gói tin mà quá thời gian Timeout mà bên phát không nhận được thông tin trả lời ACK. Trạm phát sẽ tiến hành phát lại gói tin đó, TCP chuẩn cho rằng việc mất thông tin là do mạng bị tắc nghẽn, nên TCP thiết lập giá trị Timeout (RTO) của gói tin phát lại tăng lên gấp đôi (ban đầu RTO có giá trị bằng
round trip time-RTT). Quá trình này tiếp tục diễn ra cho tới khi trạm gửi nhận được thông tin trả lời ACK từ trạm nhận. Tuy nhiên trong mạng MANET việc mất đường truyền trong quá trình truyền tin là rất lớn. Nếu áp dụng cách xử lý là cứ tăng gấp đôi giá trị RTO thì hiệu suất của TCP sẽ giảm rất nhiều. Một đề xuất mang tính kinh nghiệm là: khi xảy ra mất gói tin TCP bên gửi sẽ tiến hành phát lại gói tin đó với giá trị RTO được giữ nguyên. Phương pháp Fixed - RTO đã cho những kết quả rất khả quan, tăng hiệu suất hoạt động của TCP lên đáng kể.
4. Phân tích hiệu suất hoạt động của giao thức TCP – ELFN trên mạng không dây không cấu trúc.
4.1 Môi trƣờng và phƣơng pháp mô phỏng:
Các số liệu báo cáo trong luân văn này là kết quả của việc mô phỏng mạng MANET trong phạm vi 500x500 m, với 30 node di chuyển ngẫu nhiên với các vận tốc ngẫu nhiên từ 0 m/s đến 20 m/s theo mô hình di chuyển
random waypoint, các node được nhận một vị trí xuất phát ngẫu nhiên, một vận tốc và điểm đích phải tới, node đó sẽ di chuyển từ nguồn tới đích theo đường thẳng, tới đích node đó sẽ dừng lại trong một khoảng thời gian nào đó có giá trị từ 0 tới 100 giây, rồi node đó sẽ di chuyển tới một đích ngẫu nhiên khác. Môi trường truyền thông không dây chuẩn wireless 802.11 với băng thông là 2Mbps, phạm vi phát sóng radio là 250m. Giao thức vận chuyển TCP với kích cỡ gói tin là 1460 bytes. Cửa sổ phát tối đa là 8.
4.2 Thông lƣợng cực đại:
Mục tiêu của phần này là so sánh hiệu suất hoạt động của TCP- Reno với TCP – ELFN. Như chúng ta biết, thông lượng được xem là thước đo hiệu suất hoạt động của mạng. Sử dụng mô phỏng trong thí nghiệm tạo liên kết TCP – Reno giữa hai node thu và phát để đo thông luợng trong thời gian tồn tại của liên kết.
Mặt khác chúng ta biết rằng bên phát không thể xác định chính xác nguyên nhân làm mất dữ liệu nên thông lượng mạng không bao giờ đạt được gái trị
cực đại. Nên để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của mạng khi đường truyền thay đổi ở đây thực hiện so sánh thông lượng đo được với thông lượng cực đại (expected throughput). Thông lượng cực đại là thông lượng trên mạng cố định, có Topo dạng chuỗi hoặc dạng vòng, sử dụng giao thức 802.11 MAC. Đối với TCP chuẩn thông lượng truyền giữa hai node bất kỳ trên mạng là không thay đổi.
Hình-15 biểu diễn thông lượng TCP chuẩn biến thiên như một hàm số của các node với số lần chạy thử nghiệm từ 10 đến 20 lần. Quan sát biểu đồ ta có nhạn xét, thông lượng giảm rất nhanh khi số node trong phạm vi nhỏ (1,2,3) và đạt được độ ổn định khi số node khá lớn.
Hình 15 – Thông lượng TCP-Reno của mạng cố định tuyến tính 802.11 phụ thuộc vào số Node của mạng.
0 2 4 6 8 10 12 1500 1000 500 0 Thông lượng Số node
Số lượng Node Thông lượng (Kbps) 1 1463,0 2 729,0 3 484,4 4 339,9 5 246,4 6 205,2 7 198,1 8 191,8 9 185,3 10 182,4 11 182,2 12 182,0
Thông lượng cực đại là hàm của vận tốc di chuyển node. Thật vậy khi hai node liền kề nhau, cùng di chuyển sao cho khoảng cách giữa hai node không thay đổi thì thông lượng lúc nào cũng đạt giá trị cực đại bằng 1. Ngược lại nếu hai node luôn ở hai phần riêng biệt của một mạng (hai node luôn ở hai cell khác nhau) thì thông lượng luôn triệt tiêu bằng 0.
Trong trường hợp tổng quát, để tính thông lượng cực đại ta gọi ti là thời gian ngắn nhất để truyền thông báo giưũa bên phát và bên thu (1 ≤ i ≤ ∞) đi qua node i, Ti là thông lượng truyền qua i node.
Thông lượng cực đại được tính bằng công thức:
Thông lượng cực đại = 1 1 * i i i i i t T t (1)
Trong đó mẫu số bằng tổng thời gian tồn tại kết nối TCP. Phương trình trên đã bỏ qua phí tổn phải xác định lại tuyến đường mới nếu tuyến đường cũ không còn tồn tại nữa. Vì một số nguyên nhân như giao thức định tuyến không chọn được tuyến đường tối ưu...vv cho nên thông lượng thực tế không bao giờ có thể bằng thông lượng cực đại.
4.3 So sánh hiệu suất TCP giữa TCP – Reno và TCP – ELFN
a) Thông lượng TCP – Reno
Về lý thuyết thông lượng cực đại hoàn toàn độc lập với tốc độ di chuyển của các node trong mạng. Từ phương trình tính thông lượng cực đại (1) khi tốc độ di chuyển của các node tăng lên thì ti giảm đi nhưng tỷ lệ ti/tj của hai node i và j bất kỳ không thay đổi do đó thông lượng cực đại không thay đổi. Khi tốc độ di chuyển của các node tăng cao lên thì khả năng xảy ra mất liên kết cũng sẽ tăng cao hơn. Do đó hiện tượng mất các gói tin sẽ xảy ra liên tục, dẫn tới phải thường xuyên tiến hành chọn lại tuyến đường. Điều đó có nghĩa là thông lượng bị giảm đi khi tốc độ di chuyển của các node tăng lên theo hàm số tuyến tính.
Hình 16 – So sánh thông lượng cực đại và thông lượng đo được trên thực tế mô phỏng 50 mẫu di chuyển.
Như đã nêu ở trên, thông lượng bị giảm đi khi vận tốc di chuyển của các node tăng theo hàm số tuyến tính. Tuy nhiên qua kết quả mô phỏng ta thấy lý thuyết và thực tế không hoàn toàn giống nhau. Hình 16 so sánh thông lượng đo được qua thực tế mô phỏng và thông lượng cực đại biến thiên theo vận tốc di chuyển của các node. Căn cứ vào hình 16 ta rút ra được nhận xét là thông lượng giảm mạnh khi tốc độ di chuyển của các node tăng trong phạm vi nhỏ từ 2 m/s đến 10 m/s. Khi tốc độ di chuyển của các node lớn hơn 10 m/s thì thông lượng có giảm nhưng không nhiều lắm.
0 10 20 30 Thông lượng TCP (Kbps) Tốc độ trung bình (m/s) 1000 800 600 400 200 0
Thông lượng cực đại
Hình 17 - Thông lượng đo được, của các node di chuyển với tốc độ 20m/s (nét đứt mờ) và 30m/s (nét đậm)
Hình-17 biểu diễn thông lượng đo được khi cho các node di chuyển với vận tốc trung bình khoảng 20 mét/giây và 30 mét/giây. Quan sát kết quả đo được ta thấy khi tốc độ di chuyển của các node tăng lên, thông lượng của một số node không giảm đi mà lại tăng lên. Ta tiến hành thực hiện trong trường hợp các node di chuyển với các tốc độ tương ứng là 2 mét/giây, 10 mét/giây và 30 mét/giây. Quá trình được thực hiện khoảng 50 lần ở mỗi tốc độ khác nhau.
0 10 20 30 40 50 Thông lượng TCP (Kbps)
Số lượng node trong mạng 1000
500
0
20 m/s 30 m/s
Hình-18 là kết quả so sánh giữa thông lượng cực đại và thông lượng đo được trên thực tế mô phỏng. Trục hoành (Ox) biểu thị thông lượng cực đại còn trục tung (Oy) biểu thị thông lượng đo được. Đường chéo là giới hạn trên của thông lượng cực đại luôn luôn nhỏ hơn 1 nên các điểm không bao giờ vượt quá giới hạn này. Khi thông lượng đo được càng gần với thông lượng cực đại được thể hiện bằng hình vẽ bằng các điểm có xu hướng tiến gần đến đường chéo và ngược lại. Tại tốc độ cao (10 mét/giây, 20 mét/giây, 30 mét/giây) thông lượng của một số node khi di chuyển bị giảm xuống cực tiểu (bằng 0) trong khi vẫn có các node khác (với cùng tốc độ di chuyển) đạt được tốc độ lớn hơn. Cũng ở tốc độ rất cao (20 mét/giây, 30 mét/giây) một số node di chuyển vẫn đạt được thông lượng khá cao (thể hiện bằng các điểm ở gần đường chéo). Trường hợp này là do node không bị mất kết nối khi di chuyển mặc dù ở tốc độ cao.
0 500 1000 0
500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
Hình – 18: vận tốc = 2 m/s Hình -19: vận tốc = 10 mét/giây 0 500 1000 0 500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
Hình 20: vận tốc = 20 mét/giây 0 500 1000
0 500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
Hình 21: vận tốc = 30 mét/giây
Các hình 18, 19, 20, 21 – So sánh thông lượng thực tế với thông lượng cực đại với mạng gồm 50 node di chuyển.
b)Nguyên nhân thông lượng của một số node giảm xuống cực tiểu
Thông lượng là dữ liệu đã được bên gửi xác nhận đã gửi thành công. Qua phần trước chúng ta thấy thông lượng của một số node bị giảm cực tiểu vì nguyên nhân mất liên kết gây ra các gói số liệu hoặc gói biên nhận (ACK) không đến đúng địa chỉ trạm đích. Nếu trong khoảng thời gian 120 giây bên gửi không nhận được gói biên nhận thì đường truyền xem như bị lỗi.
Bảng số liệu dưới đây ghi nhận dữ liệu kết quả mô phỏng giữa hai node phát (1) và node thu (2). Ngay sau khi node phát gửi gói tin đi mạng bị tách thành hai phần, node (1) và node (2) nằm ở hai phần khác nhau. Gói tin thứ nhất bị mất trong thời gian 0,191 giây khi node (5) nhận ra mất liên kết
0 500 1000 0
500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
nó đã chuyển cho node (1). Lần thứ hai node (1) chuyển lại gói tin sau thời gian timeout, lần này gói tin đến được đích (2) và node (2) gửi lại ACK cho node (1). Nhưng ACK được gửi theo đường truyền lưu tại node (2) đã hết hiệu lực, do vậy đến thời gian 6,216 gói tin cũng coi như bị mất. Node (1) cố gắng gửi lại một số lần sau đó (vì vẫn chưa hết khoảng thời gian 120 giây) nhưng đều không thành công vì tuyến đường vẫn không thiết lập giữa hai node (1) và (2) Sự kiện Thời gian (giây) Node Số thứ tự
Gói tin Ghi chú
s 0,000 1 1 tcp
D 0,191 5 1 tcp Không tìm được đường
s 6,000 1 1 tcp
r 6,045 2 1 tcp
s 6,145 2 1 ack
D 6,216 21 1 ack Không tìm được đường
s 18,000 1 1 tcp s 42,000 1 1 tcp s 90,000 1 1 tcp D 120,000 15 1 tcp Hết giờ D 120,000 16 1 tcp Hết giờ D 120,000 25 1 tcp Hết giờ Ghi chú: s : Gửi gói tin. r : Nhận gói tin. D : Gói tin bị loại bỏ.
c/ Thông lượng TCP – ELFN
Phần trên là kết quả so sánh thông lượng TCP – Reno với thông lượng cực đại. Tiếp theo là kết quả mô phỏng đối với TCP – ELFN. Mỗi đồ thị biểu diễn trung bình khoảng 50 lần thực hiện chạy mô phỏng.
Các biểu đồ dưới đây là kết quả thực hiện với khoảng thời gian phát gói tin thăm dò đường truyền là 2 giây. So sánh tương ứng với các hình (18, 19, 20, 21) với trường hợp TCP – Reno ta thấy đối với mỗi tốc độ khác nhau thông lượng trong trường hợp TCP – ELFN cao hơn hẳn. Nhận thấy rằng thông lượng của mọi node đều được cải thiện chứ không phải chỉ vài node như trong TCP – Reno. Thực nghiệm cho ta thấy hiệu suất phụ thuộc vào thời gian gửi gói tin thăm dò đường truyền. Nếu thời gian gửi gói tin thăm dò lớn hơn 30 giây, thông lượng bị giảm xuống dưới thông lượng của TCP – Reno.
Hình 22 – Thông lượng TCP – ELFN vận tốc = 2 m/s 0 500 1000
0 500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
Hình 23 – Thông lượng TCP – ELFN vận tốc =10 mét/giây 0 500 1000
0 500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
Hình 24 – Thông lượng TCP – ELFN với vận tốc các node bằng 20 m/s 0 500 1000
0 500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
Hình 25 – Thông lượng TCP – ELFN với vận tốc các node bằng 30 m/s
Khi thay đổi khoảng thời gian thực hiện phát gói tin thăm dò đường truyền, thông lượng cũng bị thay đổi theo. Kết quả cho thấy thông lượng giảm đi khi thời gian thăm dò đường truyền là 2 giây, 4 giây, 6 giây, 15 giây, 30 giây. Khi thời gian thăm dò lớn hơn hoặc bằng 30 giây thông lượng đã giảm xuống thấp hơn thông lượng của TCP – Reno.
0 500 1000 0
500 1000
Thông lượng cực đại (Kbps) Thông lượng đo được (Kbps)
Hình 26 - So sánh thông lượng của TCP – Reno với TCP – ELFN với khoảng thời gian thăm dò đường truyền khác nhau
Khi thay đổi kích thước của cửa sổ điều khiển sau khi thăm dò thành công và thời gian timeout đã không cải thiện được thông lượng (thực tế còn xấu đi) so với trường hợp ban đầu. Tuy nhiên có tăng so với TCP – Reno. Hình 27 minh hoạ khi kích thước cửa sổ là một gói tin giữ nguyên RTO và khi kích thước cửa sổ là một gói tin RTO bằng 6 giây.
Ta có nhận xét RTO thay đổi có ảnh hưởng nhiều đến thông lượng, trường hợp này làm thông lượng giảm đi nhanh hơn khi các node di chuyển với tốc độ cao. Kích thước cửa sổ thay đổi có làm thông lượng bị giảm nhưng khi các node di chuyển nhanh hơn thông lượng bị giảm chậm hơn.
0 10 20 30 Tốc độ trung bình (m/s) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2s/ELFN 4s/ELFN 6s/ELFN 15s/ELFN 30s/ELFN TCP - Reno Tỷ lệ của thông lượng đo được với thông lượng cực đại
Hình 28 – So sánh hiệu suất TCP-ELFN khi thay đổi kích thước cửa sổ và thời gian RTO với TCP-Reno.
0 10 20 30 Tốc độ trung bình (m/s) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ELFN
Thay đổi cửa sổ Thay đổi của sổ và RTO
TCP chuẩn Tỷ lệ của thông lượng đo được với thông lượng cực đại
KẾT LUẬN
Những lợi ích của mạng không dây là rất to lớn nhưng trên thực tế mạng không dây còn có rất nhiều hạn chế, nhiều thách thức đặc biệt là về hiệu suất hoạt động của mạng. Đây là một vấn đề được các nhà khoa học và nhiều viện nghiên cứu trên thế giới rất quan tâm. Nhiều công trình nghiên cứu đã đề xuất những giải pháp rất có giá trị. Luận văn này trình bày một số kết quả thu được qua thực nghiệm mô phỏng nhằm phân tích hiệu suất hoạt động của ba giao thức định tuyến là AODV, DSDV và DSR. Tiếp đó phân tích hiệu và so sánh hiệu suất hoạt động của giao thức TCP-ELFN và giao thức TCP chuẩn.
Chương một, trình bày các khái niệm về mạng không dây không cấu trúc MANET. Chương hai của luận văn đã trình bày khái niệm về định tuyến trong mạng MANET. Giới thiệu hai loại giao thức định tuyến là: định tuyến trước (proactive) và định tuyến theo yêu cầu (reactive hay còn gọi là on- demand). Tiếp đó trình bày kết quả mô phỏng so sánh, phân tích hiệu suất hoạt động của ba giao thức định tuyến là: DSDV, AODV và DSR. Giao thức DSDV hoạt động tương đối tốt khi thời gian tạm dừng của các node lớn. Nhưng trong điều kiện các node trong mạng di chuyển liên tục(pause time nhỏ) hiệu suất hoạt động của giao thức DSDV giảm hẳn. Tỷ lệ các gói tin tới đích chỉ còn khoảng 70%. Đối với hai giao thức định tuyến On-demand là: AODV và DSR thì hiệu suất hoạt động tương đối cao và giường như nó không bị ảnh hưởng nhiều bởi trạng thái di chuyển của các node trong mạng. Đối với cả hai giao thức DSR và AODV thì tỷ lệ các gói tin tới đích là khoảng từ 85% đến 100%. Trong môi trường mạng mà các node có trạng thái di động cao thì các giao thức định tuyến trước (proactive) tỏ ra không
thích hợp, các giao thức định tuyến loại theo yêu cầu (On-demand) tỏ ra thích hợp và nổi trội hơn hẳn.
Phương pháp gửi cảnh báo khi mất đường truyền ELFN là một cải tiến của giao thức TCP nhằm phân biệt việc mất gói tin là do tắc nghẽn