(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của lỗi đường truyền lên kết nối internet qua đường truyền vệ tinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI ĐƯỜNG TRUYỀN LÊN KẾT NỐI INTERNET QUA ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI ĐƯỜNG TRUYỀN LÊN KẾT NỐI INTERNET QUA ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH Ngành: Chuyên Ngành: Mã số: Công nghệ thông tin Truyền liệu mạng máy tính 604815 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Đình Việt Hà Nội - 2011 Hà Nội - 2011 Mục lục Lời cám ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Chương Đặc trưng lỗi đường truyền vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển ưu nhược điểm truyền thông vệ tinh .9 1.1.1 Lịch sử phát triển truyền thông vệ tinh 1.1.2 Ứng dụng truyền thông vệ tinh 10 1.2 Đặc điểm lỗi đường truyền vệ tinh 10 1.2.1 Các số liệu thống kê đặc điểm lỗi đường truyền vệ tinh 10 1.2.2 Các mơ hình lỗi đường truyền vệ tinh 13 1.2.2.1 Mơ hình lỗi đồng (Uniform Error Model) 14 1.2.2.2 Mô hình lỗi Markov hai trạng thái (Two-stale Markov Error Model) 14 1.2.2.3 Mơ hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến 15 1.2.2.4 Mơ hình lỗi Markov đa trạng thái (Multi-state error model) .15 Chương Giao thức TCP chế điều khiển tắc nghẽn 17 2.1 Tổng quan giao thức TCP 17 2.1.1 Tổng quan 17 2.1.2 Cấu trúc gói tin TCP 18 2.1.3 Cơ chế hoạt động TCP 19 2.2 TCP chế điều khiển tắc nghẽn 21 2.2.1 Quá trình slow-start congestion avoidance 21 2.2.2 Quá trình Fast-Retransmit 22 2.2.3 Quá trình Fast-Recovery 22 2.3 Một số phiên TCP 23 2.3.1 TCP Tahoe 23 2.3.2 TCP Reno 24 2.3.3 TCP New-Reno 25 2.3.4 TCP SACK 25 2.4 Những vấn đề TCP môi trường mạng không dây 28 Chương Một số phương pháp nâng cao hiệu TCP mạng không dây 29 3.1 Link layer 29 3.1.1 Snoop 30 3.1.2 WTCP 31 3.1.3 Kết luận 34 3.2 Chia kết nối 35 3.2.1 Indirect TCP (I-TCP) 35 3.2.2 Kết luận 39 3.3 Cơ chế cảnh báo tường minh EN (Explicit Nofitication) 39 3.3.1 ICMP Message 39 3.3.2 Phương pháp thông báo liệu tường minh ELN (Explicit Loss Notification) 40 3.3.3 Phương pháp đếm syndrome 41 3.3.4 Phương pháp ACK thành phần (partial ACK) 41 3.3.5 Kết luận 42 3.4 Phương pháp End to End 42 3.4.1 Freeze TCP 43 3.4.2 TCP-Westwood 44 Chương Giải pháp PEP với giao thức XCP thí nghiệm mơ 52 4.1 Tổng quát TCP với XCP giải pháp PEP 52 4.1.1 Giới thiệu TCP 52 4.1.2 Giao thức XCP 53 4.1.3 Giải pháp sử dụng Proxy để nâng cao hiệu suất TCP - PEPs (Performance Enhancement Proxies solution) 54 4.2 Giới thiệu phần mềm mô NS 55 4.2.1 Bộ mô mạng NS (Network Simulator) 55 4.2.2 Sử dụng phần mềm mô NS để mô đường truyền vệ tinh 55 4.2.3 Cài đặt vệ tinh trạm mặt đất 56 4.2.4 Kết nối vệ tinh 57 4.2.5 Hỗ trợ theo dõi 58 4.3 Giới thiệu thiết lập mô phỏng, kết luận hướng làm việc tương lai 60 Tài liệu tham khảo 61 Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt ACK AIMD ARP ATM BER BS BWE CWD CWND EEM ELN EN FR/FR FTP GEO GSO HTTP IP I-TCP LAN LEO MAC MH MIMD MSR NET NS PEP RTO RTO RTT SACK TCL TCP UDP URG VJCC WLAN WTCP XCP Acknowedgment additive increase multiplicative decrease Address Resolation Protocol Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Base Station Bandwidth Estimate Current window size Congestion window EURAD-Emission Explicit Loss Notification Explicit Nofitication Fast-Retransmit/ Fast-Recovery File Transfer Protocol Geostationary Earth Orbit Geo-Stationary Earth Orbit Hypertext Transfer Protocol Internet Protocol Indirect- TCP Local Area Network Low Earth Orbit Media Access Control Mobile Host multiplicative