4 .] 3 New-Reno TCP
5.1 Phátlại cục bộ thông minh
Để làm rõ ý nghĩa cùa việc phát lại cục bộ. chúng tôi xin đưa ra một thí dụ cụ thể về kốl nối TCP trong mạno không đồng nhắt, có một chặng không dây, dược minh ìoạ trên hình 5.1.
Người nhân trên máy tính di đon?
— f • \ r
[ lình 5.1 Kêt nôi TCP trons mạng khôn G đông nhât có một chặng không đây jiâ sử, tỏ-pỏ và các tham số của mạno như sau:
» K ci nổi siừa s và R đi qua một chặns không dây, liên kết trạm cơ sở với người
nhạn trên máv tính di độn2. Dài thôns của đườĩis truvền nàv là 2Mbps, khoâna
Kết nối TCP
Ngưầi gửi trên máy tính
cổ đmh (Base station)Trạm cơ sở
Chặng không dây (wưeless hop)
• Trona phần mạns có day, kết nổi đi qua 5 chặng, nút dầu là 1，nút cuối là 6; các chặng có cùng chiều dài I OOOkm và dải thông 1.5Mbps.
• Kích thước gói tin TCP bàng 1000 byte, gói biên nhận bàng 40 byte. Kv hicu:
• 丁丨ran là thời gian phát (transmit) gói tin tại mồi nút của phần mạng có dây. • T lriỉn WL là thời eian phát oỏì tin lên đường truyền không dây.
• 「pmp thời sian trễ truyền (propagation delay) trên một chặng có dây.
• T prop W| l à t h ờ i Gi an t r ê t r u y ê n t r ê n c h ặ n g k h ô n g d â y .
• TC2c là thời gian trễ của kết nối, khi gỏi tin đi từ s đến R.
• ^ ack là thời gian trề của kết nối, khi biên nhận đi từ R trở về s. • RTT là thời gian khứ hồi (đầu cuối - đầu cuối).
• R ÍTvvi là thời oịan khứ hồi cục bộ (trên chặns khôns dây).
, y
Từ các tham sô trẽn, có thê tính được:
T _ = 5ms (1000 byte X 8 b it/b y te / (1.5 X 2 20 b it/s ))
rr tran W I. = 3 , 8 m s ( 1 0 0 0 b y t e X 8 b i t / b y t e / ( 2 X 2 20 b i ư s ) )
T prop : 5ms ( 1 OOOkm í 200.000km/s)
Tprop \VI. = l,25|^s (0 .2 5 km / 2 0 0 .0 0 0 km /s)
T toc = 5 X (5m s + 5m s) + 3，8ms + l，25|iS ^ 54ms. (ch ú n g tô i bò qua th ờ i
gian xử !v cũng như thời gian xếp hàng chờ được phát đi tại các nút). 丁 ack = 5 X (0 ,2 m s + 5 m s) + 0 , 1 5m s + 1，25)LIS ^ 26m s. (T ín h tư ơ n g tự n h ư đối
với Te2e，nhưng lấy kích thước gói tin biên nhận là 40 byte).
R T T 欠 T C2c + T C2e ack % 54m s + 26m s ^ 80m s. (5-1)
RTT、vL 二 3,8ms + 1,25LIS + 0, ] 5ms + 1，25|ÌS ^ 4ms (tính tương tự R ÍT ).
Phát lụ i tỉi' nguồn S} theo cơ chế điều khiển h rii lượng ciia TCP:
Nếu gói tin được chuyển từ s đến R khôna bị lồi, R sẽ nhận được sau 54ms. Nếu
ịó ị tin bị mẩt trỏn chặna khỏnii dây, theo cơ ché diều khiển lưu lượn2 của TCP, s sẽ
3hát lại sau khoảng thời eian RTO = 2.RTT = 160ms. Như vậy, nếu gói tin phải •)hát lại nìột lần. thi tốrm thời gian cần đẽ eìri izói lin dó Ù1. s dán R là 160ms + 54ms
= 2 14ms, gấp khoản ũ 2,7 lần (214/80) so với trường hợp không có lỗi đường truyền. (Chúng tôi so sánh với thời gian trề 80ms của gói tin khi truyền không lỗi và kích thước cửa sổ bàng 1 • Khi cửa sổ phát tăns lên, thời gian trễ trung bình của gói tin giảm di, tiến tơi cận dưới là 54ms).
