В данной статье рассматривается сущность понятия моделирования, его виды и классификация моделей. Моделирование, как метод освоения практических навыков при работе с компьютерной сетью.
Ключевые слова: моделирование, симуляция, компьютерная сеть
Современные компьютерные сети предполагают наличие множество возможных технических и технологических решений для передачи данных. Определение работоспособности того или иного варианта можно проверить двумя способами. Первый способ — это собрать реальную топологию, а второй способ — апробирование предполагаемой топологии виртуально.
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. [1]
Система компьютерной сети — это набор элементов сети, таких как: маршрутизаторы, коммутаторы, соединительные кабеля, пользователи, и приложения, которые работают вместе для достижения некоторых задач. Область исследования моделирования может быть только система, которая является частью другой системы, как в случае подсетей. Штат сетевой системы включает набор соответствующих переменных и параметров, описывающих систему в определенное время, которые составляют предмет исследования. Например, если будет поставлен вопрос об использовании соединительных кабелей, можно узнать количество битов, переданных через кабели, также общая сумма памяти кабелей, а не количество буферов, доступных для порт в коммутаторах, подключенных по кабелю.
Вместо того, чтобы строить реальную модель сети, есть возможность построения математической модели, представляющую поведение, а также логические и количественные отношения между элементами сети. При изменении отношений между элементами сети, можно проанализировать без построения физической модели сети, предполагая, что модель ведет себя аналогично реальной системы, т. е. это действительная модель. Например, мы можем вычислить использование связь аналитически, используя формулу U = D/T, где D — объем данных, отправляемых в определенный момент времени, а T — пропускная способность соединения (бит в секунду). Это очень простая модель, которые редки в реальном мире проблем. К сожалению, большинство проблем реального мира слишком сложны, чтобы ответить на вопросы, используя простые математические уравнения. В сложных случаях метод моделирования является более целесообразным.
Модели моделирования могут быть классифицированы по разным критериям. Основная классификация выглядит следующим образом:
– Статичная и динамическая модели моделирования: статичная модель характеризуется системой независимой от времени. Динамическая модель моделирования представляет систему, которая меняется со временем;
– Стохастическая и детерминистская модели: если модель представляет систему, которая включает случайные элементы, называется стохастической моделью. В противном случае, она детерминирована. Системы массового обслуживания, базовая система в сетевых моделях, содержащие случайные компоненты, такие как время прибытия пакетов в очереди, время обслуживания пакетов очередей, выходной порт коммутатора, и т. д.;
– Дискретная и непрерывная модели: непрерывная модель представляет систему с переменными состояниями, меняющиеся с течением времени. Примерами являются дифференциальные уравнения, которые определяют отношения по мере изменения некоторых состоянии переменных в соответствии с изменением времени. Дискретная модель характеризуется системой, где состояния переменных меняются мгновенно в дискретные моменты времени. Например, приход пакетов на маршрутизаторе в определенное время — это событие, которое меняет состояние буфера порта в маршрутизаторе.
Из-за сложной природы компьютерных коммуникаций, сетевые модели, как правило также технически сложны. Разработка специальных компьютерных программ для определенной проблемы моделирования возможно, но это может быть очень трудоемким и малоэффективным. В последнее время применение имитационного проектирования и пакеты моделирования стала более привычным, экономя время кодирования и, позволяя проектировщику сконцентрироваться на проблеме моделирования вручную, вместо подробного программирования. На первый взгляд, использование такого сетевого моделирования и пакеты моделирования, как COMNET, OPNET и т. д., создает риск того, что проектировщик должен полагаться на методы моделирования и скрытые процедуры, которые могут быть частными и не могут быть доступны общественности.
В мире все больше и больше данных, компьютеров, системы памяти и сети, проектирование и управление системы становится сложной задачей. Сети становятся быстрее, больше и более комплексными, традиционные статические расчеты больше не являются разумными подходами для проверки реализации нового проекта сети и многомиллионных инвестиций в новые сетевые технологии. Сложные статические вычисления и электронные таблицы больше не являются подходящими инструментами из-за стохастической природы сетевого трафика и сложности всей системы.
Организации в большей степени зависят от новых сетевых технологий и сетевых приложений для поддержки критических бизнес-потребностей. Как следствие, низкая производительность сети может иметь серьезные последствия для успешной работы своего бизнеса. Для того, чтобы оценить различные альтернативные решения для определенной цели проектирования, сетевые дизайнеры все больше полагаются на методы, которые помогают им оценить несколько предложений, прежде чем построятся окончательное решение и реальная система. Общепринятый метод прогнозирования эффективности осуществляется посредством моделирования. Имитационная модель может быть использована проектировщиком сети для анализа вариантов проектирования и изучения поведения новой системы или модификации существующей системы без физического построения. Имитационная модель также может представлять топологию сети и задач, выполняемых в сети, чтобы получить статистические результаты о производительности сети.
Важно понимать разницу между симуляцией и эмуляцией. Цель эмуляции является имитация оригинальной сети и воспроизвести каждое событие, которое происходит в каждом элементе сети и приложения. В симуляции, цель заключается в создании статистической результат, которые отражают поведение отдельных сетевых элементов и их функций.
Моделирование больших сетей с множеством сетевых элементов может привести к большой модели, которую трудно анализировать из-за большого количества статистических данных генерируются в ходе имитационного моделирования. Поэтому рекомендуется анализировать в модели только те части сети, которые являются значимыми в отношении статистических данных, необходимые для получения от моделирования. Крайне важно включать только те детали, которые являются существенными для целей моделирования. Проектировщики сетей, как правило, ставит перед собой следующие цели:
– Моделирование производительности: получение статистики по различным параметрам работоспособности соединения, маршрутизаторов, коммутаторов, времени отклика и т. д.
– Анализ ошибок: анализ последствий отказов элементов сети.
– Проектирование сети: сравнение статистики об альтернативных сетевых проектах, для оценивания требований в альтернативных проектных предложениях.
– Планирование сетевых ресурсов: оценивание влияния изменений на производительность сети, например, добавление новых пользователей, новых приложений и новых сетевых элементов.
Таким образом, моделирование — подходящий инструмент апробации реальных систем. Перед тем, как приступить работать с реальным оборудованием в первый раз, лучше всего опробовать свои теоретические знания в специализированных программных продуктах, которые наиболее наглядно и реалистично отображают характер протекающих процессов, а также максимально точно передают особенности работы с оборудованием. Поэтому симуляторы способны заменить многие дорогостоящие установки, что делает программу надежным, экономичным и эффективным средством обучения, получения практических навыков.
Литература:
- Методы аналитического, имитационного и натурного моделирования // Компьютер пресс. URL:- http://citforum.ru/nets/optimize/locnop_09.shtml (дата обращения: 10.03.2017).
