Nghiên cứu cải thiện giao thức SCTP trong mạng MANET

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN GIAO THỨC SCTP TRONG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội –2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN GIAO THỨC SCTP TRONG MẠNG MANET Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Mạng và truyền dữ liệu máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.DƢƠNG LÊ MINH Hà Nội – 2014 LỜI CÁM ƠN Trƣớc hết tôi xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô giáo trong Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt khóa học, cám ơn tập thể lớp K17 và đặc biệt là tới thầy giáo TS.Dƣơng Lê Minh, ngƣời đã nhiệt tình hƣớng dẫn, chỉ bảo tôi trong công việc nghiên cứu và học tập. Sau cùng tôi muốn gửi lời cám ơn tới gia đình và ngƣời thân của tôi, những ngƣời đã luôn khuyến khích và động viên tôi trong suốt khóa học. Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong sự góp ý của bạn bè, thầy cô và những ngƣời quan tâm đến đề tài này. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp ―Nghiên cứu cải thiện giao thức SCTP trong mạng MANET‖ là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn và định hƣớng của TS. Dƣơng Lê Minh. Trong luận văn tôi có thừa kế sử dụng lại một số đoạn mã nguồn đƣợc giáo viên hƣớng dẫn cung cấp và chỉnh sửa cho phù hợp với mục đích và đề tài nghiên cứu của mình, các đoạn mã nguồn thừa kế lại tôi có ghi chú rõ ràng. Ngoài ra các kết quả số liệu thu đƣợc trong quá trình mô phỏng là do chính tôi tự thiết lập, cài đặt và mô phỏng. Hà Nội, Ngày 05 Tháng 11 năm 2014 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 MỞ ĐẦU 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 7 2.1 Mạng Manet và lịch sử phát triển 7 2.2 Đặc điểm mạng MANET[9] 8 2.3 Ứng dụng phổ biến của mạng MANET[9] 9 2.4 Các khó khăn và thách thức đối với mạng MANET 10 CHƢƠNG 2: GIAO THỨC SCTP (STREAM CONTROL TRANSMISSION PROTOCOL) 11 3.1 Lịch sử và mục đích phát triển giao thức SCTP 11 3.2 Các đặc trƣng của giao thức SCTP 12 3.2.1 Tầng hoạt động của giao thức 12 3.2.2 Multi-Homing 12 3.2.3 Đa luồng (Multi-Streaming) 13 3.2.4 Phân tách các bản tin[11] 14 3.3 Đặc tả giao thức SCTP 14 3.3.1 Kiến trúc giao thức SCTP 14 3.3.2 Các chức năng chính của SCTP 15 3.3.3 Gói tin SCTP 18 3.3.4 Lƣu đồ trạng thái mô tả việc kết nối SCTP 29 3.3.5 Điều khiển tắc nghẽn và kiểm soát lỗi 34 3.3.6 Vấn đề an toàn dữ liệu 37 3.3.7 SCTP, TCP và UDP – những điểm giống và khác nhau 39 CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP GIAO TIẾP LIÊN TẦNG TRONG GIAO THỨC SCTP 42 3.1 SCTP trong mạng MANET 42 2 3.2 Cách tiếp cận liên tầng (cross-layer) trong mạng không dây 45 3.3 Phƣơng pháp tính độ trễ trung bình truy cập kênh truyền tại tầng MAC 46 3.4 Phƣơng pháp cải tiến trong giao thức SCTP 49 CHƢƠNG 4: CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 52 4.1 Công cụ mô phỏng NS-2 52 4.2 Cấu hình cài đặt mô phỏng 52 4.2.1 Mô hình mô phỏng dạng chuỗi (chain) 52 4.2.2 Mô hình mô phỏng dạng lƣới (grid) 55 4.3 Đánh giá chung 58 4.4 Đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai 58 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Phân