Khảo sát mạng lan với các phần mở rộng không dây

-1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2010 -2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY Ngành Chuyên ngành Mã số : Công nghệ thông tin : Truyền liệu Mạng máy tính : 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội – 2010 -1- MỤC LỤC MỞ ĐẦU U CHƯƠNG - GIỚI THIỆU U 1.1 Sự đời phát triển mạng máy tính 1.1.1 Sự đời mạng LAN (có dây) 1.1.2 Sự đời mạng Internet 1.1.3 Sự đời mạng LAN không dây - WLAN .8 1.2 Đường truyền không dây vấn đề phải giải .11 1.2.1 Đặc điểm đường truyền không dây 11 1.2.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng phản ứng sai lầm TCP 19 1.3 Mục đích nghiên cứu luận văn 19 CHƯƠNG - MẠNG WLAN VÀ VIỆC KẾT NỐI VỚI INTERNET .21 2.1 Giao thức MAC mạng LAN - CSMA/CD 21 2.2 Giao thức MAC mạng WLAN - CSMA/CA 23 2.2.1 CSMA/CD sử dụng cho mạng WLAN 23 2.2.2 Giao thức CSMA/CA 24 2.2.3 Giao thức CSMA/CA + ACK .25 2.2.4 Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS 26 2.3 Chức DCF, PCF 27 2.3.1 Chức cộng tác phân tán - DCF 27 2.3.2 Chức cộng tác tập trung - PCF .28 2.3.3 Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS .29 2.4 Kết nối WLAN với Internet 31 2.4.1 Chức AP .31 2.4.2 Các mơ hình kết nối 33 2.4.3 AP kênh truyền sóng 35 2.4.4 Vấn đề nút mạng di động 37 CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN TCP CHO MẠNG HỖN HỢP .43 3.1 Giao thức TCP/IP mạng có đường truyền khơng dây 43 3.2 Các tiêu chí đánh giá giao thức mạng 44 -2- 3.3 Một số giao thức cải tiến TCP dùng cho mạng hỗn hợp 46 3.3.1 Split TCP 46 3.3.2 Snoop TCP 47 3.3.3 M-TCP 51 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN TRONG MẠNG CÓ PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY 53 4.1 Giới thiệu mô mạng NS-2 54 4.1.1 Mô mạng LAN 57 4.1.2 Mô WLAN 59 4.2 Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP mạng LAN 68 4.3 Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP mạng hỗn hợp 72 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 -3- CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AES Advanced Encryption Standard AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector AP Access Point BER Bit Error Ratio BSSs Independent Basic Service Sets CBR Constant Bit Rate CS Carrier Sense CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect CTS Clear To Send DCF Distributed Co-ordination Function DFS Dynamic Frequency Selection DIFS Distributed Co-ordinate Function Interframe Space DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum E-mail Electronic Mail ESSs Extended Service Sets FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FTP File Transfer Protocol IAPP Inter-AP Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFS Interframe Spacing ISDN Integrated Services Digital Network ISM Industrial, Scientific and Medical LAN Local Area Network MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network -4- Modem modulator and demodulator NAM Network Animator NS2 Network Simulator AODV Adhoc On-demand Distance Vector OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Otcl Object Oriented Tool Command Language PCF Point Co-ordination Function PIFS Point Co-ordination Function Interframe Space PSM Power Saving Mode QoS Quality of Service REAL Realistic and Large RTP