Tiểu luận mạng và kỹ thuật truyền số liệu

Tiểu luận mạng và kỹ thuật truyền số liệu

MỤC LỤC Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 1 PHẦN I – MỞ ĐẦU Mặc dù rất nhiều giao thức được đưa ra nhằm áp dụng cho Internet, nhưng chỉ một bộ giao thức nổi bật được sử dụng rộng rãi nhất cho liên mạng. Bộ giao thức đó là bộ giao thức Internet TCP/IP (the TCP/IP Internet Protocols). Giao thức TCP (Transmission Control Protocol - "Giao thức điều khiển truyền vận") là một trong các giao thức cốt lõi của bộ giao thức TCP/IP. Sử dụng TCP, các ứng dụng trên các máy chủ được nối mạng có thể tạo các "kết nối" với nhau, mà qua đó chúng có thể trao đổi dữ liệu hoặc các gói tin. Giao thức này đảm bảo chuyển giao dữ liệu tới nơi nhận một cách đáng tin cậy và đúng thứ tự. TCP còn phân biệt giữa dữ liệu của nhiều ứng dụng. Với tốc độ giao tiếp ngày càng cao trên mạng như hiện nay thì vấn đề đặt ra là làm thế nào để tăng tốc độ truyền tin, sao cho lượng thông tin có thể được chuyển tải nhanh nhất mà không xảy ra tình trạng tắc nghẽn. Để tránh sự tắc nghẽn mạng, giao thức TCP cần tổ chức hàng đợi hợp lý với quá trình truyền lại để hạn chế sự giảm thông lượng mà không dẫn đến tắc nghẽn. Băng thông chia sẻ giữa nhiều kết nối TCP đã được nghiên cứu theo giả định rằng các cửa sổ của các kết nối khác nhau một cách đồng bộ. Sự đồng bộ hóa này là một kết quả chính của việc triển khai bộ đệm Drop Tail trong các router mạng. Việc triển khai các kỹ thuật quản lý hàng đợi hoạt động như RED sẽ làm giảm bớt vấn đề này của đồng bộ hóa. Dựa trên bài báo “Fairness Analysis of TCP/IP” của nhóm tác giả Eitan Altman, Chadi Barakat, Emmanuel Laborde, và Patrick Brown, Denis Collange, tôi xin giới thiệu một mô hình toán học để nghiên cứu băng thông nút cổ chai sẽ được chia sẻ như thế nào nếu cửa sổ TCP là không đồng bộ. Điều này cho phép đánh giá sự cải thiện trong công bằng và sử dụng đưa ra bởi việc triển khai các hoạt độngbộ đệm. Ngoài ra, điều này chỉ ra việc nghiên cứu dựa trên sự đồng bộ hóa đánh giá không đúng mức hiệu suất của TCP bao nhiêu trong môi trường không đồng bộ. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Võ Thanh Tú đã nhiệt tình giảng dạy và cung cấp tài liệu để tôi có thể thực hiện tiểu luận này. Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 2 PHẦN II – NỘI DUNG I. Giới thiệu Một trong các mục tiêu chính của TCP là điều khiển tắc nghẽn trên Internet [12]. Việc điều khiển này là không hiệu quả nếu nó không đảm bảo việc chia sẻ tài nguyên mạng. Một vấn đề lớn của TCP là tương phản của nó với Thời gian đi trọn một vòng - Round-Trip Times (RTT) [3, 9, 12], Những kết nối này là không thể để đạt được các thông lượng tương tự như các kết nối khác chia sẻ cùng một đường dẫn và có một RTT nhỏ hơn. Điều này được gây ra bởi các thuật toán tăng cửa sổ thông qua TCP. Thật vậy, TCP sử dụng một chiến lược tăng cấp số cộng và giảm cấp số nhân để kiểm soát tắc nghẽn [11, 17]. Được biết rằng những loại chiến lược dẫn đến sự công bằng khi tất cả các kết nối tăng tỷ lệ của họ ở mức tương tự [6], chúng ta đang nói ở đây về một sự công bằng trong việc chia sẻ băng thông của liên kết nút cổ chai, bất kể khối lượng tài nguyên sử dụng bởi một kết nối vào các liên kết khác trong mạng. Loại công bằng được gọi trong các tài liệu công bằng max-min [9], các loại khác của sự công bằng tuy nhiên tồn tại mà mục tiêu là để chia sẻ một cách công bằng không chỉ các nguồn tài nguyên tại các nút cổ chai, nhưng còn các nguồn lực trong các bộ phận khác của mạng. Trong trường hợp của giao thức TCP và trong sự hiện diện kết nối của RTT khác nhau, sự công bằng không có thể được bảo đảm từ các tỷ lệ tăng cửa sổ là tỉ lệ nghịch RTT (một trong các gói tin mỗi RTT trong các chế độ tránh tắc nghẽn [17]) dẫn đến tăng tỷ lệ truyền với tốc độ tỉ lệ nghịch với