Моделирование сетей и систем связи

Категория: Телекоммуникации

1. Основные понятия и принципы функционирования мультисервисных сетей связи

2. Архитектура и особенности построения мультисервисных сетей связи

2.1. Особенности построения мультисервисных сетей

3. Проблема внедрения сетей следующего поколения (NGN)

4. Технология IPv4

4.1. Возможности и структура сетей IP

4.2. Адресация в сетях IPv4

5. Технология IPv6. Основные принципы

5.1. Особенности организации технологии ATM

5.2. Принципы технологии ATM

6. Технология MPLS

6.1. Введение в архитектуру MPLS

6.2. Принцип коммутации

6.3. Метки и способы маркировки

6.4. Стек меток

6.5. Привязка и распределение меток

6.6. Построение коммутируемого маршрута

7. Моделирование. Основные методы моделирования сетей связи

7.1. Аналитическое, имитационное и натурное моделирование

8. Программные средства имитационного моделирования

9. Программный продукт OPNET

9.1. OPNET IT Guru

1. Основные понятия и принципы функционирования мультисервисных сетей связи

В последнее десятилетие основным направлением в области развития телекоммуникационных сетей является создание интегрированной универсальной мультисервисной сети (МС), объединяющей различные виды связи на основе единых организационных и технологических принципов. Такая сеть предоставляет пользователям возможность передавать, принимать и обрабатывать в цифровом виде различную по характеру и объему информацию.

Решением этой проблемы занимаются во многих информационно развитых странах, в том числе и в нашей стране. На сайте Минсвязи России выложен документ под названием "Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России". В нем определены общие принципы и подходы к построению мультисервисных сетей на взаимоувязанной сети связи России, которые могут стать основой национальной информационной инфраструктуры, необходимой для построения информационного общества.

В первое время использования сети Интернет главным достоинством пакетной передачи информации была возможность создавать надежные сети, способные передавать нагрузку на большие расстояния, сейчас же на первый план выходит способность современных пакетных технологий обеспечить надежное качество обслуживания QoS.

К технологиям, обладающим данными характеристиками, необходимо, в первую очередь, отнести IPv6, ATM, MPLS.

Сложность анализа мультисервисных сетей объясняется многообразием использования различных вариантов источников мультимедийной нагрузки и количества объединяемых каналов для предоставления услуги пользователю цифровой сети. Одним из главных способов анализа и оптимизации мультисервисных сетей является моделирование. О нем речь пойдет в последующих лекциях.

Ниже приведены основные понятия, применяемые при рассмотрении мультисервисных сетей.

Мультисервисная сеть – это сеть связи, построенная в соответствии с концепцией сети связи следующего поколения и обеспечивающая предоставление неограниченного набора услуг.

Сеть доступа – сеть связи, обеспечивающая подключение терминальных устройств пользователя к оконечному узлу транспортной сети.

Традиционная сеть связи – существующая сеть связи, такая как ТФОП, СДОП, сеть кабельного телевидения и т.п., изначально предназначенная для предоставления услуг связи одного вида.

Инфокоммуникационная услуга – услуга связи, предполагающая автоматизированную обработку, хранение или предоставление по запросу информации с использованием средств вычислительной техники, как на входящем, так и на исходящем конце соединения.

Услуга переноса – услуга, заключающаяся в прозрачной передаче информации пользователя между сетевыми окончаниями без какого-либо анализа или обработки ее содержания.

Узел управления услугами – специализированный узел сети связи, осуществляющий управление предоставлением услуг в соответствии с концепцией интеллектуальной сети связи и принадлежащей оператору сети связи.

Основным принципом концепции мультисервисных сетей является отделение друг от друга функций переноса и коммутации, функций управления вызовом и управления услугами.

Функциональная модель сетей NGN, в общем случае, может быть представлена тремя уровнями:

  1. транспортный уровень;
  2. уровень управления коммутацией и передачей информации;
  3. уровень управления услугами.

Задачей транспортного уровня является коммутация и прозрачная передача информации пользователя.

Задачей уровня управления коммутацией и передачей является обработка информации сигнализации, маршрутизация вызовов и управление потоками.

Уровень управления услугами содержит функции управления логикой услуг и приложений и представляет собой распределенную вычислительную среду, обеспечивающую:

    • предоставление инфокоммуникационных услуг;
    • управление услугами;
    • создание и внедрение новых услуг;
    • взаимодействие различных услуг.

Данный уровень позволяет реализовать специфику услуг и применять одну и ту же программу логики услуги вне зависимости от типа транспортной сети (IP, АТМ, FR и т.п.) и способа доступа. Наличие этого уровня позволяет также вводить в сети любые новые услуги без вмешательства в функционирование других уровней.

Уровень управления услугами может включать множество независимых подсистем ("сетей услуг"), базирующихся на различных технологиях, имеющих своих абонентов и использующих свои, внутренние системы адресации.

Основу сети NGN составляет универсальная транспортная сеть, реализующая функции транспортного уровня и уровня управления коммутацией и передачей. Назначением транспортной сети является предоставление услуг переноса.

Концепция NGN во многом опирается на технические решения, уже разработанные международными организациями стандартизации.

Сеть связи следующего поколения (NGN) - концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи.

Несомненным положительным фактором концепции NGN, является трехслойная структура – сервисы/управление/транспорт, которая, как ожидается, позволит:

    • Предоставлять гибкую масштабируемость в расширении спектра услуг, в увеличении объемов услуг, в наращивании производительности транспортных сетей;
    • Благодаря этому снизить инвестиционные риски;
    • Повысить конкурентно способность в условиях быстро растущего рынка информационных технологий.

2. Архитектура и особенности построения мультисервисных сетей связи

Архитектура сети связи представлена на рисунке 1.1.


Рисунок 1.1 - Архитектура сети связи

Основу сети составляет универсальная транспортная сеть, реализующая функции транспортного уровня и уровня управления коммутацией и передачей.

