thí nghiệm đánh giá chất lượng của mạng viễn thông dùng opnet

BÀI THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA MẠNG VIỄN THÔNG SỬDỤNG PHẦN MỀN MÔ PHỎNG MẠNG Mục lục Lời nói đầu Bài 1: Giới thiệu OPNET Bài 2: Mạng Ethernet Bài 3: Hub và Switch Bài 4: Các giao thức định tuyến Bài 5:QoS: Ảnh hưởng của cơ chế xếp hàng

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Bộ Môn Thông Tin – Khoa Vô Tuyến Điện Tử

ĐINH THẾ CƯỜNG, TRẦN XUÂN NAM, NGUYỄN THÀNH

BÀI THÍ NGHIỆM

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA MẠNG VIỄN THÔNG SỬ DỤNG PHẦN MỀN MÔ PHỎNG MẠNG

(Dùng cho môn học Cơ sở mạng truyền số liệu, ngành Thông tin, chuyên

ngành Kỹ thuật Điện tử và Rađa dẫn đường)

HÀ NỘI - 2008

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Cơ sở mạng truyền số liệu là một trong những môn học cơ bản trong cấu trúc chương trình đào tạo Thạc sĩ Kĩ thuật ngành Thông tin, chuyên ngành Kĩ thuật Điện tử và Rađa dẫn đường Bên cạnh khối lượng kiến thức lí thuyết bao quát một phạm vi rất rộng, từ cấp độ phần tử cho đến hệ thống lớn, rất phức tạp, môn học còn đặt ra yêu cầu phải có điều kiện cho học viên có thể tiếp cận thực tiễn hệ thống để so sánh, kiểm nghiệm với lí thuyết đã được trang bị Trong điều kiện hiện nay, việc trang bị một phòng thí nghiệm với quy mô như vậy cực kì tốn kém, hơn nữa, vì nhiều lí do khác nhau, các công ty viễn thông cũng không tạo điều kiện dễ dàng

để học viên có thể tiếp cận, khảo sát, điều chỉnh các hệ thống của họ

Trong điều kiện như vậy, cách thức hiệu quả giải quyết vấn đề là sử dụng các phần mềm mạnh để thực hiện việc mô hình hoá, mô phỏng, đánh giá chất lượng của mạng viễn thông Giải pháp này đã và đang được rất nhiều các trường đại học kĩ thuật danh tiếng trên thế giới

có chuyên ngành này sử dụng

Trên thị trường hiện có rất nhiều các phần mềm mô phỏng mạng khác nhau như OPNET Modeler, ns-2, OMNeT++, NetSim, QualNet,… Mỗi phần mềm đều có những điểm mạnh, yếu riêng, do đó tuỳ vào trường hợp cụ thể mà mỗi phần mềm có thể phát huy được ưu thế của mình Tuy nhiên, dòng sản phầm của hãng OPNET tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội và được dùng khá phổ biến trong các trường đại học cho các chương trình đào tạo từ đại học cho đến tiến sĩ chuyên ngành Điện tử Viễn thông

Do đó nhóm tác giả đã chọn phần mềm này với phiên bản Academic IT Guru 9.1 để xây dựng tập bài thí nghiệm phục vụ cho môn học với nội dung sau:

♦ Giới thiệu OPNET: Giúp học viên làm quen với phần mềm, tập sử dụng các công cụ,

thư viện có sẵn trong nó để thiết kế một mạng LAN đơn giản, sau đó đánh giá khả năng

mở rộng nó thông qua các tham số chất lượng của mạng

♦ Mạng Ethernet: Phân tích hoạt động của mạng chia sẻ môi trường truyền, đánh giá

chất lượng (hiệu năng) của mạng khi tải lưu lượng thay đổi

♦ Switch và Hub: Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của Switch và Hub, ảnh hưởng của nó

đến thông lượng của mạng

♦ Thủ tục định tuyến: Nguyên cứu hoạt động của giao thức Thông tin định tuyến RIP

(Routing Information Protocol), mô phỏng hoạt động của một số router sử dụng giao thức RIP, xác định sự thay đổi của bảng thông tin định tuyến cũng như tốc độ gói tin nhận được trong các trạng thái khác nhau của mạng

♦ QoS: Ảnh hưởng của cơ chế xử lí hàng đợi: Khảo sát một số tham số chất lượng của

mạng như tỉ lệ mất gói tin, độ trễ xếp hàng, biến thiên độ trễ,… khi áp dụng những cơ chế xử lí hàng đợi khác nhau

GIỚI THIỆU OPNET

Phần hướng dẫn này giúp học viên làm quen với phần mềm OPNET® IT Guru Academic Edition 9.1, sử dụng các đặc tính của IT Guru để xây dựng và phân tích các mô hình mạng Học viên sẽ học cách giải quyết bài toán mô hình hoá mạng thông tin thông qua việc xây dựng một mô hình mạng thích hợp, liên kết các tham số thống kê của mạng và phân tích kết quả mô phỏng nhận được

Các bài tập sẽ từng bước giúp học viên thành thạo dần việc sử dụng IT Guru và minh hoạ phạm vi của các bài toán mà IT Guru có thể giải quyết

Trước hết cần hiểu rõ về trình tự xử lí, không gian thiết kế (workspace) và các công cụ của