Real-time Transport Protocol RTS Request To Send RTT Round Trip Time SIFS Short Inter-Frame Space SW Switch TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TELNET TELecommunication NETwork TORA Temporally ordered Routing Algorithm TPC Transmission Power Control UDP User Datagram Protocol UNII Unlicensed National Information Infrastructure VBR Variable Bit Rate WAN Wide Area Network WEP Wired Equivalent Privacy WIFI Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network WWW World Wide Web -5- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chế độ tiết kiệm lượng 802.11 14 Hình 1.2: Mơ hình lỗi Markov trạng thái 15 Hình 2.1: Điều khiển truy nhập CSMA 21 Hình 2.2: Trạm A C xem "ẩn" 23 Hình 2.3: Trạm C bị lộ trạm B .23 Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK .25 Hình 2.5: CSMA/CA sử dụng RTS/CTS ACK .26 Hình 2.6: Mơ hình RTS/CTS .27 Hình 2.7: Mơ hình Root mode .32 Hình 2.8: Mơ hình AP chế độ Bridge mode .32 Hình 2.9: Mơ hình AP chế độ Repeater mode 32 Hình 2.10: Mơ hình mạng Ad-hoc .33 Hình 2.11: Mơ hình mạng sở 34 Hình 2.12: Mơ hình mạng mở rộng 34 Hình 2.13: Mô tả tần số 2.4GHz cho kênh 802.11b/g 35 Hình 2.14: Minh họa phổ tín hiệu 802.11b 35 Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b .36 Hình 2.16: Khơng xảy tượng chồng lấn kênh 802.11b 36 Hình 2.17: MH kết nối với AP cường độ tín hiệu thấp 37 Hình 2.18: Phạm vi phủ sóng AP chồng lên .38 Hình 2.19: Nhiễu sử dụng kênh truyền 39 Hình 2.20: MH di chuyển từ AP1 sang AP2 khác kênh truyền 39 Hình 3.1: Mơ hình Split Connection 46 Hình 3.2: Tiến trình xử lý liệu từ FH đến MH 48 Hình 3.3: Tiến trình xử lý ACK 49 Hình 3.4: MH trao đổi gói tin với Primary AP 50 Hình 3.5: Mơ hình kết nối M-TCP .51 Hình 4.1: Ánh xạ đối tượng C++ OTCL .55 Hình 4.2: Tổng quan NS góc độ người dùng 55 Hình 4.3: Luồng kiện mô kết xuất file 57 Hình 4.4: Minh họa ngăn xếp mạng dùng cho LAN 58 Hình 4.5: Thực tế kết nối thể định tuyến NS2 59 Hình 4.6: Lược đồ mobile node chuẩn 802.11 Monarch NS Error! Bookmark not defined Hình 4.7: Các vị trí chèn lỗi mô mạng không dây 67 Hình 4.8: Mơ hình khảo sát mạng LAN .68 Hình 4.9: Kết mô TCP mạng LAN 71 Hình 4.10: Tơpơ mạng hỗn hợp WLAN + Internet truyền TCP, UDP .72 -6- MỞ ĐẦU Mạng LAN nói chung (LAN có dây) có đặc điểm tốc độ cao, tỉ suất lỗi gói tin nhỏ, độ trễ gói tin truyền mạng nhỏ thăng giáng độ trễ (jitter) không lớn Ngày việc kết nối mạng LAN không dây (WLAN) với mạng LAN có dây ngày trở nên phổ biến, ứng dụng mạng hỗn hợp hai loại truyền thông mang lại cho cho xã hội thêm mơ hình kết nối đầy hiệu Tuy nhiên, mạng WLAN có nhiều đặc điểm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất truyền thơng, đặc tính nhiều lỗi đường truyền tính di động nút mạng Khi kết nối LAN với WLAN, mạng tạo thành hỗn hợp, nảy sinh nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất truyền thơng Chính lý đó, tơi lựa chọn đề tài "Khảo sát mạng LAN với phần mở rộng không dây" để nghiên cứu Để thực nội dung nghiên cứu trên, luận văn gồm phần mở đầu, chương kết luận Nội dung chương tóm tắt sau: Chương 1: Tìm hiểu lịch sử mạng LAN, WLAN, Internet; đặc điểm đường truyền khơng dây vấn đề cần giải quyết; tóm tắt số nghiên cứu theo hướng cải tiến giao thức TCP để phù hợp với mạng hỗn hợp Trên sở để xác định mục tiêu đề