CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ chế hoạt động
2.1.1 Mô hình giao thức pure ALOHA
Về cơ bản bước đầu phương thức này là:
• Nếu có dữ liệu thì gửi dữ liệu: Khi một trạm có dữ liệu, nó sẽ gửi ngay lên đường truyền vô tuyến
• Va đập xảy ra khi có nhiều hơn một trạm cùng truy nhập kênh → Mất gói
• Nếu tin xung đột với đường truyền khác thì sẽ gửi lại sau (sau 1 khoảng thời gian backoff ngẫu nhiên)
Tuy nhiên, ALOHA không có cơ chế kiểm tra trạng thái kênh truyền cũng như không có cơ chế phát hiện mất gói do va đập → Việc phát lại sẽ phụ thuộc vào các giao thức bậc cao ớp host (l - to - host) Giao thức Pure ALOHA được biểu diễn trên Hình 2.1
Hình 2.1.Giao thức Pure ALOHA
Nếu chiều dài của mỗi gói tin (Number of bits) là 𝑁𝐹 (bits), dung lượng kênh truyền (Raw throughput) là R (bits/s) thì thời gian phục vụ gói là:
R(𝑠) Tại thời điểm t 0 ,trạm phát gói tin p i (packet) của trạm I truy nhập lên kênh truyền Khoảng ời gian từ th 𝑡 0 −𝑇 𝐹 đến 𝑡 0 +𝑇 𝐹 là khoảng thời gian nhạy cảm (vunerable period) bất kì gói tin nào tương tự được truyền trong khoảng này sẽ gây ra va chạm (collision), sau đó tất cả tệp (packet) bị va chạm sẽ được đẩu về 1 khoảng thời gian ngẫu nhiên về sau đợi truyền.
Gọi λ là tốc độ đến trung bình của các trạm (total arrival rate) Số lần truy nhập kênh trung bình (Normalized arrival rate) G (tả ầu vào) được cho như sau:i đ
G = λ T F (𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒)= λ/μ Để một gói tin được phát tại một trạm tại thời điểm t0 truyền thành công, những trạm khác không được truyền gói tin nào trong thời gian từ 𝑡 0 −𝑇 𝐹 đến 𝑡 0 +𝑇 𝐹 Như vậy tổng ời gian nhạy cảm (vunerable period) th là:
Trong Pure ALOHA, khi một gói được phát tại một ạm nó sẽ ngay lập tức đượtr c truyền đi Do đó, việc xảy ra va chạm (collision) là có thể xảy ra Ta có thể tính toán xác suất không xảy ra va chạm bằng phương pháp phân phối poisson với trường hợp không có tập tin nào xuất hiện trong thời gian truyền T𝑇
Gọi S (total shared channel throughput) là số lần truy nhập thành công trung bình trong khoảng thời gian T F S chính là thông lượng của h thống ệ
Từ Hình 2.2, thông lượng đạt cực đại tại G=0.5, tại đó S=0.5𝑒 −1 ≈ 0.184
2.1.2 Mô hình giao thức Slotted ALOHA
Hình 2.3 Giao thức Slotted ALOHAHình 2.2 Đánh giá hiệu năng giao thức Pure ALOHA
Giao thức đa truy nhập cải tiến của pure ALOHA là slotted ALOHA Giao thức này sử dụng cơ chế truyền đồng bộ trên các “khe thời gian” (slot) như trong phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Các khe thời gian này yêu cầu phải có kích thước bằng nhau tức là thời gian để truyền một gói tin phải giống nhau Các ạm tr phải truyền gói có kích thước tương đương nhau và tại thời điểm bắt đầu của một khe thời gian Do đó “khoảng thời gian nhạy cảm” chỉ là T𝑋 thay vì 2T𝑋 như trong giao thức ALOHA Điều này dẫn đến ệu năng đỉnh của slotted ALOHA tăng gấp 2 lần hi
Gọi p là xác suất gửi (0 p ≤ ≤ 1) Nguyên tắc hoạt động của slotted ALOHA trong mỗi trạm như sau:
- Khi có gói tin mới cần gửi, trạm sẽ đợi đến thời điểm đầu củ khe ời gian a th kế ếp và gửi toàn bộ gói tin trong khe ời gian đó.ti th
- Nếu không xảy ra xung đột, trạm truyền thành công gói tin và vì vậy không cần thiết ph i truyả ền lại
- Nếu có xảy ra xung đột, trạm phát hiện xung đột trước khi kết thúc khe thời gian đó và sẽ truyền lại gói tin trong khe ời gian khác (subsequent th slot) Việc truyền lại với xác suất p giống như việc tung đồng xu: sự kiện mặt ngử ứng a với việc truyền lại với xác suất p, sự ện mặt sấp ứng với việc “bỏ qua khe ời gian ki th này và tung lại đồng xu trong khoảng thời gian kế ếp” xảy ra với xác suất (1 p) Như ti - vậy, tấ ả t c các trạm liên quan đến xung đột phải độc lập với nhau
Hình 2.4 Các nút 1, 2 và 3 va chạm tại khe đầu tiên Nút 2 cuối cùng thành công ở vị trí thứ tư, nút 1 ở vị trí thứ tám và nút 3 trong vị trí thứ chín
Slotted ALOHA hoạt động tốt khi chỉ có một trạm truyền gói tin nhưng khi có , nhiều ạm cùng truyền, có hai yếu tố phải tính đến Thứ nhất như trong hình 2.3 khi tr có nhiều trạm cùng truyền sẽ xuất hiện nhiều xung đột dẫn đến việc nhiều khe thời gian không được sử dụng làm cho lãng phí kênh truyền Thứ hai, các khe thời gian rỗng này phả tuân theo xác suất truyền Bởi vì khi có xung đột các trạm truyền phải i dựng lại đợi và chỉ có một trạ duy nhất được truyền đi Một khe thời gian cho phép m một trạm truyền gói tin đi được gọi là khe thời gian truyền thành công (successful slot) Trong trường hợp có nhiều ạm cùng truyền mà mỗi trạm cần gửi đi nhiều gói tr tin thì hiệu suất của giao thức tỷ lệ với các khe thời gian truyền thành công này Nếu không có cơ chế điều khiển truy cập và truyề ại ngay sau mỗi lần xung đột, hiệu suấn l t sẽ bằng 0
2.1.2.2 Đánh giá hiệu năng Để đánh giá được hiệu su t cấ ủa giao thứ ta giả c, thiết:
- Có n trạm gửi dữ ệu vào mạng với lưu lượng tuân theo tiến trình Poisson vớli i tham số tương ứng là {λ1, λ , … , λ2 𝑛} Khi đó lưu lượng tổng cộng gửi vào mạng tuân theo tiến trình Poisson là: λ = ∑ λ 𝑖
- Chiều dài của mỗi gói tin (number of bits) là 𝐿 (bits), dung lượng kênh truyền (raw throughput) là C (bits/s) thì thời gian phục vụ gói là: ts=L
- Trạm bắt đầu truyền gói tin tại đầu của mỗi khe thời gian
- Tất cả các trạm được đồng bộ hóa sao cho mỗi trạm xác định được điểm đầu của các khe thời gian
- Nếu có hai hay nhiều gói tin xung đột trong mộ khe thời gian nào đó thì tất cả t các trạm đều phát hiện sự kiện xung đột ngay trong khe thời gian đó trước khi nó đó kết thúc
Giả sử tại thời điểm t0, gói của trạm i truy nhập kênh Vậy trong khoảng thờp i i gian nhạy cảm T x = 𝑡 𝑠 , nếu có một gói khác cùng truy nhập kênh sẽ xảy ra xung đột
Gọi G là số lần truy nhập kênh trung bình trong một đơn vị ời gian th t 𝑠 → G là tải đầu vào Khi đó:
𝜇 Gọi S là số lần truy nhập thành công trung bình trong khoảng thời gian 𝑡 𝑠 → S là thông lượng của slotted ALOHA Theo phân bố Poisson ta tính được thông lượng:
0! 𝑒 −𝜆𝑡 𝑥 =𝐺𝑒 −𝜆𝑡 𝑥 =𝐺𝑒 −𝐺 Xác suất truyền thành công một gói tin Psucc bằng xác suấ không có trạm nào khác t truy nhập vào khoảng thời gian T𝑥 là:
0! =𝑒 −λt 𝑠 =𝑒 −G Xác suất xảy ra va chạm bằng xác suất có nhiều hơn 1 gói tin truyền đến trong cùng khe thời gian và được tính bằng công thức:
Ta khảo sát cực trị của S(G), ta được:
𝑑𝐺= 0 → Hàm số S(G) đạt cực đại tại G = 1, tại đó S = 𝑒 −1 ≈ 0.368
Hình 2.5 Đánh giá hiệu năng giao thứ Slotted ALOHAc
Ta xét một trường hợp riêng là số ợng trạm hữu hạn trong giao thức Slotted lư ALOHA Ta có thông lượng: 𝑆=𝐺𝑒 −𝐺 Sử dụng khai triể Taylor cho n 𝑒 −𝐺 ta được biểu thức:
Với mỗi frame được truyền trong lượng frame cho trước: 𝐺
𝑀 Thế vào phương trình đã cho ta được:
𝑀) 𝑀−1 Thế vào biểu thức xác suấ ảy ra va chạm: t x 𝑃𝑟[𝑐𝑜𝑙𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛] = 1 −𝑒 −𝐺 −𝐺𝑒 −𝐺
2.2 So sánh hai giao thứ Pure ALOHA và Slotted ALOHAc
Bảng 2.1 So sánh hai giao thứ Pure ALOHA và Slotted ALOHAc
Cơ sở để so sánh Pure ALOHA Slotted ALOHA Đã giới thiệu Được giới thiệu bởi Norman
Abramson và các cộng sự của ông tại Đại học Hawaii năm
1970 Được giới thiệu bởi Roberts vào năm 1972
Khung truyền Người dùng có thể truyền khung dữ ệu bất cứ khi nào li trạm có dữ ệu được truyền li
Người dùng phải đợi cho đến khi khe thời g n tiếp theo bắia t đầu để truyền khung dữ liệu Thời gian Thời gian liên tục Thời gian rời rạc
Xác suất truyền thành công
𝑆=𝐺𝑒 −2𝐺 𝑆=𝐺𝑒 −𝐺 Đồng bộ hóa Không có đồng bộ hóa Có đồng bộ
Thông lượng Thông lượng tối đa tại 𝐺= 1 2 là
Thông lượng tối đa tại 𝐺= 1 là 36%
2.3 Ưu nhược điểm của giao thức Slotted ALOHA
− Đây là một giao thức đơn giản, hiệu quả cho những mạng có tốc độ truyền thấp, tần số truyền dữ ệu ít Do đó vẫn còn được dùng trong li thông tin vệ tinh
− Sử dụng kênh truyền tốt hơn, làm giảm được nhiều xung đột so vớ giao i thức ALOHA
− Truyền gói tin có thể ễn ra liên tụ và đạt hiệu suất cao khi chỉ có mộdi c t trạm truyền tin
− Slotted ALOHA là một thuật toán phân tán nên khi mỗi trạm phát hiện ra xung độ ẽ quyết định khi nào truyền lại một cách đột s c lâp
− Yêu cầu các trạm phải đồng bộ với nhau.
− Hiệu suất thấp ỉ khoảng 36%.ch
− Vẫn có nhiều xung đột xảy ra dẫn đến lãng phí kênh truyền do nhiều khe thời gian trống
− Trễ lớn khi số ợng kết nối giữa các trạm lớn và nhiều xưng đột làm lư chậm truyền gói tin.
Ưu như ợc điể m c ủa giao thức Slotted ALOHA
− Đây là một giao thức đơn giản, hiệu quả cho những mạng có tốc độ truyền thấp, tần số truyền dữ ệu ít Do đó vẫn còn được dùng trong li thông tin vệ tinh
− Sử dụng kênh truyền tốt hơn, làm giảm được nhiều xung đột so vớ giao i thức ALOHA
− Truyền gói tin có thể ễn ra liên tụ và đạt hiệu suất cao khi chỉ có mộdi c t trạm truyền tin
− Slotted ALOHA là một thuật toán phân tán nên khi mỗi trạm phát hiện ra xung độ ẽ quyết định khi nào truyền lại một cách đột s c lâp
− Yêu cầu các trạm phải đồng bộ với nhau.
− Hiệu suất thấp ỉ khoảng 36%.ch
− Vẫn có nhiều xung đột xảy ra dẫn đến lãng phí kênh truyền do nhiều khe thời gian trống
− Trễ lớn khi số ợng kết nối giữa các trạm lớn và nhiều xưng đột làm lư chậm truyền gói tin.
