BÀI THỰC HÀNH MẠNG VIỄN THÔNG BÀI SỐ 3-4 Phân tích và đánh giá các tham số QoS trong mạng IP

Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông BÀI THỰC HÀNH MẠNG VIỄN THÔNG BÀI SỐ 3-4 Phân tích và đánh giá các tham số QoS trong mạng IP Thời gian thực hiện: 6 tiết (CQ)/4 tiết (TC) Gồm 2 phần: Cơ sở (3/2 tiết) và Nâng cao (3/2 tiết) Đối tượng: Sinh viên đại học ngành Điện tử viễn thông I. Mục đích Thông qua việc phân tích kết quả mô phỏng qua tính toán trực tiếp bằng tay và bằng cách sử dụng công cụ phần mềm, sinh viên có thể phân tích và vẽ đồ thị để nắm rõ ý nghĩa và bản chất của các tham số của QoS cơ bản trong mạng IP như thông lượng, độ trễ gói, Jitter và tỷ lệ mất gói. Bằng cách thay đổi các tham số của mạng, sinh viên có thể hiểu rõ về các yếu tố quyết định chất lượng dịch vụ QoS. II. Cơ sở lý thuyết 2.1 Chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP Chất lượng dịch vụ là khái niệm khó để định nghĩa một cách chính xác, song có thể hiểu là khả năng cung cấp dịch vụ cho khách hàng thông qua những yêu cầu chính xác (thực tế hoặc lý thuyết) có thể đáp ứng dựa trên bản hợp đồng về thỏa thuận lưu lượng. Việc định nghĩa khuôn khổ chất lượng dịch vụ QoS kết thành dịch vụ của lớp mạng do sự phân phối QoS từ đầu cuối tới đầu cuối (end-to-end) hoặc lớp tới lớp (peer-to-peer) hoặc biên tới biên (edge- to-edge). Dĩ nhiên, những yêu cầu này có thể thay đổi từ phía ứng dụng hoặc từ việc phân phối dịch vụ. Mạng Internet truyền thống cung cấp dịch vụ nỗ lực tối đa (best effort), như vậy sẽ không phân biệt QoS cho các loại dịch vụ. Kết quả là mạng Internet sẽ khó đáp ứng những yêu cầu QoS cho các dịch vụ mới có những yêu cầu QoS cao và khác nhau. Với sự hướng tới toàn cầu hóa trong tương lai gần, khi khẩu 1/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông hiệu: “IP trên mọi thứ” chuyển thành “mọi thứ trên IP”. Như vậy việc phân tích QoS dưới khía cạnh kỹ thuật và thông số có khả năng đo được là việc làm hữu ích cho những nhà cung cấp mạng và dịch vụ. Thực tế mỗi loại dịch vụ có các yêu cầu riêng về QoS, phù hợp với tính chất dịch vụ và yêu cầu của người sử dụng dịch vụ. Song, có thể liệt kê ra sáu thông số chung về QoS là: Băng thông (bandwidth), độ trễ (delay/latency), jitter (biến động trễ), tỷ lệ mất gói, tính sẵn sàng (khả cấp) và bảo mật. Bảng 1 cho ta một vài ví dụ về các thông số QoS hay được sử dụng và đối chiếu trong thực tế. Bảng 1: Các thông số QoS cơ bản Thông số QoS Một số giá trị ví dụ Băng thông (nhỏ nhất) 8kb/s; 64 kb/s; 1,5 Mb/s; 45 Mb/s Trễ (lớn nhất) 50 ms trễ vòng, 150 ms trễ vòng Jitter (biến động trễ) 10% của trễ lớn nhất, 5/15 ms biến động Mất gói 1 gói không tới đích trong 1000 gói gửi đi Tính sẵn sàng (khả cấp) 99,99% Bảo mật Mã hóa và nhận thực trên tất cả các luồng lưu lượng 2.2 Các tham số QoS khảo sát trong bài thực hành Trong bài thực hành này, chất lượng trong mạng gói IP sẽ được khảo sát qua 4 tham số sau: thông lượng, độ trễ, jitter và tỷ lệ mất gói. Thông lượng Thông lượng đặc trưng cho khả năng chuyển thông tin của mạng đối với các luồng lưu lượng. Trong bài thực hành, thông lượng của các luồng lưu lượng được xác định bằng lượng thông tin truyền trong một khoảng thời gian xác định với đơn vị đo là bit/s. Công thức để xác định thông lượng như sau: Số gói nhận được x kích thước gói (byte) x 8 Thông lượng = [b/s] ∆Τ Độ trễ 2/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Được hiểu là trễ từ đầu cuối đến đầu cuối, là khoảng thời gian mà mạng lưu giữ gói tin, bao gồm trễ đường truyền và trễ xử lý. Đây là tham số có ảnh hưởng rất lớn đến QoS của các dịch vụ thời gian thực (thường không được vượt quá 200ms). Thời gian trễ gói từ đầu cuối đến đầu cuối bao gồm các thành phần sau: • Trễ đóng gói: Là thời gian đóng gói và xử lý gói tin tại các nút nguồn và đích. Trễ này phụ thuộc vào các chuẩn codec cụ thể. Ở chương trình mô phỏng này không xét đến thời gian trễ đóng gói. • Trễ truyền lan: Là tổng thời gian trễ truyền lan trên các liên kết giữa nút nguồn và nút đích. • Trễ hàng đợi: Đây là trễ do việc sử dụng các cấu trúc bộ đệm ở các nút trong mạng. Thời gian trễ hàng đợi được tính là khoảng thời gian gói chờ kể từ khi gói được xếp vào hàng đợi đến khi gói ra khỏi hàng đợi. Biến động trễ (Jitter) Thời gian trễ của các gói là thường là không giống nhau, điều này gây khó khăn cho việc khôi phục lại tín hiệu ở phía thu. Hiện tượng biến động trễ của các gói nhận được phía đầu thu gọi là Jitter (Hình 1). Hình 1: Jitter trong mạng gói. Jitter theo lý thuyết có thể là một giá trị thông số QoS mạng tương đối hay tuyệt đối. Ví dụ, nếu trễ mạng trung bình cho một ứng dụng được thiết lập là 100 ms, jitter có thể đặt là cộng hay trừ 10% của giá trị này. Theo đó, nếu mạng có trễ trong khoảng 90 đến 110 ms thì vẫn đạt được yêu cầu về jitter (trong trường hợp này, rõ ràng là trễ không phải là thông số QoS quan trọng nhất). Nếu 3/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông trễ là 200 ms, thì giá trị jitter 10% sẽ cho phép bất kỳ trễ nào trong khoảng 180 đến 220 ms. Mặt khác, jitter tuyệt đối ±5 ms sẽ giới hạn độ trễ trong các ví dụ trên trong khoảng từ 95 tới 105 ms và từ 195 tới 205 ms. Tỉ lệ mất gói Các router thường chỉ có một khả năng đệm giới hạn, giai đoạn duy trì nghẽn có thể làm cho bộ đệm đạt tới giới hạn của chúng. Khi các gói đi vào bộ đệm mà không gian bộ đệm đã hết thì các gói sẽ bị thải hồi cho đến khi bộ đệm trở lại khả dụng. Điều này sẽ làm cho phía thu không nhận được gói hoặc làm tăng trễ khi thực hiện truyền lại gói. Tỉ lệ mất gói trong một khoảng thời gian được xác định như sau: Số lượng gói bị mất Tỷ lệ mất gói = x 100 % Tổng số gói gửi đi Tỉ lệ mất gói vào khoảng 1-5% là chấp nhận được đối với dịch vụ thoại. III. Thực hành 3.1 Các nội dung thực hành - Dựng topo mạng - Thiết lập các tham số của mạng - Chạy chương trình mô phỏng - Phân tích và đánh giá các thông số QoS trong mạng: thông lượng, trễ, jitter, tỷ lệ mất gói - Nhận xét và đánh giá các kết quả thu được - Viết báo cáo thực hành. 4/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông 3.2 Phần cơ sở (Bài thực hành số 03) 3.2.1 Cấu hình mạng Mô hình mạng gồm 6 nút với 5 liên kết với băng thông đều là 2Mbit/s, độ trễ truyền lan là 5ms (riêng liên kết n2-n3 có độ trễ là 10ms). Cấu hình mạng của bài thực hành với các tham số ban đầu được trình bày trong Hình 2. Tất cả các liên kết là song hướng, chỉ có tham số băng thông và trễ truyền lan (wired), không xét đến tổn thất do truyền dẫn trên các liên kết này. Ở nút 2 có hàng đợi với kích cỡ là 10 gói cho đường ra tương ứng tới nút 3. Hàng đợi ở đây là DropTail (xem giải thích lý thuyết ở Bài thực hành số 1). Hình 2: Cấu hình mạng cho phần thực hành cơ sở. 3.2.2 Tiến trình mô phỏng Thời gian cho chương trình mô phỏng là 4,5 giây, với 2 luồng lưu lượng một chiều là CBR/UDP và FTP/TCP lần lượt gửi từ các nút nguồn n0 và n1 tới các nút đích tương ứng n4 và n5 (Hình 2) theo trình tự thời gian mô phỏng trong Bảng 2 (Sử dụng màu sắc khác nhau cho tương ứng cho các luồng lưu lượng xanh và đỏ). Lưu lượng gửi của CBR là 0,5Mbit/s với kích thước gói tương ứng là 200 byte. Với lưu lượng FTP, do sử dụng giao thức vận chuyển TCP nên ta có hai loại gói tương ứng: gói mang lưu lượng từ nguồn đến đích có kích thước 1040 byte và gói phúc đáp ngược trở về từ đích đến nguồn có kích thước 40 byte. Giá trị cửa sổ mặc định là 20 gói. 5/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Ở những giây đầu, chỉ có từng luồng lưu lượng được gửi lên đường truyền. Khi đó có thể quan sát hoạt động của từng luồng lưu lượng và phân tích kết quả qua file bám vết rất dễ dàng. Ở những giây cuối, cả hai luồng lưu lượng cùng được gửi và liên kết n2-n3 sẽ nhanh chóng bị chiếm dụng toàn bộ băng thông và luôn ở trạng thái chờ trực nghẽn. Bảng 2: Tiến trình mô phỏng bài thực hành số 3 – Phần cơ sở. Thời gian Nguồn – đích Loại lưu lượng Kích thước gói (byte) Tốc độ gửi 0,1s2s n0 n4 cbr/udp 200(Default: 210) 0,5 Mbit/s 2,1s3,0s n1 n5 ftp/tcp 1040 (Default: 1000)40 (ack) Phụ thuộc vào trạng thái mạng 3,1s4,0s n0 n4 cbr/udp 200 0,5 Mbit/s n1 n5 ftp/tcp 1040 40 (ack) Phụ thuộc vào trạng thái mạng 4,5s Kết thúc mô phỏng 3.2.3 Các bước tiến hành B1.Chạy biểu tượng Cygwin trên desktop B2.Trên cửa sổ Cygwin gõ lệnh: Startx, sau đó cửa sổ của Xserver xuất hiện. B3.Trên cửa sổ Xserver gõ lệnh: ns Bai3_QoS_coso.tcl (chương trình sẽ chạy trong thời gian khoảng 20 giây). B4.Sau khi kết thúc mô phỏng, nhận được các file out_Bai3_QoS_coso.tr và out_Bai3_QoS_coso.nam trong thư mục C:\Cygwin\home và có cửa sổ Nam sau mô phỏng như Hình 3. B5.Trên cửa sổ NAM, kích chuột vào nút Play  và quan sát tiến trình hoạt động của chương trình mô phỏng. B6.Lưu hình ảnh ở các thời điểm nằm giữa các khoảng trong tiến trình mô phỏng như Hình 4. 