increase multiplicative-decrease Mobile support router Network Network Simulator Performance Enhancement Proxy Retransmit time-out Retransmit Timeout Round Trip Time Selective Acknowedgment options Tool Command Language Transmission Control Protocol User Datagram Protocol User Datagram Protocol Van Jacobson Congestion Control Wireless Local Area Network Wireless Transmission Control Protocol eXplicit Control protocol ZWA ZWP Zero Window Advertisement Zero Window Probe Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Mơ hình mạng vệ tinh 11 Hình 1.2 Mơ hình lỗi Markov hai trạng thái 14 Hình 1.3 Mơ hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến 15 Hình 2.1 Gói số liệu TCP với phần tiêu đề giả 18 Hình 2.2 Cấu trúc gói số liệu TCP 19 Hình 2.3 Phương thức bắt tay ba bước- thiết lập kết nối, chấm dứt phiên làm việc 20 Hình 2.4 Cơ chế quản lý gửi liệu theo cửa sổ TCP 20 Hình 2.5 Quá trình slowstart congestion avoidnce 22 Hình 2.6 Quá trình Fast-Retransmit 23 Hình 2.7 Lưu đổ giải thuật slowstart 23 Hình 2.8 Lưu đồ chi tiết TCP-Tahoe 24 Hình 2.9 Lưu đồ điểu khiển TCP-Reno 25 Hình 2.10 Phương thức hoạt động SACK 26 Hình 2.11 Option thông báo chế điều khiển SACK 26 Hình 2.12 Option thơng tin SACK 26 Hình 2.13 Quá trình khai báo sử dụng SACK 27 Hình 3.1 Lược đồ phân loại giải pháp tối ưu hóa TCP mơi trường khơng dây .29 Hình 3.2 Mơ hình mạng khơng dây với BS đóng vai trị Snoop .30 Hình 3.3 Lưu đồ Snoop xử lý nhận liệu từ FH BS 31 Hình 3.4 Lưu đồ Snoop xử lý nhận ACK từ MH BS 31 Hình 3.5 Mơ hình xử lý WTCP 31 Hình 3.6 Lưu đồ WTCP xử lý nhận liệu 32 Hình 3.7 Lưu đồ WTCP chuyển tiếp gói 33 Hình 3.8 Lưu đồ WTCP xử lý nhận ACK 34 Hình 3.9 Mơ hình chia kết nối 35 Hình 3.10 Mơ hình I-TCP 36 Hình 3.11 BS đóng vai trị Proxy I-TCP 36 Hình 3.12 Quá trình xử lý chuyển vùng (handoff) I-TCP 37 Hình 3.13 Các bước thực trình handoff I-TCP 39 Hình 3.14 Mơ hình xử lý ACK thành phần 42 Hình 3.15 Qui trình xử lý freeze TCP 43 Hình 3.16 Lưu đồ giải thuật TCPW tính số lượng segment xác nhận 46 Hình 3.17 Lưu đồ giải thuật TCPW xử lý N dupACKs tổng quát 47 Hình 3.18 Lưu đồ giải thuật TCPW xử lý 3- dupACKs thực nghiệm 48 Hình 3.19 Lưu đồ giải thuật TCPW xử lý timeout tổng quát 49 Hình 3.20 Lưu đồ giải thuật TCPW xử lý timeout thực nghiệm 50 Hình 4.1 Cấu trúc mô NS-2 55 Hình 4.2 Các thành phần mạng vệ tinh 57 Hình 4.3 Cấu trúc tập vết thơng thường NS 58 Hình 4.4 Mơ hình mơ 60 Chương Đặc trưng lỗi đường truyền vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển ưu nhược điểm truyền thông vệ tinh 1.1.1 Lịch sử phát triển truyền thông vệ tinh Người nghĩ vệ tinh nhân tạo dùng cho truyền thông nhà viết truyện khoa học giả tưởng Arthur C Clarke vào năm 1945 Ông nghiên cứu cách phóng vệ tinh, quỹ đạo chúng nhiều khía cạnh khác cho việc thành lập hệ thống vệ tinh nhân tạo bao phủ giới Ông đề xuất việc sử dụng vệ tinh địa tĩnh (geostationary) cho hệ thống viễn thông, đủ để phủ sóng cho tồn Trái Đất Vệ tinh nhân tạo SPUTNIK Liên bang Xô viết phóng lên ngày tháng 10 năm 1957 chứng minh cho ý tưởng Arthur C Clarke Sự kiện động lực thúc đẩy lớn lao truyền thông vệ tinh giới Về mặt công nghệ, SPUTNIK so sánh với vệ tinh đại ngày Nó đơn phát tín hiệu radio “bíp bíp” cách đặn Thế nhưng, thực bước tiến to lớn người việc chinh phục không gian Chỉ ba năm sau vào năm 1960, vệ tinh ECHO Mĩ trở thành vệ tinh truyền thông thực thụ nhân loại với khả tiếp nhận phản hồi lại tín hiệu radio Tiếp theo ECHO, vệ tinh địa tĩnh SYNCOM đời năm 1963 với ưu điểm lớn giữ vị trí tương đối cố định so với mặt đất Khả tuyệt vời