Đánh giá hiệu năng trong mạng có kết nối không liên tục DTN

Bài báo cáo Đánh giá hiệu năng trong mạng có kết nối không liên tục DTN đã trình bày kiến thức cơ bản về mạng DTN với trọng tâm là các kết quả nghiên cứu về việc đánh giá giá hiệu năng của mạng thông qua một số độ đo hiệu năng là thời gian trễ trung bình của các gói dữ liệu và tỉ lệ mất gói tin.

KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TRONG MẠNG CÓ KẾT NỐI KHÔNG LIÊN TỤC DTN Lê Thị Tuyền, Lớp K60B, Khoa Công nghệ Thông tin GVHD: TS Phạm Tuấn Minh Tóm tắt: Đánh giá hiệu vấn đề quan trọng cần thực việc thiết kế, xây dựng hay cải tiến hệ thống mạng Chúng tơi nghiên cứu tìm hiểu vấn đề đánh giá hiệu mạng có kết nối khơng liên tục Disruption-Tolerant Network (DTN), mơ hình mạng truyền thơng ứng dụng môi trường mà nút mạng thường xuyên kết nối ứng dụng để giảm tải lưu lượng mạng Chúng tiến hành mô mạng DTN phạm vi khu vực thành phố Hà Nội Kết đánh giá sử dụng phương pháp mô cho thấy mối liên hệ tham số mạng với hiệu việc truyền tin Cụ thể hơn, chúng tơi tiến hành phân tích mối liên hệ số nút mạng kích thước nhớ đệm nút mạng với hai tham số hiệu độ trễ (end-toend delay) tỉ lệ gói tin (packet loss) Kết phân tích cho thấy việc nâng cao nhớ đệm có tác động lớn tới việc cải tiến hiệu truyền tin thay đổi số nút mạng Điều có ý nghĩa đặc biệt việc xác định cách tiếp cận hiệu để cải tiến hiệu mạng DTN đạt tới yêu cầu phù hợp ứng dụng Từ khóa: Disruption-Tolerant Networking, mobile opportunistic network, network performance evaluation of networks, network simulation I MỞ ĐẦU Giới thiệu Mạng có kết nối khơng liên tục DTN kiến trúc mạng đƣợc thiết kế để cung cấp thông tin liên lạc môi trƣờng không ổn định, nơi mà mạng thƣờng xuyên kết nối chịu độ trễ cao Đó tập hợp nút di động đƣợc kết nối với liên kết không dây nút tự di chuyển nên kiến trúc mạng thay đổi liên tục mà khơng dự đốn trƣớc đƣợc Mạng DTN có số đặc điểm sau: - Các nút mạng không đồng nhất: Các nút mạng DTN chủ yếu thiết bị động nhƣ điện thoại, laptop, ipad Các nút có khác khả CPU, nhớ, dung lƣợng pin, băng thông khả truyền dẫn - Thiết bị tự trị đầu cuối: Trong DTN, thiết bị di động đầu cuối nút tự trị Mỗi nút đóng vai trị nhƣ host, router gateway - Có kết nối khơng liên tục: Vùng phủ sóng nút hạn chế, nút mạng lại di động liên tục nên vào khoảng truyền dẫn nút Do kết nối nút thay đổi theo thời gian - Truyền gói tin đa chặng: Do khoảng truyền dẫn node bị giới hạn nên chúng trao đổi thông tin phƣơng pháp truyền gói tin qua nhiều bƣớc Các gói tin đƣợc truyền qua số nút trung gian trƣớc đến đƣợc nút đích 155 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 - Độ trễ cao: Các node mạng không đồng nên tốc độ truyền liệu khác Hơn kết nối node không liên tục nên mạng chịu độ trễ cao tỉ lệ xảy lỗi lớn Giữa nút xảy kết nối khoảng thời gian dài - Sử dụng phƣơng pháp lƣu trữ chuyển tiếp: Do kết nối nút không liên tục nên việc truyền liệu gặp nhiều khó khăn DTN khắc phục vấn đề cách sử dụng phƣơng pháp lƣu trữ chuyển tiếp (Store and Forward) Với phƣơng pháp này, nút mạng có vùng nhớ đệm để lƣu