(Luận văn thạc sĩ) phân tích, đánh giá hiệu suất tác động của một số thuật toán điều khiển tắc nghẽn số liệu TCP

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I KHOA CÔNG N GH Ệ N G U Y Ễ N H O À N G L IN H PH Â N T ÍC H , Đ Á N H G IÁ H IỆ U S Ấ T H O Ạ T Đ Ộ N G C Ủ A M Ộ T s ố T H U Ậ T T O Á N Đ IỀ U K H IE N t ắ c n g h ẽ n s ố L I Ệ U T C P Chuyên ngành : Công nghệ Thông tin Mã số : LU Ậ N V Ă N T H Ạ C s ĩ K H O A H Ọ C Người hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ VŨ DUY LỘI ỊĨÍU ỈN V HÀ NỘI NĂM 2001 ■' i :[ ị Điều khiển tắc nghẽn T C P Trang NỘI DƯNG M Ở Đ Ầ U CH Ư ƠN G : G IÓ I T H IỆ U C H U N G 1.1 Điều khiển lưu lượng số liệu Internet 1.1.1 Giới thiệu chung m ạng In te r n e t 1-1.2 Điều khiển lưu lượng tắc nghẽn số liệu mạng TTMT 10 1 T C P m ạng In tern et.14 Điểu khiển lưu lượng tắc nghẽn số liệu Cơ ch ế cửa sổ đ ộng .16 Cơ c h ế phát lại thích n g h i 16 C c h ế điều khiển tắc nghẽn liệu 17 1.2 Phân tích đánh giá hiộu suất 18 1.2.1 Sự cần thiết 18 1.2.2 C ác phương p h p .18 1.2 Mơ máy tính .19 Hệ thống mô N S 19 CHƯƠNG : C Á C T H U Ậ T T O Á N Đ IỀ U K H IE N t ắ c n g h ẽ n T C P 2 2.1 Một số định nghĩa khái niộm quan trọng 23 2.2 Các thuật toán điếu khiển tắc nghẽn 24 2.2.1 Các thuật toán “ K hởi động ch ậm ” “Tránh tắc n ghẽn” 25 “Khởi động ch ậm ” 25 “Tránh tắc nghẽn” Kết hợp “Khởi động ch ậm ” “Tránh tắc nghẽn” 32 Nguyễn Hoàng Linh Đ iều khiển tắc nghẽn T C P Trang 2 C ác thuật toán “ Phát lại nhanh” “ H ồi phục nhanh” 38 “ Phát lại nhanh” 38 “H ồi phục nhanh” K ết hợp “ Phát lại nhanh” “ H ồi phục nhanh” 41 CH Ư Ơ N G : H IỆ U SU Ấ T C Á C T H U Ậ T T O Á N Đ l Ề K H IE N t ắ c n g h ẽ n S Ố L IỆ U T C P T A H O E , R E N O , N E W -R E N O V À S A C K 43 3.1 Điều khiển tắc nghẽn số liệu T C P 44 1 C ác phiên điều khiển tắc nghẽn số liệu T C P 4 T ah o e T C P 3 R en o T C P N ew -R eno T C P .5 SA C K T C P 55 3.2 Mô 60 K ịch m ô p h ỏ n g 2 M ột gói liệu bị m ấ t 61 3 Ba gói liệu bị m ấ t 65 3.3 Kết mô 69 K Ế T L U Ậ N 73 Bảng số từ viết tắt 78 Tài liệu tham khảo 80 Phụ lụ c 82 Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn T C P Trang MỞ ĐẦU Nội dung cu a luận văn nghiên cứu c c h ế hoạt động củ a m ột số thuật toán điều khiển tắc nghẽn số liệu T C P , cụ thể c c thuật toán “K h i đ ộn g c h ậ m ” (S low StartX é‘Tránh tắc n g h ẽn ” (C on gestion A voidan ce), ‘T h át lạ i nhanh ” (F ast R etran sm it) “P hụ c h i n han h (F ast R eco v ery ) Đ ây bốn thuật tốn c s nghiên cứu, n g b ố đưa ch o m ọi người cộng đồng Internet (Internet S o cie ty ) thảo luận đánh giá Sau m ột hệ chương trình mơ m ạng m áy tính có tên N S sử dụng để kiểm tra, so sánh đánh giá hiệu suất củ a bốn thuật toán tổn g t h ể đ iều k h iển tắc n ghẽn s ố liệu TCP dựa bốn thuật toán c s ở Đ ó cá c T ahoe, R en o, N ew R en o S A C