Nghiên ứu giao thức tcp thế hệ mới trên di động

Trang 1 NGÔ HẢI LINHBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- Ngô Hải LinhCÔNG NGHỆ THÔNG TINNGHIÊN CỨU GIAO THỨC TCP THẾ HỆ MỚI TRÊN DI ĐỘNGLUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TCP THẾ HỆ MỚI TRÊN DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HàNội – Năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Ngô Hải Linh

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC TCP THẾ HỆ MỚI TRÊN DI ĐỘNG

Chuyênngành : Côngnghệthông tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS NgôHồngSơn

HàNội – Năm 2018

Danh m c

M U 7

NG QUAN V GIAO TH C TCP

1 Gi i thi u giao th c TCP 9

2 C u trúc gói tin TCP 10

3 Quá trình ho ng c a giao th c TCP 13

4 u khi n lu ng trong TCP 17

5 u khi n t c ngh n trong TCP 21

6.K t lu 23

NG QUAN V GIAO THC MULTIPATH TCP 24

1 i c a MP TCP

2 L i ích c a MP TCP 24

3 Nh ng m t ra khi thi t k MP TCP

4 Mô hình phân chia ch a MP TCP 27

5 Các thành ph n chính trong MP TCP 29

6 Các lo i b n tin trong MP TCP 30

7 Quá trình thi t l p k t n i 32

8 Kh i t o lu ng con m i 36

9 Qu ng d n 37

10 Quá trình truy n d li u 40

11 t n i 43

12 K t lu 45

3: XÂY D NG KI M TH GIAO TH C MPTCP

1 Gi i thi ng ki m th s d ng h u hành Android 45

2 K ch b n và k t qu th nghi m 56

K T LU N 62

TÀI LI U THAM KH O 64

DANH M H M H M C H C H C HÌNH ÌNH ÌNH V V V

H nh 1: C ng trong ph n TCP header

H nh 2 C u trúc ph n d li u 12

H nh 3 Bi quá trình ho ng c a giao th c TCP 13

H nh 4 thi t l p k t n i 15

H nh 5 Quá trình thi t l p k t n i 2 phía 15

H nh 6 Quá trình k t thúc k t n i 16

H nh 7 C a s t 18

H nh 8 Giao th c Go-Back-N 20

H nh 9Giao th c Selective Repeat v i c a s t l 1 2

H nh 10 Các thu u khi n t c ngh n

H nh 11 Mô hình ki n trúc Internet truy n th ng 26

H nh 12 Mô hình th c t 27

H nh 13 Mô hình MPTCP 27

H nh 14 Thành ph n c a MPTCP 29

H nh 15 Ví d v m t k ch b n s d ng MPTCP 33

H nh 16 B n tin Multipath Capable 34

H nh 17 Quá trình kh i t u tiên c a k t n i trong giao th c MPTCP

H nh 18 Minh h a quá trình b u c a m t lu ng con m i trong giao th c MPTCP 36

H nh 19Ví d v s d ng Token 37

H nh 20 B n tin Join Connection 37

H nh 21 B n tin Add Address 39

H nh 22 B n tin Remove Address 40

H nh 23 B n tin Data Sequence Mapping 41

H nh 24 B n tin xác nh n c p k t n i 42

H nh 25 B n tin Data Finish 44

H nh 26 minh h a cách th c ho ng c m MPTCP 46

H nh 27 Thi t l p c u hình giao th c MPTCP 47

H nh 28 Các thi t l p c u hình trên router 48

H nh 29Các thi t l p c n tho i

H nh 30 Hình nh k t n i gi u khi n tho Nexus 5 và router TpLink 52

H nh 31 c ch a toàn b code c

H nh 33 m tra tr n tho i và hi n th danh

ng m t k t n i cho c ng upload và download

TCP Transmission Control Protocol

IP Internet Protocol

UDP User Datagram Protocol

OSI Open Systems Interconnection

MPTCP MultipathTransmission Control Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

