báo cáo bài tập lớn lập trình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng pure aloha

8 1.2 Giao thức truy cập ngẫu nhiên Giao thức truy cập ngẫu nhiên là một loại giao thức đa truy cập cho phép các thiết bị truy cập kênh liên lạc dùng chung mà không cần chờ một khoảng th

ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ ỘTRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP L N Ớ

Đề tài:

L P TRÌNH MÔ PH NG HOẬỎẠT ĐỘNGC A MÔ HÌNH M NG PURE ALOHA ỦẠ

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Quang Vinh Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 4

Danh sách sinh viên Nguyễn Minh Ti n ế 20203769 Nguyễn Hữu Đạo 20203349 Nguyễn Quang Đức 20203368 Phạm Minh Quang 20203550

Hà Nội, tháng 11 2023 –

1 MỤC L C Ụ

B NG PHÂN CÔNG NHI M V CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM Ả Ệ Ụ 3

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH 4

DANH M C B NG BI U Ụ Ả Ể 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

1.1 Các phương thức đa truy nhập 7

1.2 Giao th c truy c p ng u nhiên 8ứ ậ ẫ1.3 Va ch m trên kênh truy n 8ạ ề1.4 Nguyên lý hoạt động giao th c Pure Aloha 10ứ1.5 Đánh giá các thông số ỹ k thu t c a Pure Aloha 12ậ ủ1.5.1 Phân ph i Poisson là gì? 12ố1.5.2 Hiệu qu c a giao th c Pure Aloha 12ả ủ ứ1.5.3 Sự khác nhau gi a Pure Aloha và Slotted Aloha 13ữCHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 15

2.1 H n ch cạ ế ủa phương pháp mô phỏng 15

2.2 Phương pháp mô phỏng 15

2.2.1 Trường h p mô ph ng v i s m vô h n 15ợ ỏ ớ ố trạ ạ2.2.2 Trường h p mô ph ng v i s m h u h n 16ợ ỏ ớ ố trạ ữ ạ2.3 K t qu mô ph ng 20ế ả ỏK T LU N Ế Ậ 22

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 23

B NG PHÂN CÔNG NHI M V CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓMẢ Ệ Ụ

thuyết, tổng h p và hoàn thi n báo cáoợ ệlàm silde

Vũ Minh Đức Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về pure Aloha, nguyên lý hoạt động, đánh giá hiệu qu ả

giao thức d a trên lý thuyự ết.

4 DANH M C HÌNH NH ỤẢ

Hình 1 Các trạm và gói tin khi bắt đầu truy n kênh 8ềHình 2 Va chạm giữa hai gói tin 9Hình 3 Sơ đồ thuật toán pure aloha 10Hình 4 Can thiệp vào truy n t i trong pure Aloha 11ề ảHình 5 Các khoảng thời gian trong quá trình truyền các gói tin 13Hình 6 Lưu đồ mô phỏng lập l ch các gói tin theo th i gian 16ị ờHình 7 Giao diện mô ph ng PURE ALOHA 17ỏHình 8 Lưu đồ thuật toán mô phỏng PURE ALOHA 18Hình 9 Lưu đồ thuật toán mô phỏng PURE ALOHA(Tiếp) 19Hình 10 Hiệu su t s d ng kênh cấ ử ụ ủa giao th c Alohaứ 20Hình 11 Thông lượng trung bình v i số trạm 50 21ớ

DANH M C B NG BI U ỤẢỂ

Bảng 1.1: Các phương thức đa truy nhập 7B ng 1.2 So sánh Pure Aloha và Slotted Aloha 14ả

6 LỜI NÓI ĐẦU

Mạng máy tính đóng vai trò quan trọng trong s phát tri n và qu n lý c a h ự ể ả ủ ệthống thông tin hiện đại Trong bối cảnh môi trường kinh doanh ngày càng phức tạp, khả năng kết n i và giao ti p hi u qu gi a các thi t b và hố ế ệ ả ữ ế ị ệ thống là y u t then chế ố ốt quyết định s thành công c a m i doanh nghi p Chính vì v y, hi u bi t sâu sự ủ ọ ệ ậ ể ế ắc về các khái niệm cơ bản và nâng cao trong lĩnh vực m ng máy tính là không th ạ ể thiếu

Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản nhất, cũng đều ph i tuân theo nh ng ả ữquy t c nhắ ất định Vi c truy n tín hi u trên m ng c n ph i có nh ng quy tệ ề ệ ạ ầ ả ữ ắc, quy ước v nhi u m t, t khuôn d ng (cú pháp, ngề ề ặ ừ ạ ữ nghĩa) của dữ liệu cho t i các th t c g i, ớ ủ ụ ửnh n d u, ki m soát hi u qu , chậ ữ liệ ế ệ ả ất lương truyền tin và x lý các l i Yêu c u v x ử ỗ ầ ề ửlý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các quy tắc càng nhiều và phức tạp hơn Tập h p tợ ất cả nh ng quy tữ ắc, quy ư c đó đướ ợc gọi là giao th c (Protocol) cứ ủa m ng ạ

Trong n i dung c a môn hộ ủ ọc, nhóm sinh viên chúng em đã chọn đề tài “Lập trình mô phỏng hoạt động của mô hình Pure ALOHA Đánh giá hiệu qu s d ng kênh ả ử ụtruyền trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình và cao” Có thể nói, mô hình mạng ALOHA là một phương pháp để gi i quy t bài toán v c p phát kênh truyả ế ề ấ ền được nghiên cứu và xây d ng t rự ừ ất sớm

Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy đã chỉ ả b o, góp ý, bổ sung, hướng dẫn đểnhóm có th ể hoàn thành được bài t p này Do kinh nghi m và khậ ệ ả năng có hạn n n chệ ắc chắn kết quả của nhóm đạt được còn nhiều hạn chế và thiếu sót Nhóm rất mong nhận được sự góp ý kiến c a thầy và các bạn sinh viên ủ

Nhóm xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Các phương thức đa truy nhập

Bảng 1.1 sau đây tổng h p m t sợ ộ ố phương thức đa truy nhập được s d ng trong ử ụm ng máy tính ạ cùng ưu nhược điểm c a chúng ủ

kênh truy n ề

Truy nhập ng u nhiên ẫ

Nguyên lý cơ b n ả

Thiết b mị ạng được c p phát tàấnguyên cố định để truy nh p vàoậmạng khi có nhu c u ầ

Thiết b m ng truy nh p ngị ạ ậ ẫunhiên vào m ng, có th có hoạ ể ặkhông có việc thăm dò kênh truyền

Ưu điểm Các gói tin không b va ch m ị ạ Tiết ki m tài nguyên kênh truy nệ ề

Nhược điểm

Tài nguyên kênh truy n bề ị lãnphí khi thi t b m ng không sế ị ạ ửdụng

Các gói tin có th b va ch m ể ị ạ

Bảng 1.1: Các phương thức đa truy nhập

Trong các phương pháp thực hiện đa truy nhập k trên, giao th c Pure Aloha có ể ứthể coi là giao thức đặt n n móng cho các giao th c còn lề ứ ại ở phương thức truy nhập ng u nhiên Do v y, báo cáo này l a chẫ ậ ự ọn Pure Aloha làm đối tượng nghiên cứu và đánh giá, t o tiạ ền đề cho việc tìm hiểu các giao thức tiên tiến hơn sau này.

8 1.2 Giao thức truy cập ngẫu nhiên

Giao thức truy cập ngẫu nhiên là một loại giao thức đa truy cập cho phép các thiết bị truy cập kênh liên lạc dùng chung mà không cần chờ một khoảng thời gian cụ thể hoặc sự cho phép từ cơ quan trung ương Thay vào đó, các thiết bị chọn thời gian ngẫu nhiên để truyền dữ liệu, giúp giảm khả năng xảy ra xung đột Tuy nhiên, xung đột vẫn có thể xảy ra do độ trễ truyền dẫn hoặc truyền đồng thời

Trong giao thức truy cập ngẫu nhiên, nút truyền luôn truyền ở tốc độ tối đa của kênh, cụ thể là R bps Khi có xung đột, mỗi nút liên quan đến xung đột sẽ liên tục truyền lại khung của nó (tức là gói) cho đến khi khung của nó đi qua mà không bị xung đột Nhưng khi một nút gặp xung đột, nó không nhất thiết phải truyền lại khung ngay lập tức Thay vào đó, nó đợi một độ trễ ngẫu nhiên trước khi truyền lại khung Mỗi nút liên quan đến xung đột chọn độ trễ ngẫu nhiên độc lập Vì độ trễ ngẫu nhiên được chọn độc lập nên có thể một trong các nút sẽ chọn độ trễ đủ nhỏ hơn độ trễ của các nút va chạm khác và do đó sẽ có thể gửi khung của nó vào kênh mà không bị xung đột Trong phần này chúng tôi sẽ mô tả một số giao thức truy cập ngẫu nhiên được sử dụng phổ biến nhất—các giao thức ALOHA và các giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA) Ethernet là giao thức CSMA phổ biến và được triển khai rộng rãi

