Cơ sở mạng thông tin docx

Khoa Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách khoa Hà nội Cơ sở mạng thông tin Giáo trình dành cho sinh viên đại học ngành Điện tử - Viễn thông 2 Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh - Việt Tiếng Việt Tiếng Anh Băng tần thông dải Band Pass Băng tần cơ sở Baseband Trạm gốc Base Station Kênh Channel Va đập Collision Cuộc nối Connection Mã hoá điều khiển lỗi Error Control Coding Mật độ phổ năng lượng Energy Spectral Density Khung Frame Đáp ứng tần số Frequency Response Giao thoa giữa các ký tự Intersymbol Interference Đa khung Multi-frame Đa truy nhập Multiple Access Bộ ghép kênh, bộ hợp kênh Multiplexer Hiệu ứng xa - gần Near – Far Effect Kết nối, liên kết Link Đầu thu, phần thu Sender Đầu thu, phần thu, đích Sink Mã hoá nguồn Source Coding Ghép kênh phân chia theo thời gian Time Division Multiplexing Bộ phát, khối phát Transmitter 3 Mục lục Các từ viết tắt_________________________________________________ Error! Bookmark not defined. Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh - Việt_____________________________________________________2 Mục lục ___________________________________________________________________________3 Mục lục hình vẽ_____________________________________________________________________5 Mục lục bảng biểu___________________________________________________________________6 Chương 1 Giới thiệu _________________________________________________________________1 1.1. Mục đích của việc mô hình hóa và đánh giá đặc tính hoạt động của hệ thống _______________________ 1 1.2. Các khái niệm cơ bản trong hệ thống thong tin________________________________________________ 1 1.3. Các bước và phương pháp đánh giá một mạng thông tin________________________________________ 1 1.3.1. Đo đạc, thu tập kế quả thống kê____________________________________________________________________ 1 1.3.2. Mô hình hóa toán học ___________________________________________________________________________ 1 1.3.3. Mô phỏng ____________________________________________________________________________________ 1 1.4. Các công cụ phục vụ cho việc đánh giá chất lượng hoạt động của mạng ___________________________ 1 Chương 2 Hàng đợi – Các hệ thống thời gian liên tục _______________________________________2 2.1. Giới thiệu lý thuyết hàng đợi_______________________________________________________________ 2 2.1.1. Hàng đợi và đặc điểm ___________________________________________________________________________ 2 2.1.2. Các tham số hiệu năng trung bình __________________________________________________________________ 5 2.2. Nhắc lại các khái niệm thống kê cơ bản _____________________________________________________ 10 2.2.1. Tiến trình điểm _______________________________________________________________________________ 10 2.2.2. Tiến trình Poisson _____________________________________________________________________________ 12 2.3. Định luật Little _________________________________________________________________________ 14 2.3.1. Công thức Little_______________________________________________________________________________ 14 2.3.2. Chứng minh công thức Little_____________________________________________________________________ 14 2.4. Các mô hình hàng đợi ___________________________________________________________________ 15 2.4.1. Ký hiệu Kendall ______________________________________________________________________________ 15 2.4.2. Quá trình Sinh-Tử (Birth-Death)__________________________________________________________________ 17 2.4.3. Hàng đợi M/M/1 ______________________________________________________________________________ 17 2.4.4. Hàng đợi M/M/1/K ____________________________________________________________________________ 19 2.4.5. Hàng đợi M/M/C______________________________________________________________________________ 20 2.5. Lý thuyết lưu lượng _____________________________________________________________________ 21 2.5.1. Khái niệm về lưu lượng và đơn vị Erlang ___________________________________________________________ 21 2.5.2. Hệ thống tổn thất (Loss System) và công thức Erlang B ________________________________________________ 23 2.5.3. Hệ thống trễ (Delay) và công thức Erlang C _________________________________________________________ 26 2.6. Hệ thống hàng đợi có ưu tiên______________________________________________________________ 28 2.6.1. Qui tắc và tổ chức hàng đợi______________________________________________________________________ 29 2.6.2. Độ ưu tiên của khách hàng trong hàng đợi ưu tiên_____________________________________________________ 31 2.6.3. Duy trì qui tắc hàng đợi, luật Kleinrock_____________________________________________________________ 32 2.6.4. Một số hàng đợi đơn server ______________________________________________________________________ 33 2.6.5. Kết luận_____________________________________________________________________________________ 33 2.7. Bài tập (Pending) _______________________________________________________________________ 34 Chương 3 Mạng hàng đợi____________________________________________________________35 3.1. Mạng nối tiếp __________________________________________________________________________ 35 4 Chương 4 Định tuyến trong mạng thông tin ______________________________________________36 4.1. Yêu cầu về định tuyến trong mạng thông tin_________________________________________________ 36 4.1.1. Vai trò của định tuyến trong mạng thông tin _________________________________________________________ 36 4.1.2. Các khái niệm trong lý thuyết graph _______________________________________________________________ 36 4.2. Các mô hình định tuyến quảng bá (broadcast routing) ________________________________________ 38 4.2.1. Lan tràn gói (flooding)__________________________________________________________________________ 38 4.2.2. Định tuyến bước ngẫu nhiên (random walk) _________________________________________________________ 39 4.2.3. Định tuyến khoai tây nóng (hot potato) _____________________________________________________________ 39 4.2.4. Định tuyến nguồn (source routing) và mô hình cây (spanning tree)________________________________________ 40 4.2.5. Duyệt cây ___________________________________________________________________________________ 40 4.3. Các mô hình định tuyến thông dụng________________________________________________________ 59 4.3.1. Định tuyến ngắn nhất (Shortest path Routing)________________________________________________________ 59 4.4. Bài tập (Pending) _______________________________________________________________________ 80 Chương 5 Điều khiển luồng và chống tắc nghẽn __________________________________________81 5.1. Tổng quan_____________________________________________________________________________ 81 5.1.1. Mở đầu _____________________________________________________________________________________ 81 5.1.2. Khái niệm điều khiển luồng______________________________________________________________________ 84 5.1.3. Khái niệm chống tắc nghẽn______________________________________________________________________ 85 5.1.4. Nhiệm vụ chủ yếu của điều khiển luồng và chống tắc nghẽn ____________________________________________ 85 5.1.5. Phân loại điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn________________________________________________________ 86 5.2. Tính công bằng_________________________________________________________________________ 