Bộ giao thức TCP/IP gồm TCP, một giao thức lớp truyền tải, và IP , một giao thức lớp Internet/Mạng. IP và TCP là 2 giao thức khụng thể tỏch rời nhau. Việc gỏn địa chỉ và định tuyến là cần thiết để dữ liệu cú thể truyền đƣợc trờn mạng, nhƣng cần phải cú một lớp cao hơn lớp Internet kết hợp với IP thỡ dữ liệu đến đớch một cỏch chớnh xỏc, đú chớnh là giao thức TCP [4], [5].
Khi mạng đang bị nghẽn, việc kết nối để truyền tải một lƣợng dữ liệu lớn qua nú sẽ gặp khú khăn. Khi đú trễ của mạng sẽ tăng lờn, cỏc router bắt đầu xếp hàng, cỏc datagram cho đến khi chỳng đƣợc định tuyến và đƣợc gửi đi. Do khả năng lƣu trữ của cỏc router là cú hạn nờn cỏc datagram phải “cạnh tranh” nhau để vào đú. Trong trƣờng hợp xấu nhất, tổng số datagram gửi đến bộ định tuyến (bị nghẽn mạch) tăng lờn cho đến khi bộ định tuyến đạt đến khả năng lƣu trữ tối đa và bắt đầu huỷ bỏ những datagram đến sau. Cỏc điểm đầu cuối thƣờng khụng biết chi tiết về nơi xảy ra nghẽn mạch hoặc tại sao nghẽn mạch lại xảy ra. Đối với chỳng sự nghẽn mạch chỉ đơn giản là trễ tăng. Hầu hết cỏc giao thức lớp transport sử dụng bộ đếm thời gian và phƣơng phỏp truyền lại, do đú chỳng phản ứng lại với trễ lớn bằng cỏch truyền lại cỏc datagram. Việc truyền lại này khụng những khụng giải quyết đƣợc vấn đề này mà cũn làm tồi tệ hơn sự nghẽn mạch. Giao thức TCP sử dụng cơ chế nhận tớch luỹ và do đú nơi nhận gúi sẽ thụng bỏo sẽ
khụng thể bỏo cho phớa phỏt cỏc gúi bị mất, phải đợi cho đến khi cửa sổ đầy và bộ định thời thụng bỏo về sự cố trong hệ thống. Điều này, cú nghĩa là khi cú lỗi xảy ra trong một đoạn của cửa sổ thỡ sẽ phải thực hiện truyền lại toàn bộ cửa sổ đú. Trong cỏc mạng cú độ trễ lớn, kớch thƣớc cửa sổ sẽ cú xu hƣớng lớn hơn cho nờn khả năng xảy ra lỗi đoạn (và do đú gõy ra lỗi cửa sổ) sẽ tăng hơn và số cửa sổ phải truyền lại cũng nhiều hơn dẫn đến hiệu năng của mạng cú thể giảm một cỏch đỏng kể [4], [16], [22].
Về nguyờn tắc, cỏc phƣơng phỏp điều khiển tắc nghẽn mà TCP sử dụng cố gắng khắc phục hiện tƣợng tắc nghẽn bằng cỏch phỏt hiện ra tắc nghẽn và giảm tốc độ truyền dẫn. Cỏc phƣơng phỏp điều khiển tắc nghẽn của TCP [4], [14], [20]:
Khởi đầu chậm
Trỏnh tắc nghẽn
Truyền lại nhanh
Khụi phục nhanh
Phƣơng phỏp 1, 2 cho phộp TCP tăng tốc độ truyền dẫn mà khụng làm tắc cỏc router trung gian. Phƣơng phỏp 3, 4 cho phộp TCP nhận ra và khụi phục cỏc gúi tin bị mất nhanh và hiệu quả.
Ứng với 4 phƣơng phỏp là 4 thuật toỏn điều khiển tắc nghẽn và là 4 pha của một kết nối TCP.
a. Phương phỏp khởi đầu chậm và trỏnh tắc nghẽn[4], [14], [20]
í tƣởng của phƣơng phỏp khởi đầu chậm là giảm cửa sổ phỏt khi cú tắc nghẽn và phỏt lại với kớch thƣớc cửa sổ tăng dần cho tới mức cực đại khi cú thể. Đối với mỗi kết nối, TCP phải nhớ kớch thƣớc cửa sổ của nơi nhận (nghĩa là kớch thƣớc vựng đệm đƣợc thụng bỏo trong ACK). Để kiểm soỏt việc nghẽn mạch, TCP duy trỡ một giỏ trị tới hạn thứ hai gọi là cửa sổ nghẽn mạch, đƣợc dựng để giới hạn lƣợng dữ liệu ở mức ớt hơn kớch thƣớc
vựng đệm của nơi nhận khi xảy ra tắc nghẽn. Nghĩa là: tại một thời điểm bất kỳ, TCP duy trỡ một cửa sổ cú kớch thƣớc:
Kớch thước được phộp = min (kớch thước thụng bỏo, kớch thước cửa sổ nghẽn mạch)
Trong trạng thỏi ổn định của một kết nối khụng bị nghẽn mạch, cửa sổ nghẽn mạch đú cú cựng kớch thƣớc với cửa sổ nơi nhận. Việc giảm bớt kớch thƣớc cửa sổ nghẽn mạch sẽ làm giảm bớt lƣu lƣợng TCP thực hiện trờn kết nối. Để ƣớc lƣợng kớch thƣớc cửa sổ nghẽn mạch, TCP giả định rằng hầu hết cỏc datagram bị mất là do nghẽn mạch và ỏp dụng phƣơng phỏp giảm kớch thƣớc cửa sổ nghẽn mạch theo cấp số nhõn cho tới khi kớch thƣớc là một segment.