1.3 Va chạm trên kênh truyền

Giả sử, nếu có hai trạm, trạm A và trạm B, trạm A và B có một kênh truyền chung, đây sẽ là kênh truyền để A và B thực hiện truyền dữ liệu

Hình 1 Các tr m và gói tin khi bạ ắt đầu truy n kênh ề

Điều gì sẽ xảy ra nếu trạm A và trạm B gửi dữ liệu cùng lúc? Giả sử A có một gói tin được đặt tên là frame A và B cũng có gói tin được đặt tên là frame B Trạm A đang gửi dữ liệu và trạm B cũng đang bắt đầu gửi dữ liệu cùng lúc với trạm A Điều gì xảy ra khi A và B gửi dữ liệu cùng lúc? Nó dẫn đến va chạm (collision) Vì vậy, các gói

tin sẽ bị mất hoặc bị hỏng và phải truyền lại gói tin từ đầu Nếu một khung bị hỏng, thì các trạm chờ một lượng loại ngẫu nhiên và truyền lại khung cho đến khi nó truyền thành công Thời gian chờ của mỗi trạm phải ngẫu nhiên và không được giống nhau chỉ để tránh sự va chạm của các khung lặp đi lặp lại

Hình 2 Va ch m gi a hai gói tinạ ữ

Aloha là mạng đầu tiền sử dụng truy cập ngẫu nhiên nên bất kỳ trạm nào cũng có thể truyền dữ liệu bất cứ lúc nào Vì vậy, rõ ràng là nó dẫn đến va chạm Bằng cách nào đó, giao thức Aloha phải xử lý việc này Trước đó, hãy xem Aloha có những loại nào Về cơ bản có hai loại Aloha đó là Pure Aloha (Aloha thuần túy) và slotted Aloha (Aloha có rãnh).

Pure ALOHA giới thiệu bởi Norman Abramson và các cộng sự của ông tại Đại học Hawaii, trong thổ ngữ của Hawai Aloha có nghĩa là "xin chào", hiểu ý nghĩa ở đây vừa là mạng chuyển mạch gói vô tuyến đầu tiên trên thế giới vừa giống như khi ta gọi điện, ta nói "alo" Với mục đích ban đầu là tạo ra một mạng thông tin liên lạc vô tuyến giữa các khu vực khác nhau của đại học Hawai nằm trên các đảo khác nhau, vì thế mạng ALOHA ra đời ALOHA được đưa vào sử dụng năm 1971, trở thành hình mẫu đầu tiên của mạng không dây truyền gói dữ liệu (wireless packet data network) Là một trong các phương thức truyền tin sử dụng chung kênh truyền dẫn, ở đây là kênh vô tuyến; vì sử dụng kênh vô tuyến nên một lúc chỉ có một trạm gửi và một trạm nhận Có thể có nhiều trạm trên cùng một mạng.

10

Một tập các tiêu chuẩn để trao đổi thông tin giữa hai hệ thống máy tính hoặc hai thiết bị máy tính với nhau được gọi là giao thức (Protocol) Các giao thức còn được gọi là nghi thức hoặc định ước của mạng máy tính.

Giao thức Aloha là giao thức OSI lớp 2 cho mạng LAN với Broadcast topology.Về cơ bản bước đầu phương thức này là:

- Nếu có dữ liệu, thì gửi dữ liệu

- Nếu tin xung đột với đường truyền khác thì sẽ gửi lại sau (sau 1 khoảng thời gian backoff ngẫu nhiên)

1.4 Nguyên lý hoạt động giao thức Pure Aloha

Hình 3 Sơ đồ thuật toán pure aloha

Khi một tr m có dạ ữ liệu, nó gửi ngay lên đường truy n vô tuyề ến

-> va đập xảy ra khi có hơn một trạm cùng truy nhập kênh dẫn đến mất gói Không có cơ chế ể ki m tra tr ng thái kênh truy n ạ ề

Không có cơ chế phát hi n m t gói do va p và việ ấ đậ ệc phát hi n ph thu c vào các ệ ụ ộgiao thức bậc cao

