(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và đánh giá hiệu năng giao thức TCP đa đường (MPTCP)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Lại Tiến Thành NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC TCP ĐA ĐƯỜNG (MPTCP) CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ HẢI CHÂU HÀ NỘI - 2021 download by : skknchat@gmail.com i LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Lại Tiến Thành, học viên cao học lớp M20CQTE01-B khóa 2020-1 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Hải Châu Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày luận văn này là kết tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, quá trình nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu giao thức TCP đa đường (MPTCP)” Các số liệu và kết nêu luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố công trình nào khác Mọi thông tin trích dẫn được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết luận văn này Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Người thực luận văn Lại Tiến Thành download by : skknchat@gmail.com ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v LỜI CẢM ƠN vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG I.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI 1.1 Tổng quan công nghệ Internet 1.2 Bộ giao thức TCP/IP 1.2.1 Kiến trúc 1.2.1.1 Lớp ứng dụng 1.2.1.2 Lớp truyền tải 1.2.1.3 Lớp mạng 1.2.2 Đóng gói 1.3 Giao thức điều khiển truyền tải (TCP) 11 1.3.1 Các tính quan trọng của TCP 15 1.3.2 Hoạt động của giao thức TCP 16 1.3.2.1 Thiết lập kết nối 17 1.3.2.2 Truyền liệu 18 1.3.2.3 Kết thúc kết nối 19 1.4 Xu hướng phát triển của các giao thức truyền tải Internet 20 1.5 Kết luận Chương I 20 CHƯƠNG II.GIAO THỨC TCP ĐA ĐƯỜNG (MPTCP) 21 2.1 Tổng quan giao thức TCP đa đường (MPTCP) 21 2.1.1 Tại cần phải có giao thức MPTCP 21 2.1.2 Một số thuật ngữ dùng MPTCP 22 2.1.3 Mục tiêu thiết kế của MPTCP 22 2.1.3.1 Mục tiêu chức 23 2.1.3.2 Mục tiêu tính tương thích 23 download by : skknchat@gmail.com iii 2.1.3.3 Mục tiêu bảo mật 25 2.1.3.4 Mục tiêu thuật toán điều khiển tắc nghẽn 25 2.2 Kiến trúc của MPTCP 26 2.3 Mô hình phân chia chức MPTCP 27 2.4 Hoạt động của MPTCP 30 2.4.1 Định dạng phân đoạn MPTCP 31 2.4.2 Các tùy chọn MPTCP 32 2.4.3 Thiết lập kết nối 33 2.4.4 Bắt đầu một luồng 34 2.4.5 Trao đổi dữ liệu 35 2.4.6 Ưu tiên các luồng 36 2.4.7 Đóng kết nối 38 2.4.8 Thuật toán điều khiển tắc nghẽn phối hợp 38 2.5 Xử lý lỗi bởi thiết bị trung gian 41 2.6 Kết luận Chương II 42 CHƯƠNG III TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC MPTCP 43 3.1 Xây dựng hệ thống 43 3.2 Thử nghiệm hệ thống và đánh giá 49 3.3 Kết luận Chương III 60 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 download by : skknchat@gmail.com iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT Viết tắt T 3G Third Gener 4G Fourth Gene ACK Acknowledg ADSL API ARP Balia Asymmetric Line Application Interface Address Res Balanced Li Congestion C CMT Concurrent CRC Cyclic Redu DCCP Datagram C Protocol DNS Domain Nam DSN Data Sequen DSS Data Sequen FTP File Transfe GRE Generic Rou HIP Host Identit HMAC HTTP IANA Hash Messa Code Hypertext T Internet Assi Authority download by : skknchat@gmail.com iv Viết tắt ICMP IEEE T Internet Con Institute of E Electronics E IETF Internet Eng IMS IP Multimed IP Internet Prot IPv4 Internet Prot IPv6 Internet Prot IRTF Internet Rese ISP Internet Serv LACP Link Aggreg Protocol LAN Local Area LIA Linked Incr LTE Long-Term LXC Linux Conta MIP Mobile IP MIPv6 Mobile IP v MultiPath R MPRTP Transmission MultiPath T MPTCP Protocol MSS Maximum S MTU Maximum T download