Luận văn Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet

Luận văn Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Lời nói đầu Cùng với phát triển Internet sở hạ tầng truyền dẫn thông tin Việt Nam ngày mở rộng Sự phát triển hệ thống truyền dẫn đòi hỏi cao việc bảo trì sửa chữa đường truyền thiếu thiết bị chuyên dụng thực việc kiểm tra kết nối chất lượng đường truyền Việc sử dụng hệ thống máy tính – máy tính (Personal Computer – PC) đáp ứng điều chi phí xây dựng hệ thống bảo trì lớn, tính linh hoạt dẫn đến việc triển khai hệ thống hiệu kinh tế Đề tài chúng em “hệ thống đo đạc thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet” nhằm mục đích khắc phục ý Dưới dẫn dắt bảo phương hướng thực công việc cách tận tình thầy hướng dẫn, chúng em tiến hành nghiên cứu phát triển xây dựng kịch bản, xây dựng chương trình đo thông số mở rộng việc điều khiển qua Internet Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Phạm Văn Bình – Trưởng môn mạch xử lý tín hiệu – Viện Điện Tử Viễn Thông – Đại Học Bách Khoa Hà Nội Trong trình làm đồ án, chúng em TS Phạm Văn Bình tận tình giúp đỡ quan tâm, cung cấp tài liệu quý để chúng em hoàn thành công việc giao Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể giảng viên Viện Điện Tử Viễn Thông – ĐH Bách Khoa Hà Nội giảng dạy trang bị cho chúng em kiến thức tảng suốt bốn năm học tập Khoa Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Tóm tắt đồ án Ngày sở hạ tầng truyền dẫn thông tin Việt Nam ngày mở rộng Sự phát triển hệ thống truyền dẫn đòi hỏi cao việc bảo trì sửa chữa đường truyền thiếu thiết bị chuyên dụng thực việc kiểm tra kết nối chất lượng đường truyền Việc sử dụng hệ thống máy tính – máy tính (Personal Computer – PC) đáp ứng điều ý nghĩa hiệu kinh tế xây dựng hệ thống Trên sở nhóm chúng em nghiên cứu phát triển hệ thống đo khắc phục ý Hệ thống đo đạc thông số mạng cho modem – mạng LAN đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet hệ thống đo mà vai trò nút mạng máy tính thay thiết bị chuyên dụng STR9-comstick (Terminal Comstick – TC) Các thông số lớp mạng cần đo bao gồm Trễ (RTT), Thông lượng tỷ lệ gói (PLR) Người dùng truy cập vào máy đo (Measurement Computer – MC) qua Internet với giao diện Web để gửi thông số điều khiển tiến trình đo nhận lại kết đo Kết nghiên cứu: _Xây dựng kịch đo Trễ, Thông lượng tỷ lệ gói dựa giao thức TCP/IP _Xây dựng chương trình đo phía MC chương trình nhúng phía TC _Điều khiển qua Internet phục vụ việc đo tự động, quản lý từ xa Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Qua kiểm tra đánh giá, hệ thống đo tạo thực tốt việc kiểm tra kết nối so sánh chất lượng đường truyền băng hẹp Qua thể tiềm phát triển mở rộng đề tài thực đường truyền băng rộng Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Summary Today the infracstructure of information transmission in Vietnam has been more and more expanded The development of transmission systems require high maintenance and repairing of transmission lines due to lack of specialized equipment to inspect the connection and transmission quality The use of PC – PC (Personal Computer – PC) system may meet that condition but no sense of economic efficiency and building systems On that basis we group have studied and developed a new mesurement system to overcome the above in mind Measurement system parameters on transmit narrow-band network control via Internet is a measurement