Modelamento e Simulação de Redes de Telecomunicações

XIII Seminário de Engenharia Elétrica

Princípios de Simulação em
Telecomunicações

© Antônio M. Alberti 2005

Simulação de Redes de
Comunicações

Prof. Antônio M. Alberti
Inatel, Santa Rita do Sapucaí, MG, Brasil.
alberti@inatel.br


Modelamento e Simulação de Redes
Simulação de Redes de Comunicações

 Por que simular?
 Modelamento
 Tipos de Ferramentas
 Técnicas de Simulação
 Os Desafios de Simular Redes de Comunicações
 Características Desejáveis de um Simulador
 O que Simular?
 Como Configurar os Modelos?
 O que Medir?


Por que simular?

 A análise de desempenho de redes de comunicações
pode ser feita através de três formas principais:
 Redes Experimentais
 Métodos Analíticos
 Simulação Computacional


Por que simular?

 Redes Experimentais
 São utilizadas principalmente em operadoras, para testar e
validar novas tecnologias.

 Possuem alto custo e demandam pelo conhecimento dos
detalhes de implementação de cada fabricante.

 Produzem excelentes resultados, pois o teste é feito na
rede real.


Por que simular?

 Métodos Analíticos
 Possuem baixo custo, entretanto, são complexos,
inflexíveis e muitas vezes intratáveis.

 Dentre os principais métodos analíticos estão:
 Teoria de Filas
 Processos Estocásticos
 Otimização
 Monte Carlo
 Amostragem por Importância


Por que simular?

 Simulação Computacional
 É a mais flexível e prática das soluções mencionadas.
 Possui custo intermediário, entretanto, muitas vezes fica
distante do problema do mundo real.
 Pode incorporar métodos analíticos e características de
sistemas reais.
 Possibilita o modelamento realista de fontes de tráfego.
 Facilita o projeto e a comparação de algoritmos e
protocolos.
 Possibilita a análise de desempenho com diferentes níveis
de detalhe e escalas de tempo de observação.
 Demanda por uma série de cuidados especiais a fim de
não se tornar pouco eficiente e ou até mesmo inviável.

Modelamento

 Definição
 Modelamento é o processo de construir modelos de
sistemas reais para um determinado ambiente de
simulação, de forma que estes modelos representem o
mais fiel possível o funcionamento desses sistemas diante
de um certo conjunto de situações.

 Modelamento x Simulação
 Simulação é o ato de reproduzir em partes o
comportamento de um sistema ou rede real utilizando um
conjunto de modelos deste sistema.
 O ideal é que os modelos sejam independentes do
simulador.

Modelamento

 Simulação x Emulação
 Na emulação, o propósito é imitar completamente a rede ou
uma função original, representando na totalidade os
detalhes envolvidos.

 Em contraste, na simulação o propósito é modelar somente
os aspectos importantes para obter resultados estatísticos
que descrevam a operação destas redes ou funções.

 Então, uma questão chave é: o que deve ser mantido de
emulação nos modelos de simulação?


Modelamento

 Precisão dos Modelos x Custo Computacional
 É necessário otimizar a relação entre a precisão atingida no
modelamento e o custo computacional requerido para
simular os modelos desenvolvidos.

 Pré-requisitos
 O modelamento de redes de comunicações exige não
apenas o conhecimento do ambiente de simulação para o
qual os modelos serão desenvolvidos, mas também o
conhecimento de toda a teoria das tecnologias de
interesse, dos detalhes dos componentes a serem
modelados e uma idéia dos resultados a serem obtidos.


Modelamento

 Fases Típicas do Desenvolvimento de Modelos

Tecnologias Primeira Fase:
de Interesse Estudar as Tecnologias de Interesse

Segunda Fase:
Modelamento Modelar Estrutura e Principais
Componentes destas Tecnologias

Ferramenta Terceira Fase:
Estudar a Ferramenta e a Linguagem de
Programação Necessária para
Linguagem de Programação Implementar os Modelos
Quarta Fase:
Implementar protótipo do modelo.

Quinta Fase:
Identificar pontos fracos e ajustar modelo.

Sexta Fase:
Validar o modelo.

Modelamento

 Técnicas de Modelamento
 Dentre as técnicas de modelamento para simulação
computacional estão:
 Modelamento no Nível de PDUs
 Modelamento no Nível de Conexões
 Modelamento Estatístico
 Modelamento Fluído

 Muitas vezes são independentes da ferramenta de
simulação.


Modelamento

 Modelamento no Nível de PDUs
 Características
 É a solução mais simples e a mais usada.
 Os modelos preocupam-se com o transporte, armazenamento, serviço
e processamento individual de PDUs (Packet Data Units).
 Modela o funcionamento dos protocolos.

 Vantagens
 A principal vantagem é o alto nível de detalhamento que pode ser
obtido, dado que este é o nível natural de funcionamento das redes de
comutação de pacotes.

 Desvantagens
 É extremamente oneroso do ponto de vista computacional.


Modelamento

 Modelamento no Nível de Conexões
 Os modelos preocupam-se com a dinâmica do estabelecimento,
manutenção e término de conexões.

