بررسی نرم افزارهای مختلف شبیه سازی شبکه

در این مقاله نرم افزارهای مختلف شبیه سازی شبکه مانند GLOMOSIM/QUALNET ،Omnet++ ،NS2 ،NS3 ،Opnet ،J-SIM ،GNS3 ،VIRL و IOU را مورد بررسی  و مقایسه قرار داده داده ایم.

مقدمه ای بر نرم افزارهای مختلف شبیه سازی شبکه

برای تحقیقات در زمینه شبکه از مدلسازی ریاضی یا شبیه سازی استفاده می شود و بررسی رفتار شبکه در جهان واقعی هزینه بالایی دارد. نرم افزارهایی برای شبیه سازی و مدلسازی شبکه ارائه شده است که این نرم افزارها قابلیت مدل نمودن گره ها، پیکربندی آن ها و لینک های ارتباطی بین آن ها را به کاربران و طراحان شبکه می دهد. نرم افزارهای شبیه سازی به صورت متن باز و تجاری ارائه شده اند و محققین با توجه به شرایط شبکه و نیازمندی آن ها از ابزار شبیه سازی مختلفی استفاده می کنند. نرم افزارهای ارائه شده برای شبیه سازی می توانند ساده یا پیچیده باشند که این موضوع در زمان یادگیری کاربران تأثیر دارد. محققین برای بررسی رفتار شبکه بایستی توپولوژی، نوع گره ها و رفتار آن ها، لینک ارتباطی بین گره ها و ترافیک شبکه را مشخص کنند. شبیه سازهای پیچیده تر انتخاب های بیشتری در اختیار محققان قرار می دهند تا بتوانند با مقداردهی پارامترهای مختلف اجزاء شبکه را دقیق تر تعریف کنند. نرم افزارهای شبیه سازی می توانند واسط کاربری مختلفی داشته باشند. واسط کاربری گرافیکی (GUI) در برخی از این شبیه سازها به محققین در مدلسازی شبکه و نمایش رفتار شبکه بر اساس پارامترهای مختلف کمک می کند. واسط کاربری مبتنی بر متن (Text-Base) کاربری را سخت تر می کند و زمان یادگیری را افزایش می دهد ولی به کاربر اجازه می دهد تا آزادی عمل بیشتری برای شبیه سازی داشته باشد.

لیست نرم افزارهای مختلف شبیه سازی شبکه

• نرم افزار شبیه ساز NS2
• نرم افزار شبیه ساز NS3
• نرم افزار شبیه ساز OPNET
• نرم افزار شبیه ساز OMNET++
• نرم افزار شبیه ساز JSIM
• نرم افزار شبیه ساز GNS3
• نرم افزار شبیه ساز GLOMOSIM/QUALNET
• نرم افزار شبیه ساز VIRL
• نرم افزار شبیه ساز IOU

شبیه ساز NS2

نرم افزار شبیه سازی NS2 متن باز بوده و رویدادها را به صورت گسسته زمانبندی نموده و شبیه سازی می کند. دانشگاه UC Berkeley این شبیه ساز را پیاده سازی کرده است که بر روی سیستم عامل های UNIX ، Free BSD و ویندوز قابل نصب است. شبیه ساز NS-2 بخشی از پروژه VINT4 بوده این شبیه ساز برای شبکه های محدود و کوچک طراحی شده و پروتکل های زیادی توسط این نرم افزار شبیه سازی شده است.

برای شبیه سازی با نرم افزار NS2 به سه زبان برنامه نویسی زیر نیاز است:

• زبان TCL : زبان TCL برای ایجاد ساختار و توپولوژی شبکه مورد استفاده قرار می گیرد.
• زبان OTCL : زبان OTCL برای تعریف پارامترهای شبیه سازی مورد نیاز است.
• زبان C++: کاربران از زبان C++ برای پیاده سازی پروتکل ها و عامل ها (Agent) استفاده می کنند.