đặt tảng cho việc phủ sóng chương trình thời tồn nước Mĩ thời Sau đó, hàng loạt vệ tinh thương mại đưa lên quỹ đạo INTELSAT-1, vệ tinh nặng 68 kg cung cấp 240 kênh điện thoại song công tương đương với kênh truyền hình Vệ tinh INTELSAT-2 INTELSAT-3 với số kênh thoại lên tới 1200 kênh Tới năm 1976 đời MARISAT cung cấp dịch vụ truyền thông cho phương tiện giao thông đường thủy, từ người ta thấy ăng-ten parabol bắt đầu xuất tầu thuyền, giúp tầu thuyền liên lạc thường xuyên với liên lạc với đất liền hành trình khắp nơi giới Hệ thống điện thoại vệ tinh di động đầu tiên, INMARSAT-A, giới thiệu vào năm 1982 Sáu năm sau INMARSAT-C Đến năm 1993, hệ thống điện thoại vệ tinh số hóa tồn Năm 1998 đánh dấu hệ truyền thông vệ tinh với đời tổ hợp vệ tinh Iridium, dự án đầy tham vọng Motorola nhằm xây dựng hệ thống vệ tinh thông tin di động phủ sóng khắp tồn cầu Ban đầu dự án Iridium thiết kế bao gồm 77 vệ tinh tạo thành mạng lưới mà hoàn thành cho phép điểm trái đất liên lạc với Tên hệ thống (Iridium) đặt theo tên nguyên tố thứ 77 bảng hệ thống tuần hoàn, 77 vệ tinh quay quanh trái đất 77 electron quay quanh hạt nhân nguyên tố Iridium Khi triển khai thực tế, lý kinh tế nên số vệ tinh tính tốn lại 49 Hình 3.19 Lưu đồ giải thuật TCPW xử lý timeout tổng quát Các hàm f3, f4, f5, f6 hàm tùy chọn Trong thực tế, hàm chọn: Tham số a f5 tính giống f2, nhiên, bước nhảy a thay 0.25: 50 Hình 3.20 Lưu đồ giải thuật TCPW xử lý timeout thực nghiệm Như vậy, trường hợp, ước lượng băng thơng tính lại áp dụng cho cho việc điều khiển phát gói đầu phát TCPW cung cấp chế điều khiển recovery nhanh tránh chế giảm đột ngột cwnd nhận 3- dupACKs cách đo lường băng thông Điều giúp TCPW hoạt động tốt giải thuật truyền thống hoạt động mơi trường khơng dây Trong trường hợp gói lỗi đường truyền, TCPW khơng giảm cwnd mà tính lại theo băng thông ước lượng Đây điểm mạnh TCPW môi trường Không dây 51 Bảng tóm tắt Bảng 3-1 Bảng thống kê so sánh phương pháp Đòi hỏi thiết bị trung gian hoạt động lớp Transport Hoạt động với chế bảo mật Cần xử lý End-to-end Xử lý handoff Xử lý lỗi cao Westwood Freeze TCP End-to-End Syndrome ICMP EN ELN Split Connection I-TCP Snoop WTCP Link-layer Có Có Có Khơng Khơng Khơng Khơng Có BS BS + endpoints Khơng Hạn chế có khơng khơng BS Khơng Có Có Có Có Endpoints Có Khơng Có Có Khơng 52 Chương Giải pháp PEP với giao thức XCP thí nghiệm mơ TCP với chế điều khiển tắc nghẽn Van Jacobson (VJCC) biết có hiệu suất đường truyền có tích độ trễ với băng thông lớn (longdelay link), đường truyền vệ tinh Trên đường truyền vậy, VJCC thực thăm dị từ từ băng thơng sử dụng đường truyền, nên cần khoảng thời gian đáng kể trước sử dụng dung lượng sẵn có TCP sử dụng giải pháp dùng Proxy để tăng cường hiệu suất (PEPs) thực cách: chia kết nối TCP đầu vào liên kết có độ trễ lớn (thí dụ liên kết vệ tinh) áp dụng chế điều khiển tắc nghẽn khác, có tính động cho phần kết nối Các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn trước sử dụng cho kết nối vệ tinh thường sửa đổi, cải tiến thuật toán Van Jacobson, loại bỏ tất thuật toán thực điều khiển tốc độ truyền “bằng tay” cho kết nối cụ thể Trong chương phân tích kết nhận từ đo chế kiểm soát tắc nghẽn mới, giao thức kiểm sốt rõ ràng XCP (eXplicit Control Protocol), thiết lập PEPs đặt đầu liên kết vệ tinh địa tĩnh thực mô Kết thí nghiệm cho thấy kết nối sử dụng PEP XCP đạt phần băng thông đường truyền vệ tinh dùng chung nhanh 70 lần so với việc sử dụng TCP thông thường sử dụng VJCC, kết nối end-to-end [8] 4.1 Tổng quát TCP với XCP giải pháp PEP 4.1.1 Giới thiệu TCP Hiện nay, TCP