Авторы: Шатов Л. Г.
Источник: Шатов Л.Г. Особенности имитационного моделирования сетей, работающих по семейству протоколов IEEE 802.3 // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №7. С. 16-20 (Ссылка)
Шатов Л. Г. Особенности имитационного моделирования сетей, работающих по семейству протоколов IEEE 802.3 На сегодняшний день, имитационное моделирование является основным средством, позволяющим провести оценку эффективность программных и аппаратных решений (протоколов маршрутизации данных, механизмов доступа к среде передачи, передающих устройств), разрабатываемых для многошаговых беспроводных сетей. Однако, отсутствие унифицированной методики тестирования многошаговых беспроводных сетей не дает возможности сравнения предлагаемых разработчиками решения на основе имитационных моделей, воспроизводящих единые для всех условия функционирования этих сетей, подразумевающие единые значения параметров и сценарии развития событий. Локальные вычислительные сети (ЛВС) в настоящее время нашли широкое применение в различных сферах деятельности человека. В процессе развития ЛВС происходила стандартизация технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, FDDI, Token Ring, и прочее. Наибольшее распространение получила сеть Ethernet, архитектура которой определяется стандартом IEEE 802.3 и базируется на протоколе функционирования общей среды передачи CSMA/CD. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, практически единственным подходом к решению задачи выбора топологии ЛВС является опыт инженеров по системной интеграции. Так как ЛВС являются весьма сложными системами, это часто приводит к принятиям неоптимальных решений при их проектировании. Единственный способ избежать указанных трудностей является принятие решения с использованием средств автоматизированного проектирования. Дана характеристика имитационного моделирования сетей, работающих по семейству протоколов IEEE 802.3. Раскрываются особенности имитационного моделирования сетей, работающих по семейству протоколов IEEE 802.3, недостатки, преимущества.
Ключевые слова: имитационное моделирование, протоколы маршрутизатора, IEEE 802.3, средства тестирования, пропускная способность.
Вычислительные сети (далее ВС) предназначены для использования в системах сбора данных и управления. В настоящее время стоимость компонентов вычислительных сетей достаточно велика, чтобы иметь возможность построения сети значительных размеров для научных исследований. Для полноценной проверки работы вычислительной сети с большим количеством узлов применяются средства имитационного моделирования. Реальное развертывание такой сети было бы связано с большими экономическими затратами. При реализации имитационной модели ВС необходимо учитывать протоколы, которые основываются на стандарте ІЕЕЕ 802.3.
Имитационное моделирование (ИМ) строится на основе математической модели, которая аппроксимирует свойства и поведение исследуемой сети и, как следствие, позволяет решать задачи по оптимизации и ее управлению. Имитационной является математическая модель, реализованная как программное обеспечение для компьютера и использующая специальные или стандартные языки программирования.
При построении подобной модели сети связи могут использоваться как статические, так и динамические модели. Под статическими понимаются модели, используемые для исследования состояния сети в заданные моменты времени, например, аналитические методы расчета из теории массового обслуживания, а под динамическими – дискретные стохастические модели, например, процессы генерации заявок или процессы их обслуживания. Следует заметить, что имитационное моделирование не может учесть всех аспектов реальной моделируемой системы. Всегда вводятся предположения, позволяющие упростить и ускорить, к примеру, вычислительный расчёт. Понять интуитивно, какие предположения не повлекут за собой расхождения модели и реальной системы, крайне сложно.
Каждый узел вычислительной сети представляет собой устройство, которое состоит из пяти основных компонентов: датчики, процессоры, память, беспроводные передатчики и источники питания. Энергопотребление узлов сети – ключевой параметр качества работы ВС, поэтому вопрос о его учёте при моделировании систем возникает в первую очередь. Адекватность модели зависит от цели моделирования и принятых критериев. Проверку адекватности модели следует проводить, если нет совпадения свойств и характеристик модели и соответствующих свойств реальной ВС, полученных в ходе натурного эксперимента. Сегодня для решения задач имитационного моделирования сетей связи существует достаточно широкий спектр программных средств: от библиотек функций для стандартных компиляторов до специализированных языков программирования.
По уровню детализации системы моделирования ВС можно разделить на три класса:
Анализу обобщенной структуры системы дискретно – событийного моделирования, состоящей из менеджера событий узлов сети, моделей узла сети и канала связи, программной части сбора событий сети, состояния узлов и прочее, а также графической оболочки, методикам ИМ, а также различным аспектам функционирования ВС посвящено много работ, как в отечественных, так и зарубежных источниках. Из разработанных на данный момент имитационных средств моделирования сетей можно выделить NS-2, NS-3, OMNET, Castalia, OPNET Modeler, Open-ZB, NetSim, GloMoSim, TOSSIM.
