Giáo trình Cơ sở mạng thông tin

Khoa Điện tử Viễn Thông Trường Đại học Bách khoa Hà nội Cơ sở mạng thơng tin Giáo trình dành cho sinh viên đại học ngành Điện tử - Viễn thông Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh - Việt Tiếng Việt Tiếng Anh Băng tần thông dải Band Pass Băng tần sở Baseband Trạm gốc Base Station Kênh Channel Va đập Collision Cuộc nối Connection Mã hoá điều khiển lỗi Error Control Coding Mật độ phổ lượng Energy Spectral Density Khung Frame Đáp ứng tần số Frequency Response Giao thoa ký tự Intersymbol Interference Đa khung Multi-frame Đa truy nhập Multiple Access Bộ ghép kênh, hợp kênh Multiplexer Hiệu ứng xa - gần Near – Far Effect Kết nối, liên kết Link Đầu thu, phần thu Sender Đầu thu, phần thu, đích Sink Mã hố nguồn Source Coding Ghép kênh phân chia theo thời gian Time Division Multiplexing Bộ phát, khối phát Transmitter Mục lục Các từ viết tắt _ Error! Bookmark not defined Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh - Việt _2 Mục lục _3 Mục lục hình vẽ _5 Mục lục bảng biểu _6 Chương Giới thiệu _1 1.1 Mục đích việc mơ hình hóa đánh giá đặc tính hoạt động hệ thống _ 1.2 Các khái niệm hệ thống thong tin 1.3 Các bước phương pháp đánh giá mạng thông tin 1.3.1 Đo đạc, thu tập kế thống kê 1.3.2 Mơ hình hóa tốn học _ 1.3.3 Mô 1.4 Các công cụ phục vụ cho việc đánh giá chất lượng hoạt động mạng _ Chương Hàng đợi – Các hệ thống thời gian liên tục _2 2.1 Giới thiệu lý thuyết hàng đợi _ 2.1.1 Hàng đợi đặc điểm _ 2.1.2 Các tham số hiệu trung bình 2.2 Nhắc lại khái niệm thống kê _ 10 2.2.1 Tiến trình điểm _ 10 2.2.2 Tiến trình Poisson _ 12 2.3 Định luật Little _ 14 2.3.1 Công thức Little _ 14 2.3.2 Chứng minh công thức Little _ 14 2.4 Các mơ hình hàng đợi _ 15 2.4.1 Ký hiệu Kendall 2.4.2 Quá trình Sinh-Tử (Birth-Death) 2.4.3 Hàng đợi M/M/1 2.4.4 Hàng đợi M/M/1/K 2.4.5 Hàng đợi M/M/C 15 17 17 19 20 2.5 Lý thuyết lưu lượng _ 21 2.5.1 Khái niệm lưu lượng đơn vị Erlang _ 21 2.5.2 Hệ thống tổn thất (Loss System) công thức Erlang B 23 2.5.3 Hệ thống trễ (Delay) công thức Erlang C _ 26 2.6 Hệ thống hàng đợi có ưu tiên 28 2.6.1 Qui tắc tổ chức hàng đợi 2.6.2 Độ ưu tiên khách hàng hàng đợi ưu tiên _ 2.6.3 Duy trì qui tắc hàng đợi, luật Kleinrock _ 2.6.4 Một số hàng đợi đơn server 2.6.5 Kết luận _ 29 31 32 33 33 2.7 Bài tập (Pending) _ 34 Chương Mạng hàng đợi 35 3.1 Mạng nối tiếp 35 Chương Định tuyến mạng thông tin 36 4.1 Yêu cầu định tuyến mạng thông tin _ 36 4.1.1 Vai trị định tuyến mạng thơng tin _ 36 4.1.2 Các khái niệm lý thuyết graph _ 36 4.2 Các mơ hình định tuyến quảng bá (broadcast routing) 38 4.2.1 Lan tràn gói (flooding) 4.2.2 Định tuyến bước ngẫu nhiên (random walk) _ 4.2.3 Định tuyến khoai tây nóng (hot potato) _ 4.2.4 Định tuyến nguồn (source routing) mô hình (spanning tree) 4.2.5 Duyệt _ 38 39 39 40 40 4.3 Các mơ hình định tuyến thông dụng 59 4.3.1 Định tuyến ngắn (Shortest path Routing) 59 4.4 Bài tập (Pending) _ 80 Chương Điều khiển luồng chống tắc nghẽn 81 5.1 Tổng quan _ 81 5.1.1 Mở đầu _ 5.1.2 Khái niệm điều khiển luồng 5.1.3 Khái niệm chống tắc nghẽn 5.1.4 Nhiệm vụ chủ yếu điều khiển luồng chống tắc nghẽn 5.1.5 Phân loại điều khiển luồng tránh tắc nghẽn 81 84 85 85 86 5.2 Tính cơng _ 86 5.2.1 Định nghĩa _ 86 5.2.2 Tính công mặt băng truyền 87 5.2.3 Tính cơng mặt đệm _ 87 5.2.4 Cơ chế phát lại ARQ _ 88 5.2.5 Stop-and-Wait ARQ _ 90 5.2.6 Go-back-N ARQ 95 5.2.7 