Nghiên cứu cải tiến DXCAST

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Nguyễn Quang Minh NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN DXCAST Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số học viên: 00708201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Giảng viên hướng dẫn PSG TS Thoại Nam TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PSG TS Thoại Nam Chữ ký: ………… …… Cán chấm nhận xét 1: ………………………………………… Chữ ký: ………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: ………………………………………… Chữ ký: ………………………………………… Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… ……………………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chửa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc -oOo - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Quang Minh……… Phái: Nam………………………… Ngày, tháng, năm sinh: 15/11/1982………… Nơi sinh: Hà Nội…………………… Chuyên ngành: Khoa học máy tính……………… MSHV: 00708201……………… I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN DXCAST……………………………… NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ đề tài cải tiến giao thức DXCAST hướng đến thích ứng với ứng dụng thực tiễn Các nội dung thực luận văn là: Tìm hiểu giao thức DXCAST Đề xuất cải tiến cho DXCAST hướng đến ứng dụng thực tiễn Mô giải thuật DXCAST* công cụ NS-2 đánh giá kết II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:………………………………………………………… III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:…………………………………… IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Thoại Nam………………………………… TPHCM, ngày… tháng….năm 20… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA……………………… (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài luận văn, tơi phải trải qua khơng khó khăn thử thách Vì lời cảm ơn tơi xin dành cho người thầy tận tình hướng dẫn tơi thực đề tài thầy Thoại Nam Sau đó, xin cảm ơn hai bạn Trần Ngọc Cường Huỳnh Thị Thanh Trang nhiệt tình hướng dẫn tơi vượt qua khó khăn bước đầu làm quen với môi trường giải lập NS-2 giao thức XCAST Treemap Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình bạn bè tơi trải qua ngày khó khăn để đạt thành hơm Mặc dù cố gắng nhiều, song chắn khóa luận khơng tránh khỏi thiếu sót.Tơi mong nhận thông cảm bảo tận tình q thầy bạn Xin chân thành cảm ơn TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012 Nguyễn Quang Minh TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài luận văn có u cầu cải tiến giao thức DXCAST sẵn có với giao thức DXCAST phù hợp ứng dụng video streaming như: IP TV, e-learning… Sau trình nghiên cứu thực, xây dựng giao thức DXCAST* cải thiện đáng kể thông số mạng so với giao thức DXCAST Phần xây dựng mơ hình để so sánh hai giao thức DXCAST DXCAST*, xây dựng mơ hình lên đến 120 hosts Đây số lượng hosts tương đối gần với số lượng người dùng ứng dụng e-learning Về phần thực, phát triển code DXCAST* từ Xcast Treemap DXCAST tĩnh Giao thức DXCAST* cho phép trình vào máy tính mơ hình mạng diễn tự động Đặc biệt mơ hình mạng diễn q trình gia nhập nhiều hosts đồng thời, giao thức DXCAST* tỏ ưu việt hẳn giao thức DXCAST Sau trình mô phỏng, đo thông số link stress, path length, thời gian hội tụ mô hình giao thức DXCAST DXCAST* so sánh chúng với Kết đo cho thấy thông số link stress, path length, thời gian hội tụ mạng giao thức DXCAST* vượt trội so với giao thức DXCAST LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ kết tham khảo từ cơng trình khác ghi rõ luận văn, cơng việc trình bày luận văn tơi thực chưa có phần nội dung luận văn nộp