Báo cáo bài tập môn học “Đánh giá hiệu năng mạng” Đê tài so sánh hiệu suất giữa droptail và red

1.4.Ưu và nhược điểm của RED Ưu điểm: Kiểm soát tắc nghẽn hiệu quả: RED dự đoán tắc nghẽn sớm Và thả gói tin trước khi hàng đợi đây, giúp tránh được tình trạng mắt gói tin hàng loạt nh

TRUONG DAI HOC DIEN LUC KHOA CONG NGHE THONG TIN

<

ĐáI HỌC ĐIỆn LỰC

ELECTRIC POWER UNIVERSITY

BAO CAO BÀI TẬP MÔN HỌC “ĐÁNH GIÁ

HIỆU NĂNG MẠNG”

ĐÊỀ' TÀI: So sánh hiệu suất giữa DropTail va RED

Giảng viên hướng dẫn: TS Pham Quang Huy

Nam hoc: 2024-2025

Ha N6i,22 thang 10 nam 2024

Muc luc

Chương 1: Tổng quan về các thuật toán hàng đợi

I9 ou nh .H)HẬH 2

I (ae AT ,),),HA

1.3.Ưu và nhược điểm của DropTail

1.4.Uu va nhược điểm của RED

Chương 2: Mô tả môi trường mô phỏng

2.1.Mô tả câu hình mạng

2.2.Câu hình các liên kết TCTP - 5< x+< E3 SSEESE 3E SE HH HH cư krưnrep 2.3.Cầu hình các liên kết UDP

2.4.Mô tả hàng đợi DropTail

2.5.Mô tả hàng đợi RED

2.6.Công cụ mô phỏng: NS-2 và NAM HH HE 5

Chương 3: Kết quả phân tích hiệu suất . - - +2 22+ +2+#++E+E+E+E+Ees+etzeeveeesrererzerecxe 6

3.1.Phân tích thông lượng

3.2.Phân tích độ trễ - << kExE 1211318 E111 E311 1 H1 TH HH HH Tư

3.3.Phân tích mát gói

Chương 4: So sánh kết quả giữa DropTail và RED

4.1So sánh thông lượng

4.2.So sánh độ trễ

4.3.So sánh tình trạng mắt gói — 8

4.4.Bảng so sánh kết quả giữa DropTail và RIED + + +52 ++c+z+sczeeezeeesrsrzrxce 9 a0 041i 0n 10

5.1.Tổng kết các điểm khác biệt chính giữa DropTail và RED -cc-: ccss 10

5.2.Kết luận về hiệu suất của DropTail và RIED ¿5-5 xxx rrrerrreree 10

5.3.Đề xuất hướng phát triển và cải tiến cho các nghiên cứu tiếp theo . 10

Chương 1: Tổng quan về các thuật toán hàng đợi

1.1.Téng quan vé DropTail

DropTail là một thuật toán quản lý hàng đợi đơn giản và phô biến trong các mạng

truyền thông Hàng đợi DropTail hoạt động dựa trên nguyên tắc FIFO (Firsi-In,

First-Out), trong đó các gói tin được xếp vào hàng đợi theo thứ tự chúng đến và

sẽ được xử lý lần lượt

Khi hàng đợi đạt đến dung lượng tối đa được cấu hình, DropTail sẽ tự động loại bỏ

các gói tin đến sau, hay còn gọi là dropping tail Điều này dẫn đến tình trạng mất gói

tin đột ngột khi hàng đợi bị day, khiến cho các gói tin sau không được xử lý

DropTail có kiến trúc đơn giản, dễ triển khai và không yêu cầu nhiều tài nguyên tính

toán, nhưng thiểu các cơ chế phức tạp để kiêm soát tắc nghẽn trước khi hàng đợi đây

1.2.Téng quan vé RED

RED (Random Early Detection) là một thuật toán quản lý hàng đợi tiên tiến hơn so

với DropTail, được thiết kế để giảm thiêu tắc nghẽn bằng cách thả ngẫu nhiên các gói tin trước khi hàng đợi đầy hoàn toàn RED hoạt động dựa trên việc dự báo tắc nghẽn thông qua việc theo dõi trung bình số lượng gói tin trong hàng đợi Khi sỐ lượng gói tin vượt qua một ngưỡng nhất định, RED sẽ bắt đầu thả ngẫu nhiên một số gói tin Mục tiêu của RED là phân tán việc thả gói tin đề tránh tinh trang burst drops (roi gói

tin đột ngột) như trong DropTail Điều này giúp giữ cho độ trễ và mắt

gói tin ở mức én định hơn RED được thiết kế để hoạt động hiệu qua trong cac mạng có tắc nghẽn cao bằng cách giảm bớt tải trên hàng đợi từ sớm

