Mục đích: Đánh giá độ đo hiệu suất mạng hướng tới hệ thống như: tỉ lệ gói tin được truyền thành công, độ trễ trung bình của các gói tin, độ lệch chuẩn của độ trễ, ảnh hưởng của kích thước hàng đợi (KTHĐ) của AP đến hiệu suất của mạng hỗn hợp.
Tô-pô và cấu hình: Tô-pô mạng (ở hình 4.10) sử dụng cho thí nghiệm mô phỏng này gồm 2 phần: phần có dây (gồm các nút gửi S0, S1, S2 và AP), phần không dây (gồm các nút nhận S3, S4 kết nối không dây với AP). Như vậy các thực thể gửi đều nằm trên FH và các thực thể nhận (sink, null) nằm trên MH.
S0 S2 S1 AP TCP FTP Sink UDP CBR Phần không dây (WLAN) Phần có dây S3
Hình 4.10: Tô-pô mạng hỗn hợp WLAN + Internet khi truyền TCP, UDP Các đường truyền trong mạng LAN và WLAN có băng thông và độ trễ như nhau (10Mbps, 5ms). Băng thông và độ trễ của chặng LAN - WAN phụ thuộc vào khoảng cách giữa trạm phát và trạm nhận trong mỗi thí nghiệm.
(LAN+WAN)
Hàng
Đợi
Đường truyền internet S4 Null Vị trí chèn lỗi đường truyền
Kịch bản mô phỏng:
Sử dụng 2 nguồn phát TCP và UDP để truyền dữ liệu đến các đích khác nhau, trên đường đi, 2 luồng này sẽ tranh chấp tài nguyên mạng.
Thay đổi băng thông và độ trễ đường truyền Internet để thể hiện sự thay đổi tương ứng với khoảng cách truyền từ trạm phát đến trạm nhận trong 3 trường hợp: gần, trung bình, xa.
Dựa trên sự tranh chấp đường truyền từ nguồn đến đích của các luồng TCP và UDP để đánh giá hiệu năng của luồng TCP và UDP qua các tham số như: độ trễ trung bình của các gói tin các luồng, tỉ lệ gói tin được truyền thành công, độ lệch chuẩn của độ trễ.
Điều chỉnh KTHĐ (ngẫu nhiên và tăng dần) để khảo sát, đánh giá mức độ ảnh hưởng của nó đến các độ đo hiệu suất mạng.
Kết quả:
Bảng kết quả số liệu khảo sát mạng hỗn hợp khi sử dụng TCP và UDP
Các thông số đầu vào
Kích thước cửa sổ phát (Kb) 64
Các link LAN, WLAN 10Mbps, 5ms
Giới hạn hàng đợi (gói tin) Min = 1, Max = 512
Khoảng cách node-AP (m) 20
Thời gian khảo sát (s) 200
TCP hoạt động Giây thứ 10 đến giây thứ 180 của thời gian mô phỏng
Kích thước gói tin TCP (byte) 576
UDP hoạt động Giây thứ 5 đến giây thứ 160 của thời gian mô phỏng
Kích thước gói tin UDP (byte) 276
Tốc độ phát UDP (Mbps) 0,5
Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái với ma trận lỗi {0,6 0,4 / 0 1} Đường truyền WAN 1,5Mbps, 10ms 1,5Mbps, 20ms 1,5Mbps, 40ms
1. Kết quả khảo sát giao thức TCP (với KTHĐ = 4 Kb)
Số gói tin gửi 4527 4412 4327
Tỉ lệ truyền thành công (%) 96,13 96,63 97,2 Độ trễ TB của gói tin (s) 0,206495 0,216458 0,236791 Độ lệch chuẩn của độ trễ (s) 0,036483 0,03704 0,038039 2. Kết quả khảo sát giao thức UDP (với KTHĐ = 4 Kb) Số gói tin gửi 37842 Số gói tin đến đích 35877 35865 35837 Tỉ lệ truyền thành công (%) 94,81 94,78 94,70 Độ trễ TB của gói tin (s) 0,164316 0,172097 0,195475 Độ lệch chuẩn của độ trễ (s) 0,062362 0,070207 0,073675 3. Ảnh hưởng của KTHĐđến tham số hiệu năng. Kích thước cửa sổ phát (Kb) 64
Các link LAN, WLAN 10Mbps, 5ms (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giới hạn hàng đợi (gói tin) Min = 1, Max = 512
Khoảng cách node-AP (m) 20
Thời gian khảo sát (s) 200
TCP hoạt động Giây thứ 10 đến giây thứ 180 của thời gian mô phỏng
Kích thước gói tin TCP (byte) 576
UDP hoạt động Giây thứ 5 đến giây thứ 160 của thời gian mô phỏng
Kích thước gói tin UDP (byte) 276
Tốc độ phát UDP (Mbps) 0,5
Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái với ma trận lỗi {0,6 0,4 / 0 1} Đường truyền WAN 1,5 Mbps, độ trễ 10ms