IT Guru

Xây dựng (các) mô hình mạng

Chọn các tham số

Chạy (các)

mô phỏng

Xem và phân tích (các) kết quả

Hình 1.1 Trình tự xử lí đối với IT Guru

Trình tự xử lí đối với IT Guru (các bước cần thiết để xây dựng một mô hình mạng và chạy các mô phỏng) được minh hoạ trên hình 1.1, việc thực hiện cụ thể nó được tập trung trên môi trường Project Editor Trên đó, người sử dụng có thể tạo ra một mô hình mạng, khai mới hoặc thay đổi các tham số có sẵn cho từng đối tượng hay cho cả hệ thống, thực hiện mô phỏng sau

đó tiến hành khảo sát và phân tích các kết quả nhận được từ mô phỏng

Việc sử dụng môi trường Project Editor để xây dựng một mạng con sẽ được minh hoạ ngay sau đây

1 Cửa sổ Project Editor

Cửa sổ Project Editor có các vùng chức năng tương tác với các thủ tục khởi tạo và chạy mô phỏng mô hình mạng Các vùng chức năng này được minh hoạ ở hình 1.2

Thực đơn Nút công cụ

Không gian thiết kế

Biểu tượng chứa các thông báo Thông báo

Hình 1.2 Một mô hình mạng trên cửa sổ Project Editor

Thanh thực đơn

Thanh thực đơn nằm ở phía trên cùng cửa sổ thiết kế Thanh này gồm các thực đơn theo chủ

đề trong đó chứa các lệnh Số thực đơn và số các lệnh trong mỗi thực đơn thay đổi tuỳ theo số modul được gọi vào mô hình Các lệnh phụ thuộc tình huống có thể được chọn khi nhấp phải chuột lên đối tượng hoặc lên không gian thiết kế

Các nút công cụ

Một số chức năng thường dùng trên thanh thực đơn có thể được kích hoạt nhờ các nút công cụ được minh hoạ dưới đây

1 Mở thư viện đối tượng Object Palette

2 Kiển tra kết nối

3 Đánh lỗi (hỏng) đối tượng chọn

4 Khôi phục đối tượng chọn

5 Trở về phân mạng bậc cao hơn

Là phần không gian nằm giữa cửa sổ Editor, chứa các biểu tượng của mô hình mạng Có thể chọn, xê dịch các biểu tượng, chọn các lệnh phụ thuộc tình huống khi nhấp phải chuột lên phông nền của không gian thiết kế

2 Bài tập minh hoạ: Mở rộng một mạng LAN

Thực hiện

Khi khởi tạo một mô hình mạng mới, trước hết cần phải tạo ra một dự án (project) và hoạt

cảnh (scenario) mới Một dự án là tập hợp của một số hoạt cảnh mà mỗi hoạt cảnh khảo sát một khía cạnh khác nhau của mạng

Sau khi khởi đầu một project mới, chúng ta sẽ sử dụng công cụ hỗ trợ Startup Wizard để kiến tạo một hoạt cảnh mới Công cụ Wizard cho phép:

— Xác định đồ hình khởi đầu của mạng

— Xác định quy mô, kích thước của mạng

— Chọn lựa bản đồ nền cho mạng

— Liên kết thư viện phần tử (Object Palette) với hoạt cảnh

Startup Wizard sẽ tự động xuất hiện mỗi khi một project mới được khởi tạo Công cụ này cho phép chúng ta xác định một số các đặc tính của môi trường thiết kế mạng

Để sử dụng Startup Wizard cài đặt một hoạt cảnh mới, thực hiện theo các bước sau:

1 Chạy chương trình IT Guru nếu nó chưa được kích hoạt

2 Chọn File => New…

3 Chọn Project từ thực đơn kéo xuống rồi nhấp OK

4 Đặt tên project và hoạt cảnh như sau:

– Tên project: <xx>_Sm_Int, trong đó <xx> là giá trị khởi đầu của project

– Tên hoạt cảnh first_floor

– Nhấp OK

¾ Startup Wizard bắt đầu hoạt động

5 Nhập các tham số trong bảng dưới vào các hộp khai báo của Startup Wizard

Tên hộp khai báo Giá trị

1 Initial Topology Chọn giá trị mặc định Create Empty Scenario

2 Choose Network Scale Chọn Office Đánh dấu Use Metric Unit vào hộp chọn

3 Specify Size Chọn giá trị mặc định 100m x 100m

4 Select Technologies Chọn họ mô hình Sm_Int_Model_List

5 Review Kiểm tra lại các tham số rồi nhấp OK

Một không gian thiết kế với kích thước vừa được xác định sẽ mở ra Thư viện phần tử tương ứng với các chọn lựa từ Startup Wizard được mở ra trong một cửa sổ khác

Khởi tạo mạng

Các mô hình mạng được tạo ra trên môi trường Project Editor bằng cách sử dụng các nút

mạng (node) và đường truyền (link) lấy từ thư viện Object Palette

Nút mạng (Node) - Một biểu tượng biểu diễn một thực thể có thể phát và thu thông tin của

mạng thực

Đường truyền (Link) - Môi trường truyền tin kết nối các node lại với nhau Link có thể là

cáp điện hoặc sợi quang

Các đối tượng này được lưu trong thư viện Object Palette ở dạng các biểu tượng

Có thể khởi tạo mạng bằng một trong ba cách hoặc tổ hợp bất kì các cách này với nhau Cách thứ nhất là nhập đồ hình (topology) có sẵn Một cách khác là thiết lập trên môi trường thiết

kế các node riêng lẻ chọn từ thư viện Object Palette Cách thứ ba là sử dụng công cụ Rapid

Configuration

Rapid Configuration khởi tạo một mạng mới bằng một lệnh duy nhất sau khi cấu hình mạng,

kiểu của các node trong mạng, kiểu của các link nối các node đã được lựa chọn

Để khởi tạo mạng máy tính đầu tiên (ở tầng một của toà nhà) bằng công cụ Rapid Configuration, thực hiện các thao tác sau:

Hình 1.4 Cài đặt tham số Configuration trên công cụ Rapid Configuration

1 Chọn Topology => Rapid Configuration

2 Chọn cấu hình Star từ thực đơn drop-down, sau đó nhấp OK…

Bước tiếp theo là xác định các mô hình nút mạng và đường truyền Các mô hình nút mạng tuân theo quy luật đặt tên sau:

<protocol1>_ _<protocoln>_<function>_<mod>

Trong đó:

* <protocol> xác định (các) loại giao thức được hỗ trợ bởi mô hình

* <function> là tên (viết tắt) chức năng tổng quát của mô hình

* <mod> là thứ tự bậc của mô hình thứ sinh

Ví dụ: ethernet2_bridge_int xác định mô hình thứ sinh trung gian (int) của một cầu (bridge) Ethernet 2 cổng (ethernet2)

Tên mô hình thiết bị của các hãng có thêm phần mào đầu chỉ tên hãng và số seri sản phẩm

Ví dụ: switch của hãng 3Com dùng trong bài tập này có tên:

3C_SSII_1100_3300_4s_ae52_e48_ge3

Nút mạng này là một tập hợp thiết bị gồm hai chassis 3Com SuperStack II 1100, hai chassis

3Com SuperStack II 3300 (3C_SSII_1100_3300) với bốn khe cắm (4s), 52 cổng Ethernet auto-sensing (ae52), 48 cổng Ethernet (e48) và ba cổng Ethernet Gigabit (ge3)

Hình 1.5 Cài đặt tham số Star trên công cụ Rapid Configuration

Để thiết lập các nút mạng và đường truyền cấu thành nên mạng, thực hiện tiếp các thao tác sau:

1 Đặt Center Node Model là 3C_SSII_1100_3300_4s_ae52_e48_ge3 (một loại switch

của 3Com)

2 Đặt Periphery Node Model là Sm_Int_wkstn và thay đổi số thiết bị ngoại vi Number

là 30 Thao tác này tạo ra 30 máy trạm Ethernet là các node ngoại vi

3 Đặt Link Model là 10BaseT

2 Tìm biểu tượng Sm_Int_server trong cửa sổ thư viện nhấp trái chuột và kéo biểu tượng

vào không gian thiết kế

3 Nhấp phải chuột để tắt chức năng khởi tạo thêm nút mới

Tiếp theo, cần kết nối server với mạng hình sao

1 Tìm biểu tượng 10BaseT trong cửa sổ thư viện, nhấp trái chuột lên đó

2 Nhấp trái chuột lên server rồi chuyển sang switch tiếp tục nhấp trái chuột

¾ Một đường link nối hai thiết bị này sẽ xuất hiện

3 Nhấp phải chuột để tắt chức năng tạo kết nối

Sau cùng cần đưa thêm vào các đối tượng đặt cấu hình để xác định lưu lượng tải sẽ xuất hiện trong mạng Việc cài đặt các đối tượng định nghĩa ứng dụng và định nghĩa profile tương đối phức tạp và không được nghiên cứu ở đây Thay vào đó, trong bài tập này các đối tượng sau

đã được nhập sẵn vào thư viện Object Palette:

– Một đối tượng định nghĩa ứng dụng với các cấu hình mặc định của các ứng dụng chuẩn

– Một đối tượng định nghĩa profile với một mẫu profile truy cập cơ sở dữ liệu tốc độ thấp Học viên chỉ cần kéo các đối tượng này vào mô hình mạng thiết kế Khi đó lưu lượng do các máy trạm truy cập vào một cơ sở dữ liệu ở tốc độ thấp sẽ được mô hình hoá

Hình 1.7 Mô hình mạng với đầy đủ các đối tượng

1 Tìm biểu tượng Sm_Application_Config trong thư viện và kéo nó vào không gian thiết

kế

2 Nhấp phải chuột để tắt chức năng khởi tạo đối tượng

3 Tìm biểu tượng Sm_Profile_Config trong thư viện, kéo vào trong không gian thiết kế,

nhấp phải chuột

4 Đóng cửa sổ Object Palette

Qua thao tác này, công việc xây dựng mạng máy tính tầng một đã hoàn tất Dạng của nó giống như hình trên

Tập hợp số liệu mô phỏng

Các tham số có thể được tập hợp từ các nút riêng lẻ trong mạng (object statistics) hoặc trên toàn mạng (global statistics)

Các tham số cần tập hợp phải đưa ra được thông tin để trả lời các câu hỏi:

1 Server có đủ khả năng quản trị tải lưu lượng từ mạng mở rộng thêm không?

2 Độ trễ tổng cộng trên toàn mạng có chấp nhận được không khi đưa thêm mạng thứ hai vào hoạt động?