để lấy cấp trường trường khác Ngày 19 tháng năm 2012 Nguyễn Quang Minh MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU .13 Chương 2: KIẾN THỨC CƠ SỞ 19 2.1 Unicast 19 2.1.1 Ưu điểm 19 2.1.2 Nhược điểm 20 2.2 IP Multicast 20 2.2.1 Ưu điểm 21 2.2.2 Nhược điểm 21 2.3 Application Layer Multicast (ALM) 21 2.3.1 Ưu điểm: .22 2.3.2 Nhược điểm: 22 Chương 3: CÁC GIAO THỨC LIÊN QUAN 22 3.1 Giao thức Xcast6 Treemap: 23 3.1.1 Trường Treemap: 23 3.1.2 Thiết lập thông số header: .24 3.1.3 Sơ đồ khối thực giải thuật: .25 3.1.4 Hoạt động: 30 3.2 Giao thức DXCAST tĩnh: 31 3.2.1 Sơ đồ khối thực giải thuật: .32 3.2.2 Hoạt động: 32 Chương 4: TRIỂN KHAI GIAO THỨC DXCAST* 35 4.1 Giao thức DXcast: .35 4.1.1 Kỹ thuật chọn subroot: 35 4.1.2 Các chế phục hồi tự động hệ thống mạng có thay đổi: 39 4.1.3 Giải pháp cho tốn có số lượng host lớn 56 4.1.3 Sơ đồ khối thực giải thuật 59 4.1.4 Hoạt động .87 4.1.5 Mô NS-2 .90 4.2 Giao thức DXCAST* 93 4.2.1 Kỹ thuật chọn subroot 93 4.2.2 Các chế phục hồi tự động hệ thống mạng thay đổi 94 4.2.3 Giải pháp cho tốn có số lượng host lớn 95 4.2.4 Sơ đồ khối thực giải thuật 95 4.2.5 Hoạt động .98 4.2.6 Mô NS-2 .98 Chương 5: SO SÁNH DXCAST VÀ DXCAST* 101 5.1 So sánh ngắn gọn giao thức DXCAST* với số giao thức 101 5.1.1 So sánh DXCAST* với IP Multicast 101 5.1.2 So sánh DXCAST* với Xcast Treemap 101 5.1.3 So sánh DXCAST* với DXCAST 101 5.2 So sánh DXCAST* DXCAST 102 5.2.1 Định nghĩa metric đo đạc 102 5.2.2 Phương pháp đo đạc 105 Chương 6: KẾT LUẬN 109 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Treemap bitmap tương ứng với node hình 3.1 25 Bảng 3.2: Treemap root A subroot G, I định tuyến Hình 3.8 34 Bảng 5.1: Bảng link stress trung bình DXCAST DXCAST* 106 Bảng 5.2: Đồ thị so sánh link stress trung bình DXCAST DXCAST* 106 Bảng 5.3: Bảng path length giao thức DXCAST DXCAST* 107 Bảng 5.4: Đồ thị so sánh path length DXCAST DXCAST* 107 Bảng 5.5: Đồ thị so sánh thời gian hội tụ mạng DXCAST DXCAST* 108 Bảng 5.6: Bảng thời gian hội tụ mạng DXCAST DXCAST* 108 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1: Hoạt động Unicast 19 Hình 2.2: Hoạt động IP Multicast 21 Hình 2.3: Hoạt động ALM 22 Hình 3.1: Sơ đồ định tuyến Xcast6 Treemap 24 Hình 3.2: Sơ đồ khối giải thuật thực hàm sendmsg () 26 Hình 3.3: Sơ đồ khối thực code setTreemap 27 Hình 3.4: Sơ đồ khối thực hàm setbitmap() 28 Hình 3.5: Sơ đồ khối thực hàm receive() 29 Hình 3.6: Mơ hình hoạt động giao thức Xcast6 Treemap 30 Hình 3.7: Sơ đồ khối thực DXcast hàm receive() 32 Hình 3.8: Sơ đồ định tuyến Dxcast 33 Hình 4.1: Sơ đồ định tuyến DXCAST 37 Hình 4.2: Sơ dồ định tuyến DXCAST sau chọn host 14 làm subroot 38 Hình 4.3: Sơ đồ định tuyến DXCAST sau chọn thêm host làm subroot 39 Hình 4.4: Sơ đồ định tuyến DXCAST cho trường hợp host 18 muốn gia nhập vào hệ thống 41 Hình 4.5: Sơ đồ định tuyến DXCAST cho bước trình gia nhập host 42 Hình 4.6: Sơ đồ định tuyến cho bước thứ hai trình gia nhập host 43 Hình 4.7: Host 18 chọn subroot 14 để gia nhập 44 Hình 4.8: Sơ đồ định tuyến cho bước cuối trình gia nhập host 45 Hình 4.10: Root truy cập hệ thống để lấy danh sách nội dung subroot 48 Hình 4.11: Thơng tin root có sau truy cập danh sách host mà quản lý 49 Hình 4.12: Quy trình host 16 muốn khỏi hệ thống root 50 98 4.2.5 Hoạt động Quá trình hoạt động giao thức DXCAST* khác giao thức DXCAST phần chọn subroot Và phần miêu tả phần 4.2.1 4.2.6 Mô NS-2 Thời điểm 0.0 hệ thống bao gồm host Hình 4.56 Hình 4.56: Sơ đồ định tuyến DXCAST Đến thời điểm 0.05, hệ thống vào hoạt động Lúc