KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH …

13/12/17

1

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNGSỐ TÍN CHỈ: 03, LÝ THUYẾT: 45, THUYẾT TRÌNH: 05

TBKT: 20%, KTGK:20%, THI: 60%

TS. NGUYỄN KIM QUỐC

Tp. Hồ Chí Minh - 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH Nội dung học phần

Tổng quan đánh giá hiệu năng mạngChương 1

Kiểm soát tắc nghẽn bởi giao thức mạngChương 2

Kiểm soát tắc nghẽn bởi điều khiển nút mạngChương 3

Lý thuyết xếp hàng và một số các độ đo hiệu năngChương 4

Mạng xếp hàng và giải pháp đánh giá hiệu năng Chương 5

Ứng dụng các mô hình đánh giá hiệu năng mạngChương 6

Cài đặt các mô hình đánh giá hiệu năng mạngChương 7

TỔNG QUAN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNGChương

1

Chương 1

1. Truyền thông trong mạng

2. Các khái niệm hiệu năng mạng

3. Các độ đo hiệu năng mạng

4. Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng

5. Mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng

6. Các giải pháp kiểm soát tắc nghẽn

Đánh giá hiệu năng mạng– Khoa Công nghệ thông tin 4

Ý nghĩa và các yếu tố hiệu năng mạng

• Đánh giá hiệu năng mạng: là đánh giá khả năng đáp ứng cácdịch vụ, độ ổn định và an toàn của mạng.

• Ý nghĩa đánh giá hiệu năng mạng

- Phân tích, thiết kế, xây dựng hệ thống mạng hiệu quả.

- Cấu hình mạng tối ưu nhất theo hệ thống, tinh chỉnh hệ thống phù

hợp môi trường mạng thực tế, nâng cao chất lượng dịch vụ mạng.

- Đánh giá các giao thức và kiểm nghiệm thiết bị.

• Các nhân tố đánh giá hiệu năng mạng

Tính sẵn sàng để dùng (availability),

Thông luợng (throughput)

Thời gian đáp ứng (response time).

Thời gian trễ (delay),

độ tin cậy (reliability),

Tỉ suất lỗi (error rate)

Tỉ lệ mất gói

Mức độ cân bằng

Khả năng sử dụng và

quản lý tài nguyên

13/12/17

2


Các độ đo hiệu năng mạng

• Tỉ lệ mất gói tin (𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 𝑙𝑜𝑠𝑠 𝑟𝑎𝑡𝑒): được xác định là tỉ số của

tổng số gói tin bị mất 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑙𝑜𝑠𝑠 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 với tổng số gói tin đã

gửi 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑛𝑡 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 . Đối với mạng ổn định thì tỉ lệ này thấp,

ngược lại tỉ lệ này rất cao. Tỉ lệ này mất gói tin được xác định

theo công thức như sau:

• Mức độ sử dụng đường truyền: là khả năng tận dụng đường

truyền của mạng. Chỉ số này cho biết khả năng truyền của mạng

qua đường truyền là mạnh hay yếu và tính theo công thức sau:


Các độ đo hiệu năng mạng

• Mức độ công bằng: là mức độ của các luồng thể hiện mạng có

đảm bảo sự công bằng cho các kết nối khi trong mạng có nhiều

loại hình thông lượng khác nhau. Mức độ công bằng là 1 khi

thông lượng của các luồng bằng nhau, và ngược lại.

• Kích thước hàng đợi trung bình: là chỉ số biểu thị trực tiếp mức

độ sử dụng tài nguyên tại bộ định tuyến. Chỉ số này được xác

định bằng tỉ số của kích thước hàng đợi trung bình với kích

thước thực của hàng đợi. Cơ chế có chỉ số này càng nhỏ sẽ có

độ trễ tại hàng đợi nhỏ và ngược lại.


Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng

• Mô hình phân tích:

- Đây là phương pháp sử dụng cơ sở lý thuyết, công thức toán học

để đánh giá hiệu năng mạng.

- Có thể thay đổi các tham số hệ thống và cấu hình mạng trong một

miền rộng với chi phí thấp mà vẫn có thể đạt được các kết quả

mong muốn.