В состав транспортной сети могут входить:

    • транзитные узлы, выполняющие функции переноса и коммутации;
    • оконечные (граничные) узлы, обеспечивающие доступ абонентов к мультисервисной сети;
    • контроллеры сигнализации, выполняющие функции обработки информации сигнализации, управления вызовами и соединениями;
    • шлюзы, позволяющие осуществить подключение традиционных сетей связи (ТФОП, СПД, СПС).

Контроллеры сигнализации могут быть вынесены в отдельные устройства, предназначенные для обслуживания нескольких узлов коммутации. Использование общих контроллеров позволяет рассматривать их как единую систему коммутации, распределенную по сети. Такое решение не только упрощает алгоритмы установления соединений, но и является наиболее экономичным для операторов и поставщиков услуг. Назначением транспортной сети является предоставление услуг переноса.

Реализация инфокоммуникационных услуг осуществляется на базе узлов служб (SN) и узлов управления услугами (SCP).

SN является оборудованием поставщиков услуг и может рассматриваться в качестве сервера приложений для инфокоммуникационных услуг, клиентская часть которых реализуется оконечным оборудованием пользователя.

SCP является элементом распределённой платформы ИСС и выполняет функции управления логикой и атрибутами услуг.

Совокупность нескольких узлов служб или узлов управления услугами, задействованных для предоставления одной и той же услуги, образуют платформу управления услугами. В состав платформы также могут входить узлы административного управления услугами и серверы различных приложений.Оконечные (оконечно-транзитные) узлы транспортной сети могут выполнять функции узлов служб, т.е. состав функций граничных узлов может быть расширен за счет добавления функций предоставления услуг.

Инфокоммуникационные услуги предполагают взаимодействие поставщиков услуг и операторов связи, которое может обеспечиваться на основе функциональной модели распределённых (региональных) баз данных, реализуемых в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т X.500.

Доступ к базам данных организуется с использованием протокола LDAP (Lightweight Directory Access Protocol).

Вышеуказанные базы данных позволяют решить следующие задачи:

    • создание абонентских справочников;
    • автоматизация взаиморасчётов между операторами связи и поставщиками услуг;
    • обеспечение взаимодействия между операторами связи в процессе предоставления услуг ИСС;
    • обеспечение взаимодействия терминалов с различными функциональными возможностями на разных концах соединения.

Концепция NGN во многом опирается на технические решения, уже разработанные международными организациями стандартизации.

Для доступа абонентов к услугам сети используются:

    • интегрированные сети доступа, подключенные к оконечным узлам мультисервисной сети и обеспечивающие подключение пользователей как к мультисервисной сети, так и к традиционным сетям (например ТФОП);
    • традиционные сети (ТФОП, СДОП, СПС), абоненты которых получают доступ к мультисервисной сети через узлы, подключенные к шлюзам (Media Gateway).

На ТФОП для доступа используется абонентский участок, для увеличения пропускной способности которого может использоваться специально разработанная технология, а на сетях подвижной связи (2G) может использоваться технология GPRS.

Особенностями NGN, с точки зрения управления, является то, что эти сети состоят из большего числа разнотипных компонентов. Кроме того, в NGN предполагается использование большого числа интерфейсов и более высокая пропускная способность.

Система управления сетями представляет собой набор решений, реализованных на базе различных технологий (фиксированные и мобильные телефонные сети, сети передачи данных, сигнализации и т.д.), предоставляющих различные услуги и построенных на оборудовании различных производителей.Одной из главных особенностей систем управления сетями является открытая модульная архитектура, позволяющая разрабатывать и внедрять новые модули, работать с существующими приложениями и модернизировать существующие модули.

Большую значимость приобретают вопросы управления услугами. Интерфейсы систем управления должны быть открытыми. Отличительными чертами подобных интерфейсов являются:

    • стандартизированные протоколы (например, CMIP, SNMP, FTP, FTAM и др.);
    • использование формальных языков для описания стандартизированных интерфейсов (например, CORBA IDL, JAVA, GDMO, ASN 1. и др.);
    • стабильность, которая позволяет вносить только те изменения, которые будут обратно совместимы.

Основными требованиями, предъявляемыми к системам управления сетями, являются:

    • подготовленное решение на практике должно реализовываться в краткие сроки;
    • структуры открытых систем должны обеспечивать гибкость реализации и совместимость с другими решениями, высокую надежность, и как результат – качество обслуживания;
    • оператор должен иметь возможность модифицировать программное обеспечение для реализации специфических функций и вводить новые услуги через изменение конфигурации;
    • компонентные решения упростят возможности оператора по введению новых пользователей и функций.

Гибкость и масштабируемость позволяют легко адаптироваться к быстро появляющимся новым технологиям и продуктам, а также к изменяющимся потребностям пользователей.

2.1. Особенности построения мультисервисных сетей

Мультисервисные сети представляют собой отдельный класс сетей, на базе которых может быть осуществлено предоставление широкого набора услуг.

Базовые услуги, предоставляемые существующими сетями связи и мультисервисными сетями (например, услуги телефонии) должны обладать идентичными характеристиками. Это означает, что мультисервисные сети должны обеспечивать выполнение принятых норм и требований для каждого типа услуг, включая показатели качества, параметры интерфейсов, адресацию и т.д. Для новых типов услуг (таких как услуги мультимедиа, инфокоммуникационные услуги) мультисервисные сети должны обеспечивать возможность взаимодействия с аналогичными услугами других сетей.

Построение мультисервисных сетей должно соответствовать двухуровневой архитектуре, состоящей из регионального и магистрального (включая межрегиональный) уровней (рис. 1.2).


Рисунок 1.2 - Двухуровневая архитектура мультисервисной сети связи

На региональном уровне мультисервисная сеть должна обеспечивать подключение абонентов и предоставление им как транспортных, так и инфокоммуникационных и других услуг, а также обеспечивать возможность взаимодействия с аналогичными услугами других региональных сетей.