Недостаточная пропускная способности в вычислительных сетях является крайне актуальным вопросом в настоящее время. Эта проблема связана с увеличением степени информатизации общества и сложностью вопросов, решаемых с помощью использования вычислительной техники. ЛВС на заре становления воспринимались в качестве инструмента для развития бизнеса. В это время IEEE сделал вывод о необходимости определения стандартов. Вследствие чего был разработан и введен Project 802. В основу названия был вложен месяц и год своего издания. Публикация стандартов ІЕЕЕ опередила публикацию стандартов ISO. Проекты велись приблизительно в одно время и при полном обмене информацией. Это привело к рождению двух совместимых моделей.
Project 802 определил стандарты для кабельной системы и интерфейсных плат, как физических составляющих сети, с которыми взаимодействуют Физический и Канальный уровни модели ОЅІ. Эти стандарты распространяются на:
Нижние уровни модели OSI, Канальный и Физический, устанавливают порядок работы нескольких компьютеров в одновременном режиме использования сети без взаимных помех. ІЕЕЕ Project 802 относится к вышеуказанным двум уровням и приводит к созданию спецификаций, определивших доминирующие среды ЛВС. Подробно описывая канальный уровень, ІЕЕЕ, в свою очередь, разделил его на два подуровня:
Возможность управления логической связью устанавливает канал связи и определяет использование логических точек интерфейса, называемых точками доступа к услугам (service access points, SAP). Ссылаясь на точки доступа к услугам, другие компьютеры могут передавать информационные данные с подуровня Управления логической связью на верхние уровни OSI. Эти стандарты определены в категории 802.3.
Управление доступом к среде относится к нижнему подуровню, что дает возможность обеспечения совместного доступа плат сетевого адаптера к Физическому уровню. Подуровень Управление доступом к среде напрямую связан с платой сетевого адаптера и дает возможность безошибочно передавать данные между двумя компьютерами сети. Категория 802.3 определяет стандарты для указанного подуровня, а также для первого, физического уровня модели ОЅІ.
802 - спецификации определяют способы возможности доступа к физической среде плат сетевых адаптеров и передачи по ним данных. К ним относят соединение, поддержку и разъединение сетевых устройств. Интернет должен был заполнить нишу между глобальными сетями, низкоскоростными и специализированными сетями компьютерных центров, работающими на высокой скорости и крайне ограниченном расстоянии. Интернет идеально подходит для приложений, где локальные коммуникации способны выдерживать высокие нагрузки при высоких скоростях в пиках. Интернет и ІЕЕЕ 802.3 указывают аналогичные технологии. Оба являются СЅMA/CD LANs. Станции на CSMA/CD LAN могут получить доступ к сети в любое время.
Перед отправкой данных станции СЅMA/CD "прослушивают" сеть с целью определения используется ли она уже. В случае, когда сеть используется, станция, желающая пере дать информацию, ждет. Если сеть свободна, станция передает. В случае, когда две станции прослушивают сетевой трафик, "не слышат" ни одной и передают одновременно, то неминуемо происходит. В данном случае обе передачи повреждены, и станции должны ретранслировать через определенный период времени. Алгоритмы обратного отсчета определяют время ретрансляции сталкивающихся станций. Станции СЅМА/CD могут обнаруживать столкновения, поэтому они знают, когда они должны ретранслировать.
Как Интернет, так и IEEE 802.3 LANs являются широковещательными сетями. Станции видят все кадры, вне зависимости от того, представляют ли они предназначение. Каждая станция должна проверить полученные кадры, для определения, является ли она пунктом назначения. Если является, кадр передается на более высокий уровень протокола для соответствующей обработки.
Интернет и ІЕЕЕ 802.3 LANs имеют достаточно тонкие различия. ІЕЕЕ 802.3 определяет физический уровень (уровень 1) и часть доступа к каналу уровня связи (уровень 2), не определяет протокол управления логической связью, а Ethernet предоставляет услуги, соответствующие уровням 1 и 2 эталонной модели OSI. Как Интернет, так и ІЕЕЕ 802.3 реализованы в аппаратном обеспечении. Как правило, физическим проявлением этих протоколов является либо интерфейсная карта в главном компьютере, либо схема на основной плате в главном компьютере. Постоянно возрастает объем передаваемого между узлами сети трафика, и некоторый момент вычислительная сеть перестает справляться с нагрузками. Это заставляет узлы снизить скорость передачи информации в сеть. Так, процессы, требующие поступления новых данных простаивают в ожидании.