86 5.2.1. Định nghĩa___________________________________________________________________________________ 86 5.2.2. Tính công bằng về mặt băng truyền________________________________________________________________ 87 5.2.3. Tính công bằng về mặt bộ đệm ___________________________________________________________________ 87 5.2.4. Cơ chế phát lại ARQ___________________________________________________________________________ 88 5.2.5. Stop-and-Wait ARQ ___________________________________________________________________________ 90 5.2.6. Go-back-N ARQ______________________________________________________________________________ 95 5.2.7. Selective repeat ARQ _________________________________________________________________________ 101 5.3. Điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn theo phương pháp cửa sổ_________________________________ 103 5.3.1. Điều khiển luồng theo cửa sổ (Window Flow Control)________________________________________________ 103 5.3.2. Điều khiển tắc nghẽn sử dụng cửa sổ thích ứng (adaptive window) ______________________________________ 109 5.4. Điều khiển luồng và chống tắc nghẽn dựa trên băng thông (rate-based flow control) _______________ 114 5.4.1. Khái niệm __________________________________________________________________________________ 114 5.4.2. Điều khiển băng thông theo thuật toán gáo rò (leaky bucket) ___________________________________________ 115 5.4.3. Thuật toán GPS (pending)______________________________________________________________________ 119 5.5. Bài tập (Pending) ______________________________________________________________________ 119 Chương 6 Kỹ thuật mô phỏng ________________________________________________________120 6.1. Giới thiệu_____________________________________________________________________________ 120 6.2. Mô phỏng dựa trên các sự kiện rời rạc và các công cụ ________________________________________ 120 6.2.1. Phương pháp mô phỏng dựa trên sự kiện rời rạc _____________________________________________________ 120 6.2.2. Các công cụ mô phỏng thông dụng dựa trên sự kiện rời rạc ____________________________________________ 123 6.3. Công cụ mô phỏng mạng NS2____________________________________________________________ 124 6.3.1. Cấu trúc____________________________________________________________________________________ 124 6.3.2. Các tiện ích trong NS hỗ trợ cho mô phỏng mạng [Pending]____________________________________________ 126 6.3.3. Thí dụ (Pending) _____________________________________________________________________________ 126 6.4. Kết luận (Pending) _____________________________________________________________________ 126 6.5. Bài tập (Pending) ______________________________________________________________________ 126 Tài liệu tham khảo_________________________________________________________________127 Phụ lục 1 ________________________________________________________________________128 5 Mục lục hình vẽ Hình 1-1 Đường truyền, kết nối và cuộc nối <Caption>Error! Bookmark not defined. Hình 1-2 Ghép kênh và đa truy nhập Error! Bookmark not defined. 6 Mục lục bảng biểu Bảng 1-1. Độ rộng băng tần của một số tín hiệu cơ bản <Caption>Error! Bookmark not defined. Chương 1 Giới thiệu 1.1. Mục đích của việc mô hình hóa và đánh giá đặc tính hoạt động của hệ thống 1.2. Các khái niệm cơ bản trong hệ thống thong tin 1.3. Các bước và phương pháp đánh giá một mạng thông tin 1.3.1. Đo đạc, thu tập kế quả thống kê 1.3.2. Mô hình hóa toán học 1.3.3. Mô phỏng 1.4. Các công cụ phục vụ cho việc đánh giá chất lượng hoạt động của mạng 2 Chương 2 Hàng đợi – Các hệ thống thời gian liên tục 2.1. Giới thiệu lý thuyết hàng đợi 2.1.1. Hàng đợi và đặc