BÀI GIẢNG MẠNG LƯỚI TRUYÊN THÔNG

ENSC 427: MẠNG TRUYỀN THÔNG So sánh TCP với "UTP" để chuyển BitTorrent Tóm tắt Torrent giao thức tầng ứng dụng dùng để chuyển tệp ngang hàng triển khai TCP chuẩn hầu hết ứng dụng hỗ trợ [1] Hiện tại, khách hàng BitTorrent phổ biến, uTorrent, bắt đầu thử nghiệm phiên hỗ trợ giao thức gọi "uTP", dịch vụ vận tải đáng tin cậy triển khai UDP chuyển liệu ứng dụng BitTorrent máy khách hỗ trợ giao thức uTP [2] Mục tiêu nêu thay đổi nhằm giảm thiểu chất lượng gián đoạn dịch vụ ứng dụng khác chạy kết nối internet người dùng cách cho phép BitTorrent kiểm soát trực tiếp tham số kiểm soát tắc nghẽn thường thực TCP Dự án mô hoạt động BitTorrent mạng, sử dụng việc triển khai chuẩn uTP, kiểm tra thay đổi giao thức ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ cho việc truyền BitTorrent ứng dụng (VoIP) khác chạy mạng Giới thiệu: Giao thức BitTorrent giao thức mức ứng dụng phổ biến cho phép nhóm khách hàng, hỗ trợ máy chủ điều phối gọi theo dõi, để tạo mạng ngang hàng internet với mục đích chuyển tệp tập hợp tệp Một mô tả ngắn gọn hoạt động giao thức sau [1]: - Một máy khách BitTorrent máy tính chạy ứng dụng hỗ trợ giao thức BitTorrent Khách hàng có tất cả, số khơng có phần (các) tệp cho mạng BitTorrent cụ thể mà tham gia - Máy khách tải xuống tệp torrent, thường từ máy chủ qua HTTP Tệp chứa thông tin theo dõi (các) tệp chuyển qua mạng BitTorrent cụ thể - Sử dụng thông tin tệp torrent, máy khách kết nối với theo dõi, thông báo cho người theo dõi (sử dụng ID ngang hàng, địa IP cổng) tham gia vào mạng BitTorrent cụ thể nhận danh sách (trong ID ngang hàng, IP cổng) ứng dụng khách khác Điều xảy khơng tham gia torrent, mà định kỳ (thường 15 phút mặc định điều chỉnh tay ứng dụng khách uTorrent) máy khách phần mạng BitTorrent - Khách hàng kết nối với đồng nghiệp khác thông qua TCP trao đổi thư phù hợp với đặc tả giao thức BitTorrent, bao gồm phần tệp gửi từ đồng nghiệp sang tệp khác Điều quan trọng cần lưu ý việc tải xuống tệp torrent xảy lần kết nối tới trình theo dõi xảy khơng thường xun hai liên quan đến việc khách hàng tải xuống lượng thông tin khiêm tốn (hàng chục KB) Trong mơ hình hóa q trình theo dõi quan trọng để hiểu cách cấu trúc liên kết mạng BitTorrent thay đổi theo giờ, tương đối không quan trọng để đánh giá Quality of Service (QoS), điều xác định chủ yếu cách chuyển liệu xảy kịch xảy kết nối thời điểm định Vì vậy, với mục đích mô dự án này, nhấn mạnh đặt vào mơ hình hóa quy trình chuyển giao ngang hàng Việc kiểm soát luồng cho liệu ngang hàng ngang cung cấp giao thức BitTorrent tương đối thô sơ Mỗi kết nối mà khách hàng trì với peer trạng thái “bị nghẹt thở” “không cho phép” Nếu peer A đặt kết nối tới peer B trạng thái unchoked (bằng cách gửi thơng báo thích hợp), "quan tâm" việc nhận liệu, peer B gửi phần ngang hàng Nếu không, kết nối bị “nghẹt thở”, không xảy việc chuyển Trạng thái nghẹt thở người ngang thay đổi nhiều sau 10 giây Trong phương pháp đủ để đảm bảo việc gửi phần tử khách hàng đến kịch khác không gây nhiều tắc nghẽn để giảm tốc độ tải xuống, khơng cung cấp đủ quyền kiểm soát phép tồn đồng thời với ứng dụng khác máy khách máy vi tính Ví dụ, duyệt web qua HTTP thường gặp phải chậm trễ đáng kể BitTorrent sử dụng máy khách Để giảm bớt vấn đề này, số ứng dụng BitTorrent cung cấp phương tiện để điều chỉnh việc truyền liệu đến cách giới hạn tới tốc độ số cụ thể Bằng cách chọn tỷ lệ thấp khả kết nối máy tính với internet, giảm thiểu gián đoạn cho ứng dụng khác máy tính khách Thật khơng may, phương pháp có nhiều hạn chế Thứ nhất, tận dụng tối đa kết nối khơng có ứng dụng khác chuyển liệu, dẫn đến xuống cấp QoS mà ứng dụng khác chuyển nhiều Ngoài ra, khả kết nối internet người dùng thay đổi theo thời gian tính chất chung tài nguyên nhiều kết nối internet gia đình; nhiên, phương pháp giới hạn tốc độ tĩnh không cung cấp phương tiện để điều chỉnh động cho điều kiện thay đổi Như câu trả lời cho thiếu sót này, máy khách BitTorrent “uTorrent” thực giao thức gọi “uTP” [2] Trong uTP, gói UDP (thay TCP) sử dụng để truyền liệu máy ngang hàng chuyển giao đáng tin cậy theo kết nối, kiểm soát tắc nghẽn, thực lớp ứng dụng Bằng cách di chuyển tính vào lớp ứng dụng, nhà phát triển uTorrent hy vọng tối đa hóa tốc độ truyền liệu BitTorrent tốt đồng thời giảm thiểu gián đoạn QoS cho ứng dụng khác chạy máy khách [3] Mục đích dự án phân tích so sánh QoS với BitTorrent ứng dụng ví dụ (VoIP) hai kịch bản: Một sử dụng phiên mô giao thức BitTorrent phiên sử dụng mô uTP So sánh QoS cung cấp nhìn sâu sắc lợi bất lợi UTP Tạo mơ hình OPNET: 2.1 Cấu trúc mạng: Giao thức uTP có số khác biệt lớn so với việc thực thông thường BitTorrent [3] Thứ nhất, giao thức truyền tải thay UDP, nhiên để cung cấp theo yêu cầu ứng dụng BitTorrent, giao thức trung gian lớp ứng dụng yêu cầu Giao thức mức ứng dụng định hướng kết nối cung cấp khả truyền tải có khả truyền tải lưu lượng BitTorrent Sự kết hợp UDP giao thức tầng ứng dụng này, đề cập đến báo cáo “giả TCP”, tạo thành ngăn xếp giao thức chuyển liệu BitTorrent theo cách lạ Phương pháp chuyển giao so sánh uTP Các ngăn xếp giao thức thấy bên Hình Hình 1: Ngăn xếp giao thức cho BitTorrent chuẩn uTP Sự khác biệt mà uTP so với TCP quy tắc cho kiểm sốt tắc nghẽn tinh chỉnh để cố gắng mơ mục tiêu thiết kế việc cải thiện QoS mạng [3] Để mơ hình hóa mạng lưới BitTorrent ngang hàng cách thích hợp, mơ hình OPNET tạo với máy khách máy chủ để mô seeders (các peer tải lên peer khác) leechers (các peer tải lên download đồng nghiệp) Mơ hình bao gồm mạng lưới trường với đám mây IP, mạng máy chủ đặt trước với "S" mạng khách hàng đặt trước "C" Các mạng kết