K TCP Bài luận văn ch ia thành chương Chương I giới thiệu tóm tắt nội dung củ a luận văn, vấn đề mà trình bày ch i tiết c c chương sau Chương giới thiệu tổng quan Internet, cấu trúc m ạng Internet g iao thức T C P /IP điều khiển lau iượng số liệu Internet Q u a nêu lên cần thiết việc so sánh, đánh giá hiệu suất củ a cá c thuật toán điều khiển tắ c nghẽn số liệu T C P thơng qua m ột hệ chương trình m m áy tính Nguyễn Hồng Linh Điều khiển tắc nghẽn T C P Trang Chương II trình bày chi tiết nguyên tắc hoạt động bốn thuật toán điều khiển tắc nghẽn số liệu TC P Cụ thể thuật toán “K h i độn g c h ậ m ”, “Tránh tắc nghẽn ”, “P hắt lạ i nhanh ” “Phục h i nhanh Chương III giới thiệu bốn thuật toán điều kh iển tắc n ghẽn s ố liệu TCP tổng th ể T ahoe-, R eno-, N ew -R eno-, SA C K -T C P cá c nguyên tắc hoạt động chúng Bốn thuật toán tổng thể mơ thơng qua H ệ chương trình M ô p h ỏn g N S để so sánh đánh giá hiệu suất chúng Cuối phần K ết luận tóm tắt kết mà luận văn đạt Nguyễn Hoàng Linh Đ iều khiển tắc nghẽn T C P Trang CHUƠNG1 G IỚ I T H IÊ U C H U N G 1.1 Điẻu khiển lưu lượng số liệu Internet 1.1.1 Giới thiêu chung vể mạng Internet T dự án nghiên cứu phát triển m ạng T T M T (m ạng T T M T ) dựa g nghệ chuyển m ạch gói năm củ a B ộ quốc phòng M ỹ, ngày Internet trở thành m ạng củ a c c m ạng T T M T toàn cầu, kết nối với dựa sở giao thức trao đổi dừ liệu T C P /IP (Transm ission Control Protocol / Internet P ro to co l), đáp ứng ngàv càn g phong phú cá c dịch vụ thông tin liên lạc xã hội, tiến tới trở thành hạ tầng thông tin liên lạc th ế giới Sau số m ố c lịch sử phát triển quan trọng củ a Internet : ■ 1969 : Đưa vào sử dụng thử nghiệm m ạng T T M T c ó tên A P A R N E T sở công nghệ chuyển m ạch gói ■ 1977 : Thử nghiệm thành n g việc kết nối b a m ạng T T M T ba trường đại học lớn Mỹ thông qua giao thức T C P /IP ■ 1986 : V iệ c đưa vào sử dụng m ạng N S F N E T - m ạng xương sống Internet tốc độ cao (45 M bit/s) - phục vụ ch o việc nghiên cứu giảng dạy có ảnh hưởng tích cực đến phát triển mạnh m ẽ củ a Internet cộng đồng nghiên cứu khoa học giáo dục M ỹ c c nước T ây Âu Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn T C P ■ Trang 1990-1 9 : Internet thương mại hoá với đời tổ chức khuyến khích phát triển sử dụng Internet “ Internet S o ciety ” bắt đầu thời kỳ phát triển bùng nổ Internet Từ Internet trở thành mạng T T M T tồn cầu * 1997 : Đ ã có 0 0 mạng TTMT kết nối Internet với 15 triệu m áy chủ triệu người sử dụng Những nhân tô' thúc đẩy phát triển Internet (thực chất việc m rộng m ạng thông qua cá c kết nối cá c máy tính c c m ạng máy tính với c sở giao thức trao đổi liệu T C P / IP) : ■ Với việc sử dụng giao thức T C P/IP hệ điều hành U N IX để thực trao đổi liệu cá c tiến trình m ột máy cá c máy kết nối mạng U N IX hệ điều hành sử dụng rông rãi từ năm 