Nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường truyền vào hiệu năng TCP trong mạng WLAN

TCP được thiết kế ban đầu cho mạng có dây, chưa xét đến các yếu tố có thể tác động vởi môi trường truyền vô tuyến như biến đổi kênh truyền, di động,… Do đó, sử dụng TCP trong kết nối Int

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

ĐOÀN THÙY DƯƠNG

NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG TRUYỀN VÀO HIỆU NĂNG TCP TRONG MẠNG WLAN

CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH

MÃ SỐ: 60.48.15

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TSKH HOÀNG ĐĂNG HẢI

HÀ NỘI - 2012

MỞ ĐẦU

Mạng Internet là mạng máy tính rộng lớn sử dụng nhiều công nghệ khác nhau Kết nối có dây (Wireline) đôi khi gây ra rất nhiều khó khăn cho người sử dụng khi di chuyển hay lắp đặt tại nơi

có địa hình phức tạp, Xuất phát từ yêu cầu mở rộng Internet thân thiện hơn với người sử dụng, mạng WLAN được nghiên cứu và triển khai ứng dụng trong thực tế

Mạng WLAN ra đời thực sự là một bước tiến vượt bậc của công nghệ mạng Hiện nay đã phổ biến trên toàn thế giới, mang lại rất nhiều lợi ích cho người sử dụng, nhất là khả năng di động của nó

Giao thức TCP (Transmission Control Protocol) là giao thức cốt lõi trong bộ giao thức TCP/IP Giao thức này đảm bảo chuyển giao dữ liệu tới nơi nhận một cách đáng tin cậy và đúng thứ tự trong mạng truyền thống Giao thức TCP cũng được sử dụng cho mạng không dây, cụ thể ở đây là mạng WLAN TCP được thiết kế ban đầu cho mạng có dây, chưa xét đến các yếu tố có thể tác động vởi môi trường truyền vô tuyến như biến đổi kênh truyền, di động,… Do đó,

sử dụng TCP trong kết nối Internet di động qua WLAN cần xét đến các yếu tố ảnh hưởng của môi trường truyền như: tài nguyên mạng

có hạn, sự biến động kênh truyền, nhiễu,…Đặc biệt, những yếu tố mới phát sinh như: biến thiên của lưu lượng Internet, yêu cầu đa dạng của dịch vụ mới có tác động lớn đến hiệu năng TCP và do đó ảnh hưởng không nhỏ tới chất lượng dịch vụ mạng

Vì vậy, tác giả đã chọn hướng nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường truyền vào hiệu năng TCP trong mạng WLAN trong luận văn này Trên cơ sở đó, luận văn đánh giá các tác động của môi trường truyền và hiệu năng TCP trong WLAN để có thể có hướng cải thiện chất lượng truyền, nâng cao hiệu năng mạng Nội dung của bài cũng so sánh, đánh giá một số phương pháp điển hình để nâng cao hiệu năng giao thức TCP và thực hiện mô phỏng đánh giá hiệu năng

Luận văn bao gồm ba chương chính và phần kết luận, cụ thể như sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về mạng WLAN và hiệu năng TCP Trình bày các khái niệm về bộ giao thức TCP/IP, WLAN

và hiệu năng giao thức, vấn đề về truyền tin TCP trong mạng cục bộ không dây

Chương 2: Nghiên cứu tác động của môi trường không dây đến hiệu năng TCP Nghiên cứu các đặc điểm của yếu tố môi trường truyền tác động mới như: biến thiên lưu lượng, đa dịch vụ, tính di động Mô hình hóa các tác động mới của môi trường vào hiệu năng TCP

Chương 3: Thực hiện mô phỏng các tác động của môi trường

và đánh giá hiệu năng giao thức TCP trong mạng WLAN Luận văn trình bày về một cải tiến giao thức TCP trong WLAN, thực hiện mô phỏng để đánh giá khả năng duy trì hiệu năng trong các điều kiện môi trường về nhiễu, đánh giá mức độ chịu lỗi của giao thức trong các điều kiện trên