trữ tin nhắn mạng Các gói tin đến đƣợc xếp theo kiểu hàng đợi gói tin chờ hàng đợi đƣợc chuyển tới nút bị xóa bỏ đủ điều kiện, ví dụ nhƣ hết thời gian chờ Những đặc điểm ảnh hƣởng nhiều tới hiệu hoạt động mạng DTN Vì cần đánh giá đƣợc hiệu mạng để từ đƣa biện pháp khắc phục, cải thiện hiệu mạng DTN Hiệu mạng hiệu lực hoạt động hệ thống mạng Việc đánh giá hiệu mạng có vai trị quan trọng, dự đoán đƣợc hiệu hệ thống mạng đƣợc thiết kế đƣa vào sử dụng từ thấy đƣợc khả đáp ứng yêu cầu hệ thống mạng có điều chỉnh phù hợp Từ việc đánh giá đƣợc hiệu mạng, ta đƣa biện pháp để cải thiện tối ƣu hiệu mạng Với mạng nhiều thách thức nhƣ DTN việc đánh giá hiệu cần thiết Các điều kiện đƣợc sử dụng đánh giá hiệu mạng quan trọng, chúng ảnh hƣởng trực tiếp tới kết thu đƣợc Trong điều kiện ảnh hƣởng tới q trình đánh giá hiệu kịch mơ tả yếu tố then chốt định giá trị hiệu điểm cần đo Trong kịch cần xác định tham số đầu vào rõ ràng nhƣ nút tham gia hệ thống, thiết bị kết nối, tác nhân tham gia, giao thức hoạt động, ứng dụng triển khai, thời gian thực hiện, nhiều yếu tố tạo kịch hoàn thiện Vấn đề đánh giá hiệu mạng cần thiết phải có tham số đặc trƣng để cụ thể hóa việc đánh giá Ví dụ số tham số thƣờng đƣợc đánh giá nhƣ: Tính sẵn sàng (availablility), thơng lƣợng mạng (network throughput), độ trễ (end-to-end delay), tỉ lệ gói tin (packet loss) Tính sẵn sàng để đánh giá trạng mạng có khả phục vụ, đáp ứng yêu cầu hay không Tham số cho phép luồng thơng tin có đƣợc chuyển tiếp qua hệ thống mạng hay bị tắc nghẽn cần phải xử lí, dịch vụ mạng đƣợc cung cấp có sẵn sàng cho việc trả lời yêu cầu đƣa Thông lƣợng mạng đƣợc định nghĩa số lƣợng liệu không bị lỗi đƣợc chuyển tiếp qua nút cần đo đơn vị thời gian Độ trễ thời gian gói tin truyền qua mạng từ nút nguồn tới nút đích Tỉ lệ gói tin độ đo tỉ lệ số lƣợng gói tin gửi số gói tin tới đích Tùy thuộc vào mục đích mà ta lựa chọn tham số thích hợp để thực việc đánh giá hiệu mạng Các phƣơng pháp đánh giá hiệu bao gồm ba loại phƣơng pháp: phƣơng pháp mơ hình hóa (modeling method), phƣơng pháp thực nghiệm (experimental method) phƣơng pháp mơ (simulation) Phƣơng pháp mơ có ƣu điểm thực đo đạc tham số hiệu hệ thống phức tạp mà phƣơng pháp mơ hình hóa khơng cho 156 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 kết phân tích, chi phí thấp linh hoạt phƣơng pháp thực nghiệm Chính vậy, lựa chọn phƣơng pháp mô để đánh giá hiệu mạng DTN Đánh giá hiệu mạng DTN dùng phƣơng pháp mô Mô q trình phát triển mơ hình hóa để mô đối tƣợng cần nghiên cứu Thay cho việc phải nghiên cứu đối tƣợng thực, cụ thể mà nhiều tốn Ngƣời ta mơ hình hóa đối tƣợng phịng thí nghiệm tiến hành nghiên cứu đối tƣợng dựa mơ hình Một chƣơng trình máy tính mô diễn biến điều kiện thời tiết, mạch điện tử, phản ứng hóa học, điện tử, hệ thống điều khiển tƣơng tác, chí trình sinh học phức tạp Về lí thuyết, vật, tƣợng đƣợc mơ tả liệu phƣơng trình tốn học đƣợc mơ máy tính Chúng sử dụng phần mềm The ONE (The Opportunistic Network Enviroment simulator) phiên 1.5.1 để mô mạng DTN The ONE phần mềm mô mạng theo phƣơng thức điều khiển kiện