kết nối sử dụng giao thức TCP
Vệ tinh cú đặc tớnh rất khỏc biệt với cỏc hệ thống mặt đất, cỏc đặc tớnh này làm giảm chất lượng của TCP sử dụng cho vệ tinh. Cỏc đặc tớnh đú bao gồm :
Độ trễ lớn: khoảng 500 ms cho cả đường lờn và đường xuống. Độ trễ này
ảnh hưởng tới cỏc thuật toỏn điều khiển tắc nghẽn của TCP và ảnh hưởng tới hiệu suất sử dụng băng thụng đường truyền của TCP.
Tớch BDP lớn: Đõy là hệ quả của độ trễ lớn. Tớch số BDP được tớnh bằng tớch
số của độ rộng băng tần và trễ đường truyền. Giỏ trị BDP chỉ lượng dữ liệu của giao thức mà lượng dữ liệu này chưa được xỏc nhận là đến đớch, tức là lượng dữ liệu này vẫn cũn ở trong mạng. Chớnh vỡ vậy mà phớa phỏt phải giữ lại một số lượng lớn cỏc gúi tin được gửi đi nhưng chưa được xỏc nhận đó tới đớch.
Tỉ lệ lỗi lớn: Cỏc hệ thống vệ tinh thường cú tỷ lệ lỗi lớn hơn cỏc hệ thống
mạng mặt đất, vớ dụ tỉ số lỗi của cỏc hệ thống vệ tinh vào khoảng 10-5-10-6 so với 10-8-10-9 ở cỏc hệ thống cỏp quang. Do đú xỏc suất mất gúi tin của hệ thống vệ tinh lớn. Hiện tượng mất gúi tin trong mạng do hai nguyờn nhõn: tắc nghẽn hoặc do lỗi, tuy nhiờn TCP coi rằng nguyờn nhõn gõy nờn mọi trường hợp mất gúi tin đều do tắc nghẽn và do đú giảm tốc độ phỏt để trỏnh trường hợp mạng bị tắc nghẽn hoàn toàn. Như vậy nếu nguyờn nhõn của sự mất gúi là do lỗi thỡ việc giảm tốc độ phỏt của TCP là khụng cần thiết và lóng phớ độ rộng băng tần của kờnh truyền [4].
4.2.1. Ảnh hƣởng của độ trễ tới cỏc thuật toỏn điều khiển tắc nghẽn
Với cỏc kết nối TCP sử dụng vệ tinh, độ trễ lớn gõy ảnh hưởng tới cỏc thuật toỏn điều khiển tắc nghẽn (đặc biệt là thuật toỏn khởi đầu chậm và thuật toỏn trỏnh
76
4.2.1.1. Ảnh hưởng của trễ tới thuật toỏn khởi đầu chậm
Xột một kết nối TCP cú kớch thước cửa sổ thu bằng W (gúi tin), kớch thước khởi đầu của cửa sổ phỏt bằng IW (gúi tin) và RTT=R(s), thời gian cần thiết để phớa phỏt hoàn thành pha khởi đầu chậm là:
Slow start time = R(log2W-log2IW) (4.1)
Trong đú: Slow start time – Thời gian hoàn pha khởi đầu chậm.
Giả sử kớch thước một gúi tin bằng 512 byte, kớch thước cửa sổ thu nhận giỏ trị cực đại bằng 128 gúi tin, giỏ trị kớch thước cửa sổ khởi đầu phớa phỏt bằng 1, độ trễ của đường truyền vệ tinh R=500 ms. Theo cụng thức (4.1), ta suy ra kết nối TCP qua đường truyền vệ tinh cần 3,5s để hoàn thành pha khởi đầu chậm. Trong khi đú ở cỏc hệ thống mặt đất, độ trễ vào khoảng 80ms, thời gian cần thiết của pha khởi đầu chậm bằng 560ms. Như vậy sử dụng thuật toỏn khởi đầu chậm qua vệ tinh làm
chậm thời gian hoàn thành kết nối do đú gõy lóng phớ độ rộng băng tần.