Hình 4 Can thi p vào truy n t i trong pure Aloha ệ ề ả

Giao th c ALOHA có rãnh yêu c u t t c ứ ầ ấ ả các nút đồng b hóa quá trình truy n cộ ề ủa chúng để ắt đầ b u ở đầu khe Giao thức ALOHA đầu tiên [Abramson 1970] thực sự là m t giao th c phi t p trung hoàn toàn, không có rãnh Trong ALOHA thu n túy, khi ộ ứ ậ ầmột khung hình đế ần đầu tiên (nghĩa là một gói dữ liệ ớn l u l p mạng được truyền xu ng ốt l p m ng t i nút gừ ớ ạ ạ ửi), nút đó sẽ ngay l p t c truy n toàn bậ ứ ề ộ khung hình đó vào kênh truyền N u mế ột khung được truy n g p phề ặ ải xung đột v i m t ho c nhiớ ộ ặ ều đường truyền khác thì nút đó sẽ ngay lập tức (sau khi truyền hoàn toàn khung bị va chạm của nó) truyền lại khung đó với xác suất p Ngược l i, nút s ạ ẽ đợi th i gian truy n khung Sau lờ ề ần chờ này, nó sẽ truyền khung với khả năng thăm dò p hoặc đợi (không hoạt động) trong m t th i gian khung khác v i xác su t 1 ộ ờ ớ ấ – p Để xác định hi u qu tệ ả ối đa của ALOHA thuần túy, ta t p trung vào m t nút riêng l T i b t kậ ộ ẻ ạ ấ ỳ ời điểm nào, xác suất một nút thđang truyền khung là p Giả sử khung này bắt đầu truyền tại thời điểm t0 Như được hi n th trong ể ị hình trên, để khung này được truy n thành công, không nút nào khác có ềthể bắ ầt đu truy n trong kho ng th i gian [t0 - 1, t0] Quá trình truyề ả ờ ền như vậy s trùng ẽv i thớ ời điểm bắt đầu truy n khung c a nút i Khề ủ ả năng tất c các nút khác không bả ắt đầu truy n trong kho ng th i gian này là (1 - p).(N-1) ề ả ờ Tương tự, không nút nào khác có thể bắt đầu truyền trong khi nút i đang truyền, vì quá trình truyền như vậy sẽ chồng lấp v i ph n truy n sau c a nút i Xác suớ ầ ề ủ ất để ấ ả t t c các nút khác không bắt đầu truy n trong ềkho ng thả ời gian này cũng là (1 - p).(N-1) Do đó, xác suất để m t nút nhộ ất định truyền thành công là p.(1 - 2 -1 B ng cách l y các gi i hp) (N ) ằ ấ ớ ạn như trong trường hợp

12 ALOHA có rãnh, chúng tôi thấy rằng hi u su t tệ ấ ối đa của giao th c ALOHA thuứ ần túy chỉ chính xác bằng một nửa so với ALOHA có rãnh Đây là cái giá phải trả cho giao thức ALOHA phi tập trung hoàn toàn

1.5 Đánh giá các thông số kỹ thuật của Pure Aloha 1.5.1 Phân phối Poisson là gì?

Trong lý thuyết xác suất và thống kê, phân phối Poisson là một phân phối xác suất rời rạc Nó khác với các phân phối xác suất rời rạc khác ở chỗ thông tin biết không phải là xác suất để một sự kiện xảy ra thành công trong một lần thử như trong phân phối Bernoulli hay là số lần mà sự kiện đó xảy ra trong n lần thử như trong phân phối nhị thức, mà chính là trung bình số lần xảy ra thành công của một sự kiện trong một khoảng thời gian nhất định Giá trị trung bình này được gọi là lam da, kí hiệu là λ Phân phối-Poisson còn được dùng cho khoảng mà đơn vị khác thời gian như: khoảng cách, diện tích hay thể tích Một ví dụ cổ điển là sự phân rã hạt nhân của các nguyên tử.

Khi những sự kiện xảy ra một cách ngẫu nhiên đều đặn với tỷ lệ là λ sự kiện trên một đơn vị thời gian, khi đó biến ngẫu nhiên X đếm số sự kiện xảy ra trong khoảng thời gian độ dài t, có tiến trình Poisson

𝜆 = ∑𝑛 𝜆𝑖

𝑖−1 ( 2 )

Kênh truyền có dung lượng là C (bit/s)

Các gói tin có kích thước cố định L thời gian phục vụ gói: ts=L/CTại t0, gói pi của trạm i truy nhập kênh

Gọi Tx là khoảng “thời gian nhạy cảm”, nếu trong khoảng thời gian này các trạm khác truy nhập kênh thì va đập sẽ xảy ra.

