XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM MẠNG THÔNG TIN

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………….4
1
Lời nói đầu
Trong cuộc sống cũng nh trong công việc hàng ngày con ngời luôn có
nhu cầu trao đổi thông tin với nhau tại mọi lúc, mọi nơi. Những nhu cầu
đó đã trở nên thiết yếu cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ
thông tin và điện tử viễn thông hiện nay. Tất cả những việc trao đổi thông
tin đó đợc thực hiện thông qua mạng thông tin, đó là tập hợp các phơng
tiện, các giao thức để cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin giữa các ngời
dùng.
Hiện nay mạng thông tin máy tính đã trở nên quá quen thuộc đối với
chúng ta trong mọi lĩnh vực nh khoa học, quân sự, thơng mại, giáo dục với
các quy mô khác nhau và đó cũng là nhu cầu không thể thiếu ở nhiều nơi.
Chất lợng của một mạng thông tin đợc thể hiện thông qua một số các
tham số nh thông lợng, độ trễ, tốc độ mạng và bị ảnh hởng của nhiều yếu tố
khác nhau nh cấu hình mạng, các giao thức truy nhập đờng truyền, giao
thức điều khiển luồng. Để có thể xem xét đợc chất lợng của một mạng
thông tin ta cần có các biện pháp phân tích mạng và mô phỏng nó thông
qua các mô hình mạng và các tham số hợp lý để có đợc cái nhìn tổng quan
hơn về mạng và có thể so sánh giữa lý thuyết, yêu cầu thực tế với khả năng
thực thi của mạng, làm cơ sở để thiết lập và nâng cấp một mạng thông tin
khi cần thiết.
Với mục đích đó đồ án này tập trung nghiên cứu xây dựng các bài thí
nghiệm mạng thông tin gồm 3 chơng:
Chơng 1: Mục đích mô phỏng mạng thông tin: tập trung đánh giá về
các mô hình mạng, các thiết bị sử dụng trong mạng và một số biện pháp kỹ
thuật có ảnh hởng đến chất lợng của mạng thông tin hiện nay và qua đó nêu
lên nhu cầu cần thiết phải mô phỏng mạng.
2
Chơng 2: Xây dựng các mô hình mô phỏng mạng thông tin. Chơng

này sẽ thiết lập các mô hình mô phỏng và lựa chọn các tham số thích hợp
cho phép khảo sát, đánh giá chất lợng của mạng một cách chính xác nhất.
Chơng 3: Phân tích và mô phỏng mạng thông tin: Đa ra một phơng
pháp phân tích mạng thông qua tính toán các công thức về tốc độ mạng và
mô phỏng một số mạng điển hình để đánh giá chất lợng của từng loại
mạng.
Việc mô phỏng mạng thông tin sẽ đợc thực hiện thông qua các bài thí
nghiệm mạng thông tin xây dựng trên phần mềm OPNET IT Guru.
Do hạn chế về thời gian, tài liệu và khả năng của bản thân nên nội
dung của đồ án vẫn còn nhiều mặt thiếu sót, em rất mong đợc sự đóng góp
ý kiến của các thầy cô giáo để đồ án đợc hoàn thiện hơn.
3
Chơng 1
Mục đích mô phỏng mạng thông tin
1.1. Mạng thông tin
1.1.1. Giới thiệu mạng thông tin
Theo định nghĩa cơ bản, mạng thông tin là tập hợp các phơng tiện và các
giao thức để cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin giữa các ngời dùng. Một
mạng thông tin máy tính có thể gồm hai hay nhiều máy tính kết nối lại với
nhau bởi đờng truyền vật lý và các thiết bị đờng dẫn theo một kiến trúc nào
đó, dùng để lu trữ và xử lý số liệu đợc kết nối với nhau nhằm cho mỗi ngời
dùng đều có thể chia sẻ thông tin, dữ liệu, phần mềm ứng dụng, các tệp tin,
cũng nh tài nguyên của toàn hệ thống.

Hình1.1: Mô hình mạng cơ bản
Trong mạng thông tin các thiết bị đợc kết nối trên đờng truyền phải
tuân theo một loạt các quy tắc truyền thông chung thì dữ liệu mới đến đợc
đích và các trạm gửi và nhận mới hiểu đợc nhau. Các quy tắc điều hành tiến
trình truyền thông đó đợc gọi là các giao thức (Protocols).
Mạng thông tin hiện nay đã đợc sử dụng rộng khắp ở mọi nơi, trên tất

cả các lĩnh vực và đang đóng vai trò quan trong trong việc thúc đẩy sự phát
triển của đất nớc. Việc thiết lập nên một mạng thông tin là nhu cầu thiết
yếu bởi nó có thể mang lại một số u điểm chính sau:
- Tận dụng đợc nguồn tài nguyên chung (phần cứng, phần mềm, và dữ
liệu )
- Chinh phục khoảng cách nhờ khả năng mở rộng mạng.
- Tăng chất lợng, hiệu quả trong khai thác và xử lý thông tin.
4
-Tăng độ tin cậy của hệ thống nhờ khả năng thay thế khi có sự cố với
một nút hay một đoạn đờng nào đó.
- Có thể cung cấp nhiều dịch vụ với chất lợng cao nh dịch vụ th điện tử,
truyền văn bản, truyền âm thanh, hình ảnh
Để làm cơ sở cho việc phân tích, mô phỏng mạng và đánh giá chất l-
ợng của một số mô hình mạng với các điều kiện kết nối thay đổi hay với
việc ứng dụng các biện pháp kỹ thuật khác nhau trong mạng, chúng ta sẽ
tập trung nghiên cứu một số vấn đề nh sau.
1.1.2. Kiến trúc mạng
Kiến trúc mạng (Network Architecture) thể hiện cách nối các thiết bị mạng
với nhau và tập hợp các quy tắc, quy ớc mà tất cả các thực thể tham gia
truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt.
Kiến trúc mạng bao gồm tôpô mạng (Network Topology) và các giao thức
mạng (Network Protocols)
Tôpô mạng : là cách kết nối các thiết bị mạng với nhau về mặt hình
học. Có các tôpô mạng cơ bản đó là: hình sao, hình bus, hình vòng, hình
cây và hình lới. Trên cơ sở các cấu trúc mạng cơ bản này (tôpô mạng LAN),
mạng sẽ đợc mở rộng với bất kỳ một quy mô nào bằng cách kết hợp nhiều
tôpô mạng với nhau để vừa tận dụng đợc u điểm của từng loại mạng vừa
phù hợp với điều kiện triển khai.
a) Mạng hình sao (Star topology)
Mạng hình sao là loại mạng cơ bản của mạng LAN, nó bao gồm một trung