vận chuyển phần lớn lưu lượng Internet Nó thể sức mạnh đặc biệt việc thích ứng với việc mở rộng khơng ngừng Internet Tuy nhiên, đường truyền có tích băng thơng với độ trễ lớn, đường truyền vệ tinh, thuật toán điều khiển tắc nghẽn TCP, biết đến với tên gọi thuật toán điều khiển tắc nghẽn Van Jacobson hay VJCC, TCP thể rõ hạn chế Đường truyền độ trễ lớn làm choVJCC chậm đạt dung lượng đường truyền sẵn có Ngồi ra, TCP cịn có khó khăn khác hoạt động đường truyền nói trên, chẳng hạn không xác định nguyên nhân gói tin TCP với VJCC sử dụng khơng hiệu đường truyền dài có băng thơng lớn Trong giai đoạn tránh tắc nghẽn, chế tăng theo cấp số cộng cho phép TCP tăng kích thước cửa sổ tắc nghẽn (cwnd) thêm gói tin sau khoảng thời gian (RTT) Vì vậy, mạng có độ trễ cao, cần nhiều thời gian để đưa gói tin lên chiếm hết đường truyền, gây lãng phí tài nguyên quan trọng mạng Thông lượng VJCC tỉ lệ nghịch với RTT, chất thiên vị (về mặt thơng lượng)cho kết nối đường truyền ngắn (có RTT nhỏ) Trong mạng, số đường truyền kết nối TCP qua, kết nối có RTT 53 nhỏ dành phần dải thông lớn so với kết nối có RTT lớn VJCC coi gói tin dấu hiệu tắc nghẽn mạng; mạng có đường truyền khơng dây, đường truyền gói tin bị thường bị lỗi tắc nghẽn, hiệu suất TCP sử dụng VJCC thấp Người ta đề xuất nhiều giải pháp để cải thiện hiệu giao thức TCP, số giải pháp trình bày chương ba, phần luận văn này.Giải pháp PEPs thường phân chia kết nối TCP end-to-end thành ba phần, phần nằm người gửi đầu cuối PEP phía người gửi, phần thứ hai nằm hai đầu cuối PEP phía gửi PEP phía nhận (nghĩa đầu phần mạng có độ trễ lớn) cuối cùng, phần ba nằm PEP phía nhận người nhận Một thuật toán điều khiển tắc nghẽn thay áp dụng hai PEP phía gửi PEP phía nhận để đạt hiệu suất end-to-end cao Thuật tốn thuật toán VJCC sửa đổi, áp dụng biện pháp thiết lập tốc độ gửi “bằng tay”, cho đường truyền cụ thể Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận thành cơng phần Ở trình bày phương phân tích cho thấy truy cập nhanh vào liên kết vệ tinh băng thơng đạt cách sử dụng PEP XCP [8] 4.1.2 Giao thức XCP XCP hệ thống điều khiển tắc nghẽn dựa phản hồi Các thiết bị định tuyến (routers) mạng cung cấp thông tin phản hồi rõ ràng tới điểm cuối (thực thể TCP đầu kết nối), yêu cầu thay đổi tốc độ gửi Các điểm cuối thay đổi tốc độ gửi liệu vào mạng dựa thông tin phản hồi rõ ràng từ mạng, không dựa vào suy luận trạng thái tắc nghẽn mạng Tính khả mở rộng thực định tuyến khơng phải trì thơng tin trạng thái cho luồng Tất tính toán thực định tuyến dựa lưu lượng tổng hợp mà thấy Việc thực thuật tốn địi hỏi chi phí tối thiểu xử lý router (một vài phép nhân cộng) Phản hồi chức thông lượng tổng hợp, dung lượng liên kết nút cổ chai hàng đợi nút cổ chai XCP tách riêng vấn đề hiệu chia sẻ cơng đường truyền Nó áp dụng sách tăng theo cấp số nhân, giảm theo cấp số nhân MIMD (multiplicativeincrease multiplicative-decrease) tính hiệu Bộ điều khiển hiệu (Efficiency controller) tính tốn thơng tin tổng hợp phản hồi (tích cực hay tiêu cực) để đưa khoảng thời gian kiểm soát Sử dụng MIMD dẫn đến việc chiếm băng thông nút cổ chai nhanh ưu điểm áp dụng cho đường truyền vệ tinh (có RTTs dài), nơi VJCC từ từ chiếm lấy dải thông đường truyền Bộ điều khiển chia sẻ công áp dụng phương thức tăng theo cấp số cộng, giảm theo cấp số nhân AIMD (additiveincrease multiplicative-decrease) để phân bổ công dung lượng cho luồng qua liên kết Thơng tin phản hồi rõ ràng tới điểm cuối dẫn đến việc tốc độ gửi luồng tăng nhanh tới giá trị tối ưu phân bổ công băng thông luồng 54 Điều khiển tắc nghẽn XCP không