Emulation von Rechnernetzen zur Leistungsanalyse von verteilten Anwendungen und Netzprotokollen

Abstract

Um die Leistung von verteilten Anwendungen und Netzprotokollen in Abhängigkeit von den Eigenschaften der verwendeten Rechnernetze zu analysieren, wird eine Testumgebung benötigt, die Netzeigenschaften zuverlässig nachbilden ("emulieren") kann. Eine solche Testumgebung wird Emulationssystem genannt. Bisher existierende Emulationssysteme sind aufgrund ihrer Architektur entweder nur für sehr kleine Szenarien geeignet, oder sie können nur unabhängige Netzverbindungen nachbilden, und schließen damit alle Netztechnologien mit gemeinsamen Medien aus. In dieser Arbeit werden zunächst verschiedene Architekturvarianten für die Realisierung eines Emulationssystems vorgestellt und bewertet. Für die Variante mit zentraler Steuerung und verteilten Emulationswerkzeugen wird dann detailliert die Funktionalität eines Emulationssystems mit seinen wesentlichen Komponenten beschrieben. Das in dieser Arbeit entwickelte Emulationsverfahren greift auf der logischen Ebene der Sicherungsschicht in den Kommunikationsstapel ein. Auf dieser Ebene werden die beiden Basiseffekte Rahmenverlust und Verzögerung durch verteilte Emulationswerkzeuge nachgebildet. Alle anderen Netzeigenschaften können auf diese Basiseffekte zurückgeführt werden. Um Netztechnologien mit gemeinsamen Medien durch verteilte Werkzeuge nachbilden zu können, wird zusätzlich das Konzept des virtuellen Trägersignals eingeführt. Hierbei werden die Eigenschaften eines Rundsendemediums nachgebildet, indem kooperative Emulationswerkzeuge Rundsendungen zur Signalisierung eines Trägersignals benutzen. Somit kann jedeWerkzeuginstanz lokal ein aktuelles Modell des emulierten gemeinsamen Mediums halten. Auf dieser Basis kann auch das Verhalten von Medienzugriffsprotokollen nachgebildet werden. Die Arbeit deckt auch die wesentlichen Realisierungsaspekte eines Emulationssytems ab. Mit ausführlichen Messungen wird gezeigt, dass das entwickelte System für die Nachbildung von Netzszenarien sehr gut geeignet ist, selbst wenn die nachzubildenden Parameter sich dynamisch ändern. Die entwickelten Werkzeuge sind in der Lage, Netzeigenschaften in einem weiten Parameterbereich realistisch nachzubilden. Mit diesem System steht nun eine ideale Testumgebung für Leistungsmessungen von verteilten Anwendungen und Netzprotokollen in Abhängigkeit von Netzeigenschaften zur Verfügung.

During the design and implementation of these new distributed applications and protocols, it is essential to analyze their performance in various network environments. While mathematical analysis and simulations are commonly used in early design stages, measurements have to verify the theoretical results as soon as implementations become available. To conduct these measurements in a reliable, controllable environment, a synthetic network environment is needed that can be parametrized in order to reproduce the properties of an original or fictitious network. The process of introducing network properties that differ from the actual properties of the hardware in use is called network emulation. A network emulation tool is software or hardware capable of altering network traffic in a specified way. A testbed with a number of interconnected nodes and suitable emulation tools is called network emulation testbed. Existing approaches to network emulation either consider only small scenarios, or are restricted to simple network properties and do not allow the emulation of shared media networks. In this doctoral thesis, a method for network emulation is proposed that is both scalable in terms of scenario size and network traffic, and provides the possibility of emulating shared media networks. The proposed system, the Network Emulation Testbed (NET), combines a centralized scenario control and distributed network emulation tools running on several node PCs. The emulation tools can cooperate to maintain a distributed, yet consistent media model. This facilitates the emulation of shared media networks with distributed tools.