Selective repeat ARQ _ 101 5.3 Điều khiển luồng tránh tắc nghẽn theo phương pháp cửa sổ _ 103 5.3.1 Điều khiển luồng theo cửa sổ (Window Flow Control) 103 5.3.2 Điều khiển tắc nghẽn sử dụng cửa sổ thích ứng (adaptive window) 109 5.4 Điều khiển luồng chống tắc nghẽn dựa băng thông (rate-based flow control) _ 114 5.4.1 Khái niệm 114 5.4.2 Điều khiển băng thông theo thuật tốn gáo rị (leaky bucket) _ 115 5.4.3 Thuật toán GPS (pending) 119 5.5 Bài tập (Pending) 119 Chương Kỹ thuật mô 120 6.1 Giới thiệu _ 120 6.2 Mô dựa kiện rời rạc công cụ 120 6.2.1 Phương pháp mô dựa kiện rời rạc _ 120 6.2.2 Các công cụ mô thông dụng dựa kiện rời rạc 123 6.3 Công cụ mô mạng NS2 124 6.3.1 Cấu trúc 124 6.3.2 Các tiện ích NS hỗ trợ cho mô mạng [Pending] 126 6.3.3 Thí dụ (Pending) _ 126 6.4 Kết luận (Pending) _ 126 6.5 Bài tập (Pending) 126 Tài liệu tham khảo _127 Phụ lục 128 Mục lục hình vẽ Hình 1-1 Đường truyền, kết nối nối Error! Bookmark not defined Hình 1-2 Ghép kênh đa truy nhập Error! Bookmark not defined Mục lục bảng biểu Bảng 1-1 Độ rộng băng tần số tín hiệu Error! Bookmark not defined Chương Giới thiệu 1.1 Mục đích việc mơ hình hóa đánh giá đặc tính hoạt động hệ thống 1.2 Các khái niệm hệ thống thong tin 1.3 Các bước phương pháp đánh giá mạng thông tin 1.3.1 Đo đạc, thu tập kế thống kê 1.3.2 Mơ hình hóa tốn học 1.3.3 Mơ 1.4 Các công cụ phục vụ cho việc đánh giá chất lượng hoạt động mạng Chương Hàng đợi – Các hệ thống thời gian liên tục 2.1 Giới thiệu lý thuyết hàng đợi 2.1.1 Hàng đợi đặc điểm Trong hệ thống khách hàng đến điểm cung cấp dịch vụ rời khỏi hệ thống dịch vụ cung cấp Ví dụ: Các hệ thống điện thoại: số lượng lớn khách hàng quay số để kết nối đến đường hữu hạn tổng đài Trong mạng máy tính: mà gói tin chuyển từ nguồn tới đích qua số lượng nút trung gian Hệ thống hàng đợi xuất nút q trình lưu tạm thơng tin đệm Hệ thống máy tính: cơng việc tính tốn tuyến làm việc hệ thống yêu cầu dịch vụ từ xử lý trung tâm từ nguồn khác Những tình diễn tả hình vẽ sau: Hình 2-1 Mơ hình chung hệ thống hàng đợi  Người ta mô tả tiến trình đến tiến trình phục vụ nào?  Hệ thống có server?  Có vị trí đợi hàng đợi?  Có quy tắc nội đặc biệt không (yêu cầu dịch vụ, mức độ ưu tiên, hệ thống cịn rỗi khơng)? Đặc điểm hệ thống hàng đợi Miêu tả tiến trình đến (phân bố khoảng thời gian đến) Miêu tả tiến trình phục vụ (phân bố thời gian phục vụ) Số lượng server Số lượng vị trí đợi Các quy tắc hàng đợi đặc biệt:  Quy tắc phục vụ (FCFS, LCFS, RANDOM)  Thời gian rỗi (phân bố thời gian rỗi, mà thời gian rỗi bắt đầu )  Mức độ ưu tiên  Những luật khác Với mạng cụ thể hàng đợi gồm có thơng tin sau:  Sự kết hợp hàng đợi  Chiến lược định tuyến:  Xác định (Deterministic) Dựa vào lớp Thống kê Xử lý nghẽn mạng (khi đệm đích bị đầy) Số lượng khách hàng bị suy giảm Hàng đợi gốc bị nghẽn Tái định tuyến Chúng ta xem xét ví dụ mạng hàng đợi đơn giản khác S S S S Hình 2-2: Ví dụ mạng hàng đợi mở Hình 2-3 Ví dụ mạng hàng đợi đóng M Phân tích hệ thống hàng đợi mạng hàng đợi bao gồm:  Phân tích giải tích  Q trình mơ  Cả hai phương pháp Kết giải tích đạt được:  u cầu tính tốn  Đưa kết xác (khơng xảy lỗi xác suất) Những kết thu (các thông số dịch vụ) chia thành hai nhóm lớn:  Dành cho người sử dụng  Dành cho nhà cung cấp phục vụ Thông số quan trọng cho người sử dụng:  Trễ hàng đợi  Tổng trễ (bao gồm trễ hàng đợi trễ phục vụ )  Số lượng khách hàng hàng đợi  Số lượng khách