tách các bản tin cạnh nhau. 14 Hình 2: Mô hình tầng giao thức SCTP. 15 Hình 3: Mô hình thiết lập kết nối của SCTP và TCP 15 Hình 4: Cấu trúc gói tin SCTP 19 Hình 5: Phần header của gói tin SCTP 19 Hình 6: Cấu trúc trƣờng trunk 21 Hình 7: Cấu trúc Payload data 24 Hình 8: Cấu trúc INIT Chunk 25 Hình 9: Cấu trúc gói SACK chunk 27 Hình 10: Cấu trúc gói tin Heartbeat 28 Hình 11: Lƣu đồ trạng thái mô tả kết nối SCTP 30 Hình 12:Quá trình thiết lập kết nối 31 Hình 13: Quá trình xảy ra xung đột trong mạng không dây của giao thức TCP 43 Hình 14: Kiến trúc RTS/CTS của DCF 47 Hình 15: Mô hình dạng chuỗi (chain) 53 Hình 16: Mô hình dạng lƣới 6x6 56 Hình 17: Mô hình dạng lƣới 8x8 56 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement CBR Continuous Bit Rate DSDV Destination Sequenced Distance Vector DARPA Defence Advanced Research Project Agency ETSI European Telecommunications Standards Institute IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet Protocol LAN Local Area Network MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad hoc Network MAD Medium Access Delay NAM Network Animation NS Network Simulator OTCL Object Oriented Tool Command Language PYC Physical TCL Tcl Tool Command Language TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Tx Transmission UDP User Datagram Protocol 5 MỞ ĐẦU Ngày nay khi mà tầm quan trọng của các máy tính trong cuộc sống của con ngƣời tăng lên, điều đó cũng đòi hỏi các yêu cầu mới cho việc kết nối mạng máy tính. Ngoài các giải pháp cho mạng có dây đã đƣợc dùng từ lâu, chúng ta thấy sự gia tăng yêu cầu đối với các giải pháp cho mạng không dây để có thể kết nối tới Internet, đọc và gửi các thông điệp thƣ điện tử, trao đổi thông tin trong các cuộc họp… Mạng không dây đặc biệt MANET (Mobile Adhoc Networking) bao gồm các thiết bị tự tổ chức thành mạng đạt đƣợc sự giải phóng hoàn toàn khỏi cơ sở hạ tầng mạng cố định, có chi phí truyền thông thấp và triển khai dễ dàng. Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa nhƣ hỏa hoạn, lụt lội, động đất… Với tất cả những lý do trên, mạng MANET là một trong những lĩnh vực nghiên cứu có tính thời sự cao, đầy thách thức của mạng không dây và công nghệ này hứa hẹn sẽ trở nên phổ biến với cuộc sống của con ngƣời. Tuy nhiên hiệu năng của mạng MANET đang là cản trở rất lớn trong quá trình áp dụng rộng rãi vào thực tế và vấn đề cải thiện hiệu năng của mạng MANET vẫn là một đề tài còn rất rộng lớn, đã có nhiều cách tiếp cận và giao thức khác nhau đã đƣợc đề nghị để giải quyết vấn đề trên[4][5]. Ra đời sau các giao thức đƣợc sử dụng cho mạng có dây truyền thống nhƣ TCP- UDP, giao thức SCTP đã kế thừa đƣợc những ƣu điểm và khắc phục một số nhƣợc điểm của các giao thức truyền thống trên. SCTP đƣợc bổ sung một số đặc tính nhƣ Multi- homing, Multi-streaming, với các tính năng này đã khắc phục đƣợc một số điểm yếu của các giao thức truyền thống và nâng cao hiệu năng, chất lƣợng dịch vụ của các giao thức SCTP. Nhƣ chúng ta thấy việc áp dụng giao thức SCTP vào mạng MANET là chƣa phổ biến. Bản thân giao thức SCTP cũng nhƣ các giao thức TCP, UDP hoạt động cũng không hiệu quả trọng mạng MANET[6][7] và đề tài cải thiện hiệu