Các cải tiến TCP cho đường truyền vệ tinh : Luận văn ThS. Công nghệ thông tin: 1 01 10

Thông tin vệ tinh có rất nhiều các ƣu điểm nhƣ ổn định, ít bị tác động của môi trƣờng (địa hình, động đất, phá hoại, …), diện tích phủ sóng rộng do đó cho phép nhanh chóng liên lạc tớ[r]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Đình Tùng

CÁC CẢI TIẾN TCP CHO ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH

Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Mạng và truyền thông

Mã số: 1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS Nguyễn Đình Việt

Hà Nội - 2008

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thày giáo PGS., TS Nguyễn Đình Việt, người đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất chân tình Nhờ có sự giúp đỡ của Thày, tôi mới có thể hoàn thành luận văn của mình đồng thời cũng nâng cao trình độ nhận thức về công nghệ thông tin nói chung và mạng máy tính nói riêng Kiến thức và sự nghiêm túc của Thày trong nghiên cứu khoa học luôn là tấm gương để tôi học tập

Tôi xin cảm ơn các Thày, Cô giáo của trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã định hướng, trang bị các kiến thức nền tảng cho tôi để tôi có thể biết cách tư duy, tiếp cận các kiến thức chuyên sâu Xin cảm ơn bạn

bè, đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến và hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và viết luận văn

Cuối cùng, tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới gia đình, những người thân

đã cổ vũ tinh thần cho tôi trong học tập cũng như cuộc sống

Hà Nội, tháng 9 năm 2008

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là sản phẩm lao động của tôi Nội dung của luận văn được xây dựng theo kiến thức của tôi

và được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu của các chuyên gia trong và ngoài nước, được ghi chú đầy đủ vào trong tài liệu tham khảo, có xuất xứ rõ ràng

Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 9 năm 2008

Mục lục

Bảng thuật ngữ viết tắt 6

Danh mục các hình vẽ 8

Mở đầu 10

Chương 1 - GIỚI THIỆU 13

1.1 Lịch sử phát triển và ưu nhược điểm của truyền thông vệ tinh 13

1.1.1 Lịch sử phát triển của truyền thông vệ tinh 13

1.1.2 Ưu nhược điểm của truyền thông vệ tinh 16

1.2 Một số khái niệm và kiến thức cơ bản về truyền thông vệ tinh 17

1.2.1 Các khái niệm cơ bản 17

1.2.2 Các hệ thống vệ tinh Error! Bookmark not defined 1.3 Kết nối mạng qua đường truyền vệ tinh Error! Bookmark not defined

1.3.1 Đặc điểm của đường truyền vệ tinh và các vấn đề phải giải quyết

Error! Bookmark not defined 1.3.2 Các giải pháp khắc phục Error! Bookmark not defined

Chương 2 - CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG GIAO THỨC

TCP Error! Bookmark not defined 2.1 Sự phát triển của mạng Internet Error! Bookmark not defined 2.2 Kiến trúc mạng Internet Error! Bookmark not defined 2.2.1 Mô hình tham chiếu ISO OSI Error! Bookmark not defined 2.2.2 Mô hình TCP/IP Error! Bookmark not defined 2.3 Tổng quan về giao thức TCP Error! Bookmark not defined 2.3.1 Cấu trúc gói tin TCP Error! Bookmark not defined 2.3.2 Cơ chế hoạt động của TCP Error! Bookmark not defined 2.4 Một số thuật toán điều khiển lưu lượng trong TCP Error! Bookmark not defined

2.4.1 Thuật toán “Khởi động chậm” – SS (Slow Start) Error! Bookmark not defined

2.4.2 Thuật toán “Tránh tắc nghẽn” – CA (Congestion Avoidance) Error! Bookmark not defined

2.4.3 Thuật toán “Phát lại nhanh” – FRTX (Fast Retransmit) Error! Bookmark not defined

2.4.4 Thuật toán “Khôi phục nhanh” – FRCV (Fast Recovery) Error! Bookmark not defined

2.5 Các phiên bản của giao thức TCP Error! Bookmark not defined 2.5.1 Tahoe Error! Bookmark not defined 2.5.2 Reno Error! Bookmark not defined 2.5.3 New-Reno Error! Bookmark not defined 2.5.4 SACK TCP Error! Bookmark not defined 2.6 Ưu điểm của TCP trong mạng truyền thông Error! Bookmark not defined

Chương 3 - CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU SUẤT TCP TRONG MẠNG

CÓ ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH Error! Bookmark not defined 3.1 Sửa lỗi phía trước - FEC (Forward Error Correction) Error! Bookmark not defined

