đồ án: Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC

đồ án:án Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC Chương I: Giới thiệu tổng quan về mô hình TCP/IP và vấn đề điều khiển nghẽn trên mạngChương II: Tìm hiểu cơ chế hoạt động của giao thức TFRCChương III: Đưa ra một số ưu nhược điểm của TFRC và một số phương pháp cải tiến giao thức TFRC trong môi trường không dây.Chương IV: Chương trình mô phỏng bằng NS-2.Trong quá trình học tập tại Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông và thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã giúp đỡ em hoàn thành tốt chương trình học tập. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo, Ths.Nguyễn Thị Thu Hằng đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TCP/IP VÀ ĐIỀU KHIỂN NGHẼN 3 1.1 Giới thiệu chung về TCP/IP 3 1.1.1 Mô hình TCP/IP 3 1.1.2 Giao thức TCP 5 1.1.3 Giao thức UDP 13 1.2 Điều khiển luồng và tránh tắc nghẽn trong mạng 14 1.2.1 Điều khiển tránh nghẽn của TCP 15 1.2.2 Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC (TCP-Friendly Rate Control) 17 CHUƠNG II: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TRÁNH NGHẼN TFRC 20 2.1 Cơ chế của giao thức TFRC 20 2.1.1 Biểu thức thông lượng 20 2.1.2 Các loại gói tin 22 2.2 Giao thức tại máy gửi 23 2.2.1 Đo kích thước gói 24 2.2.2 Khởi tạo tại máy gửi 24 2.2.3 Hoạt động của máy phát khi nhận được một gói phản hồi 24 2.2.4 Kết thúc thời gian không phản hồi 25 2.2.5 Chống các dao động 26 2.2.6 Kế hoạch truyền gói 27 2.3 Tính tỉ lệ sự kiện mất gói 27 2.3.1 Phát hiện các gói bị mất hoặc bị đánh dấu 28 Lã Lệ Thủy – D04VT2 i Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.3.2 Quá trình dịch từ hồ sơ mất gói sang các sự kiện mất gói 28 2.3.3 Khoảng thời gian mất gói trung bình 30 2.3.4 Cơ chế history Discounting 31 2.4 Giao thức tại máy thu dữ liệu 34 2.4.1 Hoạt động tại máy thu khi nhận được một gói dữ liệu 34 2.4.2 Kết thúc thời gian phản hồi 35 2.4.3 Khởi tạo tại máy thu 35 2.5 Các vấn đề khác 36 2.5.1 Những thay đổi phía phát 36 2.5.2 Vấn đề bảo mật 36 CHƯƠNG III: MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ CÁC CẢI TIẾN CỦA TFRC 38 3.1 Một số đánh giá về giao thức TFRC 38 3.1.1 Cải thiện tính ổn định 38 3.1.2 Tăng tốc độ truyền 39 3.1.3 Giảm tốc độ truyền tương ứng với nghẽn kéo dài 40 3.2 Các tham số đánh giá giao thức và kết quả thực nghiệm 40 3.2.1 Các tham số đánh giá giao thức 40 3.2.2 Các kết quả thực nghiệm 41 3.3 Các cải tiến của TFRC đối với môi trường không dây 46 3.3.1 Những thách thức đối với TFRC trong môi trường không dây 46 3.3.2 TFRC-Jr 48 3.3.3 TFRC Veno 52 3.3.4 Một số phương pháp cải tiến khác của TFRC 56 CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 59 4.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng NS-2 59 4.2 Giao diện chương trình mô phỏng 61 4.3 Thiết lập topo hệ thống mạng 62 Lã Lệ Thủy – D04VT2 ii Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO viii Lã Lệ Thủy – D04VT2 iii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Mô hình phân lớp TCP/IP 3 Hình 1.2: Mô hình tham chiếu OSI 4 Hình 1.3 Định dạng của TCP datagram 10 Hình 1.4 Định dạng Option 11 Hình 1.5 Tùy chọn Maximum Segment Size 12 Hình 1.6 Tùy chọn