- KỸ THUẬT MÔ PHỎNG VÀ. - ThS Nguyễn Xuân Hoàng, Khoa Viễn Thông 1, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông Tóm tắt: Trong những năm gần đây, trên 50% các nghiên cứu được công bố trên các tạp chí viễn thông là kết quả của mô phỏng. - Điều đó nói lên tầm quan trọng và mức độ ứng dụng rộng rãi của mô phỏng trong nghiên cứu về viễn thông. - Mô phỏng cho phép đánh giá được hiệu năng của một hệ thống mạng với các điều kiện, cấu hình khác nhau trong trường hợp các phương pháp đánh giá trực tiếp trên các hệ thống thật hoặc qua phân tích tính toán bằng toán học không khả thi. - Đặc biệt, trong môi trường đào tạo hiện nay, mô phỏng là một lựa chọn tốt cho quá trình tìm hiểu hoạt động của các hệ thống cũng như nghiên cứu thử nghiệm các hệ thống, các giao thức mạng mới. - Tuy nhiên, để có thể thực hiện mô phỏng hiệu quả, chính xác và đáng tin cậy là điều không hề dễ dàng. - Bài báo này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật mô phỏng, các vấn đề đặt ra trong quá trình thực hiện mô phỏng. - Sau đó các phần mềm mô phỏng thông dụng sẽ được xem xét và đánh giá ứng dụng của chúng trong nghiên cứu, đào tạo về viễn thông.. - Trong quá trình nghiên cứu, thiết kế một mạng viễn thông, hoặc đánh giá hiệu quả của việc áp dụng một giao thức, một công nghệ mới trên mạng viễn thông sẵn có, có thể sử dụng phương pháp phân tích bằng các mô hình toán học, hoặc thử nghiệm trực tiếp trên hệ thống thực. - Tuy nhiên, đối với các hệ thống phức tạp, việc phân tích bằng các mô hình toán nhiều khi không khả thi. - Trong các trường hợp đó, sử dụng kỹ thuật mô phỏng là một giải pháp thích hợp nhất.. - Mô phỏng (simulation), nói một cách tổng quát là quá trình thiết kế một mô hình của một hệ thống thật, và thực hiện các thử nghiệm trên mô hình đó nhằm mục đích hiểu được hoạt động và/hoặc đánh giá các cấu hình, tham số khác nhau của hệ thống [1].. - Mô hình được sử dụng cho mô phỏng được xây dựng bằng phần mềm, là mô hình động, có nghĩa là có bao gồm các tham số ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian. - Nó khác với mô hình tĩnh là mô hình được mô tả bằng các. - Đối với mạng viễn thông, mô phỏng được sử dụng rất rộng rãi, từ tính toán tắc nghẽn cho các hệ thống tổng đài chuyển mạch kênh, tối ưu về sử dụng tài nguyên cho các mạng gói, đánh giá hiệu quả của một giao thức mới, hoặc so sánh hiệu quả của các phương pháp mã hóa kênh trên một môi trường kênh vô tuyến. - Phần 2 sẽ trình bày về các bước trong mô phỏng một hệ thống và các vấn đề cần quan tâm. - Phần 3 sẽ đánh giá các công cụ mô phỏng được sử dụng phổ biển cho viễn thông hiện nay. - Tổng quan về ký thuật mô phỏng. - Như đã đề cập ở trên, mục đích cuối cùng của mô phỏng là giúp đánh giá hiệu năng của một hệ thống thông qua một mô hình của hệ thống đó. - Trước hết, ta xem xét mối liên quan giữa các khái niệm hệ thống (system), mô hình (model) và mô phỏng.. - 2.1 Hệ thống, mô hình và mô phỏng. - được sử dụng phổ biến trong mô phỏng về mạng viễn thông.. - 2.1.1 Thử nghiệm trên hệ thống thực và thử nghiệm trên