Суть имитационного моделирования

Имитационное моделирование -- это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью с достаточной точностью описывающей реальную систему, и с ней проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе.

К имитационному моделированию прибегают, когда:

дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;

невозможно построить аналитическую модель, так как в системе есть время, причинные связи, последствия, нелинейности, стохастические (случайны) переменные;

необходимо сымитировать поведение системы во времени.

Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны.

Преимущество над другими видами моделирования

Применение имитационных моделей дает множество преимуществ по сравнению с выполнением экспериментов над реальной системой и использованием других методов.

Стоимость. Построение сети требует значительных затрат, моделирование же включает только стоимость соответствующего программного пакета

Время. В реальности оценить эффективность, например, новой сети займет годы, а если учесть скорость развития телекоммуникационных систем, то изначально надо предвидеть возможность изменения и оптимизации. Имитационная модель позволяет определить оптимальность изменений считанные минуты, необходимые для проведения эксперимента.

Повторяемость. Современная жизнь требует от предприятий и операторов связи быстрой реакции на развитие технологий. С помощью имитационной модели можно провести неограниченное количество экспериментов с разными параметрами, чтобы определить наилучший вариант.

Точность. Традиционные расчетные математические методы требуют применения высокой степени абстракции и не учитывают важные детали. Имитационное моделирование позволяет описать структуру системы и её процессы в естественном виде, не прибегая к использованию формул и строгих математических зависимостей.

Наглядность. Имитационная модель обладает возможностями визуализации процесса работы системы во времён, схематичного задания её структуры и выдачи результатов в графическом виде. Это позволяет наглядно представить полученное решение и донести заложенные него идеи до клиента и коллег.

Универсальность. Имитационное моделирование позволяет решать задачи из любых областей. В каждом случае модель имитирует, воспроизводит, реальную жизнь и позволяет проводить широкий набор экспериментов без влияния на реальные объекты.

При проектировании имитационное моделирование может быть применено как с целью выбора проектного решения, так и с целью проверки выбранного проектного решения. При выборе проектного решения составляют план имитационных экспериментов, в котором входом модели являются различные проектные решения, а выходом -- показатели работы объекта моделирования, соответствующие техническому заданию.

7. Обзор средств имитационного моделирования

BONeS (фирма Systems and Networks) -- графическая система моделирования общего назначения для анализа архитектуры систем, сетей и протоколов. Описывает модели на транспортном уровне и на уровне приложений. Дает возможность анализа воздействия приложений типа клиент -- сервер и новых технологий на работу сети.

Netmaker (фирма OPNET Technologies) -- проектирование топологии, средства планирования и анализа сетей широкого класса. Состоит из различных модулей для расчета, анализа, проектирования, визуализации, планирования и анализа результате

Optimal Perfomance (фирма Compuware; Optimal Networks) -- имеет возможности быстрого оценочного и точного моделирования, помогает оптимизировать распределенное программное обеспечение.

Prophesy (компания Abstraction Software) -- простая система для моделирования локальных и глобальных сетей. Позволяет оценить время реакции компьютера на запрос, количество хитов на WWW-сервере, количество рабочих станций для обслуживания активного оборудования, запас производительности сети при поломке определенного оборудования.

Семейство CANE (компания ImageNet) -- проектирование и реинжиниринг вычислительной системы, оценка различных вариантов, сценарии что, если моделирование на различных уровнях модели OSI. Развитая библиотека устройств, которая включает физические, электрические, температурные и другие характеристики объектов. Возможно создание своих библиотек.

Семейство OPNET (фирма OPNET Technologies) -- средство для проектирования и моделирования локальных и глобальных сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем. Возможность импорта и экспорта данных о топологии и сетевом трафике. Анализ воздействия приложений типа клиент -- сервер и новых технологий на работу сети. Моделирование иерархических сетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации. Объектно-ориентированный подход. Исчерпывающая библиотека протоколов и объектов. Включает следующие продукты: Netbiz (проектирование и оптимизация вычислительной системы), Modeler (моделирование и анализ производительности сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем), IT Guru (оценка производительности коммуникационных сетей и распределенных систем).

В данной работе используется пакет OPNET IT Guru Edition. Выбор обусловлен, прежде всего, тем, что данный пакет находится в свободном распространении, так как был разработан специально для академического использования. Кроме того, он является промышленным мощным моделированием сетей и анализ инструментов.

OPNET IT GURU позволяет:

создать виртуальную сеть, состоящую из соответствующих аппаратных средств, протоколов, а также прикладное программное обеспечение;

представляет собой чисто программный интерфейс, который может работать на индивидуальном рабочем месте;

 позволяет изучить и собрать полезную статистику о виртуальной сети, построенной с его помощью;

создавать виртуальной сети в области программного обеспечения, а также предоставляет инструменты для динамически сбора сведений о сети.