- Mô hình giải tích thuờng là không thể giải được nếu không được

đơn giản hoá nhờ các giả thiết, hoặc được phân rã thành các mô

hình nhiều cấp. Các mô hình giải được thuờng rất đơn giản hoặc

khác xa thực tế.

- Thuờng chỉ được sử dụng ngay trong giai đoạn đầu của việc thiết

kế mạng, giúp cho nguời thiết kế dự đoán được các giá trị giới hạn

của hiệu năng.



• Phương pháp mô phỏng

- Phương pháp thực hiện cài đặt và thực nghiệm, đòi hỏi một chi phí

rất cao. Tuy nhiên, sau khi đã xây dựng xong bộ mô phỏng, có thể

tiến hành chạy chương trình mô phỏng bao nhiêu lần tuỳ ý, với độ

chính xác theo yêu cầu và chi phí cho mỗi lần chạy thuờng là rất

thấp.

- Các kết quả mô phỏng nói chung vẫn cần được kiểm chứng, bằng

phương pháp giải tích hoặc đo đạc.

- Phương pháp mô hình Giải tích và mô hình Mô phỏng đóng vai trò

rất quan trọng trong việc thiết kế và triển khai thực hiện hệ thống,

đặc biệt là ở giai đoạn đầu.

13/12/17

3



• Phương pháp độ đo

- Phương pháp chỉ có thể thực hiện được trên mạng thực, đang hoạt

động, nó đòi hỏi chi phí cho các công cụ đo và việc tiến hành đo.

- Việc đo cần được tiến hành tại nhiều điểm trên mạng thực, ở

những thời điểm khác nhau và cần lặp đi lặp lại trong một khoảng

thời gian đủ dài.

- Ngoài ra, nguời nghiên cứu phải có kiến thức về Lý thuyết thống kê

thì mới có thể rút ra được các kết luận hữu ích từ các số liệu thu

thập được.



• Tổng hợp các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng


Truyền thông trong mạng

• Mô hình OSI (Open Systems Interconnection)

Máy gửi Máy nhận

MÔI TRƯỜNG TRUYỀN THÔNG



• Tầng ứng dụng (Application layer): Giao tiếp với mạng với ứng dụng

người dung, xác định giao diện giữa người sử dụng với môi trường

mạng.

• Tầng trình bày (Presentation layer): Chuyển đổi các thông tin từ ứng

dụng của người sử dụng sang khuôn dạng dữ liệu truyền, ngoài ra nó

có thể nén và mã hóa dữ liệu truyền trước khi truyền để bảo mật.

• Tầng giao dịch (Session layer): Thiết lập các phiên, xác lập ánh xa giữa

các tên, cách đặt địa chỉ, tạo ra các giao tiếp ban đầu giữa các máy.

tính khác nhau trên cơ sở các giao dịch truyền thông.

• Tầng giao vận (Transport layer): Điều khiển truyền thông, cách thức

chuyển giao gói tin. Để bảo đảm được việc truyền ổn định trên mạng,

đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo thứ tự.

13/12/17

4



• Tầng mạng (Network layer): Định tuyến, xác định việc chuyển

hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các gói tin này có

thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng.

• Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer): Thiết lập khung dạng dữ

liệu, xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng, các dạng

thức chung trong các gói tin, đóng các gói tin.

• Tầng vật lý (Phisical layer): Môi trường truyền thông, motả các

đặc trưng vật lý của mạng, mô trường truyền, kỹ thuật nối mạch

điện, tốc độ cáp truyền dẫn.



• Mô hình TCP/IP


MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG

• GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NS2

• CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG MẠNG TRÊN NS2

• ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG MÔ PHỎNG


Giới thiệu phần mềm NS2

• Kiến trúc NS2

Tcl

OTclOTcl

TclCLTclCL

ns-2

Event Scheduler

Network Components

Event Scheduler

Network Components

C/C++

Dùng C++ để:

- Mô phỏng giao thức chi tiết yêu

cầu ngôn ngữ lập trình hệ thống

- Thao tác trên byte, xử lý gói, thực

thi thuật toán.

- Thực hiện bất kỳ việc gì mà cần

phải xử lý tứng packet của một

luồng.

