WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

«Збiрник Наукових праць ОНАЗ iм. О.С. Попова, № 2, 2006. - с. 35-43. УДК 621.39, 004.7 ЗАЙЦЕВ Д.А., ШИНКАРЧУК Т.Н. ZAITSEV D.A., SHINKARCHUK T.N. МОДЕЛИРОВАНИЕ ...»

Збiрник Наукових праць ОНАЗ iм. О.С. Попова, № 2, 2006. - с. 35-43.

УДК 621.39, 004.7 ЗАЙЦЕВ Д.А., ШИНКАРЧУК Т.Н.

ZAITSEV D.A., SHINKARCHUK T.N.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

В СИСТЕМЕ NS

MODELING TELECOMMUNICATION NETWORKS

WITH SYSTEM NS

Аннотация. Выполнено построение модели фрагмента Европейской магистрали Интернет в среде моделирующей системы NS. Для оценки пропускной способности магистрали, времени доставки пакета и процента доставленных пакетов разработаны соответствующие скрипты ОС Unix, выполняющие анализ полной трассы имитационного моделирования.

Подтверждена адекватность ранее представленных моделей, построенных в форме раскрашенных сетей Петри.

Summary. The development of model for a fragment of European Internet backbone in the environment of simulation system NS was implemented. For the estimation of backbone’s throughput, packet’s delivery time and delivered packets percentage the corresponding scripts of OS Unix, using the analysis of complete simulation trace, were written. The adequacy of earlier represented models in the form of colored Petri nets was confirmed.

Повышение сложности современных телекоммуникационных технологий (что косвенно подтверждается увеличением объёма их стандартных спецификаций) создаёт проблему в применении аналитических методов для оценки характеристик проектируемых систем и сетей, и обуславливает широкое применение имитационного моделирования. Указанную тенденцию иллюстрирует анализ трудов известного ежегодного симпозиума IEEE MASCOTS (Моделирование, анализ и имитация компьютерных и телекоммуникационных систем) [1], более двух трети докладов которого посвящено исследованию телекоммуникационных сетей именно методами имитационного моделирования.



В последнее время широкое развитие получили специализированные системы имитационного моделирования телекоммуникационных сетей, такие как NS, GTNeS, OPNET, NISTNET, DummyNet, ModelNet, Ohio Network Emulator, ENDE, Emulab, EMPOWER, NSE, Vint/NS, NETWARS. Центральное место среди них занимает система NS (Network Simulator) [2], лидирующая по количеству применений в реальных проектах. Система NS представляет новое поколение моделирующих систем, созданных как расширение объектноориентированного языка программирования. Применение языка программирования позволяет описать заголовки пакетов и особенности взаимодействия компонентов с максимальной степенью детализации в соответствии со стандартами, что повышает реалистичность моделей.

Альтернативным является подход, основанный на использовании языка раскрашенных сетей Петри для представления моделей [3], успешно применённый для исследования сетей Ethernet [4], TCP/IP и MPLS [5], Bluetooth [6]. Раскрашенные сети системы CPN Tools [7] представляют собой комбинацию графа сети Петри и языка функционального программирования CPN ML. Язык ML даёт преимущества языка программирования при описании заголовков пакетов и алгоритмов их обработки, а граф сети Петри позволяет наглядно представить сложное взаимодействие компонентов.

Однако при исследовании магистральных TCP/IP и MPLS сетей в CPN Tools [5] не были выполнены сравнения полученных результатов с измерениями характеристик реальных магистралей. Вопрос измерения реальных магистралей является достаточно сложным по организационным причинам, поэтому предлагается косвенная проверка путём сравнения с результатами, полученными с помощью других систем. В качестве такой эталонной системы для сравнения выбрана NS ввиду её широкого промышленного применения и подтверждённой адекватности построенных в её среде моделей реальным телекоммуникационным процессам [1].





Целью настоящей работы является построение моделей магистральных TCP/IP сетей в системе NS и сравнительная оценка полученных характеристик с результатами моделирования в CPN Tools [5].