Hình 5 Các kho ng th i gian trong quá trình truy n các gói tinả ờ ề

1.5.3 Sự khác nhau giữa Pure Aloha và Slotted Aloha

Các trạm có thể thể truyền dữ liệu bất cứ lúc nào

Các trạm chỉ được truyền dữ liệu ở khe thời gian của mình

Thời gian không được đồng bộ Thời gian được đồng bộThời gian “nhạy cảm” T =2tS Thời gian “nhạy cảm” T = tS Xác suất truyền thành công gói tin:

P= G*e-2G

Xác suất truyền thành công gói tin:P= G*e-G

14 Hiệu suất tối đa khoảng 18,4%, chỉ bằng

một nửa Slotted Aloha

Hiệu suất tối đa khoảng 36.8%

Bảng 1.2 So sánh Pure Aloha và Slotted Aloha

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 2.1 Hạn chế của phương pháp mô phỏng

Phương pháp thứ nhất: Không trực quan vì số trạm là vô hạn

Phương pháp thứ hai: Trong kho ng th i gian nh y c m, có xác suả ờ ạ ả ất rất nh ỏ để có 2 gói tin được truyền dẫn đến kết quả mô ph ng không hoàn toàn chính xác ỏ

2.2.1 Trường hợp mô phỏng với số trạm vô hạn

S d ng l p lử ụ ậ ịch gói tin có thời gian g i tuân theo ti n trình Poisson ử ế

16

Hình 6 Lưu đồ mô ph ng l p l ch các gói tin theo th i gian ỏ ậ ị ờ

Ban đầu khi gói tin được gửi, hệ thống kiểm tra trạng thái kênh truyền Nếu kênh rảnh tr ng thái ạ kênh được thay đổi thành có một gói tin đang truyề , ngượ ạn c l i kênh truyền s chuy n tr ng thái thành nhiẽ ể ạ ều gói đang được truyền

Kể t gói tin th hai, hừ ứ ệ thống trước hết sẽ kiểm tra thời điểm bắt đầu gửi gói với thời điểm gói tin trước đó kết thúc Nếu kênh đang truyền một gói tin, gói tin truyền thành công và tr ng thái kênh chuy n sang r nh ạ ể ả Ngượ ạc l i, ki m tra tình t ng kênh ể ạtruyền, n u r nh trế ả ạng thái kênh được thay đổi thành có một gói tin đang truyền, ngược lại kênh truyền s chuy n tr ng thái thành nhiẽ ể ạ ều gói đang được truyền.( ảnh trên)

2.2.2 Trường hợp mô phỏng với số trạm hữu hạn

Hình 7 Giao di n mô ph ng PURE ALOHA ệ ỏ

18

Hình 8 Lưu đồ thu t toán mô ph ng PURE ALOHA ậ ỏ

Hình 9 Lưu đồ thu t toán mô ph ng PURE ALOHA(Tiậ ỏ ếp)

20 Bắt đầu mô ph ng, ki m tra t ng tr m n u xác su t g i tuân theo phân b Poisson ỏ ể ừ ạ ế ấ ử ốthỏa mãn, trạm đó sẽ gửi gói và s l n truy nhố ầ ập tăng thêm một với mỗi trạm gửi

Sau ó n u có nhi u hđ ế ề ơn một tr m g i thì s l n va ch m tạ ử ố ầ ạ ăng ứng v i sớ ố trạm có gói tin va ch m ạ

Sau 1 kho ng sleep time các tr m lả ạ ại ểki m tra m t l n nộ ầ ữa ến u trạm đang gửi thì không c n th c hi n bầ ự ệ ước ểki m tra xác su t g i và ng c l i; r i ti p t c ki m tra va ấ ử ượ ạ ồ ế ụ ểchạm

Hiệu su t s d ng kênh ng v i các m c t i khác nhau theo k t qu mô ph ng ấ ử ụ ứ ớ ứ ả ế ả ỏđược tính bằng công thức:

𝐻1=𝑆ố 𝑔ó𝑖 𝑡𝑖𝑛 𝑔ử𝑖 𝑡ℎà𝑛ℎ 𝑐ô𝑛𝑔 × 𝑆ố 𝑛 𝑣ị 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑐ầ𝑛 để 𝑔ử𝑖 𝑔ó𝑖đơ

𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố đơ𝑛 𝑣ị 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑚ô 𝑝ℎỏ𝑛𝑔 (2.3)

Trong mô phỏng dưới đây tổng số gói tin là 100000 gói tin với số trạm vô h n ạ

Hình 10 Hiệu su t s d ng kênh c a giao th c Aloha ấ ử ụ ủ ứ