nối với đám mây IP thơng qua dòng T1, khả đường T1 (~ 1,5MBps), theo kinh nghiệm tác giả, tương tự khả kết nối DSL Mặc dù kịch BitTorrent kết nối quy mơ tồn cầu, chúng tơi chọn so sánh giao thức mạng lưới nhỏ hơn, khuôn viên trường, lưu ý mạng lưới trường học mà mạng phạm vi tồn khn viên trường Mạng lưới khn viên tổng thể thể Hình Hình 2: Mạng Campus Các mạng khách hàng bao gồm ba máy trạm gắn vào định tuyến thông qua đường Ethernet 100Base-T, sau router gắn vào đường T1 kết nối với đám mây IP Các máy trạm hoạt động leechers mạng BitTorrent Trong mạng BitTorrent thực tế, máy trạm tải lên tải xuống đồng thời, hạn chế với ứng dụng tùy chỉnh OPNET, trạm mơ hình hóa tải xuống Các lý cho việc thảo luận bên Hình 3: Client Subnet Mạng máy chủ bao gồm máy chủ kết nối với định tuyến thông qua kết nối 100Base-TEthernet, sau kết nối với đám mây IP Máy chủ tải lên liệu lên mạng gần giống với trình tạo giống BitTorrent thực tế Máy chủ mạng hiển thị Hình Hình 4: Server Subnet Số lượng khách hàng máy chủ chọn để đại diện cho số lượng người tham gia leechers cách điển hình Khi torrent bắt đầu, có nguồi tham gia diện Leechers sau tham gia họ hoàn thành tải họ, họ hành động seeders Một số kịch rời khỏi mạng BitTorrent theo thứ tự hoàn thành để tránh tải nhiều liệu Khi torrent trở nên hoàn thiện hơn, tỷ lệ người tham gia với leechers ổn định từ 0,25 đến 0,5, nói cách khác đến leechers cho seeder Mơ hình OPNET bao gồm leecher cho seeder để leecher tỷ lệ 0.33.Các công việc khác liên quan đến mạng p2p OPNET cho thấy kiến trúc tương tự mức độ phức tạp so với nhiều ứng dụng khác với lưu lượng p2p 2.2.Application Profiles định nghĩa: Có hai ứng dụng sử dụng phân tích uTP: FTP VoIP FTP chọn để mơ hình hóa hành vi việc chuyển tập tin từ seeder sang leecher Một hạn chế lưu lượng FTP gần hoàn toàn chiều từ máy chủ đến máy khách, khơng đại diện cho hành vi hoàn chỉnh BitTorrent nơi hai kịch trao đổi liệu hai chiều Trong hành vi mơ hình hóa với ứng dụng tùy chỉnh, có vấn đề triển khai đáng kể mà cuối sử dụng ứng dụng tùy chỉnh không khả thi VoIP sử dụng ứng dụng “đồng tồn tại” để mơ hình hóa hiệu ứng ứng dụng QoS khác mà việc truyền liệu BitTorrent TCP thông thường với UTP Mô tả ứng dụng FTP hiển thị bên Hình Hình 5: Định nghĩa ứng dụng (chi tiết FTP) Truyền tệp FTP gửi tệp 100Mb lần tồn q trình mơ nhằm mang lại hiệu sử dụng mạng cho điểm bão hòa Mỗi seeder leecher sử dụng định nghĩa FTP Thời gian yêu cầu liên tiếp đặt thành để đảm bảo mô kết thúc trước tệp khác gửi Điều cho phép quan sát tập tin chuyển cho nhóm seeder / leecher, s2 c2 mạng tương tác với máy chủ s2 cung cấp tệp 100Mb cho ba máy khách mạng thứ hai Điều tương tự xảy với s3, c3 mạng Hình 6: Định nghĩa ứng dụng (các chi tiết VoIP) Các chi tiết ứng dụng VoIP giữ cho tham số mặc định chúng khơng cần thêm phức