hàng hệ thống (gồm khách hàng chờ khách hàng phục vụ )  Xác suất nghẽn mạng (khi kích thước đệm hữu hạn)  Xác suất chờ để phục vụ Thông số quan trọng cho nhà cung cấp dịch vụ:  Khả sử dụng server  Khả sử dụng đệm  Lợi ích thu (thơng số dịch vụ xem xét kinh tế)  Lợi ích bị (thông số dịch vụ xem xét kinh tế) Đáp ứng nhu cầu người sử dụng  Chất lượng dịch vụ (QoS):  Tổn thất (PDF, mean)  Trễ (PDF, mean)  Jitter (PDF, mean) Đưa thông số để thu được:  Hàm phân bố xác suất  Các giá trị trung bình  Đo thời điểm cực đại, cực tiểu Các hàm phân bố xác suất chứa đựng đầy đủ thông tin liên quan đến thông số quan tâm Tuy nhiên, việc thiết lập hàm khó thực Hình: Sử dụng time-out ACK để tăng/giảm kích thước cửa sổ 5.4 Điều khiển luồng chống tắc nghẽn dựa băng thông (rate-based flow control) 5.4.1 Khái niệm Trong phần trên, thấy hạn chế điều khiển luồng theo phương pháp cửa sổ trễ gói tăng tỷ lệ với số lượng kết nối cần thực điều khiển luồng Mặc dù giảm kích thước cửa sổ để giảm trễ gói nhiên phương pháp khơng dễ thực 114 Để đáp ứng yêu cầu điều khiển luồng, người ta để xuất phương pháp thực điều khiển luồng chống tắc nghẽn dựa việc hạn chế băng thơng Cơ chế kiểm sốt băng thơng đảm bảo lượng thông tin người dùng đưa vào mạng không vượt mức nhằm tránh tắc nghẽn mạng Trong số trường hợp cụ thể, thông tin người dùng đưa vào mạng vượt lượng thông tin giới hạn mức độ cho phép Cơ chế kiểm sốt băng thơng thông tin vào mạng chia làm hai loại:  Kiểm soát chặt (strict implementation) – với tốc độ thơng tin vào mạng trung bình r gói/s, hệ thống kiểm sốt cho gói vào sau 1/r giây Phương pháp không phù hợp cho thơng tin có thay đổi với biên độ lớn (bursty traffic) Ví dụ điển hình phương pháp chế TDMA  Kiểm soát lỏng (less-strict implementation) – với tốc độ thông tin vào mạng trung bình r gói/s hệ thống kiểm sốt cho W gói vào mạng khoảng thời gian W/r giây Trong phương pháp này, tốc độ liệu trung bình khơng đổi cho hệ thống cho phép nhận tối đa W gói thời điểm (bursty traffic) Cơ chế thường triển khai với việc sử dụng gáo rò (leaky bucket) Trong phần đây, chúng tơi trình bày ngun tắc hoạt động gáo rị 5.4.2 Điều khiển băng thơng theo thuật tốn gáo rị (leaky bucket) Ngun tắc hoạt động leaky bucket Hình 5-15 minh hoạ mơ hình gáo rị Hình 5-15: Mơ hình gáo rị Trong mơ hình này, nút mạng trang bị gáo rị dùng kiểm sốt lưu lượng thơng tin vào mạng Gáo đệm có khả lưu trữ tối đa W thẻ Các thẻ điền vào gáo với tốc độ r thẻ bài/s Khi gáo đầy thẻ thẻ khơng điền thêm vào gáo Mỗi gói tin đến để vào mạng gói tin phải nhận thẻ Tốc độ trung bình thơng tin vào mạng r gói tin/s tốc độ điền thẻ vào gáo Trong trường hợp gáo rò đầy thẻ bài, nút mạng cho tối đa W gói tin vào mạng thời điểm (burst size) Nếu W nhỏ khả kiểm sốt tốc độ luồng thơng tin vào tốt, W lớn khả hỗ trợ burst tốt 115 Với việc sử dụng gáo rò, luồng thơng tin vào mạng có tốc độ khơng vượt r gói/s Nếu mạng có nhiều nút mạng để giao tiếp với bên (entry point), nút mạng trang bị gáo rị để kiểm sốt lưu lượng thơng tin vào mạng cho dù tốc độ thơng tin đến nút thay đổi, tốc độ thông tin mạng ổn định Với đặc điểm này, người ta nói gáo rị thực chức định dạng lưu lượng Tính tốn hiệu leaky bucket (pending)  Trễ trung bình gói qua leaky bucket  Độ dài hàng đợi gói trung bình Chọn tham số leaky bucket (pending) Mơ hình cơng cực đại – cực tiểu (max-min fairness) Một vấn đề khó khăn thực điều khiển