TÀI LIỆU-HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM OPNET

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Trần Xuân Nam, Nguyễn Thành, Đinh Thế Cường TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM OPNET Hà Nội 12 / 2008 1 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Lời nói đầu 3 Phần 1: Giới thiệu về phần mềm OPNET IT GURU 5 Phần 2: Cơ sở lý thuyết mô phỏng 9 2.1 Mạng LAN Ethernet 9 2.2 Hub và Switch 10 2.3 Các giao thức định tuyến 10 2.4 QoS: Ảnh hưởng của cơ chế xếp hàng 10 Phần 3: Các module mô phỏng 12 3.1 Module mô phỏng 1: Mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng LAN Ethernet 12 3.2 Module mô phỏng 2: So sánh Hub và Switch 22 3.3 Module mô phỏ ng 3: Các giao thức định tuyến 30 3.4 Module mô phỏng 4: Cơ chế hàng đợi 41 Kết luận Tài liệu tham khảo 54 55 2 3 LỜI NÓI ĐẦU Mạng Truyền Số liệu là một trong những nội dung cơ bản trong cấu trúc chương trình đào tạo đại học và sau đại học các chuyên ngành thông tin, 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 h ọc 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 các 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. Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này, trên cơ sở lý thuyết về mạng truyền số liệu, nhóm tác giả xây dựng 4 module mô phỏng dựa trên phần mềm mô phỏng mạng OPNET Academic IT Guru. Các module mô phỏng xây dựng được bao gồm : 1. 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. 2. Switch và Hub: Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của Switch và Hub, ảnh hưởng của nó đến thông lượng của mạng. 3. 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. 4. 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. Thông qua 4 module mô phỏng này người sử dụng có thể tiến hành mô phỏng đánh giá chất lượng được các giao thức mạng cơ bản như đa truy nh ập MAC, giao thức định tuyến, mạng LAN, và các thủ tục định tuyến trong mạng chuyển mạch gói. Ngoài 4 module mô phỏng, thông qua phương pháp giới 4 thiệu người dùng có thể tự tiến hành xây dựng cho mình các module mô phỏng phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu một cách dễ dàng. 5 Phần 1: Giới thiệu về phần mềm OPNET IT GURU Sự bùng nổ của mạng Internet trong những năm gần đây đã đặt ra yêu cầu cho các nhà khoa học và các kĩ sư trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin phải có khả năng bảo trì, điều chỉnh, gỡ lỗi, đổi mới và phát triển hạ tầng mạng. Việc nắm vững các kĩ thuật này đòi hỏi cả kiến thức lý thuyết và thực hành. Với ý nghĩ a giúp học sinh củng cố các khái niệm lý thuyết đồng thời hiểu được khả năng ứng dụng trong thực tế của từng vấn đề, các chuyên gia trong ngành đặc biệt khuyến cáo việc kết hợp hoạt động phân tích với thực nghiệm trực quan trong các khóa học về mạng. Cần phải nhấn mạnh thêm là học phần thí nghiệm thực sự là yêu cầu bắt buộc đối với m ột chương trình học về mạng và khả năng hiểu biết sâu về hệ thống đòi hỏi các phương tiện thí nghiệm phải có khả năng cho phép xây dựng, quan sát, thực hành và đo đạc. Đã có rất nhiều cách khác nhau để phát triển các khóa học về mạng dựa trên các thí nghiệm trực quan. Một số khóa học thực hành tập trung vào điều hành và cấu hình mạng hay cả lĩnh vực quản trị mạng. Một số khóa khác thì nhấn mạnh tới một lớp cụ thể trong tập các giao thức mạng như phân tích lưu lượng mạng lớp liên kết dữ liệu, ứng dụng các giao thức lớp truyền tải, vv… Số ít các chương trình đào tạo mạng quy mô lớn cung cấp các phần cứng chuyên dụng trên đó học viên có thể thực hành với một số mạng thực và phát triển tính nă ng mạng ở mức lõi. Tuy nhiên những chương trình như vậy đòi hỏi lượng tài nguyên cực lớn để khởi tạo và quản lí, chi phí cao để mua sắm trang thiết bị chuyên dụng làm nó trở thành bất khả thi