nhạy cảm với việc gói tin Các router đưa phản hồi tiêu cực thấy hàng đợi nút cổ chai tồn lâu Ngay gói bị mất, điểm cuối khơi phục nhanh chóng dựa phản hồi mạng khơng vào pha tránh tắc nghẽn (CA) chậm VJCC XCP loại bỏ đặc điểm thiên vị cố hữu VJCC cho luồng có RTT ngắn, dẫn đến tính chia sẻ cơng cao giá trị RTTs khác Nghiên cứu ban đầu XCP cho thấy cải thiện hiệu suất đáng kể so với VJCC Trong nghiên cứu cho thấy proxy XCP sử dụng để đạt hiệu suất truyền end-to-end đường truyền vệ tinh cao so với truyền VJCC end-to-end Phần trình bày chi tiết XCP PEP 4.1.3 Giải pháp sử dụng Proxy để nâng cao hiệu suất TCP - PEPs (Performance Enhancement Proxies solution) PEP coi giải pháp hiệu thiết thực nhằm cải thiện hiệu suất TCP qua liên kết vệ tinh Ưu điểm việc triển khai PEP chúng khơng địi hỏi phải thay đổi cấu hình TCP đầu cuối Hai loại TCP PEP đề xuất là: TCP giả mạo (snooping) PEP TCP chia kết nối PEP Khi áp dụng giải pháp chia kết nối, proxy đóng vai trị điểm cuối kết nối, phía đường truyền có độ trễ lớn (thí dụ đường truyền vệ tinh) Khi áp dụng giải pháp PEP giả mạo (snoop), proxy đặt đường truyền có độ trễ lớn đường truyền thơng thường, điều khiển việc truyền gói tin TCP hai phân đoạn đường truyền Proxy thực lọc gói tin ACK qua xây dựng gói tin kết nối TCP qua Bằng phân đoạn TCP Các proxy giả mạo giải vấn đề bắt đầu với tốc độ chậm TCP qua mạng có độ trễ lớn Tuy nhiên, vấn đề gây ùn tắc thông tin phản hồi chậm trễ khơng có khả phân biệt tổn thất gói tin tắc nghẽn hay lỗi truyền truyền proxy giả mạo TCP chia kết nối proxy tùy chỉnh cho liên kết cụ thể mà nguyên nhân gây hiệu suất Khi ranh giới mạng nội internet tiếp tục giảm dần, ý nghĩa việc sử dụng PEP bắt đầu trở lên quan trọng cho mạng vệ tinh Điều quan trọng phương pháp tiếp cận PEP có hai nhược điểm: vi phạm end-to-end ngữ nghĩa kết nối liệu khơng có khả xử lý bảo mật IP Tuy nhiên, hạn chế tránh Vi phạm ngữ nghĩa end-to-end có nghĩa độ tin cậy truyền đạt đến sở hostby-host nút người gửi khơng thể đưa thơng tin liệu từ đích thực nó, từ PEP gần Điều hạn chế tránh cách thực kiến trúc mạng DTN Ý tưởng xem xét phân khu không gian đồng mạng đồng dựa vào tầng mới, “bundle layer” lớp ứng dụng Ngược lại PEP, DTN sửa đổi ngăn xếp giao thức, không định tuyến, có người gửi người nhận, thơng qua giới thiệu 55 lớp bổ sung Hơn nữa, làm tăng tính tốn xử lý u cầu DTN thực chức định tuyến PEP cho khơng tương tích với IPSec IPSec mã hóa địa gói IP, bao gồm tiêu đề ứng dụng giao thơng vận tải, đóng gói IPSec vào Payload an ninh mạng Do IPSec, khơng thể cho PEP trung gian kiểm tra tiêu đề ứng dụng vận chuyển, PEP khơng hoạt động tối ưu Như khả việc sử dụng IPSec hạn chế vắng mặt hợp tác với PEP Tuy nhiên, phiên gần IPSec tồn với PEP Sử dụng giá trị băm số thứ tự, PEP phù hợp với gói liệu tương ứng với thừa nhận để điều chỉnh dòng chảy Một cách khác sử dụng bảng vẽ PEP liệu tương ứng với trình tự số tương ứng với phiên có nhu cầu nâng cao hiệu suất Bên cạnh việc cố gắng để giảm thiếu giải hạn chế PEP, có nhiều phương pháp tăng cường chế áp dụng cho PEP Các giao thức đề xuất để tăng cường thực liên kết vệ tinh phân làm ba nhóm chính: TCP PEPs, PEPs không TCP PEP vệ tinh 4.2 Giới thiệu phần mềm mô NS 4.2.1 Bộ mô mạng NS (Network Simulator) NS-2 phiên hệ thống phần mềm mô mạng NS (Netwwork Simulator) phịng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Lawrence Berkeley National Laboratory trong khuôn khổ dự án VINT Các đối tượng NS phát triển hai ngôn ngữ C++ Otcl, cho phép người sử dụng mở rộng mơ NS Bằng cách người sử dụng tạo cấu hình mơ khác để đạt mục đích mơ đề Trong NS, người dùng mơ mạng dựa IP bao gồm mạng LAN có dây, khơng dây, mạng hỗn hợp có dây khơng dây, mạng vệ tinh… Đồng thời NS cung cấp khả mô ứng dụng FTP, HTTP, Webcache, Telnet… dựa Agent tầng giao vận TCP, UDP… Hình 4.1 Cấu trúc mơ NS-2 4.2.2 Sử dụng phần mềm mô NS để mô đường truyền vệ tinh Phần mềm mô NS hỗ trợ người sử dụng mô đường truyền vệ tinh Người dùng thiết lập trạm mặt đất địa điểm khác trái đất kết nối với vệ tinh kênh truyền (uplink, downlink) Hơn người dùng cịn thiết lập tham số khác cho đường truyền vệ tinh tọa độ vệ tinh, băng thơng, mơ hình lỗi 56 Các tham số tổ hợp vệ tinh Hệ thống vệ tinh có tham số sau: độ cao vệ tinh, số lượng vệ tinh mặt phẳng quỹ đạo số mặt phẳng quỹ đạo • Quỹ đạo: Người sử dụng NS đặt góc nghiêng cho mặt phẳng quỹ đạo Tham số nhận giá trị thực khoảng từ đến 180 độ Tuy nhiên, phần mở rộng vệ tinh không cho phép mô độ lệch tâm quỹ đạo Khoảng cách vệ tinh mặt phẳng quỹ đạo khơng thay đổi • Kết nối liên vệ tinh: Người sử dụng mơ kênh kết nối liên vệ tinh hay khác mặt phẳng quỹ đạo tổ hợp vệ tinh quỹ đạo cực Các kênh liên vệ tinh mặt phẳng quỹ đạo khơng tắt khơng có chuyển giao mặt phẳng tắt vệ tinh gần cực lí chế định hướng ăng ten quay theo kết nối vùng cực NS-2 cho phép mô kênh liên vệ tinh vệ tinh địa tĩnh • Kết nối với trạm mặt đất: Một kênh kết nối với mặt đất vệ tinh đồng thời kết nối với nhiều trạm mặt đất Các kênh không thay đổi vệ tinh địa tĩnh tắt trình chuyển giao (handoff) vệ tinh quỹ đạo thấp • Góc nâng tối thiểu: góc tối thiểu mà vệ tinh phải đạt trước trạm mặt đất liên lạc Tham số hệ thống người dùng thay đổi 4.2.3 Cài đặt vệ tinh trạm mặt đất • Trạm mặt đất Để thiết lập trạm mặt đất ta sử dụng đoạn mã sau: $ns node-config –satNodeType terminal set n1 [$ns node] $n1 set-position $lat $lon Trong lat (latitude – vĩ độ) nhận giá trị từ Nam đến Bắc khoảng [90,90] lon (longtitude – kinh độ) nhận giá từ Tây sang Đơng, có giá trị khoảng [-180, 180] • Vệ tinh địa tĩnh Vệ tinh địa tĩnh xác định kinh độ đường xích đạo với giá trị khoảng [-180, 180] Hai loại vệ tinh địa tĩnh thường dùng geo geo-repeater Có thể thiết lập vệ tinh địa tĩnh sau: $ns node-config –satNodeType geo (hoặc “geo-repeater”) set n1 [$ns node] $n1 set-position $lon • Vệ tinh quỹ đạo cực Thông thường, thiết lập vệ tinh quỹ đạo cực ta thường sử dụng tham số, nhiên phần mở rộng làm việc mạng vệ tinh NS-2 hỗ trợ vệ tinh quỹ đạo cực có hình dáng quỹ đạo trịn nên ta cần sử dụng tham số bao gồm: alt (altitude) - độ cao vệ tinh so với bề mặt trái đất, đơn vị ki-lơ-mét inc (inclination) - góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo, đơn vị độ lon (longitude) - kinh độ điểm giao mặt phẳng xích đạo mặt phẳng quỹ đạo 57 alpha - vị trí ban đầu vệ tinh quỹ đạo plane - số hiệu mặt phẳng vệ tinh Ví dụ sau cách thiết đặt tham số cho nút vệ tinh n1: $ns node-config –satNodeType polar set n1 [$ns node] $n1 set-position $alt $inc $lon $alpha $plane 4.2.4 Kết nối vệ tinh Các kết nối vệ tinh xây dựng tương tự kết nối khơng dây NS Mỗi nút vệ tinh có nhiều ngăn xếp nối tầng vật lý với kênh Hình 4.2 biểu diễn thành phần mạng vệ tinh Trong đó: • LL (Link Layer): đối tượng tầng liên kết chịu tránh nhiệm mô giao thức tầng liên kết liệu Nhiều giao thức thực tầng phân mảnh hợp liệu • Ifq (Interface Queue): giao diện hàng đợi, NS cung cấp số kiểu hàng đợi DropTail, DropTail/PriQueue • MAC: tầng điều khiển truy nhập đường truyền • Phy_tx: truyền liệu vật lý qua kênh giao tiếp • Phy_rx: nhận liệu vật lý từ kênh giao tiếp • Channel: kênh giao tiếp vệ tinh • Radio Propagation Model: mơ hình truyền tín hiệu Radio, mơ hình truyền tín hiệu radio chưa cài đặt NS-2, muốn người sử dụng tự xây dựng đưa vào mơ hình riêng Hình 4.2 Các thành phần mạng vệ tinh Trong NS-2, kết nối vệ tinh khác kết nối khơng dây hai điểm: • Các giao tiếp nhận truyền phải kết nối kênh khác • Khơng có giao thức phân giải địa ARP (Address Resolution Protocol) ARP giao thức mà thực thể sử dụng TCP/IP dùng để phân giải địa logic (IP) thành địa vật lý (MAC) Trong NS, giao thức ARP cài đặt cho kết nối không 58 dây (wireless), không cài đặt cho kết nối vệ tinh Giao tiếp mạng cài đặt sau: $node add-interface $type $ll $qlim $mac $mac_bw $phy Trong đó: • type: geo polar cho kết nối từ trạm mặt đất tới vệ tinh địa tĩnh hay vệ tinh quỹ đạo cực, gsl gsl-repeater cho kết nối từ vệ tinh xuống trạm mặt đất, interplane cho kết nối vệ tinh mặt phẳng quỹ đạo, intraplane cho kết nối vệ tinh khác mặt phẳng quỹ đạo, • ll: kiểu tầng link (hiện có loại LL/Sat) • qlim: độ dài hàng đợi tính theo số gói tin • mac: kiểu MAC Hiện có hai loại Mac/Satellite Mac/Satellite/UnslttedAloha • mac_bw: băng thơng kết nối • phy: tầng vật lý Hiện có hai loại Phy/Satellite Phy/Repeater Muốn tạo kênh liên hai nút vệ tinh, sử dụng phương thức sau: $ns add-isl $ltype $node1 $node2 $bw $qtype $qlim Phương thức tạo hai kênh giao tiếp mạng tương ứng hai nút, gắn kênh vào giao tiếp mạng Băng thông kênh bw Trường ltype nhận kiểu intraplane, interplane hay crosseam 4.2.5 Hỗ trợ theo dõi Định dạng tệp vết (trace file) nút vệ tinh giống với định dạng tập vết thông thường NS-2, mô tả hình 4.3 Hình 4.3 Cấu trúc tập vết thông thường NS Cấu trúc tập vết thông thường NS gồm 12 trường, ý nghĩa trường rõ bảng sau: 59 Bảng 4-1 ý nghĩa trường tập tin NS Ví dụ thơng tin gói tin gửi từ nút tới nút nguồn phát cbr lưu file trace sau: + 1.0000 cbr 210 - 66.0 67.0 0 Khi mô đường truyền vệ tinh, dòng tệp vết chứa kết mơ ngồi trường kể bổ sung thêm trường, bao gồm: Bảng 4-2 ý nghĩa trường tập tin NS Thí dụ: + 1.0000 cbr 210 66.0 67.0 0 37.90 -122.30 48.90 -120.94 Trong đó: giá trị 37.90 -122.30 vĩ độ kinh độ nút 1, 48.90 -120.94 vĩ độ kinh độ nút Giá trị âm đại lượng tương ứng với hướng Nam (đối với vĩ độ) hướng Tây (đối với kinh độ) Trong trường hợp nút không chuyển tiếp gói tin gói tin bị loại bỏ trường đích đến đặt -2 60 4.3 Giới thiệu thiết lập mô phỏng, kết luận hướng làm việc tương lai Hình 4.4 Mơ hình mô Sử dụng proxy để tăng cường hiệu suất - PEPs (Performance Enhancement Proxies) PEPs thường sử dụng để cải thiện hiệu suất TCP, thường hiệu số môi trường truyền định, truyền thơng vệ tinh, có thời gian RTTs dài (tối thiểu 480ms cho vệ tinh địa tĩnh) tỷ lệ tổn thất gói tin cao Ví dụ, mạng lưới vệ tinh PEPs triển khai xung quanh liên kết có độ trễ lớn sử dụng chế điều khiển tắc nghẽn thay thế, chẳng hạn điều chỉnh thuật toán Van Jacobson, thuật toán kiểu Vegas, khơng kiểm sốt tắc nghẽn (sử dụng UDP) Mơ hình mạng mơ để đánh giá hiệu PEPs trình bày hình 4.4 Người ta thiết kế thực thi mô [8] Trong mô thiết kế với đường truyền có độ trễ lớn tương đương với đường truyền vệ tinh Với ba ngữ cảnh là: Thứ sử dụng đường truyền với giao thức TCP Thứ hai, sử dụng đường truyền với giao thức XCP, thứ ba sử dụng đường truyền với giao thức XCP kết hợp với giải pháp PEP Các thí nghiệm thực với đường truyền để đánh giá hiệu truyền Cùng với thực thí nghiệm với hai đường truyền để đánh giá mức độ chia sẻ cơng Với thí nghiệm thứ kết thời gian truyền sử dụng giao thức XCP, XCP kết hợp với giải pháp PEP nhanh gấp khoảng 70 lần so với đường