luồng kiểm soát tắc nghẽn đảm báo tính cơng cho kết nối người dùng xảy tắc nghẽn Khái niệm tính cơng thể chỗ kết nối, người dùng sử dụng tài nguyên mạng với hội Để hiểu rõ tính cơng bằng, xét mơ hình mạng hình vẽ 5-16 Kết nối A Dung lượng Kết nối B Dung lượng C Kết nối Dung lượng D Kết nối Hình 5-16: Tính cơng Trên hình 1-16, đường nối A – B B – C có dung lượng đường nối C – D có dung lượng Kết nối qua tất nút A, B, C, D; kết nối qua A, B; kết nối qua B, C; kết nối qua C, D Ta thấy, có tốc độ kết nôi 1, 1/2 để đảm bảo kết nối sử dụng băng thông đường A – B B – C công Tuy nhiên, đường liên kết C – D, chia sẻ kết nối kết nối 4, nhiên băng thơng kết nối đạt đến 5/2 kết nối sử dụng hết 1/2 mà thơi Như vậy, tính cơng khơng đơn chia sẻ băng thơng bình đẳng cho kết nối/người dùng tất phân vùng mạng mà hiểu sử dụng mềm dẻo trường hợp cụ thể Việc sử dụng tài nguyên mạng hiệu đảm bảo tính cơng cho kết nối thực chế điều khiển luồng cực đại – cực tiểu (max–min flow control) Cơ chế xây dựng mơ hình cơng cực đại – cực tiểu (max-min fairness) Nguyên tắc hoạt động chế điều khiển luồng cực đại – cực tiểu sau: Nguyên tắc – Sau người dùng với yêu cầu tài nguyên đáp ứng công bằng, tài nguyên lại tiếp tục phân chia 116 (một cách cơng bằng) cho người dùng cịn lại Trong nhóm người dùng này, tài nguyên lại phân chia cho người dùng có u cầu đáp ứng, q trình tiếp tục đến hết Nói cách khác, việc cấp phát tài nguyên mạng cho người dùng i không làm ảnh hưởng đến tài nguyên cấp ngườii dùng khác với yêu cầu i Một số quy ước định nghĩa:  Giả thiết mạng đồ có hướng G = (N, A) N tập hợp nút A tập hợp đường liên kết nút  P tập hợp kết nối sử dụng mạng, kết nối tập hợp kết nối ký hiệu p  rp tốc độ (hay băng thông) dùng cho kết nối p Với đường liên kết a (a  A) lưu lượng thông tin liên kết a Fa    p (a ).rp  p ( a )  kết nối p qua liên kết a pP trường hợp ngược lại Gọi Ca dung lượng liên kết a, ta có: rp ≥ với p  P Fa ≤ Ca với a  A (*) Mục đích chế cơng cực đại – cực tiểu tìm tập hợp giá trị rp (với p  P) thỏa mãn (*) đồng thời thỏa mãn nguyên tắc quy chế công cực đại – cực tiểu Tập hợp giá trị rp tạo thành vector công cực đại – cực tiểu, ký hiệu r Một đặc điểm quan trọng vector công cực đại – cực tiểu với kết nối p thuộc P, có liên kết a mà p qua cho Fa = Ca rp không nhỏ tốc độ kết nối liên kết Liên kết gọi điểm nghẽn p (bottleneck arc) Hình 1-17 minh hoạt khái niệm vector công cực đại – cực tiểu khái niệm điểm nghẽn Hình 5-17: Ví dụ tính cơng cực đại – cực tiểu Trên hình 5-17, điểm nghẽn kết nối 1, 2, 3, (3,5), (2,3), (2,3), (4,5) (2,3) Liên kết (3,5) điểm nghẽn cho kết nối liên kết chia sẻ hai kết nối kết nối có tốc độ cao kết nối liên kết Liên kết (1,3) điểm tắc nghẽn tất kết nối tài nguyên kết nối chưa sử dụng hết (còn dư thừa 1/3 tốc độ) 117 Thuật tốn tìm giá trị băng thông tối ưu (max-min fair algorithm) Phần trình bày thuật tốn tìm giá trị băng thơng tối ưu 1) Khởi tạo tất kết nối với tốc độ = Tăng tốc độ tất kết nối với lượng nhỏ , lặp lại trình tồn liên kết có tổng băng thơng đạt đến giá trị băng thông cực đại (Fa = Ca) Lúc này:  Tất kết nối chia sẻ liên kết sử dụng băng thông  Liên kết điểm tắc nghẽn tất kết nối sử dụng liên kết  Ngừng việc tăng băng thông cho kết nối kết nối đạt đến trạng thái cân cực đại – cực tiểu 2) Lặp lại trình tăng tốc độ cho kết nối khác chưa đạt đến điểm tắc nghẽn lại tìm thấy điểm tắc nghẽn ứng với kết