tạp Chỉ có gọi VoIP, S0 C00, hoạt động kịch này, thống kê cho lưu lượng truy cập FTP lưu lượng VoIP thu thập riêng cho cặp máy khách-máy chủ Thiết lập mạng hình thành kịch bản, nơi lưu lượng VoIP truyền hai kịch phần mạng BitTorrent Kịch sau nhân sửa đổi để tạo kịch thứ hai đại diện cho uTP Để đại diện cho hai kịch với thay đổi uTP, S0 C00 thay đổi thông số TCP họ Dưới hình mơ tả thay đổi uTP thực cho hai kịch Hình 7: Các thay đổi thực TCP để mơ hình hóa UTP Trong mơ giao thức truyền qua UDP sử dụng TCP sửa đổi lúc đầu lạ, điều quan trọng cần nhớ uTP có giao thức mức ứng dụng hoạt động theo cách tương tự TCP Vì UDP khơng kiểm soát tắc nghẽn, kiểm soát tắc nghẽn trọng tâm dự án này, mô uTP sử dụng lưu lượng UDP chung tùy chọn Thay vào đó, ngăn xếp giả TCP / UDP mô TCP với tham số sửa đổi 2.2.1.Segment Size: Kích thước phân đoạn tối đa (MSS) số lượng liệu lớn (tính byte) mà thiết bị truyền thơng xử lý TCP IPv4 đơn lẻ, MSS tính cách sử dụng đơn vị truyền tải tối đa (MTU) Ethernet kích thước tiêu đề TCP IPv4 Các tiêu đề TCP IPv4 20 byte MSS MTU trừ kích thước tiêu đề IPv4 TCP cộng với 1460 byte [5] Nếu phân đoạn liệu lớn MTU, datagram phải phân mảnh theo RFC 791 [4] Trong phiên uTP phát triển thời điểm dự án, kích thước gói đặt thành 300 byte cố định, đó, mơ OPNET này, MSS đặt thành 300 byte [3] 2.2.2.Fast Recovery: Tham số khôi phục nhanh đề cập đến thuật toán thực điều kiện tránh tắc nghẽn gói bị loại bỏ Khi gói bị loại bỏ, ACK trùng lặp nhận Hình [7] Tắc nghẽn hủy ba ACKS trùng lặp gửi lại cho người gửi Ngưỡng biểu thị tham số 'ngưỡng trùng lặp ACK' hiển thị Hình TCP trì cửa sổ nghẽn giới hạn tổng số gói tin không nhận biết thiết bị liên lạc để tránh sụp đổ tắc nghẽn Thông qua chế gọi 'khởi động chậm', cửa sổ nghẽn tăng lên sau kết nối thực sau hết thời gian chờ Đối với gói thừa nhận, cửa sổ tăng lên theo 1xMSS byte Khi kích thước cửa sổ tăng ngưỡng quy định tắc nghẽn phát thơng qua ACK trùng lặp, thuật tốn tránh tắc nghẽn, chẳng hạn Reno New Reno, bắt đầu ảnh hưởng đến kích thước cửa sổ Theo mặc định, thuật toán phục hồi nhanh sử dụng cho tắc nghẽn Reno [6] Hình 8: Các gói bị loại bỏ tạo ACKS trùng lặp Khi thuật toán Reno bị bắt buộc, cửa sổ nghẽn bị giảm nửa sau nhận ba ACKS trùng lặp hệ thống thực ‘truyền lại nhanh’ vào giai đoạn ‘phục hồi nhanh’ mà gói tin bị bỏ truyền lại Nếu ACK cho gói truyền lại không nhận được, thời gian chờ xảy Khi tắc nghẽn xảy ra, cửa sổ nghẽn bị giảm lượng phụ thuộc vào thuật toán sử dụng Nếu phương pháp khôi phục nhanh Reno sử dụng (như kịch bản), cửa sổ nghẽn bị giảm nửa Trong mô uTP, tham số TCP thay đổi để vô hiệu hóa phục hồi nhanh, hệ thống khởi tạo "truyền lại nhanh" sau ba ACKS trùng lặp phát cửa sổ nghẽn giảm xuống MSS Điều thực sau nhận ba ACKS trùng lặp trước chờ thời gian chờ nó, 'truyền lại nhanh' [8] thay