов: Затем система COMNETIII выполняет детальное моделирование полученной сети, отображая результаты динамически в виде наглядной мультипликации результирующего трафика.

Другим вариантом задания топологии моделируемой сети является импорт топологической информации из систем управления и мониторинга сетей. После окончания моделирования пользователь получает в свое распоряжение следующие харакетристики производительности сети:

- Прогнозируемые задержки между конечными и промежуточными узлами сети, пропускные способности каналов, коэффициенты использования сегментов, буферов и процессоров.

- Пики и спады трафика как функцию времени, а не как усредненные значения.

- Источники задержек и узких мест сети.

4.4.2.2. Типы узлов

Система COMNETIII оперирует с узлами трех типов - процессорными узлами, узлами-маршрутизаторами и коммутаторами. Узлы могут присоединяться с помощью портов к коммуникационным каналам любого типа, от каналов локальных сетей до спутниковых линий связи. Узлы и каналы могут характеризоваться средним временем наработки на отказ и средним временем восстановления для моделирования надежности сети. В COMNETIII моделируется не только взаимодействие компьютеров по сети, но и процесс разделения процессора каждого компьютера между его приложениями. Работа приложения моделируется с помощью команд нескольких типов, в том числе команд обработки данных, отправки и чтения сообщений, чтения и записи данных в файл, установления сессий и приостановки программы до получения сообщений. Для каждого приложения задается так называемый репертуар команд.

Узлы-маршрутизаторы могут моделировать работу маршрутизаторов, коммутаторов, мостов, концентраторов и любых устройств, которые имеют разделяемую внутреннюю шину, с помощью которой пакеты передаются между портами. Шина характеризуется пропускной способностью и количеством независимых каналов. Узел-маршутизатор обладает также всеми характеристиками процессорного узла, так что он может выполнять приложения, которые, например, обновляют таблицы маршрутизации или рассылают маршрутную информацию по сети. Неблокирующие коммутационные узлы могут моделироваться путем задания количества независимых каналов, равного числу модулей коммутатора. Библиотека COMNETIII включает большое количество описаний конкретных моделей маршрутизаторов с параметрами, основанными на результатах тестирования в Harvard NetworkDeviceTestLab. Узел-коммутатор моделирует работу коммутаторов, а также маршрутизаторов, концентраторов и других устройств, которые передают пакеты с входного порта на выходной с незначительной задержкой.

4.4.2.3. Каналы связи и глобальные сети

Каналы связи моделируются путем задания их типа, а также двух параметров - попускной способности и вносимой задержки распространения. Единицей передаваемых по каналу данных является кадр. Пакеты при передаче по каналам сегментируются на кадры. Каждый канал характеризуется: минимальным и максимальным размером кадра, накладными расходами на кадр и интенсивностью ошибок в кадрах. В системе COMNETIII можно моделировать все распространенные методы доступа к передающей среде, в том числе ALOHA. CSMA/CD, TokenRing, FDDI и т.п. Каналы "точка-точка" могут также использоваться для моделирования каналов ISDN и SONET/SDH. COMNETIII включает средства для моделирования глобальных сетей на самом верхнем уровне абстракции. Такое представление глобальных сетей целесообразно, когда задание точных сведений о топологии физических связей и о полном трафике глобальной сети невозмодно или нецелесообразно. Например, нет смысла точно моделировать работу Internet при исследовании передачи трафика между двумя локальными сетями, подключенными к Internet.

COMNETIII позволяет укрупненно моделировать сети FrameRelay, сети с коммутацией ячеек (например, АТМ), сети с коммутацией пакетов (например, Х.25). При моделировании глобальных сетей имитируется разбиение пакетов на кадры, причем каждый тип глобального сервиса характеризуется минимальным и максимальным размерами кадра и накладными расходами на служебную информацию. Связь с глобальной сетью имитируется с помощью канала дрступа, который имеет определенные задержку распространения и пропускную способность. Сама глобальная сеть характеризуется задержкой доставки информации от одного канала доступа до другого, вероятностью потери кадра или его принудительного удаления из сети (при нарушении соглашения о параметрах трафика типа CIR). Эти параметры зависят от степени загруженности глобальной сети, которая может быть задана как нормальная, умеренная и высокая. Имеется возможность моделировать виртуальные каналы в сети.

4.4.2.4. Рабочая нагрузка

В системе COMNETIII рабочая нагрузка создается источниками трафика. Каждый узел может быть соединен с несколькими источниками трафика разного типа. Источники-приложения генерируют приложения, которые выполняются узлами типа процессоров или маршрутизатров. Узел выполняет команду за командой, имитируя работу приложений в сети. Источники могут генерировать сложные нестандартные приложения, а также простые, занимающиеся в основном отправкой и получением сообщений по сети. Источники вызовов генерируют запросы на установление соединений в сетях с коммутацией каналов (сети с коммутируемыми виртуальными соединениями, ISDN, POTS).