На магистральном уровне мультисервисная сеть должна обеспечивать предоставление услуг переноса для взаимодействия мультисервисных региональных сетей, а также для передачи (при необходимости) нагрузки всех существующих сетей.

Решение указанных проблем связано с формированием сетей доступа, которые позволяют обеспечить разделение трафика на участке, где не накладывается жестких ограничений на cкорость передачи.

Под сетью доступа подразумевается системно-сетевая структура, состоящая из абонентских линий, узлов доступа и систем передачи. Она служит для организации подключения пользователей к ресурсам региональных сетей. Услуги, предоставляемые сетью доступа, можно различать по способам доставки информации, качеству услуги (QoS) и скорости передачи.

Доступ к ресурсам мультисервисной сети осуществляется через граничные узлы, к которым подключается оборудование сети доступа или осуществляется связь с существующими сетями. В последнем случае граничный узел выполняет функции межсетевого шлюза.

Для организации управления мультисервисными сетями необходимо взаимодействие систем управления, принадлежащих различным операторам и поставщикам услуг.

Задачи конфигурации, контроля качества и аварийного надзора в пределах сети одного оператора являются внутренними, а задачи предоставления и обеспечения качества услуг решаются совместно операторами различных сетей.

3. Проблема внедрения сетей следующего поколения (NGN)

Многие фирмы-поставщики телекоммуникационных услуг утверждают, что именно у них имеется вся линейка оборудования, для реализации NGN. Однако, на данный момент NGN является не более чем концепцией, за которой нет пока строгой структуры стандартов на используемые протоколы и интерфейсы, на технологии реализующие эти стандарты. Поэтому, пока нельзя утверждать, что оборудование какой-либо фирмы позволят реализовать весь спектр услуг NGN. Сегодня еще нет технологий, которые бы полностью удовлетворяли запросам перспективной мультисервисной сети.

Однако технологические решения, способные стать ее основой, существуют и на сегодняшний день, т.е. можно построить прообраз мультисервисной сети, которая со временем сможет эволюционировать к мультисервисной сети будущего.

В этих условиях термин NGN, является больше рекламным ходом фирм, для проталкивания своей продукции на телекоммуникационный рынок. Традиционных телефонных операторов, потерявших значительную долю доходов за счет междугородних телефонных услуг, перешедших в руки менее инерционных IP- телефонных провайдеров, одолевают предложениями, о приобретении оборудования NGN, тем самым превратиться в современного мультисервисного оператора.

Однако, уже имеющийся опыт построения элементов мультисервисных сетей (B-ISDN, FR, ATM), показывает, что проблемы заключаются не только в отсутствии современной технологической основы для обеспечения мультисервисных услуг.

Среди проблем, стоящих перед оператором, внедряющим технологии сетей следующего поколения, основными являются:

    • Неразвитая инфраструктура традиционных операторов, ориентированная на поддержку телефонных услуг, но совершенно не готовая к современным маркетинговым шагам по продвижению мультимедийных услуг на рынок, где присутствует конкуренция;
    • Наличие инфраструктуры является необходимым, но не достаточным фактором. Существенным сдерживающим фактором является, с одной стороны, отсутствие у традиционных операторов реального механизма создания и внедрения новых сервисов, а с другой стороны – недостатки их существующей системы взаимодействия с пользователем, включая механизмы анализа рыночной ситуации и формирования адекватного воздействия;
    • Недостаточная проработанность вопросов, связанных с реализацией функций СОРМ в мультисервисных сетях;
    • Вопросы организации биллинга, тарификации услуг сетей следующего поколения также требуют тщательной проработки;
    • Взаимодействие различных компонентов сетей следующего поколения от различных поставщиков также требуют тщательной проработки, например, в форме создания опытной зоны NGN.

4. Технология IPv4

4.1. Возможности и структура сетей IP

Internet Protocol (IP) создан для использования в объединенных системах компьютерных коммуникационных сетей с коммутацией пакетов. IP обеспечивает передачу блоков данных, называемых дейтаграммами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются хост - компьютерами, идентифицируемыми адресами фиксированной длины. Дейтаграмма – это общее название для единиц данных, которыми оперируют протоколы без установления соединения. Как протокол без установления соединений, IP обрабатывает каждую дейтаграмму индивидуально, т.е. каждый пакет маршрутизируется индивидуально, это означает, что пакеты могут быть направлены в обход проблемных сетевых точек. Данный протокол получил название в соответствии с протоколами передачи информации между хост-компьютерами в межсетевой среде. Протокол вызывает в локальной сети протоколы для передачи дейтаграммы Internet на следующий шлюз или хост - получатель.

IP выполняет две главные функции: адресацию и фрагментацию.

Модули IP используют адреса, помещенные в заголовок ячейки Internet протокола, для передачи дейтаграмм их получателям. IP обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейтаграммами Internet.

Протокол использует четыре ключевых механизма для формирования своих услуг: задание типа сервиса, времени жизни, опций и контрольной суммы заголовка.

Тип обслуживания (сервиса) используется для обозначения требуемой услуги. Тип обслуживания - это обобщенный набор параметров, который характеризует комплекс услуг, предоставляемый сетями, и составляющий собственно протокол Internet. Этот способ обозначения услуг должен использоваться шлюзами для выбора рабочих параметров передачи в конкретной сети, для выбора сети, используемой при следующем переходе дейтаграммы, для выбора следующего шлюза при маршрутизации сетевой дейтаграммы.

Механизм времени жизни служит для указания верхнего предела времени жизни дейтаграммы. Этот параметр устанавливается отправителем дейтаграммы и уменьшается в каждой точке на проходимом дейтограммой маршруте. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как дейтаграмма достигнет получателя, эта дейтограмма будет уничтожена. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения.

Механизм опций предоставляет такие возможности, как временные штампы, безопасность, специальная маршрутизация.

Контрольная сумма заголовка обеспечивает проверку того, что информация, используемая для обработки дейтаграмм, передана правильно. Данные могут содержать ошибки. Если контрольная сумма неверна, то дейтаграмма будет разрушена, как только ошибка будет обнаружена.