1.3.Ưu và nhược điểm của DropTail

Ưu điểm:

« _ Đơn giản Và dễ triển khai: DropTail không yêu cầu nhiều tài nguyên tính toán

và câu hình, chỉ cần xác định dung lượng hàng đợi tối đa

« Hiệu suất ổn định trong điều kiện tải thấp: Trong các mạng có lưu lượng tải nhẹ, DropTail có thê hoạt động tốt và hiệu quả, vì hàng đợi ít khi đạt đên giới hạn

«Phổ biến: DropTail là thuật toán hàng đợi mặc định trong nhiều thiết bị

mạng do tính đơn giản và dê sử dụng

Nhược điểm:

Không dự báo được tắc nghẽn: DropTail chỉ bắt đầu thả gói khi hàng đợi day, điều này dẫn đến tinh trạng mắt gói tin đột ngột, gây ra sự SUY giảm hiệu suất

Head-of-line blocking: Khi một gói tin đến đầu hàng đợi nhưng không thê xử

lý được (do tắc nghẽn hoặc lỗi), tất cả các gói tin sau đó đều bị giữ lại

Thiếu công bằng: Khi có nhiều nguồn lưu lượng lớn, những nguồn này có thê chiếm toàn bộ băng thông và gây ra tình trạng starvation (không được phục vụ) cho các nguồn lưu lượng nhỏ hơn

1.4.Ưu và nhược điểm của RED

Ưu điểm:

Kiểm soát tắc nghẽn hiệu quả: RED dự đoán tắc nghẽn sớm Và thả gói tin trước

khi hàng đợi đây, giúp tránh được tình trạng mắt gói tin hàng loạt như trong DropTail

Cải thiện độ trễ: Bằng cách thả gói tin ngẫu nhiên khi hàng đợi chưa đầy, RED

giúp giảm thời gian chờ xử lý và độ trễ trong mạng

Công bằng hơn: RED phân bồ việc thả gói tin cho nhiều luồng khác nhau, tránh

tình trạng một nguồn lưu lượng lớn chiếm hết băng thông

Giảm thiêu hiện tượng "global synchronization": RED ngăn chặn hiện

tượng tất cả các nguồn lưu lượng TP cùng giảm tốc độ truyền do thả gói tin hàng loạt

Nhược điểm:

Cấu hình phức tạp: RED yêu cầu phải điều chỉnh các tham số như

ngưỡng min, ngưỡng max và Xác suất thả gói tin đề hoạt động hiệu quả, điều này

đòi hỏi sự hiểu biết sâu về mạng

Tốn tài nguyên hơn: So với DropTail, RED yêu cầu tài nguyên tính toán lớn

hơn do việc giám sat và điều chỉnh số lượng gói tin trong hàng đợi

Hiệu suất không cao trong mạng có lưu lượng tải thấp: Khi lưu lượng tải thấp,

RED có thể không tạo ra sự khác biệt đáng kê so với DropTan

Chương 2: Mô tả môi trường mô phỏng

2.1.Mô tả cầu hình mang

Mô phỏng được thiết lập với 6 nút mạng trong một cấu trúc mạng bao gồm cả các liên kết TCP và UDP Các nút mạng bao gồm n0, n1, n2, n3, n4, và n5 Nút n0 và n1 là các nguồn TCP, trong khi n2 là nguồn UDP Các gói tin TCP từ n0 và nI sẽ truyền đến đích là n4, còn các gói tin UDP từ n2 sẽ truyền đến đích là n5

Các liên kết giữa các nút được cấu hình với các tốc độ băng thông và độ trễ khác nhau, giúp mô phỏng một hệ thông mạng với các đặc tính thực tế Các liên kết sử dụng hai cơ chế quản lý hàng đợi: DropTail cho một số liên kết và RED cho một số

liên kết khác

2.2.GCấu hình các liên kết TCP

Các liên kết TCP được thiết lập giữa:

„ _ n0 và n4: Gói tin TP từ n0 sẽ truyền tới n4 qua các liên kết đi qua n2 và n3

„ _ n1 vàn4: Gói tin TP từ n1 cũng truyền tới n4 thông qua cùng các liên kết

Cy thé, cầu hình băng thông và độ trễ của các liên kết liên quan đến TCP như Sau:

‹« _ Liên kết n0 - n2 và n1 - n2: Băng thông 3Mb với độ trễ 12ms, hàng đợi sử

dụng thuật toán Drop Tanl

« - Liên kết n2 - n3: Băng thông 2.5Mb với độ trễ 15ms, sử dụng DropTail

‹ _ Liên kết n3 - n4: Băng thông 3Mb với độ trễ 12ms, hàng đợi DropTail được

sử dụng

Các hàng đợi DropTail được giới hạn với kích thước 10 gói trên các liên kết từ n2 đến n3 và từ n3 đến n4

2.3.Cấu hình các liên kết UDP

Liên kết UDP được thiết lập giữa n2 và n5, với nguồn UDP tại n2 và đích là n5 Gói tin

UDP được truyền từ n2 qua n3, n4, và cuối cùng đến n5

Cấu hình của liên kết UDP:

« - Liên kếtn4-— n5: Băng thông IMb với độ trễ l0ms, sử dụng thuật toán RED

(Random Early Detection) dé quản lý hàng đợi, giúp kiểm soát tắc nghẽn hiệu quả hơn so với Drop Tan

Lưu lượng UDP được sinh ra bởi một ứng dụng CBR (Constant Bit Rate) với kích thước gói là 1000 byte và tốc độ 500kbps CBRH tạo ra các gói tin đều dan dé mô phỏng lưu lượng video hoặc âm thanh trong các mạng thực tế

2.4.Mô tả hàng đợi DropTail

DropTail được cầu hình trên các liên kết sau:

« _ Liên kết n0 - n2

« Liên kết n1 -n2

« _ Liên kếtn2- n3

‹ Liên kết n3 — n4

Hàng đợi DropTail trên các liên kết này được giới hạn với dung lượng là 10 gói tin Đây là hàng đợi theo nguyên tắc FIFO (First-In, First-Out), trong đó các gói tin đến trước sẽ được xử lý trước, và khi hàng đợi đầy, các gói tin đến sau sẽ bị thả

2.5.Mô tả hàng đợi RED

Hàng đợi RED (Random Early Detection) được sử dụng cho liên kết giữa n4 và n5

RED cho phép thả gói tin ngẫu nhiên trước khi hàng đợi đầy hoàn toàn, dựa trên việc

tính toán trung bình số lượng gói tin trong hàng đợi Điều này giúp giảm thiểu tắc nghẽn sớm và ngăn chặn hiện tượng burst drop (mất gói đột ngột)

RED giúp giảm tình trạng thả gói hàng loạt và giảm thiểu độ trễ trong mạng, đặc biệt là khi có lưu lượng cao Thông qua việc điều chỉnh Xác suất thả gói, RED cải thiện độ ôn định và công bằng giữa các luỗng dữ liệu

2.6.Công cụ mô phỏng: NS-2 và NAM

Môi trường mô phỏng sử dụng công cụ NS-2 (Network Simulator 2), một công cụ mô

phỏng phô biến và mạnh mẽ cho các nghiên cứu và thử nghiệm về mạng máy tính

NS-2 hé tro cả giao thức TCP và UDP, cho phép mô phỏng các loại lưu lượng khác nhau trong các cầu trúc mạng phức tạp

Đồng thời, NAM (Network Animator) được sử dụng đề trực quan hóa các luồng dữ

liệu trong quá trình mô phỏng NAM giúp dễ dàng theo dõi sự di chuyên của gói tin,

sự thay đôi trạng thái của hàng đợi, và đánh giá hiệu suất mạng trực quan thông qua

dé hoa

Trong mô phỏng này, kết quả được ghi lại trong hai file: out.tr (file trace) dé lwu vét chi tiết các sự kiện và out.nam đề lưu vết cho NAM sử dụng trong việc trực quan hóa luồng

đữ liệu.