mô hình của hệ thống: Về nguyên tắc, có thể thực hiện các thí nghiệm trực tiếp trên các hệ thống thực. - Mô hình của một hệ thống có thể coi là một đối tượng có cấu trúc, chức năng, hoạt động tương tự như hệ thống thật. - 2.1.2 Mô hình vật lý và mô hình toán học:. - Mô hình toán học, biểu diễn hệ thống dưới dạng các quan hệ logic. - Nếu mô hình toán học là chính xác, thì khi tác động vào các quan hệ logic của mô hình, mô hình sẽ đưa đến kết quả như hệ thống thật.. - 2.1.3 Phương pháp phân tích (analytical) và mô phỏng: Sau khi đã xây dựng được mô hình toán học, chúng ta cần phải xem xét mô hình đó có thể trả lời được các câu hỏi mà ta quan tâm về hệ thống hay không. - Thử nghiệm trên hệ thống. - Thử nghiệm trên mô hình của hệ thống. - Mô hình vật lý. - Mô hình toán học. - Mô phỏng. - Trong các trường hợp này, phải sử dụng đến phương pháp mô phỏng. - Mô hình lúc đó được gọi là mô hình mô phỏng (simulation model). - Mô hình mô phỏng được phân ra làm các loại sau:. - Mô hình tĩnh và mô hình động: Mô hình mô phỏng tĩnh là mô hình biểu diễn hệ thống tại một thời điểm nhất định, hay nói cách khác là khi đó thời gian không đóng vai trò gì trong mô hình. - Ví dụ của loại này là mô hình Monte Carlo. - Ngược lại, mô hình mô phỏng động biểu diễn hệ thống theo thời gian. - Mô hình mô phỏng động phức tạp hơn, tuy nhiên cho phép các mô phỏng gồm nhiều quá trình xảy ra đồng thời trong hệ thống.. - Mô hình xác định (deterministic) và mô hình ngẫu nhiên (stochastic): Nếu mô hình mô phỏng không có thành phần ngẫu nhiên thì nó được gọi là mô hình xác định. - Mô hình xác định cho phép xác định được kết quả khi biết rõ đầu vào và mô hình. - Mô hình này cũng cho kết quả là các giá trị ngẫu nhiên. - Các mô hình xếp hàng trong viễn thông đều là các mô hình ngẫu nhiên.. - Thông thường một mô hình của một hệ thống có thể được coi là liên tục hoặc rời rạc tùy thuộc vào các đối tượng cụ thể của hệ thống cần nghiên cứu.. - Các mô hình mô phỏng được sử dụng trong viễn thông chủ yếu là rời rạc, động, ngẫu nhiên, và được gọi là các mô hình mô phỏng sự kiện rời rạc (discrete event simulation models).. - 2.2 Các bước trong mô phỏng một hệ thống. - Khi sử dụng mô phỏng để nghiên cứu, đánh giá một hệ thống, cần phải trải qua các bước sau [1][2].. - 2.2.1 Xác định rõ bài toán mô phỏng Trước khi thực hiện xây dựng mô hình của bất cứ hệ thống nào, cần nắm rõ hoạt động cũng như mối quan hệ bên trong của hệ. - Cũng cần phải xác định rõ các mục tiêu cần đạt được của thực hiện mô phỏng.. - 2.2.2 Xây dựng mô hình. - Sau khi xác định rõ được bài toán, bước tiếp theo là xây dựng nên mô hình mô phỏng.. - Cần phải xác định được mô hình cần chi tiết đến mức độ nào, phần nào của hệ thống phải trừu tượng hóa. - Hay nói cách khác, ta cần phải đưa các điều kiện ràng buộc ban đầu vào mô hình mô phỏng. - 2.2.3 Thu thập dữ liệu cho mô hình. - Trong mô phỏng các hệ thống viễn thông, thường sử dụng các biến ngẫu nhiên theo một phân bố nào đó, ví dụ như Poisson. - Thường gặp nhất là khi mô phỏng các sự kiện ít xảy ra, ví dụ như lỗi bit trên kênh truyền chất lượng tốt, do đó thời gian mô phỏng rất lâu, sử dụng chuỗi các con số ngẫu nhiên rất lớn nên việc lặp lại chuỗi ngẫu nhiên là dễ xảy ra.. - 2.2.3 Biên dịch mô hình. - Đây chính là quá trình lập trình, xây dựng nên phần mềm biểu diễn mô hình mô phỏng.. - Có thể sử dụng các ngôn ngữ lập trình bậc cao như C, C++ hoặc sử dụng kết hợp với các công cụ mô phỏng là các phần mềm sẵn có như OPNET, NS-2, OMNET++…để xây dựng nên mô hình.. - Để đảm bảo quá trình lập trình biên dịch mô hình là chính xác. - Ngoài hậu quả là làm sai kết quả, việc biên dịch không tốt có thể dẫn đến thời gian thực hiện mô phỏng sẽ là rất lâu, không khả thi để thực hiện.. - 2.2.5 Xác minh tính chính xác của mô hình (validation). - Để đảm bảo mô hình đã xây dựng hoạt động giống với hệ thống thật, từ đó có thể tin tưởng vào kết quả của mô phỏng trên mô hình đó. - Đây là bước rất quan trọng vì các số liệu đạt được từ mô phỏng sẽ không có ý nghĩa gì nếu nó không phản ánh đúng kết quả của hệ thống thật. - Trong trường hợp đào tạo, khi sinh viên xây dựng các mô hình mô phỏng cho viễn thông, có thể so sánh các kết quả của mô hình với các kết quả từ các mô hình giống với nó đã được công bố trên các tài liệu chuẩn (tạp chí IEEE chẳng hạn).. - Nếu hệ thống thật cần so sánh chưa tồn tại, có thể đơn giản hóa các điều kiện ràng buộc về tham số đầu vào để có thể so sánh kết quả mô phỏng với kết quả có được thông qua phân tích tính toán (thường là các khoản giới hạn dưới hoặc trên).. - 2.2.5 Thử nghiệm trên mô hình. - Mục đích của bước này là thu được càng nhiều thông tin cần thiết mà phải thực hiện càng ít lần chạy mô phỏng càng tốt 2.2.6 Phân tích kết quả thu được. - Trong viễn thông, kết quả mô phỏng thường là các tham số như tỷ lệ lỗi bit (BER), tỷ lệ mất gói, độ trễ, xác suất tắc nghẽn…Thông qua mô phỏng, ta có thể có được giá trị thống kê (trung bình, phương sai), phạm vi biến thiên…của các tham số trên. - Nếu sử dụng các phần mềm mô phỏng như OPNET, OMNET. - Nếu chương trình mô phỏng được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình C, C. - Các phần mềm mô phỏng. - Như đã đề cập ở phần trước, ngoài việc sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C, C++ để xây dựng mô hình mô phỏng thì có thể sử dụng các chương trình phần mềm mô phỏng sẵn có như OPNET, OMNET. - NS-2…để thực hiện mô phỏng. - Các phần mềm này sẽ đơn giản hóa quá trình mô phỏng nhờ khả năng hỗ trợ quá trình tạo, kiểm tra và chạy các mô hình mô phỏng. - Nó cũng hỗ trợ công việc đánh giá, phân tích kết quả thu được từ mô phỏng.. - Các phần mềm mô phỏng phổ biển hiện nay đều thuộc loại hướng đối tượng. - Người dùng cũng có thể dễ dàng quy định số lần thực hiện chạy mô phỏng, thời gian chạy mô phỏng và độ chính xác cần thiết.. - Các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn một phần mềm mô phỏng bao gồm khả năng chạy được trên nhiều hệ điều hành, khả năng hỗ trợ tạo topo cho mạng, hỗ trợ tạo lưu lượng đầu vào và phân tích đặc tính của lưu lượng ra, hỗ trợ giám sát các đặc tính của một