truyền sử dụng giao thức TCP Đồng thời với thí nghiệm thứ hai đưa kết giao thức XCP, XCP kết hợp với giải pháp PEP chia sẻ công đường truyền Đây giải pháp tốt cải tiến mạng truyền thơng vệ tinh Vì tương lai em tiếp tục cải tiến mô cho đầy đủ cách thêm vào mơ hình lỗi để mơ mạng đường truyền vệ tinh Đánh giá cải thiện đưa ưu điểm tốt kết nối mạng qua đường truyền vệ tinh 61 Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Đình Lương, Nguyễn Thanh Việt, “Các hệ thống thông tin vệ tinh,hệ thống - kỹ thuật - công nghệ”, Nhà xuất Bưu điện, 2002 [2] Nguyễn Đình Việt, Bài giảng “Đánh giá hiệu mạng”, Chun ngành Mạng Truyền thơng máy tính, Khoa CNTT, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, 2008 [3] Nguyễn Đình Việt “Nghiên cứu phương pháp đánh giá cải thiện hiệu giao thức TCP cho mạng máy tính”, Luận án Tiến sĩ, 2003 [4] Kiều Xuân Đường, “Thông tin vệ tinh”, Trường Đại học Giao thông Vận tải, 2001 [5] Vũ Duy Lợi, “Mạng thơng tin máy tính”, Nhà xuất Thế giới, Hà Nội, 2002 [6] Luận văn Nguyễn Khánh Duy, Học viện bưu viễn thơng năm 2007 [7] Luận văn Trần Đình Tùng, Trường ĐHCN năm 2008 Tài liệu Tiếng Anh [8] Achieving Faster Access to Satellite Link Bandwidth, Aman Kapoor, Aaron Falk, Ted Faber, Yuri Pryadkin USC/Information Sciences Institute{kapoor, falk, faber, yuri} @isi.edu [9] W Richard Stevens TCP/IP Illustrated, volume Addison-Wesley, 1994 [10] Van Jacobson Congestion avoidance and control In Proceedings of the SIGCOMM ’88, pages 314–329, Stanford, California, August 1988 ACM [11] M Allman, V Paxson, and W Stevens TCP congestion control RFC 2581, Internet Request For Comments, April 1999 [12] Mark Allman, Chris Hayes, Hans Kruse, and Shawn Ostermann TCP performance over satellite links In Proceedings of the FifthInternational Conference on Telecommunications Systems, Nashville, TN, March 1997 [13] Ramon Caceres and Liviu Iftode Improving the performance of reliable transport protocols in mobile computing environments IEEE Journal of Selected Areas in Communications, 13(5):850–857, 1995 [14] E Ayanoglu, S Paul, T F LaPorta, K K Sabnani, and R D Gitlin AIRMAIL: A link-layer protocol for wireless networks ACM Wireless Networks, 1(1):47– 60, 1995 62 [15] Hari Balakrishnan, Srinivasan Seshan, Elan Amir, and Randy H Katz Improving TCP/IP performance over wireless networks In Proceedings of the First ACM Conference on Mobile Computing and Networking, pages 2–11, Berkeley, CA, USA, November 1995 ACM [16] M Mathis, J Mahdavi, S Floyd, and A Romanow Tcp selective acknowledgment options RFC 2018, Internet Request For Comments, October 1996 [17] J Heffner High bandwidth tcp queueing, july 2002 http://www.psc.edu/ jheffner/papers/senior thesis.ps Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter A watermark is added at the end of each output PDF file To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.anypdftools.com/buy/buy-pdf-splitter.html ... THỊ HẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI ĐƯỜNG TRUYỀN LÊN KẾT NỐI INTERNET QUA ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH Ngành: Chuyên Ngành: Mã số: Công nghệ thông tin Truyền liệu mạng máy tính 604815 LUẬN VĂN THẠC SĨ... Đặc điểm lỗi đường truyền vệ tinh 10 1.2.1 Các số liệu thống kê đặc điểm lỗi đường truyền vệ tinh 10 1.2.2 Các mơ hình lỗi đường truyền vệ tinh 13 1.2.2.1 Mơ hình lỗi đồng... trưng lỗi đường truyền vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển ưu nhược điểm truyền thông vệ tinh .9 1.1.1 Lịch sử phát triển truyền thông vệ tinh 1.1.2 Ứng dụng truyền thông vệ tinh