IP не обеспечивает надежности коммуникации. Не имеется механизма подтверждений ни между отправителем и получателем, ни между хост - компьютерами. Нет возможности контроля ошибок для поля данных, только контрольная сумма для заголовка. Не поддерживается повторная передача, нет управления потоком.

Обнаруженные ошибки оглашаются посредством протокола ICMP (Internet Control Message Protocol), который поддерживается модулем Internet протокола.

4.2. Адресация в сетях IPv4

В IP сетях используются следующие типы адресов: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя).

Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

Локальный адрес узла (физический адрес), определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

Далее рассмотрим формирование IP-адреса более подробно. IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса.

10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.


Рисунок 2.5 - Структура IP-адреса

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса.

Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126 (номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.). В сетях класса А количество узлов должно быть больше 216 , но не превышать 224.

Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28 - 216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.

Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

Таблица 1.1 - Диапазоны адресов сетей, соответствующих каждому классу сетей

Также используются соглашения о специальных адресах: broadcast, multicast, loopback.

Форма группового IP-адреса - multicast - означает, что данный пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения, в отличие от широковещательных, называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.

В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел - источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

5. Технология IPv6. Основные принципы

В конце 1992 года сообщество Интернет для решения проблем адресного пространства и ряда смежных задач разработало три проекта протоколов: "TCP and UDP with Bigger Addresses (TUBA)"; "Common Architecture for the Internet (CatnIP)" и "Simple Internet Protocol Plus (SIPP). После анализа всех этих предложений был принят новый протокол IPv6 с IP-адресами в 128 бит вместо 32 для IPv4. Внедрение этого нового протокола представляет отдельную серьезную проблему, так как этот процесс не предполагает замены всего программного обеспечения во всем мире одновременно.

IPv6 представляет собой новую версию протокола Интернет (RFC-1883), являющуюся преемницей версии 4 (IPv4; RFC-791).

В IPv6 длина адреса расширена до 128 бит (против 32 в IPv4), что позволяет обеспечить больше уровней иерархии адресации, увеличить число адресуемых узлов, упростить авто-конфигурацию. Для расширения возможности многоадресной маршрутизации в адресное поле введено субполе "scope" (группа адресов). Определен новый тип адреса "anycast address" (эникастный), который используется для посылки запросов клиента любой группе серверов. Эникаст адресация предназначена для использования с набором взаимодействующих серверов, чьи адреса не известны клиенту заранее.

Некоторые поля заголовка IPv4 отбрасываются или делаются опционными, уменьшая издержки, связанные с обработкой заголовков пакетов с тем, чтобы уменьшить влияние расширения длины адресов в IPv6. Изменение кодирования опций IP-заголовков позволяет облегчить переадресацию пакетов, ослабляет ограничения на длину опций, и делает более доступным введение дополнительных опций в будущем.

Введена возможность помечать пакеты, принадлежащие определенным транспортным потокам, для которых отправитель запросил определенную процедуру обработки, например, нестандартный тип TOS (вид услуг) или обработка данных в реальном масштабе времени.

В IPv6 введена спецификация идентификации сетевых объектов или субъектов, для обеспечения целостности данных и при желании защиты частной информации.

Далее рассмотрим формат заголовка IPv6 и функции, которые он выполняет.


Рисунок 2.6 - Формат заголовка IPv6

Поле "Версия" - 4-битный код номера версии Интернет протокола (версия Интернет протокола для IPv6= 6).

Поле "Приоритет" - 4-битный код приоритета.

Поле "Метка потока" - 24-битный код метки потока (для мультимедиа).

Поле "Размер поля данных" - 16-битовое число без знака. Несет в себе код длины поля данных в октетах, которое следует сразу после заголовка пакета. Если код равен нулю, то длина поля данных записана в поле данных jumbo, которое в свою очередь хранится в зоне опций.

Поле "Следующий заголовок" - 8-битовый разделитель. Идентифицирует тип заголовка, который следует непосредственно за IPv6 заголовком. Использует те же значения, что и протокол IPv4.

Поле "Предельное число шагов" - 8-битовое целое число без знака. Уменьшается на 1 в каждом узле, через который проходит пакет. При предельном числе шагов, равном нулю, пакет удаляется.

Поле "Адрес отправителя" - 128-битовый адрес отправителя пакета.

Поле "Адрес получателя" - 128-битовый адрес получателя пакета (возможно не конечный получатель, если присутствует маршрутный заголовок).

5.1. Особенности организации технологии ATM

Технология ATM эффективна в случае, когда основной задачей сети оператора является передача мультимедийного трафика реального времени и телеметрии (трансляции видеопрограмм, передача служебного трафика от важнейших датчиков или устройств - передача критичной к задержкам информации). Сеть ATM обеспечивает полное качество обслуживания QoS для соединений клиента на всем своем протяжении, и в определенных случаях может быть экономически оправдана

На сегодняшний день технология асинхронного метода передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) находит всё большее применение для передачи информации на широкополосных сетях интегрального обслуживания (ШСИО). Это связано с тем, что АТМ является одной из немногих технологий, которая позволяет добиться высокой эффективности использования ресурсов сети (каналов и трактов) различных служб электросвязи (телефонии, телевидения, передачи файлов, видеоконференции и так далее). Последнее достигается тем, что предварительно, перед передачей пользовательской информации, между пользователями сети устанавливаются соединения в виде коммутируемых и постоянных виртуальных каналов и трактов. То есть, этапу передачи пользовательской информации предшествует этап определения маршрута и установления соединения между пользователями. Ответственность за определение маршрута и установления соединений несут протоколы маршрутизации.

Для сетей с технологией АТМ международной организацией АТМ Forum в 1996 году была разработана первая, а в 2001 году вторая версии стека протоколов, решающие проблему маршрутизации.

