1.4.1 Các mạng truyền thông không dây số hiện đại
Các mạng truyền thông không dây số hiện đại có thểđược chia làm ba loại chính: 1/ Kết nối hệ thống (System interconnection); 2/ Mạng LAN không dây và 3/ Mạng WAN không dây [8].
Loại thứ nhất được sử dụng để kết nối các thành phần của một hệ thống máy tính lại với nhau trong cự ly ngắn; thí dụ, kết nối bàn phím, con chuột, máy in v.v. với máy tính. Bluetooth là một mạng thuộc loại này, quan hệ giữa máy tính với các thiết bị theo mô hình chủ-tớ (Master-Slave). Hình 1.11a minh hoạ một mạng như vậy.
Loại thứ hai là mạng LAN không dây, trong đó mỗi máy tính có một modem vô tuyến để truyền thông với các máy tính khác trong cùng mạng. Nếu các máy tính ở
to-peer), mạng như vậy được gọi là mạng đặc biệt hay mạng ad-hoc (Hình 1.11b). Thông thường, trong mạng LAN không dây có một thiết bị đặc biệt được gọi là trạm cơ sở (Base station), các máy tính trong mạng truyền thông với nhau thông qua trạm này. Trạm cơ sở cũng thường nối với mạng có dây, là cửa ngõ nối mạng không dây với Internet (Hình 1.11c). Trường hợp mạng LAN không dây có nhiều máy tính
được phân bố trong một diện tích tương đối rộng, người ta có thể sử dụng nhiều trạm cơ sở nối với nhau bằng các đường truyền có dây, mỗi trạm cơ sở đảm bảo việc truyền thông cho một nhóm máy. Mạng LAN gồm nhiều nhóm này nối với các mạng có dây (Internet) bằng một thiết bị có tên gọi là Portal (Hình 1.11d).
Hình 1.11 Mạng LAN không dây kết nối với Internet qua trạm cơ sở
Loại mạng không dây thứ ba được dùng trong các hệ thống truyền thông diện rộng; thí dụ, các hệ thống điện thoại di động kiểu tế bào (cellular). Các hệ thống
điện thoại di động đã phát triển qua ba thế hệ. Thế hệ thứ nhất - 1G (1st Generation) theo công nghệ tương tự (analog), chỉ truyền được tiếng nói. Thế hệ 1G được xây dựng dựa trên ý tưởng tái sử dụng dải tần số vô tuyến, bằng cách chia không gian thành một cấu trúc kiểu tế bào, trong các tế bào không giáp nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số. Nhờ vậy, về nguyên tắc, với một miền tần số hữu hạn, hệ thống
có thể phục vụ số lượng người sử dụng không hạn chế. Hệ thống này còn có khả
năng chuyển cuộc gọi, khi người sử dụng đi từ tế bào này sang tế bào khác. Tuy nhiên, do trình độ công nghệở thời kỳ này còn thấp, các thiết bị di động (điện thoại) có giá thành cao, kích thước lớn, tiêu thụ nhiều năng lượng, nên nói chung, chúng thường được gắn cốđịnh trên các xe cộ. Cuối thập kỷ 80, nhờ các tiến bộ của công nghệ bán dẫn, giá thành, kích thước và năng lượng tiêu thụ của thiết bị di động đã giảm xuống rất nhiều, nhờ đó có thể mang chúng theo người một cách thuận lợi, dẫn đến sự bùng nổ số lượng người sử dụng.
Các hệ thống di động không dây thế hệ thứ hai (2G) theo các tiêu chuẩn công nghệ số, được thiết kế nhằm mục đích chính là truyền tiếng nói. Một số hệđiển hình là GSM (Global System for Mobile Communications), IS-136, IS-95 v.v. Công nghệ số không chỉ nâng cao chất lượng âm thanh và dịch vụ, mà quan trọng hơn là nó còn làm giảm giá thành thiết bị di động cũng như giá thành cơ sở hạ tầng của hệ
thống. Các hệ thống 2G có khả năng cung cấp dịch vụ chuyển mạch gói, thí dụ dịch vụ GPRS (General Packet Radio Service) hỗ trợ việc truy cập các dịch vụ trên Internet song song với việc sử dụng các dịch vụ khác của hệ thống. Các hệ thống 2G ưu việt hơn hẳn các hệ thống 1G, nhờ đó số người sử dụng cũng lớn hơn rất nhiều.