Nếu ạói tin phát tại lại bị mất hoặc lỗi，s sẽ bị hết giờ sau 2 X 160ms = 320ms (thực hiện chính sách rút lui theo hàm mũ) và thực hiện phát lại. Nếu lần phát lại thừ hai nàv thành côn2, thi thời oi an tổne cộno để ơìri gói tin từ s đến R là 320ms + 160ms + 54ms = 534ms, gấp khoảng 6,7 lần (534/80) so với trường hợp đường truvền klìôns có lỗi.
Phái lụ i cục bộ trên chặng không dãy:
ệ 、
Nêu trạm cơ sờ thực hiện phát ỉại hộ bên gửi s, nó cân o\u bản sao các gói tin đã
t r ^
ẹửi cho R và tính thời gian hêt giờ cục bộ trên chặng không dây. Nêu bị hêt giờ, trạm cơ sở sẽ phát lại gói tin. Việc phát lại cục bộ nhờ trạm cơ sở，nếu ngay lần thứ nhất clĩì thành công, cần »12ms (2.RTT\VL + Ttran WL=1 l,8ms), nếu cộng với thời gian íìỏi tin được gửi từ s dến trạm cơ sờ là 50ms, thì tổng thời gian cần thiết bằng
r 、
62ms, chứ khôns phải là 2 14ms nêu do bên gửi s thực hiện. Như vậy, thời gian cân để phát lại giảm xuống chỉ còn bằng 29% (62/214).
Nếu làn phát lại thứ nhất thất bại, giả sử trạm cơ sở cũng thực hiện rút lui theo hàm mũ như trên; gói tin sẽ được phát lại làn thứ hai sau 2.2.RTTwLms = 16ms. Nếu lần phát lại thứ hai này thành côrm, thì thời gian tổnc cộng để gửi gỏi tin từ s đến R là 62ms + 16ms = 78ms. So với việc phải phát lại 2 lần từ bên gửi s, hết 534ms，thời gian cân đê phát lại giảm xuông chỉ còn 15% (78/534).
r f \
Theo thuật toán trên, nêu một gỏi tin phải phát lại đên lân thứ n mới thành công,
•9 ,
thi tôns thời gian đê phát gói tin đỏ trên chặng không dây là:
t 2xRTT^ x2^ ms + T _ 肌 而 = Ỳ R T T W 腊 + T _ 肌 rns (5-2)
1=1 /^!
t •/
Sir đụng độ với cơ chẽ phát lạ i kiêu end-to-end của TCP:
1 h e o (5-2). n ế u t r ạ m c ơ s ơ p h ả i p h á i lại d c n l ầ n t h ứ 4 v à l ầ n n à v t h à n h c ô n ạ . t hì
đâ bị hết RÌỜ (R r o của bẽn gửi bans 160ms) và phát lại chính gỏi tin mà trạm cơ sờ cố oáne phát lại. Sự kiện này được các nhà imhiên cứu gợi là sự đụng độ giữ a cơ chế p h ủ i lạ i cục bộ với cơ chế phát lụ i của giao thức TCP hoặc sự tương tác đồng
X ___ • \
hô (timer interactions) [18]. Đây là một vân đê nehiêm trọng, phá vỡ nguyên lý bảo
toàn gói tin mà cơ chê điêu khiên lưu lượng của TCP cân phải tuân theo. A7/(/// xét:
Thí dii trên đâ cho thấy rõ，phát lại cục bộ trên chặns khônơ day làm giám thời
g i a n p h á t lại s ỏ i t i n bị l ồ i r ấ t n h i ề u l ầ n , đ i ề u đ ó d ầ n đ ế n t ã n g t h ô n s l i r ợ n e； c ủ a k ế t
nôi và giảm thời gian trê trung bình của các gói tin được vận chuyên qua kêt nôi. Thí dụ trên cuns dã chỉ rõ vấn đề đụne, độ aifra hai cơ chế phát lại cục bộ và phát lại từ bên m'ri; vi vậy cần phải có giải pháp giảm thiểu khả năng đụng độ giữa hai cơ
r / ✓ r X % 、
chê. Thực tê, còn một sô vân đê khác nữa cân phải nghiên cứu và đê ra cách giải quyết. Chẳng hạn, trên chặng không dây, do tỉ suất lỗi của đường truyền không dây liên tục thay đôi trong một miên rât rộng, vậy phải tính ước lượng thời gian khứ hôi như thế nào lả tốt nhất.
5J.1 Thuật toán tính th ò i gian hết giò* để phát lại cục bộ
Phái lại cục bộ thông minh là giải pháp phát lại cục bộ trên chặng không dây, vừa có thể tránh dược đụng độ với cơ ché phát lại của TCP, vừa tăng được thông lượng
〜 f 9
và giảm thời gian trê trung bình của gói tin đi qua kêt nôi v.v. Nói chung, các nghiên cứu vê phát lại cục bộ thông minh đêu liên quan đèn việc tính thời gian hêt
giờ đê phát lại, có tính đên sự thay đôi các đặc trưng của đường truyên khône dây.
• ， ___ _______ 9
Thuật toán tính thời gian hêt giờ đê phát lại trong giao thức TCP có dạng tông quát như sau [8], [26], [49]:
RTO = m in[U B O U N D ,m ax[LB O W D ,(S R TT + 4.D)]] (5-3)
T ro nạ, dỏ:
• SR1T = ct.SRTT 十 （l-a ).R T T là ƯỚC lượim thời sian khứ hồi được làm trơn; SRTT (Smooth RTT) được cập nhật mỗi khi có một gói tin được biên nhận.
• D = a.D + (l-a).|SRTT-RTTỊ là độ lệch thời eian khứ hồi được làm trơn, đã được giải thích tại tiểu mục 1.3.2.4. Giống như SRTT, D được cập nhật mỗi khi có một gói tin được biên nhận.
• UBOLJND là giới hạn trẽn của RTO. • L BOUND là RÌỚi hạn dưới của RTO.
• a là hệ số làm trơn của bộ lọc tính SRTT và D.
Như vậy, nghiên cứu vê phát lại cục bộ thông minh sẽ bao gôm việc nghiên cứu cách xác định giá trị của các tham sổ RTT，SRTT，D, UBOUND, LBOƯND và a，
sao cho hiệu năniì cùa TCP là cao nhất.
5.1.2 Đồng hồ phát lại (Retransmission T im er)
Đông hô là các mô-đun chương trình thực hiện đêm giờ theo một đơn vị thời gian nhất định, dựa trên đồne hồ của hệ thốne máy tính. Các đơn vị đồng hồ sẽ phát tín hiệu ngăt (interrupt) môi khi đạt tới một giá trị định trước. Với môi kêt nôi TCP, thực thê gửi/nhận phải quản lý một sô đông hô, sử dụng cho việc thực hiện đúng các chức năng cùa nó. Trong sô các đông hô, quan trọng nhât là Đông hô Phát lại
•* r /
(Retransmission timer). Khi thực thê gửi của một ket nôi TCP gửi đi một gói tin, nó sẽ đặt dồng hồ bằng giá trị RTO，được tính theo thuật toán (5-3) và đồng hồ bắt đầu đếm lùi. Nếu biên nhận đến trước khi đồng hồ lùi về 0，thì đồng hồ sẽ dừng lại. Nếu đồng hồ lủi đến 0 mà vẫn chưa có biên nhận cho gói tin gửi đi, đơn vị đồng hồ sẽ kích hoạt thủ tục phát lại gói tin, sau đó đồng hồ sẽ được đặt lại giá trị mới, theo thuật toán rút lui theo hàm mũ (đã trình bày tại tiểu mục 1.3.2.4 Tính thời gian khứ hồi một cách thông minh).
Việc chọn dơn vị thời gian (tick) cho các dồng hồ là rất quan trọng. Đơn vị thời
21 an càng nhả tlụrc thể TCP sẽ cànc bị 2；ọi nsát nhiều hơn, sỉr dụrm côns suất của )ộ \ứ lý và tiêu hao năne lượn辽 nhiêu hơn (Trons các máy phục vụ - server, sô kêt lố i TCP có thố lên dến hàng nghìn, vấn dề trên càns có ý nghĩa quan trọna). Việc :họn đơn \ ị thời eian lớn sẽ tránh được các vấn đề nêu trên, tuy nhiẽn khi sử dụno :ác dồng hồ II à \ dẻ tính các dại lưựne nhu. RTT. SR IT. RTO, sẽ kém chính xác.
làm oiàm hiệu nãna, thậm chí có thê dân đẻn các phản ứng sai lâm của TCP, chăng hạn phát lại 2Ói tin quá chậm trẻ. N h ư vậy, chúng ta cân p h ả i theo nguyên íăc chung là : Chọn đơn vị thời gian của đông hô càng lớn càng tôty nhưng vân p h ả i đảm bảo sự hoạt động hiệu quả cùa TCP.
9 t
Trong giao thức TCP được cài đặt trên các máy tính kêt nôi với mạng Internet tìTiyên tlìône (có dây), nsười ta thường sử dụng đơn vị thời gian của đông hô phát lại (thườim dược gọi là retransmission tim er granularity) nhỏ hơn giá trị trung bình
của R TT đo được trên Internet khoảng 1 bậc. Tất nhiên giá trị trung bình đó cũng thay đổi cùng với sự mờ rộng của Internet và sự tiến bộ của các công nghệ truyền thông. Tron a siai doạn đầu, nẹười ta thườn e chọn aiá trị cho đơn vị trên bằns;
、 »
50()ms [ 16], [18J, [35]; trong những năm gân đây, người ta đã đưa ra các khuyên nghị sử dụng các giá trị đồng hồ nhỏ hơn, nằm trong khoảng từ 100..500ms [14], [17], [18]，[34].
Nghiên cứu của ch ỉm g tô i:
— Xác dịnh nguyên tác chọn đơn vị thời gian của đồng hồ phát lại cục bộ cho snoop TCP (trình bày tại 5.3.3.2).
、 ， • •
— Nghiên cứu băng mô phỏng, đê tìm ra siá trị tôt nhât cho đơn vị thời gian của đồng hồ phát lại cục bộ (trình bày tại 5.5.3).
5.2 M ô hình lỗi (E rro r Model) của đưòng truyền không dây
Xác định các đặc diêm lôi của đường truyên không dây là một việc rât quan trọng, bởi vì đó là một trong sô ít các tham sô quan trọng nhât ảnh hưởng đên tât cả :ác tầng của bộ giao thức mạng. Người ta đã nghiên cứu bằng thực nghiệm các đặc điểm lỗi của dường truyền không dây và lập mô hình toán học biểu diễn chúng, các mô hình này được gọi là mô hình lỗi. Các mô hinh lỗi được sử đụng phổ biến hiện nay là mô hình lồi đồng đều, mô hình lỗi Markov hai trạng thái và mô hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến. Các mô hình lồi có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc nghiên cửiL dánh giá hiệu năns mạnơ bàn2 mô phỏĩm, bởi vì chúns có thể áirợc thực hiộn ba nu chirơrm trình máv tính [13]. [32].
5.2.1 Mô hình lỗi đồn g đều (Uniform E r r o r Model)
Đây là mô hinh lôi đơn giản nhât, tron a đó lôi được phân bô đêu, Đơn vị tính lôi
鬌 ， 肀
có thê lả gói tin, cũng có thê là byte hay bit. Mô hình này có nhược đi êm là không
y ，
phản ánh được tính bùns; nô của lôi đường truyên không dây; chính vì vậy nó thượna chỉ được sử dụníĩ tronẹ các nạhien cứu nhằm đạt được các kết quả có tính chát dịnh tính.