6/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Hình 3: Cửa sổ NAM sau khi chạy mô phỏng bài thực hành cơ sở Hình 4: Chạy Nam cho bài thực hành cơ sở 7/ Tiến trình từ 3.1 đến 4s Tiến trình từ 3.1 đến 4s khi có tràn bộ đệm Tiến trình từ 0.1s-2s Tiến trình từ 2.1s-3s Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông 3.2.4 Phân tích kết quả mô phỏng Chi tiết về tiến trình mô phỏng được ghi lại trong file C:\Cygwin\home\out_Bai3_QoS_coso.tr với định dạng như Hình 5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 event time from node to node pkt type pkt size flags fid src addr dst addr seq num pkt id + 0.1 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 0 0 - 0.1 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 0 0 + 0.1032 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 1 1 - 0.1032 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 1 1 r 0.1058 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 0 0 + 0.1058 2 3 cbr 200 1 0.0 4.0 0 0 - 0.1058 2 3 cbr 200 1 0.0 4.0 0 0 + 0.1064 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 2 2 - 0.1064 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 2 2 r 0.109 0 2 cbr 200 1 0.0 4.0 1 1 + 0.109 2 3 cbr 200 1 0.0 4.0 1 1 Hình 5: Các trường của trace file và một đoạn file out_Bai3_coso.tr a) Xác định thông lượng Đọc định dạng tracefile, yêu cầu tính thông lượng của liên kết 0-2 trong khoảng thời gian từ 0,1s đến 0,1384s. b) Xác định trễ Xác định trễ trung bình số học của liên kết 0-2 trong khoảng thời gian từ 0,1s đến 0,1384s và điền vào Bảng 3. Bảng 3: Trễ của liên kết n0-n2 Pkt id Latency c) Xác định Jitter Xác định Jitter của các gói trong khoảng thời gian từ 0,1s đến 0,1384s. Jitter của gói thứ i bằng trễ của gói thứ i trừ đi trễ của gói thứ {i-1} (i>0). Kết quả tính toán điền vào bảng 4. Bảng 4: Jitter của các gói Pkt id 8/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Jitter d) Xác định tỷ lệ mất gói Trên cơ sở thông tin của trace file, xác định tỷ lệ mất gói trong khoảng thời gian từ 0,1s đến 0,1384s. 3.3 Phần nâng cao (Bài thực hành số 04) 3.3.1 Cấu hình mạng Mô hình mạng gồm 11 nút và 10 liên kết với băng thông đều là 2Mbit/s, độ trễ truyền lan là 2ms (riêng hai liên kết n2-n3 và n3-n4 có độ trễ là 10ms). Cấu hình mạng của bài thực hành với các tham số ban đầu được trình bày trong Hình 2. Tất cả các liên kết là song hướng, chỉ có tham số băng thông và trễ truyền lan (wired), không xét đến tổn thất do truyền dẫn trên các liên kết này. Ở nút 2 và 3 có hàng đợi với kích cỡ là 10 gói cho đường ra tương ứng tới nút 3 và nút 6. Hàng đợi ở đây là DropTail (xem giải thích lý thuyết ở Bài thực hành số 1). Hình 6: Cấu hình mạng cho bài thực hành nâng cao. 3.3.2 Tiến trình mô phỏng 9/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Thời gian cho chương trình mô phỏng là 15 giây, với 4 luồng lưu lượng một chiều là CBR1/UDP1, CBR2/UDP2, FTP1/TCP1 và FTP2/TCP2 lần lượt gửi từ các nút nguồn n0, n4, n1 và n5 tới các nút đích tương ứng n7, n8, n9 và n10 theo trình tự thời gian mô phỏng trong Bảng 5 (Sử dụng màu sắc