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1

SIMULAÇÃO DE SISTEMASNO PLANEJAMENTO / PROJETO DE REDES

• O Planejamento / projeto da capacidade das várias partes do sistema deve ser fundamentada no planejamento estratégico da informação, devendo portanto:

- Incluir previsões de novas facilidades /serviços;- Contemplar o surgimento de novas tecnologias;- Prever flutuações no tráfego gerado na rede;- Integração com outros sistemas;- Possibilitar a avaliação da confiabilidade / segurança;- Admitir a multiplicidade de aplicações e características de demandas.

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• Em computação, simulação consiste em empregar técnicas matemáticas em computadores com o propósito de imitar um processo ou operação do mundo real.

• Quando usar simulação?– Para descrever ou validar o comportamento de um sistema:

→ como funciona x como pensam que funciona.– Quando experimentar é dispendioso.

• Modelagem Analítica x Simulação– Complexidade do sistema em análise;– Qualidade das análises ↔ qualidade do modelo.

Simulação

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• Simulação Discreta: Implica na mudança de estado em tempos discretos.

• Conceitos Básicos:– Entidades ou Objetos;– Parâmetros e estados do objeto;– Tempo Simulado;– Lista de Eventos.

Simulação de Eventos Discretos

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Projeto de Redes de Telecomunicações

• Análise das metas e restrições de Negócio– Pesquisa do negócio do cliente;– Obtenção de resultados;– Identificação do escopo; – Identificação dos aplicativos;– Restrições de negócio.

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• Análise das metas e restrições técnicas– Facilidade de escalonamento;– Disponibilidade;– Desempenho da rede;– Projeto de segurança;– Facilidade de gerenciamento;– Facilidade de uso;– Facilidade de adaptação;– Viabilidade;– Análise de compromissos.

• Caracterização da rede existente

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• Caracterização do tráfego da rede– Fluxo de tráfego:

• Comunidade de usuários;• Locais de armazenamento de dados.

– Comportamento dos protocolos.– QoS

• Serviço controlado pela carga;• Serviço garantido.

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Redes Multi-serviços• Redes multi-serviços:

– Dados;– Áudio e Vídeo;– Aplicações baseadas em Web;– Acesso à internet;– Automação.

• Áudio e Vídeo– Tempo real;– Jiiter – variação no atraso sofrida pelo pacote ao chegar ao

seu destino;– RTP (Real Time Protocol);– Número de seqüência e timestamp;– Exemplo: VOIP.

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Redes Multi-serviços

Cliente Cliente Cliente Cliente Cliente

Servidor de Aplicações BD Servidor WEB

• Aplicações baseadas em WEB– Modelo Cliente/Servidor de 4 camadas

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Redes Multi-serviços

• Acesso a internet:– Acesso Residencial;– Acesso Corporativo.

• Automação:– NCS – Networked Control Systems;– Arquitetura do tipo de redes de eventos discretos;– ControlNet, DeviceNet.

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Definição

O ponto de vista teórico

• Simulação é a técnica de estudos de comportamentos e reações de um determinado sistema através de modelos, que imitam na totalidade ou em parte as propriedades e comportamentos deste sistema em uma escala menor, permitindo sua manipulação e estudo detalhado posterior. Com ela permite-nos oferecer ao sistema através do diagnostico, um caminho para de forma otimizada executar e prever melhor as suas atividades.

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Funcionalidade

• A Simulação de Redes oferece como saída uma lista de possíveis alterações sucessivas que possa existir como resultado dos testes. Com a simulação procuramos encontrar melhor caminho, seja ele mais curto, mais econômico, ou melhor, condições de suporte adequado entre as diversas marcações levantadas e das marcações existentes.

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Tipos

Com evolução da TIC nos últimos anos o computador tornou um importante aliado da Simulação.

