УДК 004.942 А.С. ВОЙЦЕХОВИЧ, Л.В. ГАЙКОВА A.S. VOYTSEKHOVICH, L.V. GAIKOVA

УДК 004.942
А.С. ВОЙЦЕХОВИЧ, Л.В. ГАЙКОВА
A.S. VOYTSEKHOVICH, L.V. GAIKOVA
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕДАЧИ ПАКЕТОВ ДАННЫХ В
ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ
SIMULATION MODEL OF TRANSMISSION OF DATA PACKETS ON THE LAN
Разрабатывается имитационная модель передачи пакетов данных в локальной сети с использованием
программного продукта AnyLogic. На примере трех экспериментов автор предлагает оптимальные
параметры для работы локальной сети.
Ключевые слова: моделирование, эксперимент, сеть.
Developed simulation model of the transmission of data packets on the LAN using the software AnyLogic. On
the example of three experiments the author proposes the optimal parameters for the local network.
Keywords: modeling , experiment, network.
Для быстрой передачи данных по сети информация разбивается на небольшие
управляемые блоки. Эти блоки называются пакетами или кадрами. Пакет - основная единица
информации в компьютерных сетях. При этом скорость передачи возрастает настолько, что
все компьютеры в сети получают возможность принимать и передавать данные почти
одновременно с другими компьютерами. На компьютере, который получает сообщение,
пакеты накапливаются и выстраиваются в определенном порядке для восстановления
исходного вида сообщения. При разбиении информации на пакеты сетевая операционная
система добавляет каждому пакету специальную служебную информацию.
Некоторая служебная информация является обязательной для всех типов пакетов:

адрес источника, идентифицирующий компьютер-отправитель;

передаваемые данные;

адрес места назначения, идентифицирующий компьютер-получатель;

инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных;

информация компьютеру-получателю о том, как объединить передаваемый
пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде;