tài Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết mạng WLAN vấn đề liên quan đến hiệu suất truyền thông kết nối với Internet; nghiên cứu vấn đề nút mạng di động hay nhiều vùng phủ sóng hay nhiều AP Chương 3: Tìm hiểu, đánh giá số cải tiến TCP cho mạng có đường truyền khơng dây, làm tiền đề cho nghiên cứu tơi theo hướng Chương 4: Tìm hiểu vấn đề liên quan đến mô mạng LAN, WLAN NS2; viết chương trình mơ phân tích kết số thí nghiệm nút mạng hỗn hợp LAN WLAN truyền hai hình thức TCP UDP Để hồn thiện luận văn này, tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc PGS.TS Nguyễn Đình Việt – người giảng dạy tận tình hướng dẫn tơi suốt trình thực luận văn -7- CHƯƠNG - GIỚI THIỆU 1.1 Sự đời phát triển mạng máy tính 1.1.1 Sự đời mạng LAN (có dây) Vào thời gian trước máy tính cá nhân xuất hiện, máy tính trung tâm chiếm trọn phòng, người dùng truy nhập máy tính trung tâm thơng qua thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung tâm cáp truyền liệu tốc độ thấp Cuối năm 60, nhu cầu tăng tốc độ truyền, phịng nghiệm Lawrence Berkeley thuộc lượng Mỹ nghiên cứu đưa báo cáo chi tiết vào năm 1970 mạng lưới máy tính Mạng cục LAN tạo vào cuối năm 1970 thông qua cáp truyền tốc độ cao vài máy tính trung tâm lớn đặt chỗ Các nhà phát triển hệ điều hành cho mạng bắt đầu cạnh tranh Ethernet ARCNET biết đến nhiều Ethernet Xerox PARC phát triển giai đoạn 1973-1975 cấp sáng chế năm 1976 sau hệ thống triển khai PARC đồng thời Metcalfe Boggs xuất báo "Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks" mở hướng rõ ràng cho mạng LAN ARCNET phát triển công ty Datapoint năm 1976, tháng 12 năm 1977 áp dụng cho ngân hàng Chase Manhattan New York Như vậy, năm 1977, công ty Datapoint bắt đầu bán hệ điều hành mạng "Attached Resource Computer Network" (hay gọi tắt Arcnet) thị trường Mạng Arcnet cho phép liên kết máy tính trạm đầu cuối lại dây cáp mạng Arcnet trở thành hệ điều hành mạng LAN [23], [24] 1.1.2 Sự đời mạng Internet Tiền thân mạng Internet ngày mạng ARPANET, mạng liên khu vực (Wide Area Network - WAN) xây dựng ARPANET thuộc quốc phòng Mỹ liên kết địa điểm vào tháng năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah Đại học California, Santa Barbara Thuật ngữ "Internet" xuất lần đầu vào khoảng năm 1974, lúc mạng gọi ARPANET Đến năm 1983, giao thức TCP/IP thức coi chuẩn lĩnh vực quân Mỹ Mạng ARPANET giao thức TCP/IP trở thành dấu mốc cho mạng Internet đời -8- Năm 1984, ARPANET chia thành hai phần: phần thứ gọi ARPANET, dành cho việc nghiên cứu phát triển; phần thứ hai gọi MILNET, mạng dùng cho mục đích quân Vào thập niên 1980 tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết trung tâm máy tính lớn với gọi NSFNET Nhiều doanh nghiệp chuyển từ ARPANET sang NSFNET sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET khơng cịn hiệu ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990 Sự hình thành mạng xương sống NSFNET mạng vùng khác tạo môi trường thuận lợi cho phát triển Internet Tới năm 1995, NSFNET thu lại thành mạng nghiên cứu cịn Internet tiếp tục phát triển Internet xem mạng mạng mà thực chất mạng mạng LAN thông qua mạng WAN mạng truyền thơng khác Các quốc gia có kết nối mạng Internet toàn cầu thường xây dựng mạng đường trục tốc độ cao, hệ thống mạng liên kết có tốc độ truyền cực cao so với tốc