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

Luận văn Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của Internet thì cơ sở hạ tầng truyền dẫn thông tin ở Việt Nam đang ngày càng được mở rộng. Sự phát triển các hệ thống truyền dẫn này đòi hỏi cao về việc bảo trì và sửa chữa đường truyền do thiếu các thiết bị chuyên dụng thực hiện việc kiểm tra kết nối và chất lượng đường truyền. Việc sử dụng hệ thống máy tính – máy tính (Personal Computer – PC) có thể đáp ứng được điều này nhưng do chi phí xây dựng hệ thống và bảo trì lớn, tính linh hoạt kém dẫn đến việc triển khai hệ thống không có hiệu quả kinh tế. Đề tài của chúng em là “hệ thống đo đạc các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet” nhằm mục đích khắc phục những ý trên. Dưới sự dẫn dắt và chỉ bảo phương hướng thực hiện công việc một cách tận tình của thầy hướng dẫn, chúng em đã tiến hành nghiên cứu phát triển xây dựng kịch bản, xây dựng chương trình đo các thông số và mở rộng việc điều khiển qua Internet. Chúng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Phạm Văn Bình – Trưởng bộ môn mạch và xử lý tín hiệu – Viện Điện Tử Viễn Thông – Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Trong quá trình làm đồ án, chúng em đã được TS. Phạm Văn Bình tận tình giúp đỡ và quan tâm, cũng như cung cấp các tài liệu quý để chúng em hoàn thành công việc được giao. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể giảng viên Viện Điện Tử Viễn Thông – ĐH Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức nền tảng trong suốt bốn năm học tập trong Khoa. 1 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Tóm tắt đồ án Ngày nay cơ sở hạ tầng truyền dẫn thông tin ở Việt Nam đang ngày càng được mở rộng. Sự phát triển các hệ thống truyền dẫn này đòi hỏi cao về việc bảo trì và sửa chữa đường truyền do thiếu các thiết bị chuyên dụng thực hiện việc kiểm tra kết nối và chất lượng đường truyền. Việc sử dụng hệ thống máy tính – máy tính (Personal Computer – PC) có thể đáp ứng được điều này nhưng không có ý nghĩa về hiệu quả kinh tế và xây dựng hệ thống. Trên cơ sở đó nhóm chúng em đã nghiên cứu và phát triển một hệ thống đo mới khắc phục được những ý trên. Hệ thống đo đạc các thông số mạng cho modem – mạng LAN trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet là một hệ thống đo mà trong đó vai trò các nút mạng là máy tính được thay thế bởi thiết bị chuyên dụng là STR9-comstick (Terminal Comstick – TC). Các thông số lớp mạng cần đo bao gồm Trễ (RTT), Thông lượng và tỷ lệ mất gói (PLR). Người dùng có thể truy cập vào máy đo (Measurement Computer – MC) qua Internet với giao diện Web để gửi các thông số điều khiển tiến trình đo và nhận lại kết quả đo. Kết quả nghiên cứu: _Xây dựng được kịch bản đo Trễ, Thông lượng và tỷ lệ mất gói dựa trên giao thức TCP/IP. _Xây dựng được chương trình đo phía MC và chương trình nhúng phía TC. _Điều khiển qua Internet phục vụ việc đo tự động, quản lý từ xa. 2 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Qua kiểm tra đánh giá, hệ thống đo tạo ra ở trên thực hiện tốt việc kiểm tra kết nối và so sánh chất lượng các đường truyền băng hẹp. Qua đó thể hiện được tiềm năng phát triển và mở rộng của đề tài khi thực hiện trên các đường truyền băng rộng. 3 Hệ thống đo các thông số mạng trên 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. 4 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Mục lục Lời nói đầu..............................................................................................................1 Tóm tắt đồ án..........................................................................................................2 Summary.................................................................................................................4 Mục lục...................................................................................................................5 Danh sách các hình vẽ.............................................................................................6 Danh sách các bảng biểu.........................................................................................9 Danh sách các từ viết tắt.......................................................................................10 Mở đầu..................................................................................................................11 