by : skknchat@gmail.com v Viết tắt T NAT Network Ad NIC Network Inte OLIA Opportunist Algorithm OSI Open System P2P Peer To Pee PLC PlanetLab C REAP Reachability RFC Request For RTA Real-Time A RTP Real-time T RTT Round-Trip SCP Secure Copy SCTP Stream Con Protocol SDP Session Des SHA Secure Hash Shim6 Site Multiho Intermediati SIP Session Init SMTP Simple Mai SSH Secure Shel TCP Transmissio TLD Top-level D UCL Université c download by : skknchat@gmail.com download by : skknchat@gmail.com 51 b TCP Hình Thực truyền file thơng qua http – BW MPTCP ~ 3.30MB – TCP ~ 1.14MB Trong phần này đưa các kết và phân tích chi tiết của quá trình thực thử nghiệm truyền file thông qua HTTP Như ở hình 3.8, là hình biểu diễn luồng thực thiết lập kết nối và truyền dữ liệu sau kết nối Với hai hình 3.8.a và 3.8.b ta có thể thấy được khác biệt giữa các phiên thực bắt tay để thiết lập kết nối của MPTCP và TCP Chi tiết hình 3.8.a ta có thể thấy được với việc sử dụng giao diện mạng hoạt động thì có luồng subflow được thiết lập Các subflow này thực thiết lập kết nối thông qua ba bước bắt tay tương tự một phiên TCP truyền thống Ví dụ với subflow đầu tiên, tương ứng với kết nối giữa Client IP 10.0.1.10 và Server IP 10.0.9.20 ta có thể thấy được các tin bắt tay Đầu tiên MPTCP Client gửi tin SYN – Multipath capable với các tùy chọn theo sau đến Server để thực yêu cầu bắt tay, thiết lập kết nối MPTCP Khi này Server nhận được tin, thực các bước kiểm tra hỗ trợ MPTCP, có và đáp ứng đủ các điểu kiện bắt tay Server thực phản hồi lại tin SYN+ACK để thông báo cho Client biết Server có hỗ trợ MPTCP và đồng ý thiết lập kết nối Sau nhận được thông báo từ phía Server thì Client phản hồi lại tin ACK để xác nhận lại với Server là thực bắt tay thành công và có thể thực phiên truyền thông đó download by : skknchat@gmail.com 52 Với subflow thứ hai, tương ứng với Client IP 10.0.2.11 và Server IP 10.0.9.20 Khi này MPTCP Client gửi tin SYN – Join connection các tùy chọn theo sau để yêu cầu tham gia vào phiên truyền thông có sẵn và tạo một subflow Server nhận được tin, tự thực kiểm tra xem có đủ tài nguyên để đáp ứng yêu cầu từ Client hay không Nếu có thể đáp ứng yêu cầu thì Server phản hồi lại tin SYN+ACK để thông báo cho Client biết có thể tạo subflow Sau Client nhận được thông báo xác nhận từ phía Server thì nó phản hồi lại phía Server tin ACK để xác nhận quá trình bắt tay hoàn tất và tạo subflow thành công Tương tự với subflow 3, các bước thực bắt tay và yêu cầu thiết lập kết nối được thực với subflow Bên cạnh các tin bắt tay, ta có thể thấy theo sau đó là tin TCP window update, là tin cập nhật thông tin của luồng TCP Với kịch sử dụng TCP hình 3.9.b ta có thể thấy được TCP truyền thống dùng một luồng kết nối để thực phiên truyền thông Trong đó có các bước bắt tay thiết lập kết nối Chi tiết các tin bắt tay và thiết lập kết nối được trình bày ở phần sau a MPTCP download by : skknchat@gmail.com 53 b TCP Hình Bản tin thiết lập kết nối – 3subflow – với 3IP: 10.0.1.10, 10.0.2.11, 10.0.3.33 Chi tiết các mô tả ở thì sau là hình chi tiết các tin MPTCP Với hình 3.10.a và 3.10.b ta có thể thấy điểm khác biệt chủ yếu giữa hai tin MPTCP-SYN và TCP-SYN là MPTCP-SYN có thêm tùy chọn Multipath capable Còn hình 3.10.c là tin MPTCP-SYN-Join connection, tin đặc trưng để tạo subflow có MPTCP Dẫn đến kích thước tin MPTCP lớn so với TCP không đáng kể a MPTCP SYN-Multipath capable download by : skknchat@gmail.com 54 b TCP SYN c MPTCP SYN-Join connection Hình 10 Chi tiết các tin thiết lập kết nối Tiếp theo là kết thể sử dụng giao thức MPTCP thì cần nhiều thời gian để thiết lập các subflow là giao thức TCP