Window Scale Factor 12 Hình 1.7 Tùy chọn SACK 13 Hình 1.8 Tùy chọn Timestamp 13 Hình 1.9 Định dạng của UDP datagram 14 Hình 2.1 Cơ chế của giao thức TFRC 20 Hình 2.2 Ví dụ về các sự kiện mất gói 29 Hình 3.1 Cấu hình mạng 41 Hình 3.2 Tốc độ gửi luồng TCP khi có các luồng TFRC 42 Hình 3.3 TCP hoạt động cùng TFRC với hàng đợi RED 43 Hình 3.4 Hệ số biến đổi của thông lượng giữa các luồng 43 Hình 3.5 Các luồng TFRC và TCP phân tích theo kết quả hình 3.2 44 Hình 3.6 40 luồng TCP (a) và TFRC (b) với quản lý hàng đợi Drop-Tail 45 Hình 3.7 Mô hình có dây-không dây đơn giản 46 Hình 3.8 Sự giảm hiệu suất của TCP và TFRC khi có lỗi liên kết vô tuyến trong môi trường ở hình 3.7 47 Hình 3.9 Thông lượng của các luồng TFRC qua các mạng có dây và không dây 47 Hình 3.10 Cấu hình mạng lai có dây-không dây với N luồng 50 Hình 3.11 So sánh TCP và TFRC-Jr trong mạng có dây-không dây với các tỉ lệ lỗi liên kết vô tuyến khác nhau (1 luồng) 50 Lã Lệ Thủy – D04VT2 iv Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Hình 3.12 Hiệu suất của nhiều luồng trong môi trường có dây-không dây với tỉ lệ lỗi là 0,005 51 Hình 3.13 TFRC và tỉ lệ goodput TFRC-Jr với các luồng TCP 52 Hình 3.14 Cấu hình mô phỏng 54 Hình 3.15 So sánh thông lượng của các luồng đơn với Wb = 5Mbps, Delayb=80ms, tỉ lệ lỗi ngẫu nhiên là 0,01 54 Hình 3.16 So sánh thông lượng khi có nhiều luồng với Wb=5Mbps, Delayb=80ms, tỉ lệ lỗi ngẫu nhiên là 0,01 55 Hình 3.17 Tính thân thiện của TFRC Veno với 56 Hình 4.2 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS 60 Hình 4.3 Giao diện chương trình mô phỏng: (a) cửa sổ lệnh, (b) cửa sổ Nam, (c) cửa sổ xgraph, (d) cửa sổ hiện thị Nam 61 Hình 4.4 Topo mạng thực hiện mô phỏng 62 Bảng 4.1 Tham số của các liên kết trong mạng 62 Bảng 4.2 Các loại gói tin 63 Bảng 4.3 Thời gian các sự kiện xảy ra trong quá trình mô phỏng 63 Hình 4.5 Thời gian các sự kiện xảy ra trong quá trình mô phỏng 64 Hình 4.6 Thông lượng của TCP tại nút 2 khi không có lưu lượng TFRC 64 Hình 4.7 Thông lượng TCP tại nút 2 khi có lưu lượng TFRC 65 Hình 4.8 Thông lượng của TFRC tại nút 2 khi không có lưu lượng TCP 65 Hình 4.9 Thông lượng của TFRC và TCP khi hoạt động cùng nhau 66 Bảng 4.4 Độ fairness giữa TCP và TFRC 67 Hình 4.10 Thông lượng của TFRC và TCP khi thay đổi băng thông cổ chai lên 1Mbps và thời gian mô phỏng là 41s 67 Lã Lệ Thủy – D04VT2 v Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACK acknowlegment Gói xác nhận AIMD Additive Increase Multiplicative Decrease Tăng theo cấp số cộng, giảm theo cấp số nhân ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ARPA Advance Research Projects Agency Trung tâm nghiên cứu cấp cao CBR Constant Bit Rate Tốc độ bít cố định CoV Coefficient of variation Hệ số biến đổi CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư chu trình CT Congestion threshold Ngưỡng nghẽn DCCP Datagram congestion control Protocol Giao thức điều khiển nghẽn datagram DF Discount Factor Hệ số khấu trừ ECN Explicit congestion notification Thông báo nghẽn cụ thể EWMA Exponential Weighted Moving Average Trung bình dịch chuyển có trọng số tăng theo hàm mũ FIFO Frist in frist out Vào trước ra trước FTP File transfer protocol Giao thức truyền file HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức tín hiệu điều khiển Internet IP Internet protocol Giao thức Internet LAN Local Area Network Mạng cục bộ MSS Maximum Segment Size Kích cỡ đoạn lớn nhất MTU Maximum Transfer Unit Đơn vị truyền tối đa NS Network simulation Phần mềm mô phỏng mạng OSI Open Systems Interconection Mô hình tham chiếu liên kết hệ Lã Lệ Thủy – D04VT2 vi Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt thống mở RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngược RED Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên RTP Realtime Protocol Giao thức thời gian thực RTT Round-trip Time SACK Selective acknowledgement Xác nhận có lựa chọn SCTP Stream Control Transmission Protocol Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng SNMP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền thư điện tử đơn giản TCP Tranmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn Telnet Terminal Network Mạng đầu cuối TFRC TCP-Friendly Rate Control Giao thức điều khiển tốc độ thân thiện TCP TFRC ctl TFRC control Gói điều khiển TFRC TFRC-Jr TFRC-Jitter TFRC dựa vào biến động trễ UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng Wc Window congestion Cửa sổ nghẽn Lã Lệ Thủy – D04VT2 vii Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển nhanh chóng của các mạng băng thông rộng và các máy tính hiệu suất cao, ngày càng nhiều ứng dụng đa phương tiện thời gian thực xuất hiện trên mạng Internet như điện thoại, hội nghị truyền hình, thoại theo yêu cầu (VoD),…Các ứng dụng thời gian thực này khác với các ứng dụng truyền thống trên Internet như web, FTP, TELNET ở chỗ chúng nhạy với trễ và jitter nhưng có thể chấp nhận một số gói mất. Hiện nay băng thông mạng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu của các dịch vụ kiểu này và vấn đề nghẽn mạng xảy ra thường xuyên. Điều khiển tốc độ để tránh nghẽn là một trong những vấn đề được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi. TCP không thích hợp với các luồng thời gian thực do có sự thay đổi lớn về tốc độ gửi vì vậy giao thức truyền tải phi kết nối UDP được sử dụng để truyền tải các ứng dụng thời gian thực này. Nhưng có một vài vấn đề mới nổi lên: UDP là cơ chế best effort không có điều khiển nghẽn, có thể phù hợp với yêu cầu của các luồng thời gian thực nhưng không bình đẳng với các luồng TCP. Nói cách khác, khi cùng yêu cầu băng thông với các luồng TCP, các luồng UDP có thể đạt được băng thông lớn hơn một cách không bình đẳng làm giảm hiệu suất của TCP cũng như làm cho vấn đề tắc nghẽn mạng thêm nghiêm trọng thậm chí dẫn đến sập mạng vì nghẽn. Để giải quyết vấn đề này, ban đầu S.Floyd đề xuất điều khiển nghẽn được thêm vào giao thức truyền tải cho các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực để làm cho chúng thân thiện hơn với các luồng TCP. Điều đó có nghĩa là khi nghẽn xuất hiện, luồng thời gian thực có thể giành băng thông với các luồng TCP một cách công bằng. Phương pháp này được gọi là điều khiển tốc độ thân thiện TCP (TFRC). Trong đồ án này, em sẽ nghiên cứu cơ chế cơ bản, các hoạt động, các đánh giá và các cải tiến của TFRC. Đồ án Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC bao gồm các nội dung chính như