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Simulation von Computernetzen

• Ereignisdiskrete Simulationen finden breite Anwendung bei der Simulation von Fertigungssystemen, Computernetzen und Datencentern.

Computernetze – Beschreibung des Umfelds

• Komponenten von Computernetzen umfassen Hardware, Kommunikationsmedien, Anwendungs- und Systemsoftware sowie Protokolle.
• Für mobile Systeme sind zusätzliche Komponenten wie neue Protokolle, Modelle für drahtlose Kommunikation, Bewegungsmodelle und neue Lastmodelle erforderlich.

Protokollstack

• Der Protokollstack ist in zwei Hauptmodelle unterteilt: ISO/OSI und InternetArchitektur.
• Im Internetmodell gibt es fünf Schichten: Anwendung, Transport, Netzwerk, Datenverbindung und physikalische Schicht.
• Die Anwendungsschicht unterstützt verteilte Anwendungen und umfasst die ISO/OSI-Schichten 5, 6 und 7.
• Anwendungsbeispiele sind FTP, SMTP, HTTP, SNMP und DNS.
• Die Transportschicht dient der Datenübertragung von Anwendung zu Anwendung (Port zu Port) mit den Protokollen TCP und UDP.
• Die Netzwerkschicht routet Datagramme von Endsystem zu Endsystem unter Verwendung von IP und Routing-Protokollen.
• Die Datenverbindungsschicht ist für den Datentransfer zwischen benachbarten Systemen verantwortlich, z. B. PPP oder Ethernet.
• Die Bitübertragungsschicht überträgt Daten auf der Leitung oder im Funkkanal, z. B. RS-232 oder Ethernet.
• Bei der Datenübertragung im Netz werden hauptsächlich die unteren drei Schichten genutzt.
• Daten nehmen u.U. Wege über viele Zwischenknoten.
• Protokollinformationen werden in jeder Schicht hinzugefügt.
• Die Schicht 3 (Vermittlung) ist für die Übertragung von Nachrichten zwischen verbundenen Geräten zuständig.
• Abstraktion der Schicht 2 (Sicherung) d.h. vom Zugriffsmechanismus.
• Automaten nutzen Funktionen der darunterliegenden Schicht und werden von der darüberliegenden Schicht aktiviert.
• Zeitverbräuche entstehen durch lokale Rechenschritte und die Abarbeitung von Funktionen.
• Es gibt Wartezeiten auf Nachrichten oder Aufrufe.
• Die Hardware bestimmt den erreichbaren Durchsatz in Routern.
• Wartesituationen, z.B. durch langsame Ausgangsleitungen oder überlastete Endgeräte, mindern den Durchsatz.

Modellierung von Computernetzen

• Zu modellierende Komponenten umfassen Protokolle (mit detaillierten Spezifikationen), Hardware (mit teilweise vorhandenen Informationen), Übertragungsmedien (mit bekannten physikalischen Gesetzen), und Übertragungswege im Internet (die unbekannt und dynamisch sind).
• Lasten durch Messungen/Modellierung des Umfeldes, Fehler, und Tests sind ebenfalls wichtige Aspekte.
• Quantitative Größen in Rechnernetzen umfassen erreichbare Durchsätze, garantierte/mittlere Antwortzeiten und Fehlerwahrscheinlichkeiten.
• Ergebnisse beziehen sich auch auf Auslastung, Konfiguration, das Auffinden von Flaschenhälsen, Kapazitätsplanung und Erweiterung/Neuinstallation von Netzen.
• Analysen können durch Messungen am realen System, analytische Modelle und Simulationen erfolgen.
• Simulationen bieten variable Abstraktion, sind beliebig parametrisierbar und eignen sich zur Protokollvalidierung und für Experimente.
• Simulationen haben jedoch Grenzen, wie sequentielle Abläufe, hoher Modellierungsaufwand, unterschiedliche Zeitskalen, hoher Datenbedarf, seltene Ereignisse und nicht validierbare Annahmen..

Anforderungen an Modellierung und Simulation

• Modellierung sollte immer zielorientiert sein, und das einfachste Modell, das zum Ziel führt, ausgewählt werden.
• Dies inkludiert Grob- (erste Planung, Dimensionierung) und Feinanalysen (Detailplanung, Parametrisierung, Protokollvalidierung).
• Grobanalysen nutzen analytische Modelle, vernachlässigen aber Aspekte wie Synchronisation, Daten, Timeouts, Datenverluste und Abhängigkeiten.
• Sie ermöglichen hierarchische Modellierung mit moderatem Aufwand und schneller Ergebnisberechnung.
• Feinanalyse durch Simulation ermöglicht sehr abstrakte bis detaillierte Modellierung, ist aber aufwändiger, weshalb oft Beschränkungen auf ein oder zwei Protokollschichten erfolgen.