thiết lập một kết nối Cụ thể download by : skknchat@gmail.com 55 hình 3.11 cho thấy thời gian từ lúc khởi đầu đến lúc có gói tin chứa dữ liệu được truyền của MPTCP nhiều so với TCP Bên cạnh đó hình 3.12 chứng minh subflow hay nói cách khác giao diện mạng Client đêu thực truyền tải dữ liệu Thay vì một giao diện mặc định kịch sử dụng giao thức TCP Hình 11 Khác biệt thiết lập kết nối MPTCP và TCP Hình 12 Qúa trình truyền liệu sử dụng subflow – với 3IP: 10.0.1.10, 10.0.2.11, 10.0.3.33 Sau các bước thực phân tích khác biệt của hai giao thức ở trên, ta hướng tới các kết của thử nghiệm để đánh giá hiệu của hai giao thức Trước download by : skknchat@gmail.com 56 hết là kết băng thông thời gian thực truyền file Hình 3.13 là kết Client thực thử nghiệm tải file dung lượng 94MB có sẵn từ Server Như kết biễu diễn hình ta có thể thấy rằng, với giao thức TCP sử dụng một đường truyền với tốc độ lúc đường truyền ổn định khoảng 1.2MB cần thời gian gần 90s để có thể thực truyền hết file Còn với giao thức MPTCP subflow – giao diện mạng ổn định có tốc độ khoảng 1.2MB Cho nên subflow hoạt động thì tổng tốc độ truyền tải đó khoảng 3.5MB Bước đầu cho thấy hiệu băng thông của MPTCP so với TCP là vượt trội, cụ thể là với tham số và một số điều kiện khác được coi là lý tưởng thì sử dụng N đường thì băng thông tăng lên N lần Cũng hình 3.13, ta có thể thấy được, sử dụng giao thức MPTCP thì tốc độ truyền tải tăng lần gấp lần đồng nghĩ với việc thời gian truyền tải file được rút ngắn lại Bằng trực quan ta có thể thấy được thời gian truyền file nêu thì sử dụng MPTCP thời gian để truyền hết file khoảng 36s Câu hỏi đặt ở tiếp là tốc độ gần gấp lần mà thời gian lại không rút ngắn ~ lần Để trả lời cho câu hỏi này, ở hình 12 ta có thể nhìn thấy phần đầu của hình sử dụng giao thức MPTCP Độ dốc hay độ tăng băng thông của các subflow chậm so với TCP, dẫn đến việc cần thêm thời gian Trường hợp ở là file dung lượng bé, mà dung lượng file lơn nhiều lần thì giá trị có thể tiến dần đến tỉ lệ với số đường (Số bytes subflow) Thông tin chi tiết có thể được thấy ở hình 3.13 1500 1000 500 0 10 20 30 40time s50 60 70 80 Hình 13 Băng thông –thời gian truyền hết 1file 90 download by : skknchat@gmail.com 57 Thêm hình thì có thể vẽ riêng ra: Băng thông up, down, thời gian truyền file (size tăng dần), độ tăng bw của subflow so với TCP Không dừng lại ở kết trên, sau trình bày một số kết goodput của kịch sử dụng hai giao thức a Đồ thị goodput MPTCP - subflow b Đồ thị goodput MPTCP-subflow c Đồ thị goodput MPTCP-subflow download by : skknchat@gmail.com 58 d Đồ thị goodput TCP Hình 14 Kết lưu lượng giao thức Theo các kết ở hình 3.14 ta có thể dễ dàng thấy được Độ dốc tốc độ tăng lên của các MPTCP-subflow chậm nhiều so với TCP Điều này có thể được giải thích bởi MPTCP cần một khoảng thời gian để tính toán tính ổn định nhiều subflow thay vì một luồn dữ liệu TCP a MPTCP round trip time download by : skknchat@gmail.com 59 Hình 15 Round trip time MPTCP và TCP Về trực quan có thể thấy được round trip time của các MPTCP-subflow và TCP có vẻ tương đồng, dao động ở ngưỡng 2ms a MPTCP b TCP Hình 16 Delay download by : skknchat@gmail.com 60 Về giá trị delay, hình 3.16 ta có thể thấy được thông thường các gói có độ trễ cỡ 0.0025-0.003s Bước đầu của MPTCP cho giá trị delay cao hơn, có thể vì lý phải tính xem xét, tính toán chất lượng đường truyền 3.3 Kết luận Chương III Trong chương này xây dựng thử nghiệm hệ thống ứng dụng giao thức MPTCP và đánh giá hiệu của giao thức MPTCP so với giao thức TCP truyền thống Dựa các kịch bản, học viên thực thành công thử nghiệm và đưa các kết phân tích tương ứng Các kết cho