khác nhau tương ứng cho các luồng lưu lượng xanh, đen, đỏ và vàng). Lưu lượng gửi của CBR1 và CBR2 là 0,2Mbit/s và 0,3Mbit/s với kích thước gói tương ứng là 200 và 240 byte. Với lưu lượng FTP1 và FTP2, do sử dụng giao thức vận chuyển TCP nên ta có hai loại gói tương ứng: gói mang lưu lượng từ nguồn đến đích có kích thước 1040 byte và gói phúc đáp ngược trở về từ đích đến nguồn có kích thước 40 byte. Giá trị cửa sổ mặc định là 20 gói. Bảng 5: Tiến trình mô phỏng bài thực hành số 3. Thời gian Nguồn - đích Loại lưu lượng Kích thước gói (byte) Tốc độ gửi 0,5s10,0s n0 n7 cbr1/udp1 200 0,2 Mbit/s 5,0s12,0s n4 n8 cbr2/udp2 240 0,3 Mbit/s 2,5s14,0s n1 n9 ftp1/tcp1 1040 40 (ack) Phụ thuộc vào trạng thái mạng 7,5s15,0s n5  n10 ftp2/tcp2 15,0s Kết thúc mô phỏng 3.3.3 Các bước tiến hành B1. Chạy biểu tượng Cygwin trên desktop B2. Trên cửa sổ Cygwin gõ lệnh: Startx, sau đó sẽ có cửa sổ của Xserver. B3. Trên cửa sổ Xserver gõ lệnh: ns Bai3_QoS_nangcao.tcl (chương trình sẽ chạy trong thời gian khoảng 20 giây). B4. Sau khi kết thúc mô phỏng, nhận được các file out_Bai3_QoS_nangcao.tr và out_Bai3_QoS_nangcao.nam trong thư mục C:\Cygwin\home và cửa sổ Nam sau mô phỏng như Hình 7. 10/ [...]... Điền thông tin vào Bảng 6 Nhận xét và giải thích thông số liên quan giữa phần a và b (tổng số gói tạo ra/mất) - In ra các biểu đồ thể hiện các tham số QoS đã khảo sát trong bước B11 - Điền thông tin vào Bảng 7 Nhận xét và giải thích kết quả thu được sau khi thay đổi từng thông số: Khi tăng giảm băng thông, trễ truyền lan, kích thước bộ đệm thì các thông số QoS như thông lượng, trễ (latency), jitter và. .. 2-3 và 3-6: BW2-3= BW3-6=3Mbit/s; Q2= Q3=15 gói; D2-3=D3-6=5ms 14/15 Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông IV Báo cáo kết quả thực hành Trên cơ sở các số liệu đã thống kê trong bài thực hành, sinh viên viết báo cáo theo mẫu (phụ lục B) Những nội dung yêu cầu báo cáo: - Vẽ và trình bày cấu hình mạng mô phỏng (Phần cơ sở và nâng cao) - Báo cáo số liệu tính toán được theo các Bảng 3 và 4... mới được quyền thực hiện các bước tiếp theo và kết quả báo cáo thực hành mới được ghi nhận 13/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Bảng 7: Khảo sát ảnh hưởng cấu hình mạng lên các tham số QoS của luồng lưu lượng trong chương trình mô phỏng (các giá trị được tính trung bình trên thời gian mô phỏng từng luồng lưu lượng) Tham số Luồng lưu lượng Thông lượng [kbit/s] Trễ (Latency) [ms] Jitter... và FTP2) và điền thông tin mạng ban đầu trong Bảng 7 (dòng 3) B13 Thay đổi một số thông số mô phỏng theo kịch bản của giáo viên hướng dẫn Quan sát kết quả và ghi các số liệu trung bình thu được của 4 luồng lưu lượng (CBR1, CBR2, FTP1 và FTP2) vào mẫu như Bảng 7  ten_IDSV: Tên sinh viên và 4 chữ cuối trong mã sinh viên ** Chỉ sau khi báo cáo giáo viên thực hành sinh viên mới được quyền thực hiện các. .. (gói) Số lượng gói mất (gói) 12/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Số lượng gói tạo ra (gói) Trễ End2End (Tối thiểu/tối đa/trung bình) (mili-giây) Thời gian xử lý ở nút trung gian (Tối thiểu/tối đa/trung bình) (mili-giây) b) Thông tin tại các nút mạng Nút n0 n1 n2 n3 n4 n5 n6 Số lượng gói tạo ra Số lượng gói gửi đi Số lượng gói nhận được Số lượng gói chuyển tiếp Số lượng gói rơi Số. .. 