năng của giao thức này trong mạng MANET là một chủ đề tƣơng đối mới và chƣa có nhiều ngƣời thực hiện. Phƣơng pháp tiếp cận giao tiếp liên tầng (crosslayer) là một phƣơng pháp tuy không mới nhƣng đƣợc đánh giá là có hiệu quả khi áp dụng với giao thức TCP trong mạng MANET [2]. Tuy nhiên, chƣa có nhiều công trình nghiên cứu để áp dụng phƣơng pháp này với giao thức SCTP trong mạng MANET. Do đó, trong luận văn này tôi tập 6 trung vào nghiên cứu và áp dụng phƣơng pháp crosslayer với giao thức SCTP trong mạng MANET từ đó đề xuất cải tiến tính năng Multi-homing của SCTP để nâng cao hiệu năng của giao thức SCTP trong mạng MANET. Nội dung luận văn bao gồm các phần sau: Phần mở đầu giới thiệu và đặt vấn đề nghiên cứu. Tiếp theo chƣơng 1 trình bày tổng quan về mạng MANET bao gồm các đặc trƣng cơ bản, ƣu điểm và các khó khăn thách thức đang gặp phải với mạng MANET trong gian đoạn hiện nay. Chƣơng 2 tìm hiểu tổng quan về giao thức SCTP, tập trung vào tính năng Multi-Homing để làm cơ sở nghiên cứu và đề xuất phƣơng án cải tiến. Chƣơng 3 nghiên cứu phƣơng pháp tính giá trị độ trễ trung bình MAD tại tầng MAC, sử dụng phƣơng pháp giao tiếp liên tầng để truyền tham số này lên tầng giao vận trong giao thức SCTP phục vụ cho việc xác định tuyến đƣờng tốt nhất tại tầng giao vận. Chƣơng 4 thiết lập môi trƣờng mô phỏng và đánh giá kết quả của quá trình nghiên cứu. Phần cuối cùng của luận văn là kết luận những công việc mà luận văn đã đạt đƣợc và những hƣớng nghiên cứu tiếp theo trong tƣơng lai. [...]... đƣợc phát triển trƣớc đó nhƣ TCP hay UDP, SCTP đƣợc thiết kế đa mục đích và đa chức năng, nhờ vậy có miền các lĩnh vực áp dụng rộng rãi hơn, ngay cả trong các lĩnh vực mà giao thức TCP đang đƣợc sử dụng với những thuận lợi hơn hẳn 3.2 Các đặc trƣng của giao thức SCTP 3.2.1 Tầng hoạt động của giao thức Giao thức SCTP hoạt động tại tầng giao vận cùng với các giao thức UDP và TCP, có thể đƣợc mô tả qua hình... các nhà thiết kế mạng, các nhà điều hành, các nhà cung cấp và các nhà nghiên cứu cùng quan tâm đến sự phát triển của kiến trúc và việc điều hành của mạng Internet - chính 12 thức chuẩn hoá SCTP thông qua tài liệu RFC 2960 SCTP là giao thức truyền tải số liệu điểm - điểm trên nền giao thức IP Ban đầu, SCTP đƣợc phát triển nhằm cung cấp chuẩn truyền tải số liệu hƣớng thông điệp cho các mạng thông tin mà... Lúc này mạng MANET là lựa chọn số một để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng [9] Trong hoạt động cứu trợ: Mạng MANET có thể đƣợc sƣ dụng trong các hoạt động cấ cứu hoặc cứu hộ cho các nỗ lực cứu trợ thiên tai ví dụ nhƣ: Lũ lụt, hỏa hoạn, động đất… Các hoạt động cứu trợ này phải diễn ra ở những nơi cơ sở hạ tầng mạng lƣới bị phá hủy do đó yêu cầu để triển khai một mạng di... 2 bản tin nhƣ ban đầu Với SCTP và UDP thì dữ liệu đƣợc gửi đi nhƣ 2 bản tin 100 byte và 50 byte và ứng dụng không cần phải cắt các bản tin đó để đƣa về định dạng ban đầu Hình 1 Phân tách các bản tin cạnh nhau 3.3 Đặc tả giao thức SCTP 3.3.1 Kiến trúc giao thức SCTP SCTP là giao thức vận chuyển dữ liệu có kết nối dựa trên một giao thức vận chuyển dữ liệu không kết nối là IP SCTP nằm giữa tầng ứng dụng... còn thu đƣợc nhiều