system in which the role of the PC-nodes is replaced by a specialized equipment which is STR9-comstick (Terminal Comstick – TC) The measured parameters include Round Trip Time – RTT, Throughput and Packet Loss Rate - PLR Users can access the meter (Measurement Computer – MC) over the Internet with a web interface to send the parameters which control the process and receive results Research results: _Built up scripts which measures RTT, Throughput and PLR, based on TCP/IP _Built up programs for MC and embedded programs for TC _Internet control for remote processing and auto-measurement Through the evaluation, the created measurement system can afford effectively in connection checking and quality comparison of narrow-band transmissions Thereby showing the potencial development and expansion of this project on the broadband line Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Mục lục Lời nói đầu Tóm tắt đồ án Summary .4 Mục lục Danh sách hình vẽ Danh sách bảng biểu .9 Danh sách từ viết tắt .10 Mở đầu 11 Tổng quan hệ thống .13 Xây dựng kịch hệ thống .18 Xây dựng chương trình .37 Kiểm tra – đánh giá hệ thống 78 Tài liệu tham khảo .86 Luận văn Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Hệ thống đo xây dựng mạng LAN thông thường 14 Hình 1.2 Liên hệ khối đo – khối điều khiển 15 Hình 1.3 Mô hình hệ thống (trên môi trường PLC) 16 Hình 2.4 Cấu trúc IP header 18 Hình 2.5 Cấu trúc ICMP header 20 Hình 2.6 Echo request 21 Hình 2.7 Echo reply 21 Hình 2.8 Cấu trúc UDP header 22 Hình 2.9 Cấu trúc TCP header 23 Hình 2.10 Chế độ “ngưng-và-truyền” (Stop-and-go) 25 Hình 2.11 Chế độ “cửa sổ di động” (Sliding window) .25 Hình 2.12 Điều khiển lưu lượng TCP 26 Hình 2.13 Mô hình Client – Server .28 Hình 2.14 Quá trình thiết lập kết thúc phiên TCP 29 Hình 2.15 Công thức tính trễ RTT 30 Hình 2.16 Kịch đo trễ RTT 31 Hình 2.17 Kịch đo thông lượng 31 Hình 2.18 Công thức tính thông lượng .32 Hình 2.19 STR9-comstick 34 Hình 2.20 Các thông số STR9-comstick .35 Hình 3.21 Giải thuật đo trễ RTT 37 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hình 3.22 Giải thuật đo thông lượng 39 Hình 3.23 Quá trình đo thông lượng hướng lên 40 Hình 3.24 Quá trình đo thông lượng hướng xuống .41 Hình 3.25 Giao diện chương trình MC Tool .42 Hình 3.26 Giao diện chọn kiểu đo 43 Hình 3.27 Khởi tạo chương trình 45 Hình 3.28 Bộ đếm thời gian 46 Hình 3.29 Thời gian truyền 47 Hình 3.30 Cấu trúc thư viện STR9 50 Hình 3.31 Nội dung thư viện .51 Hình 3.32 Kiến trúc thư viện phần mềm .52 Hình 3.33 Các thiết lập uIP 58 Hình 3.34 Vector ngoại lệ 62 Hình 3.35 Cấu hình ngăn xếp 63 Hình 3.36 User stack 64 Hình 3.37 Kích thước ngăn xếp 65 Hình 3.38 ARM Procedure Call Standard (APCS) .65 Hình 3.39 Giao diện HiTOP Debugger .68 Hình 3.40 Các cửa sổ thao tác HiTOP 69 Hình 3.41 Sơ đồ khối chương trình nhúng 71 Hình 3.42 Hàm khởi tạo sơ lược 71 Hình 3.43 Hàm Main sơ lược 72 Hình 3.44 Hàm uip sơ lược 73 Hình 3.45 Hàm ICMP sơ lược 75 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hình 3.46 Hàm TCP sơ lược .77 Hình 4.47 Cấu trúc mạng PLC 78 Hình 4.48 Cấu trúc mạng PLC nhà 79 Hình 4.49 PLC sử dụng trạm lặp 80 Hình 4.50 Thuê bao PLC kết nối trực tiếp 80 Hình 4.51 Thuê bao PLC kết nối gián tiếp 81 Hình 4.52 Mô tả lệnh Ping qua wireshark 82 Hình 4.53 Quá trình bắt tay bước .83 Hình 4.54 Khảo sát thông lượng mạng Ethernet 84 Hình 4.55 Khảo sát thông lượng đường điện 85 