Описание технологии, используемых при построении мультисервисной сети

Удачный выбор принципа построения и направления развития сети может существенно повлиять на долгосрочную перспективу деятельности любого современного предприятия. Именно этим объясняется повышенный интерес к технологиям построения универсальных мультисервисных систем, которые способны обеспечить предоставление или получение всего комплекса информационных услуг.

Если рассматривать современные тенденции построение сетей магистрального уровня, то лидирующие позиции занимает технология MPLS, обогнав ATM и SDH.

Главное достоинство MPLS -- это многовариантность использования, а с точки зрения сегодняшней ситуации с предоставлением услуг, операторам очень интересны подобные возможности.

Рассмотрим основы функционирования технологии.

Основное отличие этой технологи уже давно стало общеизвестно -- IP-маршрутизаторы анализирует заголовок каждого пакета, чтобы выбрать направление для его пересылки к следующему маршрутизатору, в технологии MPLS заголовок анализируется только один раз на входе в сеть MPLS, после чего устанавливается соответствие между пакетом и потоком.

Рисунок 1. -- Пример построения сети MPLS

Принцип коммутации MPLS основывается на обмене меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня FEC (Forwarding Equivalence Class), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые называются также маршрутизаторами, коммутирующими по меткам LSR (Label Switching Router). На рисунке 1 показан принцип коммутации, где пограничный маршрутизатор LSR1 --входной, а LSR4 -- выходной маршрутизатор. Последовательность маршрутизаторов (LSR1,..., LSR4), через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный тракт LSP, коммутируемый по меткам, LSP (Label Switching Path). [7]

Входной LER анализирует заголовок пришедшего извне пакета, устанавливает, какому FEC он принадлежит, снабжает этот пакет меткой, которая присвоена данному FEC, и пересылает пакет к соответствующему LSR. Далее, пройдя в общем случае через несколько LSR, пакет попадает к выходному LER, который удаляет из пакета метку, анализирует заголовок пакета и направляет его к адресату, находящемуся вне MPLS-сети. Последовательность (LERвх, LSR1, ... , LSRn, LERвых) маршрутизаторов, через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный коммутируемый по меткам тракт LSP (Label Switched Path). Так как один и тот же LER для одних потоков является входным, а для других -- выходным, в сети, содержащей N LER, в простейшем случае может существовать N(N-1) FEC и, соответственно, N(N-1) LSP.

Рисунок 2. -- Принцип коммутации по меткам

(Анимация: объем --41,1 KБ; размер -- 660х190; количество кадров -- 15; задержка между кадрами --20 мс; задержка между последним и первым кадрами --20 мс; количество циклов повторения -- бесконечное)

Гарантированное качество обслуживания

В MPLS-сетях на базе меток удобно реализуется передача с гарантией качества сервиса сети (QoS). Внутри MPLS-домена передача различных потоков данных абсолютно безопасна благодаря их четкому логическому разделению. Для увеличения надежности в технологии MPLS реализованы функции Fast Reroute и LSP Protection, которые позволяют заранее создать дублирующие маршруты коммутации и в случае выхода из строя основного пути перейти на резервный маршрут без потери передаваемых данных. [8]

Внедрение и обслуживание сетей MPLS более унифицировано и упрощено по сравнению с обычными IP-сетями благодаря использованию протоколов LDP и RSVP. Первый из них предназначен для автоматического прокладывания новых путей в MPLS-домене. [3] Протокол RSVP позволяет управлять распределением пропускной способности между виртуальными каналами в сети, обеспечивая гарантированный требуемый уровень качества обслуживания.

Моделирование сети MPLS в OPNET

Собрана модель в среде моделирования, показано на рисунке 3.

Рисунок 3. -- Топология сети

Для данной сети были произведены настройки оборудования и трафика сети, кроме того настроены модули LSR, сконфигурированы параметры FEC, создано два профиля пользователей для отслеживания мультисервисности сети. Полученные результаты представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. -- Результаты моделирования

Анализ результатов моделирования

На графике показана утилизации канала, разными цветами обозначена утилизация канала между разными модулями. Как видно, утилизация между Node_0 и Node_3 в момент времени 2,000 сек возрос практически в два раза, это свидетельствует о подключении второго абонент.

Направление дальнейшей разработки:

Создание методики моделирования проектирования мультисервисных сетей для различных вариантов построение сети, выполнение методических указаний по лабораторным работам в среде моделирования OPNET для студентов специальности телекоммуникационные системы и сети.

Вывод

В ходе работы были рассмотрены основные проблемы проектирования мультисервисных сетей связи, выбраны средства имитационного моделирования, произведен обзор программных продуктов и методов моделирования, на основании анализа в качестве пакета, в котором будут производиться дальнейшие исследования, выбран OPNET IT Guru Edition. Рассмотрен пример реализации мультисервисной сети на базе технологии MPLS в данном пакете.