độ truyền hệ thống mạng thông thường Ngày nay, Internet trở thành mạng máy tính tồn cầu, xuất lĩnh vực thương mại, trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội, Mạng kết nối với dựa giao thức trao đổi số liệu TCP/IP, ngơn ngữ chung tất máy tính khác kết nối mạng "nói chuyện" với Các dịch vụ dựa tảng Internet ngày phát triển mạnh Sản phẩm mà Internet cung cấp cho người dùng thông tin Thông tin thường dạng tệp lưu trữ máy tính chủ, máy tính cung cấp dịch vụ, trình bày nhiều dạng khác phụ thuộc vào loại dịch vụ Internet sử dụng Các dịch vụ Internet thường tổ chức theo mơ hình quan hệ Client - Server (khách - chủ) nhằm phân phối trình xử lý máy tính người sử dụng (client) máy tính chủ (server) Một số dịch vụ sử dụng Internet như: WWW, Email, FTP, đăng nhập từ xa,… 1.1.3 Sự đời mạng LAN không dây - WLAN Công nghệ WLAN lần xuất vào cuối năm 1990, nhà sản xuất giới thiệu sản phẩm hoạt động băng tần 900Mhz -66- Lớp ErrorModel có nguồn gốc từ lớp sở Connector Vì kế thừa vài phương thức để kết nối đối tượng target hay drop-target Nếu drop-target tồn tại, nhận gói tin bị sai lệch từ ErrorModel Có mơ hình lỗi sử dụng NS2 mơ hình lỗi đồng (Uniform) mơ hình lỗi đa trạng thái Đối với mơ hình lỗi đồng đều, tỉ lệ gói tin lỗi người sử dụng tự đặt tùy vào thí nghiệm tính số gói tin lỗi giây Đối với mơ hình lỗi đa trạng thái, số gói tin lỗi phân bố theo xác suất tính thơng qua ma trận chuyển trạng thái cấp N với N số trạng thái (tơi trình bày nội dung phần 1.2.1) Ví dụ q trình tạo mơ hình lỗi đồng (Uniform) với tỉ lệ gói lỗi 1% (0.01), viết đoạn mã sau: # tạo modul loss_ thiết lập tỉ lệ gói lỗi 1% set loss_module [new ErrorModel] $loss_module set rate_ 0.01 #Tuỳ chọn: thiết lập đơn vị tính lỗi biến ngẫu nhiên $loss_module unit pkt ; # đơn vị lỗi: packet (theo mặc định) $loss_module ranvar [new RandomVariable/Uniform] # thiết lập target cho packet bị huỷ $loss_module drop-target [new Agent/Null] Ví dụ trình tạo mơ hình lỗi trạng thái # Tạo mơ hình lỗi đồng có trạng thái set tmp [new ErrorModel/Uniform pkt] set tmp1 [new ErrorModel/Uniform pkt] set tmp2 [new ErrorModel/Uniform pkt] # Tạo mơ hình lỗi trạng thái # Tạo mảng trạng thái set m_states [list $tmp $tmp1 $tmp2] # Thiết lập thời gian đường truyền nằm trạng thái set m_periods [list 0075 00375] # Thiết lập ma trận chuyển trạng thái set m_transmx { {0.95 0.05 0} {0 1} {1 0}} # Thiết lập đơn vị tính gói tin set m_trunit pkt # Chuyển trạng thái theo thời gian set m_sttype pkt set m_nstates set m_nstart [lindex $m_states 0] -67set em_s_r($i) [new ErrorModel/MultiState $m_states $m_periods $m_transmx $m_trunit $m_sttype $m_nstates $m_nstart] Sử dụng mơ hình lỗi mơ mạng Để sử dụng mơ hình lỗi cho mạng, NS phải thêm vào đối tượng SimpleLink (vì SimpleLink đối tượng hoàn chỉnh, thuận tiện cho thao tác mô đường truyền đơn công - dùng mạng khơng dây) Vị trí Vị trí Đối tượng Hàng đợi Nút nguồn Nút đích Đường truyền đơn cơng Đối tượng trễ Vị trí Hình 4.7: Các vị trí chèn lỗi mơ mạng khơng dây Mơ hình lỗi chèn vào nhiều vị trí đường truyền đơn công (SimpleLink), NS hỗ trợ phương thức để chèn mơ hình lỗi vào ba vị trí khác đường truyền đơn: Bảng so sánh vị trí chèn lỗi Loại Vị trí so Vị trí chèn đường với đối lỗi truyền tượng chèn lỗi hàng đợi Vị trí Đơn cơng Trước Trước Vị