đổi có nghĩa cửa sổ nghẽn dành nhiều thời gian với giá trị nhỏ kịch uTP, nên làm cho TCP (trong kịch uTP) tích cực lượng liệu mà gửi Do đó, mơ hình tăng cường tồn đồng thời (QoS nâng cao cho ứng dụng khác chạy máy trạm) mà uTP có ý định đạt 2.2.3.Slow-Start Initial Count (MSS): Ban đầu, thông số TCP, 'số khởi đầu chậm,' đặt thành theo mặc định Trong kịch uTP, giá trị giảm xuống 1, cho cửa sổ nghẽn bắt đầu với kích thước nhỏ Giống thay đổi trước đó, điều dẫn đến cửa sổ tắc nghẽn dành nhiều thời gian kích thước nhỏ Ba thơng số thay đổi TCP mà chúng tơi thực để mơ uTP Mơ hình hóa hành vi uTP cách sử dụng UDP, giải thích trên, dẫn đến biểu diễn khơng xác cách thức hoạt động giao thức uTP Bằng cách giữ TCP làm giao thức truyền tải dịch vụ đáng tin cậy mơ phỏng, kết mơ phản ánh quan sát thực tế xác Những thay đổi thực cho TCP hiệu ứng mơ hình hóa cho giao thức truyền tải kết cho thấy thay đổi hợp lý không hiệu ứng dụng khác sử dụng giao thức uTP đánh giá Kết quả: Độ trễ gói tin mạng hiển thị Hình Sau mạng đạt đến trạng thái hoạt động ổn định, thấy TCP thông thường (được hiển thị màu xanh lam) uTP (hiển thị màu đỏ) dẫn đến mức độ trễ trung bình tương tự Sự khác biệt chúng uTP dễ bị vỡ ln thời gian trễ Có thể gói TCP nhỏ sử dụng kết kịch uTP biến thể này, nhiên, khơng phải dễ dàng Hình 9: Độ trễ gói IP Cloud Lưu lượng tổng thể nhận từ khách hàng hiển thị Hình 10 Như hiển thị biểu đồ, liệu truyền qua uTP tổng thể, số yếu tố Một lý thay đổi hành vi tắc nghẽn, điều có nghĩa cửa sổ nghẽn chiếm nhiều thời gian giá trị nhỏ kịch uTP Tuy nhiên, kích thước gói đóng vai trò Các gói nhỏ nhiều sử dụng kịch uTP làm giảm thơng lượng liệu, tiêu đề có kích thước cố định, phần lớn khơng gian bên gói đưa lên tiêu đề IP TCP tỷ lệ băng thơng lớn "lãng phí" chuyển tiêu đề Hình 10: Thơng lượng lưu lượng TCP Trình kích hoạt ứng dụng VoIP hiển thị Hình 11 Như thấy, tắc nghẽn tích cực kịch uTP có nghĩa kết nối từ máy khách máy chủ đến mạng không nạp nhiều liệu FTP gói VOIP thực thông qua mạng với tốc độ nhanh Hình 11: Ứng dụng VoIP Jitter Độ trễ từ đầu đến cuối cho ứng dụng VoIP hiển thị Hình 12 Như thấy, điều khiển tắc nghẽn lại giảm tải kết nối máy khách máy chủ với mạng cho phép gói VoIP truyền chậm trễ Hình 12: Ứng dụng VoIP End-to-End Delay Kết luận Dự án triển khai phiên giao thức uTP hạn chế đơn giản, độ xác mơ UTP khó để đánh giá Cấu trúc liên kết mạng đơn giản hóa so với mạng BitTorrent giới thực Tuy nhiên, mô cho thấy uTP cải thiện thành công tồn với ứng dụng khác Các gói VoIP có kinh nghiệm chậm trễ, jitter chậm trễ, giảm đáng kể kịch uTP Theo dự kiến, QoS cải thiện, tốc độ truyền liệu BitTorrent giảm đáng kể Rõ ràng từ mơ này, kiểm sốt lưu lượng tích cực cung cấp uTP cao nhiều người dùng mạng cải thiện QoS cho ứng dụng khác chạy BitTorrent có khả đáng giá