Моделирование компьютерной сети

Моделирование компьютерной сети является средством системного анализа и должно базироваться на системном подходе.

Основные положения системного анализа

Современная методология исследований рассматривает любой объект как систему. Под системой будем понимать определенное во времени и пространстве множество элементов с известными свойствами и упорядоченными связями между элементами, ориентированными на выполнение главной задачи данного множества.

С системой связан целый ряд понятий, таких как целостность, сложность, структура, цель, подсистема, элемент, свойства, связь, состояние, внешняя среда.

Целостность устанавливает, что познание системы достигается через единство изучения всех ее элементов и поэтому система ни коем случае не должна рассматриваться как их простая сумма. Вместе с тем при анализе систем допускается самостоятельное изучение ее отдельных частей (декомпозиция) при условии их функциональной независимости.

Сложность предписывает учитывать при изучении системы влияние на нее как внешней среды, так и внутренних факторов.

Структура отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами системы, которые обеспечивают существование системы и ее основные свойства и мало меняются от происходящих в системе изменений. Структура системы зависит от глубины отображения объекта, от цели созданий системы, и одна и та же система может быть представлена несколькими структурами.

Цель – желаемое состояние системы. Оценка степени достижения системой поставленной цели производится через критерии цели, которые определяют соответствие состояния системы поставленной цели.

Подсистема – это относительно независимая часть системы, включающая совокупность взаимосвязанных элементов.

Элемент представляет собой условно неделимую часть системы. Степень детализации системы через подсистемы и элементы определяется целями исследования. Подсистема и элемент могут выполнять собственные цели и задачи, однако их функционирование всегда направлено на выполнение главной цели (задачи) системы.

Теоретические основы моделирования лвс

Основное требование к ЛВС – это обеспечение всем пользователям доступа к разделяемым ресурсам сети с заданным качеством обслуживания (QoS – Quality of Service). Одним из основных критериев качества обслуживания является производительность . В качестве показателей производительности используются время реакции, пропускная способность и задержка передачи. Время реакции – это интервал времени между возникновением запроса пользователя к сетевой службе и получением ответа. Время реакции зависит от загруженности сегментов среды передачи и активного сетевого оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов, серверов). Пропускная способность – это объем данных, передаваемых в единицу времени (бит/с, пакетов/с). Пропускная способность составного пути в сети определяется самым медленным элементом (как правило, это маршрутизатор). Задержка передачи – это интервал времени между моментом поступления пакета на вход сетевого устройства и моментом появления его на выходе устройства.

Для оптимизации производительности ЛВС используют методы и средства измерения, анализа и моделирования. Клиент-серверная архитектура и распределенная обработка данных в ЛВС усложняют задачи моделирования.

Аналитическое моделирование ЛВС основано на использовании моделей систем массового обслуживания (СМО) и, как правило, связано со значительными упрощениями. Тем не менее результаты аналитического исследования могут быть очень ценными, даже если они не учитывают всех деталей реальной ЛВС. Такие модели позволяют достаточно быстро получить приближенную инженерную оценку влияния характеристик оборудования и программного обеспечения на показатели производительности ЛВС.

Модель ЛВС строится из отдельных блоков, каждый из которых представляет один узел или канал передачи ЛВС. Блок состоит из буферного накопителя пакетов и обслуживающего элемента (рис.1). На вход блока поступает поток пакетов, характеризуемый функцией распределения интервалов времени между моментами поступления пакетов A (t ). Интенсивность  входного потока пакетов – это среднее число пакетов, поступающих на вход блока в единицу времени. Обратная величина 1/ – это среднее значение интервала между моментами поступления пакетов, которое о пределяется интегралом

И
нтенсивность обслуживания блока – это  среднее число обрабатываемых пакетов в единицу времени. Обратная величина 1/ – это среднее значение длительности обслуживания пакета, которое определяется интегралом

где B (t ) – функция распределения длительности обслуживания. Отношение  =  /  называется коэффициентом загрузки блока . Реальный блок имеет буфер ограниченной емкости r (см. рис.2,б). Идеализированный модуль может иметь неограниченный по емкости буфер (см. рис.2,а).

Блок M / M /1. Рассмотрим самую простую модель типа M /M /1 (один обслуживающий элемент, неограниченная емкость буфера, экспоненциальные законы распределения интервалов времени между моментами поступления пакетов и времени обслуживания, дисциплина обслуживания FIFO) для блока, изображенного на рис.1,а. В этом случае A (t )=1– e –  t , B (t )=1–e –  t , среднее время задержки пакета в блоке

Среднее время ожидания в очереди W = T – (1/), а среднее число пакетов в очереди L W = L – .

Б
лок M / G /1. Эта модель отличается от модели типа M /M /1 только тем, что распределение времени обслуживания B (t ) может быть произвольном. Рассмотрим случай, когда распределение B (t ) задается для блока двумя параметрами: интенсивностью обслуживания  и дисперсией времени обслуживания

Тогда среднее время нахождения пакета в очереди W = (1 + v 2) W П, где W П = (/2)(1–) –1 – время нахождения пакета в очереди при постоянной длительности обслуживания; v 2 =  2 D – квадрат коэффициента вариации времени обслуживания. Для постоянного времени обслуживания v =0, а для экспоненциального распределения времени обслуживания v =1. Для модели M /G /1 оценка времени пребывания пакета в блоке T = W + (1/), длины очереди в буфере L W =W и общего числа пакетов в блоке L = L W + .

Блоки M / M /1/ r и M / G /1/ r. Модель типа M /G /1/r для блока, изображенного на рис.1,б, отличается от модели M /G /1 тем, что емкость буфера ограничена величиной r (предполагается, что обрабатываемый пакет находится также в буфере). Эта модель характеризуется вероятностью потери пакета (отказа в обслуживании)

где (r , )=2r /(1+ 2), причем   коэффициент вариации. Абсолютная пропускная способность блока M /G /1/r

 АБС = (1– P ОТК).

При  = 1 формула дает точное значение P ОТК для экспоненциального распределения B (t ), т.е. для блоков M /M /1/r.

Сеть блоков M / M /1. Модель ЛВС можно представить в виде сети блоков (сети массового обслуживания – СеМО ), причем многие блоки содержат буферы. Простые аналитические формулы можно получить для открытой сети блоков M /M /1, пример которой представлен на рис.2.

В этой сети, состоящей из трех блоков, три входных потока пакетов, имеющих интенсивности  1 ,  2 и  3 соответственно. Требуется оценить среднюю задержку пакетов для каждого потока. Очереди в этой сети можно рассматривать по отдельности , причем число пакетов в блоке j =1…3 оценивается по формуле (1), а именно

L j =  j / ( j –  j ).

Интенсивность  j потока на входе каждого блока равна сумме интенсивностей элементарных потоков, поступающих на блок в соответствии с рис.3:

 1 =  1 +  2 ,  2 =  1 +  2 +  3 ,  3 =  2 +  3 .

Можно показать , что средняя задержка пакета в сети

де n – число блоков в системе;  – сумма интенсивностей всех потоков, входящих в систему. Для отдельного потока i средняя задержка пакета в сети

,

где J i – подмножество блоков, участвующих в обработке потока i . В рассматриваемом примере J 1 ={1, 2, 3}, J 2 ={1, 2} и J 3 ={2, 3}.

Формула (4) верна при следующих предположениях.

 Закон распределения интервалов времени между моментами поступления пакетов A (t ) для отдельных потоков экспоненциальный, причем потоки являются независимыми процессами. Это предположение может быть выполнено на практике.

 Закон распределения времени обслуживания B (t ) также экспоненциальный, причем процессы обслуживания в каждой очереди независимы. Это предположение не может быть выполнено, поскольку время обслуживания пакета пропорционально его длине, и, следовательно, нельзя говорить о независимости времен обслуживания в очередях.

Однако моделирование показывает , что применение формулы (4) дает приемлемую оценку средней задержки пакета в сети.

Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение реальной ЛВС. Имеется много программных средств для имитационного моделирования компьютерных сетей (GPSS, COMNET III фирмы Caci Products Co., BONeS Designer фирмы Cadence Inc., OPNET фирмы Modeler Mil3 Inc., ns2 и др.).

Литература

Анкудинов Г.И., Стрижаченко А.И. Сети ЭВМ и телекоммуникации (архитектура и протоколы): Учеб.пособие. – 2-е изд. СПб.: СЗТУ, 2003. 72с.

Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2002. – 672 с.

Компьютерные сети: Учебный курс / Пер. с англ.– М.: ТОО «Channel Trading Ltd», 1997.– 696 с.

Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания. – Л.: Машиностроение, 1990. – 332 с.

Англо-русский словарь по сетям и сетевым технологиям / Сост. С.Б.Орлов. – М.: «Солон», 1997. – 301 с.

Кульгин М. Технологии корпоративных сетей: Энциклопедия. – СПб.: Изд-во «Питер», 2000. – 704 с.

Гук М. Аппаратные средства локальных сетей: Энциклопедия.– СПб.: Изд-во «Питер», 2000. – 576 с.

Ногл М. TCP/IP: Учебник.- М.: ДМК Пресс, 2001. 480 с.

Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование. М.: Изд-во ЭКОМ, 2000. 312 с.

Уолрэнд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети: Вводный курс/ Пер. с англ.- М.: Постмаркет, 2001. 480 с.

Томашевский В., Жданова Е. Имитационное моделирование в среде GPSS.- М.: Бестселлер, 2003.- 416 с.

Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 1985.- 271 с.

Петухов О.А. Модели систем массового обслуживанияю: Учеб. пособие.- Л.: СЗПИ, 1989.- 86 с.

Примеры использования имитационного

моделирования

Обеспечение точности и достоверности

результатов моделирования

Число испытаний N определяет точность результатов моделирования. Пусть необходимо определить точность оценки параметраx случайной величины x. Вероятность

P(a –x < ) = ,

где a – точное значение параметра, называется достоверностью оценки , а величина  – абсолютной точностью оценки .

Величина  0 =  / a называется относительной точностью оценки . Тогда достоверность оценки

P(a –x  / a <  0) = .

Число реализаций для оценки среднего значения случайной величины

Для оценки среднего значения используем формулу


.

В соответствии с центральной предельной теоремой при больших N величинаx распределена по нормальному закону с математическим ожиданием a и дисперсией  2 /( N – 1). Тогда

и требуемое число реализаций

.

Величина t  берется для заданной достоверности  из таблицы нормального распределения.

Поскольку дисперсия оцениваемой величины неизвестна, необходимо провести 50-100 предварительных испытаний и оценить величину .

Для дисперсии  2 точность оценки
, где  4 – центральный момент четвертого порядка случайной величины x. Для нормального распределения  4 =3 4 .

Пример 1.

Дано:

структурная схема вычислительной системы (обеспечивающая часть локальной информационной технологии);

пакетный режим работы вычислительной системы;

интенсивность входного потока заданий  = 0.2 (экспон. распределение);

время решения задания в вычислительной системе не должно превышать

T доп = 30 с для 90 % заданий;

математическая модель вычислительной системы в виде однопотоковой однолинейной системы массового обслуживания типа M/M/1/  (рис. 1).

Н айти:

значение параметра – среднюю интенсивность обслуживания заявок в приборе , при которой время пребывания любой заявки в СМО t не будет превышать заданной величины (30 с) для 90 % заявок:

Р{ t 30} = 0.9

по найденному  вычислить системные характеристики СМО;

по найденному  определить подходящий тип вычислительной системы и ее показатели производительности, обеспечивающие требуемое время решения задачи.

Ограничения:

Решение:

Уравнение (1) определяет значение функции распределения вероятностей (ФРВ) случайной величины t в точке 28.5, равное 0.9. Для системы M/M/1/  (и только для нее) известно аналитическое выражение ФРВ t. Тогда для отыскания неизвестных  и  можно составить систему нелинейных уравнений:

Решение нелинейной системы уравнений (2):

-( – )30 = ln 0.1,

 = - ln 0.1/30+0.2 = 0.276753,

 = / = 0.2 / 0.276753 = 0.722.

Выберем  = /0.7 = 0.2/0.7 = 0.285714.

Тогда расчетные значения среднего времени задержки пакета в СМО:

T = 1/ ( – ) = 11.67 с.

Среднее число транзактов в СМО:

L =  / ( – ) = 2.334.

Среднее число транзактов в очереди:

L W = L –  = 2.334 – 0.722 = 1.612.

Для выбора подходящей вычислительной системы (сервера) зададим параметры пакета программ для обработки. Пусть любой пакет содержит 100 программ по 10000 операторов каждая. Тогда общий объем пакета в операторах составит Q=10 6 операций. При этом требуемая производительность вычислительной системы (сервера) будет равна V=Q=10 6 0.285714 300 тыс. оп./с. Для определения подходящей вычислительной системы (сервера) воспользуемся данными таблицы 1.

Таблица 1. Производительность процессоров фирмы INTEL

Тип процессора	Тактовая частота, МГц	Производительность, млн. оп./с

Из перечня процессоров заданным требованиям удовлетворяет младшая модель процессора - 8086.

Полученные по математическим моделям результаты не всегда адекватно отражают реальную работу вычислительной системы заданной структуры, так как расчетные аналитические формулы выведены и верны лишь при упрощающих допущениях (или предположениях) относительно структуры, распределениях потоков и обслуживания и других. Альтернативным подходом к решению поставленной задачи является непосредственная имитация на ПЭВМ (имитационное моделирование) процесса выполнения пакета в вычислительной системе заданной структуры с использованием системы моделирования GPSS.

EXPON FUNCTION RN1,C24

TABLA TABLE M1,0,3500000,15

GENERATE 5000000,FN$EXPON 1/ =1/ 0.2= 5.0

* 1 единица модедьного времени = 1 мкс

ADVANCE 3500000,FN$EXPON 1/ =3.5 с

Результаты моделирования (см. листинг 1) сведены в табл.2.

Таблица 2

(устройство)	Параметр	Значение	Интерпретация
	(коэффициент загрузки)
	AVERAGE TIME/XACT (среднее время обслуживания на транзакт)		T S = 1/  =
(очередь)	AVERAGE CONTENTS (средняя длина)		L W = 1.634
	MAXIMUM CONTENTS (макс. длина)		L W макс =29
	AVERAGE TIME/UNIT (среднее время ожидания)		W =8.261344 с
(табличные данные для полного времени в СМО)	(среднее время в СМО на 1 транзакт)		T = 11.759 с
	STANDARD DEVIATION (среднеквадратическое отклонение времени в СМО на 1 транзакт)

Результаты моделирования хорошо совпадают с расчетными значениями.