11/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông B6 Lưu hình ảnh ở các thời điểm 1s, 3s, 6s và 8s tương ứng với các thời điểm có 1, 2, 3 và 4 luồng lưu lượng chạy trên mạng (tham khảo ở Hình 8) B7 Chạy biểu tượng Tracegraph, được 3 cửa sổ Trace graph 2.02, Graph và Network Information B8 Trên cửa sổ Trace graph 2.02 chọn File  Open a trace file, mở file: C:\Cygwin\home\out_Bai3 _QoS. tr (Hình...Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông Hình 7: Cửa sổ Nam sau khi chạy file chương trình a) 1 luồng lưu lượng CBR1 (0,5s - 2,5s) c) 3 luồng lưu lượng là CBR1, FTP1 và CBR2 (5s - 7,5s) b) 2 luồng lưu lượng CBR1 và FTP1 (2,5s đến 5s) d) 4 luồng lưu lượng CBR1 và FTP1 (từ 7,5s đến 10s) Hình 8: Một số hình ảnh trên NAM sau mô phỏng B5 Trên cửa sổ NAM, kích chuột vào nút Play  và quan sát... toàn bộ thông số của chương trình đã mô phỏng (kiểu lưu lượng, cỡ gói, thời gian mô phỏng) B10.Sử dụng cửa sổ Network Information để quan trắc các thông tin chung của mạng, riêng tại từng nút và điền thông tin vào Bảng 6 (chú ý: thay đổi nút hiện thời (current node) trên cửa sổ Tracegraph 2.02) Bảng 6: Thông tin của mạng mô phỏng a) Thông tin chung toàn mạng Thời gian mô phỏng (giây) Số lượng nút Số lượng... rơi Số lượng gói mất B11 Sử dụng cửa sổ Graph để phân tích kết quả mô phỏng dưới dạng đồ thị Khảo sát 4 tham số QoS (thông lượng, trễ, jitter, tỷ lệ mất gói) của 4 luồng lưu lượng Sinh viên lưu lại đồ thị dưới dạng jpeg (tổng cộng 16 đồ thị) vào folder C:\Cygwin\home\ten_IDSV (∗) sau đó báo cáo giáo viên hướng dẫn thực hành đến kiểm tra(*∗) B12 Tính giá trị trung bình tương ứng cho mỗi luồng trên tổng... http://nile.wpi.edu/NS/ [4] Cygwin, www.isi.edu/nsnam/ns/ns-cygwin.html *._.*._.*._.*._.*._.*._.*._.*._.*._.*._.*._.*._.* Nguyễn Thị Thu Hằng Bộ môn Mạng viễn thông Khoa Viễn thông 1- Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Km 10 - Ha Noi - Ha Dong ********************* Các phòng làm việc và thực hành của bộ môn P315A1, P9B15, P304A3 (cơ sở Hà Đông) Tel: 84-34-519387/515484 Fax: 84-34-511405 Email: bomonmangvt1@yahoo.com . Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông BÀI THỰC HÀNH MẠNG VIỄN THÔNG BÀI SỐ 3-4 Phân tích và đánh giá các tham số QoS trong mạng IP Thời gian thực hiện: 6 tiết (CQ)/4. thoại. III. Thực hành 3.1 Các nội dung thực hành - Dựng topo mạng - Thiết lập các tham số của mạng - Chạy chương trình mô phỏng - Phân tích và đánh giá các thông số QoS trong mạng: thông lượng,. xét và đánh giá các kết quả thu được - Viết báo cáo thực hành. 4/ Bộ môn Mạng viễn thông Bài thực hành Mạng viễn thông 3.2 Phần cơ sở (Bài thực hành số 03) 3.2.1 Cấu hình mạng Mô hình mạng