1. Обзор системы NS. Система NS [2] разработана в университете Беркли в сотрудничестве с компанией Xerox. Она реализована на языке C++ и использует язык OTcl в качестве командного и конфигурационного интерфейса. Для описания моделей создан текстовый язык, являющийся расширением языка OTcl. Модель представляет собой файл с расширением.tcl, который затем подаётся на вход симулятора ns. Для наглядного представления процессов моделирования используется аниматор nam (Network Animator), кроме того, графическое представление характеристик моделей может быть получено в программе xgraph.

Для описания топологии сети NS предлагает две основных концепции: узел (node) и связь (link). Узлы и связи имеют множество атрибутов, позволяющих описывать реальное оборудование.

Для создания узла используется команда:

$ns node Созданные узлы нумеруются моделирующей системой последовательно с нуля, кроме того, им могут быть присвоены имена, например, имена T1 и T2:

set T1 [$ns node] set T2 [$ns node] Для задания атрибутов узлов служит команда $ns node-config attribute value Так атрибут –addressType задаёт тип адресации узлов и вместо стандартной flat может быть выбрана иерархическая структура адреса hierarchical с указанием количества уровней иерархии и количества бит для каждого уровня. Так, например, структура стандартного IP-адреса может быть описана как $ns node-config –addressType hierarchical 4 8 8 8 8

Связи между узлами могут быть симплексными, дуплексными и имеют такие атрибуты как пропускная способность, задержка, тип очереди и другие. Следующая команда описывает дуплексную связь между узлами $R1 и $R2 с пропускной способностью 1Mbps, задержкой 10ms и очередью с потерями при переполнении:

$ns duplex-link $R1 $R2 1Mb 10ms DropTail Для описания трафика сети вводится концепция агентов (agent). Отдельными агентами описываются источники и стоки трафика. Агенты присоединяются к узлам. Направление трафика задаётся путем логического соединения источника со стоком:

#создать новый TCP источник set tcp [new Agent/TCP] #создать новый TCP сток set sink [new Agent/TCPSink] #присоединить агент tcp к узлу T1 $ns attach-agent $T1 $tcp #присоединить агент sink к узлу T2 $ns attach-agent $T2 $sink #соединить источник tcp со стоком sink $ns connect $tcp $sink

Конкретный трафик генерируется протоколами прикладного уровня, такими как Telnet, HTTP, FTP, например:

set ftp [new Application/FTP] #создать генератор FTP трафика #присоединить генератор ftp к агенту tcp $ftp attach-agent $tcp

Возможно моделирование случайного трафика с различными законами распределения. Предоставляются атрибуты для задания размера пакетов и интенсивности трафика, например:

#задать размер пакета в 1000 байт $ftp set packetSize_ 1000 #задать интервал между пакетами в 0.02 с $ftp set interval_ 0.02

Работа симулятора во времени управляется командами запуска и завершения генерации трафика:

$ns at 1.25 “start $ftp” #запустить генератор ftp в момент времени 1.25 с $ns at 4.67 “stop $ftp” #остановить генератор ftp в момент времени 4.67 с Для исследования характеристик модели следует либо сохранить полную трассу процесса моделирования для последующего анализа, либо дополнить модель пользовательскими процедурами, выполняющими сбор и обработку требуемой статистической информации. Сохранение полной трассы в файле my-tracefile.out выполняется командой:

$ns trace-all [open my-tracefile.out w] Простейшие модели телекоммуникационных сетей могут быть описаны указанными командами, однако, для построения сложных моделей требуется написание процедур на языке Tcl, например, для автоматической генерации сложной топологии и трафика, а также оценки характеристик моделей в процессе имитации.

В настоящее время система NS содержит библиотеки классов для моделирования сетей TCP/IP, MPLS, локальных, мобильных, спутниковых и радио сетей. Кроме того, создано множество классов для исследования маршрутизации, так для TCP/IP сетей возможно моделирование статической и динамической маршрутизации. При необходимости моделирования новых протоколов либо оборудования требуется разработать соответствующую библиотеку классов на языке C++ и интегрировать её в среду NS.

2. Описание топологии магистральной сети. В настоящей работе построена модель магистральной TCP/IP сети, исследованной в [5]. Структурная схема сети представлена на Рис. 1. Сеть состоит из 6 терминальных подсетей T1-T6, территориально расположенных в указанных странах, и магистральной сети, образованной 7-ю маршрутизаторами R1-R7.