Пример 2.

Рассмотрим решение задачи для диалогового режима работы локальной вычислительной системы.

Дано:

режим работы - диалоговый;

время реакции диалогового абонента (время обдумывания) 1/=10с;

время решения задания (время ответа на запрос с терминала) не должно превышать T d доп =1 с для 90 % заданий;

число пользователей n =20;

математическая модель вычислительной системы в виде замкнутой сети массового обслуживания (рис. 2).

Р ис. 2

В этой модели постоянно циркулируют n заявок (транзактов).

Найти:

значение параметров сети массового обслуживания  , при которых

t  T d доп 1 c для 90 % диалоговых заявок, т.е.

P{ t  1 c } = 0.9 ;

по найденным  и  вычислить системные и сетевые характеристики СеМО;

определить подходящий тип вычислительной системы и ее показатели производительности, обеспечивающие требуемое время ответа на запрос с терминала.

Ограничения:

Решение:

Для решения задачи используется приближенный метод, основанный на декомпозиции вычислительной системы на подсистему обработки и терминальную подсистему (и их “независимом” рассмотрении) с последующим балансом потоков в этих подсистемах. Тогда для отыскания неизвестных  можно составить систему уравнений:

1 – e - ( – ) Td доп =P

Из первого уравнения

Для P = 0.9, T d доп = 1 с, 1/=10с, n =20 получаем:

 = 20 / (10 – 1 / ln (1–0.9)) = 2.09080,

 =  - ln(1–P ) / T d доп = 2.09080 – ln (1–0.9) / 1 = 4.39339,

 =  /  = 0.475897 – коэффициент загрузки.

Расчет можно несколько упростить, если учесть, что T d доп  T d /2 (для P = 0.9), где T d =1/( – ) - среднее время ответа. Тогда T d  2T d доп и

.  20/(10-2*1) = 2.5.

Программа моделирования на языке GPSS/H (студенческая версия).

SPACE STORAGE 20

EXPON FUNCTION RN1,C24

0,0/.1,.104/.2,.222/.3,.355/.4,.509/.5,.69/.6,.915/

7,1.2/.75,1.38/.8,1.6/.84,1.85/.88,2.12/.9,2.3/

92,2.52/.94,2.81/.95,2.99/.96,3.2/.97,3.5/.98,3.9/

99,4.6/.995,5.3/.998,6.2/.999,7/.9998,8

QTIME QTABLE QU1,0,200,20

SYS0 ENTER SPACE

ADVANCE 10000000,FN$EXPON

ADVANCE 250000,FN$EXPON

TEST E X6,0,SYS0

Результаты моделирования для 4 значений  сведены в табл.3 (см. листинг 2 для  = 4 ).

Таблица 3

	Результаты моделирования					T S + T w [с]
		T S [с]	L W	L W МАКС	T w [с]

В этой таблице

T S – среднее время обработки запроса;

L W – среднее длина очереди;

L W МАКС – максимальная длина очереди;

T w – среднее время ожидания запроса в очереди;

T S + T w – среднее время ответа.

Для выбора подходящей вычислительной системы (сервера) следует выбрать вариант с

 = 4 или 5 .

Пример 3.

Рассмотрим решение задачи для смешанного режима работы локальной вычислительной системы, когда для одной группы абонентов модель вычислительной системы представляется замкнутой диалоговой СеМО (сети СМО), а для другой группы - разомкнутой СеМО.

Модель и моделирование – это универсальные понятия, атрибуты одного из наиболее мощных методов познания в любой профессиональной области, познания объекта, процесса, явления (через модели и моделирование).

Модели и моделирование объединяют специалистов различных областей, работающих над решением межпредметных проблем, независимо от того, где эта модель и результаты моделирования будут применены.

Модель – это некоторое представление или описание оригинала (объекта, процесса, явления), которое при определенных предложениях, гипотезах о поведении оригинала позволяет замещать оригинал для его лучшего изучения, исследования, описания его свойств.

Пример. Рассматривая физическое тело, брошенное с высоты h и падающее свободно в течение t времени, можно записать соотношение: h = gt 2 /2 . Это физико-математическая модель системы (математическая модель физической системы) пути при свободном падении тела. При построении этой модели приняты следующие гипотезы:

1. падение происходит в вакууме (то есть коэффициент сопротивления воздуха равен нулю);

2. ветра нет;

3. масса тела неизменна;

4. тело движется с одинаковым постоянным ускорением g в любой точке.

Слово "модель" (лат. modelium) означает "мера", "способ", "сходство с какой-то вещью".

Проблема моделирования состоит из трех взаимосвязанных задач: построение новой (адаптация известной) модели; исследование модели (разработка метода исследования или адаптация, применение известного); использование (на практике или теоретически) модели.

Схема построения модели М системы S с входными сигналами X и выходными сигналами Y изображена на рис. 30.

Рисунок 30– Схема построения модели

Если на вход М поступают сигналы из X и на входе появляются сигналы из Y , то задан закон, правило f функционирования модели, системы.

Классификацию моделей проводят по различным критериям.

Модель – статическая, если среди параметров описания модели нет (явно) временного параметра.

Модель – динамическая, если среди параметров модели явно выделен временной параметр.

Модель – дискретная, если описывает поведение оригинала лишь дискретно, например, в дискретные моменты времени (для динамической модели).

Модель – непрерывная, если описывает поведение оригинала на всем промежутке времени.

Модель – детерминированная, если для каждой допустимой совокупности входных параметров она позволяет определять однозначно набор выходных параметров; в противном случае – модель недетерминированная, стохастическая (вероятностная).

Модель – функциональная, если представима системой функциональных соотношений (например, уравнений).

Модель – теоретико-множественная, если представима некоторыми множествами и отношениями их и их элементов.

Модель – логическая, если представима предикатами, логическими функциями и отношениями.

Модель – информационно-логическая , если она представима информацией о составных элементах, подмоделях, а также логическими отношениями между ними.

Модель – игровая, если она описывает, реализует некоторую игровую ситуацию между элементами (объектами и субъектами игры).

Модель – алгоритмическая, если она описана некоторым алгоритмом или комплексом алгоритмов, определяющим ее функционирование, развитие. Введение такого, на первый взгляд, непривычного типа моделей (действительно, кажется, что любая модель может быть представлена алгоритмом ее исследования), на наш взгляд, вполне обосновано, так как не все модели могут быть исследованы или реализованы алгоритмически.

Модель – графовая, если она представима графом (отношениями вершин и соединяющих их ребер) или графами и отношениями между ними.

Модель – иерархическая (древовидная), если она представима иерахической структурой (деревом).

Модель – языковая, лингвистическая, если она представлена некоторым лингвистическим объектом, формализованной языковой системой или структурой. Иногда такие модели называют вербальными, синтаксическими и т.п.

Модель – визуальная , если она позволяет визуализировать отношения и связи моделируемой системы, особенно в динамике.

Модель – натурная, если она есть материальная копия оригинала.

Модель – геометрическая, если она представима геометрическими образами и отношениями между ними.

Модель – имитационная, если она построена для испытания или изучения, проигрывания возможных путей развития и поведения объекта путем варьирования некоторых или всех параметров модели.

Есть и другие типы моделей.

Пример. Модель F = am – статическая модель движения тела по наклонной плоскости. Динамическая модель типа закона Ньютона: F (t ) = a (t )m (t ) или, еще более точно и лучше, F (t )=s ""(t )m (t ). Если рассматривать только t = 0.1, 0.2, …, 1 (с), то модель S t = gt 2 /2 или числовая последовательность S 0 = 0, S 1 = 0.01g /2, S 2 = 0.04g , …, S 10 = g /2 может служить дискретной моделью движения свободно падающего тела. Модель S = gt 2 /2, 0 < t < 10 непрерывна на промежутке времени (0;10).

Пусть модель экономической системы производства товаров двух видов 1 и 2, соответственно, в количестве x 1 и x 2 единиц и стоимостью каждой единицы товара a 1 и a 2 на предприятии описана в виде соотношения a 1 x 1 + a 2 x 2 = S , где S – общая стоимость произведенной предприятием всей продукции (вида 1 и 2). Можно ее использовать в качестве имитационной модели, определяя общую стоимость S в зависимости от тех или иных значений объемов производимых товаров. Приведенные выше физические модели – детерминированные.

Если в модели S = gt 2 /2, 0 < t < 10 мы учтем случайный параметр – порыв ветра с силой p при падении тела, например, просто так: S (p ) = g (p )t 2 /2, 0 < t < 10 , то мы получим стохастическую модель (уже не свободного!) падения. Это – также функциональная модель.

Для множества X = {Николай, Петр, Николаев, Петров, Елена, Екатерина, Михаил, Татьяна} опишем отношения Y : "Николай – супруг Елены", "Екатерина – супруга Петра", "Татьяна – дочь Николая и Елены", "Михаил – сын Петра и Екатерины". Тогда множества X и Y могут служить теоретико-множественной моделью двух семей.

Совокупность двух логических функций вида: , может служить логической моделью одноразрядного сумматора компьютера.

Пусть игрок 1 – добросовестный налоговый инспектор, а игрок 2 – недобросовестный налогоплательщик. Идет "игра" по уклонению от налогов (с одной стороны) и по выявлению сокрытия уплаты налогов (с другой стороны). Игроки выбирают натуральные числа i и j (), которые можно отождествить, соответственно, со штрафом игрока 2 за неуплату налогов при обнаружении факта неуплаты игроком 1 и с временной выгодой игрока 2 от сокрытия налогов. Каждый элемент этой матрицы A определяется по правилу a ij = |i – j | . Модель игры описывается этой матрицей и стратегией уклонения и поимки.

Алгоритмической моделью вычисления суммы бесконечного убывающего ряда чисел может служить алгоритм вычисления конечной суммы ряда до некоторой заданной степени точности.

Правила правописания – языковая, структурная модель. Глобус – натурная географическая модель земного шара. Макет дома является натурной геометрической моделью строящегося дома. Вписанный в окружность многоугольник дает визуальную геометрическую модель окружности на экране компьютера.

Тип модели зависит от связей и отношений его подсистем и элементов, окружения, а не от его физической природы.

Пример. Математические описания (модели) динамики эпидемии инфекционной болезни, радиоактивного распада, усвоения второго иностранного языка, выпуска изделий производственного предприятия и т.д. являются одинаковыми с точки зрения их описания, хотя процессы различны.

Основные свойства любой модели:

Целенаправленность;

Конечность;

Упрощенность;

Приблизительность;

Адекватность;

Информативность;

Полнота;

Замкнутость и др.

Жизненный цикл моделируемой системы:

Сбор информации;

Проектирование;

Построение;

Исследование;

Модификация.

Наука моделирования состоит в разделении процесса моделирования (системы, модели) на этапы (подсистемы, подмодели), детальном изучении каждого этапа, взаимоотношений, связей, отношений между ними и затем эффективного описания их с максимально возможной степенью формализации и адекватности.

Приведем примеры применения математического, компьютерного моделирования в различных областях:

Энергетика: управление ядерными реакторами, моделирование термоядерных процессов, прогнозирование энергетических процессов, управление энергоресурсами и т.д.;

Экономика: моделирование, прогнозирование экономических и социально-экономических процессов, межбанковские расчеты, автоматизация работ и т.д.;

Космонавтика: расчет траекторий и управления полетом космических аппаратов, моделирование конструкций летательных аппаратов, обработка спутниковой информации и т.д.;

Медицина: моделирование, прогнозирование эпидемий, инфекционных процессов, управление процессом лечения, диагностика болезней и выработка оптимальных стратегий лечения и т.д.;

Производство: управление техническими и технологическими процессами и системами, ресурсами (запасами), планирование, прогнозирование оптимальных процессов производства и т.д.;

Экология: моделирование загрязнения экологических систем, прогноз причинно-следственных связей в экологической системе, откликов системы на те или иные воздействия экологических факторов и т.д.;

Образование: моделирование междисциплинарных связей и систем, стратегий и тактик обучения и т.д.;

Военное дело: моделирование и прогнозирование военных конфликтов, боевых ситуаций, управления войсками, обеспечение армий и т.д.;

Политика: моделирование и прогнозирование политических ситуаций, поведения коалиций различного характера и т.д.;

Социология, общественные науки: моделирование и прогнозирование поведения социологических групп и процессов, общественного поведения и влияния, принятие решений и т.д.;

СМИ: моделирование и прогнозирование эффекта от воздействия тех или иных сообщений на группы людей, социальные слои и др.;

Туризм: моделирование и прогнозирование потока туристов, развития инфраструктуры туризма и др.;

Проектирование: моделирование, проектирование различных систем, разработка оптимальных проектов, автоматизация управления процессом проектирования и т.д.

Современное моделирование сложных процессов и явлений невозможно без компьютера, без компьютерного моделирования.

Компьютерное моделирование – основа представления (актуализации) знаний, как в компьютере, так и с помощью компьютера и с использованием любой информации, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ.

Разновидность компьютерного моделирования – вычислительный эксперимент, осуществляемый экспериментатором над исследуемой системой или процессом с помощью орудия эксперимента – компьютера, компьютерной технологии. Вычислительный эксперимент позволяет находить новые закономерности, проверять гипотезы, визуализировать события и т.д.

Компьютерное моделирование от начала и до завершения проходит следующие этапы.

1. Постановка задачи.

2. Предмодельный анализ.

3. Анализ задачи.

4. Исследование модели.

5. Программирование, проектирование программы.

6. Тестирование и отладка.

7. Оценка моделирования.

8. Документирование.

9. Сопровождение.

10. Использование (применение) модели.

Пример. Рассмотрим популяцию рыб, из которой в текущий момент времени изымается некоторое количество особей (идет лов рыбы). Динамика такой системы определяется моделью вида: x i + 1 = x i + аx i – kx i , х 0 = c , где k – коэффициент вылова (скорость изъятия особей). Стоимость одной пойманной рыбы равна b руб. Цель моделирования - прогноз прибыли при заданной квоте вылова. Для этой модели можно проводить имитационные вычислительные эксперименты и далее модифицировать модель, например следующим образом.

Эксперимент 1. Для заданных параметров a , c изменяя параметр k , определить его наибольшее значение, при котором популяция не вымирает.

Эксперимент 2. Для заданных параметров c , k изменяя параметр a , определить его наибольшее значение, при котором популяция вымирает.

Модификация 1. Учитываем естественную гибель популяции (за счет нехватки пищи, например) с коэффициентом смертности, равным, b : x i + 1 = x i + аx i – (k + b )x i , х 0 = c .