информация для проверки ошибок, обеспечивающая корректность передачи.
Передача пакетов данных в сети происходит разными способами: используются
различные топологии (шина, звезда, кольцо), данные передаются по разным правилам,
называемым протоколами (TCP, UDP). Так же передача пакетов данных может проходить
различными путями, которые прописаны в таблицах маршрутизации [2].
От вышеперечисленных аспектов зависит скорость передачи данных и бесперебойная
работа сети и оборудования. Величина полосы пропускания канала, количество служебной
информации, прикрепляемой к пакету при передаче, так же влияет на скорость передачи
данных. На скорость работы сети, кроме того, влияет степень изношенности физической
среды, поэтому для улучшения работы всей сети в целом требуется проводить
реконструкцию сетей связи.
Актуальность исследования заключается в том, что бесперебойная и стабильная
работа всех устройств в сети является одним из
главных аспектов деятельности
большинства фирм, организаций и учреждений. Исследование позволит построить такую
модель передачи пакетов данных, при которой соотношение время/очередь станет
оптимальным.
Объектом исследования данной работы является локальная сеть со всеми
работающими в ней устройствами, предметом – процесс передачи пакетов данных в сети.
Цель работы: построение имитационной модели передачи пакетов в сети путем
определения оптимального времени передачи пакета, количества устройств-
маршрутизаторов, которые направляют пакеты от отправителя адресату для увеличения
скорости передачи данных и качества работы сети в целом.
Постановка задачи
Задача: определить, при какой интенсивности формирования пакетов затраты
времени оптимальны и не возникает очереди, т.е. найти такие параметры, при которых сеть
работает стабильно. Основная задача, исходя из цели, заключается в построении
имитационной модели для рассматриваемой темы и проведении необходимых
экспериментов в среде Any Logic.
Для достижения цели необходимы эксперименты с выбором времени, затрачиваемого
на прохождение пакетов, учитывая наличие или отсутствие очереди в буфере отправки
данных, дальность прохождения пакета, наличие или отсутствие коллизий в процессе
передачи и другие факторы. Таким образом, будет выявлено оптимальное количество
работающих устройств и будет затрачено наименьшее количество временных ресурсов для
передачи файла в локальной сети. В качестве предметной области рассматриваются
некоторые функции, выполняемые устройствами в сети. Опишем предметную область.
Для этого рассмотрим 3 этапа процесса:
•
формирование пакета;
•
передача пакета;
•
принятие пакета.
Первый этап заключается в разбиении информации, предназначенной для передачи,
на пакеты и установлении заголовков и другой служебной информации к пакетам, проверке
буфера отправки данных на наличие свободного места, проверка соблюдения интервала
времени между пакетами (IPG).
Второй этап заключается в выборе маршрутизатором пути прохождения пакета по
таблице маршрутизации, выявлении ближайшего маршрутизатора, готового принять пакет,
установлении счетчика коллизий.
На третьем этапе происходит принятие пакета получателем, его сборка в единый
файл.
В процессе передачи пакетов по сети ключевым устройством является
маршрутизатор. Маршрутизатор – это устройство, пересылающее пакеты данных между
различными сегментами сети. Он связывает разнородные сети различных архитектур и
принимает решения о пересылке пакетов на основании информации о топологии сети и
определенных правил [2].
Важную роль при передаче данных в сети имеют протоколы передачи данных. Это
набор условий, который определяет правила передачи данных по сети.
Пользователь принимает решение об отправке файла. Файл разбивается на пакеты
перед отправкой компьютером или другим устройством. У пакета имеется определенный
набор данных: заголовки, служебная информация, вес пакета, ip-адреса отправителей и
получателей и другие параметры. От них зависит время передачи файла в целом. Пакет
формируется, подготавливается к передаче, затем передается получателю.
Процесс передачи может быть удачным и неудачным. При передаче возникают
ошибки, называемые коллизиями. Существует определенное количество допустимых
коллизий, при которых пакет передается успешно. Если же количество коллизий при
передаче превысило допустимую цифру, то передача пакета прерывается.
Исполнителем процесса может являться компьютер, прикладная программа
(браузер), маршрутизатор, коммутатор и другое оборудование сети.
Владельцем процесса является человек-отправитель пакета или человек,
запросивший пакет.
Реализация задачи
Для решения поставленных задач проведем эксперименты в среде AnyLogic. Для
проведения экспериментов необходимо построить имитационную модель, рисунок 1.
Рисунок 1 - Имитационная модель
Подразумевается, что пакеты передаются между двумя машинами с определенными
условиями отправки. Так же подразумевается, что в домашней локальной сети работают
максимум 4 роутера, из которых могут быть заняты распределением пакетов по маршруту 1,
2, 3, или 4 устройства в зависимости от заданных условий.
Пакеты отправляются с заданной интенсивностью и вероятностью отправки.
Интенсивность – число пакетов в единицу модельного времени (модельное время в данном
случае измеряется в секундах) [3].
Эксперимент 1
Для первого эксперимента условия следующие: интенсивность формирования пакетов
– 0.95, количество ресурсов – 2, вероятность отправки – 0.2. Вместимость – 10. Результат
запуска модели представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Результат эксперимента 1
В результате выполнения эксперимента можно установить, что три из четырех
устройств работают, из 40 сформированных пакетов передано только 16. Возникла большая
очередь на передачу пакета, время отправки пакета не оптимально.
Эксперимент 2
Условия эксперимента: интенсивность формирования пакетов – 0.28, количество
ресурсов – 4, вероятность отправки – 0.8. Вместимость – 10. Результат запуска модели
представлен на рисунке 2.
Рисунок 3 - Результат эксперимента 2
В результате видим, что очереди нет, заняты все устройства, передано 38 пакетов из
39, но слишком велико время отправки пакета, что является результатом медленной работой
сети в целом.
Эксперимент 3.
Условия эксперимента: интенсивность формирования пакетов – 0.5, количество
ресурсов – 4. Вероятность отправки – 0.6. Результат запуска модели представлен на рисунке
12.
Рисунок 4 - Эксперимент 3
В результате выполнения эксперимента по заданным условиям видно, что
соотношение очередь/время стало оптимальным, а значит, сеть работает хорошо.
Выводы
После проведения трех экспериментов можно установить, что оптимальность работы
локальной сети зависит от следующих факторов:
Интенсивности отправляемых устройством-отправителем пакетов. Чем она
больше, тем более вероятно возникновение очереди.
Количества устройств, работающих в сети. Быстродействие сети зависит от
количества работающих маршрутизаторов. Если устройств мало, то маршрут прохождения
будет определяться долго, соответственно, будет затрачиваться время, что замедляет работу
сети в целом.
Совпадения ip-адреса устройства-отправителя и ip-адреса устройстваполучателя. Это определяет вероятность отправки. Если условия выполняются, вероятность
передачи пакета увеличивается, а быстродействие сети становится приемлемым для
локальной сети.
Оптимальным решением для представленной модели будет ситуация, когда
интенсивность формирования пакетов – 0.5, количество работающих маршрутизаторов – 4,
вероятность отправки – 0.6.
В результате проведения экспериментов было установлено оптимальное решение для
построенной модели. Было определено оптимальное время, затрачиваемое на передачу
пакета, а так же нужное количество работающих в сети устройств. В результате этого была
установлена нормальная естественная очередь пакетов, не затрудняющая и не замедляющая
деятельность всей сети.
Заключение
Результаты проведенного имитационного моделирования помогли описать поведение
системы, оценить влияние различных параметров системы на ее характеристики, и, на
основании этого, спрогнозировать поведение системы [1].
Созданную модель можно применять интернет-провайдерам,
системным
администраторам сети, а так же фирмам, специализирующимся на предоставлении
различных компьютерных услуг.
В дальнейшем модель целесообразно усовершенствовать, чтобы она могла оценивать
параметры конкретной сети, степень изношенности физических каналов и определять
наиболее короткий маршрут прохождения пакета через устройства-роутеры, мосты,
коммутаторы и другие устройства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов – 3-е изд.,
перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2009. – 343с.
2
Справка Anylogic Professional [Электронный ресурс] : [веб-сайт]. – Режим
доступа: http://www.xjtek.ru/anylogic/help (дата обращения: 19.05.14);
3
Устройства в сети [Электронный ресурс] : [веб-сайт]. – Режим доступа:
http://celnet.ru/router.php (дата обращения: 19.05.14).
Войцехович Анастасия Сергеевна
Новосибирский государственный университет экономики и управления, г. Новосибирск
Студентка 4 курса информационно-технического факультета
Тел.: +79139494066
E-mail: voitcehovich@mail.ru
Гайкова Любовь Вадимовна
Новосибирский государственный университет экономики и управления г. Новосибирск
К.э.н., доцент каф. Экономической информатики
Тел.: +7 913 909 62 02
E-mail: lvgzit@mail.ru