MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KÊNH TRUYỀN CỦA MÔ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA

Năm 1972, Robert đã phát triển một giao thức mới là Slotted ALOHA, bằng cáchchia thời gian truyền thành các khe thời gian nhỏ, và mỗi gói tin sẽ được gửi đi ở đầumỗi khe thời gian, nhằm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Quang Vinh

Sinh viên thực hiện Nhóm 9

Lê Thị Vân 20182881 Nông Thị Oanh 20182717 Phạm Thị Lưu 20182672 Đào Việt Hùng 20172591

Trần Thành Ngọc 20182791

Hà Nội, 12-2021

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính không ngừng được tăng lên về cả số lượngvà

ứng dụng, đặc biệt là sự phát triển hệ thống mạng máy tính, kết nối các máy tính lạivới

nhau thông qua môi trường truyền tin để cùng nhau chia sẻ tài nguyên trên mạng gópphần 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, pháttriển rất quan trọng bảo đảm truyền tin đáng tin cậy, chính xác, phù hợp tốc độ và đảmbảo an toàn thông tin trên mạng

Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo nhữngquy 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 phứctạp hơn.Tập hợp tất cả những quy tắc, quy ước đó được gọi là giao thức (Protocol) củamạng

Trong nội dung của môn học, nhóm sinh viên chúng em được giao đề tài “Lậptrình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu quả sửdụng kênh truyền trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao.” Có thể nói, mô hìnhmạng ALOHA là một phương pháp để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyềnđược

nghiên cứu và xây dựng từ rất sớm

Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo TS Trần Quang Vình đã chỉ bảo, góp ý,

bổ sung, hướngdẫn tận tình để nhóm có thể hoàn thành được bài tập này Do kinhnghiệm và khả năng có hạn nên chắc chắn kết quả của nhóm đạt được còn nhiều hạnchế và thiếu sót Nhóm rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạnsinh viên

Nhóm xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

Contents

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG BIẾU 4

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA 5

1.1 Lịch sử phát triển 5

1.2 Cơ chế hoạt động 6

1.2.1 Mô hình mạng ALOHA 6

1.2.2 Mô hình mạng Slotted ALOHA 8

1.3 Ưu nhược điểm của giao thức Slotted ALOHA 9

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA 10

2.1 Mô phỏng mô hình mạng Slotted ALOHA 10

2.1.1 Sơ đồ thuật toán 10

2.1.2 Mô phỏng bằng Matlab 14

2.2 Đánh giá hiệu quả sử dụng kênh truyền 17

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TCP/IP Internet protocol suite Bộ giao thức liên kết

mạngOSI Open systems interconnection

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia

thời gianFDMA Frequency division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia

tần sốCDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo mãCSMA Carier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận

song mang

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 : Giao thức ALOHA 6

Hình 2 : Giao thức Slotted ALOHA 7

Hình 3: Sơ đồ mô hình mạng trong trường hợp trạm hữu hạn 10

Hình 4: Sơ đồ thời gian 12

Hình 5: Thông lượng trung bình của ALOHA có rãnh trạm vô hạn 13

Hình 6: Xác suất va chạm của ALOHA có rãnh vô hạn ở trạm vô hạn 14

Hình 7: Thông lượng trung bình của ALOHA có rãnh trạm hữu hạn 15

Hình 8: Xác suất va chạm của ALOHA có rãnh vô hạn ở trạm hữu hạn 15

DANH MỤC BẢNG BIẾU

Bảng 1: Các thông số I/P trạm vô hạn 9

Bảng 2: Cấu trúc dữ liệu biến 9

Bảng 3: Các thông số I/P trạm hữu hạn 11

Bảng 4: Cấu trúc dữ liệu biến 11

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH MẠNG SLOTTED

để tránh xung đột, mỗi một nút sử dụng cơ chế lập lịch trên cơ sở thời gian ngẫu nhiêncho lần truyền dẫn lại gói tin Thuật toán truyền dẫn lại thể hiện bản chất và sự khácbiệt của các giao thức đa truy nhập ngẫu nhiên Một số giao thức truy nhập ngẫu nhiênphổ biến là ALOHA, đa truy nhập cảm nhận song mang CSMA (Carier Sense MultipleAccess), 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 độtCSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance).