Модификация 2. Учитываем зависимость коэффициента k от x (например, k = dx ): .

Вопросы для обсуждения.

1. что мы называем моделью, моделированием?

2. Из каких взаимосвязанных задач состоит проблема моделирования?

3. Представьте классификацию моделей по различным критериям.

4. От чего зависит тип модели?

5. Перечислите основные свойства любой модели.

6. что мы называем компьютерным моделированием?

О компьютерной сети

Понятие компьютерной сети

Компьютерной сетью называется два и более компьютера, взаимодействующих через среду передачу данных. Под средой передачи данных будем понимать кабельную систему (например, обычный телефонный провод, оптический волоконный кабель) и различные типы беспроводной связи (инфракрасное излучение, лазер и специальные виды радиопередачи).

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать данные, принтеры, факсимильные аппараты, модемы и другие устройства. Этот список можно пополнять, так как возникают новые способы совместного использования ресурсов. Компьютерные сети отличаются сложностью и сферой деятельности. Вследствие этого они классифицируются различными способами. Однако наиболее распространенный способ оценки сетей основывается на размерах географической площади, покрываемой сетью. Первоначально компьютерные сети были небольшими и объединяли до десяти компьютеров и один принтер. Технология ограничивала размеры сети, в том числе количество компьютеров в сети и ее физическую длину. Например, в начале 1980-х годов наиболее популярный тип сетей состоял не более чем из 30 компьютеров, а длина ее кабеля не превышала 185 метров. Такие сети легко располагались в пределах одного этажа здания или небольшой организации. Для маленьких фирм подобная конфигурация подходит и сегодня. Эти сети называются локальными вычислительными сетями ЛВС (LAN, Local Area Network). Самые первые типы локальных сетей не могли соответствовать потребностям крупных предприятий. Вследствие этого возникла необходимость в расширении локальных сетей. Сегодня, когда географические рамки сетей раздвигаются, чтобы соединить пользователей из разных городов и государств, ЛВС превращаются в глобальную вычислительную сеть ГВС (WAN, Wide Area Network), а количество компьютеров в сети практически не ограничено.

Основное назначение компьютерных сетей – совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами. Ресурсы – это данные, приложения и периферийные устройства, такие, как внешний дисковод, принтер, мышь, модем и джойстик. Понятие интерактивной связи компьютеров подразумевает обмен сообщениями в реальном режиме времени.

Типы сетей

Все сети имеют некоторые общие компоненты, функции и характеристики. В их числе:

· серверы (server) – компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям;

· клиенты (client) – компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым сервером;

· среда (media) – способ соединения компьютеров;

· совместно используемые данные – файлы, предоставляемые серверами по сети;

· совместно используемые периферийные устройства, например, принтеры, библиотеки CD-ROM и прочие ресурсы – другие элементы, используемые в сети;

Несмотря на определенные сходства, сети разделяются на два типа:

· одноранговые (peer-to-peer);

· на основе сервера (server based).

В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Каждый компьютер функционирует и как клиент и как сервер. Все пользователи такой сети самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступными по сети. Если к сети подключено более 10 компьютеров, то одноранговая сеть может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей использует выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер , который функционирует только как сервер. Серверы специально специализированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в больших сетях стали специализированными. Например, в сети Windows NT существуют различные типы серверов.

· Файл-серверы и принт-серверы.

Файл-серверы и принт-серверы управляют доступом пользователей к файлам и принтерам. Например, чтобы работать с текстовым процессором, Вы прежде всего должны запустить его на своем компьютере. Документ текстового процессора, хранящийся на файл-сервере, загружается в память Вашего компьютера, и, таким образом, Вы можете работать с этим документом на своем компьютере. Другими словами, файл-сервер предназначен для хранения файлов и данных.

· Серверы приложений.

На серверах приложений выполняются прикладные части клиент-серверных приложений, а также находятся данные, доступные клиентам. Например, чтобы упростить извлечение данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы отличаются от файл-серверов. В последних файл или данные целиком копируются на запрашивающий компьютер. В сервере приложений на запрашивающий компьютер пересылаются только результаты запроса. То есть вместо всей базы данных на Ваш компьютер с сервера загружается только результат запроса, например, Вы можете получить список студентов, имеющих средний бал за успеваемость равный 4,5.

· Почтовые серверы.

Почтовые серверы управляют передачей электронных сообщений между пользователями сети.

· Факс серверы.

Факс-серверы управляют потоком входящих и исходящих факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов.

· Коммуникационные серверы.

Коммуникационные серверы управляют потоком данных и почтовых сообщений между этой сетью и другими сетями или удаленными пользователями через модем и телефонную линию. Следует отметить, что компьютер в сети клиент/сервер может быть сервером для одного типа приложений и клиентом для другого. Существуют также и комбинированные сети, обедняющие свойства и одноранговых сетей и сетей на основе сервера.

Топология сети

Топология сети характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет на состав необходимого сетевого оборудования и на его характеристики, на возможности расширения сети, на способ управления сетью.

Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель. Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющего другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров. Каждая топология сети налагает ряд ограничений. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

· звезда;

· кольцо.

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля, называемого сегментом или магистралью, топология называется шиной . Если компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, топология называется звездой . В том случае когда, кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология называется кольцом .

Шина

Топология "шина" относится к наиболее простым и широко распространенным. В ней используется один кабель (магистраль или сегмент), вдоль которого подключены все компьютеры сети. В сети, построенной на данной топологии, компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электронных сигналов, причем эти данные передаются всем компьютерам сети. Однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу. Шина - пассивная топология. Это значит, что компьютеры только "слушают" передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не отразится на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Ясно, чем их больше, то есть чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть.

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети, то есть по всему участку сегмента кабеля. Сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить. Для этой цели, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы.

К достоинствам шинной топологии следует отнести:

· простота и популярность для ЛВС;

· простота подключения новых компьютеров;

· приспособленность к передаче сообщений с резкими колебаниями интенсивности потока сообщений.

К недостаткам шинной топологии можно отнести:

· топология пассивна, а, следовательно, необходимо усиление сигналов, затухающих в сегменте кабеля;

· при росте числа компьютеров пропускная способность сети падает;

· затруднена защита информации, так как легко можно присоединиться к сети;

Звезда

При топологии "звезда" все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Все сообщения адресуются через концентратор. Среди концентраторов выделяются активные, пассивные и гибридные. Активные концентраторы регенерируют и передают сигналы. К такому концентратору можно подключить от 8 до 12 компьютеров. Пассивные концентраторы просто пропускают через себя сигнал как узлы коммутации, не усиливая и не восстанавливая его. Кроме того, пассивные концентраторы не надо подключать к источнику питания. Гибридными называются концентраторы, к которым можно подключать кабели различных типов. Сети, построенные на концентраторах, легко расширить, если подключить дополнительные концентраторы. Использование концентраторов дает ряд преимуществ.

· разрыв кабеля в сети с топологией "звезда" нарушит работу только данного сегмента, остальные сегменты останутся работоспособными;

· высокая степень защиты данных;

· упрощен поиск неисправностей сети, активные концентраторы часто наделены диагностическими возможностями, позволяющими определить работоспособность соединения.

К недостатку топологии "звезда" следует отнести отказ концентратора, который ведет к отказу всей сети.

Кольцо

При топологии "кольцо" компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии "шина", здесь каждый компьютер выступает в роли репитора (repeator). Репитор - устройство, усиливающее сигнал и передающий его следующему компьютеру. Если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Преимущество кольцевой топологии заключаются в том, что отсутствует зависимость сети от функционирования отдельных узлов (компьютеров). При этом имеется возможность отключить узел без нарушения работы сети. К недостаткам этой топологии можно отнести сложность защиты информации, так как данные при передаче проходят через узлы сети.

Классификация сетей

Компьютерные сети классифицируются по различным признакам.

Сети, состоящие из программно совместимых ЭВМ, являются однородными, или гомогенными . Если ЭВМ, входящие в сеть, программно несовместимы, то такая сеть называется неоднородной, или гетерогенной .

По типу организации передачи данных различают сети с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений и с коммутацией пакетов.

По характеру функций сети подразделяются на:

Вычислительные (для решения задач управления на основе вычислительной обработки исходной информации);

Информационные (для получения справочных данных по запросу пользователей);

Смешанные (в которых реализуются вычислительные и информационные функции).

По способу управления сети делятся на сети с децентрализованным, централизованным и смешанным управлением.

По структуре построения сети подразделяются на одноузловые и много узловые, одноканальные и многоканальные.

По территориальному признаку сети могут быть локальными и глобальными.

Локальные сети

Локальные сети представляют собой системы распределенной обработки данных. В отличие от глобальных и региональных сетей они охватывают небольшие территории (диаметром 5-10 км) внутри отдельных предприятий. При помощи общего канала связи локальная сеть может объединять от десятков до сотен абонентских узлов, включающих персональные компьютеры, внешние запоминающие устройства, дисплеи, печатающие и копирующие устройства, кассовые и банковские аппараты и т.д. Локальные сети могут подключаться к другим локальным и большим (региональным, глобальным) сетям с помощью специальных шлюзов, мостов и маршрутизаторов, реализуемых на специализированных устройствах или на ПК с соответствующим программным обеспечением.

Современная стадия развития локальных сетей характеризуется переходом от отдельных сетей к сетям, которые охватывают все предприятие, объединяют разнородные вычислительные ресурсы в единой среде. Такие сети получили название корпоративных.

Глобальные сети

Глобальные сети характеризуются прежде всего обширной географией и огромным количеством абонентов. Для подключения к удаленным компьютерным сетям используются телефонные линии или спутниковая связь.

Для обмена информацией между компьютерами, находящимися на большом расстоянии друг от друга, нужен специальный блок, называемый модемом . Системы телефонной связи разрабатывались для передачи на расстояние только звуков человеческого голоса. Естественные звуки характеризуются переменной высотой тона и непрерывно изменяющейся интенсивностью. Для передачи по телефонной линии они преобразуются в электрический сигнал с непрерывно и соответственно изменяющейся частотой и силой тока. Такой сигнал называется аналоговым. Компьютер, в отличие от телефонной аппаратуры, использует электрический ток только двух уровней. Каждый из них обозначает одно из двух понятных компьютеру значений – логические «0» и «1». Чтобы передать цифровой сигнал по телефонной линии, ему нужно придать приемлемый для нее аналоговый вид. Этой работой и занимается модем. Кроме того, он выполняет обратную процедуру – переводит закодированный аналоговый сигнал в понятный компьютеру цифровой. Слово модем – сокращение терминов МОДулятор / ДЕМодулятор.

При передаче данных компьютер выдает в коммуникационный порт последовательность нулей и единиц, которые могут представлять собой любые данные.

Скорость, с которой модемы соединяются между собой, измеряется в бодах или битах в секунду. Соглашения, описывающие параметры связи, называются протоколами.

В зависимости от модели Вашего и удаленного модема можно устанавливать соединения на следующих скоростях:

Если модем поддерживает протокол

V.32bis – максимальная скорость 14400 бит/с

V32 – 9600 бит/с

V22/V22bis – 2400 бит/с.

При передаче данных через модем каждым десяти переданным битам соответствует о дин байт или символ машинописного текста. Поэтому часто скорость передачи данных между модемами измеряется и в CPS (Characters Per Second) – символов в секунду.

Модемы бывают внутренние и внешние. Внутренние модемы выполнены в виде платы расширения, вставляемой в свободный слот компьютера. Внешние модемы выполнены в виде отдельногоустройства со своим блоком питания.

Глобальная сеть Internet

Типы компьютерных сетей

Назначение компьютерной сети

Основное назначение компьютерных сетей - совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной формы, так и за ее пределами. Ресурсы - это данные, приложения и периферийные устройства, такие, как внешний дисковод, принтер, мышь, модем или джойстик. Понятие итерактивной связи компьютеров подразумевается обмен сообщениями в реальном режиме времени.

Принтеры и другие периферийные устройства

До появления компьютерных сетей каждый пользователь должен был иметь свой принтер, плоттер и другие периферийные устройства. Чтобы совместно использовать принтер, существовал единственный способ- пересесть за компьютер, подключенный к этому принтеру.

Теперь сети позволяют целому ряду пользователей одновременно "владеть" данными и периферийными устройствами. Если нескольким пользователям надо распечатать документ, все они могут обратиться к сетевому принтеру.

Данные

До появления компьютерных сетей люди обменивались информацией примерно так:

передавали информацию устно (устная речь)

писали записки или письма (письменная речь)

записывали информацию на дискету, несли дискету к другому компьютеру и копировали в него данные

Компьютерные сети упрощают этот процесс, предоставляя пользователям доступ почти к любым типам данных.

Приложения

Сети создают отличные условия для унификации приложений (например, текстового процессора). Это значит, что на всех компьютерах в сети выполняются приложения одного типа и одной версии. Использование единого приложения поможет упростить поддержку всей сети. Действительно, проще изучить одно приложение, чем пытаться освоить сразу четыре или пять. Удобнее также иметь дело с одной версией приложения и настраивать компьютеры одинаковым образом.

СКС – основа компьтерной локальной сети (ЛВС)

СКС – основа локальной сети

Для работы организации требуется локальная сеть, объединяющая компьютеры, телефоны, периферийноое оборудование. Без коипьютерной сети можно обойтись. Только неудобно обмениваться файлами при помощи дискет, выстраиваться возле принтера, доступ в интернет реализовать через один компьютер. Решение этих проблем обеспечивает технология, обозначаемая сокращенно СКС.

Структурированная кабельная система это универсальная телекоммуникационная инфраструктура здания / комплекса зданий, обеспечивающая передачу сигналов всех типов, включая речевые, информационные, видео. СКС может быть установлена прежде, чем станут известны требования пользователей, скорость передачи данных, тип сетевых протоколов.

СКС создает основу компьютерной сети, интегрированной с телефонной сетью. Совокупность телекоммуникационного оборудования здания / комплекса зданий, соединенного с помощью структурированной кабельной системы, называют локальной сетью.

СКС или компьютерная плюс телефонная сеть

Структурированные кабельные системы обеспечивают длительный срок службы, сочетая удобство эксплуатации, качество передачи данных, надежность. Внедрение СКС создает основу повышения эффективности организации, снижения эксплуатационных расходов, улучшения взаимодействия внутри компании, обеспечения качества обслуживания клиентов.

