5.5.1 Xác định thời gian mô phỏng cần thiết
Thời gian mô phỏng cần thiết được nói ởđây là thời gian mô phỏng để các kết quả của việc chạy chương trình mô phỏng hội tụ tới một giá trị dừng. Việc xác định thời gian mô phỏng cần thiết là một vấn đề quan trọng khi sử dụng bộ mô phỏng NS, nếu chúng ta chạy mô phỏng ít hơn thời gian này, kết quả thu được chưa đạt tới giá trịổn định, có thể dẫn đến các kết luận sai lầm. Nếu chạy mô phỏng dài hơn thời gian này, sẽ không được lợi gì hơn vềđộ chính xác của kết quả thu được, mà lại dẫn
đến tăng chi phí cho giai đoạn xử lý kết quả và tiêu tốn nhiều tài nguyên của hệ
thống. Cụ thể là, NS sinh ra kết quả là tệp vết, có kích thước tăng tuyến tính theo thời gian mô phỏng. Trong các mô phỏng của chúng tôi, nếu cho thời gian mô phỏng bằng 400s, kích thước tệp vết có thể lớn đến hàng trăm megabytes, để xử lý một tệp lớn như vậy, một máy tính PC với bộ vi xử lý Pentium III, 750Mhz, 512MB RAM, có thể phải chạy trong nửa giờ.
Để xác định thời gian mô phỏng cần thiết, chúng tôi lần lượt tiến hành các mô phỏng với thời gian mô phỏng bằng 20s, 40s,..., 400s. Mạng mô phỏng được minh hoạ trên hình 5.7, các tham số tương ứng với trường hợp mạng WAN có đường truyền không dây và sử dụng Snoop agent. Các giá trị cụ thể của các tham số đã
được cho trong các mục 5.4.1 và 5.4.2.
Các kết quả mô phỏng được liệt kê trên bảng 5.2 và được biểu diễn dưới dạng đồ
thị trên hình 5.8. Đại lượng thông lượng chuẩn hoá được sử dụng ởđây là tỉ số của thông lượng đo được trên dung lượng đường truyền (giá trị cụ thể là 2Mbps). Trên
đồ thị, có thể thấy rõ ràng rằng thời gian mô phỏng cần thiết tối thiểu phải bằng 100s. Khi tăng thời gian mô phỏng lên nữa, từ 140s đến 400s, kết quả sẽ dao động lên xuống quanh giá trị trung bình bằng 0.684, độ lệch là 2%. Dựa vào kết quả này, trong tất cả các mô phỏng tiếp sau, chúng tôi chọn thời gian mô phỏng bằng 150s.
Bảng 5.2: Thông lượng chuẩn hoá đo được tương ứng với thời gian mô phỏng
Thời gian mô phỏng (s) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Thông lượng chuẩn hoá 0.75 0.77 0.77 0.74 0.69 0.69 0.68 0.68 0.66 0.67 Thời gian mô phỏng (s) 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Thông lượng chuẩn hoá 0.68 0.67 0.69 0.68 0.69 0.69 0.69 0.70 0.69 0.69
Hình 5.8 Thông lượng chuẩn hoá đo được tương ứng với thời gian mô phỏng
5.5.2 Đánh giá hiệu năng của Snoop TCP với các mức độ lỗi đường truyền khác nhau khác nhau
Chúng tôi đã tiến hành 36 mô phỏng để nghiên cứu kỹ lưỡng ảnh hưởng của khoảng thời gian trung bình giữa hai gói số liệu bị lỗi trong trạng thái đường truyền tốt và xấu lên thông lượng chuẩn hoá của Snoop TCP và TCP thông thường. Chúng tôi đã xây dựng bốn kịch bản mô phỏng: mạng WAN/LAN với đường truyền không dây, có sử dụng Snoop TCP và không sử dụng Snoop TCP. Các kết quả được cho trong bảng 5.3 và được biểu diễn bằng đồ thị trên hình 5.9. Khoảng cách giữa các gói số liệu bị lỗi được tính theo đơn vị gói số liệu (packet).
Từ các kết quảđã nhận được, chúng ta có thể nhận xét:
• Trong cả bốn kịch bản mô phỏng, thông lượng chuẩn hoá giảm khi tăng tỉ suất lỗi gói số liệu.
• Ảnh hưởng của đặc tính lỗi của đường truyền không dây lên mạng WAN nặng nề hơn so với ảnh hưởng lên mạng LAN.
Bảng 5.3 Thông lượng chuẩn hoá (TLCH) phụ thuộc vào mức độ lỗi đường truyền
Khoảng cách giữa các gói số liệu bị lỗi 128 64 32 16 8 4 2 1 2.6 TLCH (WAN + snoop) 0.83 0.84 0.83 0.77 0.78 0.74 0.67 0.64 0.64 TLCH (WAN + no-snoop) 0.26 0.25 0.25 0.20 0.18 0.18 0.18 0.14 0.15 TLCH (LAN + snoop) 0.93 0.93 0.92 0.92 0.92 0.90 0.89 0.85 0.89 TLCH (LAN + no-snoop) 0.82 0.82 0.82 0.81 0.79 0.74 0.64 0.70 0.65
Hình 5.9 Thông lượng chuẩn hoá phụ thuộc vào khoảng cách giữa các gói số liệu bị lỗi trong trạng thái đường truyền xấu
Với việc sử dụng khoảng cách trung bình giữa các gói số liệu bị lỗi đối với trạng thái đường truyền tốt là 166 gói số liệu, đối với trạng thái đường truyền xấu là 2.6 gói số liệu (các giá trị trung bình này là kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong [15]), chúng tôi nhận được: trong trường hợp mạng WAN với đường truyền không dây, Snoop agent đã cải thiện thông lượng chuẩn hoá xấp xỉ 427% (0.64/0.15). Trong trường hợp mạng LAN với đường truyền không dây, Snoop agent đã cải thiện thông lượng chuẩn hoá xấp xỉ 137% (0.89/0.65).
5.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng hồ phát lại lên hiệu năng của Snoop TCP TCP
Chúng tôi đã tiến hành 210 mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của độ dài đơn vị thời gian của đồng hồ phát lại (tham số snoopTick) lên hiệu năng của giao thức TCP, nhằm xác định giá trị tối ưu của nó. Ứng với mỗi giá trị của snoopTick, chúng tôi thay đổi độ dài trung bình trạng thái đường truyền xấu và đo thông lượng chuẩn hoá của giao thức TCP. Mạng mô phỏng được minh hoạ trên hình 5.7 với các tham số tương ứng với trường hợp mạng WAN có đường truyền không dây và sử dụng Snoop agent. Giá trị cụ thể của các tham số đã được cho trong các mục 5.4.1 và 5.4.2. Trong đó, hai tham số snoopTick và TB được chúng tôi cho thay đổi trong một miền khá rộng để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến thông lượng chuẩn hoá.
snoopTick là đơn vị thời gian của đồng hồ phát lại, giá trị ngầm định bằng 0.1s [50]. Chúng tôi cho snoopTick biến thiên trong miền giá trị (0.006, 0.008, 0.01, 0.0125, 0.015, 0.0175, 0.02, 0.025, 0.05, 0.1), đơn vị là giây.
TB là độ dài trung bình của trạng thái đường truyền xấu. Trong các mô phỏng
được trình bày ở tiểu mục 5.5.3 này, chúng tôi cho TB thay đổi từ 0s đến 0.2s, bước tăng là 0.01s. Trong khi đó, độ dài trung bình của trạng thái đường truyền tốt - TG, chúng tôi cho cốđịnh bằng 0.66s.