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet (b) Khối chương trình (main) Nhiệm vụ khối thực hàm giúp TC hoạt động bình thường Ứng dụng hệ thống việc khởi tạo vòng lặp uIP để hỗ trợ Ethernet phục vụ kịch đo Thao tác thực nhờ thư viện 91x Hình 3.43 Hàm Main sơ lược 72 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet (c) Khối uIP Nhiệm vụ khối thực hàm hỗ trợ thư viện uIP Ứng dụng hệ thống làm sở cho khối xử lý gói tin gửi đến theo giao thức TCP/IP Thao tác thực nhờ thư viện 91x uIP Kiểm tra gói tin gửi đến thực gọi khối tương ứng Hình 3.44 Hàm uip sơ lược 73 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet (d) Khối ICMP Nhiệm vụ khối gọi ứng dụng tương ứng với gói tin ICMP gửi đến TC Ứng dụng hệ thống việc thực phản hồi gói ping từ MC cách gửi gói pong trở lại Thao tác thực nhờ thư viện uIP Định nghĩa cấu trúc gói ICMP bao gồm trường tương ứng để TC hiểu Thực việc tạo gói pong phản hồi có gói ping gửi đến TC cách thay đổi trường type gói ping từ thành 0, đảo ngược hai trường source IP address destination IP address Sau sử dụng hàm uip_send() để gửi trả lại MC 74 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hình 3.45 Hàm ICMP sơ lược 75 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet (e) Khối TCP Nhiệm vụ khối gọi ứng dụng tương ứng với gói tin TCP gửi đến TC Ứng dụng hệ thống thực kết nối TCP với MC gửi nhận gói tin theo kịch đo Thao tác thực nhờ thư viện uIP Định nghĩa cấu trúc gói TCP bao gồm trường tương ứng để TC hiểu Khi có gói TCP gửi đến, khối TCP thực gọi hàm uip_appcall() Bằng hàm kiểm tra uip_newdata(), uip_acked(), uip_rexmit(), uip_closed(), uip_abort(), ta thực lệnh gửi gói tin tương ứng để hoàn thành kịch đo 76 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hình 3.46 Hàm TCP sơ lược 77 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Kiểm tra – đánh giá hệ thống 1.13 Kiểm tra – đánh giá 1.13.1 Mạng PLC (a) Cấu trúc mạng PLC Mạng truy nhập PLC dựa mạng lưới truyền tải cung cấp điện hạ (lưới hạ kết nối với lưới điện trung cao thông qua máy biến áp) Có thể thấy hình 1.2, mạng truy nhập PLC kết nối với mạng diện rộng WAN thông qua trạm gốc đặt vị trí máy biến thế, thuê bao PLC kết nối với trạm gốc thông qua modem PLC đặt vị trí công tơ đo đếm điện ổ cắm điện nhà Hình 4.47 Cấu trúc mạng PLC Mạng PLC nhà sử dụng mạng điện nhà làm phương tiện truyền dẫn, để kết nối thiết bị sử dụng nhà máy tính, điện thoại, máy in thiết bị video, gọi hệ thống mạng PLC LAN Về cấu trúc, mạng PLC nhà không khác 78 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet nhiều so với cấu trúc mạng truy nhập PLC sử dụng lưới điện hạ Trong cấu trúc này, có trạm gốc PLC (BS) đặt vị trí công tơ điện để kết nối với mạng PLC backbone Các thiết bị nhà kết nối với trạm gốc thông qua modem PLC đặt ổ cắm điện Mạng PLC nhà không kết nối đến mạng truy nhập sử dụng công nghệ PLC mà kết nối đến mạng truy nhập khác Hình 4.48 Cấu trúc mạng PLC nhà (b) Các phần tử mạng PLC Các phần tử mạng _Modem PLC: Là thiết bị đơn vị PLC, dùng để kết nối thiết bị người sử dụng (máy tính, điện thoại…) với đường dây điện Modem PLC chức chuyển đổi tín hiệu, có vai trò phối hợp trở kháng, lọc tách tín hiệu điện (tần số 50 60Hz) tín hiệu thông tin (tần số 9kHz) Modem PLC không thực tất chức lớp vật lý (Physical layer) mã hoá, điều chế mà thực chức lớp Data link (MAC LLC) mô hình tham chiếu OSI _Trạm gốc PLC: Là nút trung tâm nắm