sau: Chương I: Giới thiệu tổng quan về mô hình TCP/IP và vấn đề điều khiển nghẽn trên mạng Chương II: Tìm hiểu cơ chế hoạt động của giao thức TFRC Chương III: Đưa ra một số ưu nhược điểm của TFRC và một số phương pháp cải tiến giao thức TFRC trong môi trường không dây. Chương IV: Chương trình mô phỏng bằng NS-2. Trong quá trình học tập tại Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông và thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã giúp đỡ em hoàn thành tốt Lã Lệ Thủy – D04VT2 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu chương trình học tập. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo, Ths.Nguyễn Thị Thu Hằng đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008 Sinh viên Lã Lệ Thủy Lã Lệ Thủy – D04VT2 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về TCP/IP và điều khiển nghẽn CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TCP/IP VÀ ĐIỀU KHIỂN NGHẼN Chương này bao gồm các nội dung chính sau: giới thiệu chung về mô hình TCP/IP và hai giao thức truyền tải TCP và UDP; các cơ chế điều khiển nghẽn trên mạng hiện nay: điều khiển nghẽn theo cơ chế AIMD – tăng theo cấp số cộng giảm theo cấp số nhân của TCP và điều khiển nghẽn dựa trên biểu thức – TFRC. 1.1 Giới thiệu chung về TCP/IP 1.1.1 Mô hình TCP/IP TCP/IP là một bộ giao thức được phát triển bởi cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ [6]. Ban đầu mô hình này được sử dụng trong mạng ARPANET. Khi công nghệ mạng cục bộ phát triển, TCP/IP được tích hợp vào môi trường điều hành UNIX và sử dụng chuẩn Ethernet để kết nối các trạm làm việc với nhau. Đến khi xuất hiện các máy PC, TCP/IP lại được chuyển sang môi trường PC, cho phép các máy PC chạy DOS và các trạm làm việc chạy UNIX có thể liên tác trên cùng một mạng. Phiên bản hiện hành của TCP/IP được tiêu chuẩn hóa vào tháng 9 năm 1981. Hiện nay TCP/IP được sử dụng rất phổ biến trong mạng máy tính mà điển hình là mạng Internet. Bộ giao thức TCP/IP là sự kết hợp của các giao thức khác nhau ở các lớp khác nhau và không chỉ có giao thức TCP/IP. Mô hình TCP/IP được chia thành 4 lớp: lớp ứng dụng, lớp truyền tải, lớp Internet và lớp truy cập mạng như trên hình 1.1 Hình 1.1 Mô hình phân lớp TCP/IP Lã Lệ Thủy – D04VT2 3 [...]... Chương II Giao thức TFRC CHUƠNG II: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TRÁNH NGHẼN TFRC Trong chương này sẽ trình bày chi tiết hơn về hoạt động của giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC với các nội dung sau: cơ chế của giao thức TFRC, biểu thức thông lượng (biểu thức điều khiển) , các loại gói tin, các hoạt động tại thiết bị phát dữ liệu và các hoạt động tại thiết bị thu 2.1 Cơ chế của giao thức TFRC TFRC... được đưa ra đó là cơ chế điều khiển tắc nghẽn dựa trên biểu thức Cơ chế này đảm bảo điều khiển nghẽn thông suốt cho các loại lưu lượng đó với những ưu điểm: độ mịn về tốc độ, đảm bảo tính bình đẳng, thân thiện với TCP 1.2.2 Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC (TCP-Friendly Rate Control) TFRC [1,2] là một cơ chế điều khiển tắc nghẽn dựa vào biểu thức Trong khi điều khiển nghẽn AIDM được thực hiện... chặn tắc nghẽn làm sập mạng Chúng ta cần phân biệt giữa điều khiển luồng và điều khiển tránh