Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA

Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện tử - Viễn thông *** BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC MẠNG MÁY TÍNH Mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Page Hà Nội 12/2017 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính khơng ngừng tăng lên số lượng ứng dụng, đặc biệt phát triển hệ thống mạng máy tính, kết nối máy tính lại với thơng qua mơi trường truyền tin để chia sẻ tài nguyên mạng góp phần làm tăng hiệu ứng dụng tất lĩnh vực khoa học kỹ thuật, kinh tế, qn sự, văn hố Từ đó, Mạng máy tính trở thành lĩnh vực nghiên cứu, phát triển quan trọng bảo đảm truyền tin đáng tin cậy, xác, phù hợp tốc độ đảm bảo an tồn thơng tin mạng Việc trao đổi thông tin, cho dù đơn giản nhất, phải tuân theo quy tắc định Việc truyền tín hiệu mạng cần phải có quy tắc, quy ước nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) liệu thủ tục gửi, nhận liệu, kiểm soát hiệu quả, chất lượng truyền tin xử lý lỗi Yêu cầu xử lý trao đổi thơng tin người sử dụng cao quy tắc nhiều phức tạp Tập hợp tất quy tắc, quy ước gọi giao thức (Protocol) mạng Trong nội dung mơn học, nhóm sinh viên chúng em giao đề tài “Lập trình mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu sử dụng kênh truyền điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao.” Có thể nói, mơ hình mạng ALOHA phương pháp để giải toán cấp phát kênh truyền nghiên cứu xây dựng từ sớm Page Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo TS bảo, góp ý, bổ sung, hướng dẫn tận tình để nhóm hồn thành tập này.Do kinh nghiệm khả có hạn nên chắn kết nhóm đạt nhiều hạn chế thiếu sót Nhóm mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên Nhóm xin chân thành cảm ơn ! Page MỤC LỤC MỤC LỤC .4 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .5 DANH MỤC HÌNH VẼ Phân tích đề tài tập lớn nhóm Tìm hiểu mơ hình mạng Slotted ALOHA .7 2.1 Lịch sử phát triển: 2.2 Cơ chế hoạt động slotted ALOHA 2.2.1 Cơ chế hoạt động mơ hình mạng ALOHA 2.2.2 Cơ chế hoạt động giao thức Slotted ALOHA (ALOHA phân khe, a-ALOHA) 10 2.3 Đánh giá hiệu .10 2.4 Ưu nhược điểm giao thức Slotted ALOHA 12 2.4.1 Ưu điểm .12 2.4.2 Nhược điểm 12 2.5 Sơ đồ thuật toán q trình mơ s-ALOHA 14 Thực 16 KẾT LUẬN 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 Page DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ TCP/IP MAC Từ gốc Internet protocol suite Open Systems Interconnection Reference Model Media Access Control LLC Logical Link Control Điều khiển truy nhập môi trường Điều khiển liên kết logic TDMA Time Division Multiple Access Frequency Division Multiple Access Code Division Multiple Access Carier Sense Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian Đa truy nhập phân chia tần số Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA/CD CSMA/Collision Detection CSMA/CA CSMA/Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang dò tìm xung đột Đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột OSI FDMA CDMA CSMA Page Ý nghĩa Bộ giao thức liên mạng Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Hoạt động giao thức ALOHA .7 Hình 2: Hoạt động giao thức Slotted ALOHA Hình 3: Thơng lượng chuẩn hóa giao thức ALOHA Slotted ALOHA 10 Hình 4: Sơ đồ thuật tốn 12 Hình 5: Tranh chấp gói hệ thống s-ALOHA 13 Hình 6: Mơ giao thức Slotted ALOHA Matlab 14 Page Phân tích đề tài tập lớn nhóm Đề tài: Lập trình mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu sử dụng kênh truyền điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao Các yêu cầu đặt ra: - Lập trình mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu dụng kênh truyền điều kiện: tải nhẹ, trung bình, cao Trong này, nhóm chúng em sử dụng Matlab để mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Tìm hiểu mơ hình mạng Slotted ALOHA 2.1 Lịch sử phát triển: Trong mạng máy tính mạng viễn thông, lớp liên kết liệu (lớp mơ hình TCP/IP OSI) chịu trách nhiệm truyền tải liệu thực thể mạng, phát khơi phục lỗi xảy lớp vật lý Lớp liên kết liệu chia thành hai phân lớp con: lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC lớp điều khiển logic liên kết LLC Lớp MAC cung cấp chức địa phương pháp truy nhập kênh LLC cung cấp chức đồng kênh kiểm tra lỗi Giao thức đa truy nhập thủ tục truy nhập kênh cho thiết bị đầu cuối chia sẻ phương tiện truyền dẫn thực lớp MAC Các giao thức đa truy nhập phân chia thành hai nhánh lớn: (khơng tranh chấp) giao thức dự phòng kênh giao thức truy nhập ngẫu nhiên (dựa tranh chấp) Mục tiêu giao thức dự phòng kênh để tránh hoàn toàn xung đột yêu cầu truy nhập phương tiện Vì vậy, giao thức dự phòng kênh, nguồn tài nguyên kênh đƣợc định cho yêu cầu truy nhập để đảm bảo truyền dẫn thành công Cơ chế định tài nguyên kênh thường dựa ba Page kiểu gồm: đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên không đảm bảo truyền dẫn thành công hoạt động nguyên tắc tranh chấp chế điều khiển phân tán Một xung đột xảy hai nút phát gói tin vùng tranh chấp khởi tạo truyền dẫn đồng thời, dẫn tới tượng nút thu nhận thơng tin xác Vì để tránh xung đột, nút sử dụng chế lập lịch sở thời gian ngẫu nhiên cho lần truyền dẫn lại gói tin Thuật tốn truyền dẫn lại thể chất khác biệt giao thức đa truy nhập ngẫu nhiên Một số giao thức truy nhập ngẫu nhiên phổ biến ALOHA, đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA (Carier Sense Multiple Access), đa truy nhập cảm nhận sóng mang dò tìm xung đột CSMA/CD (CSMA/Collision Detection) đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance) Vào năm 1970, Norman Abramson đồng Đại học Hawaii phát minh phương pháp để giải toán cấp phát kênh truyền Đó giao thức ALOHA Trong hệ thống ALOHA, trạm phát có liệu, liệu gửi đường truyền Vì thế, có trạm gửi liệu thời điểm,sẽ xảy xung đột, làm gói tin Năm 1972, Robert phát triển giao thức Slotted ALOHA, cách chia thời gian truyền thành khe thời gian nhỏ, gói tin gửi đầu khe thời gian, nhằm làm giảm xung đột so với giao thức ALOHA ban đầu 2.2 Cơ chế hoạt động slotted ALOHA 2.2.1 Cơ chế hoạt động mơ hình mạng ALOHA Cơ chế hoạt động giao thức ALOHA coi làđơn giản chế đa truy nhập hoạt động theo nguyên tắc sau: góitin đến nút Page truyền ngay; xảy xung đột có hai nút pháttrong khoảng thời gian gọi khoảng thời gian tổn thương (vulnerabletime) gói tin truyền lại sau khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên Hình 1: Hoạt động giao thức ALOHA Giả thiết lưu lượng đến từ số lượng hữu hạn người dùng tuân theo trình Poisson với tốc độ đến trung bình  gói/s, gói tin truyền với thời gian cố định T giây Một truyền dẫn thời điểm t thành cơng khơng có truyền dẫn khác xuất khoảng thời gian tổn thương Tốc độ tải yêu cầu thời gian gửi gói tin kí hiệu G, bao gồm gói tin cần truyền dẫn lại gói tin đến khoảng thời gian Thông lượng kênh S tính theo cơng thức đây: Page 2.2.2 Cơ chế hoạt động giao thức Slotted ALOHA (ALOHA phân khe, a-ALOHA) Hình 2: Hoạt động giao thức Slotted