Структурированная кабельная система строится таким образом, чтобы каждый интерфейс (точка подключения) обеспечивал доступ ко всем ресурсам сети. При этом на рабочем месте достаточно двух линий. Одна линия является компьютерной, вторая – телефонной. Линии взаимозаменяемы. Кабели соединяют ТР рабочих мест с портами распределительных пунктов. Распределительные пункты объединяют магистральными линиями по топологии «иерархическая звезда».

СКС является интегрированной системой. Сравним СКС с устаревшей моделью компьютерная плюс телефонная сеть. Ряд преимуществ является очевидным.

интегрированная локальная сеть позволяет передавать разнотипные сигналы;

СКС обеспечивает работу нескольких поколений компьютерных сетей;

интерфейсы СКС позволяют подключать любое оборудование локальных сетей и речевых приложений;

СКС реализует большой диапазон скорости передачи данных от 100 Кбит/сек речевых приложений до 10 Гбит/сек информационных приложений;

администрирование СКС сокращает трудозатраты обслуживания локальной сети благодаря простоте эксплуатации;

компьютерная сеть допускает одновременное использование разнотипных сетевых протоколов;

стандартизация плюс конкуренция рынка СКС обеспечивают снижение цен комплектующих;

локальная сеть позволяет реализовать свободу перемещения пользователей без изменения персональных данных (адресов, телефонных номеров, паролей, прав доступа, классов обслуживания);

администрирование СКС обеспечивает прозрачность компьютерной и телефонной сети – все интерфейсы СКС промаркированы и докуменированы. Работа организация не зависит от сотрудника-монополиста соединений телефонной сети.

Надежная долговечная СКС является фундаментом локальной сети. Однако всякое достоинство имеет обратную сторону. Стандарты СКС рекомендуют избыточность количественных параметров системы, что влечет существенные единовременные затраты. Зато можно забыть о кошмаре перманентного ремонта действующего офиса для наращивания компьютерной сети под текущие потребности.

Стандарты СКС

Стандарты определяют структуру СКС, рабочие параметры конструктивных элементов, принципы проектирования, правила монтажа, методику измерения, правила администрирования, требования телекоммуникационного заземления.

Администрирование СКС включает маркировку портов, кабелей, панелей, шкафов, других элементов, а также систему записей, дополняемую ссылками. Вместе с продуманной организацией кабелей, заложенной на этапе создания СКС, система администрирования позволяет поддерживать хорошую организацию локальной сети. Стандарты СКС 2007 года считают наличие администрирования одним из условий соответствия СКС требованиям стандартов.

СКС определяются международными, европейскими и национальными стандартами. Стандарты СКС адресованы строителям-профессионалам. В России СКС чаще создают организации, специализирующиеся на компьютерных сетях, системах безопасности.

Россия является членом Международной организации стандартизации (ISO), поэтому руководствуется международными стандартами. Данная информация отражает требования международного стандарта ISO/IEC 11801.

Подсистемы СКС

Стандарт ISO/IEC 11801 подразделяет структурированную кабельную систему на три подсистемы:

магистральную подсистему комплекса зданий;

магистральную подсистему здания;

горизонтальную подсистему.

Магистральная подсистема СКС и телефонная сеть

Магистральная подсистема комплекса зданий соединяет кабельные системы зданий.

Магистральная подсистема здания соединяет распределительные пункты этажей.

Магистральная подсистема включает информационную и речеую подсистемы СКС. Основная среда передачи информационной подсистемы – оптоволокно (одномодовое или многомодовое), дополняемое симметричными четырехпарнымикабелями. Если длина магистральной линии не превышает 90 метров, применяют симметричные кабели категории 5 и выше. При большей длине для информационных приложений, то есть компьютерной сети, требуется прокладывать оптоволоконный кабель.

Речевые приложения магистрали здания работают по многопарным кабелям. Речевые приложения, создающие телефонную сеть, относятся к низшим классам СКС. Это позволяет увеличивать длину линий магистральной подсистемы, создаваемых многопарными кабелями, до двух-трех километров.

Горизонтальная подсистема СКС и компьютерная сеть

Горизонтальная подсистема СКС включает распределительные панели, коммутационные кабели распределительных пунктов этажа, горизонтальные кабели, точки консолидации, телекоммуникационные разъемы. Горизонтальная подсистема обеспечивает локальную сеть для абонентов, предоставляет доступ к магистральным ресурсам. Среда передачи горизонтальной подсистемы – симметричные кабели не ниже категории 5. Стандарты СКС 2007 года предусматривают для центров обработки данных выбор СКС не ниже категории 6. Для информационных технологий (компьютерная плюс телефонная сеть) частных домов новые стандарты рекомендуют использовать категорию 6 / 7. Среда передачи вещательных коммуникационных технологий (телевидение, радио) частных домов / квартир – симметричные защищенные кабели с полосой частот 1 ГГц, плюс коаксиальные кабели до 3 ГГц. Допускается также применение оптоволокна.

В горизонтальной подсистеме СКС преобладает компьютерная сеть. Отсюда вытекает ограничение максимальной длины канала – 100 метров независимо от типа среды. Чтобы продлить срок службы без модификаций, горизонтальная подсистема СКС должна обеспечить избыточность, резерв параметров.

Рабочая область в структуре горизонтальной подсистемы СКС

Рабочая область СКС – помещения (часть помещений), где пользователи работают с терминальным (телекоммуникационным, информационным, речевым) оборудованием.

Рабочая область не относится к горизонтальной подсистеме СКС. Функциональным элементом горизонтальной подсистемы СКС является телекоммуникационный разъем – ТР.

Рабочие места оснащаются розетками, включающими два или более телекоммуникационных разъема. Подключение оборудования рабочей области выполняют абонентскими кабелями. Абонентские / сетевые кабели находятся за рамками СКС, однако они позволяют создавать каналы, параметры которых определяются стандартами СКС. К СКС относят коммутационные кабели / перемычки, используемые для соединений между портами панелей / контактами кроссов.

Более 90% кабелей СКС приходится на горизонтальную подсистему. Кабели горизонтальной подсистемы максимально интегрированы в инфраструктуру здания. Любые изменения в горизонтальной подсистеме влияют на работу организации. Поэтому так важна избыточность горизонтальной подсистемы, обеспечивающая беспроблемную длительную эксплуатацию локальной сети.

Существует два метода прокладки кабелей - скрытый и открытый. Для скрытой прокладки используют конструкцию стен, полов, потолков. Однако, это не всегда возможно. Наиболее распространенный вариант кабель каналов – пластиковые короба.

Варианты открытой прокладки кабельных жгутов включают лотки, короба, миниколонны. Скрытая прокладка кабелей предусматривает установку встроенных розеток, монтаж напольных лючков.

Распределительные пункты СКС – узлы локальной сети

Распределительные пункты СКС представляют собой окончания горизонтальных и магистральных линий, которые для удобства использования фиксируют на панелях или кроссах. Для установки панелей, кроссов, сетевого оборудования служат напольные / настенные шкафы, телекоммуникационные стойки. Распределительный пункт может занимать часть шкафа, несколько шкафов. Помещения распределительных пунктов называют телекоммуникационными помещениями, дословно – телекоммуникационными чуланами (Telecommunication closets). На каждом этаже здания рекомендуется устанавливать один РП этажа. Если офисная площадь этажа превышает 1000 квадратных метров, предусматривают дополнительный РП, соединяемый магистральными каналами.

Распределительные пункты СКС создают узлы локальной сети где компактно размещается сетевое и серверное оборудование.

Напольные шкафы позволяют размещать окончания сотен линий, оборудование, блоки УАТС. Tелекоммуникационные стойки обеспечивают вместимость шкафов, но имеют меньшую стоимость. Их используют когда не требуется дополнительной защиты оборудования локальной сети или особых условий эксплуатации. Настенные шкафы рекомендуется выбирать при небольшом числе линий, отсутствии телекоммуникационного помещения. Оборудование шкафов охлаждают вентиляторами.

Сегодня, как и 10 лет назад, существует два типа сети – одноранговая и сеть на основе сервера. Каждая из них имеет как преимущества, так и недостатки.

Одноранговая сеть, скорее всего, придется по душе пользователям, которые хотят сначала попробовать сеть “в деле” или могут позволить только малые затраты на построение и обслуживание сети. Сеть на основе сервера применяется там, где важен полный контроль над всеми рабочими местами. Это может быть и небольшая домашняя сеть, и объемная корпоративная система сетей, объединенных в одну общую.

Эти два разных типа сетей имеют общие корни и принципы функционирования, что в случае необходимой модернизации позволяет перейти от более простого варианта – одноранговой сети – к более сложному – сети на основе сервера.

Одноранговая сеть

Одноранговую сеть построить очень просто. Самая главная характеристика такой сети – все входящие в ее состав компьютеры работают сами по себе, то есть ими никто не управляет.

Фактически одноранговая сеть выглядит как некоторое количество компьютеров, объединенных с помощью одного из типов связи. Именно отсутствие управляющего компьютера – сервера – делает ее построение дешевым и достаточно эффективным. Однако сами компьютеры, входящие в одноранговую сеть, должны быть достаточно мощными, чтобы справляться со всеми основными и дополнительными задачами (административными, защитой от вирусов и т. д.).

Любой компьютер в такой сети можно назвать как рабочим, так и сервером, поскольку нет какого-либо конкретного выделенного компьютера, который осуществлял бы административный или другой контроль. За компьютером такой сети следит сам пользователь (или пользователи), который работает на нем. В этом кроется главный недостаток одноранговой сети – ее пользователь должен не просто уметь работать на компьютере, но и иметь представление об администрировании. Кроме того, ему приходится самому справляться с внештатными ситуациями, возникающими при работе компьютера, и защищать его от разнообразных неприятностей, начиная с вирусов и заканчивая возможными программными и аппаратными неполадками.

Как и полагается, в одноранговой сети используются общие ресурсы, файлы, принтеры, модемы и т. п. Однако из-за отсутствия управляющего компьютера каждый пользователь разделяемого ресурса должен самостоятельно устанавливать правила и методы его использования.

Для работы с одноранговыми сетями можно использовать любую операционную систему. Поддержка одноранговой сети реализована в Microsoft Windows, начиная с Windows 95, поэтому никакого дополнительного программного обеспечения не требуется.

Одноранговая сеть обычно применяется, когда в сеть нужно объединить несколько (как правило, до 10) компьютеров с помощью самой простой кабельной системы соединения и не нужно использовать строгую защиту данных. Большее количество компьютеров подключать не рекомендуется, так как отсутствие “контролирующих органов” рано или поздно приводит к возникновению различных проблем. Ведь из-за одного необразованного или ленивого пользователя под угрозу ставится защита и работа всей сети!

Если вы заинтересованы в более защищенной и контролируемой сети, то создавайте сеть, построенную на основе сервера.

Сеть на основе сервера

Сеть на основе сервера – наиболее часто встречающийся тип сети, который используется как в полноценных домашних сетях и в офисах, так и на крупных предприятиях.

Как ясно из названия, данная сеть использует один или несколько серверов, осуществляющих контроль за всеми рабочими местами. Как правило, сервер характеризуется большой мощностью и быстродействием, необходимыми для выполнения поставленных задач, будь то работа с базой данных или обслуживание других запросов пользователей. Сервер оптимизирован для быстрой обработки запросов от пользователей, обладает специальными механизмами программной защиты и контроля. Достаточная мощность серверов позволяет снизить требование к мощности клиентской машины. За работой сети на основе сервера обычно следит специальный человек – системный администратор. Он отвечает за регулярное обновление антивирусных баз, устраняет возникшие неполадки, добавляет и контролирует общие ресурсы и т.п.

Количество рабочих мест в такой сети может быть разным – от нескольких до сотен или тысяч компьютеров. С целью поддержки производительности сети на необходимом уровне при возрастании количества подключенных пользователей устанавливаются дополнительные серверы. Это позволяет оптимально распределить вычислительную мощь.

Не все серверы выполняют одинаковую работу. Существуют специализированные серверы, которые позволяют автоматизировать или просто облегчить выполнение тех или иных задач.

Файл-сервер. Предназначен, в основном, для хранения разнообразных данных, начиная с офисных документов и заканчивая музыкой и видео. Обычно на таком сервере создаются личные папки пользователей, доступ к которым имеют только они (или другие пользователи, получившие право на доступ к документам этой папки). Для управления таким сервером используется любая сетевая операционная система, равнозначная Windows NT 4.0.

Принт-сервер. Главная задача данного сервера – обслуживание сетевых принтеров и обеспечение доступа к ним. Очень часто, с целью экономии средств, файл-сервер и принт-сервер совмещают в один сервер.

Сервер базы данных. Основная задача такого сервера – обеспечить максимальную скорость поиска и записи нужных данных в базу данных или получения данных из нее с последующей передачей их пользователю сети. Это самые мощные из всех серверов. Они обладают максимальной производительностью, так как от этого зависит комфортность работы всех пользователей.

Сервер приложений. Это промежуточный сервер между пользователем и сервером базы данных. Как правило, на нем выполняются те из запросов, которые требуют максимальной производительности и должны быть переданы пользователю, не затрагивая ни сервер базы данных, ни пользовательский компьютер. Это могут быть как часто запрашиваемые из базы данные, так и любые программные модули.

Другие серверы. Кроме перечисленных выше, существуют другие серверы, например почтовые, коммуникационные, серверы-шлюзы и т. д.

Сеть на основе сервера предоставляет широкий спектр услуг и возможностей, которых трудно или невозможно добиться от одноранговой сети. Кроме того, одноранговая уступает такой сети в плане защищенности и администрирования. Имея выделенный сервер или серверы, легко обеспечить резервное копирование, что является первоочередной задачей, если в сети присутствует сервер базы данных.

Локальная сеть

Концепция построения сети

Самая простая сеть состоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем. Это позволяет им использовать данный совместно. Все сети основываются именно на этом простом принципе. Хотя идея соединения компьютеров с помощью кабеля не кажется нам особо выдающейся, в свое время она явилась значительным достижением в области коммуникаций.

Сетью называется группа соединенных компьютеров и других устройств. А концепция соединенных и совместно использующих ресурсы компьютеров носит название сетевого взаимодействия

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать:

данные

принтеры

факсимильные аппараты

модемы

другие устройства

Данный список постоянно пополняется, т.к. возникают новые способы совместного использования ресурсов

Локальные вычислительные сети

Первоначально компьютерные сети были небольшими и объединяли до десяти компьютеров в один принтер. Технология ограничивала размеры сети, в том числе количество компьютеров в сети и ее физическую длину. Например, в начале 1980-х годов наиболее популярный тип сетей состоял не более чем из 30 компьютеров, а длина ее кабеля не превышала 185 м.