1983 trường đại học c c viện nghiên cứu M ỹ ■ Kỹ thuật vi xử lý cá c m áy tính cá c nhân PC đời vào năm 1980 ngày hồn thiện nâng cao vé cơng suất tính tốn tiện lợi cho người sử dụng rút ngắn khoảng cách người dùng máy tính, máy tính ngày thâm nhập sâu vào cá c lĩnh vực đời sống xã hội thúc đẩy nhu cầu kết nối máy tính mạng máy tính ■ N FSN E T , mạng xương sống Internet đời năm 1986 M ỹ với tốc độ truy nhập đường trục M bit/s, nâng cao c giải thông chất lượng truy cập mạng, đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin cộng đồng % neười sử dụng Internet phát triển với tốc độ nhanh chóng kiến trúc đơn giản linh hoạt mạng Tương tự mơ hình kết nối m c c hệ thống tính tốn ISO /O SI B ộ giao thức trao đổi liệu Internet bao gồm hai phần chính: cá c giao thức tạo thành hệ thống truyền dẫn giao thức hỗ trợ ứng dụng Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn TC P Trang O S I M o d el T C P /IP M o d el Application Application Presentation Telnet FTP Internet Transport Data Link Data Link Physical Physical DNS UDP IP Network Network SMTP TCP Transport Session HTTP Ethernet Token Ring X.25 SLIP ppp Coax, Twisted Pairs, Fiber Optic, WMess F T P - F ile Transfer Protocol H TTP - H yperText Transfer Protocol SM T P - Simple M ail Transfer Protocol D N S - Dom ain Name System TC P - Transm ision Control Protocol U D P - U ser Datagram Protocol SL IP - Serial Line Internet Protocol ppp - Point to Point protocol Hình 1.1 Bộ giao thức mạng Internet K hác với mơ hình IO S/O SI, tầng liên mạng Internet sử dụng giao thức kết nối mạng “không liên kết” (connectionless) IP (Internet Protocol) tạo thành hạt nhân hoạt động hệ thống truyền dẫn Internet Cùng với cá c thuật toán định tuyến tầng liên mạng IP cho phép kết nối m ột cách linh hoạt c c loại mạng vật lý khác : Ethenet, Token R ing, X dựa địa IP (bao gồm địa phân m ạng IP địa thiết bị cuối thuộc phân m ạng đó) G iao thức lièn mạng IP bao gồm chức sau : ■ Đ ịnh nghĩa cấu trúc gói liệu đơn vị sở liệu trao đổi Internet ■ Đ ịnh nghĩa phương thức đánh địa IP Nguyễn Hoàng Linh Trang Điều khiển tắc nghẽn T C P ■ Truyền liệu mức vận chuyển mức truy nhập mạng (A ccess Network) ■ Đ ịnh tuyến đường cá c gói liệu mạng ■ Thực v iệc phân mảnh (fragm entation) hợp (reassem bly) gói liệu nhúng / tách chúng cá c gói liệu mức liên kết G iao thức trao đổi liệu “có liên kết” (connection - oriented) T C P (T ransm ision C ontrol Protocol) sử dụng tầng vận chuyển (transport layer) để đảm bảo tin cậy xác việc trao đổi liệu hai thực thể cuối m ạng dựa kiến trúc kết nối “không liên k ết” tầng liên mạng IP G iao thức T C P phải quản lý số tính theo byte dịng liệu, phải tối ưu hố khả giải thông mạng bầng cách giám sát điều khiển lưu lượng liệu từ thực thể gửi tới thực thể nhận Cụ thể T C P phải làm công v iệc sau : ■ Đ ối th oại k h i