nối khác (lặp lại bước 2) 3) Thuật toán kết thúc tất kết nối tìm điểm tắc nghẽn Có cần phải minh họa cơng thức khơng??? Ví dụ: xét trường hợp tìm băng thông tối ưu phương pháp công cực đại – cực tiểu hình 1-17 Giả thiết tất liên kết có tốc độ  Bước 1: tất kết nối có tốc độ 1/3, liên kết (2,3) bão hòa (đạt giá trị cực đại) tốc độ ba kết nối (2, 5) liên kết đặt giá trị 1/3  Bước 2: hai kết nối tăng thêm lượng băng thông 1/3 đạt giá trị 2/3 Lúc liên kết (3,5) bão hòa tốc độ kết nối đặt giá trị 2/3  Bước 3: kết nối tăng thêm lượng 1/3 đạt đến giá trị Liên kết (4,5) lúc trở nên bão hòa tốc độ kết nối đạt  Bước 4: cúc tất kết nối qua liên kết bão hòa (điểm nghẽn) nên giải thuật dừng lại kết giải thuật tìm giá trị băng thơng tối ưu băng thơng kết nối cho phần Dưới thuật tốn tìm giá trị băng thơng tối ưu Quy ước:    Ak tập hợp liên kết chưa bão hòa (chưa hoạt động với tốc độ cực đại liên kết) lúc bắt đầu bước k Pk tập hợp kết nối không qua liên kết bão hịa nào, tính lúc bắt đầu bước k nka số lượng kết nối Pk sử dụng liên kết a Đây số kết nối chia sẻ phần dung lượng đường truyền chưa dùng hết liên kết a  r k phần băng thông tăng lên cho kết nối Pk bước thứ k  Tại điều khiện ban đầu: k = 1, F0a = 0, r0p = 0, P1 = P A1 = A Thuật toán hoạt động sau: 118 nak := số lượng đường p  P k với  p ( a )  r k : (Ca  Fak 1 ) / nak aAk  rpk 1  r k ( p  P k ) r   k 1 k  rp ( p  P ) Fak :   p (a).rpk k p aA A k+1 : a | Ca  Fak  0 P k 1 :  p |  p (a)  0, for all a  A k+1 k : k  Nếu Pk tập hợp rỗng dừng lại, khơng quay lại bước 5.4.3 Thuật toán GPS (pending) 5.5 Bài tập (Pending) 119 Chương Kỹ thuật mô 6.1 Giới thiệu Công cụ NS2 (network simulator version 2) [5] phát triền trường Đại học Berkeley (Mỹ) công cụ cho phép mơ đánh giá đặc tính mạng máy tính viễn thơng thay cho việc tiến hành thực nghiệm thiết bị thực tế Do có số ưu điểm mã nguồn mở, có module ứng dụng phong phú, NS2 công cụ mô phổ biến rộng rãi giới, đặc biệt viện nghiên cứu trường đại học Trong chương này, trước tiên chúng tơi trình bày khái niệm chung phương pháp mô dựa kiện rời rạc (discrete event simulation) Tiếp theo, nhằm cung cấp cho người đọc nhìn tổng quan công cụ mô cho mạng, giới thiệu số công cụ mô mạng thông dụng phân tích ưu nhược điểm chúng Cấu trúc NS2, module có sẵn ứng dụng chúng trình bày phần Sau số kết luận chung phạm vi ứng dụng ưu nhược điểm NS2 6.2 Mô dựa kiện rời rạc công cụ 6.2.1 Phương pháp mô dựa kiện rời rạc Trước vào trình bày khái niệm mơ dựa kiện rời rạc, định nghĩa số khái niệm sau: Định nghĩa 6.1 - Mơ hình (Model): biểu diễn hệ thống cần mô cách mơ tả mối quan hệ tốn học, logic cấu trúc mặt trạng thái, thực thể làm nên hệ thống, kiện làm thay đổi trạng thái hệ thống, tiến trình hoạt động hệ thống Định nghĩa 6.2 - Trạng thái hệ thống (System State): tập hợp biến cần thiết chứa đựng đầy đủ thông tin để mô tả hệ thống thời điểm Định nghĩa 6.3 - Thực thể (Entity): Một mơ hình hệ thống cần mơ chia nhỏ thành thực thể với chức khác (thí dụ hàng đợi, server, gói liệu v.v.) 120 Định nghĩa 6.4 - Thuộc tính (Attributes): Mỗi thực thể hệ thống có thuộc tính khác đặc trưng cho thực thể đó, thí dụ luật phục vụ gói hàng đợi v.v Định nghĩa 6.5 - Sự kiện (Event): Sự xuất kiện làm thay đổi trạng thái hệ thống (thí dụ kiện xuất gói làm tăng số gói chờ hàng đợi) Định nghĩa 6.6 - Bản ghi kiện (Event Notice): Là ghi có gắn thời gian xảy kiện tương lai, với