RTT2. Lưu ý rằng tỷ lệ truyền của cửa sổ dựa trên giao thức như TCP có thể được xấp xỉ bất cứ lúc nào bằng cách kích thước cửa sổ chia cho RTT. Các kết nối với RTT nhỏ tăng nhanh chóng các cửa sổ của họ và lấy hầu hết băng thông có sẵn. Thông lượng đạt được bởi một kết nối TCP đã được chứng minh là tỉ lệ nghịch với với 1 < α L) event: If ((now – last_update) > freeze_time) pm := pm + δ1 last_update := now Upon link idle event: If ((now – last_update) > freeze_time) pm := pm + δ2 last_update := now Minh họa cho thấy sự biến đổi đối với thuật toán mà trong đó xác suất gán cho mỗi gói tin được cập nhật khi kích thước hàng đợi vượt quá một giá trị cụ thể nào đó. Sự điều chỉnh này cho phép tạo ra những khoảng trống trong hàng đợi dành cho sự dao động nhất thời của lưu lượng đồng thời cho phép hàng đợi điều khiển được độ trễ hàng đợi khi kích thước của hàng đợi khá lớn. Bên cạnh việc gán xác suất, BLUE dùng 2 tham số để điều khiển tốc độ thay đổi của biến xác suất qua thời gian. Tham số thứ nhất là freeze_time. Tham số này xác định khoảng thời gian nhỏ nhất giữa 2 lần cập nhật biến xác suất pm. Điều này cho phép sự thay đổi trong việc gán xác suất có hiệu lực trước khi giá trị được cập nhật lại một lần nữa. Mặc dù với thử nghiệm trong bài này freeze_time được thiết lập là hằng số, tuy nhiên nó cần được thiết lập một cách ngẫu nhiên để ngăn chặn sự sụt giảm lưu lượng đồng loạt trên toàn bộ nơi gửi. Các tham số khác được sử dụng là δ1 và δ2 để xác định lượng thay đổi của pm. δ1 chỉ lượng tăng lên của pm khi hàng đợi bị tràn gây nên hiện tượng mất gói tin, δ 2 chỉ lượng giảm xuống của pm khi đường truyền rộng. Với sự thử nghiệm trong bài này, δ1 được thiết lập lớn hơn nhiều so với δ2. Điều này được giải thích vì hiệu suất sử dụng đường truyền thấp có thể xảy ra khi điều khiển tắc nghẽn quá chậm hoặc Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 17 quá nhanh nhạy, còn hiện tượng mất gói tin xảy ra chỉ khi điều khiển tắc nghẽn quá chậm. Một điều rất quan trọng là thiết lập các tham số một cách hợp lý để BLUE làm việc hiệu quả. Tham số thứ nhất, freeze_time cần phải được thiết lập dựa trên thời gian khứ hồi hiệu quả nhằm cho phép bất kỳ sự thay đổi nào trong việc gán xác suất sẽ được phản ánh lại đến nơi gửi trước khi sự thay đổi tiếp theo xảy ra. Đối với trường truyền dài với độ trễ lớn như các đường truyền vệ tinh, freeze_time cần phải được tăng lên để phù hợp với thời gian khứ hồi dài hơn. Thứ hai, tập hợp 2 tham số δ 1 và δ2 được thiết lập cho phép đường truyền có khả năng thích nghi hiệu quả với những thay đổi vĩ mô trong lưu lượng truyền đi qua đường kết nối. Đối với các đường truyền mà tại đó trung bình trong vài phút xảy ra sự thay đổi rất lớn trong lưu lượng truyền thì δ 1 và δ2 phải được thiết lập kết hợp với freeze_time để cho phép pm thay đổi giá trị từ 0 đến 1 trung bình trong vài phút. Điều này là tương phản với các cách tiếp cận theo độ dài hàng đợi hiện thời khi mà xác suất gán và xác suất hủy bỏ nằm trong khoảng 0 đến 1 trung bình trong vài mili-giây. Sau khi được xem xét kỹ, giá trị của freeze_time được thiết lập giữa 10ms và 500ms và thiết lập giá trị của δ 1 và δ2 để chúng cho phép pm nằm trong khoảng 0 đến 1 trung bình trong 5 đến 30 giây. Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 18 PHẦN III – KẾT LUẬN Chúng tôi đề xuất mô hình thay đổi Markovian để nghiên cứu tính hợp lý của TCP khi các kết nối không đồng bộ. Sự không đồng bộ hóa được cho là một trong các kết quả chính của các kỹ thuật quản lý hàng đợi đang hoạt động như RED. Chúng tôi cho thấy sự hợp lý của TCP cải thiện trong một môi trường không đồng bộ. Chúng tôi cũng cho thấy rằng sự vắng mặt của đồng bộ hóa cải thiện việc sử dụng tài nguyên mạng. Chúng tôi xác nhận những kết quả này với các mô phỏng. Năng lực hấp thụ bùng nổ của các các bộ đệm đang hoạt động cải thiện tính chính xác của các mô hình thay đổi cho TCP. Trục các bộ đệm Drop Tail có xu hướng chống lại lưu lượng truy cập bùng nổ và các mô hình thay đổi không hoạt động tốt đặc biệt trong trường hợp của bộ đệm nhỏ. Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E. Altman, J. Bolot, P. Nam, D. Elouadghiri- M. Erramdani, P. Brown, and D. Collange, "Performance Modeling of TCP/IP in a Wide-Area Network", IEEE Conference on Decision and Control, Dec 1995. [2] C. Barakat and E. Altman, "A Markovian Model for TCP Analysis in a Diferentiated Services Network", Workshop on Quality of future Internet Services, Sep 2000. [3] C. Barakat, E. Altman, and W. Dabbous, "On TCP Performance in a Heterogenous Network: A Survey", IEEE Communications Magazine, Jan 2000 [4] B. Braden, et al.,"Recommendations on Queue Management and Congestion Avoidance in the Internet", RFC 2309, Apr 1998. [5] P. Brown, "Resource sharing of TCP connections with different round trip times", IEEE Infocom, Mar 2000. [6] D. Chiu and R. Jain, "Analysis of the Increase/Decrease Algorithms for Congestion Avoidance in Computer Networks", Journal of Computer Networks and ISDN, Jun 1989. [7] T. Cormen, C. Leiserson, and R. Rivest, "Introduction to Algorithms", The MIT Press, Cambridge, Massachusetts. [8] K. Fall and S. Floyd, "Simulation-based Comparisons of Tahoe, Reno, and SACK TCP", Computer Communication Review, Jul 1996. [9] S. Floyd, "Connections with Multiple Congested Gateways in Packet-Switched Networks Part 1: One-way Traic", Computer Communication Review, Oct 1991. [10] S. Floyd and V. Jacobson, "Random Early Detection gateways for Congestion Avoidance", IEEE/ACM Transactions on Networking, Aug 1993. Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 20 [11] V. Jacobson, "Congestion avoidance and control", ACM SIGCOMM, Aug 1988." [12] T. V. Lakshman and U. Madhow, "The performance of TCP/IP for networks with high bandwidth-delay products and random loss", IEEE/ACM Transactions on Networking, Jun 1997. [13] T.V. Lakshman, A. Neidhardt, and T.J. Ott, "The Drop rom Front Strategy in TCP over ATM and its Interworking with other Control Features", IEEE INFOCOM, 1996. [14] D. Lin and R. Morris, "Dynamics of Random Early Detection", ACM SIGCOMM, Sep 1997. [15] S. M. Ross, "Applied Probability Models with Optimization Applications", Holden-Day, San Francisco, 1970. [16] Network Simulator v.2, University of California at Berkeley, Available via http://www-nrg.ee.lbl.gov/ns-2. [17] W. Stevens, "TCP Slow-Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms", RFC 2001, Jan 1997. [18] L. Zhang, S. Shenker, and D.D. Clark, "Observations on the Dynamics of a Congestion Control Algorithm: The Efects of Two-Way Traic", ACM SIGCOMM, Sep 1991. [19] http://vi.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%A1_tr%C3%ACnh_Markov Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 21 [...]... lượng số gói dữ liệu đã gửi vào mạng nhưng chưa có ACK Trong trường hợp 1 cửa sổ có không quá 1 gói dữ liệu bị loại, hoạt động của TCP_SACK cũng giống TCP_Reno Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 13 Hình 3: Kịch bản mô phỏng Hình 4: Tỉ lệ của thông lượng 2 Trường hợp của bộ đệm RED Chúng tôi cung cấp cho router R một bộ đệm RED có tổng kích thước của 20 gói, một ngưỡng tối thiểu là 5 gói dữ liệu và. .. và 500ms và thiết lập giá trị của δ 1 và δ2 để chúng cho phép pm nằm trong khoảng 0 đến 1 trung bình trong 5 đến 30 giây Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 18 PHẦN III – KẾT LUẬN Chúng tôi đề xuất mô hình thay đổi Markovian để nghiên cứu tính hợp lý của TCP khi các kết nối không đồng bộ Sự không đồng bộ hóa được cho là một trong các kết quả chính của các kỹ thuật quản lý hàng đợi đang hoạt động... RTT