OTcl để:

- Mô phỏng những thông số hay cấu hình thay đổi.

- Cấu hình, thiết lập, thời gian tương tác.

- Thực hiện những cái ta muốn bằng cách thao tác trên các đối

tượng C++ đang tồn tại.

13/12/17

5



• Mô hình mô phỏng NS2

OTcl Script Kịch bản OTcl

Simulation Program Chương trình mô phòng

OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng

NS Simulation Library Thư viện mô phỏng NS

Event Scheduler Objects Các đối tượng bộ lập lịch sự kiện

Network Component Objects Các đối tượng thành phần mạng

Network Setup Helping Modules Các mô đun trợ giúp thiết lập mạng

Plumbling Modules Các mô đun Plumbling

Simulation Results Các kết quả mô phỏng

Analysis Phân tích

NAM Network Animator Minh họa Mạng NAM



• Công dụng phần mềm NS2

- NS2 là phần mềm mô phỏng mạng điều khiển sự kiện riêng rẽ

hướng đối tượng, được phát triển tại UC Berkely, viết bằng ngôn

ngữ C++ và OTcl. NS2 rất hữu ích cho việc mô phỏng mạng diện

rộng (WAN) và mạng local (LAN).

- NS thực thi các giao thức mạng như: giao thức điều khiển truyền

tải (TCP) và giao thức gói người dùng (UDP).

- Các dịch vụ nguồn lưu lượng như: Giao thức truyền tập tin (FTP),

Telnet, Web, tốc độ bit cố định (CBR) và tốc độ bit thay đổi (VBR).

- Các kỹ thuật quản lý hàng đợi như: Vào trước ra trước (Drop Tail),

dò sớm ngẫu nhiễn (RED) và CBQ.



• Đặc điểm của NS2

- Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng.

- Khả năng đánh giá các giao thức mạng trước khi sử dụng.

- Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không

thể thực thi được trong thực tế.

- Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau, các kỹ thuật quản

lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ.

- Multicasting, mô phỏng mạng có dây, mạng không dây: thuộc mặt

đất (di động, adhoc, GPRS, WLAN, BLUETOOTH), vệ tinh, Mobile-IP

và adhoc như DSR, TORA, DSDV và AODV.

- Hành vi nguồn traffic – www, CBR, VBR, agent UDP/ TCP.

- Định tuyến, luồng packet, Telnet, FTP, Ping.


Mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng

• Kịch bản mô phỏng mạng trong NS2

- Khởi tạo mô phỏng: set ns [new Simulator], tạo instance của

Simulator, gán vào biến ns.

- Tạo đối tượng ghép như các node và các link

- Connect (nối) các đối tượng thành phần Mạng đã được tạo lại với

nhau (ví dụ như hàm attach-agent)

- Gán giá trị cho các tham số cho các đối tượng thành phần mạng

(thường là cho các đối tượng ghép)

- Tạo các connection giữa các agent (ví dụ như tạo connection giữa

“tcp” và “sink”)

- Xác định tuyến tùy chọn trình diễn NAM.

13/12/17

6



• Otcl script trong NS2

- Tạo nút:

✓set n0 [$ns node]

✓set n1 [$ns node]

- Để tạo liên tục 5 node:

✓ for {set i 0} {$i<5} {incr i} {Set n($i) [$ns node]}

- Thiết lập màu cho node bằng lệnh:

✓$n0 color <colour>

- Tạo link một chiều giữa hai node:

✓$ns simplex-link $n0 $n1 <bandwidth> <delay> <queue_type>

- Tạo link hai chiều giữa hai node:

✓$ns duplex-link $n0 $n1 <bandwidth> <delay> <queue_type>




- Khởi tạo Network Agents UDP

✓set udp0 [new Agent/UDP]

✓set null [new Agent/Null]

✓$ns attach-agent $n0 $udp0

✓$ns attach-agent $n1 $null

✓$ns connect $udp0 $null

- Khởi tạo Network Agents TCP

✓set tcp [new Agent/TCP]

✓set tcp_sink [new Agent/TCPSink]

✓$ns attach-agent $n0 $tcp

✓$ns attach-agent $n1 $tcp_sink

✓$ns connect $tcp $tcp_sink




- Tốc độ bit cố định CBR

✓set my_cbr [new Application/Traffic/CBR]