Проблемы в сетях

Выбор сети, не отвечающей компании, может повлечь за собой проблемы. Чаще всего встречается ситуация, когда выбрана одноранговая сеть, хотя следовало бы установить сеть на основе сервера. Могут возникнуть и проблемы, связанные с компоновкой сети, если ограничения, накладываемые топологией, не позволяет сети работать в некоторых конфигурациях.

Одноранговые сети

В одноранговых сетях, или рабочих группах, могут возникнуть проблемы, вызванные незапланированным вмешательством в работу сетевой станции. Признаком того, что одноранговая сеть не отвечает требованиям фирмы, являются:

трудности, связанные с отсутствием централизованной защиты данных

постоянно возникающие ситуации когда пользователи выключают свои компьютеры, которые выполняют роль серверов.

Сети с топологией "шина"

В сетях с топологией "шина" возможны ситуации, когда - по разным причинам - шина не подключена к терминатору. А это, как известно останавливает работу всей сети.

Кабель может разорваться

Разрыв кабеля приведет к тому, что два его конца окажутся свободными, т.е. без терминаторов. Электрические сигналы начнут отражаться, и сеть перестанет работать.

Кабель может отсоединиться от Т-коннектора

Компьютер отключается от сети, и у кабеля также появляется свободный конец. Начинается отражение сигналов, следовательно, прекращает функционировать вся сеть

Кабель можеть потерять терминатор

При потере терминатора конец кабеля становится свободным. Начинается отражение сигналов, что приводит к выходу из строя всей сети.

Беспроводные сети

Беспроводная среда

Беспроводная среда постепенно входит в нашу жизнь. Как только технология окончательно сформируется, производители предложат широкий выбор продукции по приемлемым ценам, что приведет и к росту спроса на неё, и к увеличению объема продаж. В свою очередь, это вызовет дальнейшее совершенствование и развитие беспроводной среды. Словосочетание "беспроводная среда" может ввести в заблуждение, поскольку означает полное отсутствие проводов в сети, в действительности это не так. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью в которой - как среда передачи используется кабель, такая сеть со смешенными компонентами называется гибридной.

Возможности

Идея беспроводной среды весьма привлекательна, так как ее компоненты:

Обеспечивают временное подключение к существующей кабельной сети.

Помогают организовать резервное копиование в существующую кабельную сеть

Гарантирует определенный уровень мобильности

Позволяет снять ограничения на максимальную протяженность сети, накладываемые медными или даже оптоволоконными кабелями.

Передача сигналов

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии - узкополосную передачу и широкополосную передачу.

Узкополосная передача

Узкополосные системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного импульса, или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю.

Широкополосная передача

Широкополосные системы передают данные в виде аналогового сигнала, который использует некоторый интервал частот. Сигналы представляют собой непрерывные электромагнитные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической среде в одном направлении.

Цель работы:

• 1. Ознакомление с приемами моделирования сетей с помощью ПО Cisco Packet Tracer.
• 2. Получение навыков по построению и моделированию сетей с использованием концентраторов, коммутаторов, маршрутизаторов.
• 3. Получение навыков использования команд ping, tracert, arp для контроля за состоянием вычислительной сети.

Теоретическая часть.

Описание Cisco Packet Tracer.

Cisco Packet Tracer - программный продукт, разработанный в рамках сетевых академий компанией Cisco и позволяющий проектировать сети, изучать сетевое оборудование, связи между ними и конфигурировать их.

Рисунок 1 - Основные компоненты программы Cisco Packet Tracer

• 1- Рабочая область, где размещается оборудование для организации сети;
• 2- Доступное оборудование (концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, оконечные устройства);
• 3- Кнопки управления объектами;
• 4- Выбор между физической и логической рабочей областью. Особенностью Packet Tracer является то, что при переходе в физическую рабочую область можно рассмотреть созданную сеть на уровне от виртуального города до стойки. Переход на более низкий уровень - по щелчку мыши по объекту. Возврат - кнопка Back;
• 5- Окно наблюдения и управления за передаваемыми пакетами;
• 6- Переключение между режимами работы - режим реального времени и симуляции. В режиме симуляции все пакеты, пересылаемые внутри сети, отображаются графически (Рисунок 2). Эта возможность позволяет наглядно продемонстрировать, по какому интерфейсу в данный момент перемещается пакет, какой протокол используется и т.д. В данном режиме можно не только отслеживать используемые протоколы, но и видеть, на каком из семи уровней модели OSI данный протокол задействован, щелкнув мышью на квадрат в поле Info (Рисунок 3).

Рисунок 2 - Передача пакетов в режиме симуляции

Рисунок 3 - Уровни модели OSI в Cisco Packet Tracer

Запустить работу в режиме симуляции можно сформировав ping - запрос с помощью или и нажав на кнопку Play.

Каждое устройство может быть сконфигурировано в зависимости от своего назначения. Например, щелкнув на значок компьютера попадаем в область физических настроек, где приведен внешний вид оборудования и перечислены платы, которые можно добавить к устройству. Во вкладке Config (рисунок 4) приведены сетевые настройки устройства (IP, маска, шлюз, DNS - сервер).

Рисунок 4 - Сетевые настройки компьютера

Во вкладке Desktop приведены дополнительные возможности:

• · IP Configuration - сетевые настройки
• · Command Prompt - командная строка
• · Терминал
• · Браузер
• · Электронная почта и другое.

Командная строка используется для проверки работоспособности сети, задания настроек и просмотра результатов. Основные команды при использовании:

· Ping - посылка эхо-запроса

Формат: Ping адрес_узла_назначения.

Может быть с расширениями: Ping -t адрес_узла_назначения - посылка эхо-запроса до тех пор пока не будет прервано командой Ctrl+C;

Ping -n count адрес_узла_назначения - посылка стольких эхо-запросов, сколько указано в count.

· Arp - а - просмотр arp-таблицы;

Arp - d -очистить arp-таблицу.

· Tracert - определение маршрута до узла назначения.

Формат: Tracert адрес_узла_назначения.

Протокол STP.

Spanning Tree Protocol -- сетевой протокол, работающий на втором уровне модели OSI. Основной задачей STP является приведение сети Ethernet с множественными связями к древовидной топологии, исключающей циклы пакетов. Происходит это путём автоматического блокирования избыточных в данный момент связей для полной связности портов. Протокол описан в стандарте IEEE 802.1D.

Протокол CDP.

Cisco Discovery Protocol -- протокол второго уровня, разработанный компанией Сisco Systems, позволяющий обнаруживать подключённое (напрямую или через устройства первого уровня) сетевое оборудование Сisco, его название, версию IOS и IP-адреса. Поддерживается многими устройствами компании, почти не поддерживается сторонними производителями.

Получаемая информация включает в себя типы подключённых устройств, интерфейсы маршрутизатора, к которым подключены соседние устройства, интерфейсы, использующиеся для создания соединений, а также модели устройств.

Протокол ICMP.

Internet Control Message Protocol - протокол управляющих сообщений.

Используя ICMP, узлы и маршрутизаторы, связывающиеся по протоколу IP, могут сообщать об ошибках и обмениваться ограниченной управляющей информацией и сведениями о состоянии.

Каждое сообщение протокола ICMP передается по сети внутри пакета IP (Рисунок 5). Пакеты IP с сообщениями ICMP маршрутизируются точно так же, как и любые другие пакеты, без приоритетов, поэтому они также могут теряться. Кроме того, в загруженной сети они могут вызывать дополнительную загрузку маршрутизаторов. Для того, чтобы не вызывать лавины сообщения об ошибках, потери пакетов IP, переносящие сообщения ICMP об ошибках, не могут порождать новые сообщения ICMP.

Рисунок 5 - Формат пакета ICPM

Статическая и динамическая маршрутизация.

Маршрутизация -- процесс определения маршрута следования информации в сетях связи. Маршруты могут задаваться административно (статические маршруты), либо вычисляться с помощью алгоритмов маршрутизации, базируясь на информации о топологии и состоянии сети, полученной с помощью протоколов маршрутизации (динамические маршруты). После определения маршрута следования пакета необходимо отослать информацию об этом каждому транзитному устройству. Каждое сообщение обрабатывается и заносится в таблицу маршрутизации, в которой указывается интерфейс, по которому устройство должно передавать данные, относящиеся к конкретному потоку.

Протокол RIP.

Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации. Используется для изменения записей в таблице маршрутизации в автоматическом режиме. Для измерения расстояния до пункта назначения чаще всего используется количество хопов - количество промежуточных маршрутизаторов, которые нужно преодолеть пакету до пункта назначения (хотя могут быть и другие варианты - надежность сетей, задержки, пропускная способность). Роутеры отсылают свою таблицу маршрутизации соседям, получают от них подобные сообщения и обрабатывают их. Если новая информация имеет лучшее значение метрики, то старая запись замещается новой, и маршрутизатор снова отсылает пакет RIP своим соседям, ждет ответа и обрабатывает информацию.

Протокол ARP.

Любое устройство, подключенное к локальной сети, имеет уникальный физический сетевой адрес, заданный аппаратным образом. 6-байтовый Ethernet-адрес выбирает изготовитель сетевого интерфейсного оборудования из выделенного для него по лицензии адресного пространства. Если у машины меняется сетевой адаптер, то меняется и ее Ethernet-адрес.

4-байтовый IP-адрес задает менеджер сети с учетом положения машины в сети Интернет. Если машина перемещается в другую часть сети Интернет, то ее IP-адрес должен быть изменен. Преобразование IP-адресов в сетевые выполняется с помощью arp-таблицы. Каждая машина сети имеет отдельную ARP-таблицу для каждого своего сетевого адаптера.

Преобразование адресов выполняется путем поиска в таблице. Эта таблица, называемая ARP-таблицей, хранится в памяти и содержит строки для каждого узла сети. В двух столбцах содержатся IP- и Ethernet-адреса. Если требуется преобразовать IP-адрес в Ethernet-адрес, то ищется запись с соответствующим IP-адресом.

ARP-таблица необходима потому, что IP-адреса и Ethernet-адреса выбираются независимо, и нет какого-либо алгоритма для преобразования одного в другой.

Существуют следующие типы сообщений ARP: запрос ARP (ARP request) и ответ ARP (ARP reply). Система-отправитель при помощи запроса ARP запрашивает физический адрес системы-получателя. Ответ (физический адрес узла-получателя) приходит в виде ответа ARP.

Перед тем как передать пакет сетевого уровня через сегмент Ethernet, сетевой стек проверяет кэш ARP, чтобы выяснить, не зарегистрирована ли в нём уже нужная информация об узле-получателе. Если такой записи в кэше ARP нет, то выполняется широковещательный запрос ARP. После этого отправитель обновит свой кэш ARP и будет способен передать информацию получателю.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно.

Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным.

В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес.

Имитационное моделирование компьютерных сетей .

Понятие и цели моделирования

Эффективность построения и использования корпоративных информационных систем стала чрезвычайно актуальной задачей, особенно в условиях недостаточного финансирования информационных технологий на предприятиях.

Критериями оценки эффективности могут служить снижение стоимости реализации информационной системы, соответствие текущим требованиям и требованиям ближайшего времени, возможность и стоимость дальнейшего развития и перехода к новым технологиям.

Основу информационной системы составляет вычислительная система, включающая такие компоненты, как кабельная сеть и активное сетевое оборудование, компьютерное и периферийное оборудование, оборудование хранения данных (библиотеки), системное программное обеспечение (операционные системы, системы управления базами данных), специальное ПО (системы мониторинга и управления сетями) и в некоторых случаях прикладное ПО.

Наиболее распространенным подходом к проектированию информационных систем в настоящее время является использование экспертных оценок. В соответствии с этим подходом специалисты в области вычислительных средств, активного сетевого оборудования и кабельных сетей на основании имеющегося у них опыта и экспертных оценок осуществляют проектирование вычислительной системы, обеспечивающей решение конкретной задачи или класса задач. Этот подход позволяет минимизировать затраты на этапе проектирования, быстро оценить стоимость реализации информационной системы. Однако решения, полученные с использованием экспертных оценок, носят субъективный характер, требования к оборудованию и программному обеспечению также грешат субъективностью, как и оценка гарантий работоспособности и развиваемости предлагаемого проекта системы.

В качестве альтернативного может быть использован подход, предполагающий разработку модели и моделирование (имитацию работы - simulation) поведения вычислительной системы.

Бездефектное проектирование вычислительных систем

Можно говорить о "бездефектном" проектирования информационных систем. Оно достигается комплексным применением высокоуровневого моделирования (моделирования функций или бизнес-процессов) предприятия и низкоуровневого моделирования вычислительной системы. Общая условная схема бездефектного проектирования информационной системы приведена на рис. 1.

Использование высокоуровневого моделирования позволяет гарантировать полноту и правильность выполнения информационной системой функций, определенных заказчиком. То есть построенная модель безупречна по функциональности (система должна выполнять то, что задумано). Однако гарантировать, что конкретная реализация вычислительной системы на предприятии будет выполнять эти функции, высокоуровневое моделирование не может.

К системам высокоуровневого моделирования относятся такие системы, как ARIS, Rational Rose. С их помощью реализуются принципы структурного анализа, когда предприятие представляется в виде сложной системы, состоящей из разных компонентов, имеющих различного рода взаимосвязи друг с другом. Эти средства позволяют определить и отразить в моделях основные компоненты предприятия, протекающих процессов, используемой информации, а также представить взаимосвязи между этими компонентами.

Создаваемые модели представляют собой документированную совокупность знаний об ИС предприятия - о его организационной структуре взаимодействиях между предприятием и прочими субъектами рынка, составе и структуре документов, последовательностях шагов процессов, должностных инструкциях отделов и их сотрудников.

Моделирование функций вычислительной системы напрямую сегодня не представляется возможным. Данная задача в полном объеме не разрешима. Однако возможно моделирование работы системы в динамике (динамическое моделирование), при этом его результаты позволяют по косвенным показателям судить о функционировании всей системы.

Так, мы не можем проверить правильность функционирования сервера базы данных и программного обеспечения, однако по выявляемым задержкам на сервере, не обслуженным запросам и т. д. мы можем сделать вывод о его работе.

Таким образом, рассматриваемые системы предназначены не для функционального моделирования вычислительных систем (это, к сожалению, невозможно), а для динамического их моделирования.