TÓ TÓM T M T M T T T T

tài này tôi s trình bày các nghiên cTCP trên thi t b ng s d ng h

ng truy n khi s d ng giao th

thu th c khi s d ng giao th c Multipath TCP và giao th c Single path TCP trên thi t b ng s d ng h u hành Android

AB ABSTR STR STRACT ACT ACT

In this dissertation I will show how the research on generation of Multipath TCP

on mobile phone using Android operating Given the information on the transmission

system using Multipath TCP protocol, single path TCP protocol And show evaluate

performance, speed, trust, flow network collected when using the Multipath TCP and

Single path TCP on the mobile phone using Android operating

M

M U U

i Khi giao th c c thi t k , các thi t b u cu i ch có m

k t n i(single interface) Ngày nay, h u h t các n có k t n i internet có nhi t giao di n k t n i và s ph bi n c a nh ng chi n tho i th

c trang b v i c 3G và Wifi s mang l i m t s máy ch multihomed(máy ch có nhi u giao di n k t n i) trên Internet.M t gi i pháp

t ra cho vi c truy c p Internet trên thi t b ng t n d ng nhi u giao di

d ng th i nhi u giao di n k t n i m ng Khi m t giao di n m ng b t c ngh

ho c m t k t n i, gi i pháp trên có th d dàng gi m t i giao thông m ng b ng cách

k t n i v i m t giao di n m ng khác mà không c n ph i phá v k t n i TCP hi n t i

v nh ng l i ích c a vi c s d ng MPTCP v i ng d ng này Trong báo cáo này, tôi s

2G/3G/4G Các ng d ng dùng trong vi c ki m th bao g m Facebook, Messenger,

ch y các k ch b n th nghi m trên các ng d ng trên và thu th ng, t

NG Q Q QUA UAN V UA N V GIAO N V GIAO GIAO TH TH TH C C C TCP TCP TCP

1. GiGiGi i thii thii thi u giu giao u giao ao thth ccccc TCP th TCP

TCP (Transmission Control Protocol

[4]

các p

-d li

- D li u l i s c truy n l li

- D li nh s th t Các gói tin TCP

- u khi n lu ng(flow-control), bên g

- TCP s d ng c c thu t to u khi n t c ngh chia s ng m ng

gi a c i d ng

2. CCC u tu tu trúc rúc rúc gói gói tin Tgói tin Ttin TCP CP

: a) TCP header

ng c

ng c a a TCPa TCP heaTCP hea header:der:der:

- CCC nnnnng ngg nguuuuu n (Sog ng n (Son (Sourceurce pource po port) -rt) -rt) - 16 bi 16 bi 16 bitsts nh c ng c a máy g i dài 16 bits

- CC (D (Desesestinattinationtinationion port port port) - 16) - 16) - 16 bi bi bitsts nh c ng c a máy nh n dài 16

- SSSSS ththth t t t t t (Seq (Seq (Sequenuenuence nce nce numumumber)ber) - 32ber) - 32 bit - 32 bitsssss: có hai vai trò: bit

c sinh ra b i h u hành) S th t c a byte d li u ti p theo b ng v

- DDD ccccch h ddddd h lili u u (Data (Data (Data offseoffsettttt -offse) ) 4 4 4 bitsbits

- DDD tr (R (Reserveserveservededed) 3 bi) 3 bits:) 3 bits: s d cthi

- CCC (Fla(Flags(Flags - 9gs) - 9- 9 bits bits: : : : : bits

- ConConCon trtrtr kh nnnnn (U(U(Urgentrgentrgent poipoipointenterrrrr - nte) - 16 - 16 16 bibibits:ts: N u c URG b t thì giá tr ng này chính là s t 16 bít mà s th t gói tin (sequence number) c n d ch trá i.

