Phân tích vấn đề và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng trong mạng ad hoc đa chặng

Tạp chí Tin học Điều khiển học, T.27, S.3 (2011), 283–294 PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG TRONG MẠNG AD HOC ĐA CHẶNG * PHẠM THANH GIANG1 , PHẠM MINH VĨ2 , NGUYỄN VĂN TAM1 Viện Công nghệ Thông tin, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Trung tâm Thông tin Dự báo Kinh tế - Xã hội Quốc Gia, Bộ Kế hoạch Đầu tư Tóm tắt Giao thức IEEE 802.11 trở thành chuẩn thực tế (de facto ) việc điều khiển truy cập kênh truyền thông mạng không dây ad hoc Tuy giao thức IEEE 802.11 gặp nhiều vấn đề hiệu độ trễ, thông lượng đặc biệt vấn đề cân thông lượng luồng liệu mạng ad hoc đa chặng Bài báo trình bày số nguyên nhân ảnh hưởng đến hiệu mạng tương tranh gói tin luồng liệu tầng điều khiển truy nhập (MAC) tầng điều khiển liên kết logic (LLC) Và giới thiệu sơ lược số giải pháp nghiên cứu nhằm cải tiến hiệu mạng điểm mạnh, yếu của giải pháp Từ đề xuất phương pháp điều khiển gói tin hàng đợi để nâng cao hiệu mạng, đặc biệt đảm bảo cân thông lượng luồng liệu mạng ad hoc đa chặng Giải pháp đề xuất kiểm chứng thông qua phần mềm mô mạng NS-2 Abstract IEEE 802.11 protocol is the de facto standard for medium access control in wireless ad hoc network However, IEEE 802.11 protocol faces a lot of network performance problems in terms of delays, throughput and specially per-flow unfairness in multi-hop ad hoc networks In this paper, we present some reasons which affect network performance due to both the Medium Access Control (MAC) and Logical Link Control (LLC) layers contentions This paper also briefs some well-known solutions to improve network performance and points out the advantages of these solutions Therefore, we propose a new method to control packets in queue in order to improve network performance, especially, ensure per-flow fairness in multi-hop ad hoc network The proposed method will be evaluated by Network Simulator (NS-2) software GIỚI THIỆU Trong mạng ad hoc đa chặng, trạm tự giao tiếp với thông qua liên kết không dây mà không cần hạ tầng mạng cố định Mỗi trạm hoạt động thiết bị đầu cuối đồng thời có chức định tuyến để chuyển tiếp gói tin mạng Như trạm không truyền luồng liệu trực tiếp phát sinh từ trạm mà phải chuyển tiếp luồng liệu chuyển tiếp phát sinh từ trạm láng giềng Điều dẫn đến tương tranh luồng liệu trực tiếp luồng liệu chuyển tiếp đệm tầng điều khiển liên kết logic (LLC) Hiển nhiên luồng * Bài báo hỗ trợ kinh phí thực phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ mạng Đa phương tiện 284 PHẠM THANH GIANG, PHẠM MINH VĨ, NGUYỄN VĂN TAM liệu trực tiếp có nhiều lợi luồng liệu chuyển tiếp [1, 2] Hơn nữa, trạm mạng không dây đa chặng phải chia sẻ băng thông với trạm láng giềng Sự tương tranh băng thông tầng điều khiển truy nhập (MAC) ảnh hưởng đến cân thông lượng luồng liệu trạm gần thường có nhiều lợi trạm xa [3, 4] Bài báo đề xuất phương pháp lập lịch điều khiển gói tin đệm Trong sử dụng hàng đợi khác cho luồng liệu bao gồm luồng liệu trực tiếp luồng liệu chuyển tiếp Mỗi hàng đợi xử lý theo thuật toán lập lịch RR (Round Robin ) kèm theo thuật toán điều khiển Hai thuật