Моделирование вычислительной системы позволяет произвести более точный, по сравнению с экспертными оценками, расчет необходимой производительности отдельных компонентов и всей системы в целом, в том числе системного и прикладного программного обеспечения.. При этом появляется возможность использовать не максимальные значения характеристик используемого вычислительного оборудования, а характеристики, учитывающие, специфику использования этого оборудования в конкретном учреждении.

Основу моделирования составляют модели оборудования и процессов (технологий, программного обеспечения), используемых при работе интересующего объекта. При моделировании на компьютере воспроизводятся реальные процессы в обследуемом объекте, исследуются особые случаи, воспроизводятся реальные и гипотетические критические ситуации. Основным достоинством моделирования является возможность проведения разнообразных экспериментов с исследуемым объектом, не прибегая к физической реализации, что позволяет предсказать и предотвратить большое число неожиданных ситуаций в процессе эксплуатации, которые могли бы привести к неоправданным затратам, а может, и к порче оборудования.

В случае моделирования вычислительных систем таким объектом является информационная система, определяющая способы получения, хранения, обработки и использования различной корпоративной и внешней информации.

В процессе моделирования возможно следующее:

 определение минимально необходимого, но обеспечивающего потребности передачи, обработки и хранения информации оборудования (даже не имеющего реальных аналогов) в настоящее время;

 оценка необходимого запаса производительности оборудования, обеспечивающего возможное увеличение производственных потребностей в ближайшее время (один-два года);

 выбор нескольких вариантов оборудования с учетом текущих потребностей, перспективы развития на основании критерия стоимости оборудования;

 проведение проверки работы вычислительной системы, составленной из рекомендованного оборудования.

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.

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 маршрутизаторов 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 практически 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.

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 4.1). 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:

Рис. 4.1. Применение модели теории массового обслуживания M/M/1 для анализа трафика в сети Ethernet

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.

Систем динамического моделирования вычислительной системы достаточно много, они разрабатываются в разных странах. Удалось обнаружить такие системы, произведенные в Румынии и других странах, не являющихся лидерами компьютерно-информационной индустрии. Кроме того, зачастую развитые системы диагностирования установленной вычислительной системы (интеллектуальные кабельные тестеры, сканеры, анализаторы протоколов) также причисляют к системам моделирования, что не соответствует действительности. Классифицируем системы по двум связанным критериям: цена и функциональные возможности. Как и следовало ожидать, функциональные возможности систем моделирования жестко связаны с их ценой. Анализ предлагаемых на рынке систем показывает, что динамическое моделирование вычислительных систем - дело весьма дорогостоящее. Хотите получить реальную картину в вычислительной системе - платите деньги. Все системы динамического моделирования могут быть разбиты на две ценовые категории:

 Дешевые (сотни и тысячи долларов).

 High-end (десятки тысяч долларов, в полном варианте - сто и более тысяч долларов).

К сожалению, найти системы среднего ценового диапазона не удалось, однако многие из них представляют собой набор пакетов и разброс в цене одной и той же системы определяется комплектом поставки, т. е. объемом выполняемых функций. Дешевые системы отличаются от дорогих тем, насколько подробно удается в них описать характеристики отдельных частей моделируемой системы. Они позволяет получить лишь "прикидочные " результаты, не дают статистических характеристик и не предоставляют возможности проведения подробного анализа системы. Системы класса high-end позволяют собирать исчерпывающую статистику по каждому из компонентов сети при передаче данных по каналам связи и проводить статистическую оценку полученных результатов. По функциональности системы моделирования, используемые при исследовании вычислительных систем, могут быть разбиты на два основных класса:

 Системы, моделирующие отдельные элементы (компоненты) системы.

 Системы, моделирующие вычислительную систему целиком.

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)		Требуемые ресурсы	Примечания
American HYTech, Prophesy	1495		8 МбОП, 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		2 МбОП, 8 МБдиск, Windows	Поддержка стандартных тестов измерения производительности; имитация пиковой нагрузки на файл-сервер
Network Analysis Center , MIND	9400-70000		8 M бОП, 65 Мбдиск, DOS, Windows	Средство проектирования, оптимизации сети, содержит данные о стоимости типичных конфигураций с возможностью точного оценивания производительности
AutoNet/ Designer	25000			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		8 M бОП, 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		8 M бОП, 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		8 M бОП, 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 M бОП, 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.

Наиболее популярные системы 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 результатов.

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 COMNET (фирма Compuware; CACI Products Company) -- объектно-ориентированная система моделирования локальных и глобальных сетей. Позволяет моделировать уровни: приложений, транспортный, сетевой, канальный. Использует все известные на сегодня технологии и протоколы, а также системы клиент -- сервер. Легко настраивается на модель оборудования и технологий. Возможность импорта и экспорта данных о топологии и сетевом трафике. Моделирование иерархических сетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации.

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), ITGuru (оценка производительности коммуникационных сетей и распределенных систем).

Stressmagic (фирма NetMagic Systems) -- поддержка стандартных тестов измерения производительности; имитация пиковой нагрузки на файл-сервер и сервер печати. Возможно моделирование взаимодействия различных пользователей с файл-сервером. Включает 87 тестов производительности.

Таблица 1. Системы моделирования

Компания	Продукт	Стоимость, долл.	Тип сети	Операционная система
Systems and Networks	Bones	20000 - 40000		Sun Solaris, Sun OS, HP/UX
ImageNet (http://www.imagenet-cane.com/ )	CANE	7900 - 25000	LAN, WAN, клиент-серверные архитектуры	Windows NT
Optimal Networks (Compuware) (http://www.optimal.com/ )	Optimal Perfomance	5000 - 30000	LAN, WAN	Windows 98/NT s
Abstraction Software (http://www.abstraction.com/ )	Prophesy		LAN, WAN	Windows 98/NT, OS/2
Network Analysis Center (http://www.nacmind.com/ , http://www.salestar.com/ )	WinMIND	9500 - 41000		Windows 98/NT
CACI Products (Compuware) (http://www.caciasl.com/ , http://www.compuware.com/ )	Семейство COMNET	19000 - 60000	LAN, WAN клиент-серверные архитектуры	Windows 98/NT, OS/2, AT&T Unix, IBM AIX, DEC Ultrix, Sun Solaris, Sun OS, HP/UX
OPNET Technologies (MIL3) (http://www.mil3.com/ , http://www.opnet.com/ )	Семейство OPNET	16000 - 40000	LAN, WAN, клиент-серверные архитектуры	DEC AXP, Sun Solaris, Sun OS, HP/UX, Silicon Graphics IRIX, IBM AIX, Windows
NetMagic Systems (http://www.netmagicinc.com/ )	StressMagic	3000 на 1 файл-сервер		Windows 98/NT

Более подробные сведения об этих системах и их характеристиках приведены в табл. 1. К числу наиболее мощных и интересных относятся COMNET III фирмы CACI Products Company (в 2000 году система была продана фирме Compuware) и OPNET фирмы OPNET Technologies (ранее называлась MIL3).

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.

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.

Пакет COMNETBaseline может импортировать данные из следующих продуктов:

Топологическая информация:	Информация о трафике:
HP OpenView	Network General Expert Sniffer Network Analyzer
Cabletron SPECTRUM	Network General Distributed Sniffer System
IBM NetView for AIX	Frontier Software NETscout
Digital POLYCENTER	Axon Network LAN servant
Castlerock SNMPc	HP NetMetrix
CACI SIMPROCESS	Wandel & Goltermann Domino Analyzer Compuware EcoNet
NACMIND	Большинство средств RMON

COMNETIII

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.

Рис. 4.1. Моделирование сети с помощью системы COMNETIII

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.

Каналы связи и глобальные сети

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.

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 невозможно 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 доступа, 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.

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 выполнения вычислительных операций, операций, связанных с обращением к диску, подсистеме ввода-вывода и т.п.

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. Алгоритмы 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 использовании этих протоколов пользователь выбирает их из библиотеки системы и задает конкретные параметры, например, размер сообщения, размер окна и т.п.

Представление результатов

Графики и отчеты

COMNETIII позволяет при моделировании задавать форму отчета о результатах для каждого отдельного элемента модели. Для этого необходимо в пункте меню Report выбрать требуемый элемент (пункт подменю networkelement ) и задать для него опреленный тип отчета (пункт typeofreport ).

Отчет генерируется каждый раз при запуске определенной модели. Отчет представлен в стандартной текстовой форме, имеющей ширину в 80 символов, и его легко можно распечатать на любом принтере.

Можно задать генерацию нескольких отчетов разного типа для каждого элемента сети.

Существуют другие способы получения статистических результатов прогона модели, кроме отчетов. В COMNETIII имеются кнопки Statistics, с помощью которых можно включить сбор статистики для каждого типа элемента модели - узлов, каналов, источников трафика, маршрутизаторов, коммутаторов и т.п. Монитор статистики каждого элемента можно установить для сбора только базовых статистических параметров (минимум, максимум, среднее значение и дисперсия) или же сбора данных во временном масштабе для построения графиков.

Если результаты наблюдений сохранены в файле для последующего построения графиков и анализа, то возможно также построение гистограмм и процентных показателей. Возможно построение графиков и во время моделирования.

Мультипликация и отслеживание событий

Перед моделированием или во время него можно установить режимы мультипликации и трассировки событий с помощью пунктов меню Animation и Trace .

Параметры меню Animation позволяют изменять скорость тактов моделирования и скорость продвижения токенов - графических символов, соответствующих кадрам и пакетам. В анимационном режиме система COMNETIII показывает поступление токенов в каналы связи и выход их из каналов, текущее количество пакетов в узлах, количество сессий, установленных с данным узлом, процент использования и многое другое.

В режиме трассировки можно отображать процесс наступления событий в модели либо в файл, либо на экран. При отображении на экран можно перейти в режим пошагового моделирования, когда очередное событие в модели наступает и отображается только при очередном нажатии на соответствующую кнопку графического интерфейса. Можно задать уровень отслеживаемых событий - от высокоуровневых событий, связанных с работой приложений до событий самого низкого уровня, связанных с обработкой кадров на канальном уровне.

Статистический анализ

COMNETIII включает интегрированный набор средств для статистического анализа исходных данных и результатов моделирования. С их помощью можно подобрать подходящее распределение вероятностей для экспериментально полученных данных. Средства анализа результатов позволяют вычислить доверительные интервалы, выполнить регрессионный анализ и оценить вариации оценок, полученных по нескольким прогонам модели.

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, производительности 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 оригинальной 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 работает в среде Windows 95, Windows NT и Unix.

COMNET Predictor от CACI - отличный продукт, да и стоит он дешевле NetMaker XA. Правда, Predictor несколько менее проработан и не так прост в установке. Кроме того, генерируемые им отчеты немного запутанны и малоинформативны, а схемы сетей чересчур перегруженны.

Мы перепробовали несколько дисководов CD-ROM, прежде чем смогли считать информацию с присланного нам диска. Только один дисковод сумел нормально справиться с этой задачей. Установка продукта тоже удалась отнюдь не с первой попытки.

В базовую конфигурацию Predictor входит все, что требуется для построения схемы сети с помощью буксировки пиктограмм устройств из библиотеки. К сожалению, на схеме отображается так много информации, что разобраться в ней очень трудно. В состав Predictor входят и средства для самостоятельного создания устройств и редактирования библиотечной информации.

Опция Baseliner позволяет импортировать информацию о топологии сети и характере трафика из различных популярных средств мониторинга сети. Благодаря Baseliner вы разберетесь, какие объемы трафика генерирует то или иное приложение. После этого можно построить модель, в которой объем трафика от этого приложения будет ежемесячно возрастать на 10%, получив, таким образом, прогноз на несколько месяцев вперед. Тому, кто научится разбираться в схемах сетей (а сделать это не очень-то просто), Predictor покажется очень мощным средством, которым нетрудно пользоваться. Параметры элементов сетей, подобранных из библиотеки, поддаются тонкой настройке.

Затем можно пустить в ход предположения о росте сети - надо указать Predictor, в какой момент их следует включать в модель. По мере продвижения расчетов Predictor будет информировать пользователя о возникновении проблем. Например, сообщается, что через шесть месяцев уровень загрузки какого-либо маршрутизатора достигнет 80%, что является предельной величиной. Тогда можно ввести в модель еще один маршрутизатор и посмотреть, решит ли он это проблему.

Пользователю предоставляется целый ряд отчетов, однако чтобы извлечь из них полезную информацию, придется немало потрудиться: многие таблицы и графики дублируют друг друга, и это затрудняет понимание.

Бесспорно, 29 тыс. дол. - это недешево, однако если вспомнить, что Predictor может работать не только под Unix, но и под Windows NT и Windows 95, станет понятно: его пользователь способен сэкономить на оборудовании (сравните с NetMaker XA).

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.

Что мы получим, используя моделирование

Используя моделирование при проектировании или реинжиниринге вычислительной системы, мы можем сделать следующее: оценить пропускную способность сети и ее компонентов, определить узкие места в структуре вычислительной системы; сравнить различные варианты организации вычислительной системы; осуществить перспективный прогноз развития вычислительной системы; предсказать будущие требования по пропускной способности сети, используя данные прогноза; оценить требуемое количество и производительность серверов в сети; сравнить различные варианты модернизации вычислительной системы; оценить влияние на вычислительную систему модернизации ПО, мощности рабочих станций или серверов, изменения сетевых протоколов.

Исследование параметров вычислительной системы при различных характеристиках отдельных компонентов позволяет выбрать сетевое и вычислительное оборудование с учетом производительности, качества обслуживания, надежности и стоимости. Поскольку стоимость одного порта активного сетевого оборудования в зависимости от производителя оборудования, используемой технологии, надежности, управляемости может меняться от десятков рублей до десятков тысяч, моделирование позволяет минимизировать стоимость оборудования, предназначенного для использования в вычислительной системе. Моделирования становится эффективным при числе рабочих станций 50-100, а когда их более300, общая экономия средств может составить 30--40% от стоимости проекта.

Финансовая сторона

Естественно, возникает вопрос о стоимости проведения обследования вычислительной системы с помощью моделирования. Стоимость самого моделирования при грамотной эксплуатации системы моделирования невысока. Основную часть стоимости обследования составляют затраты на оплату труда высококвалифицированных специалистов в области сетевых технологий, вычислительного оборудования, систем моделирования, проводящих обследование объекта, составление моделей компонентов и самой вычислительной системы, определяющих направления развития и модификаций вычислительной системы и ее моделей.

Обследование и моделирование вычислительной системы из 250 узлов может длиться одну-две недели, при этом стоимость может колебаться от $5000 до $17 500. Если стоимость проектов по информатизации крупных организаций зачастую превышает $500 000, то стоимость работ по моделированию составляет в любом случае менее 4% от стоимости проекта.