Để hoàn thành nội dung luận văn tác giả xin tỏ lòng biết ơn đến PGS.TSKH Hoàng Đăng Hải đã tận tình chỉ bảo trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận văn của mình

Chương 1 - NGHIÊN CỨU VỀ MẠNG WLAN VÀ HIỆU NĂNG TCP

1.1 Khái niệm về TCP/IP, WLAN và hiệu năng giao thức

1.1.1 Mô hình tham chiếu TCP/IP

1.1.2 Bộ giao thức TCP/IP

Bộ giao thức TCP/IP bao gồm hai giao thức chính là IP và TCP Giao thức liên mạng IP cung cấp cho giao thức TCP ở tầng trên nó dịch vụ vận chuyển dữ liệu qua liên mạng, làm cho TCP không cần phải biết về con đường vận chuyển dữ liệu từ nguồn đến đích Giao thức TCP sử dụng cơ chế điều khiển lưu lượng, tắc nghẽn

và lỗi từ hai đầu của kết nối để vận chuyển thông tin trên Internet một cách hiệu quả và tin cậy

Giao thức TCP chuẩn gồm có 4 thuật toán liên quan lẫn nhau Bốn thuật toán bao gồm :

- Thuật toán khởi đầu chậm

- Thuật toán tránh tắc nghẽn

- Thuật toán truyền lại nhanh

- Thuật toán khôi phục nhanh

1.1.3 Khái niệm về WLAN

Mạng WLAN (Wireless Local Area Network) là một mạng dùng để kết nối hai hay nhiều máy tính với nhau mà không sử dụng dây dẫn WLAN dùng công nghệ trải phổ, sử dụng sóng vô tuyến cho phép truyền thông giữa các thiết bị trong một vùng nào đó gọi là Basic Service Set

Ưu điểm của WLAN:

Sự tiện lợi,khả năng di động, hiệu quả, triển khai rất dễ, khả năng

mở rộng,

Nhược điểm của WLAN:

Bảo mật, phạm vi, độ tin cậy, tốc độ,…

1.1.4 Khái niệm hiệu năng giao thức

Theo nghĩa chung, hiệu năng là một độ đo công việc mà một

hệ thống thực hiện được Hiệu năng chủ yếu được xác định bởi sự kết hợp của các nhân tố: tính sẵn sàng để dùng (availability), thông lượng (throughput) và thời gian đáp ứng (response time)

Các độ đo hiệu năng mạng

Có thể phân các độ đo hiệu năng thành hai loại: các độ đo hướng tới người sử dụng và các độ đo hướng tới hệ thống

Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu năng mạng máy tính,

có thể chia chúng làm ba loại: Mô hình giải tích, Mô hình mô phỏng

và Đo hiệu năng

1.2 Truyền tin với TCP trong mạng cục bộ không dây

1.2.1 Cấu trúc gói tin TCP

1.2.2 Phương thức truyền tin TCP trong WLAN

1.3 Mô phỏng đánh giá hiệu năng giao thức

1.3.1 Cơ bản về mô phỏng mạng bằng chương trình máy tính

Hoạt động của mạng máy tính có thể xem là một dãy các sự kiện xảy ra liên tiếp, tại các thời điểm xác định, rời rạc Bằng cách sử dụng máy tính điện tử số, chúng ta có thể xây dựng các mô-đun chương trình phần mềm để mô phỏng các thành phần khác nhau của

mạng thực cũng như hành trạng của chúng Các mô-đun này được kết hợp với nhau tạo thành bộ mô phỏng

1.3.2 Bộ mô phỏng mạng NS (Network Simulator)

Bộ mô phỏng mạng NS (Network Simulator) được phát triển

từ bộ mô phỏng REAL (Realistic and Large) của S Keshav từ năm

1989 Các phiên bản tiếp theo của NS ra đời sau năm 1997, thường gọi bộ mô phỏng là NS-2 Đây là một máy mô phỏng vận hành bởi các sự kiện rời rạc (discrete-event-driven simulation engine), có tính chất tuần tự