tắc nghẽn Điều khiển luồng là quy định quản lý tốc độ truyền dữ liệu giữa hai đầu kết nối (Node) của mạng, trong khi điều khiển tắc nghẽn là điều khiển luồng dữ liệu khi tắc nghẽn xảy ra 1.2.1 Điều khiển tránh nghẽn của TCP TCP là một giao thức đầu cuối tới đầu cuối hoạt động trên nền Internet không đồng nhất... phải điều chỉnh trạng thái của nó theo trạng thái hiện tại của mạng TCP được hỗ trợ khả năng điều khiển tắc nghẽn Điều khiển tắc nghẽn bảo đảm rằng TCP không gửi dữ liệu ở tốc độ lớn hơn tốc độ mà mạng có thể xử lý Tốc độ xấp xỉ của bên gửi là: Rate = Wc/RTT (bytes/s) Ở đó Wc là cửa sổ điều khiển chống nghẽn, Wc được thay đổi khi nhận thấy có nghẽn trên mạng Ba thành phần chính của giải thuật điều khiển. .. thuật toán điều khiển tắc nghẽn của TCP còn tồn tại nhiều điểm không phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực Mỗi khi xảy ra tắc nghẽn, TCP giảm tốc độ gửi đi một nửa làm cho tốc độ gửi của TCP không đồng đều đặc biệt trong môi trường tắc nghẽn nghiêm trọng dẫn đến hoạt động không hiệu quả Một thuật toán mới được đưa ra đó là điều khiển tắc nghẽn dựa trên biểu thức TFRC, ở đó tốc độ gửi là... tắc nghẽn, điều khiển tắc nghẽn dựa vào biểu thức là một biểu thức điều khiển mà đưa ra tốc độ gửi tối đa chấp nhận được như một hàm của tỉ lệ sự kiện mất gói trong khoảng thời gian lân cận Thiết bị phát đáp ứng tốc độ gửi của nó, được hướng dẫn bởi biểu thức điều khiển này, tương ứng với thông tin phản hồi từ máy thu Đối với lưu lượng mà cùng chạy trong Internet best-effort với TCP, biểu thức điều khiển. .. được chuyển vào biểu thức thông lượng của TFRC để đưa ra tốc độ truyền có thể chấp nhận được • Máy phát sau đó điều chỉnh tốc độ truyền phù hợp với tốc độ tính toán Hình 2.1 Cơ chế của giao thức TFRC 2.1.1 Biểu thức thông lượng Trên các mạng hiện nay, sự tồn tại của các luồng lưu lượng TCP là một tất yếu Vì vậy giao thức TFRC chỉ thực sự được sử dụng rộng rãi khi nó đảm bảo hoạt động thân thiện, bình... giảm tốc độ gửi của nó và cuối cùng ngừng hoàn toàn việc gửi Lã Lệ Thủy – D04VT2 17 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về TCP/IP và điều khiển nghẽn TFRC là một cơ chế điều khiển tắc nghẽn đặc trưng cho kiểu điều khiển dựa vào biểu thức, được thiết kế cho các luồng unicast hoạt động trong môi trường Internet và hoạt động cùng với các lưu lượng TCP Cơ chế này có thể được sử dụng trong một giao. .. chăng nữa Tuy nhiên với một thuật toán điều khiển luồng và điều khiển tắc nghẽn sẽ đảm bảo một độ trễ cho phép đối với từng dịch vụ Đây chính là chức năng của thuật toán điều khiển luồng và điều khiển tắc nghẽn Điều khiển luồng (Flow Control) cho phép điều chỉnh phù hợp số lượng các gói đang được truyền trên mạng giữa nguồn và đích, nói cách khác là sự phối hợp tốc độ truyền của thiết bị phát với dung... phương tiện vật lý của mạng 1.1.2 Giao thức TCP Giao thức TCP (Transmission Control Protocol - "Giao thức điều khiển truyền vận") là một trong các giao thức cốt lõi của bộ giao thức TCP/IP [8] Sử dụng TCP, các ứng dụng trên các máy chủ được nối mạng có thể tạo các "kết nối" với nhau, mà qua đó chúng có thể trao đổi dữ liệu hoặc các gói tin Giao thức này đảm bảo chuyển giao dữ liệu tới nơi nhận một cách