Giáo trình hình thành hệ thống ứng dụng nguyên lý điều khiển luồng theo tiến trình biểu diễn số p10

Chờ khung thông tin (không có lỗi, đóng vai trò là khung báo nhận) từ phía thu. Nếu khung nhận được không có lỗi, và trong trường Request có RN SN thì đặt giá trị SN = RN và quay lại bước 1 Nếu không nhận được khung thông tin trong một khoảng thời gian định trước (time-out), thì thực hiện bước 2 Khi nhận được một khung thông tin (không có lỗi) từ phía phát, chuyển khung này lên lớp phía trên và tăng giá trị RN lên 1 Trong trường hợp nhận được khung thông tin có...

3) Chờ khung thơng tin (khơng có lỗi, đóng vai trị khung báo nhận) từ phía thu  Nếu khung nhận khơng có lỗi, trường Request có RN > SN đặt giá trị SN = RN quay lại bước  Nếu không nhận khung thông tin khoảng thời gian định trước (time-out), thực bước Phía thu – giả sử thời điểm đầu RN = 4) Khi nhận khung thơng tin (khơng có lỗi) từ phía phát, chuyển khung lên lớp phía tăng giá trị RN lên 5) Trong trường hợp nhận khung thơng tin có lỗi, gửi lại khung thơng tin cho phía phát với RN giữ nguyên (khung báo sai - NAK) Khung gửi từ phía thu chứa thơng tin từ phía thu sáng phía phát khơng đơn dùng cho mục đích báo sai Hình mô tả nguyên tắc hoạt động chế Stop-and-Wait ARQ có sử dụng SN RN Hình: Stop-and-Wait ARQ có sử dụng SN/RN Hiệu suất phương pháp Stop-and-Wait ARQ Định nghĩa – Hiệu suất việc truyền tin phía phát thu tỷ lệ thời gian phía phát cần để phát xong lượng thơng tin tổng thời gian cần thiết để truyền lượng thơng tin Tổng thời gian cần thiết bao gồm thời gian trễ truyền tín hiệu từ phát sang thu (và ngược lại) thời gian xử lý thông tin thời gian chờ báo nhận từ phía thu Để tính hiệu suất tính cho phương pháp ARQ dừng đợi, người ta tính cho khung thơng tin điển hình, hiệu suất phiên truyền cho nhiều khung thông tin chất hiệu suất tính cho khung (vì tử số mẫu số nhân với hệ số tỷ lệ số khung thông tin truyền) Trường hợp 1: Giả thiết môi trường lỗi, thơng tin từ truyền từ phía phát sang phía thu chịu ảnh hưởng trễ 97 Hình: Giản đồ thời gian truyền tin từ phát sang thu, khơng có lỗi Trong đó:  TF = thời gian phát khung thông tin  TD = trễ truyền sóng phía phát phía thu  TP = thời gian xử lý khung thơng tin phía thu  TACK = thời gian phát khung ACK  TP’ = thời gian xử lý khung ACK phía phát Ta có:  Thời gian phía phát cần để phát xong khung thông tin TF  Tổng thời gian cần thiết để truyền khung thông tin T = TF+TD+TP+TACK+TD+TP’ Vì thời gian xử lý khung thơng tin TP TP’ nhỏ nên bỏ qua Trong trường hợp kích thước khung thơng tin F lớn khung báo nhận ACK nhiều bỏ qua TACK Như T = TF+2TD Hiệu suất truyền:  TF T = với a = D TF  2TD  2a TF Trong đó: d với d khoảng cách hai trạm phát thu; v vận tốc v truyền sóng môi trường v = 3.108 m/s truyền không gian tự TD  L với L kích thước khung thông tin R tốc độ đường R truyền TF  Khi a  Rd , a nhỏ hiệu suất truyền lớn vL Ví dụ 5.3: tính hiệu suất phương pháp phát lại theo chế ARQ dừng đợi cho tuyến thông tin vệ tinh Giả thiết khoảng cách từ vệ tinh tới mặt đất 