Tổng quan hệ thống...............................................................................................13 Xây dựng kịch bản hệ thống.................................................................................18 Xây dựng chương trình.........................................................................................37 Kiểm tra – đánh giá hệ thống................................................................................78 Tài liệu tham khảo.................................................................................................86 5 Luận văn Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Danh sách các hình vẽ Hình 1.1 Hệ thống đo xây dựng trên 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 và kết thúc phiên TCP............................................29 Hình 2.15 Công thức tính trễ RTT........................................................................30 Hình 2.16 Kịch bản đo trễ RTT............................................................................31 Hình 2.17 Kịch bản 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 chính của STR9-comstick...............................................35 Hình 3.21 Giải thuật đo trễ RTT...........................................................................37 6 Hệ thống đo các thông số mạng trên 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 7 Hệ thống đo các thông số mạng trên 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 trong 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 3 bước.......................................................................83 Hình 4.54 Khảo sát thông lượng mạng Ethernet...................................................84 Hình 4.55 Khảo sát thông lượng đường điện........................................................85 8 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Danh sách các bảng biểu Bảng 2.1 Cấu trúc gói tin sử dụng.........................................................................33 Bảng 2.2 Cấu trúc dữ liệu các gói tin....................................................................33 Bảng 3.3 Cấu trúc gói tin đo thông lượng.............................................................40 Bảng 3.4 Các module chính của chương trình......................................................47 Bảng 3.5 Các chức năng hỗ trợ bởi thư viện STR9..............................................49 Bảng 3.6 Cấu trúc thanh ghi bộ nhớ......................................................................54 Bảng 3.7 FMI_BootBankSize...............................................................................54 Bảng 3.8 FMI_NonBootBankSize........................................................................55 9 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Danh sách các từ viết tắt 10 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Mở đầu Yêu cầu đặt ra của hệ thống đo chủ yếu nằm ở việc thay thế máy tính bằng STR9- comstick của hãng ST. Lý do sử dụng thiết bị này bởi vì giá thành chấp nhận được (€40),nhỏ gọn hỗ trợ kết nối Ethernet và thư viện MicroIP đáp ứng được yêu cầu làm nút mạng. Dựa trên việc nghiên cứu ứng dụng của thiết bị và lý thuyết ta xây dựng kịch bản đo Trễ, Thông lượng. Trê ̃(đâỳ đủ la ̀thời gian trễ trọn vòng) la ̀đaị lươṇg đo băǹg mili- giây (ms) và chuyên duǹg để kiêm̉ tra kêt́ nôí băǹg caćh môṭ bên gửi goí tin ICMP va ̀ lăńg nghe bên kia trả lơì. Thông lươṇg là đaị lươṇg đo băǹg Mbit/s thể hiêṇ lươṇg dữ liêụ gửi thaǹh công trên đươǹg truyêǹ trong môṭ đơn vi ̣thơì gian. Sau khi có kịch bản, công việc tiếp theo là hiện thực hóa kịch bản đó thành chương trình đo. Cụ thể là hai phần chính được thực hiện song song: lập trình cho MC và TC đảm nhận vai trò điểm đầu và điểm cuối của kết nối, trong đó MC là máy đo và xuất phát điểm của các tiến trình đo. Để đaṕ ứng được khả năng tuỳ biêń, chương triǹh đo phiá MC phaỉ có cơ chế đoc̣ cać thông số yêu câù điêù khiên̉ quá triǹh đo và cơ chế ghi laị kêt́ quả đo đươc̣ phuc̣ vụ cho viêc̣ kiêm̉ tra, đańh giá và nghiên cứu. Kịch bản đo và chương trình đo là nội dung chính của đề tài này. Hoàn thành phần đo, đề tài được mở rộng về khả năng tùy biến và phát triển tính linh hoạt bằng cách thiết lập cơ chế điều khiển từ xa, cụ thể hiện tại là