Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA

Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Viện Điện tử - Viễn thông

***

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

MẠNG MÁY TÍNH

Mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA

Hà Nội 12/2017

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính không ngừng được tăng lên về cả số lượng và ứng dụng, đặc biệt là sự phát triển hệ thống mạng máy tính, kết nối các máy tính lại với nhau thông qua môi trường truyền tin để cùng nhau chia sẻ tài nguyên trên mạng góp phần làm tăng hiệu quả của các ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, kinh tế, quân sự, văn hoá Từ đó, Mạng máy tính trở thành lĩnh vực nghiên cứu, phát triển rất quan trọng bảo đảm truyền tin đáng tin cậy, chính xác, phù hợp tốc độ và đảm bảo an toàn thông tin trên mạng

Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo những quy tắc nhất định Việc truyền tín hiệu trên mạng cần phải có những quy tắc, quy ước về nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) của dữ liệu cho tới các thủ tục gửi, nhận

dữ liệu, kiểm soát hiệu quả, chất lượng truyền tin và xử lý các lỗi Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các quy tắc càng nhiều và phức tạp hơn

Tập hợp tất cả những quy tắc, quy ước đó được gọi là giao thức (Protocol) của mạng.

Trong nội dung của môn học, nhóm sinh viên chúng em được giao đề tài “Lập trình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu quả sử dụng kênh truyền trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao.” Có thể nói, mô hình mạng ALOHA là một phương pháp để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyền được nghiên cứu và xây dựng từ rất sớm

Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo TS đã chỉ bảo, góp ý, bổ sung, hướng dẫn tận tình để nhóm có thể hoàn thành được bài tập này.Do kinh nghiệm và khả năng có hạn nên chắc chắn kết quả của nhóm đạt được còn nhiều hạn chế và thiếu sót Nhóm rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạn sinh viên

Nhóm xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

1 Phân tích đề tài bài tập lớn của nhóm 7

2 Tìm hiểu về mô hình mạng Slotted ALOHA 7

2.1 Lịch sử phát triển: 7

2.2 Cơ chế hoạt động của slotted ALOHA 8

2.2.1 Cơ chế hoạt động của mô hình mạng ALOHA 8

2.2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức Slotted ALOHA (ALOHA phân khe, a-ALOHA) 10

2.3 Đánh giá hiệu năng 10

2.4 Ưu nhược điểm của giao thức Slotted ALOHA 12

2.4.1 Ưu điểm 12

2.4.2 Nhược điểm 12

2.5 Sơ đồ thuật toán của quá trình mô phỏng s-ALOHA 14

3 Thực hiện 16

KẾT LUẬN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

TCP/IP Internet protocol suite Bộ giao thức liên mạng OSI

Open Systems Interconnection Reference

Model

Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic TDMA Time Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia

thời gian

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần

số CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia

theo mã CSMA Carier Sense Multiple

Access

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA/CD CSMA/Collision Detection Đa truy nhập cảm nhận

sóng mang dò tìm xung đột CSMA/CA CSMA/Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận

sóng mang tránh xung đột

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Hoạt động của giao thức ALOHA 7

Hình 2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA 8

Hình 3: Thông lượng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và Slotted ALOHA 10

Hình 4: Sơ đồ thuật toán 12

Hình 5: Tranh chấp gói trong hệ thống s-ALOHA 13

Hình 6: Mô phỏng giao thức Slotted ALOHA bằng Matlab 14

1 Phân tích đề tài bài tập lớn của nhóm

Đề tài: Lập trình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu quả sử dụng kênh truyền trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao

Các yêu cầu đặt ra:

- Lập trình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA

- Đánh giá hiệu quả sự dụng kênh truyền trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình, cao

Trong bài này, nhóm chúng em sử dụng Matlab để mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA

2 Tìm hiểu về mô hình mạng Slotted ALOHA

2.1 Lịch sử phát triển:

Trong mạng máy tính và mạng viễn thông, lớp liên kết dữ liệu (lớp 2 trong

mô hình TCP/IP và OSI) chịu trách nhiệm truyền tải dữ liệu giữa các thực thể mạng, phát hiện và khôi phục lỗi có thể xảy ra trong lớp vật lý Lớp liên kết dữ liệu được chia thành hai phân lớp con: lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC và lớp điều khiển logic liên kết LLC Lớp MAC cung cấp chức năng địa chỉ và phương pháp truy nhập kênh trong khi LLC cung cấp chức năng đồng bộ kênh và kiểm tra lỗi Giao thức đa truy nhập là các thủ tục truy nhập kênh cho các thiết bị đầu cuối cùng chia sẻ phương tiện truyền dẫn được thực hiện tại lớp MAC Các giao thức đa truy nhập được phân chia thành hai nhánh lớn: các giao thức dự phòng kênh (không tranh chấp) và các giao thức truy nhập ngẫu nhiên (dựa trên tranh chấp) Mục tiêu của các giao thức dự phòng kênh là để tránh hoàn toàn các xung đột giữa các yêu cầu truy nhập phương tiện Vì vậy, trong các giao thức dự phòng kênh, các nguồn tài nguyên kênh đƣợc chỉ định cho từng yêu cầu truy nhập để đảm bảo các truyền dẫn thành công Cơ chế chỉ định tài nguyên kênh thường dựa trên ba

kiểu chính gồm: đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple

Access), đa truy nhập phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên không đảm bảo một truyền dẫn

thành công do hoạt động trên nguyên tắc tranh chấp và cơ chế điều khiển phân tán Một xung đột xảy ra nếu hai nút phát gói tin trong vùng tranh chấp cùng khởi tạo truyền dẫn đồng thời, dẫn tới hiện tượng nút thu không thể nhận được thông tin chính xác Vì vậy để tránh xung đột, mỗi một nút sử dụng cơ chế lập lịch trên cơ sở thời gian ngẫu nhiên cho lần truyền dẫn lại gói tin Thuật toán truyền dẫn lại thể hiện bản chất và sự khác biệt của các giao thức đa truy nhập ngẫu nhiên Một số giao thức truy nhập ngẫu nhiên phổ biến là ALOHA, đa truy nhập cảm nhận sóng

mang CSMA (Carier Sense Multiple Access), đa truy nhập cảm nhận sóng mang dò tìm xung đột CSMA/CD (CSMA/Collision Detection) và đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance).

Vào những năm 1970, Norman Abramson cùng các đồng sự tại Đại học Hawaii đã phát minh ra một phương pháp để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyền Đó là giao thức ALOHA

Trong một hệ thống ALOHA, nếu trạm phát có dữ liệu, dữ liệu sẽ ngay lập tức được gửi đi trên đường truyền Vì thế, nếu có 2 trạm cùng gửi dữ liệu tại một thời điểm,sẽ xảy ra xung đột, và làm mất gói tin

Năm 1972, Robert đã phát triển một giao thức mới là Slotted ALOHA, bằng cách chia thời gian truyền thành các khe thời gian nhỏ, và mỗi gói tin sẽ được gửi đi ở đầu mỗi khe thời gian, nhằm làm giảm xung đột so với giao thức ALOHA ban đầu

2.2 Cơ chế hoạt động của slotted ALOHA

2.2.1 Cơ chế hoạt động của mô hình mạng ALOHA

Cơ chế hoạt động của giao thức ALOHA được coi làđơn giản nhất trong các cơ chế đa truy nhập và hoạt động theo nguyên tắc sau: góitin mới đến một nút sẽ được

truyền ngay; khi xảy ra xung đột do có hai nút pháttrong cùng một khoảng thời gian gọi

là khoảng thời gian tổn thương (vulnerabletime) thì các gói tin được truyền lại sau một

khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên

Hình 1: Hoạt động của giao thức ALOHA

Giả thiết lưu lượng đến từ một số lượng hữu hạn người dùng và tuân theo quá trình Poisson với tốc độ đến trung bình  gói/s, mỗi gói tin được truyền với thời gian

cố định T giây Một truyền dẫn tại thời điểm t thành công khi và chỉ khi không

có một truyền dẫn khác xuất hiện trong khoảng thời gian tổn thương(t−T ,t +T ) Tốc

độ tải yêu cầu trong thời gian gửi một gói tin được kí hiệu là G, bao gồm những gói

tin cần truyền dẫn lại và những gói tin mới đến trong khoảng thời gian này Thông

lượng kênh S được tính theo công thức dưới đây:

S=Ge−2 G

2.2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức Slotted ALOHA (ALOHA phân khe, a-ALOHA)

Hình 2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA

Giao thức này sử dụng cơ chế truyền đồng bộ trên các khethời gian như trong phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA vàcác nút chỉ có thể truyền gói tại thời điểm bắt đầu của một khe thời gian Do khoảngthời gian tổn thương trong trường

hợp này chỉ là T thay vì 2T như trong giao thứcALOHA nên hiệu năng đỉnh của ALOHA phân khe tăng gấp 2 lần Thông lượng Strong trường hợp này xác định qua số gói tin

truyền dẫn thành công trong khoảngthời gian truyền dẫn một gói tin là:

S=Ge−G

Với giao thức truy nhập kênh ALOHA, thông lượng tối đa có thể đạt đượccủa hệ

thống là S=1/2e=0.1839 tại G=0.5 Trong khi đó, với giao thức truy nhậpkênh ALOHA phân khe, thông lượng kênh đạt cực đại với G 1 và S e 1/ 0.37được thể hiện trên

Hình 3 Như vậy, giao thức ALOHA phân khe cho thông lượngcực đại cao gấp 2 lần so

với giao thức ALOHA nhưng buộc phải trả giá về vấn đềđồng bộ thời gian

2.3 Đánh giá hiệu năng.

- Giả sử có N trạm gửi dữ liệu vào mạng với lưu lượng tới tuân theo tiến trình Poison với các tham số { λ1, λ2, λ3, λN}

- Kênh truyền có dung lượng là C (bit/s)

- Các gói tin có kích thước cố định là L

- Thời gian phục vụ gói ts = L/C.

- Giả sử tại thời điểm t0, gói pi của trạm i truy nhập kênh Vậy trong khoảng thời gian Tx=ts, nếu có một gói khác cùng truy nhập kênh sẽ xảy ra xung đột

- Gọi G là số lần truy nhập kênh trong khoảng thời gian ts

G = λts

- S là số lần truy nhập thành công trong thời gian ts

- S = Ge-G

dG = e-G - Ge-G

- Phương trình trên đạt cực trị tại G=1, S=0,368

- Vậy thông lượng kênh của giao thức Slotted ALOHA đạt cực đại bằng

36,8% khi tải đầu vào là 100% Hiệu năng của slotted ALOHA gấp đôi pura ALOHA

Hình 3: Thông lượng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và Slotted ALOHA

2.4 Ưu nhược điểm của giao thức Slotted ALOHA

2.4.1 Ưu điểm

- Đơn giản

2.4.2 Nhược điểm

- Các trạm phải đồng bộ thời gian

- Hiệu suất thấp, nhiều xung đột

- Lãng phí thời gian do có các slot rỗi

2.5 Sơ đồ thuật toán của quá trình mô phỏng s-ALOHA

Hình 4: Sơ đồ thuật toán

- Các gói tin có cùng 1 kích thước

- Thời gian được chia thành các khoảng rời rạc bằng nhau, bằng thời gian lan truyền một gói tin

- Khi một trạm có gói tin cần gửi đi, nó sẽ đợi đến khi bắt đầu một slot mới thì bắt đầu gửi gói tin lên đường truyền

- Khi có 2 trạm cùng truy cập đường truyền tại 1 slot, sẽ có xung đột xảy ra và gói tin bị mất

- Sau khi gửi gói tin đi một khoảng thời gian Tp = round trip time, nếu trạm gửi nhận được tín hiệu ACK, nghĩa là gói tin đã được truyền thành công Nếu không nhận được tín hiệu ACK nghĩa là gói tin đã bị mất Lúc này trạm phải đợi 1 khoảng thời gian ngẫu nhiên gọi là Back off time TB, sau đó gói tin bị mất sẽ được truyền lại ở đầu của slot kế tiếp

Hình 5: Tranh chấp gói trong hệ thống s-ALOHA

- Khi có gói tin được gửi trên kênh truyền, kênh truyền ở trạng thái Busy Khi không có gói tin nào được gửi, kênh truyền ở trạng thái Idle

3 Thực hiện

Hình 6: Mô phỏng giao thức Slotted ALOHA bằng Matlab

KẾT LUẬN

Nhóm đã thực hiện mô phỏng mô hình mạng Slotted ALOHA bằng phần mềm matlab Nhóm cũng đã thu được kết quả cho thấy sự khác nhau giữa lý thuyết và mô phỏng hình ảnh thực tế của loại giao thức này.Kết quả mô phỏng thực tế chỉ xấp xỉ xung quang đường đồ thị thể hiện kết quả theo lý thuyết Nhóm cũng hiểu thêm được về cơ chế xây dựng giao thức này, hiểu được ưu, nhược điểm của nó Tuy nhiên, do kinh nghiệm và khả năng có hạn nên chắc chắn kết quả của nhóm đạt được còn nhiều hạn chế và thiếu sót

TÀI LIỆU THAM KHẢO