Chuong 3: Két qua phan tich hiéu suat

3.1.Phan tich thông lượng

Thông lượng (throughput) được đo bằng lượng đữ liệu thành công truyền từ nguồn đến đích trong một khoảng thời gian nhất định, thường tính bằng Mbps hoặc Kbps

Trong mô phỏng này, thông lượng của các gói tin TP và UDP được phân tích trên các

liên kết sử dụng hàng đợi DropTail và RED

DropTail: Khi str dung DropTail, do cach quan ly hang doi theo kiéu FIFO

(First-In, First-Out), néu hàng đợi day, cdc gói tin mới sẽ bi tha (drop) Diéu

này dẫn đến việc giảm thông lượng khi lưu lượng quá tải Với cấu hình băng thông 2.5Mb trên liên kết giữa n2 và n3, thông lượng của các gói tin TCP từ

n0 và n1 có thê đạt mức tối đa nhưng sẽ giảm dần khi hàng đợi trở nên quá tải RED: Với RED, hàng đợi ngẫu nhiên thả gói tin trước khi hàng đợi đầy hoàn toàn, điều này giúp ngăn chặn tắc nghẽn sớm và cải thiện thông

lượng Trên liên kết n4 — n5, việc sử dụng RED có khả năng duy trÌ thông lượng

ôn định hơn khi lưu lượng tăng cao, đặc biệt với lưu lượng UDP truyền đến n5 Kết luận thông lượng:

DropTail có thẻ đạt thông lượng tôi đa khi tải thấp, nhưng khi lưu lượng tăng,

thông lượng giảm mạnh do việc thả gói đột ngột khi hàng đợi đây

RED có khả năng duy trì thông lượng ôn định hơn, do tính năng thả gói ngẫu

nhiên giúp giảm tắc nghẽn sớm và tránh mất gói hàng loạt

3.2.Phân tích độ trễ

Độ trễ (delay) là khoảng thời gian mà một gói tin mắt từ khi rời khỏi nguồn đến khi

đên đích Nó bao gôm thời gian truyền, thời gian xử lý hàng đợi, và các yêu tô như độ trề của liên kết vật lý

DropTail: Khi hàng đợi đây, các gói tin phải chờ lâu hơn để được xử lý, dẫn

đến việc tăng độ trễ Trên liên kết giữa n2 và n3, khi lưu lượng TCP quá tải,

độ trễ CO thé tăng lên đáng kê Điều này đặc biệt rõ ràng khi hàng đợi 10 gói

day, các gói tin mới phải đợi hoặc bi tha

RED: Do RED bat dau thả gói tin trước khi hàng đợi đây, nó có thê giảm độ

trễ trung bình bằng cách tránh việc tắc nghẽn và giữ cho hàng đợi ở trạng thái nhẹ hơn Trên liên kết n4 - n5, nơi RED được sử dụng cho lưu lượng UDP, độ trễ sẽ ôn định hơn ngay cả khi lưu lượng tăng cao

Kết luận về độ trễ:

« _ DropTail có độ trễ thấp khi lưu lượng mạng Ít, nhưng độ trễ tăng mạnh khi

mạng bị quá tải do cơ chế thả gói hàng loạt khi hàng đợi đây

„ - RED giúp duy trì độ trễ ôn định hơn nhờ cơ chế thả gói ngẫu nhiên, tránh việc

tắc nghẽn nghiêm trọng và đảm bảo mạng không bị quá tải

3.3.Phân tích mất gói

Mắt gói (packet loss) xay ra khi một gói tin bị loại bỏ khỏi hàng đợi vì hàng đợi day hoặc do lỗi trong mạng Đây là một trong những yếu tô ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ mạng, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ tín cậy cao như truyền thông âm thanh/video hoặc truyền file

¢ DropTail: Khi str dung DropTail, mat g6i thuong xay ra khi hàng đợi đạt đến giới hạn dung lượng của nó (10 gói trong mô phỏng này) Khi các liên kết như n2 - n3 trở nên quá tải với lưu lượng TCP cao, hàng đợi sẽ nhanh chóng đầy và các gói tin đến sau sẽ bị loại bỏ ngay lập tức, dẫn đến mắt goi

« RED: RED tha géi tin một cách ngẫu nhiên khi số lượng gói tin trong hang đợi vượt quá một ngưỡng nhất định Điều này giúp ngăn chặn tình trạng mất

gói hàng loạt xảy ra khi hàng đợi day Do do, trên liên kết n4 — n5, noi RED

được câu hình, số lượng gói tin bị thả sẽ ít hơn so với DropTail, vì RED cố găng ngăn ngừa tắc nghẽn từ trước

