Computer simulation model of a computer network with fractal traffic for testing routing algorithms

Abstract

The object of research in this article is simulation modeling of a computer network and the process of traffic routing. The relevance of the research is due to the importance of ensuring the quality of service in computer networks, in particular, by necessity reducing the number of lost IP-packets at high traffic intensity values. Determining the routing of traffic packets is a complex process and is based on various indicators or combinations of indicators. If the routing process takes place in a dynamic mode, then the complexity of the route calculation increases, in this case, one of the tools for research and comparison of different routing algorithms can be a computer simulation model of a computer network. The goal of the work is the development and research of a computer simulation model of a computer network for testing traffic routing algorithms. The tasks: to develop computer simulation model of a computer network to generate the network structure and simulate the traffic distribution process with the ability to test different routing algorithms. Research methods: theory of computer networks, theory of fractal analysis, object-oriented programming, theory of algorithms and data structures, theory of complex networks, theory of Markov processes. Conclusions. The paper investigated the basic principles of traffic routing in computer networks. A simulation model of a computer network for testing traffic routing algorithms has been developed. A method based on the theory of complex networks has been developed to generate the structure of a computer network. Theory of fractal analysis and Markov processes are used for traffic generation. A series of experiments was conducted on a developed model to determine how different fractal dimensions of traffic at high traffic intensity values affect the number of lost packets, and therefore the quality of service. Analyzing the results of the experiment, the following conclusions can be drawn: the least number of lost packets occurs when the process is random or has weak trends. The fewest lost packets were at fractal dimension 1.5, i.e., when the process is completely random, there were also few lost packets at fractal dimensions close to this; persistent and anti-persistent processes (those with memory) cause more packet loss for the same traffic intensity and maximum number of packets sent from one device per unit of time. Moreover, anti-persistent processes cause significantly more losses than persistent ones. Thus, when performing traffic routing and finding optimal paths for sending IP-packets, it can be useful to determine and take into account the fractal dimension of traffic at the entrance of each router and use it when calculating metrics to determine the best routes.Об'єктом вивчення у статті є імітаційне моделювання комп’ютерної мережі та процес маршрутизації трафіку. Актуальність дослідження зумовлена важливістю забезпечення якості обслуговування у комп'ютерних мережах, зокрема, зменшенню кількості втрачених ІР-пакетів при високих значеннях інтенсивності трафіку. Визначення маршруту передачі пакетів трафіку є складним процесом і базується на різних показниках або комбінаціях показників. Якщо процес маршрутизації відбувається у динамічному режимі, то складність розрахунку маршруту зростає, в такому разі одним з інструментів дослідження та порівняння різних алгоритмів маршрутизації може стати програмна імітаційна модель комп'ютерної мережі. Метою роботи є розробка та дослідження програмної імітаційної моделі комп'ютерної мережі для тестування алгоритмів маршрутизації трафіку. Завдання: створити програмну імітаційну модель комп’ютерної мережі для генерації структури мережі та симуляції процесу поширення трафіку з можливістю тестувати різні алгоритми маршрутизації. Методи досліджень: теорія комп'ютерних мереж, теорія фрактального аналізу, об'єктно-орієнтоване програмування, теорія алгоритмів та структур даних, теорія складних мереж, теорія марківських процесів. Висновки. У роботі було досліджено основні принципи маршрутизації трафіку у комп'ютерних мережах. Розроблено програмну модель комп’ютерної мережі для тестування алгоритмів марштуртизації трафіку. Для генерації структури комп’ютерної мережі розроблено метод на основі теорії складних мереж. Для генерації трафіку використано теорію фрактального аналізу та марківські процеси. На розробленій моделі було проведено серію експериментів для визначення як різна фрактальна розмірність трафіку при високих значеннях інтенсивності трафіку впливає на кількість втрачених пакетів, а отже і якість обслуговування. Аналізуючи результати експерименту можна зробити наступні висновки: найменше втрачених пакетів, коли процес випадковий, або має слабко виражені тренди. Найменше втрачених пакетів було при фрактальній розмірності 1.5, тобто коли процес повністю випадковий, також мало втрачених пакетів було при фрактальних ромірностях близьких до даної; персистивні та антиперсистивні процеси (такі, що мають пам'ять), викликають більше втрати пакетів при тій же інтенсивності трафіку та максимальних кількостях пакетів на відправку з одного пристрою в одиницю часу. При чому антиперситентні процеси викликають значно більші втрати, ніж персистенті. Таким чином при виконанні маршрутизації трафіку та пошуку оптимальних шляхів для відправки ІР-пакетів може бути корисним визначати та враховувати фрактальну розмірність трафіку на вході кожного маршрутизатора та використовувати її при розрахунку метрик для визначення найкращих маршрутів.