thấy giao thức MPTCP hoạt động, có chất lượng tốt và có hiệu vượt trội hẳn giao thức TCP truyền thống MPTCP có thể là bước đầy hứa hẹn tương lai gần download by : skknchat@gmail.com 61 KẾT LUẬN Công nghệ Internet thay đổi nhanh chóng để đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe và đa dạng các loại hình lưu lượng và dịch vụ TCP thông thường cung cấp hai chức chính đó là truyền số liệu tin cậy và điều khiển tắc nghẽn truyền một tuyến cho một kết nối TCP Điều này dẫn đến những hạn chế khả điều khiển tắc nghẽn hay có thể gọi là khả cân tải Để khắc phục các vấn đề và thách thức của giao thức TCP và nhằm đáp ứng tốt các yêu cầu của các loại hình dịch vụ mới, giao thức TCP đa đường đời nhằm cải thiện thông lượng và tăng khả điều khiển tắc nghẽn so với TCP thông thường chế cho phép một cặp đầu cuối sử dụng nhiều tuyến đường để truyền các gói tin một kết nối Giao thức này được chuẩn hoá bởi IETF và bắt đầu được triển khai ứng dụng nhiều hệ thống mạng thực tế Luận văn tập trung nghiên cứu giao thức TCP đa đường và thử nghiệm, đánh giá hiệu của hệ thống truyền tải ứng dụng giao thức TCP đa đường Nội dung luận văn bao gồm hai phần chính: Phần đầu của luận văn này giới thiệu tổng quan MPTCP, nguyên lý và các hoạt động chính của MPTCP; Phần thứ hai của luận văntập trung triển khai thử nghiệm đánh giá hiệu giao thức MPTCP nhằm đánh giá hiệu hệ thống và làm rõ một sốyếu tố ảnh hưởng chính Các kết đạt được của luận văn cho thấy giao thức MPTCP mang lại những ưu điểm tăng thông lượng của người sử đụng đầu cuối, khả thích ứng tốt mạng bị lỗi, độ tin cậy cao…Với những ưu điểm vậy, giao thức MPTCP được hứa hẹn là được phát triển và sử dụng rộng rãi Tuy nhiên để có thể thực đưa giao thức MPTCP vào ứng dụng hạ tầng mạng, cần phải khắc phục được những nhược điểm đó quan trọng là vấn đề an ninh và bảo mật mạng MPTCP Một vấn đề nữa là phải có một chuẩn bị và thử nghiệm kỹ càng cho việc chuyển đổi từ TCP sang MPTCP để hạ tầng mạng không gặp phải vấn đề tương thích Có nghĩa là phải có một khoảng thời gian quá độ trước giao thức MPTCP được sử dụng rộng rãi Giao thức này có tiềm cung cấp thông lượng được cải thiện và khả phục hồi vượt trội so với các giao thức lớp truyền tải download by : skknchat@gmail.com 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Raiciu, Costin; Iyengar, Janardhan; Bonaventure, Olivier Haddadi, Hamed; Bonaventure, Olivier (eds.) Recent Advances in Reliable Transport Protocols ACM SIGCOMM, (2013) [2] Kristian B Ingebretsen and Daniel Selvik,“MultiPath TCP-communication(in NorNet Core)”, (2016) [3] RFC 8684, “TCP Extensions for Multipath Operation with Multiple Addresses” [4] RFC 6824, “TCP Extensions for Multipath Operation with Multiple Addresses” [5] RFC 6182, “Architectural Guidelines for Multipath TCP Development” [6] RFC 6356, “MPTCP Congestion Control” [7] Michael Scharf, Alan Ford “MPTCP Application Interface Considerations”, (2012) [8] Mark Handley, Costin Raiciu, Alan Ford, “Multipath TCP in Practice”, (2010) download by : skknchat@gmail.com ... luận văn này là kết tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, quá trình nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá hiệu giao thức TCP đa đường (MPTCP)? ?? Các số liệu và kết nêu luận văn là... triển của các giao thức truyền tải Internet 20 1.5 Kết luận Chương I 20 CHƯƠNG II .GIAO THỨC TCP ĐA ĐƯỜNG (MPTCP) 21 2.1 Tổng quan giao thức TCP đa đường (MPTCP) 21 2.1.1... hiệu của giao thức truyền tải mạng Internet Nhằm mục tiêu nghiên cứu, nắm bắt các kỹ thuật và công nghệ truyền tải Internet, đề tài luận văn ? ?Nghiên cứu đánh giá hiệu giao thức TCP đa đường