При этом мы получаем: объективную оценку решения и технико-экономическое обоснование; гарантированные требуемую производительность и запас по производительности; обоснованные и управляемые решения по поэтапной модернизации.

Системы моделирования, не вошедшие в обзор

CPSIM (компания BoyanTech) -- простая система моделирования последовательных и параллельных процессов. Модель -- ориентированный граф, в котором узлы -- объекты (компьютеры, серверы, сетевое оборудование), дуги -- каналы связи.

NetDA/2 (компания IBM) - предназначена для проектирования, анализа и оптимизации глобальных сетей и реинжиниринга имеющихся SNA-сетей. Возможно задание собственных алгоритмов маршрутизации. Позволяет моделировать сценарии "что, если". Поддерживает и протокол TCP/IP. Реализована на OS/2.

NPAT (Network Planning and Analysis Tools); фирма Sun, - предназначена для моделирования интегрированных сетей данные/голос на базе магистралей Т1 и Т3. Реализована на Solaris 2.6, 7.

SES/Workbench (фирма HyPerfomix) -- моделирование локальных и глобальных сетей на уровне приложений, канальном и физическом уровнях. Моделирование сложных приложений, СУБД. Позволяет провести стоимостной анализ вариантов. Имеется механизм расстановки контрольных точек и трассировки.

WinMIND (фирма Network Analysis Center) -- система проектирования, настройки конфигурации и оптимизации сети; содержит дан­ные о стоимости типичных конфигураций с возможностью точной оценки производительности и тарифной платы.

Семейство AUTONET (фирма Network Design and Analysis) -- включает систему мониторинга и управления AMS, позволяет проводить оценку производительности сети, а также точное моделирование и тарификацию сетевых решений.

Проект ns2/VINT

1996 год ознаменован началом работ над проектом VINT (Virtual InterNetwork Testbed), организованным DARPA (Defense Research Projects Agency) и реализуемым под руководством целого ряда научных организаций и центров: USC/ISI (University of Southern California / Information Sciences Institute), Xerox PARC, LBNL (Lawrence Berkley National Laboratory) и UCB (UC Berkley). На сегодня основными спонсорами проекта являются DARPA, NSF и ACIRI (AT&T Center for Internet Research at ICSI).Главной целью проекта VINT являлось построение программного продукта, позволяющего осуществлять имитационное моделирование сетей связи и обладающего целым рядом характеристик, среди которых высокая производительность, хорошая масштабируемость, визуализация результатов и гибкость. В качестве основы программной реализации был выбран разрабатываемый в University of California с 1989 года пакет network simulator (до 1995 года известный как REAL). Логично, что для программного продукта было выбрано имя network simulator 2 (далее - ns2).
ns2, как и его предшественники, разрабатывался как программное обеспечение с открытым исходным кодом (open source code software - OSS). Такое ПО распространяется бесплатно - без каких либо ограничений на право использования, модификации и распространения третьими лицами. Таким образом, с точки зрения стоимости ns2 безусловно является лидером по сравнению с коммерческим ПО упоянутым выше - он бесплатен. По этой же причине бесплатны и всегда доступны on-line все обновления и дополнения (новые библиотеки, протоколы и т.п.). Еще одним не менее замечательным свойством программного обеспечения OSS является возможность модификации ядра программы и гибкая настройка в соответствии с требованиями конкретного пользователя. Одним из отличительных свойств ns2 с точки зрения гибкости является мультиоперационность. Полные версии, включающие все функции, на данный момент работоспособны под управлением следующих операционных систем:
- SunOS;
- Solaris;
- Linux;
- FreeBSD;
- Windows 95/98/ME/NT/2000.
Для инсталляции полной версии ns2 необходимо иметь 250 МБ свободного места на диске компьютера и компилятор С++. Существует также упрощенная версия (компилированная) для некоторых ОС, в частности всех версий Windows, являющаяся не столь гибкой как полная версия, в частности невозможно добавлять компоненты, модифицировать ядро и т.п. Однако эта версия очень проста в использовании и не требует глубоких знаний ОС и языка C++. Для функционирования упрощенной версии ns2 достаточно иметь 3 МБ свободного места на жестком диске компьютера.
Требования к производительности компьютера у ns2 не столь жестки. В принципе, компьютер с процессором 486 может обеспечить приемлемое функционирование даже полной версии ns2.При необходимости использования ns2 группой пользователей достаточно иметь инсталлированную полную версию на машине под управлением Unix-like ОС. Пользователи могут иметь доступ в режиме терминала к ns2 и производить необходимые модификации в том числе и ядра программы компилируя свою версию в домашнюю директорию. Так же при помощи X-сервера возможна анимация полученных результатов.

Netsimulator .

NETSIMULATOR предназначен для моделирования сетей с пакетной коммутацией и различными методами маршрутизации пакетов.

NETSIMULATOR позволит разработчику или обслуживающему персоналу сети моделировать поведение сети, изменяя: топологию сети, способ маршрутизации пакетов, пропускные способности любого канала сети, нагрузку на сеть (интенсивности входных потоков), длины пакетов и распределение числа пакетов в одном сообщении, размеры памяти на узлах коммутации, ограничения на максимальное время пребывания сообщений в сети, приоритеты различных сообщений.
Система позволяет моделировать такие методы маршрутизации пакетов, как метод рельефов, метод Форда, метод Дейкстры, метод Бэрена, метод обмена задержками пакетов между узлами сети, метод Галлагера, метод решения уравнений Беллмана (для специального вида сети), а также случайную маршрутизацию, протоколы RIP, EGP, IGRP, BGP, OSPF и т.п. Большинство методов реализовано в нерандомизированной и рандомизированной модификациях.
Система использует принцип разделения сообщений на типы, различающиеся по длинам и приоритетам пакетов, распределением их числа, интенсивностям входных потоков и т.д.

В результате работы модели получается информация о:

• средних задержках (временах доставки) сообщений различных типов;
• гистограммах и функциях распределения задержки (времени доставки) сообщений;
• гистограммах плотностей и функций распределения занятой памяти по узлам коммутации;
• количествах сообщений различных типов, дошедших до адресата;
• количествах отказов в доставке сообщений по различным причинам (нехватка памяти, превышение допустимого времени пребывания в сети и т.д.);

В процессе моделирования, по желанию пользователя возможно заполнение "журнала регистрации событий сети" для последующего статистического анализа.

Opnet .

Opnet Modeler предлагает пользователям графическую среду для создания, выполнения и анализа событийного моделирования сетей связи. Это удобное программное обеспечение может быть использовано для большого ряда задач, например, типичные создание и проверка протокола связи, анализ взаимодействий протокола, оптимизация и планирование сети. Также возможно осуществить с помощью пакета проверку правильности аналитических моделей, и описание протоколов.

В рамках, так называемого, редактора проекта могут быть созданы палитры сетевых объектов, которым пользователь может присвоить различные формы соединения узлов и связи вплоть до имеющих вид головоломки. Автоматизированное порождение сетевой топологии - кольца, звезды, случайной сети, также поддерживается и резервируется утилитами для импортируемых сетевых топологий в различных форматах. Случайный трафик может быть автоматически сгенерирован из алгоритмов, указанных пользователем, а также импортирован из входящих в стандартную комплектацию пакета форматов реальных трафиков линий. Результаты моделирования могут быть проанализированы, а графы и анимация трафика, опять же будут сгенерированы автоматически. Новая особенность - это автоматическое преобразование в формат html 4.0х.

Одним из плюсов из создания модели сети с помощью программного обеспечения является то, что уровень гибкости, обеспечиваемый ядром моделирования, тот же, что и для моделирования, написанных с нуля, но объектное построение среды позволяет пользователю намного быстрее делать разработку, усовершенствования и производить модели для многократного использования..

Есть несколько сред редактора - по одной для каждого типа объекта. Организация объектов - иерархическая, сетевые объекты (модели) связаны набором узлов и объектов связи, в то время как объекты узла связаны набором объектов, типа модулей очерёдности, модулей процессора, передатчиков и приемников. Версия ПО для моделирования радиоканала содержит модели антенны радиопередатчика, антенны приемника, перемещающихся объектов узла (включая спутники).

Логику поведения процессора и модулей очередности определяет модель процесса, которую пользователь может создавать и изменять в пределах редактора процесса. В редакторе процесса пользователь может определить модель процесса через комбинацию алгоритма работы конечного автомата (finite - state machine - FSM ) и операторов языка программирования C / C ++.

Вызов события модели процесса в течение моделирования управляется возбуждением прерывания, а каждое прерывание соответствует событию, которое должно быть обработано моделью процесса.

Основа связи между процессами - структура данных, называемая пакетом. Могут быть заданы форматы пакета, то есть они определяют, какие поля могут содержать такие стандартные типы данных, как целые числа, числа с плавающей запятой и указатели на пакеты (эта последняя способность позволяют инкапсулировать моделирование пакета). Структура данных, вызывающая информацию по контролю за интерфейсом (interface control infor - mation - ICI ), может быть разделена между двумя событиями моделей процесса - это ещё один механизм для межпроцессорной связи, это очень удобно для команд моделирования и соответствует архитектуре многоуровневого протокола. Процесс также может динамически порождать дочерние процессы, которые упростят функциональное описание таких систем, как серверы.

Несколько основных моделей процесса входят в базовую комплектацию пакета, моделируя популярные протоколы работы с сетями и алгоритмы, вроде протокола шлюза границы (border gateway protocol - BGP ), протокола контроля передачи. Интернет протокол (TCP / IP ), ретрансляции кадров (frame relay ), Ethernet , асинхронного режима передачи (asynchronous transfer mode - ATM ), и WFQ (weighted fair queuing ). Базовые модели полезны для быстрого развития сложных имитационных моделей для общих архитектур сети, а также для обучения, чтобы дать точное функциональное описание протокола студентам. Существует возможность сопровождения комментариями и графикой (с поддержкой гипертекста) моделей сети, узла или процесса.

В режиме прямого диалога доступна подробная документация в формате pdf . Обучающее руководство содержит простые примеры, по которым возможно сравнительно быстро обучиться всем тонкостям программы. Я включил Opnet в студенческие лабораторные по курсу сетей в Университете Калифорнии, Сан Диего, и обнаружил, что примерно за неделю, большинство студентов приобретает базовые знания о том, как синтезировать имитационные модели, с помощью этого программного продукта.

NetMaker XA .

Вычислительное ядро моделирования, используемое в NetMaker XA от Make Systems, - одно из наиболее мощных на рынке, и это сыграло немаловажную роль в том, что продукт зарекомендовал себя столь хорошо. За что ни возьмись - все работает в полном соответствии с описаниями. У нас не возникло никаких проблем ни с моделированием спроектированной нами небольшой сети, ни с усовершенствованием системы, приведенной производителем в качестве примера. Кроме того, генерируемые программой отчеты содержали всю необходимую информацию.

Главные недостатки NetMaker XA - необходимость серьезного обучения пользователя и высокая стоимость. Если к цене базовой конфигурации изделия добавить стоимость дополнительных модулей, получится довольно значительная сумма.

Основу продукта составляют модули Visualizer, Planner и Designer. Каждый из них выполняет какую-то одну функцию; чтобы смоделировать работу сети, необходимы все три.

Visualizer служит для получения информации о сети и ее просмотра. В его состав входят SNMP-модули автоматического распознавания, которые опрашивают сетевые устройства и создают соответствующие им объекты. Информацию об этих объектах можно затем редактировать с помощью Visualizer.

Planner - это библиотека устройств, которая помогает проанализировать, что получится при установке в сети нового устройства (например, дополнительного маршрутизатора). Make Systems поставляет встраиваемые модули (plug-in), содержащие объекты с данными о продуктах различных производителей. В таких объектах содержится полное описание различных моделей устройств (от числа сетевых интерфейсов до типа процессора); вся информация заверяется производителем. С помощью Planner пользователь может самостоятельно строить свои собственные объекты для описания сетевых устройств и каналов связи, не включенных в библиотеку.

Designer нужен для построения схем сетей. Данное средство позволяет легко и быстро создавать модели и анализировать альтернативы. Если пользоваться им совместно с Planner, можно получать информацию о том, как будет работать сеть заданной конфигурации.

Если требуется пойти несколько дальше, придется приобрести еще три модуля: Accountant, Interpreter и Analyzer. В состав Account входит тарификационная база данных; этот модуль помогает проанализировать затраты, связанные с использованием тех или иных сетей общего доступа. Нам показался очень полезным модуль Interpreter, предназначенный для сбора данных от средств анализа трафика. Затем данные автоматически импортировались в нашу модель, что позволяло использовать их почти в режиме реального времени, а не строить гипотезы относительно работы сети. Наконец, Analyzer и предназначенный для него встраиваемый модуль "выживаемости" помогают разрабатывать планы восстановления после аварий, а также добиваться того, чтобы ни одна неисправность (после ее локализации) не могла привести к отказу сети в целом.

Стоит все это богатство функций очень дорого - от 37 тыс. дол. за базовый комплект плюс доплаты за встраиваемые модули. Тому, кто захочет приобрести модули Accountant, Interpreter и Analyzer, придется раскошелиться еще на 30 тыс. дол. Установить NetMaker XA можно только на SPARCstation от Sun Microsystems.

К этому надо добавить стоимость обучения, поскольку без него у вас просто ничего не получится. В Make Systems осознают, что пользоваться их продуктом не так-то просто; во время испытаний к нам прислали специалиста, который обучил нас работе с пакетом.

Тем не менее для счастливого обладателя большой сети на несколько тысяч узлов NetMaker XA - то что нужно .

SES/Strategizer - альтернативный подход

Тот, кто не собирается включать возможность роста в свою модель сети, вполне удовлетворится значительно менее дорогим продуктом SES/Strategizer от Scientific and Engineering Software (цена 9995 дол.).

SES/Strategizer просчитывает модели очень быстро. Мы установили этот продукт на рабочей станции на базе Pentium II, и всего за 2 с программа рассчитала, как будет работать довольно сложная сеть в течение 24 ч. Можно также собирать тонкие статистические данные о каком-то одном конкретном элементе модели, например, следить за степенью загрузки центрального процессора с разбивкой по процессам, пользователям и моделям поведения.

Один из серьезных недостатков программы - необходимость перезапуска модели при каждом внесении каких-либо изменений. Другие продукты позволяют вставлять в модель различные переменные (например, учитывающие рост сети); в результате можно опробовать несколько вариантов в ходе одного прогона программы.