thành công hơn nữa trong việc áp dụng vào đời sống thực tế của con ngƣời 2.2 Đặc điểm mạng MANET[ 9] Mạng MANET là mạng không dây tùy biến đƣợc tạo nên từ các nút khác nhau, không phụ thuộc vào hạ tầng mạng cố định, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chính của mạng MANET nhƣ sau: Thiết bị tự trị đầu cuối (Autonomous terminal): Trong mạng MANET mỗi thiết bị đầu cuối là một node... giới hạn của pin Do vậy việc thiết kế thuật toán định tuyến trong mạng MANET cũng là một thách thức nhƣ nó bị ràng buộc bởi việc thƣờng xuyên di chuyển và mất kết nối của các node, làm sao để tổng năng lƣợng tiêu thụ là thấp nhất, trong khi băng thông và tài nguyên tính toán có giới hạn Hiệu năng thấp của các giao thức giao vận trong mạng MANET cũng là một vấn đề nghiêm trọng [16][17][18][19][20][21]... TCP, UDP, SCTP IP Data Link Layer Physical Layer SCTP là một giao thức giao vận hƣớng kết nối (oriented) Giống nhƣ TCP, giao thức SCTP cung cấp dịch vụ đảm bảo, tin tƣởng của tầng giao vận, dữ liệu đƣợc truyền đi có sắp thứ tự và không có lỗi Nhƣ TCP, SCTP là một kiến trúc hƣớng nối theo phiên (session –oriented), nó có nghĩa rằng mối liên hệ đã đƣợc tạo ra giữa 2 điểm cuối của một kết nối SCTP trƣớc... các mạng di động không dây đã và đang đƣợc đầu tƣ phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây Mạng di động không dây có thể chia thành hai kiểu mạng: mạng hạ tầng và mạng không hạ tầng Trong mạng hạ tầng, truyền thông giữa các phần tử mạng phụ thuộc vào sự hỗ trợ của hạ tầng mạng, các thiết bị đầu cuối di động truyền thông đơn bƣớc không dây qua các điểm truy nhập (các trạm cơ sở) để tới hạ tầng mạng. .. mạng không phụ thuộc hạ tầng còn đƣợc gọi chung là các mạng tùy biến di động MANET (mobile adhoc network) là một tập hợp của những nút mạng không dây, những nút này có thể đƣợc thiết lập tại bất kỳ thời điểm và tại bất cứ nơi nào MANET còn đƣợc gọi là mạng tùy biến di động, kết nối với nhau thông qua các liên kết không dây tạo nên mạng độc lập, không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng Các nút trong mạng. .. bị vào mạng Ngay nay, các ứng dụng của mạng MANET rất đa dạng, trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đem lại hiệu quả và tiện lợi cho ngƣời sử dụng Một số ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ sau: Quân sự : Hoạt động phi tập trung của mạng MANET và không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng là một yếu tố thiết yếu đối với lĩnh vực quân sự, nhất là trong các trƣờng hợp chiến đấu khốc liệt, các cơ sở hạ tầng mạng bị . trình nghiên cứu để áp dụng phƣơng pháp này với giao thức SCTP trong mạng MANET. Do đó, trong luận văn này tôi tập 6 trung vào nghiên cứu và áp dụng phƣơng pháp crosslayer với giao thức SCTP. giao thức truyền thống và nâng cao hiệu năng, chất lƣợng dịch vụ của các giao thức SCTP. Nhƣ chúng ta thấy việc áp dụng giao thức SCTP vào mạng MANET là chƣa phổ biến. Bản thân giao thức SCTP. đoan luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu cải thiện giao thức SCTP trong mạng MANET là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn và định hƣớng của TS. Dƣơng Lê Minh. Trong luận văn tôi có thừa