về mặt tài chính cho phần lớn các chương trình đào tạo. Phần lớn các khóa học thực hành mạng được đưa ra như là khóa học thứ hai về mạng máy tính. Tuy nhiên do giới hạn bởi trang thiết bị và nhân lực, phần lớn các trường đại học và cao đẳng chỉ thực hiện được một khóa học về mạng, mà đại đa phần trong đó không có bất kì một học phần thí nghiệm nào. Yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải tích hợp được các khóa học mang tính giới thiệu về mạng với các học phần thí nghiệm. Một lời giải cho bài toán này là đưa thêm các bài thí nghiệm mô phỏng vào bên cạnh chương trình h ọc lí thuyết. Mô phỏng mạng cho người dùng kiểm chứng các bài toán với lượng công sức tối thiểu nhưng quy mô và phạm vi thì lớn hơn rất nhiều so với việc thực hành trên thiết bị phần cứng. Trong trường hợp này, một công cụ có sẵn là chương trình mô phỏng mạng của OPNET, cung cấp các phương tiện để mô 6 hình hóa, thiết kế, mô phỏng, thu thập dữ liệu và phân tích. OPNET có thể mô phỏng rất nhiều loại mạng khác nhau được kết nối với nhau. Do đó, chỉ với một máy tính, sinh viên có thể thực hành rất nhiều các tùy chọn có sẵn trong mạng và xem xét một cách trực quan các tác động do việc thay đổi của mình. Luồng tin dữ liệu, các sự kiện mất gói tin, luồng tin điều khiển/định tuyến, sự cố đường truyền, lỗi bit, vv… có thể được rút ra quan sát một cách trực tiếp. Đây có thể coi là giải pháp đặc biệt kinh tế cho các trường đại học để minh họa trạng thái của các mạng cũng như các giao thức khác nhau. Tài liệu này sẽ mô tả quá trình phát triển các module mô phỏng sử dụng phần mềm OPNET của nhóm tác giả cũng như tổng kết các kinh nghiệm bước đầu trong quá trình đưa các module mô phỏng vào phục vụ nghiên cứu và đào t ạo. Mục tiêu đào tạo cũng như lí do lựa chọn phần mềm OPNET trong số rất nhiều các gói phần mềm mô phỏng khác sẽ được đề cập trước tiên. Vấn đề lí thuyết cho những bài toán cơ bản của mạng viễn thông sau đó được bàn tới. Tiếp theo, các bài thực hành mô phỏng được giới thiệu ở mức chi tiết để người dung có thể tiến hành các bước tiến hành mô phỏ ng tương đối dễ dàng mà không gặp phải cản trở nào lớn. 1.1. Tiêu chí lựa chọn phần mềm mô phỏng mạng Để đáp ứng được các yêu cầu mô phỏng các tính năng của mạng truyền số liệu, công cụ phần mềm mô phỏng mạng được sử dụng phải thỏa mãn các tính năng sau:  Khả năng mô phỏng một số lượng lớn các công nghệ mạng: Phần mềm mô phỏng phải bảo đảm khả năng mô hình hóa toàn mạng, bao gồm trong nó là các router, switch, giao thức, server và các ứng dụng cụ thể mà chúng hỗ trợ. Phần mềm đó phải hỗ trợ một số lớn các hệ thống thông tin từ mức của một mạng LAN đến mức của các mạng vệ tinh toàn cầ u.  Dễ dàng sử dụng: Phần mềm mô phỏng có thể được cài đặt và khai thác không mấy khó khăn. Học viên có thể sử dụng phần mềm để hoàn tất các bài thí nghiệm mô phỏng một cách độc lập, không cần phải được đào tạo sử dụng một cách công phu, bài bản.  Giá thành thấp hoặc miễn phí: Phần mềm phải có thể được tiếp cận mà không đòi hỏi chi phí quá lớn trong điều kiện kinh phí bảo đảm đào tạo hạn chế như hiện nay. Hơn nữa, để có thể đem lại một học phần thí nghiệm mở, học viên phải có thể download và cài đặt phần mềm (chỉ cần) với máy tính cá nhân của mình, không cần đến hệ th ống máy tính với máy chủ mạnh để hỗ trợ.  Chất lượng mô phỏng cao: Với mỗi module mô phỏng, người dùng sẽ được yêu cầu tự khởi tạo lấy mô hình mạng, chạy mô phỏng, phân tích 7 kết quả và viết báo cáo thí nghiệm. Do đó nhất thiết cần đến một công cụ mô phỏng chất lượng cao để các mô phỏng của phần lớn các bài mô phỏng có thể được hoàn thành trong thời gian ngắn (dưới 30 phút). Nhiều loại tham số, kết qủa có thể rút ra được từ mô phỏng, biểu diễn ở nhiều dạng khác nhau như đồ thị, bảng, văn bản, vv… Ngoài ra phần mềm mô ph ỏng nên có thêm các thuộc tính mong muốn khác nhưng không phải là thiết yếu như:  Khả năng thích hợp của phần mềm cho việc nghiên cứu: Phần mềm mô phỏng có thể được dùng cho các nghiên cứu về mạng dựa trên mô phỏng. Đây là lĩnh vực học thuật chưa được phát triển trong phạm vi của khoa chuyên nghành.  