toán điều khiển đề xuất để kiểm sốt gói tin vào khỏi hàng đợi Bằng việc kiểm soát gói tin vào, ta giảm tải luồng liệu lớn luồng liệu trực tiếp Với việc kiểm sốt gói tin ra, ta hạn chế việc sử dụng nhiều băng thông luồng liệu lớn dành băng thông cho việc nhận luồng liệu nhỏ Nhờ phương pháp đạt cân thơng lượng luồng liệu Ngồi phương pháp lập lịch có tác động tích cực tới thông số hiệu khác độ trễ giảm tài nguyên đệm Ở đây, ta sử dụng phần mềm mô mạng NS-2 [5] để đánh giá phương pháp lập lịch NHỮNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Vấn đề nâng cao hiệu mạng ad hoc nghiên cứu nhiều năm Giao thức MACA [6] phần mở rộng MACAW [7] quan tâm đến vấn đề nâng cao cân sử dụng băng thông trạm mạng, tác giả đề xuất phương pháp bắt tay bốn bước RTS/CTS/Data/ACK để giảm việc xung đột với trạm ẩn mạng Giao thức MACAW công nhận thành chuẩn truy nhập IEEE 802.11 [8] Tuy nhiên phương pháp bắt tay bốn bước không giải hết vấn đề cân sử dụng băng thông trạm [9, 10, 11] Li et al [10] vấn đề Extended Inter-Frame Spacing (EIFS) phương pháp bắt tay bốn bước Trong khung tin ACK gửi cuối để xác nhận việc trao đổi gói tin thành cơng, việc xung đột với khung tin ACK dẫn đến phải thực truyền lại tồn q trình bốn bước S R DIFS SIFS RTS SIFS DIFS DATA SIFS CTS ACK DIFS Back-off Back-off EIFS H EIFS NAV (CTS) Back-off Hình 2.1 Trạm ẩn H trễ với thời gian EIFS để tránh xung đột với khung tin ACK Do EIFS sử dụng với mục đích tránh trạm ẩn gây xung đột với khung ACK hình 2.1 Tuy nhiên việc sử dụng đoạn EIFS có độ dài cố định lại dẫn đến việc cân việc chia sẻ băng thông trạm Tác giả báo [10] đề xuất giải pháp sử dụng đoạn EIFS có chiều dài thay đổi dựa việc cảm nhận chiều dài khung tin Sensing Range (SR) Tuy nhiên việc cảm nhận chiều dài khung tin khơng xác có trạm ẩn tham gia truyền thông Các phương pháp nâng cao cân việc chia sẻ băng thông thay đổi PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG 285 tầng MAC đòi hỏi phải thay đổi hoàn toàn phần cứng triển khai thực tế, dẫn đến nâng cao giá thành triển khai Hơn việc nâng cao cân việc chia sẻ băng thông chưa đảm bảo việc cân thông lượng luồng liệu Một số nghiên cứu khác triển khai tầng LLC, nhằm nâng cao cân thông lượng luồng liệu Jangeun et al [1] rõ điểm yếu phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO đề xuất số phương pháp lập lịch nâng cao việc cân thông lượng mức độ định Shagdar et al [2] quan tâm đến tương tranh luồng liệu trực tiếp với luồng liệu chuyển tiếp đề xuất phương pháp lập lịch dựa theo thuật toán RR Tác giả thay đổi tầng MAC nhằm tăng hiệu sử dụng băng thông trạm mạng Tuy nhiên phương pháp lại dựa giả định không thực tế tầng MAC đảm bảo cân việc chia sẻ băng thông trạm mạng Trong phần tầng MAC không đảm bảo cân việc chia sẻ băng thông dẫn đến áp dụng phương pháp lập lịch theo thuật tốn RR khơng đạt cân thông lượng luồng liệu PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ HIỆU NĂNG TRONG MẠNG AD HOC ĐA CHẶNG Trong phần xem xét ảnh hưởng việc tương tranh tầng MAC việc tương tranh tầng LLC vấn đề cân thông lượng luồng liệu mạng ad hoc đa chặng Mơ hình mạng dùng để phân tích mơ hình ad hoc đa chặng bao gồm ba trạm hình 3.2 Giả sử điều kiện