A Simulação por computador é usada nas mais diversas áreas, citando como exemplos:

- dimensionamento de call centers; - treinamento de estratégia para militares; -

pilotagem de veículos ou aviões, etc;- estudo aerodinâmico;

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Tipos

• Dirigido por eventos que simula vários tipos de redes IP.• Ele pode trabalhar simulando:

- protocolos de rede como o TCP e o UDP, - comportamento de tráfego em FTP,

- telnet, Web, CBR e VBR, - mecanismos de gerenciamento de filas de

roteadores como Drop Tail, RED e CBQ, algoritmos de roteamento como o Dijkstra e outros. - implementa multicasting e alguns dos protocolos da camada MAC para simulação de LANs. Ethernet” e “IP”,

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O que se pode obter

As tarefas propostas para o sistema simulador são:a) análise de elementos das diversas camadas e

protocolos da rede simulada (com referência ao modelo "OSI");

b) análise e medida de eficiência (qualidade de transmissão, taxa de transferência, taxa de erros) da informação digital transmitida na rede;

c) avaliação do desempenho da rede e análise da capacidade dos canais que compõe a mesma;

d) análise da capacidade de detecção e correção de erros e da tolerância a falhas da rede.

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O procedimento utilizado

• Com testes exaustivos, espera-se que se encontre um caminho adequado.

• A Simulação termina quando um caminho foi encontrado ou quando ocorre uma condição de erro.

• Resumindo, a simulação em redes mostra resultados de Simulações, produzindo um ou mais arquivos de saída baseadas em texto que contém dados da Simulação detalhados. Os dados podem ser utilizados para Análise de Simulações ou como entrada para um sistema ou aplicação de simulação gráfica.

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Aspectos que podem ser avaliado numa rede

• Provê funções que, através da coleta de dados estatísticos, permitem:

- controlar, monitorar, relatar, corrigir e analisar o comportamento e eficácia de rede, elementos de rede, equipamentos;

- auxiliar no planejamento e análise dos mesmos. - responsável pela avaliação de desempenho, gerência

de trafego, funções de qualidade de serviço (QoS). Com a Simulação espera-se avaliar a partir de modelos

matemáticos que representam os elementos das diversas camadas (como exemplo uma referência ao modelo "OSI") da rede a ser simulada e do funcionamento conjunto destes elementos.

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Aspectos que podem ser avaliado numa rede

O Ponto de vista prático• O resultado esperado é uma ferramenta capaz de

- auxiliar engenheiros, analistas e técnicos da área de teleinformática a projetar e avaliar o desempenho de redes locais e de longa distância que utilizam o protocolo "IP".

Como exemplo na economia proporcionada pelo sistema, é possível, com a utilização de uma ferramenta de Simulação, identificar na fase de projeto se um equipamento é ou não adequado à melhor relação custo/benefício de uma rede de comunicação. Se possível, saber quando investir em equipamentos “hub”, “switch” nível 2 ou “switch” nível 3, que apresentam entre si variações de custo por porta, na ordem de 5 a 20 vezes.

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Analise de desempenho

• Com a Simulação pode-se avaliar protocolos de comunicação que possibilitam, entre outras funcionalidades, uma rápida e eficiente validação do desempenho de sistemas distribuídos e uma rica infra-estrutura para a implementação e de novos protocolos.

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Parâmetros medidos

Os parâmetros que serão constantes, variáveis independentes e variáveis dependentes, na realização de aquisição de dados nas redes de computadores existentes, são respectivamente descritos a seguir:

I - Constantes no processo de medição das redes.II - Tempo total de medição da rede, em minutos.III - Intervalo de tempo para a média dos dados,

determinado um ponto de amostra, em segundos.

IV - Taxa de transmissão, em Mbps (Mega bits por segundo).

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Parâmetros medidos

V - Variáveis Dependentes (parâmetros Medidos) :

• utilização média da rede, em percentagem.• taxa média de frames, em frames por segundo.• tamanho médio de frames, em bytes.• banda média de rede consumida, medida em Mbps (Mega

bits por segundo).• máxima utilização do barramento, sobre o tempo

amostrado (A), em percentagem.• taxa média de broadcast, em frames por segundo• taxa média de colisões remotas, em colisões por segundo.• taxa média de colisões locais, em colisões por segundo.