Các kết quả mô phỏng được trình bày trên bảng 5.4a, 5.4b, 5.4c và được biểu diễn dưới dạng đồ thị trên hình 5.10. Trên hình, chúng tôi chỉ vẽ các đường cong
quá phức tạp, khó nhìn. Đại lượng thông lượng chuẩn hoá được sử dụng ởđây là tỉ
số của thông lượng đo được trên dung lượng kênh truyền (giá trị cụ thể là 2Mbps). Bảng 5.4: Thông lượng chuẩn hoá phụ thuộc độ dài trạng thái đường truyền xấu
a/ Độ dài trạng thái đường truyền xấu (s) - TB
noopTick (s) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.1 0.730 0.616 0.582 0.466 0.388 0.333 0.292 0.05 0.725 0.652 0.604 0.483 0.407 0.379 0.369 0.025 0.750 0.654 0.608 0.532 0.504 0.443 0.450 0.020 0.744 0.616 0.627 0.532 0.444 0.437 0.453 0.0175 0.737 0.623 0.610 0.529 0.474 0.419 0.454 0.015 0.737 0.684 0.629 0.543 0.470 0.481 0.393 0.0125 0.744 0.655 0.577 0.544 0.477 0.435 0.432 0.01 0.702 0.637 0.654 0.517 0.513 0.488 0.461 0.008 0.746 0.664 0.569 0.518 0.537 0.464 0.426 0.006 0.786 0.606 0.564 0.558 0.463 0.402 0.422
B/ Độ dài trạng thái đường truyền xấu (s) - TB
snoopTick (s) 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.1 0.251 0.278 0.243 0.232 0.194 0.170 0.206 0.05 0.318 0.318 0.295 0.306 0.251 0.261 0.258 0.025 0.431 0.318 0.337 0.334 0.254 0.292 0.281 0.020 0.397 0.367 0.313 0.324 0.332 0.327 0.325 0.0175 0.383 0.358 0.326 0.318 0.314 0.332 0.293 0.015 0.383 0.328 0.337 0.365 0.362 0.311 0.287 0.0125 0.377 0.367 0.356 0.325 0.345 0.331 0.318 0.01 0.352 0.359 0.345 0.364 0.340 0.316 0.314 0.008 0.371 0.355 0.330 0.348 0.298 0.333 0.302 0.006 0.370 0.390 0.333 0.334 0.306 0.317 0.335
c/ Độ dài trạng thái đường truyền xấu (s) - TB
snoopTick (s) 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 average 0.1 0.195 0.205 0.182 0.186 0.185 0.125 0.185 0.297 0.05 0.262 0.227 0.225 0.228 0.232 0.206 0.216 0.344 0.025 0.245 0.211 0.266 0.224 0.197 0.249 0.228 0.372 0.020 0.292 0.195 0.270 0.273 0.190 0.219 0.253 0.378 0.0175 0.301 0.206 0.302 0.254 0.168 0.029 0.263 0.366 0.015 0.289 0.205 0.269 0.272 0.160 0.029 0.265 0.371 0.0125 0.291 0.197 0.268 0.249 0.167 0.029 0.262 0.369 0.01 0.318 0.197 0.267 0.254 0.168 0.029 0.258 0.374 0.008 0.300 0.189 0.290 0.254 0.164 0.029 0.276 0.370 0.006 0.287 0.191 0.233 0.257 0.157 0.029 0.257 0.362
Hình 5.10 Thông lượng chuẩn hoá phụ thuộc độ dài trạng thái đường truyền xấu Từ các kết quả nhận được, chúng tôi có thể rút ra một số nhận xét vềảnh hưởng của sự kéo dài trạng thái đường truyền xấu đến hiệu năng của giao thức TCP.
Nhận xét
1. Trạng thái đường truyền xấu càng kéo dài thì thông lượng chuẩn hoá càng giảm. 2. Khi độ dài trạng thái đường truyền xấu bằng 0, việc thay đổi giá trị của tham số
snoopTick hầu như không ảnh hưởng đến thông lượng chuẩn hoá. Đây chính là một đặc điểm cần phải có, bởi vì khi đường truyền tốt, sự hoạt động snoop agent không được cản trở sự hoạt động bình thường của kết nối TCP.
3. Ứng với giá trị của snoopTick lớn hơn, đường cong biểu diễn sự thay đổi của thông lượng chuẩn hoá theo độ dài trạng thái đường truyền xấu giảm một cách
đều đặn hơn. Giá trị của snoopTick càng nhỏ thì sự đi xuống của đường cong biểu diễn thông lượng càng không đều, nó thăng giáng mạnh. Điều này hoàn toàn phù hợp với các lập luận mà chúng tôi đã trình bày tại 5.3.3.2.