- Tùy chTùy chTùy ch n (Optin (Optin (Options): ons): ng tùy ch n, n dài c

3. QuQuQuá trìá trìá trình hnh hnh hooooo ngng c c a gi c a gia giao thao thao th c TCPc TCPc TCP

- SYN-RECEIVED: (máy ch ) trngj thái ch xác nh n yêu c u k t n i sau khi

c hai nh c và g i m t yêu c u k t n i

- FIN-WAIT-1: (c máy ch và máy khách) tr ng thái ch yêu c u ch m d t

1 Máy khách g i gói tin SYN (gói tin TCP) t i máy ch yêu c u thi t l p k t

t o ra t thu t toán c a riêng m i h u hành)

2 Máy ch h ng cách g i l i phía máy khách gói tin SYN-ACK, trong

c gán ng u nhiên m t giá tr Y (Y

c a máy ch )

3 hoàn t t quá trình b c, máy khách ti p t c g i t i m

- Ki m soát lu ng: gi i h n t bên g i truy n d li m b

cho d li u trong b c x lý

c) K t thúc k t n i

Hnh 6 Quá trình k t thúc k t n i

k t thúc k t n i hai bên s d ng b t tay b c, m i bên c a k t n i k t

u kia xác nh n l i b ng gói ACK Vì v y, m t quá trình k t thúc tiêu bi

M t k t n i có th t n t i d ng "n a m ": m t thúc g i d li

ch nh n thông tin, bên kia v n ti p t c g i

4 u u khikhikhi n lun lu ng tn lu ng tng tronronrong Tg TCP g TCP

Trong giao ti pd li u, u khi n lu nglà quá trìnhqu n lý t l truy n t id

b quá t i v i cácd li ut node truy u khi n lu c phân bi t v

ra

4.1

4.1 StoStoStop-p-and-w-wait ait

thànhnhi u khung Bên g i m t ACK sau m i khung m t kho ng th i gian nh t nh(g i là th i gian ch - timeout) m b o r ng bên nh

1 Bên gBên gBên g iiiii: Truy nm tkhungduy nh t t im t th m

2 Bên nBên nBên nhhhhh nnnnn: Truy ntin báo nh n (ACK) khinó nh cm tframe

3 Bên gBên gBên g iiiii: nh nACKtrongth i gian ch

4 Tr l i c1

N um t khung hayACKb m ttrong quá trình truy nthì nó s c truy nl ib ibên g i Quá trìnhtruy n l c g i làARQ(yêu c u l p l it ng)

V v i Stop-and wait là ch cóm t khung hìnhcó th ctruy i m

nh nc abên g i là không th truy n t ib t k gói tinm i Trong th i giannày, c bên

nh n khi quá th i gian, nó s th c hi n g i l i các khung 2, 3, 4, 5, 6,

ph t l i c l a ch n(Selective repeat)

Hnh 9Giao th c Selective Repeat v i c a s t l

khun

,

5 u u khikhikhi n tn t c nghn t c nghc ngh n n tronn trong Ttrong Tg TCP CP

Hi n t i TCP dùng 4 thu t toán liên k t ch t ch v i nhau là: Slow Start,

Hnh 10 Các thu u khi n t c ngh n 5.1

5.1 SlowSlowSlow St St Start art

c gán b ng 1 MSS (maximum segment s

N u m t gói tin, thu t toán s t l ng slow start b ng 1 n a congestion

5.2 CongCongCongestiestion Aestion Aon Avoivoivoidancdancdance e

n tính congestion window 1 MSS sau m i RTT

N u nh c ACK thì cwnd = MSS2/cwnd

N u nh n 3 gói ACK trùng thì gi m cwnd xu ng 1 n a thay vì gi m v ngssthresh s b ng v i cwnd lúc này, chuy n sang Fast Recovery

