Mục đích: Khảo sát, đánh giá khả năng thích ứng với lỗi nảy sinh trên đường truyền và hệ số sử dụng đường truyền của mạng LAN khi truyền thông đồng thời luồng TCP và UDP; đánh giá độ trễ trung bình của gói tin, độ lệch chuẩn của độ trễ của luồng TCP và tỉ lệ phân phát gói tin TCP thành công.
Mô hình khảo sát:
Mạng LAN khảo sát có tô-pô và cấu hình như sau:
S0 S2 S1 S3 Sink S4 S5 Null S6 10Mbps, 5ms Vị trí chèn lỗi đường truyền TCP FTP UDP CBR
Hình 4.8: Mô hình khảo sát mạng LAN
Trong mô hình (hình 4.8): S0..S6 là các nút mạng. S2, S3 có thể xem là các switch, giữa S2 và S3 hình thành bus. Tất cả các kết nối trong mạng (kể cả bus) đều có bandwidth và độ trễ bằng nhau (10Mbps, 5ms). FTP và CBR là các nguồn sinh lưu lượng. Sink là đích của nguồn FTP, Null là đích của nguồn CBR. Trong thí nghiệm này, tôi đã sử dụng mô hình lỗi đồng đều (Uniform Model) với tỉ lệ lỗi (error rate) = 0.001, đơn vị tính là gói tin (pkt), tỉ lệ lỗi này ứng với BER = 10-7.
Kích thước của gói tin cố định 576 bytes và kích thước cửa sổ phát được đặt là 64 KB.
Kịch bản: Nguồn CBR được cố định với kích thước gói tin là 512 bytes, tốc độ phát 1Mbps và CBR phát trước để chiếm dụng đường truyền trước. Sau đó, TCP truyền gói tin, sẽ có sự cạnh tranh để chiếm dụng đường truyền trên chặng đường truyền dùng chung nối s2 và s3. Với sự xuất hiện của lỗi, một số gói tin của TCP và UDP sẽ không đến được đích. Giao thức UDP hầu như không có "động thái" nào để thích ứng với lỗi nên vẫn truyền đều với kích thước
gói tin và tốc độ phát như đã định trước. Giao thức TCP sẽ thích ứng với đường truyền để sử dụng tốt nhất phần dải thông còn lại trong khoảng thời gian nguồn UDP phát.
Các thông số và kịch bản của thí nghiệm được tóm tắt ở bảng 1
Bảng 1: Thông số của thí nghiệm
Băng thông của đường truyền (Mbps) 10
Độ trễ (ms) 5
Tỉ lệ lỗi đường truyền (gói tin) 0,001
BER (tỉ lệ bít lỗi) 10-7
Thời gian mô phỏng (s) 12
Tham số nguồn UDP
Tốc độ phát của CBR (Mbps) 1
Kích thước gói tin UDP (byte) 512
Nguồn - Đích S1 - S6
Thời gian phát Từ 0,3s đến 10,7s của thời gian mô phỏng
Tham số nguồn TCP
Kích thước cực đại cửa sổ phát (KB) 64
Kích thước gói tin 576
Thời gian phát Từ 0,7s đến 11,7s của thời gian mô phỏng
Nguồn - Đích S0 - S4
Kết quả thí nghiệm:
Với mục đích của thí nghiệm là xác định và vẽ đồ thị sự thay đổi theo thời gian mô phỏng của hệ số sử dụng đường truyền của kết nối TCP khi dùng chung một đường truyền với luồng UDP, tôi đã sử dụng bước thời gian là 0,7s. Đồ thì sẽ mịn hơn nếu bước thời gian càng nhỏ, tuy nhiên với bước thời gian này thì hình dạng của đồ thị vẫn có thể phản ánh đúng kết quả và tính chất đặc thù của thí nghiệm.