Các hệ thống di động không dây thế hệ thứ ba (3G) được phát triển có tính chất kế thừa từ các hệ thống 2G; có thể truyền cả tiếng nói lẫn dữ liệu. Các hệ thống này không chỉ sử dụng hiệu quả hơn phổ tần số, giá thành của hệ thống thấp hơn các hệ
thống 2G và 1G, mà còn có khả năng truyền thông đa phương tiện với dải thông lớn hơn. Các thiết bị truyền thông thế hệ 3G không những có thể dùng làm phương tiện truyền thông giữa người sử dụng với người sử dụng, mà nó còn có thểđược gắn với các máy móc, thiết bị của con người và thực hiện truyền thông giữa các máy móc thiết bị với nhau. Đây là nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự tăng lên cực kỳ nhanh chóng số người sử dụng hệ thống.
Về nhiều phương diện, các mạng không dây kiểu tế bào giống các mạng LAN không dây; điểm khác nhau là đường truyền dài hơn và tốc độ truyền thấp hơn
nhiều. Mạng LAN không dây có kích thước cỡ chục mét, tốc độ truyền có thể tới 50Mbps; trong khi đó mạng không dây kiểu tế bào có tốc độ truyền dưới 1Mbps, cự
ly truyền cỡ ki lô mét.
Hiện nay, người ta cũng đã bắt đầu nghiên cứu và triển khai các mạng không dây diện rộng có tốc độ truyền cao, không dựa trên cơ sở các mạng điện thoại di động không dây sẵn có.
1.4.2 Các vấn đề nảy sinh khi kết nối với Internet
Khi các hệ thống không dây trở nên ngày càng phổ biến thì nhu cầu truy cập các dịch vụ Internet từ các máy tính và thiết bị trong mạng không dây là rất tự nhiên và có ý nghĩa cực kỳ quan trọng. Điều đó đòi hỏi phải mở rộng Internet, cho phép kết nối các mạng không dây vào Internet. Như vậy, mạng Internet trở nên không đồng nhất về phương diện các đặc tính của đường truyền. Trong phần mạng có dây,
đường truyền có độ tin cậy cao và tỉ suất lỗi bit thấp, việc mất gói số liệu chủ yếu do tắc nghẽn trong mạng chứ không phải do lỗi đường truyền. Giao thức vận chuyển dữ liệu TCP đã được thiết kế và tinh chỉnh để có thể hoạt động đạt hiệu năng cao nhất trong môi trường mạng như vậy.
Trong phần mạng không dây, đường truyền có tỉ suất lỗi bit cao và thay đổi thất thường, thỉnh thoảng bị đứt đoạn do người sử dụng di động chuyển từ tế bào này sang tế bào khác. Do đó, tỉ lệ gói tin bị mất hoặc bị loại do lỗi đường truyền là rất cao và thời gian khứ hồi bị thăng giáng rất mạnh. Cơ chếđiều khiển lưu lượng trong giao thức TCP sẽ phản ứng với sự mất gói tin do đường truyền “xấu” giống như
phản ứng với hiện tượng tắc nghẽn; đó là, giảm lưu lượng đưa vào mạng và rút lui theo hàm mũ, đúng vào lúc lẽ ra phải cố gắng phát lại các gói tin bị mất càng sớm càng tốt. Phản ứng sai lầm này làm cho hiệu năng của TCP bị giảm rất trầm trọng.
Như vậy nảy sinh một vấn đề có tính chất nguyên lý, đó là, trong mạng Internet có phần mở rộng là mạng không dây, cần phải thực hiện phương pháp điều khiển khắc phục lỗi như thế nào. Nếu thực hiện điều khiển khắc phục lỗi theo kiểu đầu cuối - đầu cuối, như cơ chế điều khiển trong giao thức TCP, việc các gói tin bị mất
do lỗi đường truyền trên chặng không dây, sẽ làm cho TCP phản ứng sai lầm như đối với hiện tượng tắc nghẽn. Còn nếu thực hiện điều khiển khắc phục lỗi kiểu theo chặng, thì trên tất cả các chặng trên phần mạng có dây (mạng Internet truyền thống), cơ chế này sẽ làm giảm hiệu năng của TCP rất trầm trọng [1].
Ngoài ra còn một vấn đề thực tế quan trọng, có ý nghĩa quyết định đối với việc lựa chọn giải pháp khắc phục đặc điểm xấu của đường truyền không dây trong mạng Internet mở rộng. Đó là, mạng Internet truyền thống đã phát triển rộng trên phạm vi toàn thế giới, hoạt động rất ổn định và hiệu quả trong mấy chục năm qua,
đòi hỏi chủ sở hữu của các mạng đã kết nối với nhau tạo nên Internet phải thay đổi các giao thức trên mạng của họ chắc chắn là một việc rất khó.