Установка не вызвала никаких затруднений, хотя мы были очень удивлены, получив программу на дискетах. Как и прочие пакеты, SES/Strategizer позволяет без труда задавать и модифицировать значения параметров, таких как пропускная способность. Кроме того, продукт выдает запрос на подтверждение ("Применить" или "Отмена"), если пользователь пытается закрыть диалоговое окно, щелкнув мышью на крестике в правом верхнем углу. Такая функция не предусмотрена в других продуктах, что неудобно, поскольку с ними никогда нельзя быть уверенным, какое действие будет предпринято по умолчанию.

И все же отдельные стороны SES/Strategizer нуждаются в доработке. Например, для просмотра результатов моделирования на том же ПК, где работает сама программа, требуется запустить Microsoft Excel; данные он должен брать из создаваемых SES/Strategizer файлов, где для разделения числовых полей используются знаки табуляции. Если Excel не установлен, пользователь получает странное сообщение об ошибке, указывающее на совершенно другую причину сбоя. Надо просто информировать пользователя, что ему следует установить Excel, или обеспечивать возможность просмотра средствами какой-нибудь другого приложения.

Различия между SES/Strategizer и Predictor отнюдь не так велики, как позволяет предположить разница в их ценах (19 тыс. дол.). Predictor хорош тем, что расчеты могут охватывать продолжительный период существования сети, а пользователь - учитывать рост трафика с течением времени. По части функций SES/Strategizer отстает совсем не так сильно - пользователю просто придется смириться с необходимостью постоянно просчитывать модель заново.

И все же NetMaker XA остается королем. Он - для тех, кто может раскошелиться на немалую сумму и хочет заполучить лучшее средство моделирования сети.

Основные требования, предъявляемые к системам моделирования вычислительных систем

Отсутствие необходимости программирования; возможность импорта информации из существующих систем управления сетями и средств мониторинга; наличие расширяемой библиотеки объектов; интуитивно-понятный интерфейс; простая настройка на объекты реального мира; гибкая система построения сценариев моделирования; удобное представление результатов моделирования; анимация процесса моделирования; автоматический контроль модели на внутреннюю непротиворечивость.

Советы покупателям

Как выбрать систему моделирования? Каждый выбирает себе систему по поставленным задачам и выделенным средствам.

Если вы хотите ознакомиться с принципиальными возможностями систем моделирования, если у вас не стоит задача "тюнинга", т. е. настройки уже существующей системы, а вы хотите только грубо определить, будет ли она функционировать при установке какого-либо дополнительного устройства без постоянных сбоев, - покупайте дешевый продукт.

Однако, как показывает реальный опыт, рано или поздно перед вами встанет задача полномасштабного моделирования вычислительной системы. И вот тут надо помнить о следующем.

К сожалению, в отличие от систем высокоуровневого моделирования, которые продаются и поддерживаются известными в России компаниями (ARIS -- компания "Весть-Метатехнологии", Rational Rose -- компании "Аргуссофт", "Интерфейс" и др.), поставщиков систем динамического моделирования вычислительных систем нам обнаружить не удалось. В 1997--1999 годах представлением, продажей и поддержкой семейств COMNET и OPNET занимались некоторые отечественные компании, однако потом этот процесс был приостановлен. Причины, наверное, в специфике российского рынка (открытое нежелание дать заказчику реальные спецификации и цены на информационные системы и боязнь независимой экспертизы решений), в недостаточности финансирования.

Полезным является каталог Network Buyer"s Guide (www.networkbuyersguide.com), в котором дано описание продукта, производитель, цена и контактная информация.

Опыт показывает, что попытки обращения непосредственно к производителю приводят к положительному результату. Либо производитель сам откликнется и поставит эту систему, либо он назовет дистрибьютора в Европе, у которого этот продукт можно приобрести. Мы общались с CACI Products и OPNET Technologies (ранее -- MIL3) и успешно получали необходимое ПО.

К сожалению, консалтинговые компании, которые были бы связаны с моделированием сетей, в настоящее время в России нам не известны.

В нашей стране наибольшее распространение получили системы COPMNET III и OPNET. Именно эти продукты отличаются высокой полнотой библиотеки, поскольку у производящих их компаний есть соглашения с производителями сетевого оборудования. Но прежде, чем покупать дорогостоящую систему, определите, какие пакеты из входящих в ее состав вам реально понадобятся.

Результаты испытаний средств моделирования сети NetwprkWorld World Class
Показатель	Весовой коэфф., %	NetMaker XA *	COMNET Predictor	SES/Strategizer
Большая библиотека устройств		10 = 2,0	6 = 1,2	5 = 1,0
Производительность		10 = 1,5	10 = 1,5	10 = 1,5
Ясность схем		9 = 1,35	5 = 0,75	7 = 1,05
Возможность импорта данных о трафике в режиме, близком к реальному времени		9 = 1,35	8 = 1,2	8 = 1,2
Расширяемость		10 = 1,0	7 = 0,7	6 = 0,6
Гибкость и простота использования		8 = 1,2	8 = 1,2	7 = 1,05
Документация		7 = 0,7	7 = 0,7	5 = 0,5
Итоговая оценка		9,1	7,25	6,9
Примечания. * Награда World Class присваивается изделиям, набравшим 9,0 и более баллов. Оценки выставлялись по 10-балльной шкале. Весовые коэффициенты (относительная значимость критериев) учитывались при расчете итоговой оценки.

В данном обзоре рассматриваются три продукта старшего класса. Пакет NetMaker XA от Make Systems получил награду World Class ("Продукт мирового класса"). Впрочем, COMNET Predictor от CACI Products, который можно объединять с более мощным продуктом под названием COMNET III, совсем немного отстал от лидера. Пакет SES/Strategizer, предлагаемый компанией Scientific and Engineering Software по цене 9995 дол., можно порекомендовать тем, кто желает сэкономить.

Изучив ряд пакетов для моделирования работы сети, мы пришли к выводу, что все они вполне могут решить ту задачу, на решение которой рассчитаны. Однако толку от них сумеет добиться лишь тот, кто готов потратить немало средств и усилий. Продукты, предлагаемые лидерами рынка компаниями Make Systems и CACI Products, а также недавно дебютировавшей в этой области фирмой Scientific and Engineering Software (SES), справились (хотя и с разной степенью успешности) с анализом данных о конфигурации тестовой сети и предоставили информацию о возможных последствиях тех или иных изменений.

NetMaker XA от Make Systems занял первое место как наиболее полный и гибкий продукт. COMNET Predictor от CACI - недавно представленный родственник более широко известной программы COMNET III - тоже произвел хорошее впечатление, однако ему не помешали бы более совершенное средство составления схем и менее сложные для восприятия отчеты. Пакет SES/Strategizer от SES сравнительно дешев, однако, в отличие от NetMaker XA и COMNET Predictor, не позволяет учитывать будущий рост сети.

Надо сказать, что мы ожидали от рассмотренных пакетов несколько большего. В частности, ни одна из программ не способна сообщить, что сеть чересчур сложна, или предложить, каким образом надо ее усовершенствовать для повышения производительности. Они лишь указывают, будет ли работоспособным предлагаемый проект и в каком месте можно нарваться на проблемы. Администратору приходится самому выбирать лучший способ решения проблем.

Мало того, ни один из продуктов нельзя рассматривать как полностью готовое к употреблению средство, способное в точности смоделировать работу существующей или даже вновь спроектированной сети. Необходимо потратить значительные средства на обучение, прежде чем станут возможными построение корректных моделей и интерпретация полученных результатов. Затем понадобится еще в течение шести-девяти месяцев непрерывно подстраивать модель, и только после этого она будет хотя бы приблизительно приведена в соответствие с действительностью.

Чтобы понять, почему так получается, надо вспомнить, как строятся модели при работе с этими продуктами. Все программы оснащены средствами графического проектирования, позволяющими строить схемы сети с помощью буксировки значков, соответствующих различным устройствам, из библиотеки на рабочее поле программы. Далее указывается, каким образом устройства соединены LAN- и WAN-каналами, работающими на разных скоростях, и, наконец, схема дополняется данными о работе сети, полученными от сетевых мониторов.

Получив все эти данные, программа строит систему математических уравнений, с помощью которых моделируется поведение сети. К сожалению, одна-две ошибки в начальной информации могут испортить все.

Средства моделирования сетей: достоинства и недостатки
	NetMaker XA фирмы Make Systems, www.makesystems.com	COMNET Predictor фирмы CACI Products, www.caci.com	SES/Strategizer фирмы Scientific and Engineering Software, www.ses.com
Достоинства	Высочайшая производительность Огромное количество дополнительных модулей, в том числе библиотек устройств от разных производителей Хороший дополнительный модуль для анализа затрат Отличная функция разработки планов восстановления после отказа	Прекрасная возможность ввода данных о трафике в режиме реального времени Простота ввода гипотез о росте трафика с течением времени Возможность тонкой подстройки параметров сети с помощью простых диалоговых окошек	Невысокая цена, простота применения Легкость использования модулей для рисования схем Возможность тонкой настройки параметров сети Ясность схем сети
Недостатки	Очень высокая цена Необходимость использования дорогой SPARCstation Продуктом трудно пользоваться; требуется дополнительное обучение	Проблемы с установкой Трудность восприятия схем сети Неясность некоторых отчетов	Поставка на дискетах Невозможность расчета перспектив роста сети Некоторые отчеты невозможно просматривать, если на том же ПК не установлен Excel
Цена, дол.	40 000 за типичную конфигурацию	29 000	9995

Проблемы и тенденции

Средства моделирования столь же разнообразны, как и отображаемые ими локальные сети

Системы управления сетью обычно рекламируются как всеохватывающие и всемогущие. Средства моделирования работы сети назвать таковыми никак нельзя. Разброс цен на эти средства составляет от 129 дол. (за работающую под Windows программу LANModel от Network Performance Insitute) до 40 тыс. дол. (за COMNET III от CACI, которая может работать под Windows 95, Windows NT и Unix).

Каждый из продуктов действительно имеет свою собственную "экологическую" нишу. Одни средства рассчитаны на управление локальными сетями, а другие предназначены для администраторов территориально-распределенных сетей. Одни просто позволяют строить схемы сетей и обладают ограниченными возможностями моделирования, другие же способны производить сложный анализ глобальных сетей.

Однако ни одно из средств не способно охватить все задачи, поэтому если необходимо смоделировать сеть и проанализировать ее работу, придется покупать несколько продуктов. Имеются также заметные различия между продуктами, которые, как утверждается, решают одни и те же задачи.

Возьмем, к примеру, моделирование. Хотя в комплект поставки многих продуктов, указанных в сводной таблице, входят библиотеки сетевых элементов, устройств и протоколов, отнюдь не все продукты способны моделировать одни и те же объекты. Скажем, программа CANE от ImageNet может моделировать 9000 различных устройств и конечных станций, а комплект поставки продукта SimuNet от Telenix содержит только библиотеку маршрутизаторов Cisco. Из 13 средств, перечисленных в таблице, десять способны моделировать маршрутизаторы Cisco и другие устройства межсетевой связи, такие как концентраторы, шлюзы и коммутаторы. Менее половины программ позволяют учитывать работу каналов связи локальных и территориально-распределенных сетей. В библиотеку одного из средств, NetArchitect от Datametrics System, входят процессоры, контроллеры дисков и диски.

Что же касается протоколов, надо отметить следующее. Восемь продуктов могут моделировать работу протоколов сетевого уровня, таких как IP и IPX. Семь программ способны моделировать протоколы канального уровня, например IEEE 802.3, 802.5, ATM, frame relay. Шесть пакетов принимают во внимание протоколы как сетевого, так и канального уровня. Библиотека протоколов, входящая в состав пакета Virtual Agent от Network Tools, позволяет моделировать работу SNMP, который повсеместно используется в локально-сетевых устройствах. Однако не так-то просто обнаружить средство, умеющее работать с частными протоколами для устаревшего оборудования и связными протоколами.

Следует обязательно выяснить, работу каких сетевых элементов способно рассчитывать то или иное средство. В этой области можно нарваться на самые интересные результаты. Большинство продуктов рассчитывают, как будут работать те элементы сети, о которых у них имеются данные. Однако три пакета сплоховали: CANE от Image Net не может моделировать работу дисков, микросхем и контроллеров; Virtual Agent от Network Tools не принимает во внимание работу с очередями и скорость передачи данных по физическому носителю; SimuNet от Telenix не в состоянии учитывать, например, архитектуру устройств. За исключением NetArchitect от Datametrics, ни одно средство не умеет смоделировать работу системы в целом. Это означает, что невозможно принять во внимание, например, влияние параметров конечных станций. По-видимому, к этой проблеме производители обратятся несколько позже, когда станут более распространенными сети, при построении которых учитывается характер работающих в них приложений. Службы каталогов и сетевые протоколы в таких сетях будут поддерживать передачу трафика, чувствительного к задержкам.

Кроме того, средства моделирования сетей имеют несколько ограниченные возможности учета воздействия на пропускную способность сети работы с приоритетами и уровнями обслуживания. Если вспомнить, какое значение сейчас придается средствам предоставления уровней обслуживания и управления ими, станет ясно, что этот недостаток должен быть исправлен.

Достоинство всех перечисленных решений - наличие в их комплектах поставки примеров моделей и характеристик работы сети; - они помогают пользователям освоиться с продуктами. Это можно только приветствовать, поскольку моделирование и анализ поведения сетей - наука хитрая; производители и пользователи только начинают ее постигать.

Следует ожидать, что средства моделирования будут адаптироваться к изменениям характера сетей, которые становятся все более интеллектуальными и все в большей степени ориентируются на системные параметры (в частности, на учет характера приложений и предоставляемых сетевых услуг). В ближайшем будущем следует ожидать и появления средств моделирования и прогнозирования для Gigabit Ethernet. Это особенно важно в связи с выявленными проблемами с дифференциальными задержками на многомодовом кабеле.

Еще один важный момент - передача голоса через IP. Ясно, что производители средств моделирования будут обращать все больше внимания на эту проблему, по мере того как компании, стремящиеся переложить свой междугородний телефонный трафик на Internet, будут пытаться оценить воздействие соответствующей нагрузки на свои сети, базирующиеся на маршрутизаторах. Можно также ожидать появления новых компаний, которые сосредоточат свои усилия на новых технологиях, таких как Gigabit Ethernet и IP-телефония.

Появление новых производителей средств анализа приведет к усилению конкуренции и снижению цен на изделия, однако при этом усложнится проблема выбора.