✓$my_cbr attach_agent $udp

✓$ns at <time> “$my_cbr start”

- Traffic thay đổi theo phân bố mũ

✓set my_exp [new Application/Traffic/Exponential]

- Traffic thay đổi theo phân bố Pareto

✓set my_pareto [new Application/Traffic/Pareto]




- TrafficTrace

✓set t_file [new Tracefile]

✓$t_file filename <file>

✓set src [new Application/Traffic/Trace]

✓$src attach-tracefile $t_file

- Giao thức truyền tập tin FTP

✓set ftp [new Application/FTP]

✓$ftp attach-agent $tcp

✓$ns at <time> “$ftp start”

- Telnet

✓set telnet [new Application/Telnet]

✓$telnet attach-agent $tcp

13/12/17

7




- Ứng dụng HTTP ở Node client:

✓set client [new HTTP/Client $ns $node0]

✓$client connect $server

- Ứng dụng HTTP ở Node server:

✓set server [new HTTP/Server $ns $node0]

✓$server set-page-generator $pgp



• Ví dụ minh họa

- Topology mạng đơn giản và kịch bản mô phỏng




set ns [new Simulator]; #Create a simulator object

$ns color 1 Blue; #Define different colors for data flows

$ns color 2 Red ; #Define different colors for data flows

set nf [open out.nam w]; #Open the NAM trace file

$ns namtrace-all $nf

set tf [open out.tr w]

$ns trace-all $tf

#Define a 'finish' procedure

proc finish {} {

global ns nf

$ns flush-trace

close $nf ; #Close the NAM trace file

exec nam out.nam & ; #Execute NAM on the trace file

exit 0

}




#Create four nodes

set n0 [$ns node] ; set n1 [$ns node] ;

set n2 [$ns node] ; set n3 [$ns node]

$ns duplex-link $n0 $n2 2Mb 10ms DropTail; #Create links between the nodes

$ns duplex-link $n1 $n2 2Mb 10ms DropTail; #Create links between the nodes

$ns duplex-link $n2 $n3 1.7Mb 20ms DropTail; # links between the nodes

$ns queue-limit $n2 $n3 10; #Set Queue Size of link (n2-n3) to 10

$ns duplex-link-op $n0 $n2 orient right-down; #Give node position (for NAM)

$ns duplex-link-op $n1 $n2 orient right-up; #Give node position (for NAM)

$ns duplex-link-op $n2 $n3 orient right; #Give node position (for NAM)

$ns duplex-link-op $n2 $n3 queuePos 0.5; #Monitor the queue for link (n2-n3)

13/12/17

8




#Setup a TCP connection

set tcp [new Agent/TCP]

$tcp set class_ 2

$ns attach-agent $n0 $tcp

set sink [new Agent/TCPSink]

$ns attach-agent $n3 $sink

$ns connect $tcp $sink

$tcp set fid_ 1

#Setup a FTP over TCP connection

set ftp [new Application/FTP]

$ftp attach-agent $tcp

$ftp set type_ FTPĐánh giá hiệu năng mạng– Khoa Công nghệ thông tin 30



set udp [new Agent/UDP]; #Setup a UDP connection

$ns attach-agent $n1 $udp

set null [new Agent/Null]

$ns attach-agent $n3 $null

$ns connect $udp $null

$udp set fid_ 2

set cbr [new Application/Traffic/CBR]; #Setup a CBR/ UDP connection

$cbr attach-agent $udp

$cbr set type_ CBR

$cbr set packet_size_ 1000

$cbr set rate_ 1mb

$cbr set random_ false




#Schedule events for the CBR and FTP agents

$ns at 0.1 "$cbr start"

$ns at 1.0 "$ftp start"

$ns at 4.0 "$ftp stop"

$ns at 4.5 "$cbr stop"

$ns at 4.5 "$ns detach-agent $n0 $tcp ; $ns detach-agent $n3 $sink"

$ns at 5.0 "finish"

#Print CBR packet size and interval

puts "CBR packet size = [$cbr set packet_size_]"

puts "CBR interval = [$cbr set interval_]"