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Parâmetros medidos

• número de colisões atrasadas, em colisões.• taxa média de colisão como um percentual do total de

frames enviados, em percentual.• número de Jabbers, em frames.• número de FCS (“Frame Check Sequence”) errados, em

frames.• número de frames curtos, em frames.• número de frames com ruído elétrico, em frames.• taxa máxima de colisões atrasadas, em colisões por

segundo.• taxa máxima de colisões remotas, em colisões por

segundo.• taxa máxima de colisões locais, em colisões por segundo.

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Parâmetros medidos

• taxa máxima de frames sobre o tempo amostrado (A), em frames por segundo.

• taxa máxima de broadcast sobre o tempo amostrado (A), em frames por segundo.

• taxa máxima de jabbers sobre o tempo amostrado (A), em frames por segundo.

• taxa máxima de FCS (“Frame Check Sequence”) errados sobre o tempo amostrado (A), em frames por segundo.

• taxa máxima de frames curtos sobre o tempo amostrado (A), em frames por segundo.

• taxa máxima de frames com ruído elétrico, sobre o tempo amostrado (A), em frames por segundo.

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Planejamento de Capacidade

Variáveis Independentes:

• A: número de estações na rede, em estações.• B: número de portas utilizadas em um mesmo

equipamento;• C: tamanho médio de frames, em bytes.

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Avaliação de qualidade de serviço

Exemplos de uso:Como exemplo de resultados, numa amostra válida

de redes com tamanho de 100 a 350 estações (microcomputadores), para o perfil das redes “Ethernet” e “IP”, temos as funções descritas a seguir, onde os coeficientes são determinados permitindo a previsibilidade e simulação do comportamento das redes.

a) A máxima utilização do barramento é função do número de estações na rede, do número de portas utilizadas em um mesmo barramento “Ethernet” e do tamanho médio de frames, ajustados em uma função matemática.

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Avaliação de qualidade de serviço

b) A utilização média da rede é função do número de portas utilizadas em um mesmo barramento “Ethernet”, ajustados em uma função matemática.

c) A taxa máxima de colisão no barramento “Ethernet” é função do tamanho médio do frame, ajustados em uma função matemática.

d) A taxa média de broadcast na rede é função do número de estações, ajustados em uma função matemática

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• GERENCIAMENTO DE CARGA NUM BARRAMENTO- Número de terminais- Tipo de transação- Intensidade da carga

Questões Típicas:

-> Quantos terminais operando num certo tempo !?-> Qual o reflexo no tempo de resposta da adição de novos terminais?-> Qual o comportamento do tráfego !?

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• DEFINIÇÃO DA TOPOLOGIA DE UMA DADA REDE-> Como se comporta a demanda !?-> Como evoluiu a demanda !?

Quantos Hubs localizar !? - Onde localizá-los !? - Qual a capacidade dos links !? - Como fazer UP-GRADE da rede !?

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-> Nos três casos :- Incertezas- Interações dinâmicas entre decisões e eventos

subsequentes- Interdependências complexas entre as variáveisProblemas Grandes e Intrincados

Simulação em Computador

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Sistema :Coleção de entidades que atuam e interagem

com vistas à realização de algum fim lógicoEstado do Sistema :

Coleção de variáveis necessárias para descrever o “Status” do sistema num dado instante.Exemplo :

Número de canais de comunicação disponíveisNúmero de terminais disponíveis para operação

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Entidades :Objeto de interesse => Terminais da redeAtributos :Características / propriedades da entidadeSistema Discreto :As variáveis de estado mudam somente para pontos discretos / contáveis no tempoExemplo :Geração de requisições na rede Sistema Contínuo : As variáveis de estado mudam continuamente no tempo

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Exemplo : Processamento de transaçõesModelo de Simulação Estática :Representação de um sistema para um instante de tempo particular

Simulação Monte CarloModelo de Simulação Dinâmica :Representação de como um sistema evolui no tempoModelo de Simulação DeterminísticaModelo de Simulação Estocástica