3.2 TCP SACK Error! Bookmark not defined 3.3 TCP HACK (HeAder ChecKsum option) Error! Bookmark not defined 3.4 TCP Trunk Error! Bookmark not defined

Chương 4 - ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT TCP TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ

TINH BẰNG MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined 4.1 Giới thiệu bộ phần mềm mô phỏng NS Error! Bookmark not defined

4.2 Sử dụng phần mềm mô phỏng NS để mô phỏng đường truyền vệ tinh

Error! Bookmark not defined 4.2.1 Các tham số cơ bản của tổ hợp vệ tinh Error! Bookmark not defined

4.2.2 Cài đặt vệ tinh và các trạm mặt đất Error! Bookmark not defined 4.2.3 Kết nối vệ tinh Error! Bookmark not defined 4.2.4 Hỗ trợ theo dõi Error! Bookmark not defined

4.3 Đánh giá hiệu suất TCP khi hoạt động trên đường truyền vệ tinh Error! Bookmark not defined

4.3.1 Vệ tinh VINASAT-1 và các tham số đặc trưng Error! Bookmark not defined

4.3.2 Cấu hình mạng mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.3.3 Các thí nghiệm mô phỏng và kết quả Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined Phương hướng nghiên cứu tiếp theo Error! Bookmark not defined

Tài liệu tham khảo 19

Bảng thuật ngữ viết tắt

ARPANET Advanced Research Projects Agency Network

ISO International Standard Organization

MSS Maximum Segment Size

SACK TCP Selective ACKnowledgement TCP

Hình 2.6 Phương thức bắt tay ba bước - kết thúc kết nối Error! Bookmark not defined

Hình 3.1 Thông lượng của TCP với FEC và không FEC Error! Bookmark not defined

Hình 3.2 Lựa chọn cho phép SACK TCP Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Khuôn dạng lựa chọn SACK TCP (length =n) Error! Bookmark not defined

Hình 3.4 Bên gửi TCP HACK khi đóng gói dữ liệu Error! Bookmark not defined

Hình 3.5 Bên nhận TCP HACK Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Bên gửi TCP HACK khi nhận ACK Error! Bookmark not defined Hình 3.7 TCP trunk Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Thực hiện TCP trunk Error! Bookmark not defined Hình 4.1: Cấu trúc của bộ mô phỏng NS-2 Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Các thành phần chính của mạng vệ tinh Error! Bookmark not defined

Hình 4.3: Cấu trúc tập vết thông thường của NSError! Bookmark not defined

Hình 4.4: Vùng phủ sóng của băng tần C Error! Bookmark not defined Hình 4.5: Vùng phủ sóng của băng tần Ku Error! Bookmark not defined Hình 4.6: Cấu hình mô phỏng Error! Bookmark not defined

Hình 4.7 Hệ số sử dụng đường truyền của các phiên bản TCP khác nhau, kích

thước cửa sổ phát thay đổi từ 32KB tới 256 KB, đường truyền không lỗi Error! Bookmark not defined

Hình 4.8: Độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác nhau, kích thước cửa

sổ phát thay đổi từ 32KB tới 256 KB, đường truyền không lỗi Error! Bookmark not defined

Hình 4.9 Hệ số sử dụng đường truyền của các phiên bản TCP khác, đường

truyền có lỗi (mô hình lỗi Markov) Error! Bookmark not defined

Hình 4.10 Độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác, đường truyền có lỗi

(mô hình lỗi Markov) Error! Bookmark not defined

Hình 4.11 Thăng giáng độ trễ trung bình của các phiên bản TCP khác, đường

truyền có lỗi (mô hình lỗi Markov) Error! Bookmark not defined

Hình 4.12 Hệ số sử dụng đường truyền trên đường truyền T1, tọa độ vệ tinh thay đổi từ 850E tới 1320E, đường truyền có lỗi.Error! Bookmark not defined

Mở đầu

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã tạo tiền đề cho sự phát triển của truyền thông vệ tinh, tới nay truyền thông vệ tinh đã được sử dụng rộng rãi và các hệ thống vệ tinh đã trở thành một phần cơ sở hạ tầng của mạng máy tính toàn cầu - Internet Trên thế giới đã có rất nhiều hệ thống vệ tinh được thiết kế

và thực hiện, phục vụ cho mục đích trao đổi thông tin khắp toàn cầu Thông tin

vệ tinh có rất nhiều các ưu điểm như ổn định, ít bị tác động của môi trường (địa hình, động đất, phá hoại, …), diện tích phủ sóng rộng do đó cho phép nhanh chóng liên lạc tới các vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà các hệ thống thông tin liên lạc khác không thể với tới được