4. Với các giá trị snoopTick < 0.02s, các đường cong biểu diễn thông lượng đều có một cực tiểu rất thấp, bằng 0.029, tại hoành độ 0.19. Chính vì vậy chúng tôi cho rằng, không nên sử dụng giá trị của snoopTick nhỏ hơn 0.02s, nên chọn giá trị
của snoopTick bằng 0.02s, chính bằng hai lần thời gian khứ hồi cục bộ, trên chặng không dây (trong các mô phỏng, chúng tôi đặt thời gian trễ của đường truyền này bằng 0.005s).
So sánh với [34]: các tác giảđề xuất một phương pháp tương tự snoop TCP, gọi là WTCP (xem mục 5.6 dưới đây); họ sử dụng đơn vị thời gian của đồng hồ phát lại cục bộ (tương tự snoopTick trong phương pháp của chúng tôi) bằng ½ thời gian khứ hồi cục bộ, chứ không phải bằng 2 lần như chúng tôi đề xuất; cho nên chắc chắn chi phí xử lý ngắt đồng hồ sẽ lớn hơn (xem 5.1.2). Ngoài ra, họ chỉ
thực hiện các thí nghiệm mô phỏng với thời gian đường truyền xấu thay đổi từ
10ms đến 100ms (bước tăng 10ms), cho nên có thể đã không phát hiện ra sự
giảm đột ngột của thông lượng khi trạng thái đường truyền xấu kéo dài hơn. 5. Nếu sử dụng một số kết quả của [19], theo đó, tỉ lệ thời gian đường truyền tốt/
đường truyền xấu là 10/1, ứng với trường hợp người nhận di động, chúng ta sẽ
có thời gian trung bình của độ dài trạng thái đường truyền xấu TB=0.066s, lấy tròn bằng 0.07s. Bây giờ chúng tôi so sánh thông lượng chuẩn hoá tại giá trị TB này: với snoopTick = 0.1s, thông lượng chuẩn hoá bằng 0.251; với snoopTick = 0.02s, thông lượng chuẩn hoá bằng 0.397. Như vậy với giá trị snoopTick mà chúng tôi lựa chọn, thông lượng chuẩn hoá tăng lên 1,58 lần so với việc sử
dụng giá trị trong [50].
Giải thích việc sử dụng giá trị snoopTick=0.1s để so sánh: Như đã trình bày tại 5.3.3.2, snoopTick càng nhỏ thì ước lượng thời gian khứ hồi để thực hiện phát
lại cục bộ càng bám sát trạng thái của đường truyền, nhưng cũng càng làm tăng chi phí xử lý ngắt đồng hồ. Nếu chọn snoopTick bằng giá trị nhỏ nhất mà người ta thường dùng cho đồng hồ của các thực thể TCP, thì giá trịđó là 100ms (chúng tôi đã trình bày tại 5.1.2).
Chúng tôi đã đánh giá hiệu năng dựa trên mô phỏng đối với cơ chế Snoop TCP trong mạng có đường truyền không dây. Các kết quả mà chúng tôi nhận được cho thấy: Snoop TCP là ưu việt hơn TCP thông thường. Trong mạng LAN có đường truyền không dây, Snoop TCP có hiệu năng về thông lượng cao hơn TCP thông thường là 137%, còn trong mạng WAN có đường truyền không dây, Snoop TCP có hiệu năng về thông lượng cao hơn 427%.
5.6 So sánh hiệu quả của snoop TCP với một số phương pháp khác
Dưới đây, chúng tôi so sánh một số đặc điểm chính của snoop TCP với hai phương pháp cải thiện hiệu năng TCP khác, cũng thuộc loại giải pháp phát lại cục bộ trên chặng không dây, đảm bảo ngữ nghĩa đầu cuối - đầu cuối của TCP.
1. Phương pháp TULIP (Transport Unaware Link Improvement Protocol) được
đề xuất trong [12], được công bố năm 1999. Điểm khác snoop TCP: phát lại nhưng không nhận biết về sự hoạt động của giao thức TCP ở tầng trên.
