mô hình thích nghi - giao thức họ tcp cho các ứng dụng đa phương tiện trong mạng không dây (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA *** VŨ TẤT THÀNH MÔ HNH TỰ THCH NGHI – GIAO THỨC HỌ TCP CHO CÁC ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN TRONG MẠNG KHÔNG DÂY Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 62 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà nội, 2014 2 Công trình được hoàn thành tại: VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: PGS. TSKH. Nguyn Hng V TS. Ngô Văn SPGS. TSKH Nguyn Hng V. TS. Ngô Văn Sỹ Phản biện 1: PGS. TS. Đinh Th Cường. PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải Phản biện 2: PGS. TSKH. Hoàng Đăng Hải PGS.TS. Lê Nht Thăng Phản biện 3: PGS. TS Phạm Văn Bình TS. Lê Hải Nam Lun án sẽ được bảo vệ tại Hội đng chấm lun án cấp Viện họp tại: Vào hi ……….giờ ……ngày …… tháng……….năm……. Có thể tìm hiểu lun án tại thư viện: 3 MỞ ĐẦU Xu hướng hội t v công nghệ mạng IP và tnh chất đa dạng ca các mạng máy tnh, vin thông trong tương lai sẽ khin việc đảm bảo chất lượng dch v cho các kt nối thông qua các mạng này tr thành một th thách lớn, đặc biệt khi mô hình mạng hiện nay là hỗn hợp, bao gm nhiu loại kênh truyn khác nhau. Xu hướng s dng ngày càng phổ bin các ứng dng đa phương tiện, chứa nhiu loại dữ liệu dung lượng lớn như thoại, ảnh, video cng yêu cầu băng thông cấp phát cho mỗi ứng dng này càng cao. Mặc d băng thông ca các mạng không dây th hệ mới này đã được cải thiện, song mạng không dây vẫn là nơi tht nt ca mạng hỗn hợp, như internet. Trong kt nối mạng hỗn hợp, điểm kt nối thường xảy ra tc nghẽn. Nguyên nhân gây nên việc mất các gói tin trong mạng không dây khác xa các giả thit v nguyên nhân gây mất các gói tin khi thit k các giao thức truyn thông truyn thống như TCP/IP. Vì vy nhu cầu cần thit phải xây dựng một mô hình tự thch nghi, thông qua việc đo băng thông tức thời, phát hiện chất lượng đường truyn, điu chỉnh tốc độ truyn tin để đảm bảo chất lượng ca các ứng dng đa phương tiện, trong mạng không dây là rất cần thit. Đây chnh là nội dung ca công trình nghiên cứu này. Mc tiêu ca lun án là đ xuất phương pháp xác đnh nhanh chóng trạng thái kênh truyn, điu chỉnh phương pháp tnh thời gian khứ hi gói tin, từ đó xây dựng một mô hình thch nghi với sự thay đổi tham số ca môi trường mạng, đặc biệt có thể bin thiên với phần mạng không dây. Lun án áp dng kt quả nghiên cứu lý thuyt vào một giao thức truyn thông thuộc họ giao thức TCP, cải thiện thông lượng, hội t nhanh, thch ứng tốt với lỗi mất gói tin cho ứng dng đa phương tiện trong mạng hỗn hợp, có s dng các thit b di động như các đầu cuối để thu phát tn hiệu với các trạm gốc. Bố cc ca lun án gm 3 chương. Chương I giới thiệu mô hình tham chiu TCP/IP, ứng dng lý thuyt kiểm soát lưu lượng, chống tc nghẽn. Vấn đ điu khiển tc nghẽn trong mạng có kt nối phức tạp, không đng nhất, bao gm đoạn mạng không dây, từ các ứng dng đa phương tiện, là các ứng dng phổ bin hiện nay. TCP được phân tch không đạt hiệu năng cao khi 4 hoạt động trong môi trường mạng như vy. Chương I đặt mc tiêu