Cùng với xu hướng phát triển khoa học công nghệ trên thế giới, Việt Nam dần từng bước chinh phục không gian, mà bước tiến quan trọng đầu tiên là

sở hữu vệ tinh địa tĩnh VINASAT-1 VINASAT-1 không những giúp Việt Nam chủ động hơn trong thông tin liên lạc, phục vụ thương mại, an ninh, quốc phòng

mà còn khẳng định chủ quyền của Việt Nam trong không gian

Với tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh chóng của Việt Nam, cơ sở hạ tầng nói chung trong đó có hạ tầng viễn thông phải đi trước một bước, đáp ứng được nhu cầu tăng trưởng kinh tế Đặc điểm địa lý của Việt Nam là có bờ biển dài, có nhiều núi non hiểm trở, có thềm lục địa rộng lớn, có rất nhiều đảo và quần đảo cách xa đất liền Do đó, để phát triển kinh tế và bảo vệ an ninh quốc phòng nhất thiết phải có hệ thống thông tin liên lạc mạnh và phủ sóng rộng khắp Hệ thống thông tin vệ tinh sẽ đáp ứng cho chúng ta các yêu cầu đó

Sau khi phóng và điều chỉnh vệ tinh vào quỹ đạo thích hợp, cần thiết lập đường truyền thông giữa vệ tinh với vệ tinh và giữa vệ tinh và các trạm mặt đất

Để truyền thông tin vệ tinh, có nhiều giao thức đã được sử dụng trong đó có giao thức TCP/IP, tuy nhiên do đặc điểm của truyền thông vệ tinh rất khác so với truyền thông mặt đất nên cần phải cải tiến TCP/IP cho phù hợp

Nội dung đầu tiên của đề tài là nghiên cứu các kiến thức nền tảng của TCP từ đó đề ra các hướng nghiên cứu cải tiến Tiếp đó, đề tài sẽ tập trung vào nghiên cứu bằng mô phỏng mạng có đường truyền vệ tinh và đánh giá hiệu suất của TCP và các phiên bản cải tiến của TCP trên đường truyền vệ tinh

Đề tài tập trung đi sâu phân tích các thuật toán điều khiển tắc nghẽn được cài đặt trong các phiên bản của TCP, bao gồm thuật toán “khởi động chậm”,

“tránh tắc nghẽn”, “phát lại nhanh” và “khôi phục nhanh”

Đề tài phân tích kỹ các giải pháp có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất đường truyền vệ tinh bao gồm: sửa lỗi phía trước (FEC - Forward Error Correction), SACK và TCP SACK, TCP HACK (HeAder ChecKsum option)

và TCP Trunk Sau đó, thông qua công cụ mô phỏng NS để mô phỏng quá trình truyền thông vệ tinh nhằm chỉ ra phiên bản TCP phù hợp, kích thước cửa sổ phát tối ưu và vị trí tốt nhất của vệ tinh so với các trạm mặt đất

Với mục tiêu trên, chúng tôi bố trí luận văn thành 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu

Nội dung của chương này là giới thiệu chung về truyền thông vệ tinh, phân tích các đặc điểm của đường truyền vệ tinh, các vấn đề phát sinh khi kết nối qua đường truyền vệ tinh

Chương 2: Cơ chế điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP

Chương này sau khi giới thiệu về sự phát triển của Internet, mô hình kiến trúc TCP/IP sẽ đi sâu vào phân tích giao thức TCP, một số thuật toán điều khiển lưu lượng trong TCP và các phiên bản của giao thức TCP

Chương 3: Các giải pháp cải thiện hiệu suất TCP trong mạng có đường truyền vệ tinh

Trong chương này đề cập tới các giải pháp hay sử dụng để nâng cao hiệu suất đường truyền vệ tinh

Chương 4: Đánh giá hiệu suất TCP trên đường truyền vệ tinh bằng mô phỏng

Trong chương này, phần đầu giới thiệu về công cụ mô phỏng thường được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng mạng, đó là NS (Network Simulator) Sau đó thiết lập cấu hình mô phỏng và thực hiện việc mô phỏng đường truyền

vệ tinh sử dụng các phiên bản TCP khác nhau

Cuối cùng là phần kết luận và phương hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Chương 1 - GIỚI THIỆU