rời rạc hƣớng đối tƣợng Phần mềm The ONE phần mềm mã nguồn mở đƣợc viết ngôn ngữ Java Phần mềm đƣợc phát triển dự án SINDTN CATDTN đƣợc hỗ trợ trung tâm nghiên cứu Nokia (Phần Lan) số dự án khác The ONE đƣợc thiết kế cho việc mơ mạng có kết nối không liên tục với khả sau: - Tạo chuyển động nút sử dụng mô hình chuyển động khác - Định tuyến tin nhắn nút với thuật toán định tuyến DTN khác - Trực quan hóa di động chuyển tin nhắn thời gian thực giao diện đồ họa - ONE nhập liệu di động từ liệu thực tế - Cung cấp báo cáo từ di chuyển nút để tin qua thống kê chung Kết Chƣơng trình bày kết mơ phỏng, từ rút nhận xét hiệu hoạt động mạng DTN hai trƣờng hợp số lƣợng nút mạng thay đổi kích thƣớc vùng nhớ đệm nút thay đổi Chúng thực đánh giá hiệu mạng DTN thông qua độ đo hiệu sau: - Trễ đầu cuối trung bình gói liệu: độ trễ tồn phần đƣợc tính từ gói tin phát từ ứng dụng phát đến ứng dụng đích - Tỉ lệ gói tin: Là tỉ lệ số gói tin khơng đƣợc chuyển tới đích so với số gói tin đƣợc tạo nguồn phát 3.1 Trường hợp số lượng nút mạng thay đổi 157 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Hình Chạy mơ mạng DTN khu vực Hồ Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội Bảng Các tham số mô trường hợp số lượng nút thay đổi Tham số mô Số nút Phạm vi phủ sóng vơ tuyến (m) Giao thức định tuyến Tốc độ truyền liệu Thời gian mô (s) Kích thƣớc gói tin Tốc độ nút di chuyển (km/h) Số nguồn phát tin nhắn Mơ hình di chuyển Bộ nhớ đệm nút (MBytes) Giá trị 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200 10 Epidemic 250 kBps 7200 500kB – 1M 1,8 – 5,4 10 - 50 Shortest Paths Map-Based Movement Đối với trƣờng hợp này, xây dựng mô mạng gồm nút di động có số lƣợng khác 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180 200 Các nút đƣợc chia thành hai nhóm gồm nhóm ngƣời kí hiệu “p” nhóm ngƣời sử dụng phƣơng tiện giao thơng kí hiệu “c” Mỗi nút có vùng nhớ đệm có kích thƣớc 5Mbytes Các nút chuyển động theo mơ hình chuyển động Shortest Paths Map-Based Movement [1] Nhóm “p” chuyển động với vận tốc ngẫu nhiên khoảng từ 1.8km/h – 5.4km/h nhóm “c” 10 km/h – 50 km/h Ngoài ra, nút có giao diện vơ tuyến với phạm vi phủ sóng 10 m có tốc độ truyền liệu 250 kB/s 158 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Chúng chọn thời gian mô 7200s có nguồn phát tin nhắn khoảng từ 25 s – 35 s có tin nhắn đƣợc tạo Tin nhắn có kích thƣớc khoảng từ 500 kB – MB tin nhắn đƣợc định tuyến giao thức định tuyến Epidemic [1] Tổng kết cấu hình mạng mô tham số đƣợc cho Bảng Tỵ lệ gói tin (%) Biểu đồ thể tỷ lệ gói tin 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 56 72,603 73,305 70,786 70,87 68,801 68,844 64,014 20 64,505 65,836 62,76 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Số nút Hình Đánh giá tỉ lệ gói tin trường hợp số nút thay đổi Hình Đánh giá thời gian trễ trung bình trường hợp số lượng nút mạng thay đổi Từ hình cho ta thấy tỉ lệ gói tin tăng liên tục ta tăng từ 40 đến 200 nút di động mạng DTN Việc số nút mạng tăng lên làm số gói tin khơng chuyển 159 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 đƣợc tới đích