qua Internet. Phần mở rộng này chia làm hai phần: truyền yêu cầu điều khiển quá trình đo theo hướng người dùng (User) => Web server => MC và gửi trả lại kết quả đo được theo hướng MC => Web server => người dùng. Kết quả đo được khi gửi trả lại Web server sẽ được lưu 11 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet vào cơ sở dữ liệu để đáp ứng việc tìm kiếm và tra cứu sau này. Người dùng có thể tiếp cận dễ dàng kết quả đo qua giao diện Web hiển thị. Trên cơ sở đó, đồ án được trình bày gồm bốn chương: Chương 1: chương này trình bày phần tổng quan của hệ thống đo, cho ta một cái nhìn khái quát nhất bao gồm mô hình hệ thống, phương án xây dựng hệ thống dựa trên các thành phần được triển khai ở mô hình. Chương 2: chương này trình bày chi tiết về cơ sở lý thuyết để xây dựng hệ thống. Nội dung cụ thể bao gồm việc tìm hiểu bộ giao thức TCP/IP, các định nghĩa thông số mạng, truyền và nhận dữ liệu qua socket, chức năng và cấu trúc hàm của STR9-comstick và xây dựng kịch bản đo phù hợp. Trọng tâm chính của chương là kịch bản đo và làm quen với STR9-comstick, cho ta một cái nhìn cụ thể về những việc cần phải làm để hoàn thành kịch bản đo. Chương 3: chương này trình bày chi tiết về cách xây dựng chương trình đo dựa trên kịch bản đã định trước. Nội dung cụ thể bao gồm việc ánh xạ kịch bản vào giải thuật, định nghĩa các gói tin dữ liệu và điều khiển, xây dựng chương trình đo trên MC, lập trình nhúng cho TC trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu ở chương 2. Trọng tâm chính của chương là chương trình đo và lập trình trên TC phải được xây dựng đảm bảo thực hiện đúng kịch bản đo. Chương 4: chương này trình bày sự kiểm tra, đánh giá các kết quả của hệ thống đo đã được xây dựng ở chương 3, mở rộng với phần điều khiển qua Internet. Nội dung chương thể hiện toàn diện các kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu thực hiện hoàn thành đồ án. 12 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu Một hệ thống đo các thông số mạng đơn giản trước hết bao gồm một máy đo (MC) đóng vai trò điểm đầu và một thiết bị đóng vai trò điểm cuối (Terminal Device – TD) của đường truyền. MC thực hiện các kịch bản đo đã đặt trước trên đường truyền tới TD, kết quả thu được là các thông số đặc trưng của đường truyền MC – TD đó. Các thông số mạng chính được quan tâm là trễ RTT (đo bằng ms) và thông lượng (đo bằng Mbit/s). Trong các hệ thống đo thông thường, tốc độ phụ thuộc vào modem – đường truyền. Ở đây máy tính đóng vai trò lớp trên giao tiếp TCP, MC và TD được đảm nhận bởi các PC và các hệ thống đo này phải dùng các mạng LAN văn phòng to, cồng kềnh để phục vụ cho việc xây dựng mạng lưới đường truyền. 13 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet Hình 1.1 Hệ thống đo xây dựng trên mạng LAN thông thường Trên hình vẽ mô tả một hệ thống đo với các nút mạng là PC. Chương trình đo được thiết lập trên MC và các TD thực hiện kịch bản đo định sẵn và thu thập kết quả đo đặc trưng của đường truyền Ethernet giữa các nút mạng. Như nhận định ở trên, mô hình này không có hiệu quả kinh tế do một số nguyên nhân chính cụ thể như sau: _Các nút mạng là PC dẫn đến việc xây dựng hệ thống phần cứng và các phần mềm đi kèm hệ thống tốn chi phí lớn. _Chi phí bảo trì, sửa chữa hệ thống nhiều. _Không thích hợp cho việc mở rộng hệ thống. _Sử dụng và cài đặt phức tạp không tập trung. Dựa trên cơ sở trên, nhóm chúng em đã nghiên cứu và xin đưa ra mô hình hệ thống mới, trong đó vai trò các TD được thay bằng STR9-comstick. 14 Hệ thống đo các thông số mạng trên đường truyền băng hẹp điều khiển qua Internet 1.2 Mô hình hệ thống Trước hết ta đưa ra sơ đồ khối của hệ thống đo. Hệ thống đơn giản bao gồm hai khối đó là khối đo và khối điều khiển qua Internet. Hình 1.2 Liên hệ khối đo – khối điều khiển Đặc điểm chính của mô hình hệ thống đo đó là các PC được thay bằng STR9- comstick. Khối chính của hệ thống đo sẽ là phần bao gồm MC, TC và đường truyền dẫn nối chúng. Khối mở rộng là phần nối với Internet để phục vụ cho mục đích điều khiển từ xa bao gồm máy chủ web để tương tác với người dùng. Tương tác ở đây bao gồm việc điều khiển quá trình đo qua các thông số thiết lập kịch bản và việc nhận lại kết quả đo được từ MC. Từ cơ sở sơ đồ khối như trên, mô hình đưa ra là một hệ thống đơn giản bao gồm MC và các TC được kết nối với nhau