36.000 km, vận tốc truyền sóng khơng khí 98 3.108 m/s, tốc độ thơng tin 56 Kbps khung có kích thước 4000 bits Giải: Ta có a Rd 56.103.36.106   1,68 , vL 3.108.4.103 Do hiệu suất  1   22,94%  2a  2.1, 68 Hiện tại, dịch vụ thông tin vệ tinh có tốc độ lớn nhiều (R lớn) nên hệ số a lớn hiệu suất nhỏ trường hợp ví dụ Ví dụ 5.4: tính hiệu suất phương pháp phát lại theo ví dụ sử dụng co kết nối mạng LAN với khoảng cách hai trạm 100 m, vận tốc truyền sóng cáp đồng 2.108 m/s, tốc độ truyền thông tin 10 Mbps khung có kích thước 500 bits Giải: tính tương tự trường hợp trên, ta có a 1 Rd 10.106.100   0, 01 , hiệu suất     98, 04% vL 2.10 500  2a  2.0, 01 Như vậy, với thông tin mạng LAN, cự ly nhỏ nên hiệu suất cải thiện so với trường hợp truyền thông tin vệ tinh 6) Trường hợp 2: phần trên, để tính tốn hiệu suất, giả thiết mơi trường truyền lý tưởng (khơng có lỗi) Tuy nhiên, mơi trường truyền thực tế ln có lỗi đặc trưng xác suất lỗi p, đó, hiệu suất truyền thực tế nhỏ so với trường hợp lý tưởng Định nghĩa xác suất lỗi – Xác suất lỗi p (0 ≤ p ≤ 1) xác suất phía thu nhận bit phía phát truyền bit (hoặc ngược lại) Xác suất lỗi lớn mơi trường truyền khơng tốt, p = mơi trường truyền khơng có lỗi (lý tưởng); p = môi trường truyền luôn có lỗi (sẽ khơng dùng để truyền tin) Khi 0,5 < p < tức khả phía thu nhận thơng tin có lỗi lớn nhận thông tin đúng, trường hợp này, cần đảo bit luồng thơng tin thu ta chuyển thành trường hợp < p < 0,5 Vì lý đó, lý thuyết thơng tin, người ta tìm hiểu mơi trường truyền dẫn có xác suất lỗi ≤ p ≤ 0,5 Như trình bày, truyền thơng tin mơi trường có lỗi, xảy trường hợp phải truyền lại khung thơng tin (do lỗi), đó, hiệu suất trường hợp nhỏ trường hợp lý tưởng Gọi NR số khung thông tin phải truyền ( ≤ NR ≤ ∞), 99 ideal Vấn NR đề tính giá trị NR Để đơn giản hóa, ta giả thiết ACK NAK không bị lỗi Ta thấy, với xác suất lỗi p thì: ấy, hiệu suất trường hợp không lý tưởng  'reality   Xác suất để truyền khung thành công lần đầu 1-p  Xác suất để truyền khung đến lần thứ hai thành công p(1-p)  Tổng hoá: xác suất để truyền khung đến lần thứ i thành công pi-1(1-p) Vậy:  N R   ip i1 (1  p)  i 1 1 p Hiệu suất phương pháp ARQ dừng đợi trường hợp thực tế:  reality  ideal  p  N R  2a Nhận xét Như phần trình bày, hiệu suất phương pháp truyền theo Rd chế dừng đợi phụ thuộc vào hệ số a  , a nhỏ hiệu vL suất lớn Ta thấy a nhỏ v.L lớn R.d nhỏ  R nhỏ – điều không mong muốn truyền thơng tin thực tế, người ta mong muốn truyền tin với tốc độ đường truyền cao tốt  d nhỏ – tham số khoảng cách phía phát phía thu thường khơng thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu khách quan bên  v lớn – vận tốc truyền sóng mơi trường có giá trị định khó thay đổi  L lớn – tăng kích thước khung để tăng hiệu suất Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm thông tin truyền lại lớn khung thông tin ban đầu bị sai Cũng lý mà mơi trường truyền dẫn định có kích thước khung tối ưu tương ứng Như vậy, hệ số a gần thay đổi dẫn đến phương pháp truyền lại theo chế dừng đợi không sử dụng