• Ưu điểm so với snoop TCP: không đòi hỏi trạm cơ sở phải duy trì các thông tin về trạng thái của các kết nối; do đó giảm chi phí tài nguyên của hệ thống; có thể
áp dụng cho mạng không dây nhiều chặng, không sử dụng trạm cơ sở.
• Nhược điểm so với snoop TCP: được thực hiện tại tầng lên kết dữ liệu, nhưng
đòi hòi phải có sự tương tác với các giao thức tầng MAC bên dưới và IP bên trên, vi phạm nguyên tắc giao thức giữa các tầng không tương tác với nhau và phức tạp hơn snoop TCP nhiều. TUPIP phải được cài đặt trên tất cả các máy tính của mạng không dây; với snoop TCP, chỉ cần cài đặt snoop agent ở trạm cơ sở.
• Hiệu năng so với snoop TCP: các tác giả của [12] đã so sánh hiệu năng giải pháp của họ với snoop TCP, trong đó kết quả nhận được từ thí nghiệm mô
phỏng tương tự thí nghiệm của chúng tôi (trên 4a) cho thấy, hiệu năng về thông lượng của TULIP cao hơn snoop TCP, nhưng không nhiều, cỡ vài phần trăm. 2. Phương pháp WTCP (Wireless TCP) được đề xuất trong [34] (“Effect of Local
Retransmission at Wireless Access Points on the Round Trip Time Estimation of TCP”) được công bố năm 1998.
• Ưu điểm so với snoop TCP: có hầu hết các ưu điểm của snoop TCP và có thêm một ưu điểm nữa là che giấu thời gian các gói tin chờ được phát lại cục bộ ở
trạm cơ sở tốt hơn snoop TCP, giảm khả năng xảy ra tương tác đồng hồ (xem mục 5.1).
• Nhược điểm so với snoop TCP: Giao thức WTCP cài đặt ở trạm cơ sở phải sửa đổi trường nhãn thời gian (timestamp) trong tất cả các gói tin IP gửi từ mạng có dây (Internet) cho bên nhận ở mạng không dây để che giấu thời gian chờ phát lại cục bộ, do đó vi phạm nguyên tắc giao thức giữa các tầng không tương tác với nhau và không thể áp dụng được nếu tầng IP áp dụng các cơ chế bảo mật.
• Hiệu năng so với snoop TCP: các tác giả của [34] cũng đã so sánh giải pháp của họ với snoop TCP và cho biết rằng: trong trạng thái đường truyền tốt, hiệu năng của hai giải pháp là như nhau, trong trạng thái đường truyền xấu, WTCP có hiệu năng cao hơn snoop TCP nhưng lại có goodput thấp hơn (goodput ở đây
được định nghĩa là tỉ số của số byte truyền thành công trên tổng số byte truyền
KẾT LUẬN
Mục tiêu chính của luận án này là nghiên cứu các phương pháp đánh giá và cải thiện hiệu năng giao thức TCP cho mạng máy tính có đường truyền không dây. Dựa trên cơ sở so sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp, chúng tôi đã chọn một phương pháp có nhiều ưu điểm nhất để nghiên cứu sâu, cải tiến, nâng cao hiệu năng của nó. Đó là Snoop TCP, một giải pháp mới nhằm cải thiện hiệu năng của giao thức TCP trong mạng có đường truyền không dây là chặng cuối cùng của kết nối giữa người gửi và người nhận. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp mô phỏng, để
khảo sát tỉ mỉ hiệu năng của giao thức TCP. Trong luận án này, chúng tôi quan tâm
đến hai độ đo hiệu năng là thông lượng và độ trễ trung bình của gói tin khi đi qua mạng, chủ yếu là thông lượng.
Chúng tôi đã đạt được các kết quả cụ thể như sau:
1. Sử dụng lý thuyết Hàng đợi để tính toán định lượng hiệu năng hai cơ chế kiểm soát lỗi đầu cuối - đầu cuối và kiểm soát lỗi theo chặng. Thông qua việc so sánh