tâm và các nút thông tin. Các nút thông tin là các trạm đầu cuối, các máy
tính và các thiết bị khác của mạng. Trung tâm của mạng sẽ điều phối mọi
hoạt động trong mạng với các chức năng cơ bản là:
- Xác định cặp địa chỉ gửi và nhận đợc phép chiếm tuyến thông tin và
liên lạc với nhau.
- Cho phép theo dõi và sử lý sai trong quá trình trao đổi thông tin.
- Thông báo các trạng thái của mạng
5
Các u điểm của mạng hình sao:
- Hoạt động theo nguyên lý nối song song nên nếu có một thiết bị nào
đó ở một nút thông tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thờng.
- Cấu trúc mạng đơn giản và các thuật toán điều khiển ổn định.
- Mạng có thể mở rộng hoặc thu hẹp tuỳ theo yêu cầu của ngời sử
dụng.
Nhợc điểm của mạng hình sao:
- Khả năng mở rộng mạng hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng của
trung tâm, khi trung tâm có sự cố thì toàn mạng ngừng hoạt động.
- Mạng yêu cầu nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin
đến trung tâm. Khoảng cách từ máy đến trung tâm rất hạn chế (100 m).
Nhìn chung, mạng dạng hình sao cho phép nối các máy trạm làm việc
vào một bộ tập trung (HUB) bằng cáp xoắn, giải pháp này cho phép nối trực
tiếp máy trạm với HUB không cần thông qua trục BUS, tránh đợc các yếu tố
gây ngừng trệ mạng. Gần đây, cùng với sự phát triển của Switch, mô hình
này ngày càng trở nên phổ biến và chiếm đa số các mạng mới lắp.
b) Mạng hình Bus (Bus Topology)
Theo cách bố trí hành lang trong đó máy chủ (host) cũng nh tất cả các máy
khác (workstation) hoặc các nút (node) đều đợc nối về với nhau trên một
trục đờng dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu. Tất cả các nút đều sử dụng
chung đờng dây cáp chính này. Phía hai đầu dây cáp đợc bịt bởi một thiết bị
gọi là terminator. Các tín hiệu và gói dữ liệu (packet) khi di chuyển lên

hoặc xuống trong dây cáp đều mang theo điạ chỉ của nơi đến.
Loại hình mạng này dùng dây cáp ít nhất, dễ lắp đặt. Tuy vậy cũng có
những bất lợi đó là sẽ có sự ùn tắc giao thông khi di chuyển dữ liệu với lu l-
ợng lớn và khi có sự hỏng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó phát hiện, một sự
ngừng trên đờng dây để sửa chữa sẽ ngừng toàn bộ hệ thống.
6
c) Mạng hình vòng (Ring Topology)
Mạng dạng này bố trí theo dạng xoay vòng, đờng dây của nó đợc thiết kế
làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó.
Các nút truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ đợc một nút mà thôi. Dữ
liệu truyền đi phải kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận.
Mạng dạng vòng có thuận lợi là có thể nới rộng ra xa, tổng đờng dây
cần thiết ít hơn so với hai kiểu trên, giảm tối đa va chạm thông tin trên đ-
ờng truyền. Nhợc điểm là đờng dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi
nào đó thì toàn bộ hệ thống cũng bị ngừng.
d) Mạng hình cây (Tree Topology)
Mạng hình cây là mạng đợc kết hợp nhiều mạng hình sao và hình Bus lại
với nhau, mỗi Hub nối với trục của mạng đợc coi nh một nhánh của mạng
tổng thể. Việc kết hợp mạng hình sao và hình bus này cho phép mở rộng
mạng tốt hơn nhiều so với mạng hình sao hoặc mạng hình bus.
e) Mạng hình lới (Mesh Topology)
Không giống nh các tôpô mạng khác, mỗi trạm trong mạng hình lới đợc
nối trực tiếp với nhiều trạm khác nhau, các thông điệp gửi trên mạng có
thể đi theo nhiều đờng từ trạm nguồn để tới trạm đích. Một mạng hình lới
mà mỗi thiết bị đợc nối với tất cả các thiết bị khác đợc gọi là mạng lới đầy
(full mesh).
Ngoài ra trong thực tế tuỳ theo yêu cầu và mục đích cụ thể ta có thể
thiết lập kết hợp nhiều dạng mạng với nhau để tận dụng các điểm mạnh
của từng mạng và có thể mở rộng mạng theo yêu cầu. Việc kết hợp này sẽ
đợc thực hiện một cách linh hoạt. Các tôpô mạng ở trên chính là các cấu