trí Đơn cơng Sau Trước Gói tin bị q TTL Vị trí Đơn cơng Sau Sau Gói tin bị q TTL Vị trí so với đối tượng trễ Các trường hợp ứng dụng để mô mạng thực Đường truyền bị nghẽn, Gói tin bị TTL bị drop -68- 4.2 Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP mạng LAN Mục đích: Khảo sát, đánh giá khả thích ứng với lỗi nảy sinh đường truyền hệ số sử dụng đường truyền mạng LAN truyền thông đồng thời luồng TCP UDP; đánh giá độ trễ trung bình gói tin, độ lệch chuẩn độ trễ luồng TCP tỉ lệ phân phát gói tin TCP thành cơng Mơ hình khảo sát: Mạng LAN khảo sát có tơ-pơ cấu sau: FTP TCP Vị trí chèn lỗi đường truyền S0 S2 CBR UDP 10Mbps, 5ms S4 S3 S1 Sink S5 S6 Null Hình 4.8: Mơ hình khảo sát mạng LAN Trong mơ hình (hình 4.8): S0 S6 nút mạng S2, S3 xem switch, S2 S3 hình thành bus Tất kết nối mạng (kể bus) có bandwidth độ trễ (10Mbps, 5ms) FTP CBR nguồn sinh lưu lượng Sink đích nguồn FTP, Null đích nguồn CBR Trong thí nghiệm này, tơi sử dụng mơ hình lỗi đồng (Uniform Model) với tỉ lệ lỗi (error rate) = 0.001, đơn vị tính gói tin (pkt), tỉ lệ lỗi ứng với BER = 10-7 Kích thước gói tin cố định 576 bytes kích thước cửa sổ phát đặt 64 KB Kịch bản: Nguồn CBR cố định với kích thước gói tin 512 bytes, tốc độ phát 1Mbps CBR phát trước để chiếm dụng đường truyền trước Sau đó, TCP truyền gói tin, có cạnh tranh để chiếm dụng đường truyền chặng đường truyền dùng chung nối s2 s3 Với xuất lỗi, số gói tin TCP UDP khơng đến đích Giao thức UDP khơng có "động thái" để thích ứng với lỗi nên truyền với kích thước -69- gói tin tốc độ phát định trước Giao thức TCP thích ứng với đường truyền để sử dụng tốt phần dải thơng cịn lại khoảng thời gian nguồn UDP phát Các thông số kịch thí nghiệm tóm tắt bảng Bảng 1: Thơng số thí nghiệm Băng thơng đường truyền (Mbps) 10 Độ trễ (ms) Tỉ lệ lỗi đường truyền (gói tin) 0,001 BER (tỉ lệ bít lỗi) 10-7 Thời gian mô (s) 12 Tham số nguồn UDP Tốc độ phát CBR (Mbps) Kích thước gói tin UDP (byte) 512 Nguồn - Đích S1 - S6 Thời gian phát Từ 0,3s đến 10,7s thời gian mơ Tham số nguồn TCP Kích thước cực đại cửa sổ phát (KB) 64 Kích thước gói tin 576 Thời gian phát Từ 0,7s đến 11,7s thời gian mơ Nguồn - Đích S0 - S4 Kết thí nghiệm: Với mục đích thí nghiệm xác định vẽ đồ thị thay đổi theo thời gian mô hệ số sử dụng đường truyền kết nối TCP dùng chung đường truyền với luồng UDP, sử dụng bước thời gian 0,7s Đồ mịn bước thời gian nhỏ, nhiên với bước thời gian hình dạng đồ thị phản ánh kết tính chất đặc thù thí nghiệm Kết 1: Hệ số sử dụng đường truyền luồng TCP so với băng thông Thời điểm (s) 0.7 Thông lượng TCP Thông lượng UDP (bps) (bps) 0,000 555885,714 Băng thơng cịn lại (Mbps) 9,44411 Hệ số sử dụng TCP (%) 0,00 -70- 1,4 6878537,143 994742,857 9,00526 61,94 2,1 6962560,000 1000594,286 8,99941 62,66 2,8 3245440,000 1000594,286 8,99941 29,21 3,5 3548160,000 994742,857 9,00526 31,95 4,2 2984960,000 1000594,286 8,99941 26,86 4,9 3604480,000 1000594,286 8,99941 32,44 5,6 3104640,000 1000594,286 8,99941 27,94 6,3 2147200,000 994742,857 9,00526 19,34 3329920,000 1000594,286 8,99941 29,97 7,7 3329920,000 994742,857 9,00526 29,99 8,4 5660160,000 1000594,286 8,99941 50,94 9,1 4597120,000 1000594,286 8,99941 41,37 9,8 5068800,000 1000594,286 8,99941 45,62 10,5 5005440,000 1000594,286 8,99941 45,05 11,2 5385600,000 304274,286 9,69573 