Kết quả 1: Hệ số sử dụng đường truyền của luồng TCP so với băng thông
Thời điểm
(s) Thông l(bps) ượng TCP Thông l(bps) ượng UDP Bălng thông còn ại (Mbps)
Hệ số sử dụng TCP
(%)
1,4 6878537,143 994742,857 9,00526 61,94 2,1 6962560,000 1000594,286 8,99941 62,66 2,8 3245440,000 1000594,286 8,99941 29,21 3,5 3548160,000 994742,857 9,00526 31,95 4,2 2984960,000 1000594,286 8,99941 26,86 4,9 3604480,000 1000594,286 8,99941 32,44 5,6 3104640,000 1000594,286 8,99941 27,94 6,3 2147200,000 994742,857 9,00526 19,34 7 3329920,000 1000594,286 8,99941 29,97 7,7 3329920,000 994742,857 9,00526 29,99 8,4 5660160,000 1000594,286 8,99941 50,94 9,1 4597120,000 1000594,286 8,99941 41,37 9,8 5068800,000 1000594,286 8,99941 45,62 10,5 5005440,000 1000594,286 8,99941 45,05 11,2 5385600,000 304274,286 9,69573 52,22 11,732 6005120,000 0,000 10,00000 60,05 Kết quả 2: Các kết quả khác
Độ trễ trung bình của các gói tin (s) 0,017463 Độ lệch chuẩn của độ trễ luồng gói tin TCP (s) 0,001414
Số gói tin TCP gửi 10081
Số gói tin TCP đến đích 10068
Tỉ lệ phân phát gói tin thành công (%) 99,87
Phân tích kết quả mô phỏng:
Với mọi trạng thái của đường truyền, nguồn UDP luôn phát với tốc độ và kích thước gói tin không đổi. Nguồn UDP phát trước (tại thời đểm 0,3s) và đạt tốc độ tối đa (1Mbps) cho đến 0,7s - khi TCP bắt đầu phát. Tại thời điểm 0,7s đã có sự tranh chấp đường truyền, nguồn TCP lập tức phát với kích thước cửa sổ lớn nhằm tận dụng hết băng thông còn lại (khoảng 9Mbps), thậm chí muốn tranh luôn phần băng thông mà nguồn UDP đang truyền. Vì vậy tại thời điểm 0,7s số gói tin được đưa vào đường truyền tăng đột biến, băng thông của nguồn UDP có nguy cơ bị thu hẹp (sự thật đã bị thu hẹp về chỉ còn 555,885Kbps). Sau đó nguồn TCP vẫn tăng với tốc độ chậm để dò tìm để tận dụng hết phần băng thông
còn lại, sự chiếm dụng này sẽ đạt cực đại tại lân cận thời điểm 2,1s. Hình dạng của tỉ lệ luồng TCP sử dụng phần còn lại của đường truyền được thể hiện ở đồ thị hình 4.9.
Khi thông lượng nguồn TCP đã đạt cực đại, để giảm nguy cơ gây nên tắc nghẽn, giao thức TCP khởi động thuật toán Congestion Avoidance để tăng từ từ kích thước cửa sổ phát nhằm dò tìm và tận dụng hết đường truyền, như có thể thấy trên đồ thị, đoạn có ghi nhãn 61,94 đến 62,66. Khi có dấu hiệu tắc nghẽn (mất gói tin), TCP lại giảm cửa sổ phát theo thuật toán SS (giảm tối đa tại lân cận thời điểm 6,3s) sau đó lại tăng từ từ kích thước cửa sổ. Quá trình này được lặp đi lặp lại cho cho đến khi đường truyền ổn định (không có biến động đột biến). Sau thời điểm 10,7s, nguồn UDP ngừng phát, nguồn TCP tăng dần thông lượng để tận dụng đường truyền.
19,34 0 52,22 45,05 60,05 45,62 41,37 50,94 29,97 29,99 27,94 32,44 26,86 31,95 29,21 61,94 62,66 0 10 20 30 40 50 60 70 0.7 1,4 2,1 2,8 3,5 4,2 4,9 5,6 6,3 7 7,7 8,4 9,1 9,8 10,5 11,2 11,73 2 Thời gian phát T ỉ l ệ %
Hình 4.9: Kết quả mô phỏng TCP trong mạng LAN
Tuy tỉ lệ lỗi bít trong đường truyền có dây của mạng LAN là rất nhỏ (cỡ 10-7) nhưng ở thí nghiệm này, tôi cũng đã thử cho thay đổi tỉ lệ lỗi và nhận thấy rằng: Giao thức TCP phản ứng tích cực với lỗi bằng cách giảm tốc độ truyền của nguồn sinh lưu lượng khi tỉ lệ lỗi tăng (tỉ lệ nghịch với nguồn sinh lưu lượng), điều này rất phù hợp với lý thuyết. Khi đường truyền có lỗi, nếu trong mạng có cả nguồn phát CBR và FTP thì FTP phải giảm lưu lượng (vì CBR sử dụng giao thức UDP nên giữ nguyên tốc độ truyền tin). Để thích ứng với đường truyền, giao thức TCP sẽ điều chỉnh lưu lượng (giảm) để phòng tránh tắc nghẽn.
Với giao thức UDP, khi đường truyền có lỗi, nguồn lưu lượng vẫn giữ nguyên tốc độ phát (số gói tin phát đi là không đổi). Với các tỉ lệ lỗi tăng dần thì
số lượng gói tin UDP bị mất (không đến đích) sẽ tăng theo tỉ lệ thuận (lỗi tăng thì gói tin bị lỗi trên đường truyền tăng). Điều này phù hợp với lý thuyết.
Trong thí nghiệm này, với các thông số đầu vào như trên thì tỉ lệ phân phát gói tin TCP thành công đạt 99,87% (một số gói tin bị drop do TTL quá hạn trong và trước hàng đợi) còn tỉ lệ phân phát gói tin UDP thành công đạt 99,88% (2540 gói gửi, 2537 gói đến đích). Với đường truyền phù hợp (theo nghĩa nguy cơ khả năng phát sinh lỗi thấp) thì hiệu suất về thông lượng và độ trễ của UDP có thể đạt được cao hơn của TCP. Tuy nhiên, trên thực tế, TCP vẫn được đánh giá tốt hơn và được sử dụng để vận chuyển phần lớn thông tin trên Internet vì TCP có đặc tính tự thích ứng với đường truyền, trong khi UDP không có. Do vậy, khi đường truyền có nhiều lỗi nảy sinh. Chất lượng của UDP sẽ kém hơn nhiều so với TCP.