nghiên cứu ca lun án là xây dựng một mô hình điu khiển thông minh, nhằm phản ứng linh hoạt hơn với các bin cố ca đường truyn. Chương II tổng hợp các đ xuất trong việc khc phc điểm yu ca giao thức truyn thông họ TCP cho đn nay. Trong chương này, lun án xây dựng công thức mới, cho php tính nhanh chóng nhu cầu băng thông ca các kt nối và băng thông khả dng ca đường truyn. Chương III đ xuất mô hình điu khiển thch nghi, là mô hình điu khiển tổng quát cho các giao thức họ TCP, đảm bảo hiệu suất truyn thông đng thời sự công bằng giữa các luông tin. Trong mô hình này cơ ch ECIMD được đ xuất thay th cho AIMD ca TCP, và được phân tch trong tình huống điu chỉnh kch thước ca sổ truyn, với các giá tr mới ca các hệ số điu khiển, đảm bảo hiệu năng và khả năng đáp ứng nhanh với môi trường mạng, đng thời đảm bảo công bằng giữa các lung tin do đó hạn ch tc nghẽn. Nghiên cứu cho thấy trong tình huống việc điu khiển giá tr ca sổ khi có lỗi đơn cho thấy cơ ch này mang lại thông lượng tốt hơn so với AIMD. Chương này cng đ xuất phương pháp tnh giá tr thời gian khứ hi gói tin, dựa trên phân tch tổng trọng số ca N mẫu gần nhất. Điu này đặc biệt quan trọng với môi trường không dây hay bin đổi, nên chỉ cần quan tâm đn sự ảnh hưng ca một số giá tr gần nhất. Mô hình đ xuất đã được áp dng để xây dựng một giao thức họ TCP là WRCAP và th nghiệm mô phỏng trong môi trường NS đạt hiệu suất cao hơn, có khả năng phát hiện, phân biệt và phòng lỗi hiệu quả hơn so với các kt quả nghiên cứu đang s dng hiện nay trong các giao thức họ TCP, khi chạy trên môi trường hỗn hợp, trong mô hình có trạm gốc và trạm di động. CHƯƠNG 1. ĐIU KHIN LƯU LƯNG VÀ TC NGHN 1.1 Sự phát triển của mạng máy tính và ứng dụng Năm 1967, Robert L. G. đã đ xuất một mạng máy tnh th nghiệm, sau đó tr thành mạng ARPANET, tin thân ca mạng Internet. Khi các mạng vệ tinh và vô tuyn ra đời, Mô hình tham chiu TCP/IP ra đời để đáp ứng nhu cầu giao tip liên mạng. 5 1.2 Kiến trúc mạng Internet và mô hình tham chiếu TCP/IP Sau đây mô hình tham chiu TCP/IP sẽ được trình bày và so sánh với mô hình tham chiu OSI truyn thống trong truyn thông. Hình 1.1 Mô hình tham chiếu TCP/IP và mô hình tham chiếu OSI 1.3 Điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn 1.3.1 Cơ bản về điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn 1.3.1.1 Khái niệm Điều khiển lưu lượng liên quan đn việc vn chuyển giữa một người gi nào đó và một người nhn. Nhiệm v ca nó là đảm bảo rằng bên gi có tốc độ nhanh không thể tip tc truyn dữ liệu nhanh hơn mức mà bên nhn có thể tip thu được. Điều khiển tắc nghẽn thực hiện nhiệm v đảm bảo cho mạng có khả năng vn chuyển lưu lượng đưa vào. Điu khiển lưu lượng và điu khiển tc nghẽn là hai khái niệm khác nhau, nhưng liên quan chặt chẽ với nhau. Điu khiển lưu lượng là để tránh tc nghẽn, còn điu khiển tc nghẽn là để đ phòng tc nghẽn trước khi nó xuất hiện. 1.3.1.2 Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP Giao thức TCP là giao thức hướng kt nối, kiểu đầu cuối - đầu cuối, tin cy, được thit k ph hợp với kin trc phân lớp các giao thức. Trên hình 1.7 