52,22 11,732 6005120,000 0,000 10,00000 60,05 Kết 2: Các kết khác Độ trễ trung bình gói tin (s) 0,017463 Độ lệch chuẩn độ trễ luồng gói tin TCP (s) 0,001414 Số gói tin TCP gửi 10081 Số gói tin TCP đến đích 10068 Tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng (%) 99,87 Phân tích kết mơ phỏng: Với trạng thái đường truyền, nguồn UDP phát với tốc độ kích thước gói tin khơng đổi Nguồn UDP phát trước (tại thời đểm 0,3s) đạt tốc độ tối đa (1Mbps) 0,7s - TCP bắt đầu phát Tại thời điểm 0,7s có tranh chấp đường truyền, nguồn TCP phát với kích thước cửa sổ lớn nhằm tận dụng hết băng thơng cịn lại (khoảng 9Mbps), chí muốn tranh ln phần băng thơng mà nguồn UDP truyền Vì thời điểm 0,7s số gói tin đưa vào đường truyền tăng đột biến, băng thơng nguồn UDP có nguy bị thu hẹp (sự thật bị thu hẹp cịn 555,885Kbps) Sau nguồn TCP tăng với tốc độ chậm để dị tìm để tận dụng hết phần băng thơng -71- cịn lại, chiếm dụng đạt cực đại lân cận thời điểm 2,1s Hình dạng tỉ lệ luồng TCP sử dụng phần lại đường truyền thể đồ thị hình 4.9 Khi thơng lượng nguồn TCP đạt cực đại, để giảm nguy gây nên tắc nghẽn, giao thức TCP khởi động thuật toán Congestion Avoidance để tăng từ từ kích thước cửa sổ phát nhằm dị tìm tận dụng hết đường truyền, thấy đồ thị, đoạn có ghi nhãn 61,94 đến 62,66 Khi có dấu hiệu tắc nghẽn (mất gói tin), TCP lại giảm cửa sổ phát theo thuật toán SS (giảm tối đa lân cận thời điểm 6,3s) sau lại tăng từ từ kích thước cửa sổ Quá trình lặp lặp lại cho đường truyền ổn định (khơng có biến động đột biến) Sau thời điểm 10,7s, nguồn UDP ngừng phát, nguồn TCP tăng dần thông lượng để tận dụng đường truyền 70 61,94 60,05 60 62,66 50,94 45,62 Tỉ lệ % 50 40 45,05 32,44 31,95 27,94 30 29,21 26,86 20 52,22 29,97 29,99 41,37 19,34 10 9, 10 ,5 11 , 11 ,7 32 9, 8, 7, 6, 5, 4, 4, 3, 2, 2, 1, Thời gian phát Hình 4.9: Kết mô TCP mạng LAN Tuy tỉ lệ lỗi bít đường truyền có dây mạng LAN nhỏ (cỡ 10-7) thí nghiệm này, thử cho thay đổi tỉ lệ lỗi nhận thấy rằng: Giao thức TCP phản ứng tích cực với lỗi cách giảm tốc độ truyền nguồn sinh lưu lượng tỉ lệ lỗi tăng (tỉ lệ nghịch với nguồn sinh lưu lượng), điều phù hợp với lý thuyết Khi đường truyền có lỗi, mạng có nguồn phát CBR FTP FTP phải giảm lưu lượng (vì CBR sử dụng giao thức UDP nên giữ nguyên tốc độ truyền tin) Để thích ứng với đường truyền, giao thức TCP điều chỉnh lưu lượng (giảm) để phòng tránh tắc nghẽn Với giao thức UDP, đường truyền có lỗi, nguồn lưu lượng giữ nguyên tốc độ phát (số gói tin phát không đổi) Với tỉ lệ lỗi tăng dần -72- số lượng gói tin UDP bị (khơng đến đích) tăng theo tỉ lệ thuận (lỗi tăng gói tin bị lỗi đường truyền tăng) Điều phù hợp với lý thuyết Trong thí nghiệm này, với thơng số đầu vào tỉ lệ phân phát gói tin TCP thành cơng đạt 99,87% (một số gói tin bị drop TTL hạn trước hàng đợi) tỉ lệ phân phát gói tin UDP thành cơng đạt 99,88% (2540 gói gửi, 2537 gói đến đích) Với đường truyền phù hợp (theo nghĩa nguy khả phát sinh lỗi thấp) hiệu suất thơng lượng độ trễ UDP đạt cao TCP Tuy nhiên, thực tế, TCP đánh giá tốt sử dụng để vận chuyển phần lớn thơng tin Internet TCP có đặc tính tự thích ứng với đường truyền, UDP khơng có Do vậy, đường truyền có nhiều lỗi nảy sinh Chất lượng UDP nhiều so với TCP 4.3 Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP mạng hỗn hợp Mục