Khi khụng cũn nghẽn mạch thỡ bắt đầu sử dụng phƣơng phỏp khởi đầu chậm. Ban đầu phớa phỏt TCP gửi đi một segment (datagram) và chờ tớn hiệu bỏo nhận (ACK). Khi nhận đƣợc tớn hiệu ACK đầu tiờn, TCP tăng kớch thƣớc cửa sổ nghẽn mạch lờn thành 2, gửi đi 2 segment và đợi. Khi nhận đƣợc 2 tớn hiệu ACK kế tiếp, mỗi tớn hiệu ACK tăng kớch thƣớc cửa sổ nghẽn mạch thờm 1 và nhƣ vậy TCP cú thể gửi 4 segment vào lần tiếp theo. Những gúi tin xỏc nhận ACK cho cỏc segment này sẽ gia tăng kớch thƣớc cửa sổ nghẽn mạch lờn thành 8. Nhƣ vậy chỉ trong 4 vũng, TCP cú thể gửi đi 16 segment và đõy là kớch thƣớc nơi nhận. Ngay cả đối với những cửa sổ thật lớn, chỉ cần sau log2N vũng lặp TCP cú thể gửi đi N segment. Để trỏnh việc gia tăng kớch thƣớc cửa sổ quỏ nhanh gõy thờm sự nghẽn mạch, TCP gia tăng thờm sự rằng buộc, đú là: Khi cửa sổ nghẽn mạch đó đạt đến một nửa kớch thƣớc ban đầu trƣớc khi xảy ra nghẽn mạch, TCP chuyển sang giai đoạn trỏnh tắc nghẽn và làm chậm lại quỏ trỡnh gia tăng. Trong suốt giai đoạn trỏnh tắc nghẽn, TCP chỉ ra tăng kớch thƣớc cửa sổ nghẽn mạch thờm 1 sau khi tất cả cỏc segment trong cửa sổ đó nhận đƣợc xỏc nhận ACK.
b. Phương phỏp truyền lại nhanh và khụi phục nhanh[4], [14], [20]
Từ tớnh chất thu cỏc ACK, thuật toỏn truyền lại cho phộp phớa phỏt nhận dạng và truyền lại một đoạn bị mất trƣớc khi thời gian tạm ngƣng kết thỳc. Vỡ dũng số liệu khụng bị ngắt bởi thời gian tạm ngƣng, phớa phỏt cú thể kết luận rằng nghẽn khụng phải là vấn đề và thuật toỏn khụi phục nhanh ngăn khụng sử dụng cửa sổ nghẽn bằng cỏch trở lại khởi đầu chậm. Phƣơng phỏp truyền lại nhanh chỉ cú thể trả lời cho một đoạn bị mất trờn một cửa sổ phỏt. Nếu cú nhiều đoạn mất, cỏc đoạn cũn lại khởi động cơ chế khởi đầu chậm. Một gúi tin đƣợc truyền lại nếu nhƣ khoảng thời gian nhận đƣợc gúi tin trả lớn hơn khoảng thời gian chờ truyền lại RTO.
Khi cỏc gúi tin đến đớch khụng đỳng thứ tự, phớa thu tạo ra cỏc gúi tin xỏc nhận ACK cú chỉ số ACK giống nhau. Mục đớch của việc làm này là phớa thu muốn thụng bỏo cho phớa phỏt biết đƣợc cỏc gúi tin đến khụng đỳng thứ tự và số thứ tự của gúi tin mà phớa thu cần nhận đƣợc. Khi nhận đƣợc cỏc gúi tin cú chỉ số ACK trựng nhau, phớa phỏt cho rằng điều này là do một trong những nguyờn nhõn sau đõy:
Gúi tin đú bị mất trong mạng.
Do sự thay đổi thứ tự của cỏc gúi tin trong mạng
Do sự tỏi tạo lại gúi tin trả lời của mạng.
