Simulation von Computer- und Kommunikationssystemen

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1 Computer und Kommunikationssysteme Nachbildung der Verarbeitung in Rechnern und Kommunikation in Netzwerken Belegung und Auslastung von Systemressourcen Analyse von Systemverhalten Systemleistung in der Form von Antwortzeiten und Durchsatz Wesentliche Modellierungsfragen: Nachbildung der Funktionalität Nachbildung des Zeitverhaltens Modellierung auf unterschiedlichen Abstraktionsniveaus von jeder Maschinenbefehl im Detail mit Belegung der Systemressourcen Simulator als virtueller Rechner bis rein stochastische Simulation und Leistungsanalyse Simulation als primäres Analysewerkzeug *

2 Mehrebenensimulation von Computersystemen + Diskrete ereignisorientierte Simulation und Leistungsanalyse Abbildung des Computersystems Systemmodell = Ressourcen: Prozessoren Speicher Busse Kanäle IOGeräte Kommunikationskanäle WorkloadModell = Entities: Jobs Transaktionen Instruktionen IOAnforderungen Zuteilung von Ressourcen zu Entities Zuteilungsstrategien und Prioritäten Unterbrechungsstrategien (Round Robin) Buffer Warteschlangen und Reihung von Entitäten

3 Frage der Abstraktion Grundlegende Fragestellung: Antwortzeiten Aussage über Zeitspanne t zwischen Eingabe und Antwort Um Aussagen darüber treffen zu können muss aber die Struktur und Arbeitsweise des Systems und die Belegung der Ressourcen bekannt sein bis zu welchem Detaillierungsgrad wird Systemstruktur und verhalten nachgebildet welche Komponenten werden so weit abstrahiert dass nur mehr ihre Antwortzeiten (eventuell stochastisch) betrachtet werden wie wird die Arbeitslast (Workload) dargestellt t t request reply request reply Computer system Computersystem Wesentliche Modellierungsaspekte Charakterisierung der Arbeitslast (Workload) welche Arten von Anforderungen an das Rechnersystem in welcher Häufigkeit und Verteilung in der Zeit mit welchen Anforderungen an die Systemressourcen (z.b. CPUBelastung Speicherzugriffe IORequests) Charakterisierung der Systemkomponenten welche Kapazitäten welche Antwortzeiten bzw. welche Leistung welche Zuteilungsstrategien.

4 Beispiel Website Server System Fragestellung: Antwortzeiten des WebServer bei Spitzenbelastungen Optimale Systemkonfiguration / Beispiel Website Server System: WorkloadModell UserRequests: Initiale Request an das System Art der Requests (welche Applikationen) Häufigkeit des Auftretens ApplicationRequests: Aus UserRequests werden ein oder mehrere Application Requests (stochastisch) generiert Art und Anzahl der DataRequests Dauer der internen Verarbeitung DataRequests: ApplicationRequest setzen mehrere DataRequests ab DataRequests werden in mehrere DiskAccesses aufgespalten DiskAccess: Plattenzugriff stochastische Zugriffszeit *0

5 Beispiel Website Server System: Systemkomponenten Router: Zuteilung der UserRequests an Web server mit Zuteilungsstrategie (Load Balancing) Konstante Verarbeitungszeit Web servers: Handling von UserRequests nach Bearbeitungsreihenfolge Absetzen von ApplicationRequests an Application server und Zusammenfügen der Antworten Applications servers (z.b. Search Engine): Handling von ApplicationRequests nach Bearbeitungsreihenfolge Absetzen von DataRequests Verarbeitung durch CPU Data servers: Handling von DataRequests Absetzen von Zugriffen auf die Disks Zusammensetzen der Ergebnisse Data disks Datenzugriff mit stochastische Zugriffszeiten * Beispiel Website Server System: Einflussfaktoren Subsystem Router Web server Application server Data server Factor Loadbalancing policy execution time number of servers queueing policy execution times number of servers queueing policy behavior model (= data requests and computation bursts) number of servers disk count queueing policy disk timing **

6 Simulation des Internets und Scalable Simulation Framework */ Scalable Simulation Framework (SSF) Die Simulation und Analyse von globalen Netzen stellt erhöhte Anforderungen an Simulationssysteme Netzwerke von tausenden von Knoten mit immensen Verkehrsaufkommen sich ständig ändernd und anpassend für solche globale Netze wurde 1999 mit dem Scalable Simulation Framework eine eigenes Simulationskonzept eingeführt Standard API Realisierungen in C++ und Java Bausteinbibliotheken Konfiguration beliebiger Netze effiziente Simulation sehr großer Netze ( verteilte Simulation auf Parallelrechner) +0