trạm S1 S2 gửi tin với tốc độ nhau, so sánh thông lượng nhận thành công trạm R hai luồng liệu gửi từ trạm S1 với S2 Trong hình 3.2, khoảng cách S1 S2 đặt nhỏ khoảng cách truyền thơng tối đa (transmission range ), S1 nhận thành cơng gói tin gửi từ S2 ngược lại Tương tự với khoảng cách S1 R Khoảng cách S2 R đặt lớn khoảng cách truyền thông tối đa Như gói tin gửi từ S2 tới R phải thơng qua trạm chuyển tiếp trung gian S1 Khoảng cách S2 R nhỏ khoảng cách cảm nhận tối đa (carrier sensing range ) thơng thường khoảng cách cảm nhận tối đa lớn lần so với khoảng cách truyền thông tối đa [12] Tuy nhiên khoảng cách thay đổi việc điều chỉnh mức lượng tín hiệu Như R khơng thể giải mã tín hiệu gửi trực tiếp từ S2, cảm nhận có trạm sử dụng băng thơng S2 gửi gói tin Trong mơ hình giả sử trạm S1 S2 gửi gói tin với tốc độ G tới R Gọi dung lượng băng thông B dung lượng băng thông chia sẻ cho trạm S1, S2 tương ứng B1 , B2 Trong trạng thái bão hòa tốc độ gửi gói tin S1 S2 vượt qua dung lượng băng thông, tổng thông lượng luồng liệu gửi từ S1 S2 tương ứng B1 , B2 Ta có B = B1 + B2 (3.1) 3.1 Tương tranh tầng MAC Tương tranh tầng MAC cạnh tranh trạm việc sử dụng kênh truyền thông không dây dùng chung Trong mơ hình mạng ad hoc đa chặng hình 3.2, 286 PHẠM THANH GIANG, PHẠM MINH VĨ, NGUYỄN VĂN TAM Carrier sensing range Transmission range G S2 G S1 R Flow Flow Hình 3.2 Mơ hình mạng ad hoc đa chặng trạm S1 có xu hướng dành băng thơng lớn trạm S2 trạm S1 giải mã tất gói tin mạng S2 khơng thể giải mã gói tin từ trạm R Vấn đề mô tả báo [10] EIFS S2 S1 R EIFS NAV (RTS) DIFS SIFS RTS SIFS CTS DIFS DATA SIFS ACK DIFS Back-off Back-off Back-off Hình 3.3 Sự cân chia sẻ băng thông IEEE 802.11 Trong giao thức IEEE 802.11 sử dụng phương pháp trao đổi liệu bắt tay bước RTS/CTS/DATA/ACK (Request To Send/Clear To Send/DATA/ACKnowledgment ) Xét bước cuối phương pháp trao đổi liệu hình 3.3 Trạm R gửi khung tin ACK để xác nhận việc nhận khung tin DATA Do trạm S1 nằm khoảng cách truyền thơng tối đa trạm R, nên nhận giải mã khung tin ACK Tuy nhiên, trạm S2 nằm ngồi khoảng cách truyền thơng tối đa khoảng cách cảm nhận tối đa trạm R, nên trạm S2 cảm nhận mà khơng giải mã khung tin ACK Do theo giao thức IEEE 802.11, trạm S2 phải chờ khoảng thời gian EIFS (Extended InterFrame Space ) Thời gian lớn thời gian chờ thơng thường trạm S1 DIFS (Distributed coordination function InterFrame Space ) Do trạm S2 phải chờ lâu nên hội cho trạm S2 truy nhập kênh truyền thông lần thấp so với trạm S1 Li et al [10] chứng minh mơ hình dung lượng băng thơng trạm S1 nhận gấp khoảng lần trạm S2 trạng thái bão hòa (B1 : B2 ≈ : 1) Điều dẫn đến cân việc chia sẻ băng thông trạm S1 S2 3.2 Tương tranh tầng LLC Tương tranh tầng LLC cạnh tranh luồng liệu khơng gian đệm Chúng ta phân tích tương tranh tầng LLC hai phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO (First In First Out ) RR (Round Robin ) Trong mơ hình mạng ad hoc đa chặng hình 3.2, cho tốc độ gửi tin G trạm S1, S2 thay đổi từ PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG 287 tới vượt băng thông B Gọi thông lượng đầu cuối đạt trạm S1, S2 tương ứng T h(f low 1), T h(f low 2) 3.2.1 Phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO Xét với tốc độ gửi tin G nhỏ, tổng yêu cầu gửi trạm nhỏ so với khả băng thơng, luồng liệu có đạt thơng lượng u cầu: if G < T h(f low 1) = T h(f low 2) = G, B (3.2) Xét với tốc độ gửi tin G trung bình, khả băng thơng không đủ đáp ứng yêu cầu tất trạm Do phần băng thông dành cho trạm S1 B1 lớn phần băng thông dành cho trạm S2 B2 , nên luồng liệu trực tiếp từ trạm S1 nhận thơng lượng u cầu, luồng liệu từ trạm S2 nhận phần băng thơng cịn lại: T h(f low 1) = G B−G T h(f low 2) = if B ≤ G < B1 − B2 (3.3) Xét với tốc độ gửi tin G lớn, phần băng thơng dành cho trạm S1 B1 không đủ đáp ứng yêu cầu luồng liệu trực tiếp từ trạm S1 luồng liệu chuyển tiếp từ trạm S2 Giả sử kích thước đệm vơ hạn, tỉ lệ sử dụng đệm trạm S1 luồng liệu trực tiếp chuyển tiếp là: Qf low : Qf low = G : B2 (3.4) Qf low 1, Qf low tương ứng kích thước đệm dành cho luồng liệu f low 1, f low trạm S1 Do thơng lượng đầu cuối đạt luồng liệu là: G G + B2 B2   T h(f low 2) = B1 G + B2    T h(f low 1) = B1 if G ≥ B1 − B2 (3.5) Phần mềm mô NS-2 sử dụng để kiểm chứng phân tích Hình 3.4 cho thấy kết thông lượng đầu cuối luồng liệu trạm S1 S2 phân tích phù hợp với kết mô Các tham số chương trình mơ mơ tả bảng Trong giá trị kích thước đệm đặt lớn đề coi vơ hạn Tốc độ kênh liệu chọn 2[Mbps] Do vấn đề phụ phí giao thức IEEE 802.11 [13] sử dụng phương pháp trao đổi liệu bắt tay bước, băng thông tương ứng đạt B , B1 B2 chương trình mơ xấp xỉ 1.074[Mbps], 0.939[Mbps] 0.135[Mbps] Kết cho thấy tốc độ gửi tin G trở nên lớn, thông lượng đầu cuối luồng liệu từ trạm S1 tăng tới giá trị B1 , thông lượng đầu cuối luồng liệu từ trạm S2 giảm tới Dẫn tới việc cân hoàn toàn mặt thông lượng luồng liệu mơ hình 288 PHẠM THANH GIANG, PHẠM MINH VĨ, NGUYỄN VĂN TAM Throughput [Mbps] 0.9 0.8 0.7 Flow (simulation) 0.6 Flow (analytical) 0.5 0.4 Flow (simulation) 0.3 Flow (analytical) 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Offered load G [Mbps] Hình 3.4 Thơng lượng đầu cuối phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO Bảng Các tham số chương trình mơ Tốc độ kênh liệu Khoảng cách trạm Khoảng cách truyền tối đa Khoảng cách cảm nhận tối đa Giao thức tầng liên kết liệu Loại kết nối Kích thước đệm Kích thước gói tin Thời gian mơ 3.2.2 2[Mbps] 200[m] 250[m] 550[m] IEEE 802.11 (RTS/CTS) UDP/CBR 100000[packet] 1[KB] 100[s] Phương pháp lập lịch theo thuật toán RR Trong phương pháp lập lịch theo thuật toán RR, với tốc độ gửi tin G nhỏ trung bình, thơng lượng đầu cuối luồng liệu có kết giống với phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO mô tả (3.2), (3.3) Khi tốc độ gửi tin G lớn, trạm S1 sử dụng hàng đợi riêng biệt cho luồng liệu trực tiếp luồng liệu chuyển tiếp, tốc độ gói tin tới hàng đợi luồng liệu chuyển tiếp bị hạn chế B2 Do luồng liệu trực tiếp sử dụng hết phần băng thơng cịn lại Thơng lượng đầu cuối luồng liệu là: T h(f low 1) = B1 − B2 T h(f low 2) = B2 if G ≥ B1 − B2 (3.6) Hình 3.5 cho thấy kết phân tích phù hợp với kết mô Như việc áp dụng phương pháp lập lịch theo thuật tốn RR giúp tăng thơng lượng luồng liệu chuyển tiếp so với phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO Nhưng áp dụng phương pháp lập