điểm Trong bất cứ một hệ thống nào thì khách hàng đi đến các điểm cung cấp dịch vụ và rời khỏi hệ thống khi dịch vụ đã được cung cấp. Ví dụ: Các hệ thống điện thoại: khi số lượng lớn khách hàng quay số để kết nối đến một trong những đường ra hữu hạn của tổng đài. Trong mạng máy tính: khi mà gói tin được chuyển từ nguồn tới đích và đi qua một số lượng các nút trung gian. Hệ thống hàng đợi xuất hiện tại mỗi nút ở quá trình lưu tạm thông tin tại bộ đệm. Hệ thống máy tính: khi các công việc tính toán và tuyến làm việc của hệ thống yêu cầu dịch vụ từ bộ xử lý trung tâm và từ các nguồn khác. Những tình huống này được diễn tả bằng hình vẽ sau: Hình 2-1 Mô hình chung của hệ thống hàng đợi  Người ta mô tả tiến trình đến và tiến trình phục vụ như thế nào?  Hệ thống có bao nhiêu server?  Có bao nhiêu vị trí đợi trong hàng đợi?  Có bất kỳ quy tắc nội bộ đặc biệt nào không (yêu cầu dịch vụ, mức độ ưu tiên, hệ thống còn rỗi không)? Đặc điểm của hệ thống hàng đợi Miêu tả của tiến trình đến (phân bố khoảng thời gian đến) Miêu tả của tiến trình phục vụ (phân bố thời gian phục vụ) Số lượng server Số lượng các vị trí đợi Các quy tắc hàng đợi đặc biệt: 3  Quy tắc phục vụ (FCFS, LCFS, RANDOM)  Thời gian rỗi (phân bố thời gian rỗi, khi mà thời gian rỗi bắt đầu )  Mức độ ưu tiên  Những luật khác Với một mạng cụ thể của hàng đợi gồm có các thông tin sau:  Sự kết hợp giữa các hàng đợi  Chiến lược định tuyến: Xác định (Deterministic) Dựa vào một lớp Thống kê  Xử lý nghẽn mạng (khi bộ đệm tại đích bị đầy) Số lượng khách hàng bị suy giảm Hàng đợi gốc bị nghẽn Tái định tuyến Chúng ta sẽ xem xét ví dụ về các mạng hàng đợi đơn giản khác S S S S M Hình 2-2: Ví dụ về mạng hàng đợi mở Hình 2-3 Ví dụ về mạng hàng đợi đóng 4 Phân tích hệ thống hàng đợi hoặc mạng hàng đợi bao gồm:  Phân tích giải tích  Quá trình mô phỏng  Cả hai phương pháp trên Kết quả giải tích đạt được:  Yêu cầu ít tính toán  Đưa ra kết quả chính xác (không xảy ra lỗi xác suất) Những kết quả thu được (các thông số dịch vụ) được chia thành hai nhóm lớn:  Dành cho người sử dụng  Dành cho các nhà cung cấp phục vụ Thông số quan trọng cho người sử dụng:  Trễ hàng đợi  Tổng trễ (bao gồm trễ hàng đợi và trễ phục vụ )  Số lượng khách hàng trong hàng đợi  Số lượng khách hàng trong hệ thống (gồm khách hàng chờ và khách hàng đang được phục vụ )  Xác suất nghẽn mạng (khi kích thước bộ đệm hữu hạn)  Xác suất chờ để phục vụ Thông số quan trọng cho các nhà cung cấp dịch vụ:  Khả năng sử dụng server  Khả năng sử dụng bộ đệm  Lợi ích thu được (thông số dịch vụ và các xem xét về kinh tế)  Lợi ích bị mất (thông số dịch vụ và các xem xét về kinh tế) Đáp ứng nhu cầu của người sử dụng  Chất lượng dịch vụ (QoS):  Tổn thất (PDF, mean)  Trễ (PDF, mean)  Jitter (PDF, mean) Đưa ra các thông số trên để thu được:  Hàm phân bố xác suất  Các giá trị trung bình  Đo được các thời điểm cực đại, cực tiểu Các hàm phân bố xác suất chứa đựng đầy đủ các thông tin liên quan đến các thông số quan tâm. Tuy nhiên, việc thiết lập được các hàm này là khó thực hiện. [...]... các bản tin đến tốc độ 240bản tin/ phút Độ dài bản tin có phân bố hàm mũ với chiều dài trung bình là 100 ký tự Tốc độ truyền bản tin đi khỏi hệ thống là 500 ký tự/giây Tính các tham số sau :  Thời gian trung bình của bản một tin trong hệ thống  Số bản tin trung bình trong hệ thống  Tính chiều dài hàng đợi và thời gian đợi trung bình Bài giải: Xét hệ thống M/M/1: Tốc độ đến   240  4 bản tin/ giây... cơ bản 2.2.1 Tiến trình điểm Các tiến trình đến là một tiến trình điểm ngẫu nhiên, với tiến trình này chúng ta có khả năng phân biệt hai sự kiện với nhau Các thông tin về sự đến riêng lẻ (như thời gian phục vụ, số khách hàng đến) không cần biết, do vậy thông tin chỉ có