Kích thước hàng đợi (Kb) 1 2 4 6 8 - Kết quả các tham số hiệu năng của luồng TCP Số gói tin gửi 3130 4277 4527 4594 4594 Số gói tin đến đích 2876 4094 4352 4421 4421 Tỉ lệ truyền thành công (%) 91,88 95,72 96,13 96,23 96,23 Độ trễ TB của gói tin (s) 0,200776 0,205143 0,206495 0,206197 0,206197 Độ lệch chuẩn của độ trễ (s) 0,035497 0,036139 0,036483 0,036987 0,036987 - Kết quả các tham số hiệu năng của luồng UDP Số gói tin gửi 37842 Số gói tin đến đích 36661 36143 35865 35799 35799 Tỉ lệ truyền thành công (%) 96,88 95,51 94,78 94,6 94,6
Độ trễ TB của gói tin (s) 0,139079 0,162137 0,164316 0,194240 0,194240 Độ lệch chuẩn của độ trễ (s) 0,089828 0,075027 0,062362 0,070071 0,070071
Phân tích kết quả mô phỏng:
Trong thí nghiệm này, việc truyền tin trên đường truyền hỗn hợp được thể hiện ở chỗ các thực thể gửi của các giao thức đều nằm trên FH (ở phần đường truyền có dây) còn các thực thể nhận nằm trên các MH (ở phần đường truyền không dây). Các trạm gửi, nhận gói tin TCP và UDP thông qua nhiều chặng truyền trong đó có chặng Internet, vì vậy mạng được xem là WAN trong đó bao gồm cả LAN và WLAN.
Với các mạng LAN và WLAN, độ trễ đường truyền sẽ nhỏ hơn nhiều so với mạng WAN. Theo thí nghiệm mô phỏng thì với đường truyền T1 của mạng WAN thì băng thông có thể đạt đến 1,5 Mbps và độ trễ của gói tin tùy thuộc vào khoảng cách giữa trạm phát và nhận (là gần, trung bình và xa tương ứng với độ trễ là 10ms, 20ms và 40ms).
Khi truyền tin bằng giao thức TCP và UDP, với đường truyền hỗn hợp và có độ dài lớn (thể hiện ở độ trễ của chặng Internet) thì nguy cơ gặp lỗi trên đường truyền của các gói tin là rất lớn. Các lỗi này chủ yếu do chặng không dây. Trong thí nghiệm, tôi đã sử dụng mô hình lỗi đồng đều cho chặng có dây (LAN và WAN) và mô hình lỗi Markov 2 trạng thái cho chặng không dây (WLAN) cho 2 luồng TCP và UDP. Các kết quả của thí nghiệm cho thấy rằng: khả năng thích ứng với đường truyền của giao thức TCP cao hơn UDP điều này thể hiện qua tỉ lệ phân phát gói tin thành công. Khi tăng trễ chặng Internet thì tỉ lệ phân phát gói tin luồng TCP tăng còn luồng UDP thì ngược lại. Ngoài ra việc tăng trễ này có tác động tỉ lệ thuận đến độ trễ trung bình của các gói tin và độ lệch chuẩn của độ trễ của luồng TCP và UDP, điều này phù hợp với lý thuyết.
Ảnh hưởng của KTHĐ của AP đến hiệu suất của mạng hỗn hợp:
Hàng đợi cho thí nghiệm mô phỏng này có dạng RED (Random Early Detection). Giới hạn nhỏ nhất của kích thước hàng đợi trung bình trong các gói
tin (thresh_ ) là 2 byte, giới hạn lớn nhất (maxthresh_ ) là 512 byte. Ước lượng kích thước gói tin trung bình (mean_pktsize_) là 500 byte và dùng để cập nhật việc tính toán kích thước hàng đợi trung bình sau thời gian nhàn rỗi. Như vậy, với dạng hàng đợi này, các gói tin được phát hiện và loại bỏ 1 cách ngẫu nhiên (khác với Drop tail là kiểu FIFO)
Lúc KTHĐ đợi nhỏ (1Kb), thời gian trễ trung bình của các gói tin (cả TCP và UDP) là thấp do không tốn thời gian chờ khi ở trong hàng đợi. Theo thí nghiệm thì các gói tin TCP có kích thước 576 byte (64 byte header), UDP là 276 byte (20 byte header) và có hiện tượng "nút cổ chai" khi đường truyền chuyển từ LAN, WLAN (10Mbps) sang WAN (1,5Mbps) nhưng hầu như được truyền thẳng 1 mạch từ nguồn đến đích do băng thông chung khá lớn (tính theo băng thông của đường truyền bé hơn (của WAN).