lịch theo thuật tốn RR khơng đảm bảo việc cân thông lượng luồng liệu trực tiếp luồng liệu chuyển tiếp PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG 289 Throughput [Mbps] 0.9 0.8 0.7 Flow (simulation) 0.6 Flow (analytical) 0.5 Flow (simulation) 0.4 Flow (analytical) 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Offered load G [Mbps] Hình 3.5 Thơng lượng đầu cuối phương pháp lập lịch theo thuật tốn RR THUẬT TỐN LẬP LỊCH CĨ KIỂM SỐT VÀO RA Như trình bày phần trước, lý thuật tốn RR khơng đảm bảo thông lượng cho luồng liệu chuyển tiếp bị giới hạn băng thông tầng MAC Điều dẫn đến số gói tin tới trạm chuyển tiếp, hàng đợi dành cho luồng liệu chuyển tiếp thường xun khơng có gói tin Khi thuật tốn RR chuyển quyền truy nhập kênh truyền thông cho hàng đợi Như hàng đợi trực tiếp ln có gói tin, luồng liệu trực tiếp quyền truy nhập kênh truyền thông đạt thông lượng lớn nhiều so với luồng liệu chuyển tiếp Trong báo ta sử dụng hàng đợi riêng cho luồng liệu thuật tốn RR, thêm vào phương pháp lập lịch có kiểm sốt vào hàng đợi CIOS (Control Input Output Scheduling ) Luồng liệu quy định địa IP nguồn IP đích, gói tin vào địa để xác định thuộc luồng liệu tương ứng Hình 4.6 mơ tả phương pháp lập lịch CIOS Flow Flow Pinput (forwarding flows ) Flow (direct flow ) Algorithm controls input packets LLC layer Poutput MAC layer receiving bandwidth 2 1 Algorithm controls output packets sending bandwidth Hình 4.6 Thuật tốn lập lịch có kiểm sốt vào CIOS 290 4.1 PHẠM THANH GIANG, PHẠM MINH VĨ, NGUYỄN VĂN TAM Thuật tốn Kiểm sốt gói tin vào hàng đợi Trong mạng ad hoc đa chặng, trạm xa trạm có nhiệm vụ chuyển tiếp tham gia truyền thơng, luồng liệu trực tiếp thường chiếm toàn đệm luồng liệu chuyển tiếp khó tiếp cận đến trạm chuyển tiếp Thuật tốn có nhiệm vụ kiểm sốt gói tin vào hàng đợi, đảm bảo khơng có luồng liệu chiếm q nhiều tài nguyên đệm Căn theo chiều dài hàng đợi luồng liệu chiều dài trung bình hàng đợi, Thuật tốn định nhận hay loại bỏ gói tin vào hàng đợi Xác suất để gói tin vào hàng đợi luồng liệu thứ i tính theo cơng thức:   1, if qleni ≤ ave qleni − ave (4.7) Pi_input = , if qleni > ave  1−n (n − 1)ave n số lượng luồng liệu bao gồm luồng liệu trực tiếp chuyển tiếp; qleni chiều dài hàng đợi luồng liệu thứ i; ave chiều dài trung bình tất hàng đợi Cơng thức (4.7) cho thấy xác suất gói tin bị loại khỏi hàng đợi tăng lên chiều dài hàng đợi lớn so với chiều dài trung bình hàng đợi Số lượng trạm tham gia truyền thông làm tăng xác suất loại bỏ gói tin Như Thuật tốn làm giảm tốc độ đến gói tin lớn làm cho chiều dài hàng đợi luồng liệu trở nên cân 4.2 Thuật tốn 2: Kiểm sốt gói tin hàng đợi Sự cân việc chia sẻ băng thông cho việc gửi nhận trạm nguyên nhân khiến phương pháp lập lịch theo thuật tốn RR không đảm bảo việc cân thông lượng luồng liệu trình bày phần Thuật tốn có nhiệm vụ hạn chế việc gửi gói tin luồng liệu lớn, nhờ tăng phần băng thơng dùng để nhận liệu Sẽ có nhiều gói tin chuyển tiếp tới trạm thơng lượng luồng liệu chuyển tiếp tăng thêm Xác suất để gói tin khỏi hàng đợi luồng liệu thứ i tính theo cơng thức:  if qleni ≤ ave  1, qlen − ave (4.8) Pi_output = i , if qleni > ave  1−γ (n − 1)ave γ hệ số khỏi hàng đợi Như