đích: Đánh giá độ đo hiệu suất mạng hướng tới hệ thống như: tỉ lệ gói tin truyền thành cơng, độ trễ trung bình gói tin, độ lệch chuẩn độ trễ, ảnh hưởng kích thước hàng đợi (KTHĐ) AP đến hiệu suất mạng hỗn hợp Tô-pô cấu hình: Tơ-pơ mạng (ở hình 4.10) sử dụng cho thí nghiệm mơ gồm phần: phần có dây (gồm nút gửi S0, S1, S2 AP), phần không dây (gồm nút nhận S3, S4 kết nối không dây với AP) Như thực thể gửi nằm FH thực thể nhận (sink, null) nằm MH FTP TCP S0 Phần có dây (LAN+WAN) CBR UDP S2 S1 S3 Vị trí chèn lỗi đường truyền Hàng Đợi Đường truyền internet AP Sink Phần khơng dây (WLAN) S4 Null Hình 4.10: Tơ-pơ mạng hỗn hợp WLAN + Internet truyền TCP, UDP Các đường truyền mạng LAN WLAN có băng thông độ trễ (10Mbps, 5ms) Băng thông độ trễ chặng LAN - WAN phụ thuộc vào khoảng cách trạm phát trạm nhận thí nghiệm -73- Kịch mơ phỏng: Sử dụng nguồn phát TCP UDP để truyền liệu đến đích khác nhau, đường đi, luồng tranh chấp tài nguyên mạng Thay đổi băng thông độ trễ đường truyền Internet để thể thay đổi tương ứng với khoảng cách truyền từ trạm phát đến trạm nhận trường hợp: gần, trung bình, xa Dựa tranh chấp đường truyền từ nguồn đến đích luồng TCP UDP để đánh giá hiệu luồng TCP UDP qua tham số như: độ trễ trung bình gói tin luồng, tỉ lệ gói tin truyền thành công, độ lệch chuẩn độ trễ Điều chỉnh KTHĐ (ngẫu nhiên tăng dần) để khảo sát, đánh giá mức độ ảnh hưởng đến độ đo hiệu suất mạng Kết quả: Bảng kết số liệu khảo sát mạng hỗn hợp sử dụng TCP UDP Các thơng số đầu vào Kích thước cửa sổ phát (Kb) 64 Các link LAN, WLAN 10Mbps, 5ms Giới hạn hàng đợi (gói tin) Min = 1, Max = 512 Khoảng cách node-AP (m) 20 Thời gian khảo sát (s) 200 TCP hoạt động Giây thứ 10 đến giây thứ 180 thời gian mô Kích thước gói tin TCP (byte) UDP hoạt động 576 Giây thứ đến giây thứ 160 thời gian mơ Kích thước gói tin UDP (byte) 276 Tốc độ phát UDP (Mbps) 0,5 Mơ hình lỗi Markov Đường truyền WAN trạng thái với ma trận lỗi {0,6 0,4 / 1} 1,5Mbps, 10ms 1,5Mbps, 20ms 1,5Mbps, 40ms Kết khảo sát giao thức TCP (với KTHĐ = Kb) Số gói tin gửi 4527 4412 4327 Số gói tin đến đích 4352 4259 4206 -74- Tỉ lệ truyền thành công (%) 96,13 96,63 97,2 Độ trễ TB gói tin (s) 0,206495 0,216458 0,236791 Độ lệch chuẩn độ trễ (s) 0,036483 0,03704 0,038039 Kết khảo sát giao thức UDP (với KTHĐ = Kb) Số gói tin gửi 37842 Số gói tin đến đích 35877 35865 35837 Tỉ lệ truyền thành cơng (%) 94,81 94,78 94,70 Độ trễ TB gói tin (s) 0,164316 0,172097 0,195475 Độ lệch chuẩn độ trễ (s) 0,062362 0,070207 0,073675 Ảnh hưởng KTHĐ đến tham số hiệu Kích thước cửa sổ phát (Kb) 64 Các link LAN, WLAN 10Mbps, 5ms Giới hạn hàng đợi (gói tin) Min = 1, Max = 512 Khoảng cách node-AP (m) 20 Thời gian khảo sát (s) 200 TCP hoạt động Giây thứ 10 đến giây thứ 180 thời gian mơ Kích thước gói tin TCP (byte) UDP hoạt động 576 Giây thứ đến giây thứ 160 thời gian mơ Kích thước gói tin UDP (byte) 276 Tốc độ phát UDP (Mbps) 0,5 Mô hình lỗi Markov trạng thái với ma trận lỗi {0,6 0,4 / 1} Đường truyền WAN 1,5 Mbps, độ trễ 10ms Kích thước hàng đợi (Kb) - Kết tham số hiệu luồng TCP Số gói tin gửi 3130 4277 4527 4594 4594 Số gói tin đến đích 2876 4094 4352 4421 4421 Tỉ lệ truyền thành công (%) 91,88 95,72 96,13 96,23 96,23 Độ trễ TB gói tin (s) 0,200776 0,205143 0,206495 0,206197 0,206197 Độ lệch chuẩn độ trễ (s) 0,035497 