В то время, как Ethernet определяет только один физический уровень, ІЕЕЕ 802.3 определяет их несколько. Любому протоколу физического уровня IEEE 802.3 присвоено имя, зашифровывающие его характеристики. Ethernet наиболее похож на ІЕЕЕ 802.3 10Base5. Эти протоколы определяют сеть топологии шины с соединительным кабелем между конечными станциями и фактическим сетевым носителем. В случае Ethernet, этот кабель называется кабелем приемопередатчика. Кабель приемопередатчика подключается к устройству приемопередатчика, который в свою очередь подключен к физическому сетевому носителю. Конфигурация ІЕЕЕ 802.3 во многом одинакова, за исключением того, что соединительный кабель называется интерфейсом блока крепления (AUI), а трансивер называется средним блоком крепления (MAU). В обоих случаях соединительный кабель присоединяется к интерфейсной плате (или интерфейсной схеме) в конечной станции.
Кадры ІЕЕЕ 802.3 и Ethernet начинаются с чередующегося шаблона единиц и нулей, имеющей название «преамбула». Преамбула сообщает принимающим станциям, что кадр приближается.
Байт перед адресом назначения как в кадре IEEE 802.3, так и Ethernet является разделителем начала кадра (SOF). Этот байт заканчивается двумя последовательными битами, которые служат для синхронизации частей приема кадров всех станций в локальной сети.
Сразу после преамбулы в Ethernet и IEEE 802.3 LANs находятся поля адреса назначения и адреса источника. Адреса ІЕЕЕ 802.3 и Ethernet имеют одинаковую длину -6 байт. Адреса содержатся в аппаратных средствах на интерфейсных картах Ethernet и IEEE 802.3. Первая половина байтов адресов задаются ІEEE в зависимости от поставщика, в то время как последние задаются поставщиком Ethernet или ЕЕЕ 802.3. Исходный адрес всегда является адресом одноадресной рассылки (один узел), а адрес назначения может быть одноадресной, многоадресной рассылки (группа) или широковещательной рассылки (все узлы).
В кадрах Ethernet 2-байтовое поле, следующее за адресом источника, является полем типа. В этом поле указывается протокол верхнего уровня для получения данных после завершения обработки Ethernet.
2-байтовое поле в IEEE 802.3 frames, следующее за адресом источника, является полем длины. Оно указывает количество байтов данных, последующих за этим полем и предшествующих полю последовательности проверки кадров (FCS).
После поля тип/длина приведены фактические данные, содержащиеся в кадре. Закончив обработку физического уровня и уровня связи, эти данные будут отправлены в протокол верхнего уровня. Протокол верхнего уровня для Ethernet идентифицируется в поле Тип. В случае ІЕЕЕ 802.3 протокол верхнего уровня определяется в части данных кадра. В случае, когда данных недостаточно, чтобы заполнить кадр к минимуму 64 байт размер, байт обивка вставляются с целью обеспечения не менее 64 байт кадра.
После поля данных находится 4-байтовое поле FCS, содержащее показатель циклической проверки избыточности (CRC). CRC создается отправляющим устройством и пересчитывается принимающим устройством для проверки повреждения, которое могло произойти с кадром в пути.
В целях борьбы с вышеназванной проблемой используется большое количество различных методов. Сегодня протоколы ІЕЕЕ 802.3 занимают ключевое место среди протоколов Локальных сетей (LAN – local-area network). IEEE 802.3 относят к локальным сетям типа CSMA/CD, а они, в свою очередь, имеют постоянный доступ к сети.
В состав локальной вычислительной сети входит конечное сетевое оборудование (серверы, ноутбуки и прочее). Сетевое оборудование будет соответствовать узлам первого типа, и промежуточное сетевое оборудование, которое будет соответствовать узлам второго типа, объединяя способы, осуществляемые на узлах первого типа в группу 1, а способы, осуществляемых на узлах второго типа в группу П. К первой группе относят способы SCТР и сжатие информации, ко второй группе – способы ЕСМР, OSPF и MLT.