#Run the simulation

$ns runĐánh giá hiệu năng mạng– Khoa Công nghệ thông tin 32


1. set ns [new Simulator]

2. set n0 [$ns node]


4. $ns duplex–link $n0 $n1

10Mbps 5ms DropTail

5. Set tcp0 [new Agent/TCP]

6. $ns attach-agent $n0 $tcp0

7. Set ftp0 [new Application/FTP]

8. $ftp0 attach–agent $tcp0

9. $tcp0 set packet_size_ 500

10.$tcp0 set windown_ 1000

11.Set sink0 [ new Agent /TCPSink]

12.$ns attach-agent $n1 $sink0

13.$ns connect $tcp0 $sink0

14.$ns at 1.0 “$ftp0 start“

15.$ns at 5.0 “$ftp0 stop“

• Bài tập: Giải thích ý nghĩa từng dòng lệnh và vẽ mô hình mạng

của kịch bản sau:

13/12/17

9


Cấu trúc của các file bám vết

1. Trường đầu tiên là kiểu sự kiện.

Được đưa ra bằng một trong 4

biểu tượng: r,+,-,d lần lượt tương

ứng với nhận (ở đầu ra của kênh

truyền), đã xếp vào hàng, đã ra

khỏi hàng, và bị loại.

2. Thời điểm xảy ra sự kiện.

3. Đưa ra nút đầu vào

4. Đưa ra nút đầu ra

5. Đưa ra kiểu gói tin (ví dụ như

CBR hay TCP.

6. Kích thước gói tin

7. Các cờ hiệu

8. Mã nhận dạng luồng (fid)

Ipv6

9. Địa chỉ nguồn đưa ra

dưới dạng "node.port"

10. Địa chỉ đích, có dạng

như trên.

11. Đây là số thứ tự gói tin

của giao thức lớp mạng.

12. Mã nhận dạng duy nhất

của gói tin


Tắc nghẽn và các giải pháp kiểm soát tắc nghẽn

• Khái niệm tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

- Dưới góc độ của người dùng: Một mạng được cho là tắc nghẽn từ

quan điểm của người dùng nếu tiện ích của người dùng đó giảm do

sự gia tăng tải mạng.

- Dưới góc độ của mạng: Tắc nghẽn mạng như một trạng thái của

mạng, nó làm giảm hiệu năng của mạng do sự bão hòa của tài

nguyên mạng.



• Nguyên nhân tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

- Do thời gian chờ xử lý và xếp hàng trong hàng đợi quá lớn: Khi

luồng các gói tin đột ngột đến từ nhiều cổng vào và tất cả đều cần

ra cùng một cổng ra thì hàng đợi tại đây sẽ có chiều hướng tăng.

Nếu khả năng xử lý của các nút mạng chậm thì sẽ dẫn đến tắc

nghẽn.

- Do chiều dài hàng đợi nhỏ: Nếu chiều dài hàng đợi không đủ dung

lượng để lưu các gói tin đến thì xảy ra hiện tượng mất gói. Việc

tăng chiều dài hàng đợi lên sẽ hạn chế sự mất gói, nhưng đây

không phải là giải pháp tốt vì khi tăng chiều dài hàng đợi thì đồng

nghĩa với việc tạo ra trễ lớn tại hàng đợi, làm ảnh hưởng đến hiệu

năng mạng.



• Nguyên nhân tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

- Do hạn chế của giao thức TCP: TCP kiểm soát tắc nghẽn theo cơ

chế thụ động ở phía đầu cuối, nên sẽ có độ trễ lớn từ khi xảy ra

hiện tượng mất gói cho đến khi TCP nhận biết tắc nghẽn. Hơn nữa,

TCP không có khả năng phân biệt giữa mất gói do đường truyền

hay mất gói do tắc nghẽn.

- Do tính không đồng nhất giữa các mạng liên kết với nhau: Tốc độ

truyền trên kênh di động thấp hơn nhiều so với kênh cố định. Vì

vậy, phần truy cập vô tuyến sẽ luôn là chỗ nghẽn cổ chai đối với

một kết nối giữa thuê bao di động với đầu cuối ở mạng cố định.