7 Schichten des SSF Network Models and Simulations Domain Modeling Language Libraries Modeling Framework Scalable Simulation Framework API Simulationsanwendungen Sprache für die Konfiguration von Netzwerken aus den Modellen der Modellbibliotheken Modellbibliotheken mit Bausteinen für Clients Servers Routers Framework zur Realisierung von Modellbausteinen kleines allgemeines API und Framework für die diskrete Simulation + SSF Implementierungen Implementierungen in C++: CSSF (Cooperating Systems Corp.) DaSSF (Dartmouth College) Java: CSSF (Cooperating Systems Corp.) SSFNet (Raceway Corp.) +*

8 SSF API API mit allgemeiner Funktionalität für die diskrete Simulation konzeptionell sehr ähnlich der diskreten Simulation in AnyLogic prozessorientierten Simulationssprachen (siehe Silk) (aber mit Konzepten für die verteilte Simulation auf Parallelrechner) Klassen : aktive Komponenten : InputSchnittstelle : OutputSchnittstelle Entsprechung in AnyLogic : Ereiginsobjekt für Kommunikation : Simulationsprozesse (oder ++ SSF API Java Binding # $%&!$%'"!$%()$%'" $% $ $% $ **+ **+ **+ **+ # Verteilte Simulation Verhalten Inputs Outputs +1

9 SSF API Java Binding & &! & " &! & " &. Event Handling &.!$%& " &.! & )$%$" $ # & $ &!)$% " & $%$! " Connections $%$! )$%$ % " $%$! " # & $ # Connections +2 SSFNet Modellbibliothek Framework mit wiederverwendbaren Basisklassen und Komponenten für Netzwerkmodelle ab und oberhalb IPLayer / 0.* : Basisklasse für Netzwerkprotokolle : Basisklasse für Messages und Ereignisse 1 : Basisklasse für Verbindungen von Protokollen / 0.*2 2: Repräsentiert ein gesamtes Netzwerk 3und 4: Basisklasse für Netzwerkknoten 25: Network Interface Card 0: Repräsentiert Linklayer Verbindung zwischen zwei Interfaces 0.**: Bausteine für TCP / 0.**67: Bausteine für UDP / 0.**888: Bausteine für WWW +

10 Domain Modeling Language (DML) Netzwerke werden in eigener Modellierungssprache DML konfiguriert + Beispielmodell Clients Router Host +.

11 Beispielmodell: DMLBeschreibung (Auszug) 2 9'((((((((( $ $ & :(' ( ';:((( '(((((((( (*((((' $.**** <(<( %$'(:= 9%>'(( $0.**0*0 $.*** $.**5 globale Einstellungen Server Interface Graph von Protokollen +/ Beispielmodell: DMLBeschreibung (Auszug) ' $.**5 ( ';:((( '(((((((( (*((((' ' ';:((( '(((((((( (*((((' $'(('(? ( ';:((( '(((((((( (*((((' *** Router Graph der Protokolle Schnittstellen Clients Replikation von

12 Beispielmodell: DMLBeschreibung (Auszug) 0 '!( :('!( (*(((((@ 0 '!' '((!( '('!( '(:!( '(A!( '(=!( '(@!( '(B!( '(?!( '(( :('!(<(<( '(' :('!(<(<( '(: :('!(<(<( '(A :('!(<(<( *** C2 Verbindungen Charaktersierung der Last 1 Zusammenfassung CPU Speicher Kommunikationskanal sind Ressourcen Verarbeitung Speicherzugriff Kommunikation wird durch Zeitverzögerung modelliert Frage der Abstraktion "so einfach wie möglich aber nicht einfacher" WorkloadModell ist entscheidend stochastische Charakterisierung der Arbeitslast oder direktes Arbeiten mit Aufzeichnungen von Systembelastungen (WorkloadTraces) Scalable Simulation Framework (SSF) als neue Simulationssystem für die Simulation von globalen Netzwerken Modelle von Computer und werden sehr groß und bilden eine besondere Herausforderung an die Simulation verteilte parallele Simulation 1*