Xuất phát từ các nguyên nhân trên, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã đã tập trung nghiên cứu và đề xuất các giải pháp khắc phục đặc điểm xấu của đường truyền không dây mà không đòi hỏi phải thay đổi giao thức TCP đã được cài đặt trên các máy của mạng Internet truyền thống (có dây). Một số công trình đầu tiên
được công bố vào năm 1994 [47], và 1995 [4], [5], [16], [48]; cho đến nay, nhiều nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu, đề xuất các phương pháp mới và kết hợp, cải tiến các phương pháp đã được công bố; thí dụ [12], [29] v.v.
Luận án này được thực hiện nhằm mục đích đóng góp vào hướng nghiên cứu trên. Trong chương 5, chúng tôi sẽ trình bày các giải pháp phát lại cục bộ một cách thông minh và giải pháp Snoop TCP; về giải pháp Snoop TCP, chúng tôi có một số đề xuất cải tiến và đánh giá hiệu quả một cách định lượng bằng mô phỏng.
CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG
2.1 Giới thiệu
Theo nghĩa chung, hiệu năng là một độ đo công việc mà một hệ thống thực hiện
được. Hiệu năng chủ yếu được xác định bởi sự kết hợp của các nhân tố: tính sẵn sàng để dùng (availability), thông lượng (throughput) và thời gian đáp ứng (response time). Đối với mạng máy tính, hiệu năng cũng còn được xác định dựa trên các nhân tố khác nữa, thí dụ: thời gian trễ (delay), độ tin cậy (reliability), tỉ suất lỗi (error rate), hiệu năng của ứng dụng v.v.
Tuỳ theo mục đích nghiên cứu cụ thể, hiệu năng có thể chỉ bao gồm một nhân tố
nào đó hoặc là sự kết hợp một số trong các nhân tố nêu trên.
2.1.1 Tầm quan trọng của việc đánh giá hiệu năng mạng máy tính
Trong suốt lịch sử tiến hoá của mạng máy tính, vấn đềđánh giá và dự đoán hiệu năng mạng luôn thu hút sự quan tâm của những người nghiên cứu và thiết kế mạng; mục đích chính là để nắm được và cải thiện đặc trưng giá - hiệu năng (cost- performance). Yêu cầu đánh giá và dự đoán hiệu năng mạng đặt ra ngay từ khi người ta thiết kế kiến trúc của hệ thống cho đến khi mạng đã được lắp đặt và đưa vào hoạt động. Trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế, người ta thường phải dự đoán hai điều. Thứ nhất là bản chất của các ứng dụng sẽ chạy trên mạng và các yêu cầu dịch vụ mà các ứng dụng này đòi hỏi hệ thống mạng phải đáp ứng. Điều dự đoán thứ hai liên quan tới việc lựa chọn một trong các thiết kế kiến trúc, dựa trên các công nghệ phần cứng và phần mềm sẽđược phát triển và đưa ra thị trường trong tương lai, khi hệ thống mạng bước vào giai đoạn triển khai thực hiện.
Sau khi đã lựa chọn kiến trúc và bắt đầu thiết kế, triển khai hệ thống mạng, việc dựđoán và đánh giá hiệu năng sẽ trở nên cụ thể hơn. Thí dụ sẽ chọn đường truyền vật lý như thế nào, các đặc tính của đường truyền được chọn sẽ ảnh hưởng thế nào
đến hiệu năng của mạng. Các kỹ thuật được dùng để dựđoán và đánh giá hiệu năng mạng trong giai đoạn thiết kế và triển khai thực hiện có khi chỉ là các tính toán bằng tay, nhưng cũng có khi là các mô phỏng rất tinh vi. Việc so sánh hiệu năng dựđoán
với hiệu năng thực tế đạt được thường giúp cho nhà nghiên cứu thấy được các khiếm khuyết chính trong thiết kế hoặc các lỗi trong việc lập trình hệ thống. Ngày nay, việc dự đoán và đánh giá hiệu năng thường được người ta coi là một phần không thể thiếu được của công việc thiết kế và triển khai thực hiện hệ thống.