Các thành phần của bộ chương trình mô phỏng NS

Trong bộ chương trình mô phỏng mạng NS, chương trình mô phỏng NS là thành phần chính

Thành phần thứ hai là các công cụ hiển thị trực quan NAM

và XGRAPH NAM là công cụ hiển thị

NS đưa kết quả ra tệp vết (trace file) là các tệp chứa thông tin vết của các sự kiện trong thời gian tiến hành chạy mô phỏng

Lập trình mô phỏng bằng NS

1 Các thao tác đối với bộ lập lịch các sự kiện

2 Tạo ra mạng

3 Chọn thuật toán định tuyến

4 Tạo ra kết nối và lưu lượng

5 Đưa mô-đun sinh lỗi vào đường truyền của mạng mô phỏng

6 Ghi lại vết của mô phỏng (Tracing) để xử lý và phân tích sau

7 Ghi lại vết của các sự kiện để hiển thị trực quan bằng chương trình NAM

1.4 Một số vấn đề về truyền tin với TCP trong mạng không dây

Giao thức lớp vận chuyển (TCP) đã được thiết kế để thực hiện tốt cho mạng có dây, tuy nhiên lại phát sinh một số vấn đề khi truyền tin trong mạng không dây Các hạn chế cơ bản bao gồm: tỉ lệ lỗi bit của kênh truyền dẫn cao, trễ truyền dẫn lớn và tính bất đối xứng của đường truyền Ngoài ra còn một số vấn đề mới phát sinh như biến đổi kênh truyền, tài nguyên hạn hẹp, tính đa dạng của dịch vụ…

Vì những vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu tác động của môi trường truyền không dây WLAN đến hiệu năng TCP là điều thực sự cần thiết nhằm hiểu được bản chất suy giảm hiệu năng TCP và có biện pháp cải thiện thích hợp Đó cũng là nội dung nghiên cứu chủ yếu của bài sẽ được trình bày tiếp trong 2 chương tiếp theo

Chương 2 - TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY WLAN ĐẾN HIỆU NĂNG TCP

2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố trong môi trường truyền WLAN lên hiệu năng TCP

Giao thức TCP hoạt động rất tốt, ổn định trong các mạng kiểu truyền thống Tuy nhiên, khi giao thức TCP ứng dụng cho mạng không dây, các đặc tính cơ bản của đường truyền không dây ảnh hưởng đánh kể đến hiệu năng của giao thức TCP Vì vậy, chương này nghiên cứu ảnh hưởng của đường truyền không dây lên hiệu năng TCP để thấy rõ sự cần thiết phải cải thiện hiệu năng của TCP trong mạng không dây cụ thể là mạng WLAN

2.1.1 Ảnh hưởng của kích thước cửa sổ TCP

Mục tiêu của cửa sổ phát là cho phép phía thu TCP kiểm soát xem có bao nhiêu dữ liệu được phát đi tại một thời điểm nhất định Phía thu báo kích thước cửa sổ tới phía phát, đó là số đơn vị dữ liệu mà phía phát có thể phát

Rõ ràng là khi kích thước cửa sổ phía thu nhỏ (do hạn chế về buffer ) sẽ làm hạn chế tốc độ phát Kích thước của cửa sổ tắc nghẽn và cửa sổ nhận sẽ quyết định hiệu năng của TCP Các yếu tố quyết định kích thước và tốc độ thay đổi của cửa sổ tắc nghẽn là:

1 RTT

2 Xác suất gói bị lỗi hay mất gói

3 Băng thông đầu cuối tới đầu cuối

Kích thước của cửa sổ tắc nghẽn tỷ lệ nghịch với giá trị của

3 đại lượng trên Như vậy để tăng thông lượng của TCP, ta có thể nâng cao chất lượng mạng như giảm RTT và xác suất lỗi