hình mạng thờng gặp trong các mạng LAN và mạng mở rộng hiện nay,
đây cũng là các tôpô sẽ đợc áp dụng trong mô phỏng của đồ án này.
Các giao thức mạng: Là tập hợp các quy ớc truyền thông giữa các
thực thể trong mạng. Các giao thức thờng gặp là TCP/IP, NETBIOS,
IPX/SPX,
7
1.1.3. Các thiết bị kết nối mạng
Các quy định về quy mô mạng, tôpô mạng hay chất lợng của một mạng
trên thực tế phụ thuộc nhiều vào các thiết bị sử dụng trong mạng đó. Ngời
thiết kế phải dựa vào các tiêu chuẩn mạng mà chọn các thiết bị cho phù hợp
với yêu cầu. Phần này sẽ nêu lên một số thiết bị chính đợc sử dụng trong
mạng hiện nay.
Máy chủ (Server): Là thiết bị có vai trò đặc biệt quan trọng không thể
thiếu đợc trong hệ thống của mạng, máy chủ thờng xuyên phải tiếp nhận,
phân tích yêu cầu, quản lý các trạm, phân chia tài nguyên và đáp ứng mọi
yêu cầu của các trạm, là nơi lu trữ kho thông tin trên mạng.
Máy trạm làm việc (Work station): Các máy trạm đợc kết nối vào
mạng, có liên quan trực tiếp đến sự điều hành của mạng, nhu cầu lấy thông
tin trên mạng, kết nối mạng để lấy tài nguyên, thu hẹp khoảng cách, giảm
chi phí cho ngời sử dụng.
Bộ chuyển tiếp (Repeater): Có chức năng tiếp nhận và chuyển tiếp
các tín hiệu dữ liệu thờng đợc dùng để nối 2 đoạn cáp mạng Ethenet (để
mở rộng mạng) nhằm khuyếch đại tín hiệu từ tín hiệu gốc, mong muốn và
giảm tiếng ồn, hiệu chỉnh các hiện tợng méo nếu có. Repeater hoạt động
trong tầng vật lý của hệ thống mở OSI. Repeater chỉ dùng để nối hai mạng
có cùng giao thức truyền thông (nh hai mạng Ethernet hay hai mạng
Token Ring)
Cầu (Bridge): Là một thiết bị mà nó chuyển đi các tín hiệu nó nhận
đợc sau khi đã chọn lọc và chuyển đi các tín hiệu tới đích ở phần mạng
phía bên kia, vì địa chỉ của mỗi thiết bị trên mạng có một duy nhất và nó

đợc đặt trong phần Header của mỗi gói tin. Cầu nối hoạt động trên tầng
liên kết dữ liệu.
8
Thiết bị định tuyến (Router): Là một thiết bị hoạt động trên tầng
mạng, nó có thể tìm đợc đờng đi tốt nhất cho các gói tin qua nhiều kết nối
để đi từ trạm gửi thuộc mạng đầu đến trạm nhận thuộc mạng cuối.
Router có thể đợc sử dụng trong việc nối nhiều mạng với nhau và cho
phép các gói tin có thể đi theo nhiều đờng khác nhau để tới đích.
Khác với Bridge hoạt động trên tầng liên kết dữ liệu nên nó phải xử lý
mọi gói tin trên đờng truyền thì Router có địa chỉ riêng biệt và nó chỉ tiếp
nhận và xử lý các gói tin gửi đến nó mà thôi. Khi một trạm muốn gửi gói tin
qua Router thì nó phải gửi gói tin với địa chỉ trực tiếp của Router (trong gói
tin đó phải chứa các thông tin khác về đích đến) và khi gói tin đến Router
thì Router mới xử lý và gửi tiếp. Khi xử lý một gói tin Router phải tìm đợc
đờng đi tốt nhất của gói tin qua mạng dựa trên các thông tin nó có về mạng,
thông thờng mỗi Router có một bảng định tuyến (Router table). Dựa trên dữ
liệu về Router gần nó và các mạng trong liên mạng, Router tính đợc bảng
định tuyến tối u dựa trên một thuật toán xác định trớc.
Bộ chia (Hub) hay còn gọi là bộ tập trung Concentrator dùng để đấu
nối mạng có tác dụng khuyếch đại tín hiệu, tập trung các đờng kết nối của
các máy. Các hub Ethernet làm việc ở lớp vật lí, chỉ đơn giản phát lại các
khung mà chúng nhận đợc ra các cổng khác. Do đó, chúng còn đợc gọi là
trạm lặp đa cổng. Tất cả các nút mạng nối vào cùng một hub đều đợc coi là
một phần của môi trờng quảng bá đồng nhất. Nói cách khác, bất kì khung
dữ liệu nào đợc phát đi từ một trong số các nút mạng đều đợc thu bởi tất cả
các nút còn lại. Nguyên tắc hoạt động này có thể giới hạn thông lợng của
toàn mạng, do tất cả các nút mạng đều phải chia sẻ dung lợng của mạng
LAN.
Hub chuyển mạch (Switching Hub hay còn gọi tắt là Switch) là các
mạch cho phép chọn đờng nhanh, tăng tốc độ của mạng, thay vì chuyển tiếp

một gói tin tới tất cả các cổng nh Hub, Switch chỉ chuyển tiếp tới cổng nối
với trạm đích của gói tin, có khả năng chuyển mạch các gói tin theo đờng đi
9
ngắn nhất, có thể thay thế Bridge và Router trên mạng. Switch hỗ trợ nhiều
tính năng mới nh:
- Hỗ trợ giao tiếp đồng thời: cho phép nhiều cặp giao tiếp diễn ra một
cách đồng thời nhờ đó tăng đợc băng thông trên toàn mạng.
- Hỗ trợ giao tiếp song công (Full-Duplex Communication): tiến trình
gửi và nhận các gói tin có thể xảy ra đồng thời trên một cổng, điều này làm
tăng gấp đôi thông lợng tổng của cổng.
- Điều hoà tốc độ kênh truyền: cho phép các kênh truyền có tốc độ
khác nhau giao tiếp đợc với nhau.
Cửa kết nối (Gate Way): Thờng dùng để kết nối các mạng với mạng
máy tính lớn, cho phép nối ghép hai loại giao thức với nhau.
Các đờng truyền vật lý:
- Cáp xoắn đôi: Là loại cáp bao gồm hai dây dẫn đồng đợc xoắn vào
nhau nhằm mục đích giảm nhiễu điện từ gây ra bởi môi trờng chung quanh
và do chính bản thân nó gây ra cho nhau. Cáp này có khả năng hỗ trợ đờng
truyền với tốc độ dữ liệu 10Mb/s, 20Mb/s, 100Mb/s
- Cáp đồng trục: Cáp đồng trục có độ suy hao ít hơn so với các loại
cáp đồng khác do ít bị ảnh hởng của môi trờng. Các mạng LAN sử dụng
cáp đồng trục có thể có kích thớc trên phạm vi vài km, cáp đồng trục đợc
sử dụng nhiều trong các mạng dạng Bus, dải thông cho phép từ 2.5 ữ
10Mb/s, độ dài thông thờng của một đoạn cáp nối trong mạng là 200m.
- Cáp quang : Cho phép truyền tín hiệu với khoảng cách xa và hỗ trợ
tốc độ truyền lên tới hàng Gb/s.
1.1.4. Một số biện pháp kỹ thuật chính trong mạng
Đối với các mạng thông tin hiện nay có rất nhiều các biện pháp kỹ thuật
đang đợc áp dụng đồng thời và trên từng mạng khác nhau để thực hiện trao
đổi thông tin với nhau giữa các thực thể trong mạng. Phần này chúng ta chỉ