فرمت خروجی شبیه ساز NS2 مبتنی بر فایل بوده و به فایل های خروجی این شبیه ساز Trace File گفته می شود که این فایل ها یک فرمت عمومی دارد و یک فرمت برای خروجی گرافیکی NAM دارد و همچنین می توان Trace File را بنابر نیاز کاربر شخصی سازی نمود. یکی از اشکالات این نرم افزار شبیه سازی شبکه های Real-Time است. این نرم افزار در پروژه های تحقیقاتی محبوبیت دارد و برای شبیه سازی پروتکل های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

مهمترین مزایای NS2 عبارتند از:

• بسیاری از  پروتکل های مسیریابی قبلا در آن پیاده سازی شده اند
• مدل های در دسترس بیشماری دارد
• بسیار شناخته شده بوده و اجتماعات وسیعی از آن پشتیبانی می کنند
• قابلیت استفاده در شبیه سازی های موازی و بی سیم
• منبع باز بوده و رایگان است

مهمترین معایب NS2 عبارتند از:

• مدت زمان طولانی برای آشنایی با آن
• سورس کد و دستورالعمل های آن خوب مستندسازی نشده اند
• دشواری در ارزیابی سریع یک ایده کوچک
  
  

  شبیه ساز NS3

  طراحی و پیاده سازی نرم افزار شبیه ساز NS3 در فاصله زمانی ۲۰۰۴ – ۲۰۰۵ شروع شد. یک تیم با مدیریت تام هندرسون از دانشگاه واشینگتون به همراه دو نفر دیگر و جورج رایلی موسسه فناوری جورجیا شروع به فعالیت کردند. هدف جایگزینی شبیه سازی برای شبیه ساز NS2 بود. در فرآیند توسعه NS-3 سازگاری با NS-2 اساسا به خاطر سربار بالای نگهداری نادیده گرفته شد. شبیه ساز NS3 از ابتدا با زبان برنامه نویسی c++ نوشته شد و اولین نسخه از NS3 در سال ۲۰۰۸ ارائه گردید. این نرم افزار توپولوژی، لینک ارتباطی و پروتکل های مختلف شبکه را مدل می کند و خروجی های مختلفی ارائه می شود که می توان با XGraph و گنوپلات شهودی سازی نمود.

  

  شبیه ساز OPNET

  نرم افزار شبیه ساز OPNET به صورت تجاری ارائه شده و برای استفاده از آن به مجوز نیاز دارد این نرم افزار بستر مناسبی را برای مدلسازی، شبیه سازی و ارزیابی کارایی شبکه های سیمی و بی سیم آماده کرده است. این نرم افزار از شبکه های مختلف و سیستم های توزیع شده پشتیبانی می کند و برروی سیستم عامل های ویندوز XP ، ۲۰۰۰ ، لینوکس و سولاریس قابل نصب است. محیط شبیه سازی OPNET گرافیکی بوده و ابزارهای مختلفی را در اختیار کاربران قرار می دهد و کاربر می تواند با  مدلسازی سناریوها و ترافیک مختلف شبکه را شبیه سازی نماید و آن شبکه را بر اساس پارامترهای مشخصی ارزیابی نماید. کاربر می تواند در شبیه ساز OPNET چندین سناریو تعریف کند. این نرم افزار از چندین ویرایشگر تشکیل شده است. یک ویرایشگر مرکزی برای کنترل ویرایشگرهای دیگر وجود دارد و این ویرایشگرها به صورت سلسله مراتبی عمل می کنند. ویرایشگر گره برای پیکربندی گره و رفتار آن تعریف شده و ویرایشگر دیگری برای تعریف فرمت بسته در این شبیه ساز وجود دارد. این نرم افزار ویرایشگر تعریف فرآیند نیز دارد که فرآیند رفتاری شبکه را مشخص می کند و به کاربران اجازه می دهد تا نتایج مورد نظر خود را با انتخاب پارامترهای مشخصی به دست آورند. شبیه ساز OPNET می تواند با ساختار سلسله مراتبی خود مدلسازی های پیچیده را پشتیبانی کند.

  

  شبیه ساز OPNET در سه حوزه عمل می کند که عبارتند از:

• حوزه شبکه های مختلف مانند LAN, MAN, WAN و بی سیم برای ارزیابی ترافیک در این شبکه ها
• حوزه رفتاری گره ها مانند قابلیت دریافت، پردازش و ارسال بسته در گره های مختلف مورد استفاده
• حوزه های مبتنی بر رفتار شبکه مانند قابلیت صف و ارتباط بین آن ها

این نرم افزار بر اساس پارامترهای انتخاب شده توسط کاربر خروجی مناسب را به صورت شهودی در اختیارش قرار می دهد و برای مباحث تحلیل ترافیکی در شبکه های مختلف کاربرد ویژه ای دارد.