 Vantagens
 Viabiliza a análise de problemas orientados à rede, tais como
protocolos de roteamento, escalabilidade, etc.

 Desvantagens
 Consiste de uma aproximação para a simulação no nível de PDUs, e
portanto pode levar a simplificações que tornem os resultados não
conclusivos.


Modelamento

 Modelamento Estatístico
 Os modelos capturam estatisticamente o comportamento da rede,
seus protocolos e algoritmos.

 Vantagens
 Acelera a simulação, uma vez que trabalha com momentos
estatísticos.

 Desvantagens
 Consiste de uma aproximação para a simulação no nível de PDUs, e
portanto pode levar a simplificações que tornem os resultados não
conclusivos.
 É complexo e inflexível.


Modelamento

 Modelamento Fluído
 Os modelos são fontes ou processadores de fluxos contínuos de
informações, que apresentam uma taxa de transmissão em bits por
segundo.

 Vantagens
 A principal vantagem é a aceleração da simulação, uma vez que no
nível de taxas os eventos ocorrem em escalas de tempo muito
menores quando comparadas com as escalas de ocorrência de
eventos em simulações no nível de PDUs.

 Desvantagens
 Também é uma aproximação para o comportamento no nível de
PDUs, e portanto pode levar a simplificações que tornem os
resultados não conclusivos.
 É complexo e inflexível.


Tipos de Ferramentas

 Existem quatro tipos de ferramentas para apoiar na
análise de desempenho e projeto de telecomunicações:
 Ferramentas de Projeto de Sistemas de Comunicações
 Projetam a camada física de uma rede de comunicações. Ex.: CelLink,
Optiwave OptiAmplifier, Matlab.

 Ferramentas de Projeto de Redes de Comunicações
 Projetam a rede de comunicação como um todo. Ex.: CelPlaner,
OPNET Guru, VPI Transport Maker, Optiwave Optiplanner.

 Ferramentas de Simulação de Sistemas de Comunicações
 Simulam a camada física de um sistema de comunicações. Ex.: VPI
Transmission Maker, Optiwave Optisystem.

 Ferramentas de Simulação de Redes de Comunicações
 Simulam a rede de comunicação como um todo. Ex.: OPNET Modeler,
NS-2.


 Linguagens Gerais de Simulação de Redes de
Comunicações
 Podem em princípio ser utilizadas para simular qualquer
sistema, independente da sua complexidade e das suas
singularidades.
 Entretanto, nem sempre é possível atingir o grau de
detalhamento desejado quando se utiliza este tipo de
ferramenta.
 Algumas incluem conjuntos de modelos especialmente
desenvolvidos para a simulação de redes de
comunicações.

 Exemplos são: MODSIM III , SIMSCRIPT II.5 e Parsec.


 Linguagens de Simulação Orientadas às Redes de
Comunicações
 Direcionadas especificamente para a simulação de redes
de comunicação.
 Dentre as vantagens deste tipo de software pode-se
destacar a facilidade e a flexibilidade de desenvolvimento
de modelos.

 Exemplos são: OPNET Modeler , TeD/GTW, NS-2 e
COMNET III.



 Simuladores Orientados à Tecnologias Específicas de
Redes de Comunicações
 Permitem simular apenas uma classe específica de redes
de comunicações.
 Dentre as vantagens deste tipo de software estão a
facilidade de uso e a redução do tempo e da complexidade
de desenvolvimento de modelos.
 Nem todos os softwares deste tipo permitem o
desenvolvimento de novos modelos.

 Exemplos são: NIST, QUARTS-II, SimATM, qualquer
simulador para uma tecnologia específica.


Técnicas de Simulação

 Uma técnica de simulação para ser adotada em um
software de simulação deve:
 Ser eficiente.
 Permitir a troca flexível de informações entre os modelos
de simulação.
 Possibilitar o modelamento do fluxo assíncrono bidirecional
de informações presente nos enlaces das redes de
comunicações.
 Permitir o modelamento flexível da arquitetura e dos
componentes destas redes.


Técnicas de Simulação

 Três técnicas tem sido utilizadas para desenvolver
softwares de simulação:
 Técnica orientada por eventos discretos (event-driven).
 Técnica orientada pelo tempo (time-driven).
 Técnica orientada pelo dados (data-driven).

 A técnica event-driven é mais eficiente do ponto de vista
computacional do que a técnica time-driven devido a sua
natureza assíncrona.


Os Desafios de Simular Redes de Comunicações

 Possibilitar a simulação de grandes redes
 O desafio é permitir o estudo de problemas orientados à
rede, tais como: escalabilidade, estabilidade de protocolos,
perda de pacotes, qualidade de serviço, gerência, etc.

 Possibilitar a simulação de redes multiprotocoladas
 A convergência de redes está cada vez mais fazendo com
que redes de diferentes tecnologias sejam interconectadas.

 Possibilitar a simulação de eventos raros
 Estes eventos são importantes medidas de desempenho.



 Possibilitar a simulação por longas escalas de tempo
 Permitir a estimação precisa de probabilidades de
ocorrência de eventos raros e identifcar os efeitos
causados por processo auto-similares de longa duração.