2.1.2 Ảnh hưởng của đặc tính lỗi đường truyền không dây đến hiệu năng TCP

Tỷ suất lỗi bit (BER) của đường truyền không dây cao hơn rất nhiều so với BER của các đường truyền có dây Tỉ suất lỗi bit cao trên các đường truyền không dây gây ra do sự kết hợp của nhiều yếu tố: hiện tượng fading, do địa hình, do các yếu tố môi trường và do can nhiễu của các tín hiệu khác được truyền trong không trung Các lỗi đường truyền này thường gây ra sự bùng nổ số gói số liệu bị mất

và dẫn đến sự gián đoạn của kết nối Việc mất gói số liệu gây ra sự phát lại hoặc hết giờ và điều đó lại kích hoạt cơ chế khởi động chậm (SS), làm giảm mạnh tốc độ truyền, dẫn đến làm giảm trầm trọng thông lượng

2.1.3 Ảnh hưởng của sự gián đoạn kết nối thường xuyên đến hiệu năng TCP

Có rất nhiều tình huống trong đó việc chuyển cuộc gọi mềm

từ điểm truy cập này đến điểm truy cập khác không thể thực hiện được Bản thân sự di động cũng có thể làm mất các gói số liệu khi người dùng di động ra khỏi vùng thu/phát tin cậy của các trạm cơ sở

Tác động đồng thời của tỉ suất lỗi bit cao và sự kết nối hay bị đứt đoạn của các đường truyền không dây lên hiệu năng của giao thức TCP đã được nhiều người nghiên cứu, trong đó phải kể đến một

trong những những người đi tiên phong là R Yavatka và N Bhagawat [13] Một mạng thí nghiệm đã được xây dựng, như được

mô tả trên hình 2.1 như sau

Hình 2.1 Mạng để nghiên cứu thực nghiệm về liên mạng

di động

Một thí nghiệm truyền một file kích thước 100KB giữa một máy tính di động và một máy tính cố định, qua một kết nối TCP thông thường

Bảng 2.1 Thời gian truyền trung bình (s)

Thời gian dừng do Tỉ lệ gói số liệu bị mất (%)

Chuyển cuộc gọi 0 % 5 % 10 %

0 s 21.7 [19.3, 24.1] 34.4 [30.6, 38.2] 63.3 [53.0, 73.6]

1 s 31.7 [27.6, 35.9] 44.6 [40.9, 48.3] 56.6 [50.0, 62.7] 2.8 s 32.6 [29.2, 36.0] 52.1 [45.6, 58.6] 88.7 [77.6, 99.7]

5 s 36.7 [34.0, 39.3] 69.8 [60.1, 79.6] 99.9 [86.6, 113.1]

Bảng 2.2 là các kết quả từ thời gian truyền trung bình Tốc

độ truyền trung bình (Kbps) = 100KB * 8 / Thời gian truyền trung bình (s)

Bảng 2.2 Tốc độ truyền trung bình (Kbit/s)

Thời gian dừng do Tỉ lệ gói số liệu bị mất (%)

Chuyển cuộc gọi 0 % 5 % 10 %

Các kết quả trên bảng 2.2 được biểu diễn dưới dạng đồ thị hình 2.2

Hình 2.2 Ảnh hưởng của tỉ suất lỗi bit (BER) cao và Sự chuyển

cuộc gọi đến hiệu năng của TCP

2.2 Các cơ chế cải thiện hiệu năng TCP trong mạng không dây

Trong mạng có đường truyền không dây, sự mất gói chủ yếu

là do lỗi đường truyền hoặc do sự chuyển cuộc gọi gây trễ quá dài, chứ không phải là do tắc nghẽn mạng Có hai giải pháp đó là: Che

giấu phần mạng hay làm mất gói số liệu do lỗi đường truyền và giải pháp cải tiến TCP bằng các cơ chế thông báo rõ ràng về nguyên nhân mất gói số liệu, giúp cho TCP có thể phân biệt được các kiểu mất gói

2.2.2 Thông báo rõ ràng về nguyên nhân mất gói số liệu

Thông báo rõ việc mất gói số liệu – ELN (Explicit Loss Notification) Thông báo rõ về tắc nghẽn - ECN (Explicit Congestion Notification)