xem xét một số vấn đề nh phơng pháp đa truy nhập CSMA/CD, cơ chế xếp
10
hàng và thuật toán định tuyến. Tác động của các vấn đề này sẽ đợc phân
tích sâu hơn trong phần mô phỏng mạng.
1.1.4.1. Phơng pháp đa truy nhập CSMA/CD
LAN là một mạng quảng bá mà trong nó nhiều thiết bị cùng sử dụng chung
một môi trờng truyền. Vì vậy có thể xảy ra xung đột trong quá trình các
thiết bị sử dụng môi trờng truyền. Để sử dụng một cách có hiệu quả môi tr-
ờng truyền ta cần có quy tắc chung để điều khiển quá trình truy nhập đờng
truyền vật lý của các thiết bị. Các phơng pháp điều khiển truy nhập đờng
truyền đợc chia thành hai loại: Các phơng pháp truy nhập ngẫu nhiên và các
phơng pháp truy nhập có điều khiển.
Trong phạm vi đồ án này chúng ta sẽ đề cập đến một phơng pháp truy
nhập ngẫu nhiên CSMA/CD, là phơng pháp đang đợc phổ dụng nhất trong
các mạng LAN mà ta sẽ xét ở phần tiếp theo.
Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên có đặc điểm là không quy định rõ
ràng thứ tự các trạm truy nhập vào đờng truyền. Một trạm tự do truyền
thông tin của mình tại một thời điểm đợc xác định một cách cục bộ, không
có sự phối hợp với các trạm khác, có nghĩa là trạm phát các gói tin của
mình một cách ngẫu nhiên. Trong hệ thống nhiều trạm sử dụng môi trờng
truyền chung có thể dẫn đến xung đột, hệ thống này còn đợc gọi là hệ thống
tranh chấp. Thủ tục đơn giản nhất của truy nhập ngẫu nhiên là thủ tục
ALOHA, trong đó các trạm không quan tâm đến trạng thái của môi trờng
truyền và nó phát bất cứ khi nào có dữ liệu cần gửi đi. Xung đột xảy ra khi
có hai hay nhiều gói phát lên đờng truyền cùng lúc, các gói xung đột sẽ bị
huỷ bỏ và nó sẽ đợc phát lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên.
Để giảm khả năng xuất hiện xung đột, một thủ tục khác đợc đa vào đó
là thủ tục đa truy nhập sử dụng sóng mang (CSMA- Carier Sense Multiple
Access). Thủ tục này thực hiện nghe trớc khi phát nhờ đó mà một trạm
nghe đờng truyền (phát hiện sóng mang) và quyết định phát hay đợi tuỳ

thuộc vào trạng thái của đờng truyền, nếu đờng truyền rỗi thì nó phát gói
11
tin, nếu đờng truyền bận thì nó ngừng phát. Tuy nhiên xung đột vẫn có thể
xảy ra do độ giữ chậm truyền dẫn khác 0 và không có sự phối hợp hoạt
động giữa các trạm.
Để hạn chế số lợng xung đột, thủ tục CSMA thêm vào đặc trng nghe
trong khi phát, cho phép các trạm bị xung đột dừng quá trình phát của mình
ngay sau khi phát hiện xung đột. Thủ tục này đợc gọi là CSMA có phát hiện
xung đột (CSMA/CD Carier Sense Multiple Access with Collision
Detection).
Trong phơng pháp này thì nếu một trạm nào đó có nhu cầu truy nhập
vào bus thì trớc hết nó phải lắng nghe xem trên bus có rỗi hay không.
Nếu bus rỗi thì truyền dữ liệu đi, nếu bus bận (busy) nghĩa là trên bus đã
có trạm khác đang truyền tin thì nó chờ. Việc chờ theo các giải thuật sau
đây:
+ Trạm tạm thời ngừng truyền cho tới một thời gian ngẫu nhiên nào đó
lại tiếp tục nghe đờng truyền. Ưu điểm là tránh đợc xung đột, nhng lại có
thể có thời gian chết sau mỗi lần truyền.
+ Trạm tiếp tục nghe đến khi thấy đờng truyền rỗi thì lại truyền dữ liệu
đi với xác suất bằng 1. Ưu điểm là tránh đợc thời gian chết nhng lại có khả
năng xung đột cao.
+ Trạm tiếp tục nghe đến khi đờng truyền rỗi thì truyền đi với xác
suất p xác định trớc (0<p<1). Ưu điểm là khả năng xảy ra xung đột ít nhất
nhng là phải lựa chọn p hợp lý để tránh cả thời gian xung đột và thời gian
trễ.
Trạm đầu tiên có phát hiện xung đột sẽ phát một tín hiệu đặc biệt
(Jamming signal) để yêu cầu tất cả các trạm dừng việc phát dữ liệu. Các
trạm sẽ đợi một thời gian ngẫu nhiên và sau đó phát lại.
Tuy bề ngoài các phơng pháp tranh chấp có vẻ nh hiệu quả không cao
do sự tổn hại mà các va chạm gây ra, song phơng pháp tranh chấp (nhất là