Khả năng triển khai diện rộng: Phần mềm phải có cộng đồng sử dụng đông đảo và phải được sử dụng rộng rãi trong ngành, để sao cho, trong quá trình học, học viên có điều kiện tham khảo tiếp cận các nguồn tài liệu phong phú từ nhiều cơ sở đào tạo khác nhau và hơn nữa, sau khi tốt nghiệp, học viên có thể áp dụng trực tiếp kiến thức vừa đượ c trang bị vào công việc. 1.2. Lựa chọn phần mềm mô phỏng mạng Hiên tại, trên thị trường có rất nhiều các gói phần mềm mô phỏng mạng. Một số trong đó nhắm tới từng lĩnh vực quan tâm nghiên cứu riêng – một loại mạng hay một giao thức cụ thể, như các mạng không dây bởi GloMoSIM. Số khác, như x-Sim và Maise, tập trung vào việc cho phép tạo ra ngôn ngữ để có thể vừa ch ạy mô phỏng vừa thực hiện được trên các mạng thực. OPNET và NS-2 là hai phần mềm mô phỏng mạng phổ dụng nhất, hướng tới rất nhiều loại mạng và giao thức. NS-2, phát triển từ REAL, là công cụ mô phỏng mạng mã nguồn mở, được sử dụng rộng rãi cho nghiên cứu và đào tạo và, đây là phần mềm miễn phí. Tuy nhiên NS-2 khó học hơn và thiếu giao diện người dùng. Nó buộc người dùng phải h ọc và sử dụng các giao diện soạn thảo phi chuẩn (như Tcl) và phải cần khá nhiều thời gian để thông thuộc. Có thể nói OPNET là phần mềm mô phỏng mạng hàng đầu đáp ứng các mục tiêu đào tạo cũng như tiêu chí lựa chọn phần mềm đã đề ra với các lí do sau:  OPNET dễ sử dụng hơn nhiều so với NS-2. Nó hỗ trợ giao diện người dùng đồ họa GUI rất thân thiện và đơn giản.  OPNET có thể được sử dụng để mô hình hóa toàn mạng, bao gồm router, switch, giao thức, server và các ứng dụng riêng mà chúng hỗ trợ. Rất nhiều loại mạng khác nhau từ mức cục bộ đến toàn cầu cũng được hỗ trợ. 8  Phần mềm OPNET có sẵn miễn phí cho lĩnh vực giảng dạy và nghiên cứu khoa học. Học viên có thể download và cài đặt OPNET IT Guru tại nhà thông qua một máy tính nối mạng Internet.  Công cụ biến cố rời rạc cho các mô phỏng mạng của OPNET là giải pháp nhanh nhất, có khả năng mở rộng tốt nhất và hiệu quả kinh tế. Nó chỉ cần một vài phút để hoàn tất phần lớn các mô phỏng thông thường.  OPNET có cộng đồng sử dụng đông đảo. Phần mềm OPNET được sử dụng bởi hơn 500 công ty, nhà cung cấp dịch vụ và tổ chức chính phủ toàn cầu. Học viên đã có kinh nghiệm với OPNET sẽ có nhiều cơ hội việc làm trong ngành. 9 Phần 2: Cơ sở lý thuyết mô phỏng 2.1 Mạng LAN Ethernet 2.1.1 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 củ a 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. 2.1.2 Mục tiêu mô phỏng Xác định thông lượng của một mạng Ethernet chia sẻ trong các điều kiện khác nhau của tải dữ liệu. 2. 2 Hub và Switch 2.2.1 Giới thiệu Các hub Ethernet làm việc ở lớp v ật 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 gi ới 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 truyền lan; điều này cho phép tăng đáng kể thông lượng. Tuy nhiên, thông lượng của một switch thì l ại 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 chính xác. 1.2.2 Mục tiêu mô phỏng Khảo sát sự thay đổi của thông lượng trong một mạng cục bộ khi nâng cấp từ hub lên switch. [...]