Với giao thức TCP:
Khi tăng KTHĐ, các nguồn phát TCP phản ứng với đường truyền bằng cách tăng dần số lượng gói tin phát để tận dụng thông lượng đường truyền và khả năng xử lý của mạng. Theo thí nghiệm, tỉ lệ phân phát gói tin thành công và độ trễ trung bình của các gói tin luồng TCP giá trị cực đại và bão hòa khi KTHĐ trong khoảng lân cận 6Kb, sau đó nó sẽ giảm tốc độ phát để tiến về giá trị bão hòa. Lúc này, mạng sẽ hoạt động ổn định.
Với việc tăng kích thước hàng đợi, hiệu suất đường truyền (với độ đo là tỉ lệ gói tin đến đích) được cải thiện rõ rệt thể hiện ở chỗ càng tăng KTHĐ thì tỉ lệ gói tin đến đích càng tăng nhưng rõ ràng là thời gian trễ trung bình cũng tăng đồng biến. Trong thực tế, kích thước hàng đợi phải đủ lớn nhưng không thể quá lớn vì có thể nó là nguyên nhân gây nên các gói tin drop do quá TTL.
Tuy nhiên, lúc KTHĐ đạt đến giá trị bão hòa (như thí nghiệm là 6Kb hoặc lân cận giá trị này sai số <1Kb) thì tăng KTHĐ hầu như không có tác dụng gì trong vấn đề cải thiện hiệu năng đường truyền (tôi đã thí nghiệm với việc tăng KTHĐ thành 7Kb, 8Kb, 16Kb, 32Kb).
Như vậy, đối với mạng hỗn hợp việc tăng KTHĐ của AP đến một giá trị nhất định để cải tiến hiệu năng đường truyền là một hướng đúng cho các cải tiến TCP (đại diện là Snoop-TCP), điều này đúng với các lý thuyết hàng đợi.
Với giao thức UDP:
Nguồn UDP phát trước TCP với tốc độ phát 0,5Mbps, kích thước mỗi gói tin là 267 byte, KTHĐ = 1Kb (tương đương với gần 4 gói tin) và thông lượng đường Bus (giữa S2 và AP) chỉ 1,5Mbps nên các gói tin UDP hầu như được truyền đi mà không bị lỗi (do quá TTL). Theo thí nghiệm tỉ lệ phân phát gói tin đạt giá trị cao nhất (96,88%) với KTHĐ là 1Kb.
Khi tăng dần KTHĐ, tỉ lệ phân phát gói tin UDP thành công bị giảm dần (nghịch biến) và độ trễ trung bình của các gói tin UDP tăng đồng biến, điều này hoàn toàn với lý thuyết. Do giao thức UDP không có cơ chế điều khiển và phòng chống tắc nghẽn và tốc độ truyền tin là cố định nên không có khả năng thích ứng với biến động trên đường truyền. Do đó khi tăng KTHĐ, nguy cơ các gói tin bị drop do quá TTL là rất cao, với kiểu hàng đợi RED số gói tin bị loại bỏ trước khi vào hàng đợi sẽ tăng lên; những gói tin UDP được phân phát thành công cũng sẽ có độ trễ trung bình lớn (nhỏ hơn TTL) và tăng đồng biến với KTHĐ.
Việc giảm tỉ lệ phân phát gói tin thành công và tăng độ trễ trung bình của luồng UDP sẽ bão hòa khi KTHĐ = 6Kb (hoặc lân cận giá trị này sai số <0,5Kb). Tôi đã thí nghiệm với các kích thước 6,5Kb, 7Kb, 8Kb, 9Kb, 12Kb nhưng kết quả vẫn không thay đổi.
Như vậy, trong mạng hỗn hợp với giao thức UDP thì tăng KTHĐ không phải là một giải pháp tốt nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng mạng.
KẾT LUẬN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Các vấn đềđược tìm hiểu trong luận văn.
- Tìm hiểu sự ra đời của mạng máy tính, LAN, WLAN, Internet; giao thức MAC của mạng LAN, WLAN; nghiên cứu đặc điểm của đường truyền không dây làm cơ sở để nghiên cứu, đánh giá hiệu suất mạng.
- Cơ chế điều khiển lưu lượng của mạng bằng giao thức TCP/IP và phản
ứng sai lầm của mạng với sự mất mát gói tin do lỗi; nghiên cứu các cải tiến TCP áp dụng cho mạng hỗn hợp LAN và WLAN.
- Tìm hiểu sâu ảnh hưởng của lỗi trên đường truyền không dây đến các tham số hiệu suất chính của các ứng dụng sử dụng giao thức giao vận TCP và UDP trên mạng WLAN kết nối với Internet.