mơ hình vật lý có nhiều node root truyền liệu cho host1 Điều thể hình 4.57 99 Hình 4.57: Tại thời điểm 0.053900 source truyền liệu cho host Giả sử đến thời điểm 0.06 có 23 host có địa từ 2->24 gia nhập hệ thống root Hình 4.58 Hình 4.58: Sau thời điểm 0.15, host tồn mơ hình truyền liệu 100 Khi nhận tín hiệu gia nhập, root xây dựng lại hệ thống subroot sau: Subroot Subroot Giả sử đến thời điểm 0.16 có host 17, 15, muốn khỏi hệ thống Root cập nhật lại treemap subroot Hình 4.51 Hình 4.59: Sơ đồ định tuyến thời điểm 0.16 Tuy nhiên, phải đến thời điểm 0.25 ta thấy thay đổi diễn subroot “3” Hình 4.59 Hình 4.60: Host lúc trở thành subroot 101 Chương 5: SO SÁNH DXCAST VÀ DXCAST* 5.1 So sánh ngắn gọn giao thức DXCAST* với số giao thức 5.1.1 So sánh DXCAST* với IP Multicast Tất router cần nâng cấp để sử dụng IP Multicast, DXCAST* cho phép triển khai lâu dài nhờ khả hỗ trợ ALM khơng có Xcast router Đối với IP Multicast, router phải lưu bảng trạng thái cho nhóm multicast nên khơng linh hoạt với số lượng nhóm nhiều Đối với DXCAST*, router không cần lưu bảng trạng thái cho nhóm, thích ứng linh hoạt với số lượng lớn nhóm multicast 5.1.2 So sánh DXCAST* với Xcast Treemap Về mặt số lượng host hệ thống, Xcast Treemap có khả hỗ trợ 16 host Trong đó, giao thức DXCAST*, nâng cấp từ giao thức DXCAST tĩnh có khả hỗ trợ lên đến vài nghìn host hệ thống Ngồi ra, DXCAST tĩnh giao thức phát triển từ giao thức Xcast Treemap, nên giao thức DXCAST* kế thừa trọn vẹn ưu điểm giao thức Xcast Treemap 5.1.3 So sánh DXCAST* với DXCAST Điểm khác giao thức DXCAST* giao thức DXCAST kỹ thuật chọn subroot Nếu ưu tiên việc giảm thiểu tác hại lan truyền hệ thống, nên chọn giao thức DXCAST Điều hệ thống hoạt động dựa giao thức DXCAST thường có nhiều subroot Và subroot ngang hàng khơng ảnh hưởng đến q trình truyền nhận liệu Do vậy, host subroot bị ngưng hoạt động, host subroot ngang hàng cịn lại hoạt động bình thường 102 Nếu ưu tiên thông số mạng hệ thống, nên chọn cách tiếp cận giao thức DXCAST* Khác với giao thức DXCAST, giao thức DXCAST* khơng phải trải qua q trình thử sai để chọn subroot Subroot giao thức DXCAST* chọn thơng qua q trình tính tốn nên danh sách subroot hệ thống DXCAST* thường Kết quả: thời gian hội tụ mạng giao thức DXCAST* nhanh 5.2 So sánh DXCAST* DXCAST 5.2.1 Định nghĩa metric đo đạc  Link stress: link stress liên kết (link) số packet giống gửi giao thức qua liên kết Đối với multicast lớp mạng (network layer multicast), khơng có nhân packet dư thừa nên link stress  Link stretch: Thông số định nghĩa host nhận liệu tính tỉ số chiều dài đường từ nguồn (source) tới host đích theo overlay chiều dài đường từ nguồn đến host đích theo cách truyền unicast Theo định nghĩa này, link stretch unicast IP multicast  Path length: path length host số link số hop mà packet truyền từ nguồn đến host trải qua  Thời gian hội tụ mạng: Thơng số tính tổng thời gian mà hệ thống xây dựng danh sách temptree có host muốn gia nhập Để hiểu rõ metric link stress link stretch, ta quan sát ví dụ minh họa host source A truyền liệu cho host đích B, C, D theo cách khác : 103  Hình 5.1: sử dụng IP multicast, khơng có nhân packet host, liên kết truyền packet truyền theo đường unicast sử dụng nên link stress link stretch Hình 5.1: Network Layer Multicast  Hình 5.2: source A sử dụng unicast truyền packet đến host B,C,D, link stress ứng với host đích 1, link (A,1) có stress 3, liên kết tham gia truyền packet khác có stress Trong trường hợp tổng quát cần truyền liệu cho nhóm gồm N thành viên, sử