Để trả lời các câu hỏi này, cần phải khảo sát các tham số chất lượng của mạng hiện thời để lấy

cơ sở so sánh Các tham số cần thu thập là Server Load (tham số riêng), Ethernet Delay

¾ Cửa sổ Choose Results của node 31 xuất hiện

Cửa sổ Choose Results chứa các tham số cần tập hợp sắp xếp theo thư mục phân cấp Để tập hợp tham số tải Ethernet trên server, thực hiện tiếp các bước:

2 Nhấp trái chuột lên dấu cộng (+) bên cạnh Ethernet trong hộp chọn Choose Results để

bung bộ tham số theo phân cấp của Ethernet

3 Nhấp trái chuột lên hộp chọn bên cạnh Load (bits/sec) để xác nhận chọn tham số này

4 Nhấp OK để đóng cửa sổ Choose Results

Việc chọn tham số này được minh hoạ trên hình 1.8

Hình 1.8 Tập hợp tham số Load (bits/sec)

Tham số chung (Global statistics) có thể được dùng để kết hợp thông tin về toàn thể mạng Ví

dụ, có thể xác định độ trễ trên toàn mạng khi tập hợp tham số chung Delay:

1 Nhấp phải chuột lên không gian thiết kế (không chạm vào đối tượng nào) và chọn

Choose Individual Statistics từ thực đơn vừa mở

2 Bung thư mục gốc Global Statistics

3 Bung thư mục Ethernet

4 Nhấp trái chuột vào hộp chọn bên cạnh Delay (sec) để xác nhận việc chọn tham số

5 Nhấp OK để đóng cửa sổ Choose Results

Sau cài đặt này, nên lưu project lại trên ổ cứng bằng các thao tác sau:

Chọn File => Save, nhấp OK

Hình 1.9 Tập hợp tham số Delay (sec)

Sau đó có thể bắt đầu việc chạy mô phỏng Tuy nhiên cần kiểm tra lại bộ lưu trữ repositories

Repositories chứa các cấu tử như các mô hình tiến trình và các tầng pipeline đã được lưu lại

để các mô phỏng có thể thực hiện trong thời gian ngắn hơn

1 Chọn Edit => Preferences

2 Soạn repositories trong trường tìm kiếm Find rồi nhấp núm Find

3 Nếu giá trị cho repositories không phải là stdmod, nhấp trái chuột vào trường soạn thảo

và nhập stdmod vào hộp thoại

4 Nhấp OK để đóng các hộp thoại repositories và Preferences

Để chạy mô phỏng, thực hiện tiếp các thao tác:

1 Chọn Simulation => Configure Discrete Event Simulation

Cũng có thể mở hộp thoại Configure Discrete Event

Simulation bằng cách nhấp trái chuột lên nút thao tác

configure/run simulation

2 Nhập giá trị 0.5 vào trường Duration để thực hiện mô

phỏng hoạt động của mạng trong khoảng thời gian 1/2 giờ

3 Nhấp chuột lên nút Run để khởi động mô phỏng

Hình 1.10 Hộp thoại Simulation Sequence

Khi mô phỏng đang diễn tiến, một cửa sổ biểu diễn tiến trình mô phỏng sẽ xuất hiện Hộp thoại trên hình 1.10 chỉ ra rằng, trong 5 giây của thời gian (thực) đã qua, IT Guru đã mô phỏng được 15 phút 19 giây thời gian hoạt động của mạng Toàn bộ thời gian mô phỏng sẽ kéo dài không quá một phút - giá trị thời gian đã qua (elapsed time) thay đổi phụ thuộc vào tốc độ của máy tính

4 Khi mô phỏng kết thúc, nhấp nút Close trên hộp thoại Simulation Sequence

này kết quả được xem nhờ tuỳ chọn View Results trên thực đơn pop-up trong Workspace

Để xem giá trị tải Ethernet của server, thực hiện các thao tác sau:

1 Nhấp phải chuột lên node server (node_31), chọn View Results từ thực đơn pop-up của

server

¾ Hộp thoại View Results xuất hiện

2 Bung các thư mục Office Network.node_31 => Ethernet

3 Nhấp chuột lên hộp chọn bên cạnh Load (bits/sec) xác nhận lựa chọn tham số cần xem

4 Nhấp chuột lên nút Show trên hộp thoại View Results

¾ Đồ thị của tham số tải server xuất hiện trên môi trường Project Editor

Đồ thị của tham số tải server phải giống với dạng đồ thị hình 1.11 Các kết quả có thể khác đôi chút do sự khác nhau về vị trí của các nút mạng và độ dài đường truyền nhưng dạng chung phải tương tự

Đóng cửa sổ này và hộp thoại View Results (Nếu chương trình đưa ra thông điệp cảnh báo,

chọn Delete)

Để xem tham số Global Ethernet Delay, thực hiện tiếp các thao tác:

1 Nhấp phải chuột lên không gian thiết kế rồi chọn View Results từ thực đơn pop-up

2 Đánh dấu hộp chọn gần thư mục Global Statistics => Ethernet => Delay (sec) rồi nhấp chuột lên nút Show để xem tham số độ trễ Ethernet toàn mạng

¾ Đồ thị độ trễ Ethernet xuất hiện với dạng giống như hình 1.13

Hình 1.13 Đồ thị Ethernet.Dealy (sec)

Để ý là sau khi mạng đạt tới trạng thái ổn định, độ trễ cực đại xấp xỉ giá trị 0.4 mili giây

Đóng cửa sổ đồ thị bằng cách nhấp phải chuột lại thư mục vừa chọn rồi đóng cửa sổ View Results

Mở rộng mạng

Sau khi đã khảo sát các tham số cơ bản của mạng hiện tại, việc mở rộng mạng được thực hiện Hoạt động của mạng mở rộng được kiểm chứng bằng cách so sánh các chỉ tiêu mới với các giá trị trước của mạng cũ

Do đó, mạng nâng cấp sẽ được khởi tạo trong một hoạt cảnh mới, độc lập với hoạt cảnh cũ để việc so sánh được thuận tiện

Học viên sẽ nhân bản hoạt cảnh hiện tại, nâng cấp theo yêu cầu của đề bài Thao tác nhân bản được tiến hành như sau:

1 Chọn Scenarios => Duplicate Scenario

2 Nhập tên hoạt cảnh mới là expansion

3 Nhấp OK

¾ Hoạt cảnh với toàn bộ các nút, đường truyền, các tham số và cấu hình mô phỏng được

nhân bản dưới tên mới là expansion

Phân mạng mới trên tầng hai có cấu hình giống với mạng nguyên thuỷ tầng một ngoại trừ server Phân mạng này được khởi tạo như sau:

1 Chọn Topology => Rapid Configuation

2 Chọn đồ hình Star và nhấp OK

3 Trong cửa sổ Rapid Configuration chọn các tham số sau:

– Center Node Model: 3C_SSII_1100_3300_4s_ae52_e48_ge3

– Periphery Node Model: Sm_Int_wkstn

– Number: 15

– Link model: 10BaseT

– X: 75, Y: 62.5, Radius: 20

4 Nhấp OK để khởi tạo mạng mới

Hình 1.14 Cài đặt tham số Star cho mạng mở rộng

Kết nối hai mạng:

1 Nếu thư viện chưa được mở ra, nhấp trái chuột vào biểu tượng gọi thư viện trên thanh chứa các nút công cụ

2 Kéo biểu tượng Cisco 2514 router vào không gian thiết kế, đặt giữa hai mạng Nhấp

phải chuột để tắt chức năng khởi tạo nút

3 Nhấp trái chuột lên biểu tượng 10BaseT trong thư viện

4 Đặt các kết nối 10BaseT giữa Cisco router (node_50) và các switch ở trung tâm của hai

mạng

5 Nhấp phải chuột để tắt chức năng khởi tạo đường truyền

6 Đóng thư viện đối tượng

7 Chọn File => Save

Hình 1.15 Mô hình mạng mở rộng

Để chạy mô phỏng hoạt cảnh mở rộng, thực hiện tiếp các thao tác:

1 Chọn Simulation => Configure Discrete Event Simulation

2 Kiểm tra lại Duration là 0.5 giờ

3 Nhấp Run để bắt đầu mô phỏng

¾ Một cửa sổ thông báo tiến trình mô phỏng xuất hiện Khi tab Simulation Speed được

chọn, cả tốc độ tức thời và tốc độ trung bình của số sự kiện/giây đều được biểu diễn trên đồ thị

4 Khi mô phỏng kết thúc, đóng cửa sổ Simulation Sequence bằng nút Close

Hình 1.16 Hộp thoại Simulation Sequence cho mạng mở rộng

So sánh kết quả

Để trả lời các câu hỏi đặt ra ở phần trước về việc thêm một phân mạng vào mạng LAN đã có, cần thiết phải so sánh các kết quả của hai hoạt cảnh đã xây dựng

Việc khảo sát đồng thời tải server trong cả hai trường hợp được thực hiện bằng các thao tác:

1 Nhấp phải chuột lên node server (node_31) để mở thực đơn pop-up của nó

Việc chọn cách xem kết quả này (Compare Results) cho phép xem cùng một loại tham số của tất cả các hoạt cảnh trên cùng một đồ thị bất kể việc kích hoạt chức năng này từ hoạt cảnh nào Tiếp tục thực hiên các thao tác:

Chọn Office Network.node_31 => Ethernet => Load (bits/sec), nhấp phải chuột lên nút Show Đồ thị nhận được có dạng như hình 1.17

Đồ thị trên hình 1.18 lấy trung bình theo thời gian của kết quả trên

Hình 1.18 Trung bình thời gian của Ethernet.Load (bits/sec)

Có thể nhận thấy rằng tải trung bình trong trường hợp mạng mở rộng cao hơn đáng kể (đúng như dự đoán) nhưng không đơn điệu tăng theo thời gian Điều này chứng tỏ mạng vẫn hoạt động ổn định

Bước cuối cùng là khảo sát độ trễ khi mở rộng mạng

Thực hiện các thao tác:

1 Đóng cửa sổ đồ thị và cửa sổ Compare Results của server

2 Nhấp phải chuột lên không gian thiết kế, chọn Compare Results từ thực đơn pop-up

3 Chọn Global Statistics => Ethernet => Delay (sec)

4 Nhấp Show để mở cửa sổ đồ thị

Đồ thị phải có dạng như hình 1.19

Hình 1.19 So sánh kết quả Ethernet.Delay (sec)

Theo đó, có thể nhận thấy gần như không có thay đổi đáng kể nào về độ trễ cửa tải dữ liệu khi truyền qua mạng, mặc dù, từ đồ thị trên, tải server có tăng

Chọn File => Save để lưu lại project trước khi đóng các cửa sổ

Bài Thí Nghiệm 2: Mạng Ethernet

1 Giới thiệu

Trong một mạng Ethernet chia sẻ, các thiết bị đầu cuối thường được kết nối với nhau thông qua một hub trung tâm Hub này sẽ phát lại bất kì khung dữ liệu nào mà nó nhận được (ở lối vào) ra tất cả các đường ra, tạo thành một môi trường quảng bá cho tất cả các thiết bị trong mạng Trong môi trường này, giao thức Đa truy cập thụ cảm sóng mang có phát hiện xung đột của lớp Điều khiển truy cập môi trường MAC (Media Access Control) được dùng để xác định nút mạng nào được quyền phát ở một thời điểm xác định và xử lí xung đột khi có nhiều hơn hai nút mạng cùng phát đồng thời

2 Mục tiêu thí nghiệm

Xác định thông lượng của một mạng Ethernet chia sẻ trong các điều kiện khác nhau của tải dữ liệu