5.2. Принципы технологии ATM

Преимуществом технологии АТМ является возможность передавать различные видов трафика с гарантированным качеством. Внедрение технологии АТМ подразумевает следующие возможности :

    • гибкость системы связи. Развитие систем кодирования и сжатия данных приводит к уменьшению требований по скорости передачи. В будущем, возможно, возникнут новые службы с новыми требованиями. Все эти изменения не потребуют модификации сети АТМ и не приведут к ухудшению использования каналов.
    • эффективное распределение ресурсов. Все доступные ресурсы сети могут использоваться всеми службами с оптимальным статистическим разделением. Не предусматривается никаких специализаций ресурсов по видам служб. Здесь имеется в виду более эффективное распределение по сравнению с наиболее распространенными сегодня системами коммутации каналов. Конечно, система Х.25 или TCP/IP распределяют ресурсы более эффективно, но в ущерб качеству.
    • создание единой универсальная сети. Поскольку требуется разработать и поддерживать только одну сеть, то полная стоимость системы может быть меньше, чем суммарная стоимость всех существующих сетей.

АТМ является технологией с ретрансляцией ячеек. В отличие от технологий X.25 и ретрансляции кадров, в которых пакеты и кадры могут иметь любой размер вплоть до некоторого максимума, все ячейки АТМ имеют одну и ту же строго определенную длину - 53 октета. Из этих 53 октетов 5 используются для служебной информации сети, а остальные 48 для передачи пользовательской информации.

Технология АТМ позволяет передавать информацию в диапазоне высоких скоростей: 25 Мб/сек, 155 Мб/сек, 622 Мб/сек. На подходе появление линий связи со скоростями 2,4 Гб /сек и 10 Гб/сек. Это позволяет на основе технологии АТМ создавать высоко-скоростные масштабируемые сети, а также объединять сети с различными протоколами на основе легко наращиваемой магистрали и увеличивать пропускную способность по мере развития технологии АТМ.

Последовательность ячеек одного пользователя образует виртуальный канал, а всё множество виртуальных каналов формирует виртуальный тракт.

ATM характеризуется следующими основными особенностями:

    • отсутствием защиты от ошибок и управления потоком данных на уровне звена;
    • ориентацией на соединение;
    • ограниченным количеством функций, которые несёт заголовок пакета ATM;
    • относительно небольшой длиной информационной части ячейки.

Высокое качество систем передачи цифровых трактов связи и очень малые значения вероятности ошибки на бит позволяют отказаться от обнаружения и исправления ошибок в пакете на звеньевом уровне. Отсутствует на уровне звена и управление потоком данных с целью исключения перегрузок.

Однако фазе передачи информации в сетях ATM предшествует фаза установления виртуального соединения, во время которой осуществляется проверка достаточности объёма сетевых ресурсов, как для качественного обслуживания уже установленных виртуальных соединений, так и для создаваемого. Если сетевых ресурсов недостаточно, то оконечному устройству выдаётся отказ в установлении соединения.

После завершения фазы передачи информации виртуальное соединение разрушается, а сетевые ресурсы могут использоваться в интересах обеспечения другого виртуального соединения. Таким образом, за счёт использования режима переноса информации, ориентированного на соединение, и определения размеров очередей, осуществляется контроль количества потерянных пакетов вследствие переполнения буферных устройств коммутаторов. В сетях ATM вероятность потери пакета в коммутационном устройстве ограничивается значениями 10-8Е10-12.

В целях обеспечения временной прозрачности сети ATM (для уменьшения временной задержки пакета в узлах коммутации) функции заголовка пакета ATM значительно ограничены. Основной функцией заголовка является идентификация виртуального соединения с помощью идентификатора и обеспечение гарантии правильной маршрутизации. Заголовок также даёт возможность мультиплексирования различных виртуальных соединений в одном цифровом тракте.

Ошибка в заголовке может привести к неправильной маршрутизации. Это обуславливает эффект размножения ошибок: один искажённый бит в заголовке может привести к утрате пакета, и к его доставке не по адресу. С целью уменьшения эффекта размножения ошибок из-за неправильной маршрутизации предполагается в заголовке пакета ATM обеспечить обнаружение ошибок и их исправление.

Из-за ограниченных функций, выполняемых заголовком пакета ATM, его обработка считается достаточно простой процедурой и может осуществляться на очень высоких скоростях, что обеспечивает малую задержку пакетов ATM в очередях буферных устройств коммутаторов ATM. С целью уменьшения размеров внутренних буферов в узлах коммутации и ограничения времени задержек длина информационного поля ячейки выбрана относительно небольшой. Малые размеры информационного поля позволяют получить небольшие значения времени задержки на пакетизацию, что в совокупности с относительно небольшими размерами буферных устройств узлов коммутации, обеспечивающих незначительные задержки и колебания задержки, характеризуют временную прозрачность сетей ATM для служб, функционирующих в реальном масштабе времени.

Форматы ячеек определены в Рекомендации МСЭ-Т I.361. При этом в отличие от УСИО в ШСИО кроме интерфейса "пользователь- сеть" определён также интерфейс "сеть – сеть", который используется и между узлами коммутации одной и той же сети. Соответственно имеются два вида ячеек для этих двух интерфейсов, которые отличаются структурой заголовка.


Рисунок 1 - Структура ячейки АТМ в интерфейсе "пользователь-сеть"

Структура ячейки в интерфейсе "сеть – сеть" отличается только тем, что поле VPI занимает 12, а не 8 бит.

Поле общего управления потоком (Generic Flow Control) используется только при взаимодействии конечного узла и первого коммутатора сети. Идентификатор виртуального тракта (VPI, Virtual Path Identifier) – это 8-разрядное поле обозначает принадлежность определенной ячейки к одному из 256 доступных маршрутов. Узел коммутации АТМ, который способен выполнять коммутацию виртуального тракта VP, будет опрашивать поле VPI каждой обрабатываемой им ячейки. Если коммутатор в своих действиях руководствуется таблицей, то он будет заменять один VPI на другой, и таким образом выполнять коммутацию VP.