Источники планируемой нагрузки генерируют данные, используя зависящее от времени расписание. При этом источник генерирует данные периодически, используя определенное распределение интервала времени между порциями данных. Можно моделировать зависимость интенсивности генерации данных от времени дня. Источники "клиент-сервер" позволяют задавать не трафик между клиентами и сервером, а приложения, которые порождают этот трафик. Эти приложения работают в модели "клиент-сервер", и источник данного типа позволяет промоделировать вычислительную загрузку компьютера, работающего в роли сервера, то есть учесть время выполнений вычислительных операций, операций, связанных с обращением к диску, подсистеме ввода-вывода и т.п.

4.4.2.5. Протоколы

Коммуникационные протоколы физического и канального уровней учитываются в системе COMNETIII в таких элементах сети как каналы (links). Протоколы сетевого уровня отражены в работе узлов модели, которые принимают решения о выборе маршрута пакетов в сети. Магистраль сети и каждая из подсетей могут работать на основе различных и независимых алгоритмов маршрутизации. Алгортмы маршрутизации, используемые COMNETIII, принимают решение на основе вычисления кратчайшего пути. Используются различные вариации этого принципа, отличающиеся используемой метрикой и способом обновления таблиц маршрутизации. Применяются статические алгоритмы, у которых таблица обновляется только один раз в начале моделирования, и динамические алгоритмы, периодически обновляющие таблицы. Возможно моделирование многопутевой маршрутизации, при которой достигается баланс трафика по нескольким альтернативным маршрутам. COMNETIII поддерживает следующие алгоритмы маршрутизации:

- RIP (минимум хопов),

- Наименьшая измеренная задержка,

- OSPF,

- IGRP,

- Задаваемые пользователем таблицы маршрутизации.

Протоколы, выполняющие транспортные функции и функции доставки сообщений между конечными узлами представлены в системе COMNETIII обширным набором протоколов: ATP, NCP, NCPBurstMode, TCP, UDP, NetBIOS, SNA. При испоьзовании этих протоколов пользователь выбирает их из библиотеки системы и задает конкретные параметры, например, размер сообщения, размер окна и т.п.

4.4.3. COMNETPredictor

С 1 мая 1997 на рынке появилось новое средство компании CACIProducts - COMNETPredictor. COMNETPredictor предназначен для тех случаев, когда необходимо оценить последствия изменений в сети, но без детального ее моделирования. COMNETPredictor работает следующим образом. Из системы управления или мониторинга сети загружаются данные о работе существующего варианта сети и делается предположение об изменении параметров сети: числа пользователей или приложений, пропускной способности каналов, алгоритмов маршрутизации, производитльности узлов и т.п. Затем COMNETPredictor производит оценку последствий предлагаемых изменений и выдает результаты в виде графиков и диаграмм, на которых отображаются задержки, коэффициенты использования и предполагаемые узкие места сети.

Благодаря оргининальной технологии Flow Decomposition анализ даже крупных глобальных сетей выполняется за несколько минут. COMNETPredictor дополняет систему COMNETIII, которая может использоваться затем для более тщательного анализа наиболее важных вариантов сети. COMNET Predictor работаетвсреде Windows 95, Windows NT и Unix.

4.5. Построение пилотных проектов проектируемых сетей

Если для задания информации о топологии сети не нужно иметь реальную сеть, то для сбора исходных данных о интенсивности источников сетевого трафика могут потребоваться измерения на пилотных сетях, представляющих собой натурную модель проектируемой сети. Эти измерения могут быть выполнены различными средствами, в том числе и с помощью анализаторов протоколов. Помимо получения исходных данных для имитационного моделирования пилотная сеть может использоваться для решения самостоятельных важных задач. Она может дать ответы на вопросы, касающиеся принципиальной работоспособности того или иного технического решения или совместимости оборудования. Натурные эксперименты могут потребовать значительных материальных затрат, но они компенсируются высокой достоверностью полученных результатов. Пилотная сеть должна быть как можно более похожа на ту сеть, которая создается, для выбора параметров которой и создается пилотная сеть. Для этого необходимо в первую очередь выделить те особенности создаваемой сети, которые могут оказать наибольшее влияние на ее работоспособность и производительность.

Если имеются сомнения в совместимости продуктов разных производителей, например, коммутаторов, поддерживающих виртуальные сети или другие пока не стандартизованные возможности, то в пилотной сети должны проверяться на совместимость именно эти устройства и именно в тех режимах, которые вызывают наибольшие сомнения. Что же касается использования пилотной сети для прогнозирования пропускной способности реальной сети, то здесь возможности этого вида моделирования весьма ограничены. Сама по себе пилотная сеть вряд ли сможет дать хорошую оценку производительности сети, включающей гораздо больше узлов подсетей и пользователей, так как не ясен способ экстраполяции результатов, полученных в небольшой сети, на сеть гораздо больших размеров. Поэтому пилотную сеть целесообразно использовать в данном случае совместно с имитационной моделью, которая может использовать образцы трафика, задержек и пропускной способности устройств, полученных в пилотной сети, для задания характеристик моделей частей реальной сети. Затем, эти частные модели могут быть объединены в полную модель создаваемой сети, работа которой будет имитироваться.