CSMA/CD) là phơng pháp điều khiển truy nhập phổ dụng nhất trên các
12
LAN theo dạng Ethernet. Phơng pháp CDMA/CD phù hợp với các loại dữ
liệu phát ngẫu nhiên (bursty) và kích thớc khung tin nhỏ. Nhng khi lu lợng
tăng thì số lần xung đột tăng và hiệu năng của mạng LAN giảm một cách
đáng kể và do các va chạm xảy ra vào những lúc không ngờ, nên không có
gì bảo đảm một thiết bị nào đó sẽ có khả năng truyền vào một thời điểm
nhất định.
1.1.4.2. Điều khiển luồng dữ liệu bằng cơ chế xếp hàng
Điều khiển luồng dữ liệu là kỹ thuật nhằm đảm bảo cho trạm thu không
bị tràn dữ liệu do trạm gửi phát dữ liệu nhanh hơn tốc độ mà trạm thu có
thể tiếp nhận hoặc để ngăn sự mất dữ liệu từ việc tràn bộ đệm do hạn chế
về khả năng xử lý của các nút trung gian hay do tốc độ truyền cho phép
của các đờng truyền khác nhau. Thông thờng các thiết bị nh Hub, Switch,
Router hay các nút mạng đều có bộ đệm tạm l u giữ dữ liệu để xử lý
trong một thời gian nhất định trớc khi gửi chúng đi các nút tiếp theo hoặc
tiếp tục thu nhận dữ liệu. Không chỉ là sự khác nhau về tốc độ xử lý của
các trạm mà sự không đồng đều về tốc độ truyền do sử dụng các đờng
truyền khác nhau cũng sẽ gây tràn bộ đệm và làm mất dữ liệu nếu nh
không có điều khiển luồng. Chính sách xếp hàng là một trong những ph-
ơng pháp điều khiển luồng cơ bản đợc áp dụng trong các mạng thông tin.
Trong các mạng nhớ và chuyển tiếp, các router luôn duy trì một hoặc
nhiều hàng cho các gói tin đến nó và để tiếp tục đa các gói tin đó ra đờng
truyền nếu tại thời điểm đó đờng truyền dành riêng cho nó đang bận. Cơ
chế xếp hàng sẽ quy định quy luật đến và ra của các gói tin sao cho việc
truyền các gói đi trên mạng đạt hiệu quả cao nhất và hạn chế tối đa việc mất
dữ liệu do sự khác nhau về tốc độ xử lý và tốc độ tới của gói hay do hạn chế
đờng truyền. Có rất nhiều cơ chế xếp hàng khác nhau đang đợc áp dụng để
nâng cao chất lợng dịch vụ mạng, tuy nhiên trong phạm vi đồ án này sẽ
nghiên cứu 3 cơ chế xếp hàng cơ bản sau:

13
- Cơ chế FIFO (First-In, First- Out) hay FIFS (First-In, First- Service):
Đây là cơ chế truyền thống, nó xử lý nh nhau đối với tất cả các dòng dữ
liệu, gói đến sau sẽ phải đứng ở cuối hàng và đợi cho đến lợt nó đợc gửi đi.
Đây là cơ chế đơn giản nhất và dễ thực hiện nhất, bảo đảm đờng truyền
luôn đợc sử dụng.
- Cơ chế xếp hàng công bằng trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing):
Các luồng dữ liệu sẽ đợc gán với các giá trị trọng số khác nhau dựa vào
mức độ quan trọng của chúng. Các luồng có giá trị trọng số cao sẽ đợc u
tiên chiếm đờng truyền trớc. Do các dịch vụ khác nhau có yêu cầu về giới
hạn của độ trễ và độ biến thiên trễ (jitter) khác nhau nên với các ứng dụng
yêu cầu thời gian thực nh âm thanh và hình ảnh thì các dòng âm thanh và
hình ảnh sẽ đợc gán các giá trị trọng số cao hơn so với các ứng dụng không
phải thời gian thực nh th điện tử ,truyền văn bản để chúng có thể đ ợc gửi
đi trớc các dòng dữ liệu khác và đảm bảo các ứng dụng này vẫn có thể
truyền trên một kiến trúc mạng.
- Cơ chế xếp hàng u tiên PQ (Priority Queuing): Các gói trong hàng đ-
ợc xác định mức u tiên cho riêng nó, tất cả các gói có mức u tiên cao hơn sẽ
đợc phép chiếm đờng để truyền trớc.
1.1.4.3. Thuật toán định tuyến.
Định tuyến có nghĩa là tìm các tuyến đi trên mạng cho các gói tin chuyển
qua các nút (router) sao cho đờng đi từ nguồn tới đích là ngắn nhất. Thông
thờng mỗi thiết bị định tuyến có bảng định tuyến lu trữ thông tin định tuyến
nh thông tin đờng truyền, các giá trị ớc tính metric nh cự ly, số chặng, thời
gian truyền theo các tuyến khác nhau Đ ờng đi tốt nhất trên mạng là đờng
có giá trị metric nhỏ nhất. Có hai phơng pháp định tuyến:
- Định tuyến tĩnh: Sử dụng các tuyến đờng đã đợc lập trình sẵn để
chuyển các gói tin đi trên mạng.
14
- Định tuyến động: Các router sẽ cập nhật các thông tin về mạng từ các

router bên cạnh và từ liên mạng khi có sự thay đổi trong tôpô mạng (thờng
là dựa vào sự thay đổi về lu lợng) để chọn các tuyến đi trên mạng tốt nhất.
Thuật toán tìm đờng ngắn nhất là một kỹ thuật đợc sử dụng rộng rãi
trong mạng hiện nay bởi vì nó đơn giản và dễ hiểu. Nó là một thuật toán
định tuyến động. Xét một mạng con với các nút là các Router và mỗi cung
biểu diễn một đờng truyền (link). Để chọn tuyến đi giữa các Router, thuật
toán này phải tìm ra đờng đi ngắn nhất giữa chúng trên mạng.
Đờng đi ngắn nhất có thể tính bằng số chặng (hops), khoảng cách vật
lý (km) giữa các nút, trễ truyền dẫn Mỗi cung có thể đ ợc dán với một
nhãn đợc tính nh hàm của cự ly, độ rộng băng thông, lu lợng trung bình, giá
trị truyền thông, trễ hoặc các yếu tố khác. Với cách dán nhãn này thì đờng
đi ngắn nhất trên mạng là đờng đi nhanh nhất với giá trị tơng ứng với mỗi
chuẩn là nhỏ nhất (ví dụ số cung hay số km là ít nhất).
Để minh hoạ cho thuật toán này ta tìm đờng đi ngắn nhất từ nút A đến
nút D nh trong hình vẽ 1.2, ở đây mỗi nút là một router và đợc biểu diễn
bằng một hình tròn. Các cung đợc dán với các nhãn tơng ứng với giá trị đ-
ờng đi của nó và mỗi nút sẽ đợc dán khoảng cách từ nó tới nút nguồn theo
đờng đi tốt nhất mà nó xác định đợc. Tại lúc bắt đầu, cha biết là gói tin sẽ
đi theo đờng nào nên tất cả các nút đợc dán nhãn là

