Моделирование технологии ЛВС на основе пакетов прикладных программ и исследование ее производительности

При проектировании процессов передачи данных в телекоммуникационных сетях и исследовании их параметров используются методы моделирования этих технологий.

В данной работе разработана методика моделирования локально вычислительных сетей (ЛВС) на OPNET Modeler 14.0 и проводится исследование производительности сети при ее расширении. 

При проектировании процессов передачи данных в телекоммуникационных сетях и исследовании их параметров используются методы моделирования этих технологий. В настоящее время существует ряд готовых программных систем имитационного моделирования сетей таких, как OPNET Modeler 14.0, NetCracker и другие [1.2].

Целью данной работы является использование программы OPNET Modeler 14.0, содержащий исчерпывающую библиотеку протоколов и объектов иерархических, сетевых связанных между собой наборов узлов и объектов связи.

Актуальными являются разработанный метод моделирования ЛВС на OPNET Modeler 14.0 с последующим ее расширением и проведение анализа производительности при моделировании расширенной сети.

Для оценки текущей производительности сети необходимо определение статистических данных с конкретного узла, например, текущей загрузки, времени задержки сервера - Server Load при обращении к нему с запросами с оконечных станций. Учитывая, что загрузка сервера - это ключевая статистика, влияющая на производительность сети, текущими задачами являются настройки оборудования данной сети. При проведении эксперимента необходимо произвести настройку сервера, рабочих станций, интерфейсов, приложений конфигурации и  далее задание трафика. Переходим к этапу сбора и обработки статистических данных, получая их от конкретного узла сети (object statistics) или же со всей сети (global statistics). Разработанная модель проектируемой сети приведена на рисунке 1.

 Модель проектируемой сети        

Рисунок 1 - Модель проектируемой сети

Задавая трафик для моделируемой сети в главном меню, нажимаем на  кнопку <трафик>, выделяем в позиции тип нужного трафика. В программе представлены четыре типа трафика: IP Unicast, IP Multicast, VoIP и MPLS VPN. В нашем случае вначале выбираем VoIP, а затем, если есть необходимость, и другие виды трафика для проведения прогона модели, как показано на рисунке 2.

 Окно моделирования технологии передачи по VoIP

Рисунок 2 - Окно моделирования технологии передачи по VoIP

Приступаем к симуляции, предварительно сохранив проект, нажимая в   меню проекта кнопку Save. Проект будет сохранен в C:\Documents and Settings\Guest\op_models. При повторном запуске программы OPNET для открытия существующего проекта необходимо в меню File выбрать Open и название своего проекта.

При проведении симуляции оценим полученные результаты. Перед началом процесса симуляции необходимо настроить некоторые параметры симуляции. Для этого на панели инструментов нужно нажать кнопку configure/run simulation и войти в режим симуляции. В процессе работы нужно сохранять проект, как можно чаще. Для сохранения проекта нужно выбрать пункт <файл> _ <сохранить> (File_Save), а потом нажать Ok.

Теперь, когда определены статистики для сбора и проект сохранен на диске, а также прогон модели, необходимо убедиться, что свойство «репозиторий» (Repositories) было задано. «Репозиторий» включает в себя определенные пользователем компоненты, например, сохраненные модели процессов, и такую организацию конвейеров, при которой устанавливается меньшая задержка перед началом прогона. Для этого выполним следующие действия:

  • выбираем пункт <правка>_ <настройки>(Edit_Preferences);
  • вводим <репозиторий> (Repositories) в поле <поиск> (Find) нажатием на одноименную кнопку;
  • если значение репозитория не равно stdmod, то изменяем поле на stdmod.

Начинаем прогон модели. Нажимаем справа, подводя курсор мыши на середину сервера, в появившемся выпадающем меню нажимаем View Result откроется окно, приведенное на рисунке 3. 