کاربرد های شبیه ساز OPNET عبارتند از:

• آنالیز شبکه های فعلی از طریق شبیه سازی
• طراحی بهینه شبکه
• شبیه سازی عملکرد پروتکل های جدید که در محیط های تحقیقاتی به وجود آمده اند

شبیه ساز Omnet++
این نرم افزار متن باز، مبتنی بر مولفه(Component) و پیمانه ای (Modular) است و رخدادها در این شبیه ساز به صورت گسسته برنامه ریزی می شوند. این شبیه ساز رایگان بوده و در پروژه های دانشگاهی و تحقیقاتی کاربرد دارد. نرم افزار آمنت با هدف شبیه سازی ارتباطات شبکه ای طراحی شد ولی با توجه به معماری انعطاف پذیری که این نرم افزار داشت توانست در شبیه سازی سیستم های پیچیده فناوری اطلاعات، شبکه های مبتنی بر پرس و جو (Query) و معماری سخت افزارها مورد استفاده قرار گیرد. این شبیه ساز بین محققین و کاربران تجاری محبوبیت بسیاری دارد و روی سیستم عامل لینوکس، دیگر سیستم عامل های مبتنی بر Unix و سیستم عامل ویندوز قابلت نصب دارد. این شبیه ساز یک ویرایشگر گرافیکی (GNED2) دارد که کاربر می تواند با استفاده از این ویرایشگر توپولوژی مورد نظر خود را در نرم افزار طراحی نماید.

ساختار شبکه و توپولوژی در این نرم افزار بوسیله زبان NED انجام می شود که به صورت یک فایل در خروجی با پسوند ned ذخیره می شود. این شبیه ساز کتابخانه های مختلفی برای ایجاداجزاء مختلف شبکه دارد و کاربر می تواند از طریق محیط گرافیکی یا از طریق دستور Command شبیه سازی را اجرا کند. این نرم افزار از مولفه های ساده (Simple)، مرکب (Compound)، دروازه (Gate) و کانال (Channel) تشکیل شده است. مولفه ترکیبی از چند مولفه ساده که با یکدیگر در ارتباطند تشکیل شده است. ساختار پیمانه ای و سلسله مراتبی به کاربران اجازه شبیه سازی شبکه های پیچیده و گسترده را می دهد. در این نرم افزار ارتباط بین مولفه ها بوسیله تبادل پیام انجام می شود و این پیام ها می توانند نقش های مختلفی داشته باشند به عنوان نمونه این پیام ها می توانند نقش بسته در شبکه را بازی کنند. دروازه به عنوان درگاهی ورودی و خروجی مولفه ها عمل می کند. مولفه ها پیام های ورودی را از دروازه دریافت می کنند و هنگام ارسال پیام نیز از دروازه به عنوان واسط خروجی استفاده می کنند. مولفه ها برای ارتباط با یکدیگر پارامترهای نرخ داده (Data Rate)، نرخ خطای بیتی (Bit Error Rate)، نرخ خطای بسته ای (Packet Error Rate) و تأخیر انتشار (Propagation Delay) را مقداردهی می کنند و با آنها را غیرفعال می کنند. فایل های مختلف شبیه سازی با یکدیگر همکاری کرده و شبیه سازی انجام می شود. فایل ned ساختار و توپولوژی شبکه را همراه با پارامترها و دروازه ها در خود ذخیره کرده، فایل msg نوع پیام و ساختار داده ای آن را مشخص می کند و مولفه های ساده که به زبان C++ نوشته شده است در دو فایل h و cpp ذخیره می شوند. هر مولفه در یک پنجره قابل رویت و ویرایش بوده و نتایج به صورت شهودی و گرافیکی به کاربر ارائه می شود.

شبیه ساز Glomosim / QUALNET

شبیه ساز Glomosim توسط UCLA طراحی و پیاده سازی شده و برای مدلسازی شبکه های بی سیم در مقیاس گسترده و ارتباطات سیمی دیگر  طراحی و پیاده سازی شده است. این نرم افزار بر اساس رویدادهای گسسته (Discrete-event) شبیه سازی را انجام داده و قابلیت پردازش موازی (Parallel) رویدادها را نیز دارد. نسخه تجاری شبیه ساز Glomosim با نام QualNet ارائه شده است و محصول تجاری این نرم افزار در سال ۲۰۰۰ ارائه شد.

Glomosim و QUALNET چند تفاوت عمده دارند

• شبیه ساز QualNet با زبان C++ پیاده سازی شده ولی زبان توسعه Glomosim زبان C است
• شبیه ساز QualNet به صورت تجاری ارائه گردیده ولی Glomosim به صورت متن باز منتشر شده است
• شبیه ساز QualNet در یک سیستم SNT قابل اجرا است ولی Glomosim بر روی  سیستم های مبتنی بر محاسبات موازی اجرا می شود.