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

Trong một hệ thống ALOHA, nếu trạm phát có dữ liệu, dữ liệu sẽ ngay lập tứcđược gửi đi trên đường truyền Vì thế, nếu có 2 trạm cùng gửi dữ liệu tại một thờiđiểm,sẽ

xảy ra xung đột, và làm mất gói tin

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

cơ chế phát hiện mất gói do va chạm, việc phát lại phụ thuộc vào các giao thức bậc cao(lớp host-to-host) Giao thức Pure ALOHA được biểu diễn trên hình 1

1.2.1.2 Đánh giá hiệu năng

Nếu chiều dài của mỗi gói tin là L (bits), dung lượng kênh truyền là C (bits/s) thìthời gian phục vụ gói là:

t s=L

C

Tại thời điểm t0,trạm i phát gói tin p i lên kênh truyền T x là khoảng thời gian nhạycảm, nếu trong khoảng thời gian này các trạm khác truy nhập kênh thì va đập sẽ xảyra

Gọi λ là tốc độ đến trung bình của các trạm Số lần truy nhập kênh trung bình G(tải đầu vào) được cho như sau:

G= λ t s

Để một gói tin được phát tại một trạm tại thời điểm t0 truyền thành công, nhữngtrạm khác không được truyền bất kỳ gói tin nào trong thời gian từ t0−t s đến t0+t s.Như vậy khoảng thời gian nhạy cảm là:

T x=2 ts

Trong Pure ALOHA, khi một gói được phát tại một trạm nó sẽ ngay lập tức đượctruyền đi Do đó, xác suất truyền thành công một gói tin Psucc bằng xác suất không cótrạm nào khác gửi gói tin nào trong khoảng 2 ts

P≻¿P0(2 t s)=(λ 2 t s)0e−λ2 t s

0 ! =e

−2 λ ts

=e−2 G

Gọi S là số lần truy nhập thành công trung bình trong khoảng thời gian t s S chính

là thông lượng của hệ thống

Hàm số S(G) đạt cực đại tại G=0.5, tại đó S=0.5e−1≈0.184

1.2.2 Mô hình mạng Slotted ALOHA

1.2.2.1 Cơ chế hoạt động

Hình 2 : Giao thức Slotted ALOHA

Giao thức đa truy nhập đơn giản nhất là slotted ALOHA Giao thức này sử dụng

cơ chế truyền đồng bộ trên các khe thời gian như trong phương thức đa truy nhập phânchia theo thời gian TDMA và các nút chỉ có thể truyền gói tại thời điểm bắt đầu củamột khe thời gian Do khoảng thời gian tổn thương trong trường hợp này chỉ là T thay

vì 2T như trong giao thức ALOHA nên hiệu năng đỉnh của slotted ALOHA tăng gấp 2lần

Gọi p là xác suất gửi (0≤ p ≤ 1¿ Hoạt động của slotted ALOHA trong mỗi trạmnhư sau:

- Khi có gói tin mới cần gửi , trạm sẽ đợi đến thời điểm đầu của khoảng thời gian

kế tiếp và gửi toàn bộ gói tin trong khoảng thời gian đó

- Nếu không xảy ra xung đột, trạm truyền thành công gói tin và vì vậy không cầnthiết phải truyền lại

- Nếu có xung đột, trạm phát hiện xung đột ngay trong khoảng thời gian và sẽtruyền lại gói tin trong khoảng thời gian tiếp theo với xác suất p cho đến khi góitin được truyền thành công

Truyền lại với xác suất p giống như việc tung đồng xu: biến cố mặt ngửa ứng vớiviệc truyền lại xảy ra với xác suất p Biến cố mặt sấp ứng với việc “ bỏ qua thời giannày và tung lại đồng xu trong khoảng thời gian kế tiếp” xảy ra với xác suất (1-p) Mỗinút liên quan đến xung đột tung đồng xu độc lập với nhau

1.2.2.2 Đánh giá hiệu năng

Giả định như sau:

- Chiều dài mỗi gói tin là L bit

- Kênh truyền có dung lượng C (bit/s)

- Thời gian phục vụ gói tin là

t s=L

C

- Nút bắt đầu truyền gói tin tại đầu mỗi khe thời gian

- Tất cả các trạm được đồng bộ hóa sao cho mỗi trạm xác định được khi nào

là đầu của khoảng thời gian

- Nếu có nhiều gói tin xung đột trong khoảng thời gian nào đó thì tất cả cáctrạm đều phát hiện sư kiên xung đột ngay trong khoảng thời gian đó

Giả sử tại thời điểm t0, gói p i của trạm i truy nhập kênh Vậy trong khoảng thờigian T x=t s, 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 t s

Hàm số S(G) đạt cực đại tại G=1, tại đó S=e−1≈0.368

1.3 Ưu nhược điểm của giao thức Slotted ALOHA

- Các trạm phải đồng bộ thời gian

- Hiệu suất thấp, nhiều xung đột

- Lãng phí thời gian do các slot rỗi

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ

HÌNH MẠNG SLOTTED ALOHA

2.1 Mô phỏng mô hình mạng Slotted ALOHA

2.1.1 Sơ đồ thuật toán

2.1.1.1 Trạm vô hạn

M : # trong số các STA M→∞

T : # chu kỳ truy cập 105λ: tốc độ gói [0:0.2:18]