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH MẠNG
Môi trường mô phỏng
Trong báo cáo này, nhóm em sử dụng môi trường mô phỏng là Matlab Matlab không chỉ là một công cụ tính toán toán học mà còn là một ngôn ngữ lập trình Matlab được thiết kế để làm việ với những tập dữ ệu đặc biệt chẳng hạn như ma trậc li n, vector, hình ảnh Vì vậy nó đượ ứng dụng nhiều trong các bài toán giải quyết các vấc n đề trong phân tích số, xử lý tín hiệu kỹ thuật số và xử lý đồ họa Hiện nay, Matlab cung cấp hàng nghìn câu lệnh và chức năng tiện ích và các thư viện lớn nhằm cung cấp cho người dùng môi trường lập trình, tính toán số, cung cấp các biểu đồ tích hợp để trực quan hóa dữ ệu và các công cụ để tạo biểu đồ tùy chỉnh li
Mô phỏng mô hình mạng Slotted ALOHA
Để đánh giá hiệu năng mô phỏng mạng Slotted ALOHA trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình và cao, nhóm em đã xây dựng hai kịch bản dựa vào số ợng trạm bao lư gồm số lượng trạm vô hạn và số lượng trạm hữu hạn
3.2.1.1 Trạm vô hạn Đầu tiên, chúng em quy định tên các biến, ý nghĩa của biến, kiểu dữ ệu và giá trị li đầu vào cần thiế và yêu cầu giá trị các biến đầu ra sử dụng trong chương trình mô t phỏng ở các Bảng 3.1, Bảng 3.2 và Bảng 3.3
Bảng 3.1 Các thông số I/P trạm vô hạn
T: chu kỳ truy cập 10 5 λ: tốc độ gói (pkt/s) [0:0.2:18]
Bảng 3.2 Cấu trúc dữ liệu biến trạm vô hạn
Biến Ý nghĩa Kiểu giá trị
R số ngẫu nhiên được khởi tạo theo phân phối poisson với giá trị trung bình λ, đại diện cho số ợng gói lư được gửi trong khe thời gian đó số nguyên 0 ~ ∞ t ID chu kỳ / thời gian truy cập số nguyên 1~T success_pckt số lần truyền thành công số nguyên 0 ~ ∞ collision_pck t số lần truyền xảy ra xung đột số nguyên 0 ~ ∞
Dưới đây là cấu trúc dữ liệu đầu ra
Bảng 3.3 Cấu trúc dữ liệu biến đầu ra
Biến Ý nghĩa Kiểu giá trị Khoảng giá trị throughput 𝑠𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠_𝑝𝑐𝑘𝑡
𝑇 với từng λ số thực vector có size (1,𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ( λ)) và giá trị trong khoảng [0;1] collision_prob 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛_𝑝𝑐𝑘𝑡
𝑇 với từng λ số thực vector có size (1,𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ( λ)) và giá trị trong khoảng [0;1]
Sơ đồ thuật toán củ mô hình mạng trong trường hợp số ợng ạm vô hạn đượa lư tr c mô tả trong hình dưới đây
• Đầu tiên, định nghĩa khở ạo các biếni t
• Trong chu kỳ đầu tiên khởi tạo số ngẫu nhiên theo phân phối Poisson với giá trị trung bình (mean) bằng λ được gán cho R, R là số ợng gói được gửi lư trong khoảng thời gian đó
• Khi R = 1 tức là một gói tin đã được truyền thành công, inc success_pkt: tăng số lần truyền thành công lên 1 Khi R > 1, tức là đã xảy ra va chạm, inc collision_pckt: tăng số lần truyền xảy ra xung đột lên 1
• Lặp lại vòng lặp sau T chu kỳ cho trước, tính toán throughput và collision_prob với λ
• Khi tốc độ gói λ = 18 thì hiển thị đồ ị với Y: th throughput, X: lambda Nếu không, gán λ = λ + 0.2 và tiếp tụ ặp lại chương trình.c l
Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng mô hình mạng trong trường hợp trạm vô hạn
Bảng 3.4 và Bảng 3.5 minh họa các biến và giá trị đầu vào sử dụng trong chương trình mô phỏng:
Bảng 3.4 Các thông số I/P trạ hữu hạnm
M: số ợng trạmlư 10,50 T: chu kỳ truy cập 10 5 λ: tốc độ gói (pkt/s) [0:0.2:8]
Bảng 3.5 Cấu trúc dữ liệu biến trạm hữu hạn
Biến Ý nghĩa Kiểu giá trị Khoảng giá trị
𝐺𝑖 xác suấ ủa trạm cố gắng t c i truyền tải số thực 0 ~ 1