thể dùng để quyết định xem một sự đến có thuộc quá trình hay không Mô tả tiến trình Chúng ta xem xét qui luật của tiến trình điểm thông. .. thể là Erlang giây, nhưng thông thường đơn vị Erlang giờ thường sử dụng nhiều hơn) Lưu lượng mang không thể vượt quá số lượng của đường dây Một đường dây chỉ có thể mang nhiều nhất một Erlang Doanh thu của các nhà khai thác tỷ lệ với lưu lượng mang của mạng viễn thông  Đối với điện thoại cố định thường thì có Ac =0,010,04 Erl  Đối với cơ quan : 0,04 0,06 Erl  Tổng đài cơ quan: 0,6 Erl  Điện thoại... trữ gói thông tin khi mạng bị tắc nghẽn và rồi chuyển tiếp các gói đi theo thứ tự mà chúng đến khi mạng không còn bị tắc nữa FIFO trong một vài trường hợp là thuật toán mặc định vì tính đơn giản và không cần phải có sự thiết đặt cấu hình nhưng nó có một vài thiếu sót Thiếu sót quan trọng nhất là FIFO không đưa ra sự quyết định nào về tính ưu tiên của các gói cũng như là không có sự bảo vệ mạng nào... nhau được phân bố theo hàm mũ Tiến trình đến Poisson sử dụng trong lưu lượng viễn thông của mạng chuyển mạch gói và mạng máy tính Thêm vào đó tiến trình Poisson đã được sử dụng để mô tả các tiến trình nhiễu và để nghiên cứu hiện tượng các hố điện tử xuất hiện trong chất bán dẫn, và trong các ứng dụng khác … 12 Ba vấn đề cơ bản được sử dụng để định nghĩa tiến trình đến Poisson Xét một khoảng thời gian... đến   240  4 bản tin/ giây 60 Tốc độ phục vụ   500 5 100 Mật độ lưu lượng    4   0 8  5  Số bản tin trong hệ thống L=E(n)=  0 8   4 bản tin 1   1  0 8  Thờigian trung bình của bản tin trong hệ thống W= L 4   1 (s)  4  Chiều dài hàng đợi L q 2 0,8.0,8 Lq =   3,2 bản tin 1   1  0,8  Thời gian đợi trung bình W q Wq = L 2 3,2  q   0,8 (s)  (1   )  4 2.4.4 Hàng đợi... thời gian phục vụ của Server hàng đợi (hành động của Server) Trong nhiều mạng truyền thông thường gọi là phân bố chiều dài  Các qui tắc của hàng đợi  Chiều dài tối đa của hàng đợi (phụ thuộc vào kích thước của Buffer)  Phản ứng của khách hàng khi bị trễ, tắc nghẽn, … 28 2.6.1 Qui tắc và tổ chức hàng đợi Một cách để các phần tử mạng xử lý các dòng lưu lượng đến là sử dụng các thuật toán xếp hàng để... lượng lớn đột ngột có thể là tăng độ trễ của các lưu lượng của các ứng dụng thời gian thực vốn nhạy cảm về thời gian FIFO là thuật toán cần thiết cho việc điều khiển lưu lượng mạng trong giai đoạn ban đầu nhưng với những mạng thông minh hiện nay đòi hỏi phải có những thuật toán phức tạp hơn, đáp ứng được những yêu cầu khắt khe hơn Xếp hàng theo mức ưu tiên (PQ - Priority Queuing) Thuật toán PQ đảm bảo... không phải là một giá trị vô hạn, chính nguyên nhân này là nguồn gốc của các thông số khác liên quan đến hàng đợi và tổ chức hàng đợi Hàng đợi là một quan điểm toán học về tình huống trong thế giới thực, nó đưa ra các phân tích có khả năng đánh giá hiệu suất lưu lượng của khách hàng (như các cuộc gọi, các tế bào ATM, hay các mạng LAN) khi đi qua hàng đợi Có ít nhất 7 tham số thường sử dụng trong hệ thống... Poisson mô tả rất nhiều tiến trình trong đời sống thực tế, do nó có tính ngẫu nhiên nhất Đặc tính của tiến trình Poisson : Những đặc tính cơ bản của tiến trình Poisson là:  Tính dừng  Tính độc lập tại mọi thời điểm  Tính đều đặn Hai tính chất sau là tính chất cơ bản, từ đó tiến trình Poisson có cường độ phụ thuộc thời gian.Từ các tính chất trên người ta có thể đưa ra các tính chất khác đủ để biểu . Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách khoa Hà nội Cơ sở mạng thông tin Giáo trình dành cho sinh viên đại học ngành Điện tử - Viễn thông . 4 Chương 4 Định tuyến trong mạng thông tin ______________________________________________36 4.1. Yêu cầu về định tuyến trong mạng thông tin_ ________________________________________________