Định cấu hình mạng: Sau khi mạng đã được triển khai thực hiện, việc dựđoán và đánh giá hiệu năng mạng đối với các ứng dụng cụ thể cũng có ý nghĩa quan trọng. Nhằm đạt được sự tối ưu hoá, nhà sản xuất phải chỉ ra được các cách kết hợp và tổ chức phần cứng và phần mềm mạng để đem lại một giải pháp tốt nhất cho các yêu cầu của khách hàng, việc này thường được gọi là định cấu hình mạng. Mặc dù có thể vẫn sử dụng các công cụ và phương pháp đã được sử dụng trong giai đoạn phát triển hệ thống, nhưng cần phải bổ sung thêm một số yếu tố nữa. Đặc điểm môi trường của người sử dụng sản phẩm mạng cần được biểu diễn bằng các tham số định lượng và đưa vào mô hình mô phỏng hiệu năng.
Tinh chỉnh hệ thống: Sau khi hệ thống sản phẩm đã được lắp đặt tại địa điểm của khách hàng, nhà cung cấp sản phẩm cần phải làm sao cho hệ thống mà họ bán cho khách hàng đạt được hiệu năng hoạt động như họ đã hứa hẹn khi chào hàng, việc này được gọi là tinh chỉnh hệ thống. Đối với các hệ thống mạng, việc tìm ra
được điểm làm việc tối ưu và ổn định trên toàn mạng là rất khó.
2.1.2 Các độđo hiệu năng mạng
Có thể phân các độ đo hiệu năng thành hai loại: các độ đo hướng tới người sử
dụng và các độ đo hướng tới hệ thống. Trong các độ đo hướng tới người sử dụng,
thời gian đáp ứng (response time) thường được sử dụng trong các hệ thời gian thực hoặc các môi trường hệ thống tương tác. Đó là khoảng thời gian từ khi có một yêu cầu (request) đến hệ thống cho đến khi nó được hệ thống thực hiện xong. Trong các hệ thống tương tác, đôi khi người ta sử dụng độ đo thời gian phản ứng của hệ
thống (system reaction time) thay cho thời gian đáp ứng. Đó là khoảng thời gian tính từ khi input đến hệ thống cho đến khi yêu cầu chứa trong input đó nhận được khe thời gian (slice time) phục vụđầu tiên. Độ đo này đo mức độ hiệu dụng của bộ
lập lịch của hệ thống trong việc nhanh chóng cung cấp dịch vụ cho một yêu cầu mới
đến. Trong các hệ thống mạng máy tính, các đại lượng thời gian đáp ứng, thời gian phản ứng của hệ thống đều được xem là các biến ngẫu nhiên, vì vậy người ta thường nói về phân bố, kỳ vọng, phương sai... của chúng [20].
Các độ đo hướng tới hệ thống điển hình là thông lượng (throughput) và thời gian trễ (delay time, delay). Thông lượng được định nghĩa là số đơn vị thông tin tính trung bình được vận chuyển qua mạng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thông tin ởđây có thể là bit, byte hay gói số liệu... Nếu các đơn vị thông tin đi vào mạng theo một cơ chế độc lập với trạng thái của mạng, thì thông lượng cũng chính bằng tốc độ đến trung bình nếu mạng vẫn còn có khả năng vận chuyển, không dẫn đến trạng thái bị tắc nghẽn. Thời gian trễ là thời gian trung bình để vận chuyển một gói số liệu qua mạng, từ nguồn tới đích.
Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu năng mạng máy tính, có thể chia chúng làm ba loại: mô hình Giải tích (Analytic Models), mô hình Mô phỏng (Simulation Models) và Đo hiệu năng.
2.1.3 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng
Mô hình Giải tích
Trong các mạng chuyển mạch gói, gói số liệu là các khối dữ liệu có chiều dài thay đổi được, được truyền qua mạng từ nguồn tới đích theo một con đường nào đó do hệ thống mạng quyết định. Các tài nguyên mạng sẽ được chia sẻ giữa các gói số
liệu khi chúng đi qua mạng. Số lượng và chiều dài các gói số liệu đi vào hoặc đi qua mạng tại mọi thời điểm, thời gian kéo dài các cuộc kết nối v.v., tất cả các tham số
này nói chung, thay đổi một cách thống kê. Vì vậy, để nêu ra các tiêu chuẩn đo lường định lượng về hiệu năng, cần phải sử dụng các khái niệm về xác suất để
nghiên cứu sự tương tác của chúng với mạng. Lý thuyết Hàng đợi đóng vai trò mấu chốt trong việc phân tích mạng, bởi vì đó là công cụ Toán học thích hợp nhất để
các mối quan hệ hàm giữa các tiêu chuẩn hiệu năng cần quan tâm và các tham số