node mạng, một luồng lưu lượng mạng thông qua giao diện đồ họa. - Ngoài ra, các yêu cầu quan trọng nữa là có sẵn các module quan trọng như các mô hình kênh cơ bản, các giao thức quan trọng…và các phần mềm mô phỏng phải có các tính năng cho phép mở rộng, sửa đổi các module sẵn có. - Hiện nay có khá nhiều phần mềm mô phỏng có thể sử dụng trong mô phỏng mạng viễn thông, tuy nhiên có các phần mềm được trình bày tóm tắt sau đây là phổ biến nhất. - OPNET (Optimized Network Engineering Tools), là một công cụ mô phỏng thương mại được phát triển bởi OPNET Technologies Inc, dùng để mô hình hóa và mô phỏng các thiết bị, giao thức trong mạng truyền thông.. - Được phát triển cách đây trên 15 năm, nó là một công cụ mô phỏng mạng rất mạnh, được sử dụng bởi rất nhiều trường đại học và công ty lớn trên thế giới. - OPNET có thể dùng để mô phỏng hầu hết các mạng vô tuyến và hữu tuyến, ngoài ra nó còn cho phép thực hiện các giao thức, mạng…thử nghiệm trên các thành phần mạng sẵn có. - OPNET cho phép mô phỏng các mạng lên đến hàng trăm nút.. - NS (Network Simulator), xuất phát từ trường U.C.Berkely, là một phần mềm mô phỏng sự kiện rời rạc, hướng đối tượng, với mục đích để nghiên cứu về mạng, và là miễn phí.. - NS-2 rất thích hợp cho mô phỏng các mạng gói và các mạng vô tuyến (adhoc, vệ tinh. - và được sử dụng chủ yếu cho các mô phỏng cỡ nhỏ về các thuật toán định tuyến và xếp hàng, các giao thức truyền tải, điều khiển tắc nghẽn. - Ngoài ra, NS-2 cũng không hoạt động tốt khi kích cỡ mạng lớn và tốc độ mô phỏng của NS-2 cũng khá chậm so với các phần mềm khác. - NS-2 cũng hỗ trợ về đồ họa kém hơn so với các phần mềm mô phỏng như OPNET và OMNET++. - là một phần mềm mô phỏng sự kiện rời rạc, hướng đối tượng, dựa. - Nó có thể sử dụng để mô phỏng lưu lượng trên các mạng viễn thông, các giao thức, và rộng hơn là bất kỳ một hệ thống sự kiện rời rạc. - Một điểm khác so với 2 phần mềm mô phỏng trên là OMNET++ được thiết kế ban đầu không phải cho mạng viễn thông mà là với mục tiêu rộng hơn. - bao gồm khả năng hỗ trợ về đồ họa, cấu trúc hướng đối tượng nên dễ dàng thay đổi, mở rộng các mô hình, và cho phép thực hiện mô phỏng song song. - Khả năng mở rộng mạng và tốc độ mô phỏng của OMNET++ cũng rất tốt. - hiện nay là các mô hình có sẵn chưa đầy đủ, và dẫn đến khó khăn khi mô phỏng một số mô hình mạng.. - Bài báo đã đưa ra được một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật mô phỏng, các quá trình và các vấn đề cần quan tâm khi mô phỏng một hệ thống, đặc biệt là hệ thống mạng viễn thông. - Để áp dụng mô phỏng hiệu quả hơn trong nghiên cứu, đào tạo về viễn thông, phần 2 của bài báo đã trình bày một số nhận xét cơ bản về các phần mềm được sử dụng phổ biến. - Rõ ràng là nếu nắm vững lý thuyết về mô phỏng và sử dụng thành thạo các phần mềm mô phỏng trên, có thể giúp nắm vững hơn hoạt động của các hệ thống viễn thông, cũng như cho phép hoạt động nghiên cứu, thiết kế các giao thức mới, các cấu hình mới cả mạng viễn thông hiệu quả hơn rất nhiều.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt