2 Cấu trúc của luận văn
4.3.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận
Mô phỏng 1:
Trước tiên thực hiện mô phỏng với 1 piconet. Số lượng các slave trong piconet tăng từ 1 đến 7. Kết nối TCP (truyền file) được thiết lập giữa mỗi slave và master của chúng trong piconet của Bluetooth và giữa các nút mạng tương ứng trong trường hợp IEEE 802.11b. Các kết nối truyền đồng thời trong suốt thời gian mô phỏng. Hình vẽ 4-1 chỉ ra thông lượng trung bình và thông lượng tổng của các kết nối TCP trong trường hợp 802.11b và Bluetooth khi số lượng các slave trong piconet tăng từ 1 đến 7. Kết quả
mô phỏng không có gì đặc biệt. Thông lượng tổng trong trường hợp của 802.11b và Bluetooth tương ứng khoảng 4.7 Mbps và 0.56 Mbps, không đổi khi số lượng slave tăng từ 1 đến 7. Do đó thông lượng trung bình của từng kết nối giảm khi có thêm các slave tham gia truyền tin. Khi số lượng slave là 7 (lớn nhất), thông lượng trung bình của 802.11b vẫn cao hơn nhiều so với thông lượng trung bình của Bluetooth, giá trị thông lượng thực của từng kết nối trong 802.11b cũng khá ổn định.
0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 Sè l-îng c¸c nót T h « n g l - î n g ( M b p s) 802.11b - Th«ng l-îng trung b×nh Bluetooth - Th«ng l-îng trung binh 802.11b - Th«ng l-îng tæng Bluetooth - Th«ng l-îng tæng
Hình vẽ 4-1: Thông lượng TCP của IEEE 802.11b và Bluetooth piconet khi số lượng slave tăng từ 1 đến 7
Thay đổi mô phỏng trên với một nửa số kết nối là truyền âm thanh qua UDP. Không có hiện tượng mất gói tin, tất cả các gói tin đều có độ trễ nhỏ hơn 0.1s.
Mô phỏng 2:
a. Thực hiện mô phỏng như ngữ cảnh đã được mô tả ở trên. Kết nối TCP (truyền file) được thiết lập giữa mỗi slave và master của chúng trong piconet của Bluetooth và giữa các nút mạng tương ứng trong trường hợp IEEE 802.11b. Kết nối được bắt đầu tại giây thứ 20 và kết thúc tại giây thứ 50 của mô phỏng. Số lượng các piconet (mạng) có thể là 1, hoặc 2, hoặc 3, hoặc 4, hoặc 5 (mỗi piconet có 6 nút).
Hình vẽ 4-2 chỉ ra thông lượng trung bình và thông lượng tổng của tất cả các kết nối TCP trong trường hợp Bluetooth và IEEE 802.11b khi số lượng các piconet (mạng) tăng từ 1 đến 5. Nhận thấy rằng trong trường hợp Bluetooth, thông lượng trung bình của một kết nối hầu như không đổi (khoảng 0.1 Mbps), do đó tổng thông lượng tăng khi số lượng piconet tăng. Ngược lại, trong trường hợp của 802.11b, thông lượng trung bình và thông lượng tổng giảm một cách đáng kể khi số nút tăng do có xảy ra
xung đột (Thông lượng trung bình giảm từ 0.97Mbps xuống 0.14Mbps). Tuy hiệu suất TCP trong trường hợp IEEE 802.11b là cao hơn ngay cả khi số lượng các nút là 30 nhưng Bluetooth vẫn xử lý mạng trong điều kiện “dầy đặc” tốt hơn.
0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 Sè l-îng piconet T h « n g l - î n g ( M b p s) 802.11b - Th«ng l-îng tæng Bluetooth - Th«ng l-îng tæng 802.11b - Th«ng l-îng trung b×nh Bluetooth - Th«ng l-îng trung b×nh
Hình vẽ 4-2: Thông lượng TCP của mạng IEEE 802.11b và Bluetooth piconet khi số lượng piconet tăng từ 1 đến 5.
Hiệu suất của từng kết nối TCP riêng lẻ trong trường hợp của 802.11b là rất khác nhau, cho thấy sự phân chia không công bằng dải thông của kênh truyền. Hình vẽ 4-3 chỉ ra thông lượng của từng kết nối TCP trong trường hợp 30 nút (5 piconet). Mỗi kết nối TCP của Bluetooth có thông lượng xấp xỉ 0.1 Mbps. Trong khi đó, thông lượng của mỗi kết nối TCP trong IEEE 802.11b lên xuống rất khác nhau. Điều này c ó thể được giải thích do sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa cơ chế kiểm soát lưu lượng đầu cuối và tắc nghẽn của TCP với cơ chế tầng MAC của IEEE 802.11b. Tầng 802.11b MAC tạo ra độ trễ cho các gói tin rất khác nhau và cũng gây ra mất gói tin. Điều này làm cho TCP quay lui và tạo ra ít gói tin hơn tới tầng MAC. Ngược lại, tầng MAC mong muốn một luồng gói tin liên tục để có thể phân chia kênh truyền công bằng. Kết quả là những kết nối TCP cố gắng tạo ra cửa sổ tắc nghẽn lớn sẽ “lấy” được nhiều dung lượng hơn, trong khi các kết nối TCP với cửa sổ tắc nghẽn nhỏ hơn sẽ vẫn duy trì việc cố gắng truy cập vào kênh truyền đang có khối lượng tải cao cùng với số lượng gói tin ít mà cửa sổ tắc nghẽn của kết nối TCP đó cho phép. Do đó, khi mạng là dầy đặc, hiệu suất TCP trong trường hợp IEEE 802.11b là bấp bênh, không theo quy tắc. Trong Bluetooth, cách tổ chức theo piconet và chiến lược hỏi vòng trong mỗi piconet giúp thông lượng trung bình của mỗi kết nối là ổn định và không phụ thuộc vào khối lượng tải của kênh truyền.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 4 7 10 13 16 19 22 25 Sè hiÖu kÕt nèi TCP T h « n g l - î n g ( M b p s) 802.11b - Th«ng l-îng cña tõng kÕt nèi Bluetooth - Th«ng l-îng cña tõng kÕt nèi
Hình vẽ 4-3:Thông lượng của từng kết nối TCP riêng lẻ trong IEEE 802.11b và Bluetooth khi số lượng các nút mạng là 30 (5 piconet)
b. Thực hiện lại mô phỏng như trên, tuy nhiên một nửa số lượng kết nối TCP là giữa hai slave của piconet với nhau. Trong Bluetooth, master sẽ đóng vai trò làm cầu để chuyển tiếp các gói tin giữa hai slave. Trong IEEE, do tất cả các nút là ở trong phạm vi của nhau nên tất cả các kết nối đều là trực tiếp.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 2 4 6 8 Sè l-îng piconet T h« ng l - în g ( M b p s ) 802.11b - Th«ng l-îng tæng Bluetooth - Th«ng l-îng tæng 802.11b - Th«ng l-îng trung b×nh Bluetooth - Th«ng l-îng trung b×nh
Hình vẽ 4-4: Thông lượng TCP của IEEE 802.11b và Bluetooth piconet, một nửa số lượng kết nối trong piconet là giữa 2 slave với nhau
Hình vẽ 4-4 chỉ ra thông lượng trung bình và thông lượng tổng của các kết nối trong trường hợp IEEE 802.11b và Bluetooth. Kết quả vẫn tương tự như trường hợp trước, chỉ khác ở chỗ trong Bluetooth piconet, do một số kết nối là 2 chặng (master đóng vai
trò trung gian thực hiện chuyển tiếp) nên thông lượng trung bình của từng kết nối giảm (khoảng 0.08 Mbps), dẫn đến thông lượng tổng cũng giảm hơn so với trường hợp trước.
Mô phỏng 3:
Mô phỏng như trên (mô phỏng 2) được lặp lại, tuy nhiên một nửa số lượng kết nối là TCP, một nửa còn lại là kết nối tiếng nói. Các kết quả về TCP gần tương tự như mô phỏng 2. Dưới đây chỉ chỉ ra các kết quả về truyền tiếng nói: độ trễ và tỷ lệ mất gói tin tương ứng với các số lượng piconet (nút mạng) khác nhau.
Hình vẽ 4-5 và Hình vẽ 4-6 chỉ ra phân bố lũy tiến độ trễ của các gói tin tiếng nói trong trường hợp IEEE 802.11b và Bluetooth. Thấy rằng độ trễ của các gói tin tiếng nói trong Bluetooth thấp hơn nhiều so với IEEE 802.11b. Ngoài ra trong trường hợp của Bluetooth, độ trễ này là ổn định hơn khi số lượng các piconet tăng. Độ trễ cao trong IEEE 802.11b có thể được giải thích do ngữ cảnh mạng được xem xét ở đây là dầy đặc, có rất nhiều kết nối. Khi đó việc truy cập không kiểm soát vào kênh truyền, xung đột và truyền lại xảy ra nhiều trong IEEE 802.11b dẫn đến độ trễ lớn. Trong trường hợp Bluetooth, truy cập kênh truyền được kiểm soát rất tốt bởi chiến lược hỏi vòng giúp độ trễ các gói tin nhỏ và ở trong một giới hạn nhất định.
Bảng 4-1 chỉ ra tỷ lệ mất gói tin tiếng nói của IEEE 802.11b và Bluetooth. Tỷ lệ mất gói tin của IEEE 802.11b là cao hơn nhiều so với Bluetooth, đặc biệt khi số lượng các piconet (nút mạng) tăng. Khi mạng trở nên dầy đặc, tỷ lệ mất gói tin tiếng nói trong IEEE 802.11b là cao, trong khi đó Bluetooth hầu như không làm mất gói tin.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
§é trÔ cña c¸c gãi tin tiÕng nãi (s)
T û l Ö g ã i t in 2 piconet 4 piconet 6 piconet 8 piconet
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
§é trÔ cña c¸c gãi tin tiÕng nãi (s)
T û l Ö g ã i t in 2 piconet 4 piconet 6 piconet 8 piconet
Hình vẽ 4-6: Phân bố lũy tiến độ trễ của các gói tin tiếng nói trong Bluetooth
Số piconet IEEE 802.11b Bluetooth
2 0.0 0.0
4 0.027789 0.0
6 0.081444 0.0
8 0.286959 0.010705
Bảng 4-1: Tỷ lệ mất gói tin đối với gói tin tiếng nói
4.3.5 Tổng kết
Những mô phỏng được thực hiện ở đây cho thấy một tính chất quan trọng của Bluetooth là dung lượng kênh truyền tăng khi khi số lượng thiết bị (piconet) tăng. Tuy nhiên, tốc độ liên kết cao của IEEE 802.11b làm cho nó cũng là một lựa chọn khi mạng là thưa (số lượng các nút mạng ít, số lượng các kết nối ít). Điều này là do sự khác nhau về cách quản lý dải tần. IEEE 802.11b sử dụng kênh truyền phát quảng bá với dải tần rộng hơn (22MHz) và áp dụng chiến lược truy cập ngẫu nhiên (CSMA/CA), chiến lược này chỉ làm việc tốt khi có ít nút cạnh tranh nhau để truy cập kênh truyền. Khi lưu lượng tải tăng, tốc độ truyền tin của người dùng sẽ giảm do xảy ra nhiều xung đột hơn. Mặt khác, Bluetooth sử dụng một kênh truyền hẹp hơn, 1MHz cho mỗi piconet và áp dụng chiến lược FHSS để tránh xung đột. Điều này làm cho kênh truyền không được sử dụng hết, tức là tốc độ dữ liệu thấp khi mạng có ít nút tích
cực nhưng lại cung cấp một sự chắc chắn và khả năng đoán biết được dung lượng của người dùng khi lưu lượng mạng và số lượng các nút mạng tăng.
Quan sát từ kết quả mô phỏng thấy rằng các kết nối TCP trong IEEE 802.11b trong mạng ad-hoc phạm vi nhỏ chia sẻ dải thông của kênh truyền là bất quy tắc. Đó là do sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa cơ chế của tầng MAC và cơ chế điều khiển lưu lượng của TCP trong điều kiện lưu lượng tải cao, ví dụ mật độ mạng dày đặc. Với cùng điều kiện như vậy, Bluetooth có sự phân chia hợp lý hơn về dung lượng TCP giữa các kết nối TCP.
Trong trường hợp mạng thưa, IEEE 802.11b có khả năng hỗ trợ truyền tiếng nói do tốc độ liên kết rất cao của nó. Tuy nhiên, Bluetooth vẫn cung cấp kết nối truyền tiếng nói tốt hơn tốt hơn nhiều (ví dụ về chất lượng dịch vụ).
Tuy không được nghiên cứu qua mô phỏng trong chương này nhưng một vấn đề nữa cần được quan tâm và khám phá trong mạng ad-hoc phạm vi nhỏ là hiệu suất của mạng khi các nút di động. Khi đó, rất có thể thủ tục Inquiry (Điều tra) của Bluetooth sẽ tốn nhiều thời gian, và cũng có thể làm cho mạng bị phân mảnh trong một khoảng thời gian khá dài. IEEE 802.11b không hướng nối, do đó được mong đợi là không giảm quá nhiều hiệu suất trong trường hợp các nút mạng di động. Có thể thực hiện một số cải tiến đối với chức năng ad-hoc của IEEE 802.11b để làm giảm bớt khiếm khuyết này.
Có một điểm cần phải chú ý, các giả thiết được đưa ra khi thực hiện mô phỏng có thể cho ra những kết quả tốt nhất. Các mô hình cụ thể hơn có thể cho ra các kết quả không tốt bằng.
KẾT LUẬN
Mạng đặc biệt di động là môt khái niệm mới cho một công nghệ cũ – mạng không dựa trên một cơ sở hạ tầng có sẵn. Nguồn gốc của công nghệ này có thể bắt đầu từ thập kỷ 1970 với các dự án DARPA PRNET và SURAN của Bộ Quốc phòng Mỹ. Do tính ứng dụng của mạng trong cuộc sống, những năm gần đây, các vấn đề về mạng ad-hoc giành được sự quan tâm nhiều của cộng đồng nghiên cứu. Bên cạnh các giải pháp mới cho các vấn đề “cũ” như định tuyến, giao thức truy cập kênh truyền, nhiều vấn đề mới được đề xuất và giải quyết, ví dụ như các vấn đề về phát multicast, an ninh,...Luận văn đã giúp người đọc có được cái nhìn tổng quát về mạng đặc biệt di động cùng các vấn đề liên quan đang được tập trung nghiên cứu hiện nay.
Chưa có một chuẩn công nghệ nào dành riêng để triển khai các mạng ad-hoc. Có thể sử dụng hai công nghệ hiện có là IEEE 802.11b và Bluetooth để triển khai các mạng ad-hoc ở phạm vi nhỏ. Luận văn đã trình bày về mô hình và kiến trúc của hai công nghệ này cùng các đặc điểm hoạt động của mạng ad-hoc trong các trường hợp tương ứng. Luận văn đã đưa ra các thảo luận và so sánh về hiệu suất của hai công nghệ nhằm đánh giá xem công nghệ nào là thích hợp hơn trong từng trường hợp. Minh chứng cho các thảo luận này là các kết quả mô phỏng đã được trình bày.
Việc sử dụng công nghệ nào là rất phụ thuộc vào từng hoàn cảnh. Tuy nhiên, hiện nay đang xem đây không phải là hai công nghệ cùng cạnh tranh mà là hai công nghệ cùng tồn tại. Vì vậy cần phải giải quyết các vấn đề nhằm đảm bảo cho các thiết bị của hai hoặc nhiều chuẩn khác nhau hoạt động với các tham số riêng của chúng mà ít ảnh hưởng tới nhau nhất. Có lẽ đóng góp quan trọng nhất của nghiên cứu này là việc lựa chọn công nghệ cho mạng ad-hoc có phạm vi hoạt động nhỏ là không rõ ràng. Nó phụ thuộc nhiều vào việc môi trường mạng cụ thể và các ứng dụng mạng trong đó sẽ như thế nào:
- Nếu mạng hoạt động trong môi trường rất dày đặc, giao thoa cao, ứng dụng yêu cầu phải ổn định, hiệu suất hoạt động được đảm bảo được cả về độ trễ lẫn thông lượng (ví dụ các dịch vụ tương tác như truyền tiếng nói, video,...), Bluetooth là một lựa chọn tốt hơn. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng Bluetooth cho tiêu thụ năng lượng ổn định hơn, không phụ thuộc vào mức độ giao thoa – nghĩa là pin sẽ có thời gian sử dụng như nhau trong cả hai trường hợp môi trường giao thoa thấp hoặc cao.
- Nếu mạng hoạt động chủ yếu trong môi trường có mật độ các nút là thấp, mức độ giao thoa nhỏ và các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao nhất có thể hơn là tốc độ ổn định, IEEE 802.11b sẽ là một lựa chọn tốt hơn. Nếu các nút mạng là di động, chiến lược truy cập ngẫu nhiên của IEEE 802.11b sẽ làm cho việc tìm các nút hàng xóm mới là dễ. Hơn nữa, các thiết bị trong mạng có thể truy cập vào bất cứ cơ sở hạ tầng mạng nào dựa trên IEEE 802.11 – sử dụng với cùng một giao diện.
Bên cạnh đó, một phần tuy được trình bày rất tóm tắt trong luận văn nhưng tốn không ít thời gian trong quá trình thực hiện. Đó là việc tìm hiểu, đánh giá và chỉ ra các bộ công cụ có thể mô phỏng Bluetooth với NS2.
Do trình độ có hạn, vẫn còn những hạn chế và thiếu sót nhất định khi thực hiện luận văn. Ngữ cảnh mô phỏng trong luận văn còn hạn chế, chưa đánh giá được rõ hơn các ứng dụng sử dụng trong thực tế. Ngoài ra, mô phỏng trong trường hợp các nút mạng là di động hoặc mạng đa chặng cũng chưa được t hực hiện. Các vấn đề về tiêu thụ năng lượng cũng nên được nghiên cứu cẩn thận do đây là vấn đề quan trọng trong mạng ad- hoc ở phạm vi nhỏ vì các thiết bị hầu hết đều là thiết bị mang theo người, bị hạn chế về nguồn nuôi (dùng pin). Cần có những mô phỏng tốt hơn cùng các giải thích và chứng minh bằng mô hình tính toán để có được các kết luận rõ ràng và chính xác hơn.