liệu cần thiết để thực kiện đó, thí dụ kiểu kiện thời gian xảy kiện Định nghĩa 6.7 - Danh sách kiện (Event List): Là danh sách chứa nhiều ghi kiện xếp theo trình tự thời gian xảy kiện Định nghĩa 6.8 - Hoạt động (Activity): quãng thời gian với độ dài xác định (khoảng thời gian truyền gói tin, thời gian đến hai gói tin liên tiếp) thời điểm bắt đầu hoạt động xác định Định nghĩa 6.9 - Trễ (Delay): quãng thời gian với độ dài không xác định (như khoảng thời gian đợi gói tin hàng đợi đằng trước cịn n gói đợi) Định nghĩa 6.10 - Đồng hồ (Clock): Là biến số thể thời gian mô hệ thống Từ khái niệm trên, phương pháp mô dựa kiện rời rạc xây dựng bẳng cách mơ hình hố hệ thống mà trạng thái thay đổi thời điểm rời rạc, tức thời điểm xảy kiện Như q trình chạy mơ thực chất q trình khảo sát hệ thống trạng thái thay đổi từ thời điểm sang thời điểm khác, tương ứng với thời điểm xảy kiện theo trình tự thời gian tăng dần Thí dụ 6.1: Để dễ hiểu lấy thí dụ hệ thống bao gồm hàng đợi Q hai thực thể phục vụ (server) A B phục vụ gói đợi Q Đầu tiên gói vào hàng đợi Q đợi lượt phục vụ Thực thể A B có thời gian phục vụ gói trung bình tsa tsb (đây hai thuộc tính tương ứng với A B) Khi có gói đến, A rỗi A phục vụ gói đó, A bận B rỗi B phục vụ, khơng gói đợi hàng đợi Q (Hình 6.1) 121 Hình 6.1 Hệ thống gồm hàng đợi thực thể phục vụ Có thể mơ hình hố hệ thống trạng thái thể tham số:  LQ: độ dài hàng đợi (số gói có Q)  SA: – A bận; – A rỗi  SB: – B bận; – B rỗi Ngồi định nghĩa kiểu kiện làm thay đổi trạng thái hệ thống sau: 1) Sự kiện E1: gói Pi vào hàng đợi; 2) Sự kiện E2: gói Pi bắt đầu phục vụ A B; 3) Sự kiện E3: gói Pi phục vụ xong Giả sử thời điểm t1 gói Pn A phục vụ xong, Pn+1 bắt đầu phục vụ, thời điểm t2 gói Pi vào hàng đợi Q Hình 6.2 Mơ hệ thống với trình tự thời gian tăng dần Hình 6.2 thể q trình mơ hệ thống theo trình tự thời gian đồng hồ trình thay đổi, bổ sung ghi kiện danh sách 122 kiện Việc xử lý danh sách kiện nhiệm vụ chương trình mơ Do ghi kiện chuỗi xếp theo trình tự thời gian, danh sách kiện có hai trỏ: trỏ trỏ vào đầu danh sách trỏ thứ hai trỏ vào ghi cuối danh sách Mỗi ghi phải có trỏ trỏ đến ghi nằm danh sách Các thao tác liên quan đến danh sách kiện bao gồm: 1) Xoá ghi đầu danh sách; 2) Xố ghi vị trí danh sách; 3) Thêm ghi vào đầu cuối danh sách; 4) Thêm ghi vào vị trí danh sách phụ thuộc vào thời gian xảy kiện Các phương pháp mơ hình hố hệ thống thơng tin chi tiết kỹ thuật mơ tìm thấy [1][2][3] 6.2.2 Các công cụ mô thông dụng dựa kiện rời rạc Trước vào trình bày cấu trúc cơng cụ NS2, phần điểm lại số công cụ mô thông dụng nhận xét ưu nhược điểm chúng OPNET [8] sản phẩm thương mại tương đối tiếng công ty OPNET, bao gồm hai phần OPNET Modeler phần mở rộng cho mạng không dây OPNET Wireless Module OPNET chạy môi trường Windows Unix/Linux OPNET thích hợp cho tổ chức công nghiệp việc quy hoạch đánh giá chất lượng dịch vụ mạng thực tế có sẵn thư viện phong phú với module mô thiết bị nhiều nhà sản xuất khác Cisco, Lucent, Juniper Tuy nhiên sở nghiên cứu trường đại học, có lẽ OPNET khơng phù hợp giá tương đối đắt, mặt khác mơ hình hố hệ thống, OPNET yêu cầu phải sử dụng thư viện với thiết bị cụ thể nên việc xây dựng mơ hình tổng qt gặp khó khăn Ptolemy II [9] công cụ mô Java phát triển trường Berkeley (Mỹ) Ptolemy II tải xuống miễn phí, nhiên Ptolemy II cung cấp môi trường mô dựa kiện rời rạc nói chung, module hỗ trợ cho