2.3 So sánh một số kết quả đánh giá hiệu năng giao thức TCP trong mạng WLAN

2.3.1 Các cải tiến giao thức TCP trong mạng WLAN

2.3.2 Một số kết quả mô phỏng so sánh các cải tiến TCP trong WLAN

Các mô phỏng này có xét đến những ảnh hưởng của lỗi kết nối không dây và tắc nghẽn đường truyền Kết quả mô phỏng được thể hiện trong hình 2.3 và hình 2.4 tương ứng

Hình 2.3 Ảnh hưởng lỗi kênh và tắc nghẽn đường truyền không

dây đối với thông lượng TCP

Hình 2.4 Ảnh hưởng lỗi kênh và tắc nghẽn đường truyền không dây đối với thông lượng TCP trong mạng không dây không đồng

nhất

Hình 2.5 chỉ ra các biến thể TCP phản ứng đến tắc nghẽn ở phần cố định của mạng không dây cho các mức độ tắc nghẽn khác nhau

Hình 2.5 Thông lượng so với kích thước hàng đợi cho liên kết nút

cổ chai trong mạng không dây

2.4 Kết chương 2

Trong chương 2, luận văn đã thực hiện nghiên cứu tác động của môi trường truyền không dây WLAN đến hiệu năng TCP Luận văn đã phân tích ảnh hưởng của kích thước cửa sổ TCP, ảnh hưởng của đặc tính lỗi đường truyền không dây và gián đoạn kết nối thường xuyên của môi trường không dây đến hiệu năng TCP Tiếp đó, luận văn đã trình bày một số cơ chế cải thiện hiệu năng TCP cho mạng không dây, một số kết quả mô phỏng thử nghiệm đánh giá hiệu năng TCP cho một số cải tiến giao thức TCP trong mạng không dây WLAN

Chương 3 – MÔ PHỎNG CÁC TÁC ĐỘNG CỦA MÔI TRƯỜNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC TCP TRONG WLAN

Chương này nghiên cứu cơ chế Snoop TCP, được thực hiện cho giao thức TCP và nghiên cứu ảnh hưởng của các mức độ lỗi khác nhau của đường truyền không dây lên hiệu năng của Snoop TCP

3.1 Giới thiệu

3.2 Snoop TCP

Mục đích của cơ chế Snoop TCP là cải thiện hiệu năng của giao thức TCP trong mạng không dây mà không phải sửa đổi các giao thức TCP, đồng thời cho phép tích hợp dễ dàng các thiết bị truyền thông di động đang truyền thông qua các đường truyền không dây với phần còn lại của Internet Snoop TCP được thực hiện bằng cách sửa lại phần mềm tầng mạng của Internet tại trạm cơ sở, BS và tại các trạm di động, MH

Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động của Snoop TCP

Snoop agent bao gồm hai thủ tục (mô-đun chương trình) gắn kết với nhau là snoop_data() và snoop_ack() Trong đó Snoop_data() xử

lý và nhớ đệm các gói số liệu gửi đến cho MH; còn snoop_ack() xử

lý các biên nhận do MH gửi đi và sẽ tiến hành phát lại cục bộ các gói

số liệu trên chặng từ BS đến MH Các thuật toán trong hai thủ tục trên được trình bày bằng các lưu đồ trên hình 3.2 và 3.3 và được giải thích vắn tắt dưới đây

3.2.1 Snoop data

Gói số liệu của giao thức TCP được xác định một cách duy nhất bởi số thứ tự của byte đầu tiên và kích thước của gói số liệu đó Tại BS, agent Snoop luôn theo dõi sát số thứ tự gói số liệu mới nhất

mà nó thấy trên kết nối và dựa vào số thứ tự gói số liệu đến để xử lý chúng theo các cách thích hợp Lưu đồ thuật toán của thủ tục snoop_data() được thể hiện như hình 3.2

Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán của thủ tục snoop_data()