.
Với các nút và các giá trị đợc gán nh hình 1.2, các bớc tìm đờng đi từ
A đến D đợc thực hiện nh sau:
Bắt đầu từ A, nó sẽ tính giá trị các nhãn đợc gán để đi đến các nút kế
tiếp, khi tìm ra nút kế tiếp có nhãn ngắn nhất nó sẽ chấp nhận đờng này và
tiếp tục lấy nút tiếp theo đó làm nút nguồn để tìm đờng đi tiếp theo. Trong
ví dụ này đó là nút B.
Từ B ta cũng thực hiện tơng tự nh trên, các bớc tiếp theo tới các nút
khác sẽ đợc cộng tổng các nhãn lại với nhau, đờng đi ngắn nhất cuối cùng
chính là đờng có tổng giá trị các nhãn nhỏ nhất.

15

Hình 1.2: Các bớc tìm đờng đi ngắn nhất trên mạng
Hình 1.2 đã chỉ ra 5 bớc đầu tiên xác định đờng đi ngắn nhất từ nút A
đến nút D. Nh vậy lộ trình của gói tin xuất phát từ A đến D chạy qua các
nút trung gian đợc thể hiện nh hình 1.3.

Hình 1.3: Đờng đi ngắn nhất từ A đến D trong mạng.
1.2. Mục đích mô phỏng mạng thông tin.
16
Trên đây là một số vấn đề cơ bản ảnh hởng đến chất lợng của một mạng
thông tin máy tính đang đợc triển khai hiện nay, để hiểu sâu hơn về chất l-
ợng hoạt động của các mô hình mạng thì việc mô phỏng mạng thông tin là
rất cần thiết. Mục đích cụ thể của mô phỏng mạng thông tin là:
- Cung cấp một cái nhìn toàn diện và sâu sắc đối với các vấn đề kỹ
thuật của toàn mạng.
- Đánh giá chất lợng của mạng với các tác động khác nhau, qua đó
nghiên cứu hoạt động của mạng Ethernet, so sánh hoạt động của Hub và
Switch, xem xét hiệu năng của mạng khi áp dụng các biện pháp điều khiển
luồng, các biện pháp truy nhập, phuơng pháp tìm đờng đi tốt nhất trên
mạng
- Kiểm tra chất lợng của mạng, so sánh với chỉ tiêu đồng thời cũng là
cơ sở để thiết kế, khai thác, quản lý và nâng cấp mạng.
Công việc của đồ án này là sử dụng phần mềm OPNET IT Guru để xây
dựng các mô hình mạng cơ bản, tiến hành mô phỏng, đánh giá chất lợng
trong từng trờng hợp cụ thể, từ đó đề xuất các giải pháp để khai thác mạng
một cách hiệu quả. Đồ án còn đợc dùng nh một tài liệu hớng dẫn về mặt lý
thuyết, mô hình hoá cho các bài tập thí nghiệm của môn học mạng máy
tính. Các quá trình mô phỏng bao gồm :
- Xây dựng các mô hình mạng

- Chọn và cài đặt các tham số thích hợp để mô phỏng.
- Chạy mô phỏng
- Khảo sát và phân tích các kết quả.
Việc mô phỏng sẽ đợc thực hiện với một số mô hình mạng và các yếu
tố đợc xem xét khác nhau nh mô phỏng mạng Ethernet, nghiên cứu hoạt
động của Hub, Switch, Router hay giao thức thông tin định tuyến RIP, cơ
chế hàng chờ.
17
Chơng 2
Xây dựng các mô hình mô phỏng mạng thông tin
Nh chơng 1 đã giới thiệu, quá trình mô phỏng mạng thông tin bao gồm 4
bớc.
+) Xây dựng các mô hình mô phỏng
+) Cài đặt các tham số mô phỏng
+) Chạy mô phỏng
+) Khảo sát và phân tích các kết quả.
Để có thể đánh giá một cách chính xác chất lợng của một mạng ta phải
xây dựng mô hình thích hợp, lựa chọn các tham số thống kê hợp lý để nhận
đợc các kết quả mô phỏng chính xác
Trong chơng này chúng ta sẽ dựa vào các đặc tính của IT Guru và
phạm vi giải quyết của nó về các vấn đề trong mạng để xây dựng một số mô
hình khảo sát chất lợng hoạt động của mạng Ethernet, hoạt động của Hub,
Switch, hoạt động của Router theo giao thức thông tin định tuyến và hiệu
quả của việc kiểm soát luồng dữ liệu bằng cơ chế xếp hàng thông qua việc
đánh giá các tham số đầu vào và dự đoán các kết quả có thể xảy ra.
2.1. Một số khái niệm cơ bản
Chất lợng của một mạng thông tin có thể khảo sát qua các tham số nh
thông lợng, độ trễ, tốc độ mạng, lu lợng phát, lu lợng nhận, tỷ lệ gói tin bị
mất Các tham số đó lại bị ảnh h ởng bởi nhiều yếu tố khác nhau nh kích
thớc gói tin, thời gian đến của các gói, khả năng xử lý của các thiết bị, tốc

độ đờng truyền, cơ chế kiểm soát luồng dữ liệu, phơng pháp đa truy nhập
trong mạng Khi xét với mỗi mô hình khác nhau thì các yếu tố trên có tác
động khác nhau đến từng mạng. Để tiện cho việc lựa chọn các tham số để
khảo sát, trớc hết ta định nghĩa một số tham số cơ bản nh sau:
18
- Thời gian đến

(Interarrival Time): Là thời gian trung bình giữa các
gói tin đợc tạo ra bởi các trạm và phát lên đờng truyền.