dụng cách truyền unicast link stress cực đại N host nguồn link stretch host đích Hình 5.2: Application Layer Multicast(1) 104  Hình 5.3: biểu diễn overlay ứng với multicast vịng (ring multicast).B có stretch 1, stretch C = 6/4 = 1.5, stretch D = 9/3 = Stress link Trong trường hợp tổng quát, sử dụng “ring multicast” để truyền liệu cho N host đích link stress link link stretch cực đại N Hình 5.3: Application Layer Multicast (2)  Hình 5.4: biểu diễn overlay trung gian overlay hình B có stretch 3/3 = 1, C có stretch 6/4 = 1.5, D có stretch 3/3 = Link (A,1) có stress 2, link khác có stress Hình 5.4: Application Layer Multicast (3) 105 Ở đây, ta sử dụng số link để tính tốn metric path length Trong hình 5.1, path length host B 3, host C 4, host D Trong hình 5.2, host B, C, D có path length 3, 4, Trong hình 5.3 3, 6, hình 3, 6, 5.2.2 Phương pháp đo đạc Để thể tính linh hoạt mơ hình DXCAST động, tơi xây dựng mơ hình cách thêm xây dựng treemap tự động Ứng với số lượng host mơ hình, tơi dùng thuật tốn phát sinh treemap theo chiều rộng, treemap theo chiều sâu Với mơ hình động thu được, cho chạy hai giao thức DXCAST DXCAST* Mỗi lần chạy giao thức DXCAST DXCAST* mơ hình, tơi tiến hành đo thơng số: link stress, path length thời gian hội tụ mạng Số liệu dùng để tham chiếu tính trung bình cộng kết đo đạc từ 10 mơ hình ứng với số lượng host cụ thể Kết thu từ mô mô hình mạng với số lượng router biến thiên dựa số lượng host hệ thống Mỗi router cho phép tối đa gắn tối đa node Các router lựa chọn ngẫu nhiên kết nối với host Số lượng host biến thiên từ 30 đến 120 host Sau tiến hành đo đạc, ta rút kết luận: Nếu có host gửi tín hiệu muốn gia nhập hệ thống thời điểm, tham số thời gian hội tụ mạng gần Nếu có nhiều 16 host gửi tín hiệu muốn gia nhập hệ thống thời điểm, chênh lệch thông số thời gian hội tụ mạng giao thức DXCAST DXCAST* bắt đầu xuất Với mơ hình có số lượng host muốn gia nhập hệ thống ( 30), chênh lệch thông số thời gian hội tụ mạng giao thức DXCAST DXCAST* tăng dần 106 Ngồi thơng số thời gian hội tụ mạng, thơng số cịn lại link stress path length giao thức DXCAST* tốt giao thức DXCAST Bảng 5.1: Bảng link stress trung bình DXCAST DXCAST* Host DXCAST DXCAST* 30 1.67027027 1.6546944 40 1.677595386 1.667346939 50 1.65483871 1.62424643 60 1.670094092 1.63769373 70 1.675218122 1.651603111 80 1.725679163 1.695954106 90 1.722899826 1.661595641 100 1.720887861 1.717144281 110 1.713922809 1.713320346 120 1.727016465 1.752640898 Bảng 5.2: Đồ thị so sánh link stress trung bình DXCAST DXCAST* 107 Bảng 5.3: Bảng path length giao thức DXCAST* DXCAST Host DXCAST DXCAST* 30 14.46206897 14.24572158 40 17.47823978 17.57179487 50 20.3877551 20.28358844 60 22.43008962 22.28223982 70 25.14663515 24.20301756 80 25.69085827 26.66350251 90 29.81496417 22.11764781 100 33.72610076 22.5116933 110 38.53559244 22.92838269 120 37.85077647 23.23791743 Bảng 5.4: Đồ thị so sánh path length DXCAST DXCAST* 108 Bảng 5.5: Đồ thị so sánh thời gian hội tụ mạng DXCAST DXCAST* 109 Bảng 5.6: Bảng thời gian hội tụ mạng DXCAST DXCAST* Host DXCAST DXCAST* 30 8.93 40 8.957 50 13.88 60 14.463 70 12.664 80 17.179 0.003 90 23.251 0.004 100 22.358 0.004 110 22.808 0.005 120 33.603 0.002 Chương 6: KẾT LUẬN Giao thức DXCAST gặp số hạn chế triển khai số ứng dụng thực tế; luận văn đề xuất giao thức DXCAST* bước tiến nỗ lực cải thiện hiệu suất giao thức DXCAST triển khai ứng dụng thực tế e-learning 110 Trong ứng dụng e-learning, số lượng host thường lớn có nhiều host gia nhập hệ thống trước lớp học