شبیه ساز Qualnet در هسته خود می تواند رویدادهای گسسته با به صورت موازی مدیریت و زمانبندی نماید و قابلیت مقیاس پذیری و جابجایی دارد. کاربران می توانند شبکه های وسیع و گسترده ای با هزاران گره توسط این شبیه ساز مدلسازی کنند همچنین کتابخانه های مختلفی برای شبیه سازی دارد که به کاربر امکان مدلسازی شبکه های مختلف را می دهد. این شبیه ساز می تواند برای شبیه سازی شبکه های چندرسانه ای (Multimedia)، شبکه های Enterprise ،شبکه های بیسیم، شبکه های ماهواره، سلولار، فناوری UMTS ،فناوری وایمکس، شبکه های سنسور و رادیویی مورد استفاده قرار گیرد. نرم افزار Qualnet برروی سیستم عامل لینوکس نصب می شود و دارای واسط گرافیکی قدرتمندی است که از چند ویرایشگر تشکیل شده است و به کاربران امکان ایجاد توپولوژی های مختلف شبکه، تحلیل کارایی شبکه و اجزاء آن، بررسی بسته ها و استخراج نتایج گرافیکی (مانند نمودارها و گراف) با اعمال شرایط مختلف را می دهد. شبیه ساز Qualnet واسطی را که مبتنی بر دستور (Command) است، در اختیار کاربران قرار می دهد و کاربران با استفاده از این ویرایشگر می توانند با نرم افزار ارتباط برقرار کنند. محققین می توانند برای طراحی یا بهبود پروتکل از این شبیه ساز استفاده کنند همچنین می توانند کارایی شبکه های بزرگ سیمی و بیسیم را بوسیله این نزم افزار ارزیابی کنند. این نرم افزار می تواند عملکرد سخت افزارها، نرم افزارها و سرویس های Real-Time را مورد ارزیابی و بررسی قرار دهد. نرم افزار Qualnet برای شبیه سازی یک شبکه وسیع و گسترده بایستی برروی یک سیستم با چند هسته یا پردازنده نصب شود یا از چند سرور خوشه ای (Cluster) برای شبیه سازی استفاده کند.

شبیه ساز JSIM

نرم افزار شبیه سازی JSIM براساس یک معماری مبتنی بر مولفه (Component) طراحی شده که در این معماری مولفه ها قابلیت خودگردانی (ACA) دارند. این نرم افزار به صورت رایگان در اختیار محققیقن و طراحان شبکه قرار گرفته است و یک پلت فرم برای شبیه سازی شبکه های مختلف با نام INET در اختیار کاربران قرار داده است. شبیه سازی J-SIM ساختاری مشابه با معماری OMNET++ دارد و قابلیت شبیه سازی شبکه های Real-Time را در اختیار کاربران قرار می دهد و بر خلاف شبیه سازهای مبتنی بر رویداد گسسته که در زمان مشخص و با برنامه ریزی رخدادها را مدیریت می کرد به صورت Real-Time شبیه سازی را انجام می دهد. کاربران برای استفاده از شبیه سازی J-SIM به دو زبان نیاز دارند. این نرم افزار به زبان JAVA برای مدلسازی و پیاده سازی شبکه نیاز دارد و برای پیکربندی و کنترل شبیه سازی در Run-Time به یک زبان اسکریپتی نیاز دارد. این نرم افزار از زبان های اسکریپتی TCL ، Perl و Python پشتیبانی می کند و به صورت پیش فرض از زبان TCL خاصی با نام RUV برای اجرا به صورت Run-Time پشتیبانی می کند. نتایج شبیه سازی به سه روش Trace File ، گراف X-Y و NAM قابل استخراج است و از ابعاد مختلفی شبیه به Omnet++ است. شبیه سازی JSIM به صورت مولفه ای کار می کند به همین دلیل می تواند ساختار شبکه مدلسازی شده را در یک فایل XML ذخیره کند همچنین واسط گرافیکی شبیه ساز Omnet++ از ابزارهای بیشتری بهره می برد و از این جهت J-Sim کارایی کمتری نسبت به Omnet++ دارد.