... nặng 5 Nhấp lên biểu tượng Close để đóng của sổ View Results 6 Lưu lại mô hình và đóng toàn bộ các cửa sổ 29 3.3 Module thí nghiệm 3: Các giao thức định tuyến 3.3.1 Thiết lập module thí nghiệm • Bước 1: Xây dựng hoạt cảnh Hình 3.3.1 Hộp thoại Review của công cụ Startup Wizard Khởi động OPNET IT Guru Academic Edition 1 Chọn thực đơn File New… 2 Chọn Project rồi nhấp OK 3 Thay đổi Project Name là xx_RIPNetwork... chọn Logical và nhấp Next 6 Trong cửa sổ Review, nhấp OK Trước hết, chúng ta có thể đọc hướng dẫn sử dụng mô hình của giao thức RIP Hướng dẫn sẽ diễn giải cách thức cấu hình các nút mạng để sử dụng RIP và xác định ý nghĩa của các tham số Nhấp chuột lên tab Protocol RIP Model Usage Guide Sau khi đọc xong hướng dẫn thì tắt cửa sổ xem file PDF Chúng ta sẽ xây dựng một mạng con gồm các router và cài đặt... chuột lên switch và chọn Set Name Đặt Name là Switch rồi nhấp OK để đóng cửa sổ tương tác Hình 3.2.8 Đổi tên switch trung tâm 3.2.2 Tiến hành mô phỏng Bước tiếp theo sau khi đã thiết lập xong module thí nghiệm là tiến hành mô phỏng để thu nhận kết quả Các bước để tiến hành mô phỏng bao gồm: 1 Chọn tab Scenarios Manage Scenarios 2 Thay đổi trường Results trong cả hai hàng với giá trị chọn là ... Protocol) là một ví dụ về thuật toán định tuyến vector khoảng cách động Giao thức này lựa chọn các đường đi trong một mạng sao cho khoảng cách của các đường đó là cực tiểu Các thiết bị định tuyến (router) thích ứng theo các thay đổi (hỏng kết nối hoặc router) của đồ hình mạng bằng cách trao đổi thông tin với các router được kết nối trực tiếp xung quanh Trong điều kiện bình thường, thông tin về bảng định... chi tiết ở mỗi loại cơ chế khác nhau 11 Phần 3: Các module mô phỏng 3.1 Module 1: Mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng LAN Ethernet 3.1.1 Thiết lập module mô phỏng • Bước 1: Xây dựng hoạt cảnh 1 Khởi động OPNET IT Guru Academic Edition 2 Chọn tab File New… 3 Trên cửa sổ mới mở New chọn Project rồi nhấp chuột OK 4 Trong cửa sổ Enter Name, thay đổi Project Name thành Shared_Ethernet Đổi tên Scenario Name... Delete để đóng cửa sổ Compare Results 4 Lưu lại project bằng lệnh Save rồi đóng tất cả các cửa sổ 21 3.2 Module 2: So sánh Hub và Switch 3.2.1 Thiết lập module mô phỏng Bước 1: Xây dựng hoạt cảnh 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... của cửa sổ Chọn Paste từ thực đơn Edit 5 lần để tạo ra 5 bản sao của router gốc trong cửa sổ làm việc workspace Sắp xếp các router này theo một vòng tròn 4 Nối các router vừa sắp bằng các đường truyền dẫn PPP_DS1 lấy từ thư viện Object Palette Mỗi router sẽ kết nối với hai router kề bên 5 Copy thêm hai router nữa vào workspace bằng lệnh Paste 6 Sử dụng hai đường truyền PPP_DS1 nối hai router này thành... Failure/Recovery Specification rồi đặt rows bằng 1 và đặt Name là Logical Network.Router 1 Router 6 6 Đặt Time là 300 Lưu ý trường Status được đặt về Fail Thao tác cài đặt vừa rồi sẽ buộc đường truyền dẫn giữa router 1 và router 6 rơi vào trạng thái hỏng sau khi tiến trình mô phỏng bắt đầu được 300 giây 7 Nhấp OK để đóng cửa sổ cài đặt Bước 2: Chọn tham số kết quả mô phỏng Tải lưu lượng thu là một trong... các thao tác: 1 Chọn tab Simulation Choose Individual Statistic (advanced) 2 Bung các thư mục Global Statistics Probes và RIP Traffic Received rồi chọn Collect all values Thao tác chọn này sẽ cho phép OPNET cung cấp một đồ thị chi tiết hơn 3 Đóng cửa sổ tương tác Probe Model 3.3.2 Đặt cấu hình và chạy mô phỏng Hình 3.3.6 Đặt cấu hình chạy mô phỏng 34 1 Chọn Simulation Configure Discrete Event Simulation… . TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM OPNET Hà Nội 12 / 2008 1 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Lời nói đầu 3 Phần 1: Giới thiệu về phần mềm OPNET. phần thí nghiệm nào. Yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải tích hợp được các khóa học mang tính giới thiệu về mạng với các học phần thí nghiệm. Một lời giải cho bài toán này là đưa thêm các bài thí. các phương tiện thí nghiệm phải có khả năng cho phép xây dựng, quan sát, thực hành và đo đạc. Đã có rất nhiều cách khác nhau để phát triển các khóa học về mạng dựa trên các thí nghiệm trực quan.