gói tin từ luồng liệu lớn bị trì hỗn xuất khỏi hàng đợi với xác suất từ tới γ Trong trường hợp xấu hàng đợi đầy hàng đợi khác rỗng, gói tin từ luồng liệu phải bị hoãn xuất khỏi hàng đợi với xác suất γ Trong trường hợp hàng đợi có kích thước nhỏ cân gói tin ln xuất khỏi hàng đợi Thuật toán làm tỉ lệ xuất gói tin luồng liệu lớn nhỏ trở nên cân hay thông lượng luồng liệu trở nên cân Hơn việc hỗn xuất gói tin khỏi hàng đợi làm giảm tải việc sử dụng băng thông, gián tiếp dẫn đến giảm việc tương tranh băng thơng tầng MAC Như Thuật tốn hạn chế việc tương tranh băng thông tầng MAC, đồng thời đảm bảo cân thơng lượng tầng LLC PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG 291 Bảng Các tham số chương trình mơ đánh giá hiệu Tốc độ kênh liệu Khoảng cách trạm Khoảng cách truyền tối đa Khoảng cách cảm nhận tối đa Giao thức tầng liên kết liệu Loại kết nối Kích thước đệm Kích thước gói tin Thời gian mơ 2[Mbps] 200[m] 250[m] 550[m] IEEE 802.11 (RTS/CTS) UDP/CBR 100[packet] 1[KB] 100[s] ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT Chúng ta đánh giá phương pháp lập lịch CIOS việc so sánh với phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO RR Phần mềm Network Simulator (NS-2) [5] sử dụng để xây dựng chương trình mơ đánh giá hiệu phương án đề xuất Các tham số chương trình mơ bảng Qua chương trình mơ phỏng, thơng số hiệu sau xem xét so sánh thuật tốn lập lịch: • Fairness index: Chỉ số cân (Fairness index) định nghĩa R Jain [14] sau: Fairness Index = ( n· n i=1 xi ) n i=1 xi (5.9) n số lượng luồng liệu, xi thông lượng luồng liệu thứ i Fairness index nằm khoảng từ 1/n đến Trong trường hợp tốt thông lượng tất luồng liệu nhau, Fairness index đạt giá trị Trong trường hợp xấu luồng liệu chiếm tồn băng thơng cịn luồng khác khơng thể gửi liệu, Fairness index đạt giá trị 1/n Thơng lượng sử dụng để tính Fairness index dựa thông lượng luồng liệu nhận trạm đích • Kích thước hàng đợi: Giá trị trung bình tổng chiều dài hàng đợi thời gian mơ • Thời gian trễ: Giá trị trung bình khoảng thời gian từ gói liệu tạo trạm nguồn gói tin nhận thành cơng trạm đích thời gian mơ • Tổng thơng lượng: Giá trị trung bình tổng thơng lượng tất luồng liệu, kể luồng liệu chuyển tiếp trạm trung gian thời gian mơ Ta xét mơ hình mạng ad hoc đa chặng trình bày hình 3.2 Trong mơ hình ta xem xét thông số hiệu cho trạm S1 S2 gửi tin với tốc độ G, với G tăng dần từ tới 2[Mbps] Trong mơ hình giá trị γ phương pháp 292 PHẠM THANH GIANG, PHẠM MINH VĨ, NGUYỄN VĂN TAM lập lịch CIOS đề xuất đặt 0.4 Hình 5.7, 5.8, 5.9 5.10 mô tả thông số hiệu theo thay đổi tốc độ gửi tin G 0.95 Fairness index 0.9 FIFO scheduling 0.85 RR scheduling 0.8 CIOS scheduling 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Offered load G [Mbps] Hình 5.7 Chỉ số cân mơ hình mạng ad hoc đa chặng Queue length [packet] 120 100 80 FIFO scheduling 60 RR scheduling 40 CIOS scheduling 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Offered load G [Mbps] Hình 5.8: Tổng kích thước hàng đợi trạm S1 mơ hình mạng ad hoc đa chặng 0.8 0.7 Delay time [s] 0.6 0.5 0.4 FIFO scheduling 0.3 RR scheduling CIOS scheduling 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Offered load G [Mbps] Hình 5.9: Thời gian trễ luồng liệu trực tiếp S1 mơ hình mạng ad hoc đa chặng Hình 5.7 cho thấy với tốc độ gửi tin lớn, phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO, luồng liệu trực tiếp chiếm toàn đệm dẫn tới số cân giảm xuống thấp Trong phương pháp lập lịch theo thuật tốn RR, có hàng đợi riêng dành cho luồng liệu chuyển tiếp hạn chế băng thông dành cho nhận liệu nên thông lượng luồng liệu chuyển tiếp nhỏ so với thông lượng luồng liệu trực tiếp, dẫn tới số cân thấp Trong phương pháp lập lịch CIOS đề xuất tăng băng thông dành cho nhận liệu, số cân nhận tốt so với hai phương pháp PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG 293 1.6 Throughput [Mbps] 1.4 1.2 FIFO scheduling 0.8 RR scheduling 0.6 CIOS scheduling 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Offered load G [Mbps] Hình 5.10 Tổng thơng lượng mơ hình mạng ad hoc đa chặng Tổng chiều dài hàng đợi trạm S1 biểu diễn hình 5.8 Khi tốc độ gửi tin vượt qua khả đáp ứng băng thông, hai phương pháp lập lịch theo thuật tốn FIFO RR, gói tin chiếm đầy kích thước hàng đợi Nhưng phương pháp lập lịch CIOS, gói tin kiểm sốt vào hàng đợi, nên đảm bảo kích thước hàng đợi nhỏ so với hai phương pháp Thời gian trễ luồng liệu trực tiếp trạm S1 biểu diễn hình 5.9 Do thời gian trễ tỉ lệ thuận với kích thước hàng đợi Chiều dài hàng đợi lớn có nghĩa thời gian chờ hàng đợi tăng lên Do thời gian trễ phương pháp lập lịch CIOS nhỏ so với hai phương pháp lập lịch FIFO RR Tổng thông lượng tất luồng liệu biểu diễn hình 5.10 Khi tốc độ gửi tin nhỏ, tổng thông lượng phương pháp Nhưng tốc độ gửi tin lớn, tổng thông lượng phương pháp lập lịch CIOS suy giảm so với hai phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO RR Nguyên nhân Thuật tốn kiểm sốt gói tin khỏi hàng đợi, hạn chế gửi tin từ luồng liệu lớn để tăng hội nhận gói tin từ luồng liệu chuyển tiếp Điều dẫn đến gói tin gửi sau vài khe thời gian so với hai phương pháp Tuy nhiên giá trị khe thời gian nhỏ, nên ảnh hưởng tổng thông lượng không đáng kể KẾT LUẬN Bài báo đề xuất phương pháp lập lịch nhằm mục đích nâng cao số cân mạng ad hoc đa chặng so sánh với số phương pháp truyền thống Phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO, có hàng đợi dùng chung nên giải vấn đề tương tranh tầng LLC Phương pháp lập lịch theo thuật toán RR sử dụng hàng đợi riêng cho luồng liệu, nhiên việc tương tranh tầng MAC nên phương pháp không giải vấn đề cân thông lượng luồng liệu Phương pháp lập lịch CIOS đề xuất hoạt động tầng LLC, với việc kiểm soát vào luồng liệu hàng đợi gián tiếp có tác động tích cực đến tương tranh tầng MAC Do việc kiểm soát gói tin vào hàng đợi làm cho chiều dài hàng đợi trở nên cân bằng, đồng thời với việc kiểm sốt gói tin khỏi hàng đợi dẫn đến hạn chế vấn đề tương tranh tầng MAC Kết phương pháp CIOS đề xuất có số cân tốt so với hai phương pháp truyền thống Ngoài vấn đề nâng cao hiệu 294 PHẠM THANH GIANG, PHẠM MINH VĨ, NGUYỄN VĂN TAM số cân bằng, phương pháp lập lịch CIOS đạt hiệu tài nguyên đệm thời gian trễ truyền thông Hiệu cân thông lượng luồng liệu hiệu tổng thông lượng luồng liệu hai tham số đối nghịch Tuy nhiên kết mô cho thấy, phương pháp đề xuất, “sự trả giá” tổng