Идентификатор виртуально канала VCI (Virtual Channel Identifier) занимает 16-разрядное поле и идентифицирует определенную ячейку как принадлежащую к 1 из 65536 доступных виртуальных каналов. Виртуальный канал является симплексным и дуплексные операции АТМ требуют наличия двух каналов VC, работающих в противоположных направлениях. Связывание виртуальных каналов обычно формирует один VP, а связанные VP, как правило, находятся в одном физическом канале передачи.

Поле идентификатора типа полезной нагрузки (PTI, Payload Type Identifier) позволяет дифференцировать различные типы полезной нагрузки в сети АТМ. В поле приоритет потери кадра (Cell Loss Priority, CLP) коммутаторы отмечают ячейки, которые нарушают соглашения о параметрах качества обслуживания, чтобы удалить их при перегрузках сети. Поле контроля ошибок в заголовке (HEC) используется для обнаружения и исправления ошибок в заголовке, но не обеспечивает защиты от ошибок части ячейки, содержащей полезную нагрузку.

 

Таблица 1.2 - Сравнительный анализ технологий коммутации

Параметры качественного обслуживания(Quality of Service)

Параметры качества обслуживания служат для определения категорий или классов услуг сетей АТМ.

а) Параметры входного контроля:

  • задержка соединения: временной интервал между передачей сообщения о вхождении в сеть и сообщением-подтверждением события входа в сеть вне времени ответа вызываемого пользователя;
  • задержка освобождения соединения: временной интервал между событием передачи сообщения запроса на освобождение и событием передачи сообщения ответа освобождения соединения;
  • вероятность состоявшегося соединения: соотношение известных попыток запросов на соединения пользователей к продолжительному временному интервалу.

б) Параметры информационной передачи:

  • коэффициент ячеек с ошибками: отношение общего числа ошибочных ячеек к успешно переданным ячейкам с учетом ошибочных ячеек общего назначения – CER (Cell Error Ratio);
  • коэффициент потерь ячеек CLR (Cell Loss Ratio): отношение потерянных ячеек к общему числу переданных ячеек; этот параметр может быть выражен как вероятность потери ячеек для выделенных линий 10–9 и максимально допустимым коэффициентом 10–5;
  • коэффициент неправильных ячеек CMR (Cell Misinsertion Rate): общее число неправильных ячеек, наблюдаемое в течение специфицированного временного интервала, поделенное на продолжительность временного интервала;
  • задержка передачи ячеек CTD (Cell Transfer Delay): время между обнаружением двух событий, соответствующих передаче ячеек (моментом посылки на передаче и приемом на другом конце);
  • вариации задержек ячеек CDV (Cell Delay Variation): транзитные задержки в коммутаторах за определенный период времени (джиттер задержек);
  • строгое отношение ошибочных блоков ячеек SE CBR (Se-verely – Errored Cell Block Ratio): отношение общих строго ошибочных блоков ячеек к общему числу блоков ячеек в известных интересах (пораженные блоки).

в) Параметры звукового сервиса выражаются через задержки передачи 20-30 мс и при этом разговор замедляется отражениями. При сборке сегмента 48 байт на скорости 64 кбит/с время задержки составляет 6 мс.

6. Технология MPLS

6.1. Введение в архитектуру MPLS

MPLS (Multiprotocol Label Switching) - технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS разрабатывается и позиционируется как способ построения высокоскоростных IP-магистралей, но область ее применения не ограничивается протоколом IP, а распространяется на трафик любого маршрутизируемого сетевого протокола. Традиционно главными требованиями, предъявляемыми к технологии магистральной сети, были высокая пропускная способность, малое значение задержки и хорошая масштабируемость. Однако современное состояние рынка диктует новые правила игры. Теперь поставщику услуг недостаточно просто предоставлять доступ к своей IP-магистрали. Изменившиеся потребности пользователей включают в себя и доступ к интегрированным сервисам сети, и организацию виртуальных частных сетей (VPN), и ряд других интеллектуальных услуг.

Для решения возникающих задач и разрабатывается архитектура MPLS, которая обеспечивает построение магистральных сетей, имеющих практически неограниченные возможности масштабирования, повышенную скорость обработки графика и беспрецедентную гибкость с точки зрения организации дополнительных сервисов. Кроме того, технология MPLS позволяет интегрировать сети IP и АТМ, за счет чего поставщики услуг смогут не только сохранить средства, инвестированные в оборудование асинхронной передачи, но и извлечь дополнительную выгоду из совместного использования этих протоколов.

За развитие архитектуры MPLS отвечает рабочая группа с одноименным названием, входящая в секцию по маршрутизации консорциума IETF. В деятельности группы принимают активное участие представители крупнейших поставщиков сетевых решений и оборудования. В архитектуре MPLS собраны наиболее удачные элементы всех упомянутых разработок, и вскоре она должна превратиться в стандарт Internet благодаря усилиям IETF и компаний, заинтересованных в скорейшем продвижении данной технологии на рынок.

6.2. Принцип коммутации

В основе MPLS лежит принцип обмена меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня (Forwarding Equivalence Class, FEC), каждый из которых идентифицируется определенной меткой. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS, которые называются также маршрутизаторами, коммутирующими по меткам (Label Switching Router, LSR). Метка передается в составе любого пакета, причем способ ее привязки к пакету зависит от используемой технологии канального уровня.

Маршрутизатор LSR получает топологическую информацию о сети, участвуя в работе алгоритма маршрутизации - OSPF.BGP, IS-IS. Затем он начинает взаимодействовать с соседними маршрутизаторами, распределяя метки, которые в дальнейшем будут применяться для коммутации. Обмен метками может производиться с помощью как специального протокола распределения меток (Label Distribution Protocol, LDP), так и модифицированных версий других протоколов сигнализации в сети (например, незначительно видоизмененных протоколов маршрутизации, резервирования ресурсов RSVP и др.).

Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена MPLS путей с коммутацией по меткам (Label Switching Path, LSP). Каждый маршрутизатор LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре "входной интерфейс, входная метка" тройку "префикс адреса получателя, выходной интерфейс, выходная метка". Получая пакет, LSR пo номеру интерфейса, на который пришел пакет, и по значению привязанной к пакету метки определяет для него выходной интерфейс. (Значение префикса применяется лишь для построения таблицы и в самом процессе коммутации не используется.) Старое значение метки заменяется новым, содержавшимся в поле "выходная метка" таблицы, и пакет отправляется к следующему устройству на пути LSP.

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений полей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным префиксом в таблице маршрутизации, которое используется при традиционной маршрутизации.

Сеть MPLS делится на две функционально различные области - ядро и граничную область. ядро образуют устройства, минимальным требованием к которым является поддержка MPLS и участие в процессе маршрутизации графика для того протокола, который коммутируется с помощью MPLS. Маршрутизаторы ядра занимаются только коммутацией. Все функции классификации пакетов по различным FEC, а также реализацию таких дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание нагрузки и управление графиком, берут на себя граничные LSR. В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, что позволяет оптимизировать конфигурацию устройств MPLS в зависимости от их местоположения в сети. Таким образом, главная особенность MPLS - отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей. Очевидным следствием описанного подхода является тот факт, что очередной сегмент LSP может не совпадать с очередным сегментом маршрута, который был бы выбран при традиционной маршрутизации. Поскольку на установление соответствия пакетов определенным классам FEC могут влиять не только IP-адреса, но и другие параметры, нетрудно реализовать, например, назначение различных LSP пакетам, относящимся к различным потокам RSVP или имеющим разные приоритеты обслуживания. Конечно, подобный сценарий удается осуществить и в обычных маршрутизируемых сетях, но решение на базе MPLS оказывается проще и к тому же гораздо лучше масштабируется.

Каждый из классов FEC обрабатывается отдельно от остальных - не только потому, что для него строится свой путь LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала и буферному пространству). В результате технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое качество обслуживания, не нарушая предоставленных пользователю гарантий. Применение в LSR таких механизмов управления буферизацией и очередями, как WRED, WFQ или CBWFQ, дает возможность оператору сети MPLS контролировать распределение ресурсов и изолировать трафик отдельных пользователей.

Использование явно задаваемого маршрута в сети MPLS свободно от недостатков стандартной IP-маршрутизации от источника, поскольку вся информация о маршруте содержится в метке и пакету не требуется нести адреса промежуточных узлов, что улучшает управление распределением нагрузки в сети.

Основные преимущества технологии MPLS:

1. Отделение выбора маршрута от анализа IP-адреса (даёт возможность предоставлять широкий спектр дополнительных сервисов при сохранении масштабируемости сети)

2. Ускоренная коммутация (сокращает время поиска в таблицах)

3. Гибкая поддержка QoS ,интегрированных сервисов и виртуальных частных сетей.

4. Эффективное использование явного маршрута

5. Сохранение инвестиций в установленное ATM-оборудование

6. Разделение функциональности между ядром и граничной областью сети.

6.3. Метки и способы маркировки

Метка - это короткий идентификатор фиксированной длины, который определяет класс FEC. По значению метки пакета определяется его принадлежность к определенному классу на каждом из участков коммутируемого маршрута.

Как уже отмечалось, метка должна быть уникальной лишь в пределах соединения между каждой парой логически соседних LSR. Поэтому одно и то же ее значение может использоваться LSR для связи с различными соседними маршрутизаторами, если только имеется возможность определить, от какого из них пришел пакет с данной меткой. Другими словами, в соединениях "точка-точка" допускается применять один набор меток на интерфейс, а для сред с множественным доступом необходим один набор меток на модуль или все устройство. В реальных условиях угроза исчерпания пространства меток очень маловероятна.

Перед включением в состав пакета метка определенным образом кодируется. В случае использования протокола IP она помещается в специальный "тонкий" заголовок пакета, инкапсулирующего IP. В других ситуациях метка записывается в заголовок протокола канального уровня или кодируется в виде определенного значения VPI/VCI (в сети АТМ). Для пакетов протокола IPv6 метку можно разместить в поле идентификатора потока.

6.4. Стек меток

В рамках архитектуры MPLS вместе с пакетом разрешено передавать не одну метку, а целый их стек. Операции добавления/изъятия метки определены как операции на стеке (push/pop). Результат коммутации задает лишь верхняя метка стека, нижние же передаются прозрачно до операции изъятия верхней.

Такой подход позволяет создавать иерархию потоков в сети MPLS и организовывать туннельные передачи. Стек состоит из произвольного числа элементов, каждый из которых имеет длину 32 бита: 20 бит составляют собственно метку, 8 отводятся под счетчик времени жизни пакета, один указывает на нижний предел стека, а три не используются. Метка может принимать любое значение, кроме нескольких зарезервированных. Коммутируемый путь (LSP) одного уровня состоит из последовательного набора участков, коммутация на которых происходит с помощью метки данного уровня (рис. 6.1). Например, LSP нулевого уровня проходит через устройства LSR 0, LSR 1, LSR 3, LSR 4 и LSR 5. При этом LSR 0 и LSR 5 являются, соответственно, входным (ingress) и выходным (egress) маршрутизаторами для пути нулевого уровня. LSR 1 и LSR 3 играют ту же роль для LSP первого уровня; первый из них производит операцию добавления метки в стек, а второй - ее изъятия. С точки зрения графика нулевого уровня, LSP первого уровня является прозрачным туннелем. В любом сегменте LSP можно выделить верхний и нижний LSR по отношению к графику. Например, для сегмента "LSR 4 - LSR 5" четвертый маршрутизатор будет верхним, а пятый - нижним.

