Обоснование постановки задачи

В современном мире новейших технологий сетевые инженеры нередко сталкиваются с проблемами в своей сфере деятельности. В условиях повсеместной глобализации Интернета, а также интенсивной динамики развития сетевых технологий и технократического общества текущий этап характеризуется стремительным ростом степени мгновенных взаимных коммуникаций и автоматизации производственных процессов. Данный вектор развития способствует появлению услуг и сервисов нового поколения, которые приводят к увеличению объёмов информации, передаваемой по различным каналам связи и, как следствие, повышают требования к реализации и внедрению телекоммуникационных систем (ТКС). В связи с этим на этапе разработки и внедрения, возникает необходимость в получении эксплуатационных и испытательных характеристик вышеупомянутых сетей, с целью их последующего анализа и, как результат, получения общего заключения — соответствуют ли разрабатываемые ТКС ключевым требованиям производительности, безопасности, отказоустойчивости, надёжности и эффективности. Вышеописанная необходимость поднимает очень важную проблему области телекоммуникаций — создание испытательных стендов ТКС на основе парадигмы моделирования. Можно отметить, что самым релевантным вариантом для организации тестовых телекоммуникационных стендов является имитационный метод моделирования. Однако описанный программный инструментарий данного метода на сегодняшний день может считаться неэффективным в силу сложности установки, юстировки и дальнейшей эксплуатации в сравнении с новыми программноориентированными комплексами и платформами.

 

Выбор метода разработки

Моделирование представляет собой 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 7каком-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 8являются 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.

Программные эмуляторы сетевого оборудования – это программные продукты, позволяющие соединить в себе функции и параметры реальной вычислительной сети. Они были разработаны для проектирования, моделирования и тестирования работы сети. Большинство эмуляторов достаточно удобны в использовании, так как предоставляют графический интерфейс для управления сетевой инфраструктурой, что бывает намного удобнее чем управление подключениями реальных устройств.

 

Классификация эмуляторов

Все эмуляторы сетевого оборудования можно разделить на две основные группы:

1. Аппаратно-реализованные эмуляторы.

2. Программно-реализованные эмуляторы.

К перовой группе относят, как правило, узко специализированное оборудование, позволяющее при подключении к нему реального телекоммуникационного оборудования имитировать работу реальной телекоммуникационной сети, либо какой-то ее части (как правило - каналов связи). В аппаратных эмуляторах на аппаратном уровне реализованы процессы, протекающие в реальных сетях - возникновение задержек, потерь пакетов, искажения передаваемых данных и т.п. событий. Основная цель разработки и применения аппаратных эмуляторов - исследование работы реального телекоммуникационного оборудования в различных условиях и при различных характеристиках каналов. Ко второй группе эмуляторов относят специально разработанные программы, позволяющие имитировать работу оборудования и каналов связи, а также работу командных интерфейсов активного сетевого оборудования. Основная цель использования программных эмуляторов - применение в качестве научно-исследовательской деятельности, для постановки научных экспериментов. Также, данные программы часто используются в качестве обучающих систем для подготовки персонала в работе с сетевым оборудованием.

 

 

Выбор сетевого оборудования

Для решения задач создания вычислительных сетей разрабатывается сетевое оборудование различного назначения: коммутатор – сетевое оборудование для объединения компьютеров в одну или несколько локальных сетей; маршрутизатор – устройство, предназначенное для взаимодействия компьютеров, находящихся в разных локальных сетях и предоставления доступа в сеть Интернет; межсетевой экран – устройство, обеспечивающее безопасность в сети и т.д. На сегодняшний день существует множество компаний, производящих сетевое оборудование, и компания Cisco Systems считается безусловным фаворитом на рынке сетевого оборудования (занимает около 70% рынка) и предлагает устройства для создания вычислительных сетей от небольшого офиса до крупных корпораций. Компания Cisco Systems является производителем сетевого оборудования с 1984 года и по сей день является лидером в этой отрасли. Сетевое оборудование компании заметно выделяется на фоне конкурентов и обладает многими достоинствами:

· Надежность – сетевое оборудование, выпускаемое компанией, функционирует на базе операционной системы Cisco IOS и включает в себя огромный спектр настройки и конфигурирования устройства;

· Гибкость – сетевые устройства под управлением Cisco IOS могу одновременно выполнять совершенно различные функции: маршрутизационные, защитные, отладочные и т.д.;

· Интеллектуальность – устройства компании содержат широкий спектр различных технологий и протоколов, как стандартных, так и разработанных собственно компанией Cisco;

· Централизация – для управление устройствами могут использоваться мощные комплексы управления и отладки оборудования, например, такие, как Cisco Security Manager и д.р. Из недостатков, можно лишь выделить стоимость оборудования. Однако, стоит отметить то, что высокая стоимость выпускаемого оборудования компанией Cisco окупается за счет надежности и срока службы данного оборудования. Учитывая широкое распространение сетевого оборудования под управлением Cisco IOS (Internetwork Operating System — Межсетевая Операционная Система), а также высокую стоимость данного оборудования, еще более ясным становится необходимость в применении программных эмуляторов сетевого оборудования для создания моделей вычислительных сетей. Именно на оборудовании данного производителя будут проектироваться будущие модели вычислительных сетей.