thu p h át : M ỗi gửi m ột gói liệu, bên nhận phải thông báo nhận theo khoảng thời gian định Nếu khơng, gói liệu co i nhận sai phát lại ■ K iểm tra d ữ liệu thu, p h ất : Dữ liệu gửi kiểm tra m ột thuật toán qui định B yte kiểm tra (checksu m ) gửi với liệu phát so sánh với byte kiểm tra tính lại thu Trong trường hợp sai lệch có nghĩa có lỗi xảy đường truyền, thực thể nhận thông báo kết nhận cho thực thể gửi yêu cầu phát lại ■ K iểm tra s ố : Do cá c gói T C P chuyển thành cá c gói IP gói IP c ó thể đến đích khơng theo thứ tự phát (IP giao thức khơng có kết nối - n ection less) nên thực thể T C P nhận phải lập lại trật tự cá c gói liệu thu huỷ bỏ cá c gói liệu trùng lặp cần chuyển cá c gói liệu theo trật tự phát cho cá c ứng dụng ■ Đ iều k h iển lưu lượng : M ỗi thực thể kết nối T C P có vùng đệm hạn chế T hự c thể T C P nhận cho phép thực thể phát gửi m ột lượng Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn T C P Trang 10 liệu đủ với vùng đệm thu củ a Đ iều ch o phép ngăn cản thực thể T C P gửi phát nhanh, làm tràn vùng đệm củ a thực thể T C P nhận chậm C ác giao thức hỗ trợ ứng dụng truy cập từ xa (T eln et), truyền tệp (F T P ), dịch vụ W orld W ide W e b (H T T P ), thư điện tử (S M T P ), dịch vụ tên miền (D N S) không ch ỉ tích hợp c c dịch vụ củ a c c tầng c tầng phiên (sessio n ), tầng thể (p resen tation ), tầng ứng dụng (application) thực thể thống m cò n cài đặt phổ biến phận cấu thành c c hệ điểu hành thông dụng U N IX (củ a nhiều nhà cung cấp khác nhau), W ind ow s X /N T , N ovell N etw are Chi tiết g iao thức T C P /IP m ộ t số g ia o thức điều khiển giao thức T C P trình bày chi tiết [L o i9 , S te94, Pos81 ] 1.1.2 Điều khiển lưu lượng tắc nghẽn số liệu mạng TTMT Như đă trình bày trên, m ạng T T M T th ế giới mạng A P A R N E T thiết k ế xây dựng c sở n g nghệ chuyển mạch gói Kỹ thuật chuyển m ạch gói ch o phép chuyển tiếp liệu cá c thiết bị cuối trôn sở ch ia ng thành c c gói có độ dài thay đổi chuyển liệu qua cá c đoạn đường khác hệ thống truyền dẫn Đ ặ c trưng cơng nghệ chuyển m ạch gói : ■ Dữ liệu chu yển tiếp c sở c c gói c ó độ dài khác * Phần tiêu đề (header) a c c liệu điều khiển cần thiết ch o việc chọn đường chuyển tiếp ch ín h x c đến địa ch ỉ đích Hệ chuyển m ạch nhận tồn gói liệu, lưu trữ tạm thời nhớ đệm để phân tích liệu điều khiển, chọn đường thực chuyển tiếp K ỹ thuật gọi "lưu ch u y ển " (store-and -forw ard ) Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn TCP Trang 77 sánh với c c giao thức so sánh khơng có SA C K Đưa thơng tin vậy, thực thể gửi tránh việc trì hỗn (làm trễ) khơng cầ n thiết cá c việc phát lại, dẫn đến lưu lượng cải thiện Chúng ta tin tưởng việc thêm SA C K TC P m ột thav đổi quan trọng m phải làm ch o T C P vào thời gian để cải tiến hiệu suất củ a Trên tóm rắt kết m luận văn đạt hướng phát triển