1.1 Lịch sử phát triển và ưu nhược điểm của truyền thông vệ tinh

1.1.1 Lịch sử phát triển của truyền thông vệ tinh

Người đầu tiên đã nghĩ ra vệ tinh nhân tạo dùng cho truyền thông là nhà viết truyện khoa học giả tưởng Arthur C Clarke vào năm 1945 Ông đã nghiên cứu về cách phóng các vệ tinh, quỹ đạo của chúng và nhiều khía cạnh khác cho việc thành lập một hệ thống vệ tinh nhân tạo bao phủ thế giới Ông cũng đề xuất việc sử dụng 3 vệ tinh địa tĩnh (geostationary) cho một hệ thống viễn thông, đủ để phủ sóng cho toàn bộ Trái Đất Vệ tinh nhân tạo đầu tiên là SPUTNIK 1 được Liên bang Xô viết phóng lên ngày 4 tháng 10 năm 1957 đã chứng minh cho ý tưởng của Arthur C Clarke Sự kiện này là một là động lực thúc đẩy lớn lao đối với truyền thông vệ tinh của cả thế giới Về mặt công nghệ, SPUTNIK không thể so sánh được với các vệ tinh hiện đại ngày nay Nó chỉ đơn thuần phát ra các tín hiệu radio “bíp bíp” một cách đều đặn Thế nhưng, đó quả thực là một bước tiến to lớn của con người trong việc chinh phục không gian Chỉ ba năm sau vào năm 1960, vệ tinh ECHO của Mĩ trở thành vệ tinh truyền thông thực thụ đầu tiên của nhân loại với khả năng tiếp nhận và phản hồi lại các tín hiệu radio Tiếp theo ECHO, vệ tinh địa tĩnh đầu tiên SYNCOM ra đời năm 1963 với ưu điểm lớn nhất là giữ được vị trí tương đối cố định so với mặt đất Khả năng tuyệt vời này đặt nền tảng cho việc phủ sóng các chương trình thời sự toàn nước Mĩ tại thời đó

Sau đó, hàng loạt các vệ tinh thương mại được đưa lên quỹ đạo như INTELSAT-1, vệ tinh nặng 68 kg này cung cấp 240 kênh điện thoại song công tương đương với một kênh truyền hình Vệ tinh INTELSAT-2 và INTELSAT-3 với số kênh thoại lên tới 1200 kênh Tới năm 1976 ra đời của MARISAT cung cấp dịch vụ truyền thông cho các phương tiện giao thông đường thủy, từ đó người ta thấy các ăng-ten parabol bắt đầu xuất hiện trên tầu thuyền, giúp các tầu

thuyền có thể liên lạc thường xuyên với nhau và liên lạc với đất liền trong các hành trình khắp nơi trên thế giới Hệ thống điện thoại vệ tinh di động đầu tiên, INMARSAT-A, được giới thiệu vào năm 1982 Sáu năm sau là INMARSAT-C Đến năm 1993, các hệ thống điện thoại vệ tinh được số hóa toàn bộ

Năm 1998 đánh dấu thế hệ truyền thông vệ tính mới với sự ra đời của các

tổ hợp vệ tinh Iridium, đây là dự án đầy tham vọng của Motorola nhằm xây dựng một hệ thống vệ thông tin di động phủ sóng khắp toàn cầu Ban đầu dự án Iridium được thiết kế bao gồm 77 vệ tinh tạo thành một mạng lưới mà khi hoàn thành sẽ cho phép 2 điểm bất kỳ trên trái đất có thể liên lạc được với nhau Tên của hệ thống (Iridium) được đặt theo tên của nguyên tố thứ 77 trong bảng hệ thống tuần hoàn, 77 vệ tinh quay quanh trái đất như 77 electron quay quanh hạt nhân nguyên tố Iridium Khi triển khai thực tế, vì lý do kinh tế nên số vệ tinh được tính toán lại và chỉ còn là 66 vệ tinh, tuy nhiên tên của hệ thống vẫn được đặt như ban đầu Khi đưa vào vận hành, hệ thống vệ tinh Iridium đã được coi như một thành tựu sáng chói của khoa học kỹ thuật

Một hệ thống vệ tinh đáng chú ý khác là hệ thống Globalstar, với 48 vệ tinh cung cấp các kênh truyền thương mại cho thấy sự phát triển thật ấn tượng của truyền thông vệ tinh chỉ sau hơn 30 năm kể từ ngày ra đời

Hiện nay, vệ tinh được sử dụng trong các lĩnh vực sau:

 Nghiên cứu khoa học: Do có diện tích quan sát rộng nên vệ tinh đã được sử

dụng rộng rãi trong nghiên cứu trái đất, môi trường cũng như dự báo thời tiết Sử dụng các công nghệ hiện đại, vệ tinh còn có khả năng nhìn sâu vào trong lòng đất phục vụ các nghiên cứu địa chất, thăm dò tài nguyên Ngoài

ra, với ưu điểm không bị cản trở bởi tầng khí quyển, các vệ tinh đã tỏ ra rất hiệu quả trong nghiên cứu thiên văn, vũ trụ