Komponenten einer Netzwerkmodellierung

• Hardwarekomponenten sind Router (mit Routing-Algorithmus, Protokollfunktionen, Eingangs-/Ausgangspuffer und Modellierung der Verzögerung) und Clients/Server (mit Netzwerkinterface, Protokollfunktion, Lastquellen und Modellierung von Berechnungen).
• Übertragungsmedien umfassen sowohl drahtgebundene (Leitungen mit spezifischen Charakteristika wie Bandbreite, Übertragungszeit, Verlustwahrscheinlichkeit) als auch drahtlose Übertragung (Modelle komplexer und idealisierend).
• Reale Situationen sind stark schwankend und kaum exakt modellierbar, daher Nutzung idealisierter Modelle mit erhöhten Fehlerwahrscheinlichkeiten.
• Die Nachbildung räumlicher Gegebenheiten (Mauern, Störquellen) kann notwendig, aber auch sehr aufwändig sein.
• Basisprotokolle sind TCP, IP, WLAN 802.11 und Ethernet 802.3, die als parametrisierbare und komponierbare Teilmodelle in Clients, Server und Routern eingebunden werden.
• Modellierung realer Lasten kann stochastisch oder trace-getrieben erfolgen, mit Spezifikation von Verteilungen/Prozessen und einer Schnittstelle zum Einlesen von Traces.
• Klassische Modelle verwenden Exponential- oder Poisson-Prozesse, während moderne Datennetze selbstähnliche Prozesse mit "heavy tails" verwenden.

Modelle für Datenverkehr

• Rate kann nicht-stationäre Poisson Prozesse sein
• Verkehrsmuster sehen auf verschiedenen Zeitskalen ähnlich aus
• Bei der Modellierung von Autokorrelationen fallen diese bei diesen Prozessen exponentiell ab (keine „long range dependency").
• Verteilungen mit heavy tails führen zu aufwändiger Parameterschätzung, wenigen analytischen Resultaten und langer Konvergenz bei Simulationen.
• Mobilitätsmodelle beschreiben Bewegungsmuster, stellen räumliche Dimensionen dar und berücksichtigen räumliche Koordinaten.
• Mathematische Modelle umfassen Random Waypoint und Gauß-Markov sowie Modelle mit geographischen Restriktionen.
• Der Einsatz von Bewegungsmodellen kann die statistische Auswertung erschweren.

Simulationsumgebungen

• Anforderungen an Simulationsumgebungen umfassen Standardbausteine, Mischung aus graphischer und programmiersprachlicher Modellierung, einfache Erweiterbarkeit, effiziente Simulation, gutes Debugging, Experimentsteuerung und Resultatauswertung.
• Beispiele für geeignete Softwaresysteme sind NS3, Opnet und OMNET++.
• OMNET++ (Objective Modular Network Testbed in C++) wurde von Andras Varga (TU Budapest) entwickelt und ist seit 1999 frei für Forschung und Lehre verfügbar.
• Es basiert auf C++ und einer eigenen Sprache zur Modulbeschreibung und Modulverbindungen.

OMNET++

• OMNET++ unterstützt hierarchische Modellierung, Modell- und Projektstrukturen sowie Bibliotheken.
• OMNET++ wird zur statistischen Auswertung, Resultatpräsentation und parallelen Simulation genutzt.
• Die Basisfunktionalität umfasst Zufallszahlengenerierung, kommunizierende Automaten, Event Scheduling und Process Interaction.
• Die Resultatspezifikation erfolgt durch Beobachtung einzelner Variablen, Speicherung, Anzeige und Auswertung von Resultatvektoren/Traces.
• Der Aufbau und Ablauf von OMNET++-Simulationen umfasst die Verhaltensbeschreibung der Module, Beschreibung der Nachrichtenformate, Initialisierung der Parameter und einen Simulationskern.
• OMNET++ verwendet einfache/zusammengesetzte Module, unidirektionale Kanäle, eindeutige Verbindungen von Kanälen zu Gates.
• Gates sind die Schnittstellen der Module, wobei das interne Modulverhalten nicht ersichtlich ist.
• OMNET++ nutzt ein objektorientertes Design und Module.
• Module sind abgeleitet von der Klasse ''cSimpleModule'' und implementieren die anwendungsspezifische lokale Funktionalität unter Nutzung der Basisfunktionen in C++.
• Basisfunktionen umfassen initialize() und handleMessage().
• Der Standardnachrichten können durch Attribute in *.msg Dateien erweitert werden.
• OMNET++ verwendet Standardkomponente StandardHosten.
• OMNET++ erlaubt eine Direkte Kommunikation zwischen Modulen ohne Kanäle, allerdings hat das Limitierungen.
• Module kann durch Programmcode parametrisiert werden.
• OMNET++ besitzt INETMANET sowie weitere Zusatzpakete, wie OverSim, Castalia, HNOCS.