c c thuật toán điều khiển tắc nghẽn số liệu T C P tương lai Cuối cù n g , mục đích luận văn đạt hệ thống hoá lại làm sáng tỏ vài vần đề xung quanh đề tài “Đ iều khiển lưu lượng tắc nghẽn số liệu TC P “ mạng Trong luận văn ch ắc chắn cịn có vấn đề chư a đề cập đến m ong thông cảm hy vọng luận văn đóng góp phần nhỏ việc nghiên cứu đánh giá hiệu suất cá c thuật toán điểu khiển lưu lượng tắc nghẽn s ố liệu ch o m ạng T T M T nói chung m ạn g Internet nói riêng N guyễn Hồng Linh Điểu khiển tắc nghẽn TCP Trang 78 Bảng số từ viết tắt A CK A cknow legm ent cwnd Congestion W indow (cửa sổ phát) DNS D om ain Nam e System DupAckNum Số A C K trùng FD D I F iber Distributed Data Interface FlightSize Lượng liệu tồn đọng FTP F ile T ran sfer Protocol H D LC H igh-Level Data Link Control H TTP H yperText Transfer Protocol IE T F Internet Engineering Task Force IP Internet Protocol ISO Intem altional Standard O rganization IW Initial W indow LBN L Law rence B erkeley N ational Laboratory LA N L ocal A rea Network LW L oss W indow M AN M etropolitan A rea Network M ạng T T M T M ạng thông tin máy tính NS Network Sim ulator Nguyễn Hồng Linh Điều khiển tắc nghẽn TCP O SI Open System Interconnection RFC R equ est For Comment RM SS R eceiv er M axim um Segm ent Size RTT Round-Trip T im e RW R estart W indow rwnd R eceiv er W indow (cửa sổ thu) Segm ent G ói-dữ-liệu SM T P Sim ple M ail Transfer Protocol SM SS Sender M axim um Segm ent Size sthresh slo w -start threshold (ngưỡng k h i-đ ộ n g -ch ậ m ) TC P Transm ision Control Protocol timeout Thời gian ch hết han UDP U ser D atagram Protocol Nguyễn Hoàng Linh Trang 79 Điểu khiển tắc nghẽn TCP Trang 80 Tài liệu tham khảo [A FP 98] A llm an, M , Floyd , s and c Partridge, "Increasing TC P's Initial W indow Size, R F C 4 , Septem ber 1998 [A PS99J A llm an, M ,Paxson, V , and Stevens, w , “T C P C ongestion C ontrol” , R F C , April 1999 [Bra89] Braden, R., "Requirements for Internet Hosts Communication L ayers", ST D 3, R F C 1122, O ctober 1989 s [F F ] F all, K and Floyd, "Sim ulation-based Com parisons o f Tahoe, Reno and SA C K T C P ”, Com puter Com m unication Review , Ju ly 1996 ftp://ftp.ee.lbl.gO v/papers/sacks.ps.Z s [FH 98J Floyd, and T Henderson, "T he N ew R eno M od ification to TC P's Fast R ecovery A lgorithm ", R F C , April 1999 ỊH oe96ị H oe, J , "Im proving the Start-up Behavior o f a C ongestion Control Schem e for T C P ", In A C M SIG C O M M , August 1996 [Hun2 0 11 Bùi Quang Hưng, "N ghiên cứu công cụ mô phân tích đánh giá hiệu suất cá c hệ thống mạng thơng tin m áy tính N S", 2001 - K hố luận tốt nghiệp hệ đại học quy, ngành Tin học, K hoa Công nghệ, Đ ại học Q uốc gia Hà nội [Ja c8 J Jaco bso n , V , "C ongestion A voidance and C ontrol", Computer Com m unication R eview , vol 18, no , pp -3 , Aug 1988 