شبیه ساز GNS3

نرم افزار شبیه ساز GNS3 یک ایمولاتور شبکه بوده و هسته آن Dynamips است که IOS های سیسکو و Juniper را اجرا میکند. در واقع GNS3 یک پوستۀ گرافیکی برای  Dynamips است و  متن باز بوده و پروانه آن از نوع GPL می باشد. نرم افزار GNS3 بر روی سیستم عامل های لینوکس، Mac و ویندوز قابل اجرا است و هر دستوری که در سوئیچها و روترهای سیسکو قابل اجرا است، در GNS3 نیز قابل اجرا خواهد بود با این تفاوت که توان گذردهی GNS3 محدود به ۱۰۰۰ بسته در ثانیه است اما توان گذردهی دستگاههای واقعی صدها یا هزاران برابر این مقدار میباشد. بنابراین GNS3 نمیتواند جای یک روتر واقعی را بگیرد اما ابزار مناسبی برای یادگیری و انجام  آزمایشات شبکه می باشد.

شبیه ساز VIRL

نرم افزار شبیه سازی VIRL یک پلتفرم جامع برای طراحی و شبیه سازی شبکه است و نام دیگر آن CML میباشد. این پلتفرم دارای یک رابط گرافیکی قدرتمند برای طراحی شبکه و کنترل شبیه سازی است. در این پلتفرم قسمت طراحی شبکه (رابط گرافیکی) از قسمت اجرای شبیه سازی کاملا مجزا است به نحوی که میتوان طراحی را بر روی یک کامپیوتر ساده یا لپتاپ انجام داد و طرح را برروی یک سرور قدرتمند اجرا نمود. این دو قسمت به وسیله فایل های متنی xml با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. لایه کنترلی این پلتفرم از ماشین های مجازی Linux KVM hypervisor و OpenStack استفاده می کند و دارای API های قدرتمندی برای ایجاد و کنترل این ماشین های مجازی در توپولوژی شبکه ای که شبیه سازی شده می باشد.

در این پلتفرم کاربر به وسیله یک رابط طراحی و کنترلی به نام VM Maestro شبکه مورد نظر خود را با روترها، سوئیچها، سرورها و دیگر عناصر شبکه که بصورت مجازی در اختیارش قرار میگیرد طراحی می کند. سپس این طرح به مجموعه ای از ماشین های مجازی که IOS های واقعی سیسکو را اجرا می کنند تبدیل می شود. از این پلتفرم به منظور یادگیری، تست شبکه، مطالعه رفتار و پیکربندی پروتکل های مسیریابی و آزمایش تغییرات برروی شبکه های موجود استفاده می شود. در این پلتفرم امکان اتصال به شبکه های واقعی، تجهیزات واقعی و سرورهای واقعی وجود دارد.

شبیه ساز IOU

هسته IOU یک ایمولاتور IOS برروی Linux است که توسط شرکت سیسکو برای پرسنل بخش تحقیقاتی این شرکت طراحی و پیاده سازی شد. قبل از این شبیه ساز از ایمولاتور Dynamips با رابط گرافیکی GNS3 استفاده می شد. تفاوت اصلی آنها در میزان مصرف منابع در اختیار شبیه ساز است. هسته IOU ، محیطی کاملا اجرایی برای استفاده از IOS های سیسکو است که بر پایه سیستم عامل لینوکس کار می کند. هدف اولیه ایجاد IOU ، برای پرسنل شرکت سیسکو بود تا با استفاده از آن دیگر نیاز به داشتن یک آزمایشگاه گران قیمت با تجهیزات سخت افزاری نباشد. این هسته شبیه ساز به کارکنان سیسکو امکان مطالعه و تحقیق را بوسیله یک کامپیوتر معمولی می دهد. کاربران با استفاده از سه واسط محیط لینوکس، GNS3 و صفحه وب با IOU ارتباط برقرار می کنند. نسخه های جدید این نرم افزار هر چند ماه یکبار منتشر می شود که نسخه آخر آن تا سال ۲۰۱۵ نسخه ۱٫۲٫۳ است.

کاربران برای استفاده از این شبیه ساز اهداف زیر را دنبال می کنند:

• بدست آوردن اطمینان از صحت طراحی شبکه انجام شده،
• محک زدن مفاهیم شبکه ای،
• انجام آزمایش های شخصی و آمادگی جهت شرکت در آزمون های رسمی

این هسته کلیه IOS های سیسکو را پشتیبانی می کند ولی این هسته در لایه ۲ محدودیت هایی در شبیه سازی صوت، کیفیت سرویس و EtherChannel دارد. این نرم افزار شبیه سازی بر اکثر پلتفرم ها مانند Oracle، VirtualBox، VMWare, ، Virtual PC و HyperV قابل اجرا است.