Рис. 6.1 - Компоненты коммутируемого соединения

6.5. Привязка и распределение меток

Под привязкой понимают соответствие между определенным классом FEC и значением метки для данного сегмента LSP. Привязку всегда осуществляет "нижний" маршрутизатор LSR, поэтому и информация о ней распространяется только в направлении от нижнего LSR к верхнему. Вместе с этими сведениями могут предаваться атрибуты привязки. Обмен информацией о привязке меток и атрибутах осуществляется между соседними LSR с помощью протокола распределения меток. Архитектура MPLS не зависит от конкретного протокола, поэтому в сети могут применяться разные протоколы сетевой сигнализации. Очень перспективно в данном отношении - использование RSVP для совмещения резервирования ресурсов и организации LSP для различных потоков.

Существуют два режима распределения меток: независимый и упорядоченный. Первый предусматривает возможность уведомления верхнего узла о привязке до того, как конкретный LSR получит информацию о привязке для данного класса от своего нижнего соседа. Второй режим разрешает высылать подобное уведомление только после получения таких сведений от нижнего LSR, за исключением случая, когда маршрутизатор LSR является выходным для этого FEC. Распространение информации о привязке может быть инициировано запросом от верхнего устройства LSR (downstream on-demand) либо осуществляться спонтанно (unsolicited downstream).

6.6. Построение коммутируемого маршрута

Сначала посредством многоадресной рассылки сообщений UDP коммутирующие маршрутизаторы определяют свое "соседство" (adjacency). Кроме близости на канальном уровне, LSR могут устанавливать связь между "логически соседними" LSR, не принадлежащими к одному каналу. Это необходимо для реализации туннельной передачи. После того как соседство установлено, LSR определяет маршрут, по которому должно быть установлено соединение и начинает процедуру установки. От узла к узлу передаются запросы на привязку и собственно привязки соединений MPLS. После того как соединение было успешно установлено, источник периодически отправляет сообщения keepalive, информируя все транзитные LSR о том что соединение еще не разорвано.

7. Моделирование. Основные методы моделирования сетей связи

7.1. Аналитическое, имитационное и натурное моделирование

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 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.

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.

Используя моделирование при проектировании или реинжинеринге локальной или глобальной сети, возможно осуществить 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 и многое другое.

Исследование параметров вычислительной системы при различных характеристиках отдельных компонентов позволяет выбрать сетевое и вычислительное оборудование с учетом производительности, качества обслуживания, надежности и стоимости.

8. Программные средства имитационного моделирования

Существуют специальные 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 проектировщику 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 исследуемой сети - предварительной обработке данных о топологии сети и об 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. Классифицировать системы можно по двум жестко связанным критериям: цена и функциональные возможности. 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 позволяют 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 функциональным возможностям системы моделирования, используемые при исследовании вычислительных систем, могут быть разбиты на два основных класса:

    • системы, моделирующие отдельные элементы (компоненты) сети;
    • системы, моделирующие вычислительную систему целиком.

Существует целый ряд 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.

Ниже кратко описаны упомянутые выше системы имитационного 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.

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 сегодняшний день технологии и протоколы, а также системы клиент - сервер. Легко настраивается на модель оборудования и технологий. Имеется возможность импорта и экспорта данных о топологии и сетевом трафике. Моделирование иерархических сетей, многопротокольных локальных и глобальных сетей; учет алгоритмов маршрутизации. Это семейство включает следующие продукты: COMNET Baseliner (сбор исходных данных о работе сети, необходимых для проведения моделирования), COMNETIII вместе с пакетом AdvanceFeaturesPack (система детального моделирования сети), COMNET Predictor (система быстрой оценки производительности сети).

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.

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.

SES/Strategizer (фирма Scientific and Engineering Software) - 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.

NetSimulator (компании DRPA) позволяет 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.

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

К числу наиболее мощных и интересных относятся COMNET III компании CACI Products Company (в 2000 году система была продана фирме Compuware) и OPNET фирмы OPNET Technologies (ранее называлась MIL3).

9. Программный продукт OPNET

Семейство OPNET (фирма OPNET Technologies) - программа 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).

9.1. OPNET IT Guru

Интерфейс программы OPNET IT Guru с возможностями "перетаскивания" (функция графического интерфейса для работы с экранными объектами в среде Windows) дает возможность эффективно моделировать, администрировать, и осуществлять поиск неисправностей в реальных сетевых инфраструктурах, исследовать прикладную работу и планировать способность сети, изменяя скорость передачи информации между локальной сетью и ее поставщиком Internet-сервиса.

OPNET IT Guru позволяет создать виртуальную сеть, которая моделирует поведение реальных сетей, включающих маршрутизаторы, коммутаторы, протоколы, серверы, и индивидуальные приложения. Среда виртуальной сети позволяет менеджерам информационных технологий, сетевым и системным планировщикам, оперативному персоналу более эффективно обнаруживать сложные проблемы, проверять правильность изменений прежде, чем они осуществлены, и планировать на будущее такие сценарии как рост трафика, сетевые отказы.

Возможно сделать исследования типа - "что, если" (называемыми сценариями в OPNET IT Guru ) на сетевых проектах, также, как и на электронных таблицах с финансовыми деловыми моделями.

Результатом наблюдения являются время отклика, время задержки и другие меры производительности сети, которые будут изменятся в зависимости от различного подхода к проекту сети.

Чтобы создать модель сети (называемой проектом OPNET IT Guru), нужно определить узлы (компьютеры, коммутаторы, маршрутизаторы и т.д.) исследуемой сети, каналы связи между узлами, и приложения, которые будут выполняться на узлах.

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.

Одним из плюсов 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.

Существует 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.

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. 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.

Список литературы

1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2000. – 672с.

2. КрукБ.И., ПапантонопулоВ.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационнные системы и сети. Том 1. Изд.3.Современные технологии.2004.

3. ВеличкоВ.В.,ШуваловВ.П., Ярославцев А.Ф. Телекоммуникационные системы и сети. Том 3. Мультисервисные сети.2005.

4. Назаров А.Н., Симонов М.В. ATM: технология высокоскоростных сетей. – М.: Эко-Трендз,– 252с.1999.

5. Концептуальные положения по построению мультисервис-ных сетей на ВСС России. Версия 4.0