Hoặc trong trường hợp có sự chênh lệch lớn về tốc độ truyền của

hai mạng liền kề nhau gây ra hiệu ứng băng thông không đối xứng,

làm tác động lớn đến truy cập mạng, hệ thống dễ dàng xảy ra tắc

nghẽn.

13/12/17

10



• Nguyên lý kiểm soát tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

- Nguyên lý điều khiển vòng mở: kiểm soát tắc nghẽn không phụ

thuộc vào thông tin phản hồi từ các điểm tắc nghẽn trong mạng.

Trong nguyên lý điều khiển vòng mở, việc quyết định khi nào có

thể nhận gói tin mới, khi nào loại bỏ gói tin và loại bỏ gói nào

không xem xét đến tình trạng lưu thông của mạng.

- Nguyên lý điều khiển vòng đóng: kiểm soát dựa trên một số loại

thông tin phản hồi về cho nguồn gửi. Ba bước thực hiện:

✓Bước thứ nhất, phát hiện tắc nghẽn xảy ra khi nào và ở đâu.

✓Bước thứ hai, chuyển thông báo tắc nghẽn về nguồn gửi để

nguồn gửi điều tiết lưu lượng gửi gói tin vào mạng.

✓Bước thứ ba, khi nhận được thông tin về tắc nghẽn, nguồn gửi

có những hành động thích hợp để giảm tắc nghẽn.



• Kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn trong mạng TCP/IP

- Kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn ở nguồn gửi: điều khiển luồng, điều

tiết lưu lượng gói tin gửi vào mạng trên các luồng hoặc định tuyến

lại để tránh gửi gói vào các tuyến có dấu hiệu tắc nghẽn.

- Kỹ thuật kiểm soát tắc nghẽn mạng ở đích nhận: cách tốt nhất để

tránh tắc nghẽn xảy ra ở đầu cuối là giảm tải. Để giảm tải có thể sử

dụng cách phủ nhận dịch vụ người dùng, hoặc dự đoán mức độ sử

dụng dịch vụ của người dùng.

- Kỹ thuật phân phối tài nguyên: Kỹ thuật bao gồm tiến trình lập lịch

các mạch vật lý hoặc các nguồn tài nguyên khác trong mạng.

- Kỹ thuật quản lý hàng đợi tại nút mạng: Kỹ thuật này nhằm duy trì

số lượng gói tin trong hàng đợi tại nút mạng một cách hợp lý, nhằm

tránh trường hợp hàng đợi bị đầy và làm mất gói tin.



• Các giải pháp kiểm soát tắc nghẽn

SS7 signalling

PSTN, CS core

MSC

BSCGSM

UMTS

RNC

Public WLAN

IP basedcoreSGSN

SGSNInternet

Private

WLANPrivate

WLAN

broadcastServer farm,

Gateways, proxies

Firewall,

GGSN,

gateway

Hội tụ các mạng trên nền tảng TCP/IP Các giải pháp kiểm soát tắc nghẽn

Kiểm soát

tắc nghẽn

Kỹ thuật

phần cứng

Kỹ thuật

phần mềm

Tăng tài

nguyên mạng

Giao thức

truyền thông

Quản lý

hàng đợi

Chi phí cao,

khó đồng bộChi phí thấp,

dễ đồng bộ

Chất lượng

dịch vụ mạng

KIỂM SOÁT TẮC NGHẼN BỞI GIAO THỨCChương

2

Nội dung Chương 2

1. Mô hình truyền thông mạng TCP/IP

2. Định tuyến trong mạng TCP/IP

3. Kiểm soát tắc nghẽn của TCP

4. Các kỹ thuật cải tiến TCP

5. Các biến thể của giao thức TCP

6. Kết luận và phát triển Chương

13/12/17

11


Mô hình truyền thông trong mạng TCP/IP

• Cơ chế truyền thông trong TCP/IP

Thông tin muốn gửi đi được chia thành các đơn vị dữ liệu nhỏ gọi là

gói tin (Packet). Trước khi gửi gói tin đi, máy gửi gắn vào gói tin các

thông tin điều khiển khi nó qua các tầng. Sau khi gói tin được gửi đến

máy nhận, máy nhận thực hiện gỡ các thông tin điều khiển trong gói

tin khi gói tin lần lượt qua các tầng. Cuối cùng, máy nhận tổng hợp

các gói dữ liệu để có được toàn bộ thông tin như máy gửi đã gửi.




Tại tầng giao vận, các gói tin được gắn thêm các thông tin điều khiển của giao

thức TCP (TCP Header). Các thông tin điều khiển của TCP gồm có: cổng máy gửi

(Source Port), cổng máy nhận (Destination Port), số thứ tự gói tin (Sequence

Number), thứ tự gói tiếp theo máy nhận cần (Acknowledment Number), kích

thước cửa sổ gửi (Window size), kích thước phần đầu của gói tin (Offset), các cờ

điều khiển (Flags), kiểm tra lỗi (Checksum) trong quá trình truyền thông.




Khi gói tin được chuyển xuống tầng liên mạng, thông tin điều khiển của giao thức

IP được gắn vào gói tin: phiên bản (Version), chiều dài phần đầu của gói tin

(Header length), loại dịch vụ (ToS: Type of Service), tổng chiều dài của gói tin

(Total length of Datagram), thời gian tồn tại gói tin (Time to live), giao thức ở tầng

kế tiếp (Protocol), địa chỉ máy gửi (Source Address) và địa chỉ máy nhận

(Destination Address) để định tuyến và chuyển gói tin đến đúng máy nhận.



• Thiết lập kết nối, TCP sử dụng một quy trình bắt tay 3 bước

- Client yêu cầu mở cổng dịch vụ bằng cách gửi gói tin 𝑆𝑌𝑁 tới

server. Trong gói tin này, tham số 𝑠𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 được gán cho

một giá trị ngẫu nhiên 𝑋.

- Server hồi đáp bằng cách gửi lại phía client bản tin 𝑆𝑌𝑁 − 𝐴𝐶𝐾.

Trong gói tin này, tham số 𝑎𝑐𝑘𝑛𝑜𝑤𝑙𝑒𝑑𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 được gán giá trị

bằng 𝑋 + 1, tham số 𝑠𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 được gán ngẫu nhiên một

giá trị 𝑌

- Để hoàn tất quá trình bắt tay ba bước, client tiếp tục gửi tới server

bản tin 𝐴𝐶𝐾. Trong bản tin này, tham số 𝑠𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 được gán

cho giá trị bằng 𝑋 + 1 còn tham số 𝑎𝑐𝑘𝑛𝑜𝑤𝑙𝑒𝑑𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 được

gán giá trị bằng 𝑌 + 1.

13/12/17

12



• Truyền dữ liệu

- Cơ chế Cửa sổ trượt (Sliding Window)

- Khởi động chậm (Slow Star)

- Tránh tắc nghẽn (Congestion avoidance)

- Phát lại nhanh (Fast Retransmission)

- Phục hồi nhanh (Restore Retransmission)

• Kết thúc kết nối

- Khi một bên muốn kết thúc nó gửi một segment có cờ FIN được bật

và khi bên kia nhận được Segment này nó sẽ gửi lại một Segment

ACK hồi đáp.

- Vì vậy một quá trình kết thúc kết nối sẽ có 2 cặp Segment được trao

đổi giữa 2 máy tính. Trong quá trình kết thúc có thể tồn tại dạng

một bên đã kết thúc việc gửi chỉ còn nhận Segment.


Định tuyến trong mạng TCP/IP

• Địa chỉ IP



• Định tuyến trong mạng

- Chọn đường đi đến đích với ‘chi phí’ thấp nhất cho gói tin. Lưu và

chuyển tiếp các gói tin từ nhánh mạng này sang nhánh mạng khác.

- Chiều dài đuờng đi: Là số luợng router phải di qua trên đuờng đi.

- Bảng chọn đường (Routing table) chứa đường đi đến những điểm

khác nhau trên toàn mạng. Hai trường quan trọng nhất trong bảng

chọn đường của router là đích đến (Destination) và bước kế tiếp

(Next Hop) cần phải chuyển gói tin để có thể đến được đích đến.