của chúng Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 15 Hình 5: Thông lượng trong trường hợp dùng bộ đệm Drop Tail Trường hợp Blue 4 Để khắc phục những hạn chế của RED, một thuật toán được đề xuất có tên gọi là BLUE RED được thiết kế với mục đích: - Tối thiểu mức độ mất gói tin và độ trễ hàng đợi, Ngăn chặn sự giảm lưu lượng đồng lọat trên toàn bộ nơi gửi Duy trì hiệu năng sử dụng đường truyền cao... tài nguyên mạng Chúng tôi xác nhận những kết quả này với các mô phỏng Năng lực hấp thụ bùng nổ của các các bộ đệm đang hoạt động cải thiện tính chính xác của các mô hình thay đổi cho TCP Trục các bộ đệm Drop Tail có xu hướng chống lại lưu lượng truy cập bùng nổ và các mô hình thay đổi không hoạt động tốt đặc biệt trong trường hợp của bộ đệm nhỏ Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 19 TÀI LIỆU THAM... Kết nối kia được Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 11 gọi là kết nối nhanh Bốn dòng được vẽ, hai cho mô hình của chúng tôi và hai cho trường hợp đồng bộ hóa Băng thông nút cổ chai được lấy bằng 1,5 Mbps cùng với các gói tin TCP với tổng kích thước 576 byte RTT của kết nối chậm được cố định đến 0,5 s RTT của kết nối nhanh có thể thay đổi Trục X biểu thị cho tỷ lệ của RTT nhỏ và RTT dài Chúng... tắc nghẽn xảy ra, tổng tỷ lệ bằng µ Trong trường hợp của chúng tôi, một trong hai kết nối thu nhỏ cửa sổ của nó và sau đó sự giảm thiểu trong tỉ lệ tổng ít hơn một nửa µ Tuy nhiên, trong trường hợp đồng Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 12 bộ, hai kết nối phân chia cửa sổ cùng một lúc và sự giảm thiểu tỷ lệ tổng là bằng µ/2 Như vậy, trong trường hợp của chúng tôi, việc sử dụng băng thông nút cổ... quả gần đúng hơn với những kết quả của mô hình chúng tôi đặc biệt là cho các kết nối chậm Kết nối này sử Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 14 dụng nhiều băng thông hơn những gì được dự đoán trong trường hợp đồng bộ hóa Bộ đệm RED với xác suất rớt gói của nó làm giảm bớt các vấn đề đồng bộ hóa và cải thiện sự hợp lý của TCP Sự cải thiện này được thấy rõ hơn đối với RTT nhỏ của kết nối 1 Khi RTT... suất sử dụng đường truyền thấp có thể xảy ra khi điều khiển tắc nghẽn quá chậm hoặc Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 17 quá nhanh nhạy, còn hiện tượng mất gói tin xảy ra chỉ khi điều khiển tắc nghẽn quá chậm Một điều rất quan trọng là thiết lập các tham số một cách hợp lý để BLUE làm việc hiệu quả Tham số thứ nhất, freeze_time cần phải được thiết lập dựa trên thời gian khứ hồi hiệu quả nhằm cho... Traic", Computer Communication Review, Oct 1991 [10] S Floyd and V Jacobson, "Random Early Detection gateways for Congestion Avoidance", IEEE/ACM Transactions on Networking, Aug 1993 Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 20 [11] V Jacobson, "Congestion avoidance and control", ACM SIGCOMM, Aug 1988." [12] T V Lakshman and U Madhow, "The performance of TCP/IP for networks with high bandwidth-delay... Clark, "Observations on the Dynamics of a Congestion Control Algorithm: The Efects of Two-Way Traic", ACM SIGCOMM, Sep 1991 [19] http://vi.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%A1_tr%C3%ACnh_Markov Tiểu luận Mạng và Kỹ thuật truyền số liệu 21 ... biểu diễn ước lượng số gói liệu gửi vào mạng chưa có ACK Trong trường hợp cửa sổ có không gói liệu bị loại, hoạt động TCP_SACK giống TCP_Reno Tiểu luận Mạng Kỹ thuật truyền số liệu 13 Hình 3: Kịch... không tồn Tiểu luận Mạng Kỹ thuật truyền số liệu Trong tiểu luận này, phát triển mô hình toán học thay đổi để nghiên cứu hiệu suất TCP xuống mức thấp chưa đồng Điều coi mô hình cho TCP mạng, nơi... trình truyền dài đặt vào chế độ tĩnh Chúng giả định trì hoãn hàng đợi (the queueing delay) nhỏ chậm trễ truyền RTT khoảng không đổi Điều hợp lý với đệm hoạt Tiểu luận Mạng Kỹ thuật truyền số liệu