Источник: http://elibrary.ru/download/28319375.pdf

В работе рассмотрены возможности программы Opnet Modeler на примерах сети кафедры ВТ ОГУ и сетевого оборудования Cisco. Полученные результаты по анализу этих сетей позволяют рассматривать сети ЭВМ не как "черный ящик», а с точки зрения детального исследования информационных процессов, протекающих в них, с целью решения многих вопросов по их оптимизации.

1. Введение

Возможности физического моделирования при анализе сетей ЭВМ сильно 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 большого количества коммуникационных устройств - маршрутизаторов, коммутаторов и т. п. Но если определенным образом преобразовать топологию, то возможности физического моделирования могут возрасти. Однако снятие статистических характеристик с различных точек сети чрезвычайно затруднено. Если на рабочей станции еще можно программно снять статистику использования интерфейса, то на коммутаторе или в оптической линии связи это может стать практически невозможным. Опять же анализ полученных результатов осложнен сложностью расчетов.

Поэтому при анализе и оптимизации сетей во многих случаях предпочтительным оказывается использование математического моделирования. Особым классом математических моделей являются имитационные модели. Такие модели представляют собой компьютерную программу, которая хронологически шаг за шагом воспроизводит события, происходящие в реальной си­стеме. Применительно к вычислительным сетям их имитационные модели воспроизводят процессы генерации сообщений приложениями, осуществляют разбиение сообщений на пакеты и кадры определенных протоколов, выявляют задержки, связанные с обработкой сообщений, пакетов и кадров внутри операционной системы, а также позволяют анализировать процесс получения доступа компьютером к разделяемой сетевой среде и т. д.

При имитационном моделировании сети не требуется приобретать дорогостоящее оборудование, так как его работа имитируется программами, достаточно точно воспроизводящими все основные особенности и параметры такого оборудования.Результатом работы имитационной мoдели являются собранные в ходе прогона модели статистические данные о наиболее важных характеристиках сети: временах реакции и задержках, коэффициентах использования ресурсов сети, вероятности потерь пакетов и т. п. Все это позволяет взглянуть на сети ЭВМ не как на «черный ящик», а с точки зрения информационных процессов, протекающих в них

В данной статье рассматривается программная система имитационного моделирования (Opnet Modeler), которая ориентирована на сети связи и позволяет строить модели без программирования. 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

Программа Opnet Modeler предлагает пользователям графическую среду для создания, выполнения и анализа событийного моделирования сетей связи. Это удобное программное обеспечение может быть использовано для решения многих задач, например, для проверки протоколов связи, анализа взаимодействий протоколов, оптимизации и планирования сети. Также возможно осуществить с помощью программы проверку правильности аналитических моделей и описание протоколов

1. После окончания моделирования пользователь получает в свое распоряжение следующие характеристики по производительности сети: прогнозируемые задержки между конечными и промежуточными узлами сети, пропускные способности каналов, коэффициенты использования сегментов, буферов и процессоров
2. источники задержек и узких мест сети.

Система Opnet Modeler 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.

Моделируется не только взаимодействие компьютеров в 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.

Каналы связи моделируются путем зада­ния их типа, а также двух параметров - пропускной 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. Связь с глобальной сетью имитируется с помощью канала доступа, который имеет определенные задержку распространения и пропускную способность.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 маршрутизаторов. 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 оп­ределенный закон распределения 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 нагрузку компьютера, работаю­щего в роли сервера, то есть учесть время выполнений вычислительных операций, операций, связанных с обращением к диску, под­системе ввода-вывода и т. п.

Краткое описание функций программы Opnet Modeler

На рисунке 1 представлена база ресурсов сети программы Opnet Modeler.База ресурсов представляет собой набор моделей устройств различных производите­лей сетевого оборудования, таких как 3Com, CISCO и других (концентраторы, коммута­торы, маршрутизаторы, мосты и др.), а так­же технологий Ethernet, FDDI, Token Ring, STP, ATM, Frame Relay, VLAN, xDSL, Wireless LAN.

В базе ресурсов также имеются наиболее распространенные и известные протоколы (IP, TCP и протоколы маршрутизации RIP, OSPF, BGP, EIGRP,IGRP, IS-IS).

Рисунок 1.  — База ресурсов сети

Также имеется возможность моделировать линии связи, такие, как 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseX,Frame Relay (T1, E1, T3), PPP, путем указания их пропускной способности и задержки распространения. Каждый ресурс имеет специфические для конкретного класса характеристики, которые включены в базу ресурсов. Так, например, для рабочей станции можно задать типы выполняемых приложений (Email, FTP, HTTP, Print, Database, Remote Login, Video Conference, Voice), причем не один, а несколько, производительность, время работы и т. д. (рисунок 2.1,2.2).

Рисунок 2.1

Рисунок 2.2

Используемое приложение можно выбрать из уже готового набора приложений либо, задав соответствующие характеристи­ки, создать требуемый нестандартный тип приложений. Для коммутатора можно задать количество портов, временные задержки, производительность. Для каждого приложения необходимо указать сервер, который выполнял бы соответствующие запросы. В данном случае один сервер выполняет все запросы приложений. На рисунке 3 представлен выбор приложений, реализуемых на сервере.

Так как все процессы функционирования стохастические, для моделирования необхо­димо также указать законы распределений, сценарии моделирования, согласно которым генерируются заявки в сети.

Для получения результатов до начала моделирования необходимо указать те характе­ристики, значения которых требуется получить в результате моделирования. Эти характеристики можно задать для всей сети, отдельной для рабочей станции, коммутационного оборудования. Также можно проследить трафик от одного объекта до другого, и необходимо задать время моделирования (1 час, 1 рабочая смена, 2 рабочие смены и т. д.).

Моделирование требует больших ресурсов ПК, так прогон одного часа модельного времени занимает на ПК Celeron 1.7 380 Мб ОЗУ 20 минут.Также имеется возможность просмотра требуемых результатов моделирования, таких, как загрузка устройств, линий связи, количество принятых и отправленных бит коммутатором, сервером и т. д. (рисунок 4).

Рисунок 2.4

Выводы

1. Программа Opnet Modeler позволяет анализировать как существующие, так и проектируемые сети (в стадии системного проектирования). При использовании Opnet Modeler отпадает необходимость трудоемких расчетов для слабых мест сети. Любую сетевую ситуацию, расширение или преобразование сети можно сначала смоделировать и оценить последствия и только потом начинать монтажные тажные работы и закупку оборудования. Сравнение различных сценариев развития сети позволит избежать ошибок еще на этапе проектирования и снизить издержки на переработку проекта к минимуму.


2. На основании собранных данных можно увидеть наличие перегруженных участков сети, которые являются критическим звеном в функционировании всего сетевого сегмента. Также были проведены эксперименты по модернизации отдельных подсегментов сети с целью повышения общей пропускной способности и отказоустойчивости всей сети в целом. По результатам этих экспериментов были сделаны предложения по реальной модернизации сети путем замены активного оборудования или преобразования топологии сети Оба варианта являются приемлемыми и способны решить поставленныую проблему.