3 Các bước thí nghiệm

Xây dựng mô hình mô phỏng

Khởi động OPNET IT Guru Academic Edition

1 Chọn tab File => New…

2 Trên cửa sổ mới mở New chọn Project rồi nhấp chuột OK

3 Trong cửa sổ Enter Name, thay đổi Project Name thành Shared_Ethernet Đổi tên Scenario Name thành Low_load rồi nhấp OK

4 Trên cửa sổ Initial Topology, chọn Create Empty Scenario rồi nhấp Next

5 Trên cửa sổ Choose Network Scale, chọn Office rồi nhấp Next

6 Trên cửa sổ Specify Size, giữ nguyên các tham số, chỉ nhấp Next

7 Trên cửa sổ Select Technologies, kéo thanh cuốn xuống, chọn họ mô hình Ethernet rồi nhấp Next

8 Trên cửa sổ Review, nhấp OK

Hình 2.1 Hộp thoại Review của công cụ Startup Wizard

Trước hết, cần xây dựng một mạng LAN trong đó các máy trạm được nối với nhau qua một Hub trung tâm Cách đơn giản để tạo ra một mạng với một số lượng lớn các nút là sử dụng bộ công cụ Rapid Configuration

1 Trên cửa sổ Project: Shared_Ethernet: Low_load, chọn tab Topology => Rapid Configuration

2 Đặt Configuration về kiểu Star và nhấp OK… Đặt Center Node Model là ethernet16_hub Đặt Periphery Node Model là ethernet_station Đặt Link Model là 10BaseT Đặt Number là 12, rồi nhấp OK để khởi tạo mạng LAN

Hình 2.2 Hộp thoại Rapid Configuration: Star

3 Nhấp phải chuột trên hub rồi chọn View Node Description Hub này có thể hỗ trợ tối đa

16 Ethernet links với các tốc độ 10, 100, 1000 Mbps Để ý là thời gian xử lí trong hub này được coi bằng không, hub phát lại các khung mà nó nhận được trên tất cả các đầu ra

Nhấp biểu tượng Close để đóng cửa sổ này lại

4 Nhấp phải chuột trên hub và chọn Set Name Đặt Name là Hub Nhấp OK để đóng cửa

sổ lại

5 Nhấp phải chuột trên một máy trạm Ethernet bất kì và chọn View Node Description

Các máy trạm này phát và thu các khung Ethernet ở tốc độ được cài đặt Để ý là các chức năng phát hiện và xử lí xung đột được thực hiện trên hub trung tâm Nhấp biểu tượng

Close để đóng cửa sổ này lại

Tiếp theo, mô hình lưu lượng cho các máy trạm Ethernet cần được xác định

1 Nhấp phải chuột lên một trạm bất kì và chọn Select Similar Node Sau đó kích phải chuột lên một trong số các máy trạm và chọn Edit Attributes

2 Đánh dấu lựa chọn (3) vào hộp chọn checkbox nằm bên cạnh Apply Changes to Selected Objects ở phía dưới bên trái của cửa sổ

3 Bung thư mục Traffic Generation Parameters và Packet Generation Arguments Đặt

ON State Time là constant (1000) (bằng cách nhấp chuột lên exponential (10) và thay đổi các tham số trên cửa sổ mới mở rồi nhấp OK), và OFF State Time là constant (0)

Việc thiết lập tham số như vậy sẽ buộc các máy trạm luôn phát dữ liệu

4 Đặt Interarrival Time (seconds) là exponential (0.004) và Packet Size (bytes) là constant (100) Nhấp OK để xác định các thay đổi này và đóng cửa sổ tương tác

Hình 2.3 Cài đặt tham số cho các máy trạm

Như vậy mỗi máy trạm bây giờ sẽ tạo ra luồng dữ liệu với tốc độ trung bình là bốn mili giây một gói 100-byte

Do đó, có thể tính được lưu lượng trung bình mà mỗi nút mạng sẽ tạo ra từ các tham số thời gian đến và kích thước gói Ví dụ,

100 (bytes/packet) * 8 (bits/byte) * 1 (packet/0.004 sec) = 200 Kbps / trạm

Như vậy, mạng LAN đã được xây dựng xong, dạng của nó được minh hoạ trên hình 2.4

Hình 2.4 Mô hình mạng LAN với hub trung tâm

Chọn kết quả mô phỏng

Hình 2.5 Chọn kết quả mô phỏng

1 Chọn tab Simulation => chọn Choose Individual Statistics…

2 Bung các thư mục Global Statistics / Ethernet, rồi chọn tham số Delay (sec)

3 Bung thư mục Traffic Sink và chọn tham số Traffic Received (bits/sec)

4 Bung thư mục Traffic Source và chọn tham số Traffic Sent (bits/sec)

5 Bung các thư mục Node Statistics / Ethernet rồi chọn các tham số Collsion Count, Load (bits/sec), Traffic Forwarded (bits/sec), Traffic Received (bits/sec) và Utilization

6 Nhấp OK để đóng cửa sổ Choose Results

Toàn bộ thao tác chọn này được biểu diễn trên hình 2.5

Cài đặt tham số mô phỏng

1 Chọn tab Simulation => Configure Discrete Even Simulation…

2 Trong tab Common, thay đổi tham số Duration về 20 với đơn vị là second(s)

3 Nhấp OK để đóng cửa sổ tương tác

Hình 2.6 Cài đặt tham số mô phỏng

Nhân bản hoạt cảnh

Tiếp theo hãy xây dựng một hoạt cảnh khác trong đó mỗi máy trạm Ethernet tạo ra lưu lượng

dữ liệu lớn hơn rất nhiều Nhờ đó có thể so sánh chất lượng của mạng LAN trong những điều kiện khác nhau

