4.3.3 Các thí nghiệm mơ phỏng và kết quả
4.3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước cửa sổ đến hiệu suất TCP
Thí nghiệm đầu tiên chúng tơi thực hiện nhằm nghiên cứu ảnh hƣởng của kích thƣớc cửa sổ phát đến hiệu suất sử dụng đƣờng truyền vệ tinh, đã đƣợc trình bày ở mục 1.2.2.
Để giá trị ban đầu của cửa sổ phát ít ảnh hƣởng đến kết quả (mục tiêu của các thí nghiệm này là nghiên cứu ảnh hƣởng của kích thƣớc cửa sổ tối đa), chúng tôi chọn thời gian mô phỏng bằng 100 lần thời gian cần thiết để cửa sổ tăng đến giá trị có thể “đổ đầy đƣờng ống”.
VINASAT-1 (kinh độ: 1320 E) TCP UDP 1.544Mbps 127ms 1.544Mbps 127ms FTP CBR TCP UDP Trạm Hà Nội (kinh độ: 1050 50’E vĩ độ: 210 02’N) Trạm TP Hồ Chí Minh (kinh độ: 1060 40’E vĩ độ: 100 46’ N)
Trong các thí nghiệm mơ phỏng này, chúng tôi sẽ lần lƣợt sử dụng các phiên bản Tahoe, Reno, New-Reno và SACK TCP; ứng với từng trƣờng hợp, cửa sổ phát nhận các giá trị 32KB, 64KB, 128KB, 256KB.
Để dễ phân tích, trong thí nghiệm mô phỏng này, không đƣa mơ hình sinh lỗi vào đƣờng truyền, coi đƣờng truyền vệ tinh là khơng có lỗi.
Sau khi thực hiện mơ phỏng, chúng tơi phân tích tệp vết để khảo sát ảnh hƣởng của kích thƣớc cửa sổ phát của các thực thể TCP lên hệ số sử dụng đƣờng truyền (tỉ số giữa thông lƣợng và dung lƣợng kênh) và độ trễ end-to-end trung bình của các gói tin. Kết quả nhận đƣợc đƣợc biểu diễn bằng đồ thị trên các hình 4.7 và hình 4.8. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 32 64 100 128 256 Kích thƣớc cửa sổ phát (KB) H ệ s ố s ử d ụ n g đ ƣ ờ n g t ru yề n Reno Tahoe Newreno Sack
Hình 4.7 Hệ số sử dụng đƣờng truyền của các phiên bản TCP khác nhau, kích thƣớc cửa sổ phát thay đổi từ 32KB tới 256 KB, đƣờng truyền không lỗi.
Với đƣờng truyền T1 (1.544Mbps) trong trƣờng hợp đƣờng truyền không lỗi, khi tăng dần kích thƣớc cửa sổ thì thơng lƣợng cũng tăng theo. Khi kích
thƣớc của sổ tăng tới giá trị 100.79KB, bằng tích số của băng thơng và độ trễ tồn phần (1.544Mbps * 510ms = 100.79KB), thì thơng lƣợng đƣờng truyền đạt giá trị cao nhất. Sau đó nếu tiếp tục tăng kích thƣớc cửa sổ phát thì thơng lƣợng đƣờng truyền khơng tăng nữa (hình 4.7).
Trong thí nghiệm này với giả thiết là đƣờng truyền khơng lỗi, lúc kích thƣớc cửa sổ nhỏ, các phiên bản TCP đều có hiệu suất sử dụng đƣờng truyền nhƣ nhau.
Khi cửa sổ phát đƣợc mở tới giá trị bằng tính của băng thơng và độ trễ tồn phần, tức là trong một lần phát, thực thể TCP phát đã đƣa vào đƣờng truyền một lƣợng dữ liệu đúng bằng năng lực vận chuyển của đƣờng truyền. Do đó, nếu tiếp tục tăng kích thƣớc cửa sổ phát, hiện tƣợng tắc nghẽn bắt đầu xẩy ra, thông lƣợng đƣờng truyền không tăng thêm mà sẽ suy giảm.
Trong thí nghiệm này, vì đƣờng truyền khơng lỗi nên các phiên bản TCP hoạt động với hiệu suất gần nhƣ nhau.
