MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KÊNH TRUYỀN CỦA MÔ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Đề tài: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KÊNH TRUYỀN CỦA MƠ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Quang Vinh Sinh viên thực Lê Thị Vân Nông Thị Oanh Phạm Thị Lưu Đào Việt Hùng Nhóm 20182881 20182717 20182672 20172591 Trần Thành Ngọc 20182791 Hà Nội, 12-2021 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính khơng ngừng tăng lên số lượng ứng dụng, đặc biệt phát triển hệ thống mạng máy tính, kết nối máy tính lại với thơng qua mơi trường truyền tin để chia sẻ tài nguyên mạng góp phần làm tăng hiệu ứng dụng tất lĩnh vực khoa học kỹ thuật, kinh tế, qn sự, văn hố Từ đó, Mạng máy tính trở thành lĩnh vực nghiên cứu, phát triển quan trọng bảo đảm truyền tin đáng tin cậy, xác, phù hợp tốc độ đảm bảo an tồn thơng tin mạng Việc trao đổi thơng tin, cho dù đơn giản nhất, phải tuân theo quy tắc định Việc truyền tín hiệu mạng cần phải có quy tắc, quy ước nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) liệu thủ tục gửi, nhận liệu, kiểm soát hiệu quả, chất lượng truyền tin xử lý lỗi Yêu cầu xử lý trao đổi thông tin người sử dụng cao quy tắc nhiều phức tạp hơn.Tập hợp tất quy tắc, quy ước gọi giao thức (Protocol) mạng Trong nội dung mơn học, nhóm sinh viên chúng em giao đề tài “Lập trình mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu sử dụng kênh truyền điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao.” Có thể nói, mơ hình mạng ALOHA phương pháp để giải toán cấp phát kênh truyền nghiên cứu xây dựng từ sớm Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo TS Trần Quang Vình bảo, góp ý, bổ sung, hướngdẫn tận tình để nhóm hồn thành tập Do kinh nghiệm khả có hạn nên chắn kết nhóm đạt cịn nhiều hạn chế thiếu sót Nhóm mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên Nhóm xin chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC Contents DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .2 DANH MỤC HÌNH ẢNH .3 DANH MỤC BẢNG BIẾU .4 CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ MƠ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA .5 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Cơ chế hoạt động 1.2.1 Mơ hình mạng ALOHA 1.2.2 Mơ hình mạng Slotted ALOHA .8 1.3 Ưu nhược điểm giao thức Slotted ALOHA CHƯƠNG MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MƠ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA 10 2.1 Mơ mơ hình mạng Slotted ALOHA 10 2.1.1 Sơ đồ thuật toán 10 2.1.2 Mô Matlab 14 2.2 Đánh giá hiệu sử dụng kênh truyền 17 KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Từ gốc Ý nghĩa TCP/IP Internet protocol suite Bộ giao thức liên kết mạng OSI Open systems interconnection reference model Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở MAC Meida access control Điều khiển truy nhập môi trường LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia thời gian FDMA Frequency division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSMA Carier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận song mang DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình : Giao thức ALOHA Hình : Giao thức Slotted ALOHA Hình 3: Sơ đồ mơ hình mạng trường hợp trạm hữu hạn 10 Hình 4: Sơ đồ thời gian .12 Hình 5: Thơng lượng trung bình ALOHA có rãnh trạm vơ hạn 13 Hình 6: Xác suất va chạm ALOHA có rãnh vơ hạn trạm vơ hạn .14 Hình 7: Thơng lượng trung bình ALOHA có rãnh trạm hữu hạn 15 Hình 8: Xác suất va chạm ALOHA có rãnh vô hạn trạm hữu hạn 15 DANH MỤC BẢNG BIẾU Bảng 1: Các thông số I/P trạm vô hạn Bảng 2: Cấu trúc liệu biến Bảng 3: Các thông số I/P trạm hữu hạn 11 Bảng 4: Cấu trúc liệu biến 11 CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ MƠ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA 1.1 Lịch sử phát triển Trong mạng máy tính mạng viễn thơng, lớp liên kết liệu (lớp mơ hình TCP/IP OSI) chịu trách nhiệm truyền tải liệu thực thể mạng, phát khôi phục lỗi xảy lớp vật lý Lớp liên kết liệu chia thành hai phân lớp con: lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC lớp điều khiển logic liên kết LLC Lớp MAC cung cấp chức địa phương pháp truy nhập kênh LLC cung cấp chức đồng kênh kiểm tra lỗi Giao thức đa truy nhập thủ tục truy nhập kênh cho thiết bị đầu cuốicùng chia sẻ phương tiện truyền dẫn thực lớp MAC Các giao thức đa truy nhập phân chia thành hai nhánh lớn:(không tranh chấp) giao thức dự phòng kênh giao thức truy nhập ngẫu nhiên (dựa tranh chấp) Mục tiêu giao thức dự phịng kênh để tránh hồn toàn xung đột yêu cầu truy nhập phương tiện Vì vậy, giao thức dự phịng kênh, nguồn tài nguyên kênh định cho yêu cầu truy nhập để đảm bảo truyền dẫn thành công Cơ chế định tài nguyên kênh thường dựa ba kiểu gồm: đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên không đảm bảo truyền dẫn thành công hoạt động nguyên tắc tranh chấp chế điều khiển phân tán Một xung đột xảy hai nút phát gói tin vùng tranh chấp khởi tạo truyền dẫn đồng thời, dẫn tới tượng nút thu khơng thể nhận thơng tin xác Vì để tránh xung đột, nút sử dụng chế lập lịch sở thời gian ngẫu nhiên cho lần truyền dẫn lại gói tin Thuật toán truyền dẫn lại thể chất khác biệt giao thức đa truy nhập ngẫu nhiên Một số giao thức truy nhập ngẫu nhiên phổ biến ALOHA, đa truy nhập cảm nhận song mang CSMA (Carier Sense Multiple Access), đa truy nhập cảm nhận sóng mang dị tìm xung đột CSMA/CD (CSMA/Collision Detection) đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance) Vào năm 1970, Norman Abramson đồng Đại học Hawaii phát minh phương pháp để giải toán cấp phát kênh truyền Đó giao thức ALOHA Trong hệ thống ALOHA, trạm phát có liệu, liệu gửi đường truyền Vì thế, có trạm gửi liệu thời điểm,sẽ xảy xung đột, làm gói tin Năm 1972, Robert phát triển giao thức Slotted ALOHA, cách chia thời gian truyền thành khe thời gian nhỏ, gói tin gửi đầu khe thời gian, nhằm làm giảm xung đột so với giao thức ALOHA ban đầu 1.2 Cơ chế hoạt động 1.2.1 Mơ hình mạng ALOHA 1.2.1.1 Cơ chế hoạt động Hình : Giao thức ALOHA Pure ALOHA giao thức truy cập ngẫu nhiên (Random Access Protocol) sử dụng lớp Data Link, trạm đầu cuối truy cập để truyền gói chúng muốn Giao thức đề xuất đại học Hawaii năm 1970 Trong trường hợp này, tất trạm đầu cuối truy cập không bận tâm liệu kênh truyền bận hay khơng Giao thức khơng có chế kiểm tra trạng thái kênh truyền, khơng có chế phát gói va chạm, việc phát lại phụ thuộc vào giao thức bậc cao (lớp host-to-host) Giao thức Pure ALOHA biểu diễn hình 1.2.1.2 Đánh giá hiệu Nếu chiều dài gói tin L (bits), dung lượng kênh truyền C (bits/s) thời gian phục vụ gói là: t s= L C Tại thời điểm t 0,trạm i phát gói tin pi lên kênh truyền T x khoảng thời gian nhạy cảm, khoảng thời gian trạm khác truy nhập kênh va đập xảy Gọi λ tốc độ đến trung bình trạm Số lần truy nhập kênh trung bình G (tải đầu vào) cho sau: G= λ t s Để gói tin phát trạm thời điểm t truyền thành công, trạm khác khơng truyền gói tin thời gian từ t 0−t s đến t 0+ t s Như khoảng thời gian nhạy cảm là: T x =2 t s Trong Pure ALOHA, gói phát trạm truyền Do đó, xác suất truyền thành cơng gói tin Psucc xác suất khơng có trạm khác gửi gói tin khoảng t s (λ t s)0 e− λ2 t −2 λ t −2 G =e =e 0! s P≻¿ P0 ( t s ) = s Gọi S số lần truy nhập thành cơng trung bình khoảng thời gian t s S thơng lượng hệ thống S=G P¿ =G e−2G Hàm số S(G) đạt cực đại G=0.5, S=0.5e−1≈0.184 1.2.2 Mơ hình mạng Slotted ALOHA 1.2.2.1 Cơ chế hoạt động Hình : Giao thức Slotted ALOHA Giao thức đa truy nhập đơn giản slotted ALOHA Giao thức sử dụng chế truyền đồng khe thời gian phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA nút truyền gói thời điểm bắt đầu khe thời gian Do khoảng thời gian tổn thương trường hợp T thay 2T giao thức ALOHA nên hiệu đỉnh slotted ALOHA tăng gấp lần Gọi p xác suất gửi (0≤ p ≤ 1¿ Hoạt động slotted ALOHA trạm sau: - Khi có gói tin cần gửi , trạm đợi đến thời điểm đầu khoảng thời gian gửi tồn gói tin khoảng thời gian - Nếu không xảy xung đột, trạm truyền thành công gói tin khơng cần thiết phải truyền lại - Nếu có xung đột, trạm phát xung đột khoảng thời gian truyền