 Desenvolver modelos corretos
 Como ter certeza de que o modelo desenvolvido não
possui bugs?

 Desenvolver modelos realistas
 Os modelos desenvolvidos capturam o comportamento da
rede no mundo real?
 O modelo de tráfego representa adequadamente o
comportamento dos clientes da rede no mundo real?


 Obter resultados confiáveis
 Os resultados obtidos podem ser usados para tomar
decisões no mundo real?
 A rede simulada é grande o suficiente para que o resultado
possa ser estendido para a Internet?

 Eliminar detalhes sem importância
 Os modelos desenvolvidos possuem detalhes em
importância?

 Validar os modelos e os resultados
 Os modelos desenvolvidos foram validados?
 Os resultados foram comparados com outros trabalhos?

Características Desejáveis de um Simulador

 Utilizar uma técnica de simulação eficiente
 Somente a utilização de uma técnica de simulação eficiente
possibilitará a simulação por longas escalas de tempo de
grandes redes hierárquicas que carregam tráfego de
dezenas de pilhas de protocolos.

 Utilizar processamento paralelo ou distribuído
 Pela mesma razão, é altamente recomendável a utilização
de processamento paralelo ou distribuído no kernel ou
núcleo do simulador.

 Mostrar o desempenho da simulação
 Métricas de desempenho, tais como uso de memória,
tempo estimado de simulação, desempenho de simulação
em pacotes/segundo, são desejáveis.


 Utilizar uma linguagem de programação que suporte
programação orientada à objetos
 Dentre as linguagens de programação que suportam OOP
(Object Oriented Programming), a linguagem C++ talvez
seja a mais indicada. A linguagem Java ainda está em
desvantagem.

 Possuir uma biblioteca de modelos expansível e
independente do núcleo do simulador
 É fundamental que o software de simulação permita o
desenvolvimento e a integração de novos modelos a
biblioteca de modelos existentes.
 Isto deve ser feito de forma transparente, sem que o núcleo
do software de simulação precise ser modificado.


 Facilitar o desenvolvimento de modelos
 Nem sempre os modelos disponíveis na biblioteca
satisfazem as necessidades de simulação.
 Portanto, é fundamental que o software de simulação
facilite o desenvolvimento de novos modelos.

 Permitir a flexibilidade de modelamento
 Em princípio, todas as estratégias existentes de
modelamento devem ser suportadas.
 Também é interessante que o simulador disponibilize um
ou mais conjuntos básicos de modelos desenvolvidos com
diferentes estratégias de modelamento.


 Possuir conjuntos de modelos eficientes
 É fundamental que os conjuntos de modelos
disponibilizados no simulador sejam otimizados para o
tempo de execução.

 Permitir o modelamento hierárquico
 É desejável que novos modelos possam ser construídos a
partir de modelos já existentes.
 Esta característica facilita bastante o desenvolvimento de
modelos em redes de comunicações, dada a hierarquia
lógica de blocos existente em protocolos, equipamentos,
aplicativos e outros componentes destas redes.


 Possibilitar o cálculo e a coleta detalhada de estatísticas
 Esta característica é bastante importante uma vez que na
simulação de redes as fontes de tráfego geralmente
possuem comportamento aleatório ou auto-similar.

 Possibilitar a validação dos modelos
 Mecanismos para ajudar na validação dos modelos são
fundamentais.

 Verificar a confiabilidade dos resultados
 Mecanismos para avaliar a confiabilidade dos resultados
também são fundamentais.



 Salvar simulações em andamento
 Esta característica é muito difícil de ser implementada,
entretanto de fundamental importância para longas
simulações.

 Oferecer uma boa interface gráfica com recursos de
animação
 Nada melhor que uma boa interface para facilitar o uso da
ferramenta.

 Facilitar o debug dos modelos e a geração de relatórios
 Mecanismos para verificar o correto funcionamento dos
modelos devem ser oferecidos.

O que Simular?

 Uma vez disponível o simulador e os modelos, resta
agora identificar o que pode ser estudado com eles e em
que nível de confiabilidade.

 Como vimos, os modelos capturam somente os detalhes
mais relevantes das tecnologias.

 Portanto, é preciso saber se os modelos utilizados
capturam o comportamento necessário para a análise de
um determinado problema.

 No caso de não capturarem, é necessário aprimorar os
modelos ou simplificar o problema.

Como Configurar os Modelos?

 Também é preciso selecionar quais são os modelos
necessários para o estudo proposto, bem como configurar
os seus parâmetros.

 As fontes de tráfego da rede e seus parâmetros devem
ser escolhidos de forma a representar adequadamente o
comportamento do tráfego real.

 Modelos de fonte de tráfego podem ser determinísticos,
estatísticos ou baseados em dados reais.


O que Medir?

 É preciso entender e selecionar os resultados que podem
ser coletados, estudando o significado de cada um deles.

 Outro aspecto importante, diz respeito a duração das
simulações: quanto tempo é necessário para que os
resultados sejam confiáveis?

 Por fim, é preciso verificar se os resultados obtidos
refletem o comportamento esperado em uma rede real.


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