При использовании элементов, представленных короткими кодами, для хранения данных требуется меньший объем памяти, чем в случае, когда все элементы представлялись кодами равной длины. Информация о распределении вероятностей элементов, генерируемых источником, дает возможность представить данные наиболее компактно. Существует два метода сжатия данных. К ним относятся следующие методы:
Суть словарного метода заключается из замены строк символов на коды. Декодирование производится обратной заменой индекса на соответствующую ему фразу словаря. К алгоритмам словарного сжатия относят LZ77 и LZ78. Первоначальные схемы подвергались множественным изменениям. В результате имеется десятки самостоятельных алгоритмов и большое количество модификаций. Словарь формируется адаптивно. Иногда даже говорят о словарных методах LZ1 и LZ2.
Модели контекстуального моделирования. Применение для сжатия данных моделей контекстного моделирования заключается в сжатии с помощью «универсальных кодирования и моделирования». Сжатие состоит из моделирования и кодирования. Для этого используется большое число компрессоров, использующих контекстное моделирование.
Повышения пропускной способности в вычислительных сетях можно достичь с использованием протокола ІЕЕЕ 802.3. При этом используется параллельная передача информации по нескольким каналам. Каждая электронно-вычислительная машина оснащается двумя или более портами, подключенными в простые управляемые или неуправляемые коммутаторы, тем самым создавая возможные пути прохождения информации.
В случае отказа любого из каналов или коммутатора, передаваемая по этому пути информация не теряется. Передаваемая информация распределяется между имеющимися каналами с учетом их взаимовлияния и имеющихся потоков. Распределяемая по нескольким путям информация выполняет специальный драйвер транспортного уровня. Он переопределяет интерфейс протокола IEEE 802.3 в ядре и этим позволяет всем приложениям, воспользоваться преимуществами параллельной передачи данных. Поддержка взаимодействия между электронно-вычислительной машиной и коммутационной аппаратурой или прочей аппаратурой. Установка соединения выполняется поэтапно.
K преимуществам протокола можно отнести:
Описание протокола Equal-Cost Multi-Path (ECMP) нашли в стандарте IETF RFC-2992. ЕСМР работает совместно с протоколами маршрутизации – RIP и OSPF, и дает возможность установить несколько равноценных маршрутов для передачи данных. Маршрут проходит как между двумя непосредственно подключенными друг к другу маршрутизаторами или коммутаторами, так и через несколько устройств в сети. ІЕЕЕ 802.3 данных через несколько сетевых соединений.
Отказ системы приводит к автоматическому переключению с неработающего маршрута на работающий. Происходит это за долю секунды.
Преимущества протокола:
Недостатки:
Описанные стандартные модели IEEE 802.3 MLT соединения предоставляют собой удобный и эффективный метод распределения нагрузки между несколькими физическими соединениями. Проблемой при использовании IEEE 802.3/MLТ, требующим решения, является то, что все каналы внутри одного MLT соединения должны завершаться на одном коммутаторе или стеке коммутаторов. При необходимости обеспечения подключения удаленных коммутаторов к двум центральным, что является важным для обеспечения надежности сети в 99,999 процентов.
Можно выделить три основных способа такого подключения.
Третий способ является самым оптимальным, так как значительно превосходит STP и RSTP. SMLT дает возможность каналам MLT заканчиваться на разных коммутаторах, обеспечивая одновременно распределение нагрузки и восстановление после отказа за доли секунды. Тогда как STP и RЅТР являются сложными в настройке и занимают большого времени для восстановления сети.
Можно сделать вывод, что современные технологии позволяют вывести качество управления любой компанией на новый уровень. Использование инновационных инструментов по имитационному моделированию позволяет проводить множество экспериментов над процессами в проекте или компании без угрозы для ее существования.
Привлечение внешних экспертов в области бизнес- и имитационного моделирования позволяет оценить реальную ситуацию в компании, проанализировать внутреннюю бизнес-систему и провести оптимизацию, которая неизбежно приведет к максимизации ценности компании, росту ее прибыли и улучшению ключевых финансовых показателей. Руководство компании получает эффективное средство для управления издержками, продолжительностью внутренних процессов и количеством/качеством получаемой продукции, товара или услуг.
Проблемы недостатка пропускной способности возможно решить при помощи:
1. Федеральная служба государственной статистики // [Электронный ресурс] http://bashstat.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_ts/bashstat/ru/statistics
2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2013. 960 с.
3. Джанадран Р. Сквозная параллельная многолучевая передача. Университет Делавер, 2016. 123 с.
4. У. Ричард Стивенс. Протоколы ТСР/ІР Практическое руководство: Пер. с англ. Санкт-Петербург, 2013. 671 с.
5. Альберто Леон-Гарсиа и Индра Виджажа. Коммуникационные Сети. Макгроу-Хилл, 2014. 889 с.