Рисунок 1 – Структурная схема магистральной сети

При построении модели структура IP-адреса не рассматривалась, поэтому использована простая схема адресов plain. Кроме того, применена, как и в работе [5] статическая маршрутизация. Топология сети описана последовательностью tcl команд, представленной на Рис. 2.

–  –  –

Заметим, что в системе NS временные характеристики задаются для связей; стандартное множество атрибутов узла не содержит временную задержку. Для этих целей необходимо создание специальных процедур-агентов узла. Поэтом в настоящей модели времена обработки пакетов маршрутизаторами вынесены на инцидентные связи. Заметим, что время передачи пакета вычисляется системой NS по следующей формуле:

s / b + d, где s – размер пакета в битах, b – скорость связи в бит/c, d – задержка связи. Указанная задержка связи d и используется для представления времени обработки пакета маршрутизатором.

Кроме того, для наглядного графического отображения процессов передачи пакетов в Nam задано графическое отображение очередей на линиях связи магистральной сети, представленное на Рис. 3.

–  –  –

3. Описание трафика. Трафик сети описан в соответствии с [5]. Каждая терминальная сеть генерирует потоки к каждой другой терминальной сети. Поскольку взаимодействие клиент-сервер [4] в [5] не рассматривалось, для генерации потокового трафика выбран агент UPD. На Рис. 4 представлен фрагмент агентов трафика и их соединений для терминальной сети T2; для других терминальных сетей фрагменты имеют аналогичную форму. Классы трафика (class) выбраны для отображения различными цветами пакетов различных терминальных сетей в nam.

–  –  –

Для генерации трафика использовано случайное экспоненциально распределённое время и фиксированная длина пакетов, равная 500 байтов. Пример генератора для пары узлов T2 и T4 изображён на Рис. 5.

–  –  –

Генератор exp2_4 включается на случайный экспоненциально распределённый интервал времени со средним burst_time_ и выключается на случайный экспоненциально распределённый интервал времени со средним idle_time_; во включенном состоянии он генерирует пакеты с постоянной битовой скоростью rate_. При исследовании модели использован последовательный запуск и остановка генераторов трафика. На Рис. 6 приведен пример для терминальной подсети T2.

–  –  –

Рисунок 6 – Запуск и остановка генераторов трафика (для терминальной сети T2) Следует отметить, что использование процедур языка tcl с операторами цикла для выбора пар терминальных сетей позволяет значительно сократить размер модели.

4. Оценка характеристик модели. Поведение построенной модели наблюдалось в аниматоре Nam, графически отображающем динамику передачи пакетов и состояние очередей. Пример образа экрана nam приведен на Рис. 7. Заметим, что nam использует номера узлов в соответствии с их порядком появления в описаниях. Анимация отображает графически потоки передаваемых пакетов вдоль связей, а также возникающие очереди (последовательность квадратов и ромбов соответствующего цвета), что позволяет оценить узкие места в сети визуально.

–  –  –

Для оценки числовых характеристик пропускной способности и качества обслуживания возможно два подхода:

– сохранение и последующий анализ полной трассы симулятора;

– создание специальных tcl процедур для вычисления и отображения характеристик.

В настоящей работе применён первый из указанных подходов.

Запись файла трассы симулятора имеет вид:

+ 0.671379 7 0 exp 500 ------- 1 7.3 11.5 3 12 где в первой колонке указан знак операции: «+» – постановка в очередь, «-» – выборка из очереди, «r» – получение пакета, «d» – потеря пакета; во второй колонке указано время в секундах, третья и четвёртая колонки отображают начальный и конечный узлы связи; далее следует тип пакета, его длина, флаги протокола и идентификатор потока; поля отправителя и получателя заголовка пакета; номер последовательности; уникальный идентификатор пакета.

Используя уникальный идентификатор пакета можно легко выделить трассу пакета из файла, например, трассу 12 пакета с помощью команды Unix:

grep " 12$" my-tracefile.out Полученный результат представлен на Рис. 8. Пакет 12 отправлен узлом 7 (T1) узлу 11 (T5).

На трассе прослеживаются события проследования очередей и получения пакета промежуточными узлами 0 (R1), 1 (R2), 3 (R4), 5 (R6). Время доставки пакета может быть вычислено как разность времен получения конечным узлом и отправления начальным: 0.741379 – 0.671379.