5.3

5.3 FastFastFast Rec Rec Recoveoveovery ry ry

Trong tr ng thái này, TCP s truy n l i các gói tin b m t và ch i ACK c a toàn

lúc này

c vào tr ng thái slow start

5.4

5.4 FastFastFast Ret Ret Retransransransmitmitmit

Khi bên g i nh c ba gói tin ACK trùng thì nó s chuy n sang tr ng thái Fast

Hi n nay, v i vi c tri n khai và phát tri n nhanh chóng c a các m ng d li u di

NG G G QU QU QUAN V AN V AN V G G GIAO C M C MUL IAO IAO TH UL ULTIP TH TIP TIPAT AT ATH T H T H TCP CP

1 i ci c a Ma Ma MP TP TCP P TCP

Ngày nay, nh ng giao th c hi n t i ch y u u ch y trên n n t ng TCP/IP v n

ch dùng m ng duy nh truy n d n gi a hai máy tính u này d

Internet phát tri n kéo theo nhu c u v

ng các ngu n tài nguyên này (ch ng h

C iiiii thithithi n n n thôthôthông ng ngng ccccc a a hhhhh a th ng ng (th(th(throurouroughpghput):ghput): MPTCP ho

i s d ng các thu t tongh n riêng (s nói sau)

b) M c tiêu v s

Ngoài các m c tiêu ch c li t kê trên, giao th c TCP Multipath ph i

nay

g

g thícthích thích h vvvvv i i i i i nnnnng g g ddddd nnnnng:g: Kh ng d ng là s

end- -end to end- -end to

End Host

Host

Application

IP

MPTCP Subflow ( TCP ) Subflow ( TCP )

end- -end to

End Host Router Firewall,NAT,

Proxy

End Host Transport

i ng d ng, m r ngMPTCPl tqu n lýcácTC

ManManageManageagememement):nt):

d ng nhi ng d ngi a hai host

MPTCP có th t o m i m t k t n i ho c gia nh p các lu ng con này vào các k t n

có s n

L

L ppppp lllll ch ch (Schech (Sche(Schedulindulinduling):g): nàychia dòng bytenh ct t ng ng d ngthành

các gói tin

Chính vì MP TCP s d ng

ttttt c c nghc nghngh n:n:

5. CácCácCác thàn thành p thành phhhhh nnnnn chính p chín chính h h trongtrongtrong MP MP MP TCP TCP TCP

MPTCP n m hoàn toàn trong t ng v n chuy n, và có th chia làm 2 thành ph n

i :

H nh 14 Thành ph n c a MPTCP Mu

Multipltipathltipathath Sche Sche Scheduleduleduler:r:r: nh n bi ng d i d ng các s Nó ch nhìn m t c

là gi a bên A (address A, port A1) và bên B (address B, port B1), nên MPS s nh n bi t

k t n i này v i connection ID là <A1, B1, pA1, pB1>

Pat

MPS g n path ắ

id = 3 vào gói tin

A1, B1, pA1,pB1

path1 path2 path3

zzzz control plane   data plane

6. CácCácCác lo lo iiiii b lo b nnnnn tin b tin tron tin tron trong Mg Mg MP TCP TCP P TCP

ng Options c a TCP header

Ký h

Ký hiiiii uuuuu b b b nnnnn tin tin tin TênTên b b nnnnn tin b tin tin

hai không gian s th t nên c n m t ánh x chính xác gi a không gian chu i d li u

và không gian chu i lu ng con(chính là Data Sequence Mapping), ánh x c báo hi

ACK

s th t c p lu ng con, không báo nh n không gian th t m c d li u(m c k t n i

MP TCP)

DuDuplicatplicatplicate ACK:e ACK:e ACK: Khung ACK này

S

B ng 1 Các lo i b n tin trong giao th c MPTC

C aaaaa sssss nh n n (Recei(Recei(Receive ve ve WindoWindow):Window): C a s nh n t n t i c p k t n i thích h

c a bên nh n Trong MP TCP, m i lu ng con ph i báo cáo cùng m t c a s nh n

FIN(F

con, không s d ng m c k t n báo hi u k t thúc m c k t n i, ta s d ngoption DATA_FIN