là một chng các giao thức, trong đó giao thức TCP nằm trên giao thức IP. 6 Hình 1.2 Sự phân lớp các giao thức Kt nối: Để đảm bảo việc vn chuyển tin cy và thực hiện được cơ ch điu khiển lưu lượng, TCP phải khi tạo và duy trì một số thông tin trạng thái cho mỗi dòng dữ liệu. Sự tin cy: TCP phải khôi phc lại được gói số liệu b hỏng, b mất, b lặp hoặc b phân phát sai thứ tự do hệ thống truyn thông gây ra. Điu này có thể đạt được bằng cách gán số thứ tự cho mỗi byte được truyn đi và phải có sự biên nhn đã nhn đng (ack) từ bên nhn ca kt nối TCP. Điu khiển lưu lượng bằng ca sổ: TCP cung cấp phương tiện cho bên nhn để nó điu khiển lưu lượng mà bên gi phát đi. Để thực hiện việc điu khiển này, bên nhn sẽ gi một “ca sổ” trong mỗi biên nhn, chỉ ra một min các số thứ tự mà nó sẽ chấp nhn, tip sau số thứ tự ca gói số liệu mà nó đã nhn thành công. Khởi động chậm Thut toán khi động chm (SS, Slow Start) khc phc nguyên nhân gây tc nghẽn mạng do gi nhiu gói tin hơn khả năng đáp ứng ca mạng, bằng cách tăng lượng dữ liệu được vn chuyển cho tới khi đạt tới cân bằng. 1.3.1.3 Tính thời gian khứ hồi và thời gian hết hạn gói tin Tnh thời gian khứ hi một cách thông minh theo đặc tả cho giao thức TCP, RFC- 793 [38] tnh ước lượng thời gian khứ hi và thời gian để gi lại như sau: RTT = (α . RTT_cũ) + ((1 − α) . RTT mới) (1. 1) RTO(k+1) = β . RTT(k+1) (1. 2) 1.3.1.4 Rút lui theo hàm mũ. TCP sẽ đặt lại đng h phát bằng khoảng thời gian rt lui và khoảng đó sẽ được tăng gấp đôi cứ mỗi lần b ht giờ liên tip. Cơ ch rt lui này được giải thch tỉ mỉ trong [20], [30]. 7 1.3.1.5 Tránh tắc nghẽn Một chin lược tránh tc nghẽn(CA, Congestion Avoidance) như đ xuất trong [20], bao gm: thứ nhất: mạng phải có khả năng gi tn hiệu đn cho các thực thể  đầu cuối ca các kt nối (endpoint), báo cho chng bit là tc nghẽn đang xảy ra hoặc sp xảy ra; thứ hai: các endpoint phải có chnh sách giảm lưu lượng đưa vào mạng nu nhn được các tn hiệu báo và tăng thêm lưu lượng đưa vào mạng nu không nhn được tn hiệu báo này. Chính sách của TCP đối với tắc nghẽn: Đó chnh là chnh sách tăng theo cấp số cộng, giảm theo cấp số nhân (AIMD), như đã được triển khai thực hiện trong BSD [18][34]; 1.4 TCP và ứng dụng đa phương tiện trên môi trường không dây Ảnh hưởng của đặc tính lỗi đường truyền không dây Với đặc tnh tỉ suất lỗi bit cao ca đường truyn không dây, người ta phải chọn kch thước cực đại ca đơn v dữ liệu truyn, MTU (Maximum Transmission Unit) nhỏ hơn nhiu so với đơn v dữ liệu trong các mạng có dây. Hệ quả là các chi ph cho x lý gói số liệu (đóng gói dữ liệu, tách dữ liệu )  các nt trên đường truyn tăng lên và làm giảm thông lượng. Ảnh hưởng của sự gián đoạn kết nối thường xuyên Tác động đng thời ca tỉ suất lỗi bit cao và sự kt nối hay b đứt đoạn ca các đường truyn không dây lên hiệu suất ca giao thức TCP đã được nhiu người nghiên cứu, trong đó phải kể đn nghiên cứu ca R. Yavatkar và N. Bhagwat trong [19]. Hình 1.3 Ảnh hưởng của tỉ suất lỗi bit (BER) cao và thời gian cuộc gọi đến tc độ truyền của TCP Từ kt quả được trình bày trên, chng ta có thể nhn thấy: 8  Ngay cả khi đường truyn không gây lỗi (tỉ suất mất gói số liệu bằng 0%), việc dừng kt nối do chuyển cuộc gọi, cng làm giảm tốc độ truyn rất nhiu.  