𝑃 𝑟 Số ngẫu nhiên đượ ạo ra từ c t phân phối đồng đều số thực 0 ~ 1 m ID trạm số nguyên 1 ~ M t ID chu kỳ / thời gian truy cập số nguyên 1 ~ T pcktThisSlot số ợng gói đượlư c truyền trong khe t số nguyên 0 ~ M success_pckt số lần truyền thành công số nguyên 0 ~ ∞ collision_pckt số lần truyền va chạm số nguyên 0 ~ ∞
Quy trình mô phỏng mô hình mạng trong trường hợp trạm hữu hạn được mô tả trong Hình 3.2:
• Bắt đầu định nghĩa và khở ạo các biến i t
• Trong chu kỳ đầu tiên pcktThisslot = 0, tại trạm đầu tiên, số ngẫu nhiên được tạo theo phân phối đồng đều được gán cho 𝑃 𝑟
Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng mô hình mạng trong trường hợp trạm hữu hạn
• Nếu 𝑃 𝑟 < 𝐺 𝑖 thì trạm đang truyền gói tin, pckThisslot: tăng số ợng gói lư được truyền trong khe Nếu trạm không truyền gói tin t thì quay lại gán lại giá trị cho 𝑃 𝑟
• Lặp lại vòng lặp cho đến khi số ạm đạt đến một giá trị cho trước, kiểm tra tr số ợng gói tin truyền trong khe Nếu bằng 1 tức là gói tin đã được gửi đi lư t thành công tăng - success_pkt lên 1, nếu lớn hơn 1 tức là gói tin đã xảy ra va chạm tăng - collision_pckt lên 1
• Lặp lại vòng lặp sau T chu kỳ cho trước, tính toán throughput và collision_prob với λ
• Kiểm tra nếu lambda = 8, thì plot Y: throughput, X: lambda Nếu không bằng thì cộng thêm 0.2 và lặp lại chương trình
3.2.2 Phương pháp đánh giá Để đánh giá hiệu ả của mạng slotted ALOHA trong các điều kiện của tải, nhóm qu đã dựa vào hai thông số là thông lượng và xác suất xảy ra xung đột ở trong hai tình huống số ợng tải vô hạn và số ợng tả ữu hạn được trình bày trong Bảng 3.6.lư lư i h
Bảng 3.6 Các thông số đánh giá hiệu suất giao thức
Trường hợp Thông lượng Xác suất xảy ra va chạm
Số ợng lư chạm vô hạn
Số ợng lư trạm hữu hạn 𝑆=𝐺(1 −𝐺
3.2.3.1 Trường hợp trạm vô hạn
Dựa vào công thức được chứng minh ở phần Lí thuyế nhóm đã thu được kết quả t, mô phỏng và kết quả phân tích thông lượng và xác suất va chạm của Slotted ALOHA với số lượng trạm vô hạn được minh họ ở Hình 3.4 và 3.5.a Để ạy mô phỏng, ta khở ạo G = [0;18 và T ch i t ] = 10 5
Hình 3.3 Thông lượng trung bình của slotted ALOHA trường hợp trạm vô hạn
3.2.3.2 Trường hợp trạm hữu hạn
Hình 3.6 và 3.7 là kết quả mô phỏng minh họa và kết quả phân tích của thông lượng và xác suất va chạm của slotted ALOHA trạm hữu hạn cho M, 25 và 50, G=1 đến 8, T= 10 5
Hình 3.4 Xác suất va chạm của slotted ALOHA vớ ố ợng trại s lư m vô hạn
Hình 3.5 Thông lượng trung bình của slotted ALOHA trạm hữu hạn
Hình 3.6 Xác suất va chạm của slotted ALOHA vô hạ ở n trạm hữu hạn
Đánh giá hiệ u qu ả sử dụng kênh truyền
Dựa vào kết quả mô phỏng trong hai tình huống số lượng trạm vô hạn và số lượng trạm hữu hạn, đều tương đồng về sự thay đổi của thông lượng khi có sự biến đổi của tải Cụ thể, trong trường hợp tải nhẹ từ 0 đến 1, có thể thấy mạng hoạt động khá hiệu quả, thông lượng tăng khá nhanh có thể coi như gần tuyến tính Lí do là tại vì một trạm có thể sử dụng toàn bộ kênh truyền Trường hợp tải trung bình (xấp xỉ bằng 1), mạng đạt hiệu quả cao nhất đúng so với lý thuyết là 36,8% Đến giai đoạn tiếp theo, khi tải càng tăng (trường hợp tải cao), thông lượng giảm nhanh chó và giảm gần về 0 khi ng tải xấp xỉ bằng 8 Điều này có thể lí giải bằng việc khi số lượng trạm tăng lên, càng nhiều trạm cần truyền nên xung đột xảy ra nhiều hơn dẫn đến hiệu suất của mạng giảm đáng kể
Thêm vào đó, từ hai đồ thị sự phụ thuộc của xác suất xảy ra xung đột vào tải trong cả hai trường hợp đều có thể thay khi tải có xu hướng tăng dần lên thì xác suất va chạm cũng tăng theo Bởi tải tăng lên đồng nghĩa với càng nhiều trạm tham gia vào kênh truyền nên dẫn đến xác suất va chạm càng cao.