ftp ://ftp.ee.lbl.g v/papers/c ngav id p s.z [Ja c9 ] Jaco b so n , V , "M odified T C P C ongestion A voidance A lgorithm ", end2end-interest m ailing list, April , 1990 ftp://ftp.isi.edu/end2end/end2endin terest-1990.m ail [Loi99] TS Vũ Duy Lợi, “Giáo trình Mạng Thơng tin Mấy tính”, 1999 [M D 90J M ogul, J and Novem ber 1990 Nguyễn Hoàng Linh s D eering, "Path M T U D iscov ery", R F C 1191, Điều khiển tắc nghẽn TCP Trang 81 s (M M F R J M athis, M , M ahdavi, J., Floyd, and A Romanovv, "TC P Selective A cknow ledgem ent O ptions", R F C , O ctob er 1996 [P ax97] Paxson, V , "E nd -to-End Internet Packet D y n am ics", Proceedings o f SIG C O M M '9 , Cannes, France, Sep 1997 [P o s8 1 Postel, J , "Transm ission Control P roto col", ST D 7, R F C , Septem ber 1981 [Ste94] Stevens, w „ "T C P /IP Illustrated, V olu m e 1: T he P roto cols", AddisonW esley , 1994 [Ste97J Stevens, w., "T C P Slow Start, C ongestion A voidance, Fast Retransm it, and Fast R ecovery A lgorithm s", R F C January 1997 2001T Nguyễn Hoàng Linh Trang 82 Điều khiển tắc nghẽn TCP PHỤ LỤ C Nguyễn Hoàng Linh Trang 83 khiển tảc n g h è n T C P L — _ ± - -‘ °000 0.0000 > * “> N g u y êễn n Hoàng Linh ± - — t e 6W0°s t r s ^ ^ Điểu khiển tắc nghẽn TCP packet Trang 84 test_new r_one_drop time tỉcne Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn TCP p acket Trang 85 test_taho_tw o_drops time packet test_reno_tw o_drops tim e Nguyễn Hoàng Linh Trang ẽn TCP khiển tắc nghẽn Nguyễn Hoàng test oew rtvvo^drops Linh Trang 87 Điều khiển tắc nghẽn TCP test_ta ho_three_d ro p s p acket 50.0000 55.0000 50.0000 45.0000 40.0000 35.0000 30.0000 25.0000 20.0000 15.0000 J0.0000 5.0000 0.0000 time 0.0000 1.0000 2.0000 3.0000 4.0000 5.0000 6.0000 test_re no_threẹ_d ro p s packet 60.0000 55.0000 50.0000 45.0000 40.0000 35.0000 30.0000 25.0000 20.0000 15.0000 10.0000 5.0000 0.0000 time 0.0000 Nguyễn Hoàng Linh 1.0000 2.0000 0000 4.0000 5.0000 6.0000 Điều khiển tắc nghẽn TCP Trang 88 time time Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn TCP p a ck e t Nguyễn Hoàng Linh Trang 89 test_reno_four_drops Điều khiển tắc nghẽn TCP Nguyễn H oàng Linh Trang Điéu khiển tắc nghẽn TCP Nguyễn Hoàng Linh Trang 91 ... Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn T C P Trang MỞ ĐẦU Nội dung cu a luận văn nghiên cứu c c h ế hoạt động củ a m ột số thuật toán điều khiển tắc nghẽn số liệu T C P , cụ thể c c thuật toán “K h i... thu từ cá c đổ thị mô Nguyễn Hoàng Linh Điều khiển tắc nghẽn T C P Trang 4 3.1 Điểu khiển tắc nghẽn số liệu TCP 3.1.1 Các phiên điều khiển tắc nghẽn số liệu TCP Chúng ta so sánh T a h o e R e n... xảy liệu, ngăn chặn khả xảy tượng tắc nghẽn liệu Nội đung luận văn tập chung vào m ột số thuật toán điều khiển tắc nghẽn số liệu giao thức T C P mạng Internet Sau trình bày cá c ch ế điều khiển