có thể tuân theo
nhiều loại phân bố khác nhau nh phân bố mũ (exponential), phân bố đều
(uniform), phân bố gama, phân bố poisson hay là hằng số (constant) Với
các dịch vụ trên mạng hiện nay nh dịch vụ th điện tử, truyền văn bản,
truyền âm thanh, hình ảnh thì để đơn giản khi khảo sát chất l ợng của
mạng ta sẽ xét

là phân bố mũ với các gói tin đợc tạo ra một cách ngẫu
nhiên hoặc là hằng số (constant) sẽ tạo ra các gói tin đều đặn. Khi

nhỏ thì
tần suất tạo ra các gói tin lớn, do đó tải tạo ra trên mạng nặng, ngợc lại khi

lớn thì các gói tin đợc tạo ra ít hơn và tải trên mạng lúc này là nhẹ hơn.
- Thông lợng (throughput): Là giá trị đo tốc độ truyền và nhận thành
công số lợng lớn nhất các bít, các gói tin trong một đơn vị thời gian. Thông
lợng bị ảnh hởng bởi nhiều yếu tố nh: độ trễ, kích thớc gói tin, tỷ lệ lỗi, cơ
chế kiểm soát luồng dữ liệu, độ dài đờng truyền Đơn vị của thông l ợng là
bits/sec hoặc packets/sec.
- Dung lợng (Capacity) hay là khả năng xử lý của hệ thống hoặc tốc độ

mạng chính là tốc độ tối đa truyền các gói tin mà hệ thống cho phép.
- Hiệu năng (Utilization): Là phần trăm thông lợng của hệ thống đợc sử
dụng so với dung lợng của nó. Hiệu năng của hệ thống không bao giờ đạt
100% do nhiều yếu tố hạn chế trên hệ thống nh dung lợng của hệ thống,
điều khiển luồng, điều khiển truy nhập
- Lu lợng phát (Traffic Sent): Là số lợng các bít, các gói tin đợc phát lên
đờng truyền trong một đơn vị thời gian.
- Lu lợng nhận (Traffic Received): Là số lợng các bít, các gói tin mà mỗi
trạm hoặc hệ thống nhận đợc trong một đơn vị thời gian.
- Lu lợng rớt (Traffic Dropped): Số các bít, gói tin bị mất do tràn bộ đệm
hoặc do khả năng xử lý của hệ thống bị hạn chế. Các gói tin này sẽ đợc các
trạm truyền lại do đó hiệu năng của hệ thống sẽ giảm.
19
- Độ trễ (Delay): Là thời gian gói tin đi từ trạm phát đến trạm nhận
trên mạng.
- Độ biến thiên trễ (Delay Variation): Là khoảng lệch (delta) hoặc hiệu
giữa hai giá trị trễ của hai gói tin liền nhau gửi trên mạng.
- Độ đầy bộ đệm (Buffer Usage): Thể hiện số lợng các gói tin phải đợi
trong bộ đệm tại một thời điểm nào đó để chờ đợc xử lý và phát ra đờng
truyền.
- Số lợng xung đột (Collision Count): Là số xung đột xảy ra trên toàn hệ
thống tại một thời điểm nhất định.
2.2. Xây dựng mô hình và lựa chọn các tham số khảo sát.
2.2.1. Mạng Ethernet
Mạng Ethernet có thể là một mạng hình sao hoặc hình Bus, nó hỗ trợ tốc
độ truyền trên mạng có thể là 10Mbps, 100Mbps, 1000Mbps. Ethernet sử
dụng phơng pháp đa truy nhập thụ cảm sóng mang có phát hiện xung đột
CSMA/CD để xác định trạm nào đợc phát dữ liệu tại một thời điểm.

Hình 2.1: Mô hình mạng Ethernet

Để khảo sát hoạt động của mạng Ethernet ta xây dựng một mạng hình
sao với N trạm đợc nối với nhau thông qua Hub trung tâm, hub này sẽ phát
các gói tin mà nó nhận đợc từ một cổng ra tất cả các cổng còn lại, tạo ra
một môi trờng quảng bá. Một mô hình mạng Ethernet đợc xây dựng nh
hình 2.1.
20
Trong mô hình trên, một trạm bất kỳ sẽ phát các gói tin của nó lên
mạng, tới trung tâm của hệ thống. Trung tâm xử lý các gói tin và đa ra các
cổng còn lại và tất cả các trạm còn lại thu đợc gói tin.
Các trạm ở đây đợc thiết lập sao cho nó luôn phát các gói tin, khả năng
xử lý của hệ thống xác định là 10Mbps. Các tham số đầu vào là kích thớc
gói tin, thời gian đến

, số trạm phát N. Để đơn giản ta xác định số trạm N
=12 trạm, kích thớc gói tin cố định và cho

thay đổi theo quy luật hàm mũ
để khảo sát các tham số Traffic Sent, Traffic Received, Utilization, Delay,
Collision Count của hệ thống.

Hình 2.2: Tác động của tải tới hiệu năng của hệ thống
Lu lợng tổng cộng tạo ra trên mạng đợc tính theo công thức:
Lu lợng tổng = Kích thớc gói tin (bytes/packet)*8 (bits/byte)*1/

*N
Nhìn chung cho mọi loại phân bố gói tin phát, nếu

nhỏ thì tần suất
phát ra các gói tin tại mỗi trạm sẽ lớn và tổng tải trên mạng cao. Nếu tải này
cao hơn khả năng xử lý trung tâm thì một phần dữ liệu sẽ bị mất, khi đó lu

lợng nhận đợc sẽ nhỏ hơn lu lợng phát, tuy nhiên hiệu năng của hệ thống có
thể đạt giá trị cực đại khi tải cao. Có thể thấy với

tăng dần thì hiệu năng
21
của hệ thống giảm dần nh hình 2.2, qua đó ta thấy với điều kiện tải trên
mạng cao sẽ cho phép khai thác dung lợng mạng tốt hơn.
2.2.2. So sánh hoạt động của Hub và Switch.
Có thể nghiên cứu hoạt động của Hub và Switch bằng cách thiết lập một
mạng Ethernet LAN nh phần trên, tức N trạm đợc nối với nhau thông qua
một bộ xử lý trung tâm, bộ xử lý trung tâm này lần lợt đợc thay từ Hub rồi
đến Switch.