1 Chọn Scenarios => Duplicate Scenario và gọi hoạt cảnh mới là High_load Nhấp OK

để khởi tạo hoạt cảnh

2 Nhấp phải chuột lên bất kì máy trạm nào rồi chọn Select Similar Nodes Tiếp theo, nhấp phải chuột lên một máy trạm rồi chọn Edit Attributes Đánh dấu lựa chọn (3) vào hộp chọn checkbox nằm bên cạnh Apply Changes to Selected Objects

3 Bung các thư mục Traffic Generation Parameters và Packet Generation Arguments Đặt Interarrival Time (seconds) là exponential (0.001) Nhấp OK để xác định các thay

đổi này và đóng cửa sổ tương tác Thời gian đến ngắn hơn có nghĩa là các gói được tạo ra với tần xuất lớn hơn

Chạy chương trình mô phỏng

1 Chọn tab Scenarios => Manage Scenarios

2 Nhấp chuột lên trường Results trên cả hai hàng và chọn tham số <collect> hoặc

<recollect>

3 Nhấp OK để chạy lần lượt cả hai hoạt cảnh Khi mô phỏng kết thúc, nhấp biểu tượng Close để đóng hộp thoại tương tác Simulation Sequence

Hình 2.7 Tập hợp các hoạt cảnh để chạy mô phỏng

Xem và phân tích các kết quả mô phỏng

1 Chọn tab Scenarios => Switch to Scenario và chọn hoạt cảnh Low_load Chọn tab Results => View Results…

2 Chọn và bung thư mục Global Statistics, tiếp theo chọn mục Traffic Source / Traffic Sent (bits/sec) Để xem lưu lượng thu, bung thư mục Traffic Sink / Traffic Received (bits/sec)

Hình 2.8 Kết quả Traffic Sent, Traffic Received của hoạt cảnh Low_load

3 Quan sát các kết quả mô phỏng ở chế độ As Is Với mức tải này, tốc độ bit thu xấp xỉ bằng tốc độ bit phát đi Nhấp lại chuột lên mục Traffic Sent (bits/sec) và Traffic Received (bits/sec) để đóng cửa sổ preview Có thể kích lên tab Show để quan sát đồ thị

ở mức chi tiết hơn Nhấp chuột lên biểu tượng Close để đóng cửa sổ View Results Hãy xem xét kết quả mô phỏng trong hoạt cảnh High_load

1 Lặp lại các bước trên bao gồm cả việc chuyển sang hoạt cảnh High_load, chọn, xem các

kết quả Trong trường hợp này, có thể quan sát thấy lưu lượng phát lớn hơn rất nhiều lưu lượng thu Hub trung tâm nhanh chóng bị quá tải và không thể phân phối toàn bộ lưu lượng mà nó nhận được

2 Nhấp biểu tượng Close để đóng cửa sổ View Results

Hình 2.9 Kết quả Traffic Sent, Traffic Received của hoạt cảnh High_load

Tiếp theo chúng ta hãy so sánh các kết quả tạo ra từ hai hoạt cảnh

1 Chọn tab Results => Compare Results…

2 Chọn và bung các thư mục Object Statistics, Office Network, node_0, Ethernet Chọn kết quả Load (bits/sec) và xem ở chế độ As Is Nhấp chuột lên tab Show để xem chi tiết

Kết quả này cho biết lưu lượng đã được tạo ra từ máy trạm tương ứng Có thể thấy giá trị quan sát được khá gần với các tính toán thu được ở phần trước thông qua các tham số cài đặt

Trong trường hợp Low_load,

100 (bytes/packet) * 8 (bits/byte) * 1 (packet/0.004 sec) = 200 Kbps/trạm.

Các tính toán tương tự có thể được áp dụng cho trường hợp High_load

Hình 2.10 So sánh kết quả Ethernet.Load của hai hoạt cảnh

3 Nhấp vào biểu tượng Close và chọn Delete để đóng cửa sổ đồ họa Nhấp lại chuột lên thư mục Load(bits/sec) để đóng cửa sổ preview

Khác biệt giữa các tốc độ phát, thu có thể được xem xét thông qua kết quả mô phỏng

Collision Count

1 Bung các thư mục Hub và Ethernet Chọn kết quả Collision Count Nhấp chuột lên tab Show để xem chi tiết Việc phát lại các gói bị xung đột rõ ràng sẽ làm giảm thông lượng của mạng Điều này đúng cho cả hai trường hợp, nhưng hoạt cảnh High_load tạo ra số

xung đột lớn hơn rất nhiều

2 Nhấp chuột lên biểu tượng Close và Delete để đóng cửa sổ đồ họa Nhấp lại chuột lên

tên thư mục này để xoá đồ thị preview

Hình 2.11 So sánh kết quả Ethernet.Colision Count của hai hoạt cảnh

Hiệu năng (Utilization) của hai hoạt cảnh được khảo sát qua kết quả mô phỏng Utilization

1 Chọn thư mục Utilization

2 Nhấp chuột lên biểu tượng Show để quan sát đồ thị ở mức chi tiết

Hiệu năng, về cơ bản, là độ đo phần trăm thông lượng của mạng được sử dụng

Hình 2.12 So sánh kết quả Ethernet.Utilization của hai hoạt cảnh

Vì các đường truyền 10BaseT được dùng để nối các máy trạm với hub trung tâm, dung

lượng do đó bằng 10 Mbps Có thể thấy rằng tải lưu lượng của hoạt cảnh High_load đã khai thác dung lượng của hub tốt hơn rất nhiều so với trường hợp Low_load