–  –  –

В настоящей работе предложен простой способ оценки характеристик модели на основе анализа файла трассы с помощью командных файлов ОС Unix, не требующий использования специальных классов системы NS. На Рис. 9 и 10 представлены командные файлы (скрипты) ОС Unix для вычисления средней пропускной способности и времени доставки пакета соответственно.

t0=`cut -f2 -d " " my-tracefile.out|sort -n|head -1` #начальное время tl=`cut -f2 -d " " my-tracefile.out|sort -n|tail -1` #конечное время D=`rexpr $tl - $t0` #интервал времени S=0 for i in 7 8 9 10 11 12; do #цикл по терминальным сетям for p in `grep "^r [0123456789.]* [0123456789]* $i " my-tracefile.out|cut -f6

-d " "`; do S=`expr $S + $p` #суммирование длин полученных пакетов done done T=`expr $S \* 8` T=`rexpr $T / $D` echo "Traffic: $T bps"

Рисунок 9 – Скрипт вычисления пропускной способности (трафика)

Переменная i принимает значения номеров узлов терминальных сетей; доставка пакета фиксируется по его получению узлом назначения; количество полученных пакетов накапливается в переменной S. Команда rexpr является модификацией expr для вычисления выражений в действительных числах.

m=`cut -f12 -d " " my-tracefile.out|sort -n|tail -1` #максимальный номер пакета m1=`expr $m + 1` i=0; j=0; s=0 while [ $i -le $m ] #цикл по всем пакетам do if [ `grep " $i$" my-tracefile.out|tail -1|cut -f1 -d " "` != "d" ] then #не потерянный пакет t1=`grep " $i$" my-tracefile.out|head -1|cut -f2 -d " "` t2=`grep " $i$" my-tracefile.out|tail -1|cut -f2 -d " "` j=`expr $j + 1` dt=`rexpr $t2 - $t1` #время доставки пакета s=`rexpr $s + $dt` fi i=`expr $i + 1` done adt=`rexpr $s / $j` dl=`rexpr $j / $m1` echo "Average delivery time: $adt s. Delivered percent: $dl"

Рисунок 10 – Скрипт вычисления времени доставки

Создание специальных tcl процедур для накопления требуемой статистической информации позволяет выполнять вычисление характеристик «на лету» в процессе имитации, а также получать представление динамики характеристик во времени с помощью программы xgraph. Однако для разработки таких процедур необходимо углублённое изучение системы NS и библиотек языков tcl и С++.

5. Анализ результатов моделирования. Выполнено имитационное моделирование процессов в указанном фрагменте Европейской магистрали Интернент (Рис. 1) для различной интенсивности потоков, генерируемых терминальными сетями. Оценивались пропускная способность магистрали, среднее время доставки пакета и процент доставленных пакетов по трассе моделирования с помощью скриптов, представленных на Рис. 8–10. Полученные результаты представлены на Рис. 11.

–  –  –

5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 4,00 5,00 7,00 9,00 10,00

–  –  –

0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 4,00 5,00 7,00 9,00 10,00

–  –  –

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,50 1,00 1,50 2,00 4,00 5,00 7,00 9,00 10,00

–  –  –

Поведение сети исследовалось при пиковых нагрузках. Интенсивность источников трафика до 150 Kbps соответствует нормальной нагрузке сети с долей потерянных пакетов не превышающей 2-3% и временем доставки пакета 0,05-0,15 с.; при этом пропускная способность всей сети примерно равняется суммарному сгенерированному трафику. Дальнейший рост интенсивности трафика приводит к снижению пропускной способности из-за роста очередей и потери пакетов и значительному увеличению времени доставки пакета (до 0,4 с.).

Выполнен пересчёт временных задержек переходов для моделей, ранее построенных в форме раскрашенных сетей Петри [5] в системе CPN Tools, в пропускные способности и задержки каналов системы NS. Отличия полученных оценок пропускной способности и времени доставки пакета составляют не более четырёх процентов, что является косвенным подтверждением адекватности моделей, построенных в CPN Tools, реальным процессам в магистральных сетях.