phổ biến hiệu sử dụng đường truyền không cao Để nâng hiệu suất lên, cần có chế nhằm đảm bảo phía phát tận dùng thời gian rảnh rỗi chờ báo nhận từ phía thu Người ta dựa chế dừng đợi để tạo chế cho hiệu truyền cao hơn, cụ thể chế truyền lại theo nhóm (Go-back-N ARQ) chế phát lại theo yêu cầu (Selective Repeat ARQ) 100 5.2.6 Go-back-N ARQ Cơ chế hoạt động Với chế phát lại Go-back-N, phía phát phát nhiều khung thông tin trước nhận báo nhận từ phía thu Số khung thơng tin cực đại mà phía phát phát (ký hiệu W) gọi kích thước cửa sổ Với chế hoạt động này, Go-back-N (và phương pháp selective repeat trình bày phần sau) gọi chế cửa sổ trượt (sliding window) Mỗi phát xong khung thơng tin, phía phát giảm kích thước cửa sổ 1, kích thước cửa sổ 0, phía phát khơng phát thêm khung thông tin (điều đảm bảo số khung thơng tin đồng thời đến phía thu khơng vượt q W, đó, khơng vượt q khả xử lý phía thu) Mỗi phía thu nhận khung thông tin xử lý xong, phía thu gửi lại báo nhận ACK cho phía phát Khi nhận báo nhận này, phía phát tăng kích thước cửa sổ W lên Điều đồng nghĩa với việc phía phát phát thêm khung nữa, W khung phát trước đó, phía thu xử lý xong khung, vậy, tổng số khung mà phía thu phải xử lý thời điểm không vượt W Để phân biệt khung đường truyền, khung cần đánh số thứ tự Nếu dùng k bit để đánh số tổng số khung đánh số 2k (từ đến 2k – 1) đó, kích thước cửa sổ tối đa Wmax = 2k (về mặt lý thuyết) Ví dụ sử dụng bit để đánh số thứ tự cho khung thơng tin Lúc kích thước cửa sổ cực đại (yêu cầu sinh viên giải thích lý do) Tại thời điểm ban đâu, phía phát thu có kích thước cửa sổ thể phía phát phép phát tối đa khung (bắt đầu từ khung F0) Sau phía phát phát ba khung (F0, F1, F2) chưa nhận ACK, phía phát giảm kích thước cửa sổ xuống Lúc cửa sổ phía phát bao gồm khung từ F3 đến F6 thể phía phát cịn phép truyền tối đa khung nữa, khung F3 Ở phía thu, sau nhận xử lý xong ba khung F0, F1 F2 gửi lại ACK3 cho phía phát ACK3 nhằm ám rằng: “Phía thu nhận xử lý xong khung F2 phía thu sẵn sàng nhận khung 3.” Thực tế, phía thu sẵn sàng nhận khung khung F3 Phia thu đồng thời tăng kích thước cửa sổ bên thu lên 7, bao khung từ F3 F1 Phía phát sau nhận ACK3 tăng kích thước cửa sổ thêm đơn vị Lúc cửa sổ phía phát W = bao khung từ F3 đến F1 Giả sử lúc phía phát thực phát khung từ F3 đến F6 (4 khung) Sau phát, phía phát giảm kích thước cửa sổ (W = 3), lúc cửa sổ cịn bao khung F7, F0 F1 101 Phía thu gửi lại ACK4, báo nhận xử lý xong khung F3, ACK4 ám phía phát phép phát tối đa khung F4 Tuy nhiên ACK4 đến phía phát phía phát thực phát khung F4, F5 F6 rồi, vậy, phía phát phát tối đa khung F7 Hình minh họa nguyên tắc hoạt động chế cửa sổ trượt Hình: Nguyên tắc hoạt động chế cửa sổ trượt Trong trường hợp lý tưởng (khơng có lỗi xảy ra) chế cửa sổ trượt đảm bảo số khung thông tin từ phía phát đến phía thu khơng vượt q kích thước cửa sổ Trong trường hợp này, khơng có phân biệt Go-back-N selective repeat (và chúng gọi chung sliding window) Khi có lỗi xảy ra, việc truyền lại khung lỗi chế cửa sổ trượt thực theo