0,036139 0,036483 0,036987 0,036987 - Kết tham số hiệu luồng UDP Số gói tin gửi 37842 Số gói tin đến đích 36661 36143 35865 35799 35799 Tỉ lệ truyền thành công (%) 96,88 95,51 94,78 94,6 94,6 -75- Độ trễ TB gói tin (s) 0,139079 0,162137 0,164316 0,194240 0,194240 Độ lệch chuẩn độ trễ (s) 0,089828 0,075027 0,062362 0,070071 0,070071 Phân tích kết mơ phỏng: Trong thí nghiệm này, việc truyền tin đường truyền hỗn hợp thể chỗ thực thể gửi giao thức nằm FH (ở phần đường truyền có dây) thực thể nhận nằm MH (ở phần đường truyền không dây) Các trạm gửi, nhận gói tin TCP UDP thơng qua nhiều chặng truyền có chặng Internet, mạng xem WAN bao gồm LAN WLAN Với mạng LAN WLAN, độ trễ đường truyền nhỏ nhiều so với mạng WAN Theo thí nghiệm mơ với đường truyền T1 mạng WAN băng thơng đạt đến 1,5 Mbps độ trễ gói tin tùy thuộc vào khoảng cách trạm phát nhận (là gần, trung bình xa tương ứng với độ trễ 10ms, 20ms 40ms) Khi truyền tin giao thức TCP UDP, với đường truyền hỗn hợp có độ dài lớn (thể độ trễ chặng Internet) nguy gặp lỗi đường truyền gói tin lớn Các lỗi chủ yếu chặng khơng dây Trong thí nghiệm, tơi sử dụng mơ hình lỗi đồng cho chặng có dây (LAN WAN) mơ hình lỗi Markov trạng thái cho chặng không dây (WLAN) cho luồng TCP UDP Các kết thí nghiệm cho thấy rằng: khả thích ứng với đường truyền giao thức TCP cao UDP điều thể qua tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng Khi tăng trễ chặng Internet tỉ lệ phân phát gói tin luồng TCP tăng cịn luồng UDP ngược lại Ngồi việc tăng trễ có tác động tỉ lệ thuận đến độ trễ trung bình gói tin độ lệch chuẩn độ trễ luồng TCP UDP, điều phù hợp với lý thuyết Ảnh hưởng KTHĐ AP đến hiệu suất mạng hỗn hợp: Hàng đợi cho thí nghiệm mơ có dạng RED (Random Early Detection) Giới hạn nhỏ kích thước hàng đợi trung bình gói -76- tin (thresh_ ) byte, giới hạn lớn (maxthresh_ ) 512 byte Ước lượng kích thước gói tin trung bình (mean_pktsize_) 500 byte dùng để cập nhật việc tính tốn kích thước hàng đợi trung bình sau thời gian nhàn rỗi Như vậy, với dạng hàng đợi này, gói tin phát loại bỏ cách ngẫu nhiên (khác với Drop tail kiểu FIFO) Lúc KTHĐ đợi nhỏ (1Kb), thời gian trễ trung bình gói tin (cả TCP UDP) thấp không tốn thời gian chờ hàng đợi Theo thí nghiệm gói tin TCP có kích thước 576 byte (64 byte header), UDP 276 byte (20 byte header) có tượng "nút cổ chai" đường truyền chuyển từ LAN, WLAN (10Mbps) sang WAN (1,5Mbps) truyền thẳng mạch từ nguồn đến đích băng thơng chung lớn (tính theo băng thơng đường truyền bé (của WAN) Với giao thức TCP: Khi tăng KTHĐ, nguồn phát TCP phản ứng với đường truyền cách tăng dần số lượng gói tin phát để tận dụng thông lượng đường truyền khả xử lý mạng Theo thí nghiệm, tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng độ trễ trung bình gói tin luồng TCP giá trị cực đại bão hòa KTHĐ khoảng lân cận 6Kb, sau giảm tốc độ phát để tiến giá trị bão hòa Lúc này, mạng hoạt động ổn định Với việc tăng kích thước hàng đợi, hiệu suất đường truyền (với độ đo tỉ lệ gói tin đến đích) cải thiện rõ rệt thể chỗ tăng KTHĐ tỉ lệ gói tin đến đích tăng rõ ràng thời gian trễ trung bình tăng đồng biến Trong thực tế, kích thước hàng đợi phải đủ lớn khơng thể q lớn ngun nhân gây nên gói tin drop TTL Tuy nhiên, lúc KTHĐ đạt đến giá trị bão hịa (như thí nghiệm 6Kb lân cận giá trị sai số