Таким образом, в настоящей работе выполнено построение модели фрагмента Европейской магистрали Интернет в среде моделирующей системы NS. Для оценки пропускной способности магистрали, времени доставки пакета и процента доставленных пакетов разработаны соответствующие скрипты ОС Unix, выполняющие анализ полной трассы имитационного моделирования. Подтверждена адекватность ранее представленных моделей, построенных в форме раскрашенных сетей Петри.

Литература

1. Proceedings of 12th Annual Meeting of the IEEE / ACM International Symposium on Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommunication Systems, October 5-7, 2004 (MASCOTS 2004). – Volendam (Netherlands). – 2004. – 614 p.

2. The ns Manual / Ed.: Kevin Fall, Kannan Varadhan. – The VINT Project, 2006. – 414 p.

3. Jensen K. Colored Petri Nets - Basic Concepts, Analysis Methods and Practical Use. – SpringerVerlag, 1997. – Vol. 1-3. – 673 p.

4. Зайцев Д.А., Шмелёва Т.Р. Моделирование коммутируемой локальной сети раскрашенными сетями Петри // Зв'язок. – 2004. – Т. 46, № 2. - C. 56-60.

5. Зайцев Д.А., Сакун А.Л. Исследование эффективности технологии MPLS с помощью раскрашенных сетей Петри // Зв'язок. – 2006. – Т. 65, №5. – С. 49-55.

6. Зайцев Д.А., Березнюк М.В. Исследование эффективности использования адресного пространства протокола Bluetooth // Радиоэлектроника. Информатика. Управление. – 2006. – №1. – C. 57-63.

7. Albert K., Jensen K., Shapiro R. Design/CPN: A Tool Package Supporting the Use of Colored

Похожие работы:

«Алеф Консалтинг & Софт Профессиональный подход Виртуозное исполнение Алеф.Net-технологии и решения Пятое поколение Системы Алеф (Алеф.Net) это современная высокотехнологичная платформа для быстрой разработки многоуровневых распределенных систем на основе технологии Micr...»

«ОПИСАНИЕ ПЛАГИНОВ ПАКЕТА WAVES часть 1 1. Что это за зверь такой. Что такое плагин, наверное, знает каждый, кто работал с софтом по созданию музыки, обработки. Для тех, кто забыл, напомню: плагин — это некий дополняющий модуль, который подключается к программе для получения новых функц...»

«СОДЕРЖАНИЕ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. 3 1.1 Программа подготовки специалистов среднего звена, реализуемая по специальности 26.02.02 Судостроение 3 1.2 Нормативные документы для разработки ППССЗ по специальности 26.02.02 Судостроение 3 1.3 Общая характеристика программы подготовки специалистов среднего звена 3 ХАР...»

«S/2014/147 Организация Объединенных Наций Совет Безопасности Distr.: General 6 March 2014 Russian Original: English Записка Председателя Совета Безопасности В пункте 29 своей резолюции 2094 (2013) Совет Безопасности просил...»

«JATI JT-CT1201 АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ КОМПАКТНАЯ ВЫШИВАЛЬНАЯ МАШИНА С СЕНСОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Руководство по эксплуатации Внимание! Перед началом эксплуатации ознакомьтесь с данным руководством! Компактная автоматическая вышивальная машина марки JATI модели JT-CT12...»

«Труды Русского энтомологического общества. С.-Петербург, 2006. Т. 77: 192–199. Proceedings of the Russian Entomological Society. St. Petersburg, 2006. Vol. 77: 192–199. Фауна и распре...»

«Сучасний захист інформації №1, 2014 УДК 004.047 О.В.Копейка АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ИТ-ИНФРАСТРУКТУРЫ В ДАТА-ЦЕНТРАХ В статье рассмотрены варианты формирования архитектуры системы безопасности в современных датацентрах. Архитек...»

«Организация Объединенных Наций S/2016/395 Совет Безопасности Distr.: General 27 April 2016 Russian Original: English Письмо Генерального секретаря от 26 апреля 2016 года на имя Председателя Совета Безопасности Во исполнение резолюции 1031 (1995) Совета Безопасности имею честь...»

«© 1995 г. М.Ф. ЧЕРНЫШ СОЦИАЛЬНАЯ МОБИЛЬНОСТЬ И МАССОВОЕ СОЗНАНИЕ* В классических исследованиях социальной мобильности неоднократно предпринимались попытки связать различные типы перемещений человека по со...»








 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.