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Exemplo de Simulação de Eventos Discretos• Modelo de Fila com um Único Servidor

- Capacidade ilimitada da fila- Disciplina FIFO- População infinita- Chegadas aleatórias

Intervalo entrerequisições (min) Probabilidade

Tempo deProcessa-

mentoProbabilidade

1 0.20 1 0.352 0.30 2 0.403 0.35 3 0.254 0.15

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População 0 0 0 0 0 Fila Servidor

Chegada Partida

Chegada

Cliente entra p/ serviço Cliente vai para fila

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Partida

Remover cliente da fila ecomeçar o serviço

Mudar status dosistema para ocioso

FilaVazia

Não Sim

Tempo de Chegada = novo tempo do relógio + tempo entre chegadas

Tempo de Partida = novo tempo do relógio + tempo de serviço

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TP = TL + TS

Inicializa Variáveis de Estado

TL = TPTL = TC

NãoCheio Ss = 0?

Ocioso SimCF > 0?

CF = CF + 1

TC = TL + TEC

Ss = 1

Gerar TS

Gerar TEC

CF = CF - 1

Gerar TS

TP = TL + TS

Continue

Ss = 0

TP = 9999

Continue

ImprimeResultado

SN PareTL > Corrida

TC < TP?

Chegada Partida

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Formular o Problema

Verificado ? Não

NãoSimulaçãoCompleta ?

Sim

Coletar dados edesenvolver o modelo

Desenvolver códigocomputacional p/ modelo

Não

Sim

Sim

Validado ?

Projetar o experimento

Realizar a corrida desimulação

Analisar dados saída

Documentar eimplementar acorrida desimulação

Processo de Simulação

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Num Modelo de Simulação• Componentes do Modelo- Fenômenos Dinâmicos => Regras de Decisão- Entidades => Atributos- Relações de Pertinência =>Conexões entre as entidades- Estado do Modelo =>Status das entidades junto com informações históricas- Eventos Exógenos• Validade e Confiabilidade do Modelo

O modelo fornece perspectivas válidas e conclusões confiáveis?

Objetivo do Modelo: Compreender o comportamento de um sistema total e não das partes separadas

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• Parâmetros do Modelo e Medidas de Desempenho Disponibilidade limitada dos dados pode muito bem influenciar o modo de se construir uma simulação

Preocupação : -Dados extrapolados-Medidas de desempenho não-estacionário

-Fenômenos cíclicos/periódicos

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Exemplos de Aplicações

-> Simulação de um sistema de telecomunicações para obter a capacidade dos respectivos componentes, visando melhorar a qualidade dos serviços de modo mais econômico;-> Simulação de tráfego numa rede multimídia;-> Simulação do impacto num sistema de computação de novas aplicações;-> Simular a comutação de células num switch ATM;-> Simular o impacto na rede, da quebra de um nó ou de um link.

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FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃOFERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO

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• Ferramentas livres muito utilizadas atualmente:– OMNeT++;– NS2 (NS3);– GLASS/SSFNet.

• Ferramentas pagas:– OPNET.

• OMNeT++ 4.0– Melhorias nas linguagem de descrição da rede;– Conceito de herança;– Portabilidade de códigos anteriores a versão 4.0 e INET;– Nova IDE.

Ferramentas de Simulação

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• Usado por empresas como: Lucent Bell Labs (análise de protocolos) e Siemens (projetos internos de pesquisa).– Fonte:http://www.omnetpp.org/index.php?topic=Companies.

• Porque não utilizar o NS2/NS3/OPNET?– NS3 não é compatível com código fonte do NS2;– Poucas bibliotecas de rede foram convertidas para o NS3;– OPNET é um simulador pago, cujo código fonte não é aberto.

• OMNeT++– Excelente desempenho: escrito em C++;– Uso de linguagem de descrição de topologia própria (NED);– Software Livre com 100% de seu código-fonte disponível;– Gratuito para uso acadêmico e/ou não comercial.

Ferramentas de Simulação

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