Hỡnh 4.1: Sự phụ thuộc của lƣợng byte truyền dẫn vào thời gian ở pha khởi đầu chậm
Trong đú: Đường nằm trờn (đường số 1) biểu thị cho kết nối TCP qua vệ tinh, đường nằm dưới (đường số 2) biểu thị cho kết nối TCP dưới mặt đất.
Cả hai thực nghiệm với kết nối TCP qua vệ tinh và kết nối TCP dưới mặt đất đều khởi đầu với biến cwnd cú giỏ trị bằng 1 và sử dụng thuật toỏn khởi đầu chậm
77
đạt được kớch thước cửa sổ cực đại, kết nối TCP mặt đất cú thể gửi được lượng dữ liệu nhiều hơn 22 lần [6].
4.2.1.2. Ảnh hưởng của trễ tới thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn
TCP sử dụng thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn để thăm dũ khả năng tăng dung
lượng của mạng sau khi xảy ra mất gúi tin. Cỏc kết nối TCP qua đường truyền vệ tinh cần nhiều thời gian hơn để tăng cwnd so với cỏc kết nối mặt đất. Vớ dụ, khi xảy ra hiện tượng mất gúi tin ở một kết nối TCP với kớch thước cửa sổ cực đại (128 gúi
tin, mỗi gúi tin 512 byte), giỏ trị cwnd giảm xuống cũn một nửa (64 gúi tin), sau đú
cứ mỗi khoảng RTT mà khụng cú gúi tin nào bị mất, giỏ trị của cwnd được tăng lờn 1. Như thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn cần khoảng 5,12s để tăng giỏ trị cửa sổ từ 64 lờn 128 ở cỏc mạng mặt đất và 35,84s đối với mạng vệ tinh.
Hỡnh 4.2 biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian của lượng số liệu được gửi bởi thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn của kết nối TCP ở cỏc mạng mặt đất và mạng vệ tinh [4].
Hỡnh 4.2. Sự phụ thuộc của lƣợng byte truyền dẫn vào thời gian ở pha trỏnh tắc nghẽn
Trong đú, đường nằm trờn (đường số 1) biểu thị cho kết nối TCP qua vệ tinh, đường nằm dưới (đường số 2) biểu thị cho kết nối TCP dưới mặt đất.
Căn cứ vào hỡnh 4.2, ta thấy với cỏc kết nối TCP dưới mặt, đất giỏ trị của biến cwnd đạt tới giỏ trị cực đại (128 gúi tin, mỗi gúi tin kớch thước 512byte) nhanh hơn cỏc kết nối TCP qua vệ tinh. Do đú trong cựng một thời gian, ở kết nối mặt đất, TCP cú khả năng gửi lượng dữ liệu nhiều hơn 9 lần so với kết nối vệ tinh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
78
4.2.1.3. Ảnh hưởng của trễ tới hiệu suất sử dụng băng tần vệ tin
Trong trường hợp khụng xảy ra tắc nghẽn, giao thức TCP chỉ tăng kớch thước cửa sổ tắc nghẽn sau khi phớa phỏt nhận được gúi tin xỏc nhận từ phớa thu. Trong khi đú trễ đường truyền vệ tinh lớn, vào khoảng 500ms, điều này dẫn đến thụng lượng hiệu dụng của kết nối TCP giảm (Thụng lượng hiệu dụng của một kết nối
TCP được xỏc định bằng kớch thước file cần truyền tớnh bằng bit chia cho thời gian để truyền xong file đú tớnh theo giõy). Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng băng
thụng đường truyền của giao thức TCP thấp.
Hỡnh 4.3 và 4.4 dưới đõy chỉ ra sự phụ thuộc của thụng lượng hiệu dụng vào độ trễ đường truyền với những kết nối TCP cú kớch thước cửa sổ truyền dẫn khỏc nhau. Cỏc thực nghiệm này được tiến hành với hai đường truyền cú tốc độ là 2048 kbps và 256 kbps, kớch thước gúi tin bằng 512 byte.
Hỡnh 4.3. Sự phụ thuộc của thụng lƣợng hiệu dụng vào RTT (kờnh 2048kbps).
Hỡnh 4.4. Sự phụ thuộc của thụng lƣợng hiệu dụng vào RTT (kờnh 256kbps)
Trong đú, cỏc nột nối khỏc nhau là cỏc kết nối TCP với những kớch thước cửa sổ truyền dẫn khỏc nhau.
79
Căn cứ vào hai hỡnh trờn ta thấy rằng với đường truyền tốc độ cao, cụ thể là 2048 kbps, kết nối TCP cú độ trễ 0,6s (tương đương độ trễ của đường truyền vệ
tinh) chỉ đạt thụng lượng hiệu dụng khoảng 800kbps với kớch thước cửa sổ lớn nhất
bằng 65536 byte, tức là kết nối TCP này chỉ sử dụng hết 39% băng thụng mà luồng E1 cung cấp. Trong khi đú với đường truyền tốc độ thấp hơn, cụ thể là 256 kbps, một kết nối TCP với cỏc thụng số tương tự trờn đạt được thụng lượng hiệu dụng xấp xỉ 250 kbps. Độ trễ lớn cũn ảnh hưởng tới cỏc dịch vụ Web, cụ thể là làm cho thời gian tải một trang Web về lõu hơn, minh họa trong hỡnh 4.5 và 4.6 :
Hỡnh 4.5.Thời gian tải cỏc trang Web cú kớch thƣớc khỏc nhau (kờnh 2048kbps)
Trễ đường truyền (giõy)
Hỡnh 4.6. Thời gian tải cỏc trang Web cú kớch thƣớc khỏc nhau (kờnh 256kbps)
Hỡnh 4.5 và 4.6 cho thấy thời gian tải cỏc trang Web về tăng theo trễ đường truyền. Do đú chất lượng cỏc dịch vụ Web thời gian thực giảm khi truyền qua đường truyền vệ tinh.
4.2.2. Ảnh hƣởng của tớch số BDP lớn
Như đó trỡnh bày ở trờn, TCP sử dụng thuật toỏn khởi đầu chậm và thuật toỏn
trỏnh tắc nghẽn để điều khiển luồng dữ liệu Internet. Đối với thuật toỏn khởi đầu chậm, kớch thước cửa sổ ban đầu bằng 1 (cwnd =1), sau khi phớa phỏt nhận được
bản tin xỏc nhận cú chỉ số ACK khụng cựng chỉ số với bản tin trước đú, cwnd được tăng lờn một lượng bằng 1. Quỏ trỡnh này được tiếp diễn cho đến khi cwnd =
80
ssthresh hoặc xảy ra sự mất gúi. Trong trường hợp cwnd đạt đến ngưỡng ssthresh,
thuật toỏn trỏnh tắc nghẽn được khởi động và cwnd tăng chậm hơn, cụ thể tăng 1gúi tin cho mỗi RTT. Trong trường hợp xảy ra mất gúi tin, cỏc biến cwnd và ssthresh
đều bị giảm, thuật toỏn khụi phục nhanh được khởi động. TCP cho rằng giỏ trị sau của ssthresh phản ỏnh dung lượng của mạng một cỏch chớnh xỏc hơn.
Giỏ trị BDP chỉ lượng dữ liệu của giao thức mà lượng dữ liệu này chưa được xỏc nhận là đến đớch. Đối với kết nối TCP sử dụng đường truyền vệ tinh tớch số này thường rất lớn. Vớ dụ, đường truyền vệ tinh cú tốc độ 2Mbps, độ trễ 0,5s, khi đú ta tớnh được BDP = 2x0,5 = 1(Mb). Khi dung lượng những bộ đệm trong mạng nhỏ hơn nhiều so với BDP, xảy ra hiện tượng tràn bộ đệm sớm và mất gúi tin trong quỏ trỡnh thuật toỏn khởi đầu chậm, trước khi sử dụng hết băng tần. Trường hợp phớa
phỏt phỏt với tốc độ cao trong quỏ trỡnh khởi đầu chậm (hai gúi tin cho một lần sau
khi nhận được bản tin xỏc nhận), nếu như mạng cú những bộ đệm khụng lớn để đỏp
ứng được tốc độ phỏt này sẽ xảy ra hiện tượng tràn bộ đệm sớm. Kớch thước cửa sổ khi xảy ra hiện tượng tràn sớm vẫn cũn rất nhỏ so với dung lượng thực của mạng, tuy nhiờn TCP coi đõy là cửa sổ lớn nhất cú thể đạt được và tự động giảm ssthresh do đú thụng lượng giảm [6].