Chương 4: So sánh kết quả giữa DropTail và RED

4.1So sánh thông lượng

DropTail: Trong điều kiện mạng không bị quá tải, thông lượng của DropTail

có thể đạt mức tối đa do hàng đợi hoạt động theo cơ chế FIFO Tuy nhiên, khi lưu lượng tăng lên và hàng đợi bị đầy, thông lượng giảm đột ngột do các gói tin mới đến sẽ bị thả Trong mô phỏng, trên liên kết TCP giữa n2 và n3, điều này dẫn đến sự giảm sút nghiêm trọng về thông lượng khi lưu lượng tăng cao RED: Với cơ chế thả gói tin ngẫu nhiên khi hàng đợi bắt đầu đầy, RED giúp

duy trì thông lượng ôn định hơn ngay cả khi lưu lượng cao Kết quả mô phỏng

cho thấy thông lượng trên liên kết n4 — n5 (với RED) duy trì tốt hơn so với DropTail, ngay cả khi lưu lượng mạng tăng lên

Kết luận: RED vượt trội hơn DropTail trong việc duy trì thông lượng ôn định, đặc biệt trong điều kiện tải mạng cao

4.2.So sánh độ trễ

DropTail: Do các gói tin phải chờ trong hàng đợi đến khi được xử lý, khi hàng đợi bắt đầu day, độ trễ của DropTail sẽ tăng mạnh Điều này trở nên đặc biệt nghiêm trọng khi lưu lượng tăng cao trên các liên kết TCP, như liên kết giữa n2 và n8 Khi hàng đợi đạt giới hạn, các gói tin mới phải đợi lâu hơn hoặc bị thả, làm tăng độ trễ tông thẻ

RED: Nhờ khả năng thả gói tin sớm khi hàng đợi bắt đầu đạt đến một

ngưỡng nhất định, RED giúp giảm tải cho hàng đợi và ngăn chặn tắc

nghẽn nghiêm trọng Trên liên kết n4 — n5, kết quả mô phỏng cho thấy độ trễ khi

sử dụng RED ôn định hơn và ít biến động hơn so với Drop Tai

Kết luận: RED giúp kiêm soát độ trễ tốt hơn DropTail, đặc biệt trong các tình huống tắc

nghẽn mạng

4.3.So sanh tinh trang mat gói

DropTail: Cơ chế FIFO của DropTail dễ dẫn đến mắt gói hàng loạt khi hàng đợi đầy Trong các liên kết bị quá tải, như giữa n2 và n3, các gói tin đến sau sẽ

bị thả hoàn toàn, dẫn đến tình trạng mất gói nhiều hơn Điều này có thể ảnh hưởng tiêU cực đến chất lượng dịch vụ Và khả năng tỉn cậy của mạng

RED: Với cơ chế thả gói tin ngẫu nhiên trước khi hàng đợi đầy hoàn toàn, RED

giúp giảm thiêu tình trang mat gói hàng loạt Trên liên kết n4 — n5,

kết quả cho thấy số lượng gói tin bị thả it hon nhiéu so voi DropTail, giúp duy trì

kết nối ôn định và giảm thiểu mất gói

Kết luận: RED giảm thiêu tình trạng mất gói hiệu quả hơn DropTail nhờ cơ chế thả gói

tin ngau nhiên

4.4.Bảng so sánh kết quả giữa DropTail và RED

Bảng dưới đây tóm tắt so sánh giữa hai thuật toán dựa trên các yếu tố đã phân tích:

Yêu tô DropTail hED

Thông lượng Giảm mạnh khi lưu

lượng cao, gói tin bị thả

khi hàng đợi đầy

Duy trì én định hơn nhờ thả

gói ngẫu nhiên sớm

D6 tre Tăng mạnh khi Hằng đợi | 6, dink hon nho kidm soat

day `

hang doi Mat gói Cao khi hang doi day Thap hon nho tha

gói tin ngẫu nhiên trước kh

day

Quan ly tac nghén Không hiệu quả khi tải

mang cao

Hiéu qua hon trong viéc kiém soat tac nghén

Hiệu suất tông thê

Tốt khi tải mạng thấp,

giảm mạnh khi quá tải Tốt hơn trong môi

trường lưu lượng cao