mơ hệ thống mạng khơng có nhiều nên người lập trình phải tự phát triển ứng dụng riêng OMNET++ [10] chương trình mơ cho hệ thống mạng phát triển Andras Varga, trường Đại học Bách khoa Budapest OMNET++ viết ngôn ngữ C++ hỗ trợ Windows lẫn Unix/Linux OMNET++ tải xuống miễn phí Ngồi OMNET++ sử dụng giao diện đồ hoạ thân thiện với người sử dụng (như môi trường phát triển OPNET), khối lượng cơng việc độ phức tạp phát triển module giảm nhẹ nhiều Tuy nhiên OMNET++ cộng đồng nghiên cứu nên module có sẵn chưa nhiều NS2 [5] công cụ mô mạng sử dụng rộng rãi trường đại học viện nghiên cứu NS2 phát triển khuôn khổ dự án VINT, kết hợp trường Berkeley, Viện Khoa học thông tin ISI, Xerox PARC phịng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley NS2 công 123 cụ mô hướng đối tượng, phát triển dựa hai ngôn ngữ C++ OTcl (Object-oriented Tcl), chủ yếu chạy môi trường Unix/Linux Ưu điểm NS2 mã nguồn mở, có cộng đồng sử dụng phát triển đông đảo nên module hỗ trợ cho mô mạng (như giao thức, chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, công nghệ mạng lớp 2, 3) phong phú Tuy nhiên có số nhược điểm:  Do khơng có giao diên đồ hoạ với người sử dụng nên việc tạo kịch mô phát triển module phức tạp công cụ khác OPNET OMNET++;  Khả hỗ trợ hệ điều hành khác Windows kém;  Do phát triển nhiều cá nhân tổ chức khác nên cấu trúc NS2 tương đối phức tạp, sau thời gian làm quen dùng thử định người sử dụng có khả làm chủ chương trình, đặc biệt phải tạo module chức Sau tập trung giới thiệu công cụ NS2 Việc so sánh liệt kê công cụ mô đánh giá hoạt động mạng tìm thấy [2][11][12] 6.3 Công cụ mô mạng NS2 6.3.1 Cấu trúc Hình Cấu trúc cơng cụ mơ NS Mô NS xây dựng sở hai ngơn ngữ:  C++: NS có thư viện phong phú đối tượng mạng giao thức mô tả C++ (thí dụ nút mạng, đường nối, nguồn, hàng đợi v.v.)  OTcl: Ngoài chương trình thơng dịch OTcl (OTcl ngơn ngữ mở rộng chức hướng đối tượng Tcl) cho phép người sử dụng xây dựng kịch mô cụ thể truyền tham số cho thực thể C++ Mỗi đối tượng (tương ứng với thực thể) C++ có đối tượng tương ứng lớp OTcl thể Hình Như C++ phần cho liệu lõi NS cịn OTcl phần đặt cấu hình cho chương trình mơ NS phải sử dụng ngơn ngữ có hai nhiệm vụ khác tiến hành mô Một mặt, mô tả chi tiết giao thức, khối chế mạng yêu cầu phải sử dụng ngôn ngữ bậc cao để xử lý số liệu, thực thuật toán Đối với nhiệm vụ yêu cầu 124 tính hiệu chương trình mơ (như khoảng thời gian chạy chương trình, quản lý nhớ v.v.), thực thể bắt buộc phải viết C++ Mặt khác, q trình xây dựng kịch mơ đặt cấu hình cho phần tử mạng, truyền tham số cụ thể, thiết lập topo cho mạng sử dụng phần tử có sẵn nên yêu cầu khâu thời gian thiết lập cấu hình phải thấp (vì kịch mơ lặp lặp lại) Vì vậy, chương trình thơng dịch OTcl thích hợp Trong kịch mô dạng OTcl người dung đưa ra, thiết lập topo mạng, giao thức ứng dụng cụ thể mà muốn mô mẫu đầu mà mong nhận từ mơ phỏng, OTcl sử dụng đối tượng biên dịch C++ qua liên kết OTcl (sử dụng tclCL thư viện gắn kết để dễ dàng chia sẻ chức biến) để tạo ánh xạ 1-1 đối tượng OTcl cho đối tượng C++ định nghĩa liên hệ đối tượng Như trình bày trên, phần NS danh sách kiện mà người ta gọi phân hoạch kiện (event scheduler) NS sử dụng phương pháp phân hoạch kiện khác nhau, trình bày cụ thể [4] Một kiện đối tượng C++ bao gồm số hiệu nhận dạng (ID) nhất, thời gian phân hoạch trỏ trỏ đến đối tượng thực thi kiện Cấu trúc kiện phân hoạch kiện định