tăng lên đồng nghĩa với việc số gói tin đƣợc phân phát thành cơng giảm Nhìn vào biểu đồ thấy rằng, với mạng DTN đƣợc cấu hình nhƣ số gói tin bị lớn Nếu coi tỉ lệ gói tin độ đo để đo hiệu mạng DTN việc tăng nút mạng khơng thể áp dụng để tăng hiệu mạng DTN Trái ngƣợc với tỉ lệ gói tin, tăng số lƣợng nút mạng độ trễ trung bình gói tin lại giảm Điều đƣợc đánh giá tốt mạng độ trễ trung bình gói liệu nhỏ chứng tỏ hiệu mạng tốt Với kết này, chúng tơi tăng số nút mạng di động mạng DTN để cải thiện hiệu mạng Tuy nhiên, theo kết mơ độ trễ trung bình mạng DTN lớn, muốn áp dụng mạng DTN vào thực tế cần có phƣơng pháp khác để cải thiện hiệu mạng Chúng thấy rằng, số nút di động mạng nhỏ, nút mạng có hội gặp để trao đổi tin nhắn gói tin đƣợc tạo cần nhiều thời gian chuyển đƣợc đến đích Khi số nút di động mạng tăng lên, nút gặp nút khác thời gian ngắn chuyển gói tin cho nút Nhƣ vậy, gói tin đƣợc tạo nhanh chóng đƣợc chuyển tới đích, độ trễ trung bình gói liệu đƣợc giảm xuống Nhƣng việc lại làm tăng số lƣợng gói tin bị Khi nút tăng, số lƣợng gói tin lan truyền mạng tăng theo Khi hai nút gặp chúng trao đổi gói tin cho Khi nút trao đổi nhiều gói tin với nút khác, với kích thƣớc nhớ đệm nhỏ (5M) nhớ đệm chúng nhanh chóng bị đầy Khi đó, khơng thể nhận thêm gói tin phải xóa tin nhắn cũ nhớ đệm chúng đƣợc lƣu trữ thời gian Nhƣ vậy, gói tin đƣợc tạo có hai trƣờng hợp: khơng có nút chấp nhận chuyển gói tin nhớ đệm chúng đầy, chúng bị hủy bỏ trƣớc đƣợc chuyển tới đích Chính vậy, số nút di động tăng tỉ lệ gói tin tăng 3.2 Trường hợp kích thước vùng nhớ đệm tăng 80 Biểu đồ tỷ lệ gói tin 68,801 Tỵ lệ gói tin (%) 70 53,843 60 45,786 50 41,613 40 37,231 30 20 10 10 15 20 25 Kích thƣớc nhớ đệm (Mbytes) Hình Đánh giá tỉ lệ gói tin trường hợp kích thước nhớ đệm thay đổi Trong trƣờng hợp này, chúng tơi xây dựng cấu hình mô giống bảng nhƣng với 100 nút di động di chuyển khu vực đƣợc xác định trƣớc liệu đồ Trong trƣờng hợp trên, kích thƣớc nhớ đệm nút Mbytes nên không gian để 160 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 lƣu trữ tin nhắn nhỏ Vì vậy, chúng tơi thay đổi kích thƣớc nhớ đệm nút với giá trị khác Mbytes, 10Mbytes, 15 Mbytes, 20 Mbytes 25Mbytes để đánh giá độ đo hiệu mạng DTN Khi tăng kích thƣớc nhớ đệm nút tỉ lệ số tin nhắn bị khơng chuyển đƣợc tới đích giảm đáng kể (hình 4) Khi nhớ đệm nút 25M tỉ lệ gói tin giảm cịn 37.231%, giảm khoảng nửa so với kích thƣớc nhớ đệm 5M Nếu coi tỉ lệ gói tin độ đo hiệu để đánh giá hiệu mạng mà không cần quan tâm đến tham số khác việc tăng kích thƣớc nhớ đệm nút phƣơng pháp đáng quan tâm Tuy nhiên, việc tăng kích thƣớc nhớ đệm kéo theo việc tăng chi phí thiết kế, chế tạo thiết bị Hình Đánh giá thời gian trễ trung bình trường hợp kích thước nhớ đệm thay đổi Việc tăng kích thƣớc nhớ đệm nút làm tỉ lệ gói tin giảm nhƣng lại làm thời gian trễ trung bình gói liệu tăng Tuy nhiên, thời gian trễ trung bình tăng lại thể hiệu suất hoạt động mạng Và nhìn vào giá trị biểu đồ ta thấy thời gian trễ trung bình gói liệu lớn Nhƣ chúng tơi trình bày, mạng DTN gói tin trƣớc đƣợc chuyển đến đích đƣợc chuyển