Bảng 1: Các thông số I/P trạm vô hạn

 Cấu trúc dữ liệu biến

R số ngẫu nhiên được tạo từ phân

phối poisson với giá trị trungbình λ, đại diện cho số lượng góiđược gửi trong khoảng thời gianđó

collision_pckt số lần truyền không thành công Integer 0 ~ ∞

Bảng 2: Cấu trúc dữ liệu biến

Hình 3: Sơ đồ mô phỏng mô hình mạng trong trường hợp trạm hữu hạn

Quy trình mô phỏng :

 Bắt đầu, định nghĩa khởi tạo các biến

- lambda = 0

- success_pkt = 0 : số lần truyền thành công

- collision_pckt = 0 : số lần truyền không thành công

- t = 1 : thời gian truy cập

 Tạo số ngẫu nhiên từ phân phối Poisson với giá trị trung bình rồi gán cho R, R

là đại diện cho số lượng gói được gửi trong khoảng thời gian đó

 Khi R =1 tức là một gói tin đã được truyền thành công, inc success_pkt : tăng số

lần truyền thành công lên 1 Khi R > 1, tức là đã xảy ra va chạm, inc

collision_pckt : tăng số lần truyền không thành công lên 1

 Khi thời gian truy cập của gói tin bằng 1 chu kỳ, tính toán throughput và collision_prob với λ

 Khi tốc đô gói đạt đến 18 thì hiển thị đồ thị với Y : throughput, X: lambda nếu

không cộng thêm 0.2 và quay trở lại vòng lặp

2.1.1.2 Trạm hữu hạn

M : # số tram STAs 10,50

T : # chu kỳ truy cập 105λ: tốc độ gói [0 : 0.2 : 8]

Bảng 3: Các thông số I/P trạm hữu hạn

pcktThisSlot số lượng gói được truyền trong

khe t

integer 0 ~ M

success_pckt số lần truyền thành công integer 0 ~ ∞

collision_pckt số lần truyền không thành công integer 0 ~ ∞

Bảng 4: Cấu trúc dữ liệu biến

Sơ đồ khe thời gian

Hình 4: Sơ đồ thời gian

 Trong mỗi khe thời gian, mỗi trạm sẽ truyền gói tin với xác suất Quá trìnhtruyền thành công xảy ra khi chỉ có một trạm truyền gói tin

 Đầu vào từ mỗi trạm được mô hình hóa thành một chuỗi các Thử nghiệm Bernoulli độc lập

 Không có thời gian chờ, gói tin va chạm sẽ được truyền lại trong khoảng thời

gian trong tương lai, dựa trên tính toán xác suất của từng trạm và thử nghiệm bernoulli (cái này được gọi là thingking state)

 Trong chu kỳ đầu tiên pcktThisslot = 0 , tại trạm đầu tiên, số ngẫu nhiên

được tạo theo phân phối đồng đều được gán cho P r

 Nếu P r<G i thì trạm đang truyền gói tin, inc pckThisslot : tăng số lượng gói được truyền trong khe t Nếu không trạm không truyền gói tin và quay lại

gán lại giá trị cho P r

 Lặp lại vòng lặp cho đến khi số trạm đạt đến một giá trị cho trước, kiểm tra

số lượng gói tin truyền trong khe t Nếu bằng 1 tăng success_pkt , nếu lớn hơn 1 tăng collision_pckt

 Lặp lại vòng lặp sau T chu kỳ cho trước, tính toán throughput và collision_prob

Hình 6: Xác suất va chạm của slotted ALOHA vô hạn ở trạm vô hạn

 Trường hợp trạm hữu hạn

Hình 7: Thông lượng trung bình của slotted ALOHA trạm hữu hạn

Hình 8: Xác suất va chạm của slotted ALOHA vô hạn ở trạm hữu hạn

2.2 Đánh giá hiệu quả sử dụng kênh truyền

Từ kết quả mô phỏng ta có thể thấy, thông lượng tang dần trong điều kiện tải nhẹ , đạt giá trị cực đại khi tải ở mức trung bình cụ thể là G=1 và thông lượng giảm nhanh chóng gần về 0 đối với tải có lưu lượng lớn

KẾT LUẬN

Như vậy nhóm em đã thực hiện mô phỏng mô hình mạng slotted ALOHA bằngphần mềm Matlab Từ kết quả mô phỏng ta thấy kết quả mô phỏng gần giống vói lýthuyết Nhóm đã hiểu được cơ chế xây dựng đa thức ưu điểm nhược điểm đánh giáđược hiệu suất của mô hình mang Tuy nhiên do khả năng còn hạn chế nên kết quả củanhóm còn nhiều thiếu sót

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Quang Vinh , Slide bài giảng mạng máy tính,

fbclid=IwAR22XuFAtJ0ycl5POaAYdplj10JRe1H8M9zDg1C578HEYj6HOsm8n4LJCKQ

[4] Hồ Đắc Phương, Giáo trình nhập môn mạng máy tính