ALOHA Giao thức sử dụng chế truyền đồng khethời gian phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA vàcác nút truyền gói thời điểm bắt đầu khe thời gian Do khoảngthời gian tổn thương trường hợp T thay 2T giao thứcALOHA nên hiệu đỉnh ALOHA phân khe tăng gấp lần Thông lượng Strong trường hợp xác định qua số gói tin truyền dẫn thành cơng khoảngthời gian truyền dẫn gói tin là: Với giao thức truy nhập kênh ALOHA, thông lượng tối đa đạt đượccủa hệ thống S=1/2e=0.1839 G=0.5 Trong đó, với giao thức truy nhậpkênh ALOHA phân khe, thông lượng kênh đạt cực đại với G 1 S e 1/ 0.37được thể Hình Như vậy, giao thức ALOHA phân khe cho thông lượngcực đại cao gấp lần so với giao thức ALOHA buộc phải trả giá vấn đềđồng thời gian 2.3 Đánh giá hiệu - Giả sử có N trạm gửi liệu vào mạng với lưu lượng tới tuân theo tiến trình Poison với tham số { λ1, λ2, λ3, λN} - Kênh truyền có dung lượng C (bit/s) Page - Các gói tin có kích thước cố định L - Thời gian phục vụ gói ts = L/C - Giả sử thời điểm t0, gói pi trạm i truy nhập kênh Vậy khoảng thời gian Tx=ts, có gói khác truy nhập kênh xảy xung đột - Gọi G số lần truy nhập kênh khoảng thời gian ts G = λts - S số lần truy nhập thành công thời gian ts - S = Ge-G - = e-G - Ge-G - Phương trình đạt cực trị G=1, S=0,368 - Vậy thông lượng kênh giao thức Slotted ALOHA đạt cực đại 36,8% tải đầu vào 100% Hiệu slotted ALOHA gấp đôi pura ALOHA Page Hình 3: Thơng lượng chuẩn hóa giao thức ALOHA Slotted ALOHA 2.4 Ưu nhược điểm giao thức Slotted ALOHA 2.4.1 Ưu điểm - Đơn giản 2.4.2 Nhược điểm - Các trạm phải đồng thời gian - Hiệu suất thấp, nhiều xung đột - Lãng phí thời gian có slot rỗi Page Page 2.5 Sơ đồ thuật tốn q trình mơ s-ALOHA Hình 4: Sơ đồ thuật tốn - Các gói tin có kích thước - Thời gian chia thành khoảng rời rạc nhau, thời gian lan truyền gói tin - Khi trạm có gói tin cần gửi đi, đợi đến bắt đầu slot bắt đầu gửi gói tin lên đường truyền - Khi có trạm truy cập đường truyền slot, có xung đột xảy gói tin bị - Sau gửi gói tin khoảng thời gian Tp = round trip time, trạm gửi nhận tín hiệu ACK, nghĩa gói tin truyền thành cơng Nếu khơng nhận tín hiệu ACK nghĩa gói tin bị Lúc trạm phải đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên gọi Back off time TB, sau gói tin bị truyền lại đầu slot Page Hình 5: Tranh chấp gói hệ thống s-ALOHA - Khi có gói tin gửi kênh truyền, kênh truyền trạng thái Busy Khi khơng có gói tin gửi, kênh truyền trạng thái Idle Page Thực Hình 6: Mơ giao thức Slotted ALOHA Matlab Page KẾT LUẬN Nhóm thực mơ mơ hình mạng Slotted ALOHA phần mềm matlab Nhóm thu kết cho thấy khác lý thuyết mô hình ảnh thực tế loại giao thức này.Kết mô thực tế xấp xỉ xung quang đường đồ thị thể kết theo lý thuyết Nhóm hiểu thêm chế xây dựng giao thức này, hiểu ưu, nhược điểm Tuy nhiên, kinh nghiệm khả có hạn nên chắn kết nhóm đạt nhiều hạn chế thiếu sót Page TÀI LIỆU THAM KHẢO Page ... dụng Matlab để mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Tìm hiểu mơ hình mạng Slotted ALOHA 2.1 Lịch sử phát triển: Trong mạng máy tính mạng viễn thông, lớp liên kết liệu (lớp mơ hình TCP/IP OSI)... so với giao thức ALOHA ban đầu 2.2 Cơ chế hoạt động slotted ALOHA 2.2.1 Cơ chế hoạt động mơ hình mạng ALOHA Cơ chế hoạt động giao thức ALOHA coi làđơn giản chế đa truy nhập hoạt động theo nguyên... chế hoạt động mơ hình mạng ALOHA 2.2.2 Cơ chế hoạt động giao thức Slotted ALOHA (ALOHA phân khe, a -ALOHA) 10 2.3 Đánh giá hiệu .10 2.4 Ưu nhược điểm giao thức Slotted ALOHA