tiếp qua nút trung gian Các gói tin đƣợc lƣu trữ nhớ đệm nút Nếu nhớ đệm nhỏ số lƣợng gói tin đƣợc lƣu trữ Do đó, nhớ đầy mà có gói tin đến nút khơng nhận thêm phải xóa bớt tin nhắn nhớ đệm để lƣu trữ tin nhắn Bộ nhớ đệm nhỏ thời gian lƣu trữ gói tin ngắn nên tin nhắn dễ bị xóa bỏ trƣớc đƣợc chuyển tới đích Vì vậy, chúng tơi tăng kích thƣớc nhớ đệm nút lên khả lƣu trữ nút tăng theo Do đó, tin nhắn đƣợc lƣu trữ lâu hội đƣợc chuyển đến đích lớn Chính mà tăng kích thƣớc nhớ đệm nút tỉ lệ gói tin giảm Tuy nhiên, việc kích thƣớc nhớ đệm nút tăng làm tăng độ trễ trung bình gói liệu Do nút lƣu trữ đƣợc lƣợng tin nhắn nhiều hơn, gói tin đƣợc lan truyền qua nút trung gian nhiều thời gian để gặp đƣợc nút đích 161 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Nhƣ vậy, tùy vào trƣờng hợp cụ thể mà nhà phân tích có chọn việc thay đổi kích thƣớc nhớ để cải thiện hiệu mạng DTN hay khơng Các nhà phân tích phải tính tốn cho chi phí cho việc thay đổi kích thƣớc phạm vi giới hạn mà kết mang lại thỏa mãn yêu cầu III KẾT LUẬN Bài báo cáo trình bày kiến thức mạng DTN với trọng tâm kết nghiên cứu việc đánh giá giá hiệu mạng thông qua số độ đo hiệu thời gian trễ trung bình gói liệu tỉ lệ gói tin Từ kết mơ thu đƣợc đƣợc trình bày phần 3, chúng tơi thấy cách tiếp cận hiệu để cải thiện tỉ lệ gói tin thay đổi kích thƣớc nhớ đệm nút di động Tuy nhiên, việc gây tốn việc thiết kế, chế tạo thiết bị di động mạng Và chúng tơi cải thiện thời gian trễ trung bình gói liệu cách tăng số lƣợng nút di động mạng DTN Từ kết phân tích trên, chúng tơi góp phần làm sáng tỏ ảnh hƣởng số nút kích thƣớc nhớ đệm tới hiệu mạng DTN Chúng tơi phát triển đánh giá tham số cấu hình khác nhƣ giao thức định tuyến mạng, mơ hình di chuyển nhƣ tham số hiệu khác để có cách tiếp cận tốt việc cải thiện hiệu hiệu mạng DTN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ari Keränen, Jörg Ott, Teemu Kärkkäinen, The ONE Simulator for DTN Protocol Evaluation, Helsinki University of Technology (TKK), Department of Communications and Networking [2] Forrest Warthman, Warthman Associates, Delay- and Disruption-Tolerant Networks (DTNs), based on technology developed by the Interplanetary Internet Special Interest Group (IPNSIG, http://www.ipnsig.org) [3] Raj Jain, Art of Computer Systems Performance Analysis Techniques For Experimental Design Measurements Simulation And Modeling, Wiley Computer Publishing, John Wiley & Sons, Inc [4] http://www.netlab.tkk.fi/tutkimus/dtn/theone/ 162 ... hiệu hoạt động mạng DTN Vì cần đánh giá đƣợc hiệu mạng để từ đƣa biện pháp khắc phục, cải thiện hiệu mạng DTN Hiệu mạng hiệu lực hoạt động hệ thống mạng Việc đánh giá hiệu mạng có vai trị quan... tối ƣu hiệu mạng Với mạng nhiều thách thức nhƣ DTN việc đánh giá hiệu cần thiết Các điều kiện đƣợc sử dụng đánh giá hiệu mạng quan trọng, chúng ảnh hƣởng trực tiếp tới kết thu đƣợc Trong điều... giảm Điều đƣợc đánh giá tốt mạng độ trễ trung bình gói liệu nhỏ chứng tỏ hiệu mạng tốt Với kết này, chúng tơi tăng số nút mạng di động mạng DTN để cải thiện hiệu mạng Tuy nhiên, theo kết mơ độ trễ