quyền kiểm soát mạng PLC, làm nhiệm vụ tập trung lưu lượng tải lên tải xuống từ/tới tất modem PLC cell 79 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Ngoài có chức kết nối mạng truy nhập PLC với mạng backbone Trạm lặp: Trong trường hợp khoảng cách modem PLC với trạm gốc xa, cần sử dụng lặp tín hiệu (repeater) Các lặp có chức khuếch đại tín hiệu Hình 4.49 PLC sử dụng trạm lặp PLC Gateway: Các thuê bao PLC kết nối vào mạng truy nhập PLC hai cách: _Kết nối trực tiếp Hình 4.50 Thuê bao PLC kết nối trực tiếp _Kết nối gián tiếp qua PLC gateway 80 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hình 4.51 Thuê bao PLC kết nối gián tiếp 1.13.2 Kiểm tra đánh giá Để đánh giá kết kịch xác hay chưa chúng em sử dụng phần mềm Wireshark chuyên bắt gói tin Lợi ích Wireshark đem lại giúp cho trở nên phổ biến Nó đáp ứng nhu cầu nhà phân tích chuyên nghiệp nghiệp dư đưa nhiều tính để thu hút đối tượng khác Các giao thực hỗ trợ WireShark: WireShark vượt trội khả hỗ trợ giao thức (khoảng 850 loại), từ loại phổ biến TCP, IP đến loại đặc biệt AppleTalk Bit Torrent quan trọng Wireshark hỗ trợ hầu hết loại hệ điều hành Quá trình kiểm tra đánh giá trình bày đây: 81 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet (a) Lệnh ping Hình 4.52 Mô tả lệnh Ping qua wireshark Gồm gói tin echo request echo reply , giao thức ICMP xác với lí thuyết 82 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet (b) Thông lượng Hình 4.53 Quá trình bắt tay bước Ở wireshark cung cấp cho ta thông tin sau : IP nguồn đến Ip đích 192.168.1.5 -192.168.1.10 Giao thức truyền tải TCP Port nguồn port đích 54243 dc(2001) vài trường TCP header giải thích Các trạng thái gói tin kích thước phần data Quá trình đo thông lượng diễn sau: *Đầu tiên la trình bắt tay bước khởi tạo phiên kết nối : - MC gửi tin TCP syn biến sequence number ( giúp gói tin truyền cách ) -STR gửi lại TCP syn ack xác nhận nhận gói TCP syn gói tin có biến ack number= 1( xác nhận nhận gói syn=0) thêm tham số sequence number = 83 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet -MC nhận TCP syn ack gửi tiếp cho STR gói tin xác nhận nhận (ack = , sequence=1 ) * Sau bắt tay bước gói báo hiệu gói liệu dùng cho việc đo thông lượng: Hình 4.54 Khảo sát thông lượng mạng Ethernet -Trường hợp mạng băng thông rông ôn định diễn với kịch lỗi xảy đường truyền Chú ý: hàm Push đẩy liệu đệm cho ứng dụng nhận -Trường hợp mạng điện mà khảo sát 84 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hình 4.55 Khảo sát thông lượng đường điện Dễ thấy có nhiều lỗi xảy đường truyền chương trình theo kịch bản: TCP out of order: gói tin bị lỗi TCP fast retransmission: chế hoạt động sau người gửi nhận ACK giá trị ACK number TCP sender chắn segmet( đoạn) bị drop (mất) không đến theo trật tự TCp sender gửi lại gói bị drop Kết luận : Chương trình xây dựng với kịch đề đo đạc trình gửi liệu xảy mạng Về công thức thông lượng sử dụng chúng em dựa tài liệu tham khảo phần mềm đo băng thông , thông lượng dựa định nghĩa để xây dựng công thức 85 Hệ thống đo thông số mạng đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Tài liệu tham khảo [1] Adam Dunkels, The uIP Embedded TCP/IP Stack, June 2006 [2] www.hitex.co.uk, The Insider’s Guide To The STR91x ARM®9, June 2006 [3] www.st.com, STR91x softwar library, May 2006 [4] www.wikipedia.com [5] www.msdn.com [6] www.php.net [7] www.codeproject.com [8] www.congdongcviet.com 86