  График показывающий время задержки на сервере

Рисунок 3 - График показывающий время задержки на сервере 

Из рисунка видно, что время задержки сервера составляет 10 секунд  и является почти постоянной величиной для данной сети. Проведенные эксперименты показывают, что при увеличении количества рабочих станций время задержки сервером почти не изменяется, как показывает таблица 1 и график на рисунке 3, из которых видно, что при изменении количества оконечных станций время задержки сервера, равное 10 секундам, почти не меняется.

Таблица 1

  График зависимости времени задержки сервера от количества станций

Рисунок 4 - График зависимости времени задержки сервера от количества станций 

На построенном графике рисунка 4 на основании таблицы 1 красной линией отражено время задержки сервера, а синей - рост количества станций, при этом эффективность использования сервера равна 44,2 %, то есть является нормальной, намного меньше 100%. Из рисунка 5 видно, что нагрузка на коммутаторе за модельное время составила 110 000 000 бит.

 Модельное время в зависимости от проходящего трафика

Рисунок 5 - Модельное время в зависимости от проходящего трафика

Рассмотрим расширение ЛВС, моделируя на пакете программ OPNET Modeler 14 характеристики параметров, время задержки и утилизации пакетов.

Причиной расширения сети является увеличение числа пользователей. Рано или поздно число пользователей возрастает, и требуется расширение или модернизация сети.

Проведем анализ основных компонент расширения ЛВС. Современные компьютерные сети состоят из нескольких базовых компонентов: концентраторов (hubs), объединяющих компьютеры (ПК, рабочие станции, серверы) в локальные сети; мостов (bridges), расширяющих возможности локальных сетей по подключению большего числа компьютеров; маршрутизаторов (routers), объединяющих  локальные  сети,  управляющих  потоком  данных  и повышающих безопасность сетей. Вместе эти компоненты, каждый из которых разработан для эффективного решения определенной сетевой проблемы, создают  полный ансамбль устройств для построения сетей любого масштаба.

Концентратор работает как «повторитель» (первый уровень OSI), передавая сигнал, поступивший на один из портов, без изменения на остальные порты. Следовательно, каждый компьютер «слышит» весь трафик в сети, как если бы это была «широковещательная» сеть с общим кабелем. Все разъемные соединения оказываются сосредоточенными в одном месте, упрощая тем самым подключение дополнительных рабочих мест в сеть.

Таким образом, общая пропускная способность сети увеличивается практически кратно числу сегментов, если провести сегментацию сети. Поскольку каждый сегмент в многосегментном концентраторе является независимым, то для их совместной работы требуются мост, коммутатор или маршрутизатор для передачи пакетов из одного сегмента в другой, что, в свою очередь, приводит к росту накладных расходов - увеличивается стоимость подключения и время передачи пакета между сегментами.

Мосты «не понимают» протоколов более высокого уровня и не связаны с ними. Они функционируют на подуровне управления доступом к среде передачи (MAC) канального уровня модели OSI и отстоят далеко от протоколов верхних уровней типа XNS и TCP/IP.

Маршрутизаторы во многом снимают многие проблемы, связанные с использованием мостов, создавая иерархическое объединение сетей. Все сетевое пространство делится на подсети (subnetworks), охватывающие, в свою очередь, сегменты или группы сегментов, построенных на основе мостов. Маршрутизаторы передают трафик между подсетями, обеспечивают трансляцию форматов пакетов, фильтрацию пакетов и усиливают защиту подсетей. Маршрутизаторы передают пакеты, используя информацию сетевого уровня, а не МАС-адреса. Сетевой адрес имеет два раздела: адрес подсети и адрес конечной станции. Каждому сегменту сети или группе сегментов, объединенных мостами, приписан уникальный адрес подсети, а каждому устройству (компьютеру, маршрутизатору и т.д.) в составе подсети - уникальный адрес устройства.

Благодаря тому, что маршрутизаторы работают на сетевом уровне,  они могут выполнять и защитные функции (firewall), предупреждая «широковещание» МАС-адресов за пределы подсети.