- Tìm hiểu phần mềm Mô phỏng NS2 sử dụng để mô phỏng mạng LAN, WLAN và Internet; mô phỏng một số thí nghiệm để đánh giá hiệu suất của giao thức giao vận TCP và UDP trong mạng có phần mở rộng không dây để kiểm chứng các vấn đềđược nghiên cứu ở phần lý thuyết.
2. Hướng nghiên cứu tiếp theo.
- Nghiên cứu định lượng các tham số ảnh hưởng đến lỗi trên đường truyền phần không dây của mạng hỗn hợp để đóng góp vào nhóm giải pháp cải tiến giao thức TCP/IP nâng cao hiệu suất cho mạng hỗn hợp có dây và không dây nói chung.
- Các vấn đề liên quan đến Roaming client giữa các cell nhằm tối ưu hóa hiệu suất của mạng không dây.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
[1] Vũ Duy Lợi (2002), "Mạng thông tin máy tính", Nhà xuất bản Thế giới.
[2] Nguyễn Đình Việt (2008), "Đánh giá hiệu năng mạng máy tính" (dành cho các lớp Cao học) – Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
[3] Nguyễn Đình Việt (2003), “Đánh giá hiệu suất mạng thông tin máy tính”, Luận án tiến sỹ toán học.
[4] Nguyễn Hồng Sơn, “Giáo trình hệ thống mạng máy tính, CCNA Semester 1”, NXB Lao động- Xã hội, 2005.
[5] Nguyễn Đình Việt, (2002) "TCP Enhancements and Performance over Networks with Wireless Links"
[6] Dang-Hai Hoang. "Quality of Service Control in the Mobile Wireless Environments". PETER LANG Publisher, Frankfurt/M-Berlin-Bern-Bruxelles-New York-Oxford-Wien, ISBN 3-531-50578-7, US–ISBN 08204-6402-3, 2003.
[7] Cao Huy Phương, Hoàng Đăng Hải. "Congestinon Control in NGN - All IP network", tháng 10 năm 2005.
[8] L. Kalampoukas, A. Varma, and K. K. Ramakrishnan. "Explicit window adaptation: A method to enhance TCP performance. IEEE/ACM Transactions on Networking" 10(3):338–350, June 2002.
[9] D. Katabi, M. Handley, and C. Rohrs. "Congestion control for high bandwidth-delay product networks". Proceedings of ACM SIGCOMM’02, August 2002.
[10] M. Savori. "Improving congestion control in IP-based networks using feedback from routers". Technical Report TKN-04-008, July 2004
[11] Swastik Kopparty, Srikanth V. Krishnamurthy, Michalis Faloutsos, Satish K. Tripathi. "Split TCP for Mobile Networks".
[12] A. K. Jain and S. Floyd. "Quick-start for TCP and IP" Http://www.ietf.org/internet- drafts/draft-amit quickstart-02.txt, work in progress, Oct. 2002.
[13] D-M. Chiu and R. Jain. "Analysis of the Increase and Decrease Algorithms for Congestion Avoidance in Computer Network. Computer Networks and ISDN Systems", 1989.
[14] Elan Amir, Hari Balakrishnan, Srinivasan Seshan and Randy Katz, "Improving TCP/IP performance over wireless networks" Proc. 1st ACM Int'l Conf on Mobile Computing and Networking (Mobicom), November 95.
[15] "Network advanced modeling in NS-2", Giovanni Perbellini, 2005. [16] Kevin Fall and Kannan Varadhan “The NS Manual”. Jnly 23, 2008
[17] Miguel A. Labrador. Pedro M. Wightman “Topology Control in Wireless Sensor Networks”
[18] Xylomenos&polyzos (2001) "TCP Performance Issues Over Wireless Link"
[19] Balakrishnan (1997) "A Comparison of Mechanisms for Improving TCP Performance over Wireless Links"
[20] Jacobson (1988) "Congestion Avoidance and Control "
[21] Fall&Floyd (1996) "Simulation-based Comparisons of Tahoe, Reno, SACK TCP" (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[22] Bikram S.Bakshi, P.Krishna, N.H.Vaidya, D.K.Pradhan "Improving Performance of TCP over Wireless Networks"
[23] Các Website tiếng Việt. - http://wifipro.org - http://www.quantrimang.com - http://www.pcworld.com.vn - http://www.tapchibcvt.gov.vn - http://www.ebook.edu.vn - http://vi.wikipedia.org/wiki/LAN#L.E1.BB.8Bch_s.E1.BB.AD [24] Các Website tiếng Anh
- http://wndw.net (Wireless Networking in the Developing World) - http://www.isi.edu/nsnam. - http://www.isi.edu/isixcp/ index.html - http://www.ana.lcs.mit.edu/dina/XCP - http://www.iponair.de/ - http://www.langamers.it/ttt/ing/lenzini/congestion_avoidance.doc - http://en.wikipedia.org/wiki/LAN#History