lại gói tin khoảng thời gian với xác suất p gói tin truyền thành công Truyền lại với xác suất p giống việc tung đồng xu: biến cố mặt ngửa ứng với việc truyền lại xảy với xác suất p Biến cố mặt sấp ứng với việc “ bỏ qua thời gian tung lại đồng xu khoảng thời gian kế tiếp” xảy với xác suất (1-p) Mỗi nút liên quan đến xung đột tung đồng xu độc lập với 1.2.2.2 Đánh giá hiệu Giả định sau: - Chiều dài gói tin L bit - Kênh truyền có dung lượng C (bit/s) t s= Thời gian phục vụ gói tin L C - Nút bắt đầu truyền gói tin đầu khe thời gian - Tất trạm đồng hóa cho trạm xác định đầu khoảng thời gian - Nếu có nhiều gói tin xung đột khoảng thời gian tất trạm phát sư kiên xung đột khoảng thời gian Giả sử thời điểm t 0, gói pi trạm i truy nhập kênh Vậy khoảng thời gian T x =t s , có gói khác truy nhập kênh xảy xung đột Gọi G số lần truy nhập kênh khoảng thời gian t s G= λ t s Xác suất truyền thành công gói tin P¿ xác suất khơng có trạm khác gửi gói tin khoảng thời gian t s (λ t s )0 e−λ t −λ t −G P¿ =P0 ( t s )= =e =e 0! s s S số lần truy nhập thành công thời gian t s S=G P¿ =G e−G Hàm số S(G) đạt cực đại G=1, S=e−1≈0.368 1.3 Ưu nhược điểm giao thức Slotted ALOHA  Ưu điểm : - Đơn giản - Trạm tích cực (trạm có nhu cầu gửi dư liệu) liên tục gửi gói tin với tốc độ cao kênh truyền - Slotted ALOHA thuật toán phân tán nên trạm phát xung đột định truyền lại cách độc lâp  Nhược điểm: - Các trạm phải đồng thời gian - Hiệu suất thấp, nhiều xung đột - Lãng phí thời gian slot rỗi CHƯƠNG MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MƠ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA 2.1 Mơ mơ hình mạng Slotted ALOHA 2.1.1 Sơ đồ thuật tốn 2.1.1.1 Trạm vơ hạn I/P Parameters Value M : # số STA M→∞ T : # chu kỳ truy cập 105 λ: tốc độ gói [0:0.2:18] Bảng 1: Các thơng số I/P trạm vơ hạn  Cấu trúc liệu biến Variable Meaning Variable Range R số ngẫu nhiên tạo từ phân phối poisson với giá trị trung bình λ, đại diện cho số lượng gói gửi khoảng thời gian ID chu kỳ / thời gian truy cập số lần truyền thành công số lần truyền không thành công Integer 0~∞ Integer Integer Integer 1~T ~ ∞ 0 ~ ∞ t success_pckt collision_pckt Bảng 2: Cấu trúc liệu biến Hình 3: Sơ đồ mơ mơ hình mạng trường hợp trạm hữu hạn Quy trình mơ :  Bắt đầu, định nghĩa khởi tạo biến - lambda = - success_pkt = : số lần truyền thành công - collision_pckt = : số lần truyền không thành công - t = : thời gian truy cập  Tạo số ngẫu nhiên từ phân phối Poisson với giá trị trung bình gán cho R, R đại diện cho số lượng gói gửi khoảng thời gian  Khi R =1 tức gói tin truyền thành cơng, inc success_pkt : tăng số lần truyền thành công lên Khi R > 1, tức xảy va chạm, inc collision_pckt : tăng số lần truyền không thành công lên  Khi thời gian truy cập gói tin chu kỳ, tính tốn throughput collision_prob với λ  Khi tốc gói đạt đến 18 hiển thị đồ thị với Y : throughput, X: lambda khơng cộng thêm 0.2 quay trở lại vịng lặp 2.1.1.2 Trạm hữu hạn I/P Parameters Value M : # số tram STAs 10,50 T : # chu kỳ truy cập 105 λ: tốc độ gói [0 : 0.2 : 8] Bảng 3: Các thông số I/P trạm hữu hạn Variable Meaning Data Type Range Gi xác suất trạm i cố gắng truyền tải Số ngẫu nhiên tạo từ phân phối đồng ID trạm ID chu kỳ / thời gian truy cập số lượng gói truyền khe t số lần truyền thành công số lần truyền không thành công float 0~1 float 0~1 integer integer integer 1~M 1~T 0 ~ M integer integer 0 ~ ∞ 0 ~ ∞ Pr m t pcktThisSlot success_pckt collision_pckt Bảng 4: Cấu trúc liệu biến Sơ đồ khe thời gian Hình 4: Sơ đồ thời gian  Trong khe thời gian, trạm truyền gói tin với xác suất Q trình truyền thành cơng xảy có trạm truyền gói tin  Đầu vào từ trạm mơ hình hóa thành chuỗi các Thử nghiệm Bernoulli độc lập  Không có thời gian chờ, gói tin va chạm truyền lại khoảng thời gian tương lai, dựa tính tốn xác suất trạm và thử nghiệm bernoulli (cái gọi thingking state) Quy trình mơ :  Bắt đầu định nghĩa khởi tạo biến - lambda = - success_pckt = - collsion_pckt =  Trong chu kỳ pcktThisslot = , trạm đầu tiên, số ngẫu nhiên tạo theo phân phối đồng gán cho Pr  Nếu Pr