3 Nhấp chuột lên biểu tượng Close và Delete Nhấp lại chuột lên tên thư mục Utilization

để đóng cửa sổ preview

Cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét đến độ trễ của các gói tin trong từng trường hợp

1 Bung thư mục Global Statistics và Ethernet, chọn thư mục con Delay (sec)

2 Nhấp chuột lên biểu tượng Show để xem chi tiết Tham số thống kê này cho biết độ trễ

mà tất cả các gói phải trải qua trước khi được phát thành công

Hình 2.13 So sánh kết quả Ethernet.Delay của hai hoạt cảnh

Có thể thấy rằng độ trễ là khá ổn định trong trường hợp Low_load nhưng, do tải lưu lượng quá cao, tăng không ngừng trong hoạt cảnh High_load

3 Nhấp chuột lên biểu tượng Close và Delete để đóng cửa sổ Compare Results

4 Lưu lại project bằng lệnh Save rồi đóng tất cả các cửa sổ

và 0.004 đã mô phỏng trước đó, xây dựng đồ thị phụ thuộc giữa tham số này và

Traffic Received (bits/sec) Tìm giá trị của thời gian đến mà thông lượng đạt được

cực đại Tính toán lưu lượng tải tương ứng với giá trị thời gian đến này Tại sao khi vượt quá một ngưỡng, tải lưu lượng tiếp tục tăng mà thông lượng không tăng nữa?

2 Quay trở lại các mô phỏng với tham số thời gian đến của câu hỏi 1 Sau mỗi lần chạy

mô phỏng, ghi lại Hiệu năng Utilization và Traffic Received (bits/sec) Vẽ các tham

số này trên đồ thị Tìm mối liên hệ giữa chúng? Tại sao mạng Ethernet không thể đạt 100% hiệu năng?

3 Một số ứng dụng tương tác đòi hỏi độ trễ rất nhỏ Mặt khác, tải lưu lượng quá nặng và các xung đột vừa xảy ra làm tăng đáng kể độ trễ Hãy thay đổi tham số thời gian đến

và chạy lại mô phỏng để tìm ra thời gian đến tối thiểu và tải lưu lượng/máy trạm

tương ứng để sao cho độ trễ không lớn hơn 0.005 giây?

4 Thay đổi thời gian đến và chạy lại mô phỏng để xác định giá trị của tham số này phải

là bao nhiêu để số xung đột/giây nhỏ không đáng kể (< 10 xung đột/giây) Tải lưu lượng/máy trạm tương ứng là bao nhiêu?

5 Trong điều kiện nặng tải, chất lượng của mạng LAN Ethernet có xu hướng xấu đi

Hãy xem lại tham số Delay của hoạt cảnh High_load Độ trễ của các gói thay đổi như

thế nào trong quá trình mô phỏng? Tại sao trạng thái đó lại xảy ra? Dự đoán độ trễ nếu tải lưu lượng tiếp tục được tạo ra ở tốc độ như vậy?

Bài Thí Nghiệm 3: Hub và Switch

Giới thiệu chung

Các hub Ethernet làm việc ở lớp vật lí, chỉ đơn giản phát lại các khung mà chúng nhận được

ra các cổng khác Do đó, chúng còn được gọi là trạm lặp đa cổng Tất cả các nút mạng nối vào cùng một hub đều được coi là một phần của môi trường quảng bá đồng nhất Nói cách khác, bất kì khung dữ liệu nào được phát đi từ một trong số các nút mạng đều được thu bởi tất cả các nút còn lại Nguyên tắc hoạt động này có thể giới hạn thông lượng của toàn mạng, do tất

cả các nút mạng đều phải chia sẻ dung lượng của mạng LAN

Trong khi đó các switch chỉ chuyển tiếp các khung ra đúng cổng tương ứng với địa chỉ đích trên khung Vì các switch chuyển tiếp các khung chỉ trên một đường ra nhất định, chúng tạo ra không phải một mà nhiều môi trường quảng bá; điều này cho phép tăng đáng kể thông lượng Tuy nhiên, thông lượng của một switch thì lại bị hạn chế bởi tốc độ xử lí, tốc độ mà tại

đó nó có thể chuyển tiếp các khung ra đường ra một cách chích xác

Mục tiêu bài thí nghiệm

Khảo sát sự thay đổi của thông lượng trong một mạng cục bộ khi nâng cấp từ hub lên switch

Xây dựng mô hình mô phỏng

Khởi động OPNET IT Guru Academic Edition

1 Chọn tab File => New…

2 Chọn Project rồi nhấp OK Thay đổi Project Name thành xx_Switch_vs_Hub (xx là số khởi đầu) Đặt Scenario Name là Hub và nhấp OK

3 Trên cửa sổ Initial Topology, chọn Create Empty Scenario rồi nhấp Next

4 Trên cửa sổ Choose Network Scale, chọn Office rồi nhấp Next

5 Trên cửa sổ Specify Size, để các giá trị mặc định rồi nhấp Next

6 Trên cửa sổ Select Technologies, chọn họ mô hình Ethernet và Ethernet_advanced, nhấp Next

7 Trên cửa sổ Review, nhấp OK

Hình 3.1 Hộp thoại Review của công cụ Startup Wizard

Trước hết, hãy xây dựng một mạng LAN trong đó các máy trạm được nối với nhau qua một hub trung tâm Cách làm nhanh là sử dụng bộ công cụ Rapid Configuration

1 Chọn tab Topology => Rapid Configuration

2 Đặt Configuration là Star, và nhấp OK

3 Đặt Center Node Model là ethernet16_hub Đặt Periphery Node Model là