hai cách khác nhau:  Go-back-N: phía phát thực phát lại khung thông tin bị sai tất khung thơng tin khác truyền, tính từ khung bị sai  Selective repeat: phía phát phát lại khung thơng tin bị sai Để hiểu rõ chế hoạt động Go-back-N, ta xét số trường hợp cụ thể sau: 1) Khung thơng tin bị lỗi – xảy ba trường hợp:  Phía phát phát khung i, phía thu thu khung từ i – trở trước Lúc phía thu gửi NAK i (RN = i) cho phía phát 102 để báo lỗi cho khung i Khi phía phát nhận NAK i, thực phát lại khung i tất khung sau i (nếu khung phát)  Khung thơng tin i bị đường truyền, giả sử phía thu nhận khung i+1, lúc phía thu thấy khung đến không theo thứ tự (nhận i+1 trước nhận i) hiểu khung i Phía thu gửi lại NAK i cho phía phát  Khung thông tin i bị đường truyền phía phát khơng gửi thêm khung thơng tin Lúc phía thu khơng nhận khơng gửi lại ACK hay NAK Phía phát chờ đến time-out khung thông tin i thực truyền lại khung 2) Khung ACK bị lỗi – ACK bị lỗi xảy hai trường hợp:  Phía thu nhận khung i gửi ACK(i+1) phía phát ACK bị đường truyền Giả sử trước time-out khung i xảy ra, phía phát nhận ACK(i+2) (hoặc ACK(i+n) với n > 1) phía phát hiểu khung i nhận Kết luận giải thích sau: phía thu gửi ACK(i+2) nghĩa phía thu nhận (và chấp nhận) khung i+1, điều đồng nghĩa với việc phía thu nhận khung i Người ta nói chế Go-back-N sử dụng cummulative ACK (nghĩa ACK sau đồng thời báo nhận cho khung trước đó)  Nếu khoảng thời gian time-out khung i, phía phát khơng nhận ACK(i+n) sau time-out, phía phát phải phát lại khung i (và tất khung sau đó) 3) Khung NAK bị lỗi – trường hợp NAK bị lỗi, nghĩa khung i bị lỗi, lúc phía thu khơng nhận thêm khung sau khung i (và khơng gửi báo nhận) Với trường hợp phía phát bắt buộc phải chờ đến time-out thực phát lại khung thông tin i 4) Để đơn giản vấn đề, không xem xét trường hợp ACK NAK bị sai (nếu xét nào???) Hình 1-8 trình bày nguyên tắc phát lại ARQ Go-back-N có lỗi xảy với khung thơng tin Hình 5-8: Minh họa chế Go-back-N ARQ 103 Một số ý chế hoạt động ARQ Go-back-N Bên cạnh nguyên tắc hoạt động minh họa trình bày đây, cần ý số điểm sau tìm hiểu hoạt động Go-back-N   Trong trường hợp phía thu có khả xử lý W khung thơng tin khơng cần đệm Phía thu nhận xử lý thơng tin theo thứ tự (dựa số thứ tự đánh khung)  Phía thu chuyển gói thơng tin lên lớp cao theo thứ tự  Phía thu không nhận khung i+1 chưa nhận khung i Điều ngun nhân khiến phía thu khơng cần phải có đệm Phía phát phải lưu tối đa W khung thông tin đệm để chờ ACK Hiệu suất chế ARQ Go-back-N Tương tự trường hợp ARQ dừng đợi, tính hiệu suất phương pháp phát lại ARQ Go-back-N, tính hai trường hợp: trường hợp lý tưởng và trường hợp thực tế 1) Trường hợp 1: điều kiện lý tưởng Để tính hiệu suất phương pháp ARQ Go-back-N trường hợp lý tưởng, dựa hiệu suất phương T pháp dừng đợi biết Đó là:   a= D Nếu chuẩn  2a TF hóa đơn vị TF = đơn vị thời gian (giả thiết thời gian phát khung đơn vị chuẩn) trễ truyền sóng từ hai trạm thu phát a đơn vị thời gian Nói cách khác, khung thơng tin truyền từ phát sang thu khung ACK/NAK truyền