RST

có RST m c k t n i, vì không th phân bi t RST c a hai k t n i Ví d : n u m t máy

th i t t c lu ng con c a k t n

aaaaa chchch (A(A(Addddddrereressssss LiLiListst):st): ):Vi c qu a ch

u này cho phép ng d ng chính sách c c b trên m i k t n i Thêm m a ch vào

TCP

Vi c kh i t o phiên k t n i b u b i m t b n tin SYN, các b n tin SYN và AC

i trên cùng m ng d n Trong hai lo i gói tin này s thêm vào b

B

H nh 16B n tin Multipath Capable

N u m t gói tin SYN bao g m m t b

Sender Token ( gồm 4 octet ) Initial Data Sequence Number

Initial Data Sequence Number ( g m 6 octet ) ồ

l i SYN/ACK không có thì bên g i s gi thi t bên nh n không có kh

SYN + TokA + DSN

SYN/ACK + TokB + DSN

thu c v k t n i nào Token trong b

mà lu ng con này mu n k t h p vào Token này là duy nh t cho m i k t n c

SYN + TokB + Address ID

SYN/ACK + TokA + Address ID

Address A1 Address A2 Address B1 Address B2

SYN+OPT_MPC (token A) SYN/ACK+OPT_MPC (token B)

SYN+OPT_JOIN (token B) SYN/ACK+OPT_JOIN (token A)

i SYN trong m i lu ng con là không quan tr ng, và có th s d ng b t c giá tr nào,

mi n là m i host có m t 5 tuple duy nh t Th c t h u h t các lu ng con m i s k t

H nh 20B n tin Join Connection

liên k t, và cho phép trong m t b n tin có th thông báo nhi u c p (ID, Address)

c có th g i nhi u gói tin TCP bao g m b n tin

thu cvào khi nào bên g i mong mu n th c hi n truy n qua nhi ng d n

Address ( IPv4 – 4 octet )

Address ID

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

Quá trình g i và nh n b n tin này kh i t o quá trình g i FIN c u cu i

bên trong chúng mà không c n ch kho ng th i gian timeout

v c yêu c u, bên nh n s t nhiên b qua các yêu c u này

H nh 22B n tin Remove Address

10. QuQuQuá trìá trìá trình trunh trunh truyyyyy n dn dn d lili u

10.1 Ánh Ánh xxxxx sÁnh s s ththth t t t t t d d d lilililili u(Du(Du(Data Sata Sequeata Sequeequencence Mance Ma Mappippipping) ng)

Thi t b u cu i khi tri n khai giao th c MP TCP s nh n dòng d li u t m t

ng d ng, phân chia nó vào m t hay nhi u lu ng con T t c dòng d li u này có th

c ráp l i t i bên nh n b ng cách s d ng b Data Sequence Mappingánh

ánh xxxxx sssss th ttttt c c p c p p ddddd lili u vu v i i i i i sssss th ttttt ccccc ppppp lululu nnnnng g g concon Nh b n tin này mà t ng ng

Subflow Sequence Number nh d li u thu c v lu ng con nào

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

xác nh n này v Data Sequence Number

n d li u trong m t lu ng con b m t thì bên nh n ph i báo cho bên g i

ACK các d li u nh c mà không theo th t )

H nh 23B n tin Data Sequence Mapping

gi a hai không gian chu i này v i chi

n tin này là tuy

10.2 Báo Báo nhBáo nhnh nnnnn d d d lilililili uuuuu

T trên th y r ng hoàn toàn có th xác nh n c p lu ng con N u x

h p mà d li u trong lu ng b lo i b c xác nh n (có th x yproxy middlebox b l i, hay b m m t máy b tràn), k t n i s t hoàn toàn vì bên g i cho r ng d li c nh n trong khi th c t l

Data Sequence Number ( dài 8 octet )

Data – level Length ( dài 2 octet ) Subflow Sequence Number ( dài 4 octet )