200 250 300 350 400 450 500 550 600 32 64 100 128 256 Kích thƣớc cửa sổ phát (KB) Đ ộ tr ễ tr un g bì nh (m s) Reno Tahoe Sack Newreno
Hình 4.8: Độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác nhau, kích thƣớc cửa sổ phát thay đổi từ 32KB tới 256 KB, đƣờng truyền khơng lỗi.
Sử dụng kích thƣớc cửa sổ phát nhỏ, độ trễ một chiều của các gói tin ổn định ở mức 250ms. Tăng dần kích thƣớc cửa sổ phát, độ trễ gia tăng nhanh chóng và có thể đạt tới 550ms (một chiều).
4.3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của lỗi đường truyền đến hiệu suất TCP
Đối với TCP nói chung, việc mất gói tin đƣợc coi là dấu hiệu của tắc nghẽn và các thực thể gửi sẽ phản ứng lại bằng cách giảm lƣu lƣợng đƣa vào mạng; mức độ phản ứng của các phiên bản TCP là khác nhau.
Tuy nhiên với đƣờng truyền vệ tinh, việc mất gói tin chủ yếu là do lỗi đƣờng truyền (nhƣ đã trình bày ở mục 1.2), vì vậy phản ứng giảm lƣu lƣợng khi có sự mất gói tin nói chung là sai lầm, làm giảm hiệu suất sử dụng đƣờng truyền vệ tính. Riêng SACK TCP có thực hiện cơ chế biên nhận có chọn lọc, nên có thể tránh đƣợc sai lầm nêu trên.
Để nghiên cứu và đánh giá một cách định lƣợng ảnh hƣởng của lỗi đƣờng truyền đến hiệu suất của TCP, chúng tơi sẽ thực hiện các thí nghiệm mơ phỏng với mơ hình lỗi. Các mơ hình lỗi phổ biến hiện nay là mơ hình lỗi đồng đều (Uniform Error Model), mơ hình lỗi Markov hai trạng thái (Two-state Markov Error Model) và mơ hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến (Improved Two- state Markov Error Model). Trong các mơ hình lỗi trên, mơ hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến phản ánh chính xác hơn đặc tính lỗi của đƣờng truyền không dây trong thực tế [3], [7], [9].
Trong thí nghiệm mơ phỏng này, sử dụng mơ hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến với các giá trị cụ thể nhƣ sau [9]:
Ở trạng thái đƣờng truyền tốt (Good), tốc độ đến trung bình của gói tin bị lỗi λG= 664, độ dài trung bình của trạng thái tốt TG=2.64s.
Ở trạng thái đƣờng truyền xấu (Bad), tốc độ đến trung bình của gói tin bị lỗi λB= 10.4, độ dài trung bình của trạng thái xấu TB đƣợc thay đổi trong khoảng từ 0.00s đến 0.20s.
Trong thí nghiệm này, chúng tơi thay đổi TB để nghiên cứu ảnh hƣởng của độ dài đƣờng truyền xấu tới hiệu năng của TCP. Lần lƣợt sử dụng các phiên bản Tahoe, Reno, New-Reno và SACK TCP; cửa sổ phát (tối đa) chọn cố định bằng giá trị tối ƣu nhận đƣợc từ thí nghiệm 1 (100.79KB). Trạm Hà Nội sử dụng FTP để phát gói tin có kích thƣớc 1000byte tới trạm TP Hồ Chí Minh.
Sau khi thực hiện mơ phỏng, chúng tơi phân tích tệp vết để khảo sát ảnh hƣởng của tỉ suất lỗi của đƣờng truyền vệ tinh lên hệ số sử dụng đƣờng truyền (tỉ số giữa thông lƣợng và dung lƣợng kênh). Kết quả nhận đƣợc đƣợc biểu diễn bằng đồ thị trên các hình 4.9. 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
Độ dài của trạng thái đƣờng truyền xấu (s)
H ệ s ố s ử d ụ n g đ ƣ ờ n g t ru yề n Reno Tahoe Newreno Sack
Hình 4.9 Hệ số sử dụng đƣờng truyền của các phiên bản TCP khác, đƣờng truyền có lỗi (mơ hình lỗi Markov).
Hiệu suất sử dụng đƣờng truyền giảm đi rõ rệt khi tỉ suất lỗi đƣờng truyền tăng lên. Tùy theo thuật toán xử lý lỗi mà các phiên bản TCP có hiệu suất sử dụng đƣờng truyền khác nhau. Phiên bản SACK TCP tỏ ra vƣợt trội trong trƣờng hợp đƣờng truyền có lỗi. Tỷ suất lỗi càng lớn thì hiệu suất sử dụng đƣờng truyền của SACK TCP lại càng cao hơn hiệu suất sử dụng đƣờng truyền của các phiên bản TCP khác (có thể hơn tới 1,5 lần). Sở dĩ SACK TCP đạt đƣợc hiệu suất sử dụng đƣờng truyền cao nhƣ vậy vì trong các biên nhận SACK TCP có các khối SACK chỉ rõ các gói tin bị mất cần phải phát lại giúp SACK TCP nhanh chóng phát lại các gói tin bị mất.
Hệ số sử dụng đƣờng truyền giảm mạnh khi độ dài của trạng thái đƣờng truyền xấu tăng lên tới giá trị 0.12ms. Khi độ dài của trạng thái xấu vƣợt quá giá trị 0.12 ms thì hệ số sử dụng đƣờng truyền rất thấp, nằm trong khoảng 10% đến 17%. 250 252 254 256 258 260 262 264 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
Độ dài của trạng thái đƣờng truyền xấu (s)
Đ ộ t rễ t ru n g b ìn h ( m s) Reno Tahoe Sack Newreno
Hình 4.10 Độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác, đƣờng truyền có lỗi (mơ hình lỗi Markov).
0 0,5 1 1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
Độ dài của trạng thái đƣờng truyền xấu (s)
T h ăn g gi án g đ ộ t rễ ( s) Reno Tahoe Newreno Sack
Hình 4.11 Thăng giáng độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác, đƣờng truyền có lỗi (mơ hình lỗi Markov).
4.3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí vệ tinh đến hiệu suất TCP
Trong thí nghiệm tiếp theo, chúng tơi thực hiện thay đổi tọa độ vệ tinh để tìm ra vị trí đặt vệ tinh tối ƣu đối với lãnh thổ Việt Nam.
Vị trí địa lý của Việt Nam chạy dọc theo một dải dài, hẹp có tọa độ trung tâm là 1050E. Vì vậy, vị trí lý tƣởng để đặt vệ tinh truyền thông sử dụng cho Việt Nam phải là tọa độ 1050E. Tuy nhiên, vệ tinh VINASAT-1 có tọa độ 1320E, đây không phải là tọa độ tối ƣu cho truyền thơng.
Trong thí nghiệm mô phỏng này, tọa độ vệ tinh đƣợc thay đổi từ 850E tới 1320E để tìm vị trí tối ƣu, sử dụng phiên bản SACK TCP trên các đƣờng truyền T1, truyền các gói tin có kích thƣớc 1000Byte, kích thƣớc cửa sổ phát là cố định bằng giá trị tối ƣu nhận đƣợc từ thí nghiệm 1 (100.79KB). Mơ hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến đƣợc áp dụng để sinh lỗi cho đƣờng truyền, các giá trị đƣợc lấy tƣơng tự nhƣ thí nghiệm 2, riêng độ dài đƣờng truyền xấu Tb cố
định bằng 0.12s. Sau khi thực hiện mô phỏng, chúng tôi phân tích tập vết để tính hệ số sử dụng đƣờng truyền, kết quả đƣợc biểu diễn trên đồ thị hình 4.12.
0.135 0.140 0.145 0.150 0.155 0.160 0.165 0.170 85 95 105 115 125 132 Kinh độ (0 E) H ệ số sử dụ ng đư ờ ng t ruy ền
Hình 4.12 Hệ số sử dụng đƣờng truyền trên đƣờng truyền T1, tọa độ vệ tinh thay đổi từ 850E tới 1320
E, đƣờng truyền có lỗi.
Dễ dàng nhận thấy vệ tinh ở tọa độ 1050E có hệ số sử dụng đƣờng truyền cao nhất, đó chính là tọa độ tối ƣu của vệ tinh địa tĩnh đối với lãnh thổ Việt Nam. Càng ra xa tọa độ này thì hệ số sử dụng đƣờng truyền càng giảm. Tại tọa độ 1320
Kết luận
Sử dụng đƣờng truyền vệ tinh sẽ gặp phải các vấn đề cần khắc phục nhƣ độ trễ đƣờng truyền lớn, tỷ lệ lỗi bit cao, đƣờng truyền dữ liệu bất đối xứng, ...
Trong các phiên bản của TCP, nhìn chung phiên bản SACK TCP hoạt động tốt hơn các phiên bản giao thức TCP khác trên đƣờng truyền có độ trễ truyền thơng lớn, khả năng tắc nghẽn và tỷ suất lỗi cao (nhƣ trên đƣờng truyền vệ tinh). Tuy nhiên giá trị do SACK TCP đem lại không đáng kể khi độ tắc nghẽn hay mất mát gói tin tăng lên. Cần thiết phải có những nghiên cứu sâu hơn về giá trị của SACK TCP trong việc nâng cao hiệu suất các giao thức truyền thông nhất là đối với các mạng có độ trễ cao và tỷ suất lỗi gói tin lớn. Các phiên bản Tahoe TCP, Reno TCP, Newreno TCP tỏ ra hoạt động không ổn định trên môi trƣờng truyền thơng vệ tinh.
Tỷ lệ lỗi bít cao là vấn đề rất khó khắc phục trong thơng tin vệ tinh, ngoài việc sử dụng các giao thức tin cậy để truyền thơng cịn cần các nghiên cứu trọng tâm hơn về các thuật tốn sửa lỗi phía trƣớc (FEC) nhằm tăng độ tin cậy và giảm thiểu yêu cầu truyền lại.
Đối với các hệ thống mạng có sử dụng đƣờng truyền vệ tinh cần triệt để khai thác các kỹ thuật phân tách kết nối mạng nhƣ Web Cache, Web Proxy hay Snoop TCP nhằm tận dụng tối đa các dữ liệu có thể sử dụng lại.
Với đà tăng trƣởng kinh tế nhanh chóng của Việt Nam, trong tƣơng lai, Việt Nam có thể có các thêm nhiều vệ tinh mới nhằm tăng năng lực truyền thơng. Cần có tầm nhìn và kế hoạch cụ thể cho từng giai đoạn để các vệ tinh mới của Việt Nam có đƣợc quỹ đạo thuận lợi hơn so với vệ tinh VINASAT-1.
Phƣơng hƣớng nghiên cứu tiếp theo
Do những nguyên nhân khách quan và chủ quan, nghiên cứu của chúng tôi chƣa thật đầy đủ để phản ánh hết các vấn đề gặp phải khi sử dụng đƣờng truyền vệ tinh.
Trong tƣơng lai, chúng tôi sẽ nghiên cứu ảnh hƣởng của các tham số trong các phiên bản TCP nhằm tìm ra các giá trị tối ƣu áp dụng cho đƣờng truyền vệ tinh.
Ngồi ra, chúng tơi sẽ nghiên cứu đặc điểm địa hình, khí hậu, nhiễu khí quyển của Việt Nam và ảnh hƣởng của các đặc điểm đó lên đƣờng truyền vệ tinh nhằm chỉ ra sự phụ thuộc của chất lƣợng truyền thơng vệ tinh vào các vị trí cụ thể trên lãnh thổ Việt Nam và vào các thời điểm khác nhau trong năm.
Tài liệu tham khảo
Tài liệu tiếng Việt
[1] Nguyễn Đình Lƣơng, Nguyễn Thanh Việt, “Các hệ thống thông tin vệ tinh,
hệ thống - kỹ thuật - công nghệ”, Nhà xuất bản Bƣu điện, 2002.
[2] Nguyễn Đình Việt, Bài giảng “Đánh giá hiệu năng mạng”, Chuyên ngành
Mạng và Truyền thông máy tính, Khoa CNTT, Trƣờng Đại học Công nghệ, ĐHQGHN, 2008.
[3] Nguyễn Đình Việt. “Nghiên cứu phương pháp đánh giá và cải thiện hiệu năng giao thức TCP cho mạng máy tính”, Luận án Tiến sĩ, 2003
[4] Kiều Xuân Đƣờng, “Thông tin vệ tinh”, Trƣờng Đại học Giao thông Vận
tải, 2001.