Hình 2.3: Mô hình mạng sử dụng Switch
Khi các tham số đầu vào đợc đặt sao cho các trạm luôn phát, kích thớc
gói tin cố định cùng thời gian đến

là phân bố mũ, sau đó thay đổi tốc độ
xử lý trung tâm ta sẽ khảo sát các tham số: Traffic Sent, Traffic Received,
Delay, Collision Count để so sánh hiệu quả hoạt động của hai thiết bị trung
tâm trên.
Với các tham số đã cài đặt ta tính đợc lu lợng tổng cộng tạo ra trên
mạng nh sau:
Lu lợng tổng = Kích thớc gói tin (bytes/packet)* 8 (bits/byte)* 1/

*N
Trong khi đó tốc độ xử lý của hệ thống chính là dung lợng của Hub,
tốc độ xử lý của Switch và tốc độ đờng truyền đợc thiết lập trớc. Khi tốc độ
này nhỏ hơn lu lợng tạo ra thì trong hệ thống chỉ có một phần lu lợng đợc
xử lý và lúc này xuất hiện trễ và xung đột.

Hiệu năng của mạng bị hạn chế bởi tốc độ xử lý của Switch trung tâm,
vì vậy ta sẽ nghiên cứu với các tốc độ xử lý khác nhau của Switch để có thể
biết đợc với lợng tải trên mạng nh vậy thì tốc độ xử lý của trung tâm phải
22
nh thế nào là tối u. Ví dụ với cùng lu lợng phát ra trên mạng ta thấy có sự
khác nhau về lu lợng nhận khi tốc độ xử lý của Switch thay đổi nh hình 2.4
(đơn vị của tốc độ xử lý là packets/sec). Qua đó ta thấy với tốc độ xử lý lớn
hơn lu lợng tổng tạo ra thì lu lợng nhận đợc bằng với lu lợng tạo ra.


Hình 2.4: So sánh lu lợng nhận của hệ thống với các tốc độ xử lý khác nhau
2.2.3. Xây dựng mô hình mạng khảo sát hoạt động của router theo
giao thức thông tin định tuyến.
Giao thức thông tin định tuyến (RIP) là một thuật toán định tuyến vectơ cự
ly, giao thức này sẽ chọn các đờng đi ngắn nhất trong mạng cho các gói tin.
Các bộ định tuyến sẽ trao đổi thông tin với các bộ định tuyến bên cạnh để
biết đợc các thay đổi trong cấu hình mạng (thờng dựa vào sự thay đổi lu l-
ợng trên mạng). Trong điều kiện bình thờng, thông tin bảng định tuyến sẽ
trao đổi theo chu kỳ là 30s, tuy nhiên khi có thay đổi trong tôpô mạng thì
cơ chế cập nhật tức thời đợc khởi động để trao đổi các thông tin mới giữâ
các bộ định tuyến (các thông tin này đợc gửi đi với thời gian ngẫu nhiên từ
1-5s) làm cho các bộ định tuyến thích ứng ngay với điều kiện mới và lựa
chọn các tuyến đi tốt nhất cho dữ liệu trên mạng.
23
Để nghiên cứu hoạt động của các bộ định tuyến theo giao thức thông
tin định tuyến (RIP) và việc sử dụng các bảng định tuyến để tìm đờng đi
ngắn nhất trong mạng ta sẽ xây dựng một mô hình mạng bao gồm các nút
là các Router, đờng nối giữa các router này là cùng một loại cáp để bảo
đảm tốc độ truyền dữ liệu trên các đoạn nh nhau. Các Router sẽ cập nhật
thông tin sau mỗi chu kỳ là 30s.

Hình 2.5: Mô hình khảo sát hoạt động của router
Để khảo sát thông lợng trên mạng và sự thay đổi trong các bảng định
tuyến khi tôpô mạng thay đổi ta có thể đánh đứt một đờng nối bất kỳ sau
một khoảng thời gian mô phỏng nào đó. Kết quả sẽ cho phép quan sát thông
lợng trên các đờng truyền thay đổi.
Việc tìm đờng đi ngắn nhất trên mạng sẽ đợc dựa trên các bảng định
tuyến của các router ngay sau khi thông tin mạng đợc cập nhật vào. Các
File địa chỉ và bảng thông tin định tuyến của các Router thu đợc một cách
chi tiết (xem phần phụ lục) khi cài đặt cấu hình mô phỏng hợp lý.
2.2.4. Mô hình mô phỏng khảo sát chất lợng dịch vụ khi áp dụng cơ
chế xếp hàng.
Nguyên tắc hoạt động của các cơ chế xếp hàng có thể đợc nghiên cứu
thông qua mô phỏng mạng nh hình 2.6, trong đó, 2 Client yêu cầu dịch vụ
cung cấp từ máy chủ FTP Server để chia sẻ đờng truyền giữa Router1 và
QoS Server. Các đờng truyền có dung lợng khác nhau, đờng PPP_DS1 nối
24
giữa Router 1 và QoS Router cho phép truyền với tốc độ hạn chế hơn đờng
nối QoS Router với FTP Server, do đó khi FTP Server phát ra nhiều dữ liệu
hơn sẽ gây ra tràn bộ đệm tại QoS Router.

Hình 2.6: Mô hình khảo sát chất lợng dịch vụ khi áp dụng các cơ chế xếp
hàng khác nhau
Xét các tham số đầu vào và tham số đầu ra tại giao diện của QoS
Router nối với Router1 khi đa vào khảo sát:

Các tham số đầu vào gồm có:
Tốc độ yêu cầu (

): Inter- Request Time (sec)

Kích thớc File (L): File Size (byte)
Kích thớc bộ đệm (B): Buffer Size (byte)
Ngoài ra đối với từng cơ chế xếp hàng riêng, các trọng số hay các mức
u tiên gán cho các gói tin sẽ quyết định đến chất lợng dịch vụ. Các trọng số
và các mức u tiên này chính là các đặc trng của cơ chế WFQ và PQ mà
chúng ta sẽ xét ở phần sau.
Các tham số đầu ra gồm có:
Traffic Dropped (packets/sec)
Traffic Sent (packets/sec)
Traffic Received (packets/sec)
Buffer Usage (packets)
25