Ngay cả khi không có sự tạm dừng kt nối do chuyển cuộc gọi (đường trên cng ca đ th), tỉ suất mất gói số liệu tăng lên làm tốc độ truyn giảm đi rất mạnh. 1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu Mc tiêu nghiên cứu ca lun án là xây dựng một mô hình điu khiển thông minh, nhằm phản ứng linh hoạt hơn với các bin cố ca đường truyn. Mô hình điu khiển thch nghi sẽ có các thành phần nhằm đo đạc các tham số trạng thái tại thời điểm xem xt và có các chức năng sau: Lược sử Là nơi lưu giữ thông số ca N trạng thái quá khứ còn có ảnh hưng đn hiện tại. Ước lượng Tham s QoS Là chức năng x lý thông tin v các tham số môi trường, tham khảo các giá tr đã lưu trong ký ức ca hệ thống để tiệm cn nhanh nhất đn giá tr các trạng thái tức thời ca hệ thống. Hình 1.4 Kiến trúc nguyên lý điều khiển thích nghi Điều khiển thích nghi: Qui trình điu khiển hiện nay s dng phương pháp mô hình chất lỏng ))(),(( )( tetxf dt tdx  , trong đó x(t) là trạng thái ca môi trường. e(t) là kt quả tnh toán một thông số nào đấy, hoặc s dng phương pháp mô hình rời rạc x(k+1)=x(k)+f( ) Với việc đưa vào kin thức mà mô hình điu khiển thu thp được từ N trạng thái trước đó. Mô hình rời rạc sẽ có dạng: x(k+1)=x(k)+f[x(k-1), ,x(k-N+1)] Hiện thực tham s 9 Đây là bộ phn thi hành các quyt đnh đã được bộ phn điều khiển thích nghi đưa ra, trong một giới hạn thời gian nào đó. Việc thực thi này sẽ thể hiện là các phản ứng ca hệ thống đối với môi trường. Trong mô hình điu khiển thch nghi, các thông số đầu vào và các điu chỉnh đối với đầu ra ph thuộc vào mỗi loại thông số môi trường c thể. Hình 1.5 Mô hình điều khiển tự thích nghi Để quản lý bộ nhớ đệm, ta sẽ có Z k = Z k-1 + u(t), với u(t) là hàm ca các bin đổi. Cơ ch điu chỉnh áp dng kt quả nghiên cứu phương pháp quản lý vng đệm theo RED trong [1] [61], để hạn ch khả năng tràn bộ đệm. Các bin trạng thái có thể được tnh mỗi khi có một gói tin được nhn hoặc khoảng thời gian giữa các gói tin. Quyt đnh đưa ra cho việc x lý gói tin đang đn dựa trên việc so sánh bin trạng thái với các giá tr giới hạn. 1.6 Kết luận chương I Trong chương I đã phân tch đặc điểm thit k ca giao thức truyn thông TCP và các cơ ch kiểm soát lưu lượng, chống tc nghẽn ca TCP. Trong chương tip theo sẽ tổng hợp các phương án, đ xuất hiện có, nhằm mc đch cải tin giao thức TCP để đạt hiệu suất cao hơn trong môi trường không dây và mạng hỗn hợp. CHƯƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP ĐIU KHIN TC NGHN TRONG MẠNG CÓ KẾT NỐI PHỨC TẠP Trong chương này, sẽ trình bầy các hướng tip cn chnh nhằm cải thiện hiệu năng ca TCP trong môi trường mạng có kt nối phức tạp. Chng tôi phân loại các phương pháp tip cn thành hai tp hợp các giải pháp. 10 2.1 Cấu trúc mạng có kết ni phức tạp – mạng có kết ni không dây Trong thực t, việc đáp ứng khả năng kt nối ca các loại thit b khác nhau hiện nay ca con người, tạo nên một hệ thống mạng lưới phức hợp, bao gm các máy tnh và thit b khác s dng nhiu hệ điu hành và giao thức truyn thông khác nhau. Sự phức hợp cng được thể hiện trong các mạng không dây s dng các công nghệ truy cp khác nhau. 2.2 Các kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu năng TCP 2.2.1 Che giấu phần mạng hay làm mất gói s liệu do lỗi đường truyền Phương pháp này che giấu sự mất gói số liệu không phải do tc nghẽn, không cho bên gi ca kt nối TCP phát hiện ra. Kt quả là bên gi ca kt nối TCP hầu như chỉ nhn thấy được sự mất gói số liệu do tc nghẽn mạng. Các giải pháp ở tầng Liên kết dữ liệu Ưu điểm chnh ca việc khc phc lỗi  tầng Liên kt dữ liệu là nó thch hợp một cách tự nhiên với cấu trc phân lớp ca các giao thức mạng. Các kỹ thut điu khiển lỗi phổ bin nhất  tầng Liên kt dữ liệu:  Phát hiện lỗi / Khc phc lỗi.  Yêu cầu phát lại tự động. Các giải pháp ở tầng Giao vận Các giải pháp này cố gng nâng cao chất lượng đường truyn bằng cách phát lại các gói số liệu  mức giao thức TCP chứ không phải  tầng Liên kt dữ liệu. Agent TCP được đặt trong các trạm cơ s, chng nằm  đường vào mạng không dây. Cho đn nay có một số cơ ch s dng agent, điển hình là TCP gián tip ( I-TCP - Indirect TCP)[2], [3], [4], [9], [10], [36], Snoop TCP [15], [22], Split TCP[63], TCP-ADW [72] và một số đ xuất điu chỉnh các tham số TCP cho ph hợp như điu chỉnh kch thước động cho bộ đệm [53], [55],[71] điu chỉnh cơ ch điu khiển TCP[52], [56], [62], [67], [73], cải thiện cơ ch AIMD [54], điu khiển kch thước gói tin [60], điu khiển bằng hàm lưu lượng [57] hay bổ sung cơ ch che lỗi đường truyn và khôi phc liên kt (một dạng snoop  tầng liên kt) [17]. [...]... với các giao thức TCP Trong chương tiếp theo, từ những cơ sở kết luận được chứng minh trong chương II, luận án đề xuất phương án cải tiến cơ chế quản lý tắc nghẽn của TCP, giúp giao thức thích nghi tốt hơn trong môi trường không dây, cải thiện thông lượng, đồng thời đảm bảo công bằng giữa các luồng dữ liệu CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THÔNG TỰ THÍCH NGHI CHO MẠNG KHÔNG DÂY Trong. .. hưởng của các mẫu có giá trị nhất Mô hình đề xuất đã được áp dụng để xây dựng một giao thức họ TCP là WRCAP và thử nghi m mô phỏng trong môi trường NS đạt hiệu suất cao hơn, có khả năng phát hiện, phân biệt và phòng lỗi hiệu quả hơn so với các kết quả nghi n cứu đang sử dụng hiện nay trong các giao thức họ TCP KẾT LUẬN Mục tiêu chính của luận án là nghi n cứu và đề xuất một mô hình điều... tự thích nghi với môi trường vào điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn trong mạng hỗn hợp cố định – di động Luận án áp dụng mô hình này vào xây dựng giao thức WRCAP là một giao thức họ TCP Mô hình thích nghi có thể xác định và dự đoán trạng thái môi trường, từ đó đáp ứng tốt hơn, mang lại thông lượng tốt hơn Với những kết quả tính toán mô phỏng mô hình điều khiển thích nghi, luận... đề xuất phương án cải tiến cơ chế AIMD của giao thức TCP bằng mô hình tự thích nghi, giúp giao thức thích nghi tốt hơn trong môi trường không dây, cải thiện thông lượng, đồng thời đảm bảo công bằng giữa các luồng dữ liệu 3.1 Cơ chế điều khiển thích nghi Cơ chế điều khiển