[5] Vũ Duy Lợi, “Mạng thơng tin máy tính”, Nhà xuất bản Thế giới, Hà Nội,
2002.
Tài liệu tiếng Anh
[6] Ashish Natani, Jagannadha Jakilinki, Mansoor Moshin, Vijay Sharna, “TCP for Wireless Networks”, Nov. 12, 2001.
[7] Brian D. Noble, M. Satyanarayanan, Giao T. Nguyen, Randy H. Katz,
“Trace-Based Mobile Network Emulation”, ACM SIGCOMM ’97,
Cannes, France, Sep. 1997.
[8] Gary Comparentto and Rafols Rmirez, “Trends in Mobile Satellite Technology”, 0018-9162 © 1997 IEEE
[9] G. T. Nguyen, R. H. Katz, B. D. Noble, and M. Satyanarayanan (1996), “A tracebased approach for modeling wireless channel behavior”, Proc.
Winter SimulationConf., Dec. 1996.
[10] Jae Chung, Mark Claypool, “NS by Example”.
[12] John. J. Lemmon, “Wireless Link Statical Bit Error Model”, NTIA Report 02-394, Jun. 2002.
[13] Kevin Fall and Sally Floyd, “Simulation-based Comparisons of Tahoe, Reno, and SACK TCP”
[14] Jacobson, V. and R. Braden, "TCP Extensions for Long- Delay Paths",
RFC 1072, October 1988.
[15] Marc Greis & VINT Group, “NS Tutorial”.
[16] M. Mathis, J. Mahdvi, S. Floyd, and A. Romanow, “TCP selective acknowledgement options”, Internet RFC 2018, 1996.
[17] N. D. Viet, “TCP Enhancement and performance over network with wireless link”.
[18] Kevin Fall, Kannan Varadhan, “NS Manual”, The VINT Project, 2008. [19] V. Jacobson, R. Braden, and D. Borman, “TCP extensions for high
performance”, Internet RFC 1323, 1992.
[20] V. Jacobson, Michael J. Karels, “Congestion Avoidance and Control”,
Nov. 1988.
[21] R. K. Balan, B. P. Lee, K. R. R. Kumar, L. Jacob, W. K. G. Seah, A. L. Ananda, “TCP HACK: TCP Header Checksum Option to improve Performance over Lossy Links”, National University of Singapore.
[22] Lillykutty Jacob, K.N. Srijith, Huang Duo, A.L. Ananda, “Effectiveness of
TCP SACK, TCP HACK and TCP Trunk over Satellite Links”, IEEE, 2002.
[23] R. Braden, “T/TCP – TCP extensions for transactionis, functional specification”, Internet RFC 1644, 1994.
[24] J. Mogul and S. Deering, “Path MTU discovery”, Internet RFC 1191,
[25] T. R. Henderson, R. H. Katz, “Transport Protocols for Internet- Compatible Satellite Networks”, IEEE Journal on Selected Areas in
Comm, vol. 17, no. 2, Feb. 1999.
[26] I. Cidon, A. Khamisy, M. Sidi, "Analysis of Packet Loss Processes in High-Speed Networks", IEEE Trans. on Inf. Theory, vol. 39, no. 1, January
1993.
[27] Henrik Lundqvist, Gunnar Karlsson, “TCP with End-to-end Forward Error Correction”, Department of Microelectronics and Information
Technology, KTH, Royal Institute of Technology, 2002.
[28] S. Y. Wang, H. T. Kung, “TCP Trunking: Design, Implementation and Performance”, Division of Engineering and Applied Sciences, Harvard
University, Cambridge, MA 02138, USA.
[29] S.Y. Wang, H.T. Kung, “TCP Trunking for Bandwidth Management of Aggregate Traffic”, Division of Engineering and Applied Sciences,
Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
[30] Douglas E. Comer, “Internetworking with TCP/IP”, Volume 1: Principles, Protocols and Architecture, Prentice Hall, 1994.
[31] W. Stallings, “Data and Computer Communication”, Prentice Hall, 1997. [32] http://www.vinasat.com.vn