nghĩa sau: class Event { public: Event* next_; /* event list */ Handler* handler_; /* handler to call when event ready */ double time_; /* time at which event is ready */ int uid_; /* unique ID */ Event() : time_(0), uid_(0) {} }; /* * The base class for all event handlers When an event’s scheduled * time arrives, it is passed to handle which must consume it * i.e., if it needs to be freed it, it must be freed by the handler */ class Handler { public: virtual void handle(Event* event); }; Các gói tin NS định nghĩa từ lớp Event sau: class Packet : public Event { private: friend class PacketQueue; u_char* bits_; 125 protected: static Packet* free_; public: Packet* next_; /* for queues and the free list */ static int hdrlen_; Packet() : bits_(0), datalen_(0), next_(0) {} u_char* const bits() { return (bits_); } static void free(Packet*); }; 6.3.2 Các tiện ích NS hỗ trợ cho mơ mạng [Pending] Các module phục vụ cho mô mạng máy tính viễn thơng: Mobile networks, mobile IP, DiffServ, IntServ, MPLS, UDP/TCP/IP, SCTP, routing protocols (mobile ad-hoc, unicast, multicast), RED, RIO, WFQ, CSMA/CD, ON/OFF source, Pareto v.v Các chương trình trợ giúp việc khai thác số liệu mơ phỏng: Nam, XGraph v.v 6.3.3 Thí dụ (Pending) 6.4 Kết luận (Pending) 6.5 Bài tập (Pending) 126 Tài liệu tham khảo [1] John S Carson II, Barry L Nelson, Discrete-Event System Simulation, Jerry Banks, Prentice Hall 1996 [2] Richard Blum, Network Performance Open Source Toolkit Using Netperf, tcptrace, NIST Net, and SSFNet, Wiley Publishing 2003 [3] Raj Jain, The Art of Computer Systems Performance Analysis: Techniques for Experimental Design, Measurement, Simulation and Modeling, John Wiley and Sons 1991 [4] Kannan Varadhan, Kevin Fall, NS Manual, http://www.isi.edu/nsnam/ns/nsdocumentation.html [5] http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [6] Marc Greis, NS Tutorial, http://www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/index.html [7] Eintan Altman, Tania Jiménez, NS for Beginners, sop.inria.fr/maestro/personnel/Eitan.Altman/COURS-NS/n3.pdf http://www- [8] http://www.opnet.com [9] http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/ptolemyII/index.htm [10] http://www.omnetpp.org/ [11] http://www.inrialpes.fr/planete/people/ernst/Documents/simulator.html [12] http://www.topology.org/soft/sim.html [13] Kishor Shridharbhai Trivedi, Probability and Statistics with Reliability, Queuing, and Computer Science Applications, Wiley-Interscience, 2001 [14] Donald Gross, Carl M Harris, Fundamentals of Queueing Theory, WileyInterscience,1998 [15] Dimitri Bertsekas, Robert Gallager, Data Networks, Prentice-Hall International Editions, 1987 [16] Andrew S Tanenbaum, Computer Networks, Prentice-Hall, 2003 [17] Joseph L Hammond, Peter J.P.O' Reilly, Performance Analysis of Local Computer Networks, Addison-Wesley, 1988 127 Phụ lục 128 ... mạng, sở cho việc thiết kế mạng hệ thống viễn thông sau 2.7 Bài tập (Pending) 34 Chương Mạng hàng đợi 3.1 Mạng nối tiếp 35 Chương Định tuyến mạng thông tin 4.1 Yêu cầu định tuyến mạng thơng tin. .. Chương Mạng hàng đợi 35 3.1 Mạng nối tiếp 35 Chương Định tuyến mạng thông tin 36 4.1 Yêu cầu định tuyến mạng. .. nhận tin đến tốc độ 240bản tin/ phút Độ dài tin có phân bố hàm mũ với chiều dài trung bình 100 ký tự Tốc độ truyền tin khỏi hệ thống 500 ký tự/giây Tính tham số sau :  Thời gian trung bình tin