thông lượng không đáng kể so với thay đổi tích cực cân thơng lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Jangeun and ML Sichitiu, Fairness and qos in multihop wireless networks, IEEE Vehicular Technology Conference (2003) 2936–2940 [2] O Shagdar, K Nakagawa, and B Zhang Achieving per-flow fairness in wireless ad hoc networks, Elec Comm in Japan, Part 89 (8) (2006) 37–49 [3] S Xu and T Saadawi Does the ieee 802.11 mac protocol work well in multihop wireless ad hoc networks? Communications Magazine, IEEE 39 (6) (2001) 130–137 [4] J He and H K Pung One/zero fairness problem of MAC protocols in multi-hop ad hoc networks and its solution, Proceedings of the International Conference on Wireless Networks (2003) 479–485 [5] The Network Simulator: ns-2, http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [6] Phil Karn Maca: A new channel access method for packet radio, ARRL/CRRL Amateur Radio 9th computer Networking Conference, 1990 (134–140) [7] Vaduvur Bharghavan, Alan Demers, Scott Shenker, and Lixia Zhang, MACAW: a media access protocol for wireless lan’s, Proceedings of the conference on Communications Architectures, Protocols and Applications, 1994 (212–225) [8] IEEE Standards Department IEEE 802.11 wireless lan medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications ANSI/IEEE Standard 802.11, 1999 [9] Thyagarajan Nandagopal, Tae-Eun Kim, Xia Gao, and Vaduvur Bharghavan, Achieving mac layer fairness in wireless packet networks, Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile computing and networking, ACM, 2000 (87–98) [10] Zhifei Li, Sukumar Nandi, and Anil K Gupta, Ecs: An enhanced carrier sensing mechanism for wireless ad-hoc networks, Computer Communication 28 (17) (2005) 1970–1984 [11] Li Bin Jiang and Soung Chang Liew, Improving throughput and fairness by reducing exposed and hidden nodes in 802.11 networks, IEEE Transactions on Mobile Computing (1) (2008) 34–49 [12] Hrishikesh Gossain, Carlos de M Cordeiro, and Dharma P Agrawal, Energy efficient MAC protocol with spatial reusability for wireless ad hoc networks, International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, (1/2) (2005) 13–26 [13] Giuseppe Bianchi, Performance analysis of the ieee 802.11 distributed coordination function, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 18 (3) (2000) 535–547 [14] R.Jain, D-M Chiu, and W Hawe, “A quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in shared conputer systems”, Technical Report TR-301, DEC Research Report, 1984 Ngày nhận 14 - - 2011 Nhận lại sau sửa 24 - - 2011 ... số cân thấp Trong phương pháp lập lịch CIOS đề xuất tăng băng thông dành cho nhận liệu, số cân nhận tốt so với hai phương pháp PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG 293 1.6... phương pháp nâng cao cân việc chia sẻ băng thông thay đổi PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG 285 tầng MAC địi hỏi phải thay đổi hồn tồn phần cứng triển khai thực tế, dẫn đến nâng. .. TRONG MẠNG AD HOC ĐA CHẶNG Trong phần xem xét ảnh hưởng việc tương tranh tầng MAC việc tương tranh tầng LLC vấn đề cân thông lượng luồng liệu mạng ad hoc đa chặng Mơ hình mạng dùng để phân tích