5.2.2 Mô hình lỗi M arkov hai trạn g thái (Two-state M arkov E r r o r Model)
Hình 5.2 Mô hình lồi Markov hai trạng thái
Mô hình lỗi Markov hai trạng thái được thể hiện trên hình 5.2. Theo mô hình này, đường truyên có hai trạng thái là tôt 一 Good và xâu 一 Bad. Trong trạng thái Good, tất cả các gỏi tin đi qua đường truyền đều không bị lồi; còn trong trạng thái Bad, tất cả các gói tin đi qua đường truyền đều bị lỗi. Nếu độ dài trung bình của
I , t \
trạng thái Good là L(； (bãng sô gỏi tin liên tiêp truvên thành công), ở trạns thái Bad
_ / F y
là ]^[ị (bãng sô gói tin lien tiêp truyên bị lôi) thì các xác suât chuyên trạna thái được
tính nhu* sau:
• Xác suât c h u y ê n từ trạng thái Good sang trạng thái Bad: PGĐ = 1/Lc,
t f
• Xác suât chuyên từ trạng thái Bad sang trạng thái Good: PBG = 1/LB Các xác suât chuyên là không nhớ; nhờ tính chât quan trọng này mà trong mô hinh, việc chuyển trạng thái có thể thực hiện đối với từno gói tin. Mô hinh lỗi Markov hai trạng thái mô tả được tính bùng nổ của lỗi đường truyền khôns; dây, chính xác hơn mô hình lôi đông đêu: tuy nhiên, mô hình này cung chưa mô tả được diinh xác tất cả các trạng thái lồi dường truyền，Do tính dơn giản nẻn mô hình lỗi Markov hai trạng thái thường được sứ dụ ne trone nehièn cứu. kể cả nahicn cửu
5.2.3 M ô hình lỗi M a rk o v hai trạ n g thái cái tiến
Mô hinh lồi Markov hai trạnu thái cài tiến được minh hoạ trên hình 5.3. Mô hình nàv cỏ hai trạnạ thái là tốt 一 Good và xấu - Bad. Trons trạns thái Good，các sói tin đi qua đường truyên vân cỏ thê bị lôi với một giá trị trung bình và theo một phân bô nhất định, được chỉ rõ. Tương tự như vậy. trong trạng thái Bad, không phải 100%
oỏị tin di qua cỉườnẹ truyên dêu bị lôi.
Pgb = t ^ kG > Ả B Pbg = t ^
Hỉnh 5.3 Mô hỉnh lỗi Markov hai trạng thái cải tiến
Các tham sô của mô hình lôi Markov hai trạno thái cải tiên có ý nơhĩa như sau:
• • • 〜 \
• Xq và 入B là tôc độ đên trung bình của gói sô liệu bị lôi khi đường truyên ở hai trạng thái tương ứna là Good và Bad, chím2 có một phân bố nào đó, thí dụ phân bô đêu hoặc phân bô hàm mũ.
• T g và 丁B là độ dài trung bình của các trạng thái tương ứng Good và Bad. 丁G và
T b tương tự Lg và Lịị trong mô hình lỗi Markov hai trạng thái, có đơn vị đo là
gỏi tin (nên >1).
• p(;tì = 1,Tg là xác suất chuyển từ trạng thái Good sang trạng thái Bad. • P g g = 1- P(iB là xác suất ở lại trạng thái Good.
• PBG = 1 /1[Ị là xác suất chuyển từ trạna thái Bad sans trạn^ thái Good. • PnB = 1- PBG là xác suất ờ lại trạns thái Bad.
Các tác giả ctìa [15] dà sử dụng cách tiếp cận dựa trên vết (trace) để shi lại. phân tích và xác thực các thông tin về sự mất gói số liệu trên đườns truyền không dây. Họ sử dụne các kct qua phãn tích thôna kẻ sô liệu vẻ lỏi trên mạns thực làm các ;ham sô đau \ào (input) cho các mô hình lôi. ròi sử đụns các mô hình lôi này tronu
、 ' r
mô phỏng; dông thời so sánh với kêí quả mô phỏng chạy theo vêt. Các tác giả đã chỉ ra ranç, so với các kêt quả mô phòna chạy theo vêt, kêt quả mô phòng sử dụng các mô hình lỏi Dồna dều, Markov hai trạng thái và Markov hai trạng thái cải tiến có độ sai khác tươne ứng là 21% 13% và 5%. Như vậy, mô hình lồi Markov hai trạng thái cải tiến phản ánh chính xác hơn đặc tính lỗi đường truyền không dây trong thực tế, nói churm đáp ứnạ được yêu cầu của việc nghiên cứu định lượng. Chính vi vậy. hiện ỉYả\ mô hình lôi Markov hai trạns thái cải tiên đana được sử dụns rât rộn2 rãi tronu cảc nshiên cứu băne mô phỏng; thí dụ trong [9]，[12], [15], [16], [34].
5.3 Snoop TCP
Mục đích cửa cơ chế Snoop TCP là cải thiện hiệu năng của giao thức TCP trong