bắt đầu Do không thực việc phân nhóm, hay chọn subroot theo phương pháp thử sai nên trình hỗ trợ việc gia nhập số lượng lớn host thời điểm giao thức DXCAST* tốt (gần 0) Và điều khẳng định qua thông số đo đạc cụ thể mô hình từ 25->120 hosts Do giao thức DXCAST* phát triển từ giao thức Xcast Treemap, nên ưu điểm kế thừa được, cịn triển khai mơ hình với số lượng host lớn Và với cách chọn subroot phiên này, giao thức DXCAST* đưa tương lai đầy hứa hẹn triển khai ứng dụng e-learning thực tế 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu tiếng Việt: [1] Trần Ngọc Cường, Huỳnh Thị Thanh Trang, Computer Science Faculty, HCM University of Technology, “Xây dựng mơ hình mạng Internet triển khai giao thức XCAST Treemap NS-2”, 2011  Tài liệu tiếng Anh: [1] Khoa T P, Nam Thoai, HCMUT, E Muramoto, K Ettikan, Panasonic “XCAST treemap: An extension of XCAST 6”, Internet Draft, 2009 [2] R Boivie, N Feldman, IBM, Y Imai, WIDE / Fujitsu, W Livens, ESCAUX, D.Ooms, “Explicit Multicast (XCAST) Concepts and Options”, RFC 5058, 2007 [3] Suman Banerjee, Bobby Bhattacharjee, Department of Computer Science, University of Maryland, College Park, MD 20742, “A Comparative Study of Application Layer Multicast Protocol” [4] Y.-H Chu, S G Rao, S Seshan, and H Zhang, “Enabling ConferencingApplications on the Internet using an Overlay Multicast Architecture” In Proceedings of ACM SIGCOMM, August 2001 [5] Y.-H Chu, S G Rao, and H Zhang, “A Case for End System Multicast” In Proceedings of ACM SIGMETRICS, June 2000 [6] P Francis, “Yoid: Extending the Multicast Internet Architecture” , 1999 White paper http://www.aciri.org/yoid/ [7] B Zhang, S Jamin, and L Zhang, “Host multicast: A framework for delivering multicast to end users” In Proceedings of IEEE Infocom, June 2002 [8] S Banerjee, B Bhattacharjee, and C Kommareddy, “Scalable application layer multicast” In Proceedings of ACM Sigcomm, Au-gust 2002 [9] S Ratnasamy, P Francis, M Handley, R Karp, and S Shenker, “A scalable content-addressable network” In Proceedings of ACM Sigcomm, August 2001 112 [10] M Castro, P Druschel, A-M Kermarrec, and A Rowstron, “SCRIBE: A largescale and decentralized application-level multicast infrastructure” IEEE Journal on Selected Areas in communications (JSAC), 2002 [11] Phan, T.K., Thoai, N., Muramoto, E., Lim, B.P., Ettikan, K.K., and Tan, P.Y “Treemap - The Fast Routing Convergence Method for Application Layer Multicast”, 7th Annual IEEE Consumer Communication & Networking Conference CCNC2010 , ISBN: 978-1-4244-5175-3, Las Vegas, Nevada, US (January 2010), pp 446-450 [12] Lim, B P., Ettikank, K.K., Lin, E S., Khoa, T P., Thoai, N., Muramoto, E and Tan, P Y “Bandwidth Fair Application Layer Multicast for Multi-Party Video Conference Application”, 6th Annual IEEE Consumer Communication Networking Conference, Las Vegas, Nevada, US, January 2009, pp 1-5 & ... tính……………… MSHV: 00708201……………… I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN DXCAST? ??…………………………… NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ đề tài cải tiến giao thức DXCAST hướng đến thích ứng với ứng dụng thực tiễn... văn có u cầu cải tiến giao thức DXCAST sẵn có với giao thức DXCAST phù hợp ứng dụng video streaming như: IP TV, e-learning… Sau trình nghiên cứu thực, xây dựng giao thức DXCAST* cải thiện đáng... bình DXCAST DXCAST* 106 Bảng 5.2: Đồ thị so sánh link stress trung bình DXCAST DXCAST* 106 Bảng 5.3: Bảng path length giao thức DXCAST DXCAST* 107 Bảng 5.4: Đồ thị so sánh path length DXCAST