Для расширения сети выбираем маршрутизатор, учитывая его преимущества при расширении сети. В сети, приведенной на рисунке 1, устанавливаем маршрутизатор и соединяем его с коммутатором. Далее маршрутизатор соединим с коммутатором и коммутатор с 30 рабочими станциями.

Число станций может изменяться в большую сторону. Проведем статистические исследования в такой сети. На рисунке 6 приведена разработанная на OPNET Modeler 14 смоделированная сеть. После построения модели расширенной сети необходима настройка новых устройств, коммутатора, маршрутизатора и рабочих станций. При настройке маршрутизатора необходимо построить статическую таблицу маршрутизации, задать интерфейсы, выбрать тип собираемой статистики. Для построения статической таблицы маршрутизации необходимо вручную прописать IP-адреса и маски, для этого в поле Attribute главного меню выбираем пункт IP Routing Parameters Static Routing Table. В строке rows указываем количество активных интерфейсов маршрутизатора. Для каждого интерфейса (строки row) прописываем IP-адрес и маску. 

 Моделирование расширенной сети

Рисунок 6 - Моделирование расширенной сети 

Чтобы задать параметры интерфейсов, в поле Attribute, выбираем пункт Interface Information, в котором номер строки (row) соответствует номеру интерфейса. Для каждого интерфейса, соответствующего одному или нескольким активным портам, задаем IP-адрес и маску подключенного оборудования.

Для того чтобы после процесса симуляции можно было посмотреть таблицу маршрутизации, необходимо в поле Attribute выбирать пункт Routing Table Export и присвоить полю Status значение Enabled. После того как настройка оборудования завершена, необходимо указать тип собираемой статистики. Для этого на исследуемом оборудовании или соединительной линии нажимаем правой кнопкой мыши и выбираем графу Choose Individual Statistics. Далее для каждого сетевого элемента предлагаются на выбор варианты сбора результатов моделирования, как показано на рисунке 7. 

 Фрагмент настройки маршрутизатора

Рисунок 7 - Фрагмент настройки маршрутизатора 

Теперь, когда вся сеть настроена, необходимо провести прогон модели и построение графиков, показывающих изменение производительности сети.

После выбора типа трафика характеристика анализа общего потока изменяется и при прибавлении ещё других типов, например, нагрузки по multicast, растет только количество запросов, остальные величины параметров остаются теми же самыми, а время задержки на сервере растет немного, как показано на рисунке 8. 

 Рост времени задержки на сервере

Рисунок 8 - Рост времени задержки на сервере 

Как видно из рисунка 8, при увеличении величины трафика в расширенной сети быстро растет нагрузка на сервере и во всех устройствах. Вид распределения трафика на других устройствах повторяется, доказывая достоверный факт того, что модель сети построена верно, так как что посылает рабочая станция, то появляется на входе сервера. На рисунке 8 по оси Х-абсцисс отложено модельное время, а по оси - У-величина нагрузки. 

Выводы 

  1. Сравнительный анализ сети до и после расширения показывает, что параметры сети изменяются, например, время задержки сервера возрастает значительно в связи с увеличением числа запросов, поступающих от рабочих станций, требующих увеличения ее производительности.
  2. Разработана методика для проведения статистических исследований в модели для:
  • маршрутизатора и коммутатора: определение времени задержки, объема переданного, полученного и отброшенного трафика по протоколу IP;
  • оконечных пользователей: снятие вариации и статистики времени задержки и объема трафика, полученного и отправленного - двух типов приложений;
  • выбора оборудования, конфигурации, настройки и типа статистики корпоративных сетей.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Вишневский В.М.Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. - М.: Техносфера, 2003. – 512 с.
  2. Маколкина М.А. Моделирование сетей связи c применением пакета OpNET. Метод. указания к лаб. раб.- СПб., СПбГУТ.
Фамилия автора: М.З. Якубова, Б.М. Якубов
Год: 2015
Город: Алматы
Яндекс.Метрика