từ thu phát khoảng thời gian a đơn vị thời gian Hình 1-9 trình bày giản đồ thời gian phương pháp cửa sổ trượt Hình 1-9(a) minh họa trường hợp kích thước cửa sổ W > 2a + hình 1-9 (b) minh họa trường hợp kích thước cửa sổ W < 2a + Quy ước:  [X] số nguyên nhỏ lớn hay X  A phía phát, B phía thu 104 Hình 5-9(a): Giản đồ thời gian phương pháp cửa sổ trượt, W > 2a+1 Hình 5-9(b): Giản đồ thời gian phương pháp cửa sổ trượt, W < 2a+1 Hiệu suất phương pháp phụ thuộc vào kích thước cửa sổ W giá trị a Trên hình 1-9(a) 1-9(b), phía phát A thực truyền khung thời điểm t0 (bit khung đầu tiên) Bit đến phía thu B thời điểm t0+a Tồn khung đến B thời điểm t0+a+1 Giả thiết bỏ qua thời gian xử lý, B gửi báo nhận ACK thời điểm t0+a+1 Trong trường hợp kích thước báo nhận nhỏ thời điểm toàn báo nhận ACK rời khỏi phía thu Báo nhận đến phía phát A thời điểm t0+2a+1 Giả thiết phía phát ln có liệu để truyền liên tục, có hai trường hợp xảy  Nếu W ≥ 2a+1: báo nhận đến phía phát trước W = Kể từ thời điểm A nhận báo nhận đầu tiên, đơn vị thời gian A phát khung thông tin đồng thời nhận báo nhận, A phát tin liên tục 105  Nếu W < 2a+1: kích thước cửa sổ phía phát W = đạt thời điểm t0+W (xảy trước thời điểm t0+2a+1) phía phát khơng thể phát khung khoảng thời gian từ t0+W đến t0+2a+1 Hiệu suất phương pháp cửa sổ trượt lúc này:  window  2) W W < 2a+1  window  W ≥ 2a + 2a  Trường hợp 2: trường hợp thực tế, có lỗi xảy nên hiệu suất thực tế nhỏ hiệu suất trường hợp lý tưởng  window NR số phát trung bình NR thành công Go back  N  Với trường hợp Go-back-N, có lỗi xảy ra, phía phát phải phát lại K khung (việc xác định K tính phần sau) Xác suất để khung thơng tin truyền đến lần thứ i p(i)  p i 1.(1  p ) (trong pi-1 xác suất để i-1 lần truyền bị sai) 1-p xác suất để lần truyền thứ i Với trường hợp này, tổng số khung phải truyền lại f(i) = + (i-1).K (i-1).K tổng số khung phải truyền lại cho i-1 lần truyền sai Vậy số khung trung bình cần truyền trường hợp truyền đến lần thứ i N(i) = f(i).p(i) Số khung trung bình cần truyền thành cơng:   N R   f (i ) p i 1 (1  p )    (1-K)+Ki  p i 1 (1  p ) i 1 i 1   N R  (1  K ) p i 1 (1  p )  K  ip i 1 (1  p ) i 1 i 1 Sử dụng kết sau:   i r  r i 0 i 1 i 1  1 r Và:   i.r i 1 i-1  (1  r ) Ta có: NR  1 K  K  p  Kp  1 p 1 p Tính K: Để tính hiệu suất phương pháp Go-back-N, ta giả thiết phía phát ln có liệu để phát (thực phát liên tục, trừ phải dừng lại kích thước cửa sổ = 0) Như vậy, 106 ... Cũng lý mà môi trường truyền dẫn định có kích thước khung tối ưu tương ứng Như vậy, hệ số a gần thay đổi dẫn đến phương pháp truyền lại theo chế dừng đợi không sử dụng phổ biến hiệu sử dụng đường... khung cần đánh số thứ tự Nếu dùng k bit để đánh số tổng số khung đánh số 2k (từ đến 2k – 1) đó, kích thước cửa sổ tối đa Wmax = 2k (về mặt lý thuyết) Ví dụ sử dụng bit để đánh số thứ tự cho khung... xét nào???) Hình 1-8 trình bày nguyên tắc phát lại ARQ Go-back-N có lỗi xảy với khung thơng tin Hình 5-8: Minh họa chế Go-back-N ARQ 103 Một số ý chế hoạt động ARQ Go-back-N Bên cạnh nguyên tắc