Nhƣ vậy, gúi tin đú vẫn cú thể cũn tồn tại trong mạng, hơn nữa phớa thu chỉ cú thể tạo ra gúi tin xỏc nhận ACK nếu đó nhận đƣợc một gúi tin tới đớch. Tức là tỡnh trạng của mạng lỳc này khụng hẳn là tắc nghẽn hoàn toàn. Do đú, phớa phỏt khụng cần thiết phải sử dụng phƣơng phỏp khởi đầu chậm vỡ nhƣ vậy gõy nờn lóng phớ độ rộng băng tần. Sau khi phớa phỏt nhận đƣợc 3 gúi tin xỏc nhận ACK liờn tiếp cú chỉ số ACK giống nhau, thuật toỏn khụi phục nhanh và truyền nhanh đƣợc khởi động.
2.6. Kết luận
Trờn đõy là những nguyờn tắc hoạt động cơ bản của giao thức TCP/IP. Với những nguyờn lý hoạt động đú, giao thức TCP/IP cú thể thực hiện đƣợc ƣu điểm khi đƣợc ỏp dụng ở những kết nối IP đƣợc thiết lập trong cỏc mạng mặt đất. Cỏc mạng IP hiện nay đang truyền tải nhiều dạng dữ liệu khỏc nhau, từ thƣ điện tử cho tới cỏc ứng dụng thời gian thực. Tất cả cỏc loại lƣu lƣợng khỏc nhau này tớch hợp trờn cựng hạ tầng mạng, ở đú xử lý cỏc loại gúi tin nhƣ nhau. Núi cỏch khỏc tất cả cỏc dữ liệu trong mạng IP đều cú cựng độ ƣu tiờn. Mạng khụng quan tõm dữ liệu là loại gỡ, của ai và mức độ cần thiết là nhƣ thế nào. Vỡ vậy, mạng này hoạt động tốt khi lƣu lƣợng trờn mạng thấp.
Nhƣng với việc khụng chủ động băng thụng (băng tần cố định khụng cú sự mở rộng) thỡ khi lƣu lƣợng tăng sẽ gõy ra hiện tƣợng nghẽn mạch, và lỳc này mạng sẽ phải bỏ đi một số gúi tin. Trong trƣờng hợp đú thụng tin sẽ bị trễ hoặc hỏng và đặc biệt một số thụng tin đƣợc coi là quan trọng hơn lại khụng đƣợc phục vụ. Và đú chớnh là hạn chế của IP .
Chớnh việc khụng chủ động đƣợc băng thụng gõy hiện tƣợng nghẽn mà khi sử dụng giao thức IP ở những kết nối vệ tinh, đó bộc lộ một số nhƣợc điểm và đƣợc phõn tớch kỹ ở chƣơng 3.
CHƢƠNG 3. NGHIấN CỨU TRUYỀN IP QUA VỆ TIINH ĐỊA TĨNH
3.1. Giới thiệu
Định tuyến lƣu lƣợng Internet trờn mạng mặt đất thƣờng bị hạn chế băng thụng, tắc nghẽn cỏc tuyến ảo và cỏc đƣờng trục Internet khi lƣu lƣợng tăng đột ngột với hàng vạn mỏy tớnh đƣợc nối mạng mỗi ngày. Cỏc gúi IP xếp hàng tại cỏc tuyến nghẽn, cỏc bộ định hƣớng thụng minh phải tỡm cỏc tuyến và đƣờng truyền Internet để cho cỏc gúi IP đi qua, sau đú chỳng đƣợc định tuyến theo kiểu xếp hàng chờ hoặc theo một cỏch nào đú vớ dụ kiểu dịch vụ ToS (Type of Service). Khi khoảng cỏch giữa nguồn dữ liệu và đớch đến tăng lờn, nghĩa là gúi dữ liệu IP phải truyền qua nhiều điểm định tuyến, cuộc nối ảo và khả năng nghẽn cú cơ hội xảy ra [4].
Để loại bỏ hiện tƣợng đú ngƣời ta dựng đƣờng truyền vệ tinh địa tĩnh với khoảng cỏch 36000 km để cung cấp đƣờng truy cập trực tiếp, liờn tục từ vệ tinh tới một vựng rộng lớn trờn bề mặt trỏi đất tuỳ theo loại chựm tia phủ súng. Chựm tia phủ súng của vệ tinh truyền đƣa dữ liệu trờn nền IP chỉ qua một bƣớc nhảy (tối thiểu hoỏ điểm định tuyến) tới một hay nhiều vị trớ trong cựng vựng phủ của chựm tia vệ tinh [7], [21].
Khi sử dụng mạng mặt đất khụng cho phộp cung cấp cuộc nối IP từ một điểm đến nhiều điểm. Muốn chuyển lƣu lƣợng từ một điểm đến nhiều điểm trong cỏc mạng mặt đất yờu cầu phải truyền đƣa cựng một lỳc một loại dữ liệu đến nhiều mỏy chủ dọc theo cõy truyền dẫn và tỏi tạo lại khối dữ liệu IP. Túm lại, cỏc bộ định tuyến phải liờn tục kiểm tra từng mỏy chủ thành phần trờn mạng để khụng tỏi tạo lại cỏc khối dữ liệu IP khụng cần thiết và chuyển cỏc khối dữ liệu IP cần thiết đến cỏc mỏy chủ [4].