thích nghi được đề xuất như sau: wt+R = wt + a1 eKt+ a2.e-Kt wt+R = wt/2 nếu không mất gói tin nếu mất gói tin Hình 3... α*RTTVAR+( 1- )*|RTT-R|; RTT = α*.RTT+( 1- )*R; RTTmax = RTT+max(G,K*RTTVAR) 1 Hết chờ gói tin? 1 Tính toán mô phỏng Để xây dựng mô phỏng để so sánh thuật toán RTT điều chỉnh và phương pháp của TCP, chúng tôi sử dụng môi trường mô phỏng NS cho một trạm di động sử dụng TCP nối với trạm gốc bằng đường truyền 3Mbps mô phỏng cho mạng không dây (H.3.14a) a) b) Hình 3.7 Giá trị RTT đo bằng phương pháp.. .Các giải pháp liên tầng Một số đề xuất cải tiến giao thức TCP cho truyền thông không dây, sử dụng việc thông báo về lỗi tắc nghẽn từ tầng thấp hơn cho tầng giao vận, để nâng cao hiệu năng của TCP Các đề xuất [48],[50] sử dụng tín hiệu liên tầng để thích nghi kênh truyền cho các dữ liệu luồng video thời gian thực được đảm bảo chất lượng dịch vụ, song giới hạn nghi n cứu là cho mạng. .. thích nghi họ TCP cho môi trường không dây WRCAP Chúng tôi áp dụng các nghi n cứu về mô hình điều khiển thích nghi đã đề xuất vào triển khai giao thức WRCAP trên nền giao thức UDP Giao thức điều chỉnh tốc độ tự thích nghi WRCAP bao gồm bộ phận Theo dõi QoS được triển khai tại trạm gốc và các modul phần mềm là các thực thể được cài đặt tại trạm đầu cuối, trong kịch bản là nguồn phát và... qua nhiều node mạng, và không mất tính tổng quát khi ta xét trên đoạn giữa node j-1 và j có các gói tin có cùng kích cỡ (a) (b) Hình 2.3 Mô hình xác định băng thông khả dụng 11 Ta có link j nằm giữa nút j và j-1, các gói tin gửi đến node j-1 với tốc độ là AR, là tổng của các luồng tới nút j-1 AR = ∑λi Trong đó λi là tốc độ tới của ứng dụng thứ i tại nút j-1(H 2.3) Mỗi ứng dụng có mức... sử dụng 3 / 2 Do vậy có thể nói, mô hình công thức (3.13) tổng quát hơn, trong TCP  TCP  RTT p so với trường hợp của TCP Tính toán mô phỏng - Nghi n cứu biến đổi của thông lượng theo công thức (3.13) theo giá trị xác xuất mất gói tin p=[0.001;1], và RTT = 100, ta có đồ thị như Hình 3.2 Đường TCP có mũi tên chỉ, minh họa cho thông lượng tương ứng của TCP Giá trị p càng nhỏ, thông lượng... xuất phương pháp tính giá trị trung bình thống kê của RTT mới, phù hợp với môi trường hay biến đổi, và chứng minh ưu điểm của phương pháp này 5 Thực hiện mô phỏng để chứng minh ưu điểm và tính khả thi của mô hình điều khiển thích nghi đã đề xuất Những kết quả thu được nói trên trong luận án có thể cho phép kết luận rằng mô hình điều khiển thích nghi và ứng dụng của nó là giao thức . THƯƠNG VIỆN NGHI N CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA *** VŨ TẤT THÀNH MÔ HNH TỰ THCH NGHI – GIAO THỨC HỌ TCP CHO CÁC ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN TRONG MẠNG KHÔNG DÂY . tạp, không đng nhất, bao gm đoạn mạng không dây, từ các ứng dng đa phương tiện, là các ứng dng phổ bin hiện nay. TCP được phân tch không đạt hiệu năng cao khi 4 hoạt động trong môi. đ xuất mô hình điu khiển thch nghi, là mô hình điu khiển tổng quát cho các giao thức họ TCP, đảm bảo hiệu suất truyn thông đng thời sự công bằng giữa các luông tin. Trong mô hình này