4.2.3. Ảnh hƣởng của tỉ lệ lỗi lớn tới kết nối TCP qua vệ tinh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như đó phõn tớch ở trờn giao thức TCP khụng thể phõn biệt được mất gúi do lỗi hay mất gúi do tắc nghẽn. Khi nhận ra hiện tượng mất gúi, giao thức TCP cho rằng mạng bị tắc nghẽn và do đú phớa phỏt giảm tốc độ phỏt để trỏnh tắc nghẽn. Tuy nhiờn nếu sự mất gúi này do lỗi bit thỡ việc giảm tốc độ phỏt là khụng cần thiết vỡ khi đú mạng vẫn cú khả năng tiếp nhận cỏc gúi tin. Điều này làm giảm thụng lượng hiệu dụng của kết nối, đặc biệt là trong những đường truyền cú lỗi lớn như đường truyền vệ tinh.
Hỡnh 4.7 chỉ ra sự phụ thuộc của thụng lượng hiệu dụng vào tỉ số lỗi bit với từng kết nối cú giỏ trị kớch thước cửa sổ thu khỏc nhau.
81
Trong đú, cỏc đường cong khỏc nhau biểu thị cho cỏc kết nối với kớch thước cửa sổ khỏc nhau.
Với tỉ số lỗi bit lớn hơn 10-7, thụng lượng hiệu dụng cỏc kết nối cú kớch thước cửa sổ thu lớn giảm rừ rệt. Cỏc kết nối cú kớch thước cửa sổ thu nhỏ ớt chịu ảnh hưởng của lỗi hơn. Điều này được giải thớch như sau: với cựng một xỏc suất lỗi bớt, xỏc suất xảy ra lỗi bớt ở cỏc kết nối kớch thước cửa sổ lớn cao hơn so với xỏc suất xảy ra lỗi bit ở cỏc kết nối cú kớch thước cửa sổ nhỏ. Cỏc kết nối TCP qua vệ tinh thường cú giỏ trị BER khoảng 10-6, cỏc hệ thống cỏp quang giỏ trị BER khoảng10-9, hỡnh 4.7 cho thấy với kết nối TCP cú cựng kớch thước cửa sổ thu thụng lượng của kết nối vệ tinh chỉ bằng 25% so với cỏc hệ thống cỏp quang.
4.3. Cỏc giải phỏp cải tiến giao thức TCP
Cỏc giải phỏp được đề cập ở đõy bao gồm: - Tăng kớch thước cửa sổ khởi đầu truyền dẫn. - Sử dụng giao thức TCP với tuỳ chọn SACK. - Cỏc giải phỏp thụng bỏo mất gúi do lỗi.
4.3.1. Giải phỏp tăng kớch thƣớc cửa sổ khởi đầu truyền dẫn
4.3.1.1. Nguyờn lý thực hiện
Trong pha khởi đầu chậm của giao thức TCP chuẩn, thuật toỏn khởi đầu chậm chỉ tăng kớch thước cửa sổ truyền dẫn (luụn được khởi tạo giỏ trị bằng 1 gúi tin), sau đú giỏ trị này được tăng lờn 1 mỗi khi cú một gúi tin xỏc nhận tới đớch. Cơ
chế này cú hai hạn chế sau:
(1) Phải mất nhiều thời gian để kớch thước cửa sổ truyền dẫn phớa phỏt cú thể tăng đến giỏ trị cửa sổ phớa thu, dẫn đến thụng lượng hiệu dụng của kết nối giảm.
82
(2) Số lượng cỏc gúi tin được phỏt vào mạng ở pha khởi đầu chậm ớt hơn so với khả năng đỏp ứng của mạng, tức là hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần của kết nối TCP thấp.
Giải phỏp được đưa ra để giải quyết hai vấn đề trờn là tăng kớch thước cửa sổ khởi đầu truyền dẫn. Sự thay đổi cửa sổ khởi đầu kết nối được bắt đầu từ khoảng thời gian RTT đầu tiờn sau thủ tục bắt tay ba đường của TCP. Cả hai gúi tin SYN/ACK và gúi tin xỏc nhận ACK trong thủ tục bắt tay đều khụng thể tăng kớch thước cửa sổ khởi đầu. Nếu gúi tin SYN hay SYN/ACK bị mất, cửa sổ khởi đầu được sử dụng bởi phớa phỏt sau khi truyền lại gúi tin SYN phải cú kớch thước bằng 1 gúi tin [6].
Như trờn đó trỡnh bày, TCP sử dụng thuật toỏn khởi đầu chậm trong ba
trường hợp sau đõy:
- Khởi đầu một kết nối (khởi tạo cửa sổ).
- Truyền lại sau khoảng thời gian dài mà kết nối khụng truyền gỡ cả (khởi tạo
lại cửa sổ).
- Truyền lại sau khi chờ RTO (mất gúi tin). Trong ba trường hợp trờn, kớch thước cửa sổ khởi đầu lớn hơn 1 chỉ được ỏp dụng trong trường hợp 1. Trường hợp 2, cửa sổ khởi tạo lại được thiết lập bằng giỏ trị nhỏ nhất giữa giỏ trị cửa sổ khởi đầu (trường hợp 1) và giỏ trị hiện tại của biến cwnd. Trong trường hợp 3, giỏ trị cửa sổ khởi đầu luụn nhận bằng 1, do lỳc này TCP cho rằng mạng bị tắc nghẽn nờn nếu tăng kớch thước cửa sổ truyền dẫn sẽ làm cho mạng tắc nghẽn thờm.
Như vậy việc tăng kớch thước cửa sổ khởi đầu là mang tớnh tuỳ chọn và chỉ được ỏp dụng ở pha khởi đầu chậm của một kết nối TCP mới được khởi tạo.
4.3.1.2. Cỏc kết quả thực nghiệm với cửa sổ khởi đầu kớch thước lớn
Những thực nghiệm này được thực hiện trờn hệ thống mụ phỏng hệ thống vệ tinh thụng tin của trường đại học tổng hợp Ohio. Cỏc thực nghiệm được tiến hành
bằng cỏch sử dụng giao thức FTP để truyền những file cú kớch thước khỏc nhau qua thiết bị mụ phỏng. Thiết bị mụ phỏng được thiết lập với hai trường hợp sau đõy:
- Kớch thước cửa sổ thu nhỏ để khụng xảy ra tắc nghẽn trong mạng. - Kớch thước cửa sổ thu lớn hơn để cú thể xảy ra tắc nghẽn trong mạng. Hỡnh 4.8 mụ tả sự cải thiện của thụng lượng hiệu dụng của cỏc kết nối với kớch thước cửa sổ khởi đầu lớn so với kết nối cú kớch thước cửa sổ khởi đầu bằng 1 gúi tin [5].
83
Hỡnh 4.8. Sự cải thiện thụng lƣợng của kết nối TCP khi khụng cú tắc nghẽn
Trong đú, cỏc nột gạch khỏc nhau biểu thị cho cỏc file cú kớch thước khỏc nhau.
Hỡnh 4.8 cho thấy rằng sự tăng kớch thước cửa sổ khởi đầu làm tăng thụng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
lượng của kết nối, đặc biệt là khi truyền những file cú kớch thước nhỏ. Cụ thể, khi truyền một file cú kớch thước 30kB, nếu sử dụng cửa sổ khởi đầu cú kớch thước bằng 32 gúi tin, thụng lượng tăng lờn xấp xỉ 180% so với cửa sổ khởi đầu kớch thước bằng 1 gúi tin, nếu sử dụng cửa sổ khởi đầu cú kớch thước bằng 4 gúi tin thụng lượng tăng lờn 27%. Sự tăng thụng lượng với trường hợp truyền dẫn những file nhỏ là do tiết kiệm được thời gian truyền dẫn khi sử dụng cửa sổ khởi đầu cú kớch thước lớn hơn. Đối với những trường hợp truyền dẫn những file cú kớch thước lớn, thụng lượng khụng được cải thiện như trường hợp những file nhỏ. Nguyờn