R1 - Routing Table

Destination Next Hop

1 Local

2 Local

3 Local

4 R2

5 R2

7 R3



• Định tuyến trong mạng

13/12/17

13



• Cập nhật bảng định tuyến

- Cập nhật thủ công: Thông tin trong bảng chọn đường được cập

nhật bởi nhà quản trị mạng. Hình thức này chỉ phù hợp với các

mạng nhỏ, có hình trạng đơn giản, ít bị thay đổi.

- Cập nhật tự động: Tồn tại một chương trình chạy bên trong router

tự động tìm kiếm đường đi đến những điểm khác nhau trên mạng.

Loại này thích hợp cho các mạng lớn, hình trạng phức tạp, có thể

ứng phó kịp thời với những thay đổi về hình trạng mạng.

- Cập nhật hỗn hợp: Vừa kết hợp cả hai phương pháp cập nhật bảng

chọn đường thủ công và cập nhật bảng chọn đường tự động. Đầu

tiên, nhà quản trị cung cấp cho router một số đường đi cơ bản, sau

đó giải thuật chọn đường sẽ giúp router tìm ra các đường đi mới

đến các điểm còn lại trên mạng.



• Thuật toán chọn đường ngắn nhất

Procedure Dijkstra (𝐺 = (𝑉, 𝐸) là đơn đồ thị liên thông, có trọng số với

trọng số dương) {𝐺 có các đỉnh 𝑎 = 𝑢0, 𝑢1, … , 𝑢𝑛 = 𝑧 và trọng số

𝑚(𝑢𝑖, 𝑢𝑗), với 𝑚(𝑢𝑖, 𝑢𝑗) = ∞ nếu (𝑢𝑖, 𝑢𝑗) không là một cạnh trong 𝐺}

for 𝑖 ∶= 1 to 𝑛

begin 𝐿(𝑢𝑖) ∶= ∞; 𝐿(𝑎) ∶= 0 ;𝑆 ∶= 𝑉 {𝑎}; 𝑢 ∶= 𝑎 end;

while 𝑆 ≠ ∅

begin

for (𝑡ấ𝑡 𝑐ả 𝑐á𝑐 đỉ𝑛ℎ 𝑣 𝑡ℎ𝑢ộ𝑐 𝑆)

if 𝐿(𝑢) +𝑚(𝑢, 𝑣) < 𝐿(𝑣) then

𝐿(𝑣) ∶= 𝐿(𝑢) +𝑚(𝑢, 𝑣)

𝑢 ∶= đỉ𝑛ℎ 𝑡ℎ𝑢ộ𝑐 𝑆 𝑐ó 𝑛ℎã𝑛 𝐿(𝑢) 𝑛ℎỏ 𝑛ℎấ𝑡

{𝐿(𝑢): độ 𝑑à𝑖 đườ𝑛𝑔 đ𝑖 𝑛𝑔ắ𝑛 𝑛ℎấ𝑡 𝑡ừ 𝑎 đế𝑛 𝑢}

𝑆 ∶= 𝑆 − {𝑢}

end



• Ví dụ: Tìm khoảng cách 𝑑(𝑎, 𝑣) từ 𝑎 đến mọi đỉnh 𝑣 và tìm

đường đi ngắn nhất từ 𝑎 đến 𝑣 cho trong đồ thị 𝐺 hình bên.



• Ví dụ: Tìm khoảng cách

𝑑(𝑎, 𝑣) từ 𝑎 đến mọi đỉnh 𝑣

và tìm đường đi ngắn nhất

từ 𝑎 đến 𝑣 cho trong đồ thị

𝐺 hình bên.

13/12/17

14





• Bài tập định tuyến trong mạng: Dùng thuật toán Dijkstra tìm

đuờng đi ngắn nhất từ đỉnh a đến các đỉnh khác.


Kiểm soát tắc nghẽn của TCP

• Cơ chế điều khiển của TCP

Khi một máy nhận một gói hoặc một tập các gói thì nó sẽ gửi một

ACK cho phía gửi để thông báo đã nhận được gói tin. Cơ chế cửa sổ

cho phép máy nhận đa gói tin mà chỉ dùng một ACK. Việc phía gửi

không nhận được ACK (hay nhận các ACK trùng lặp) từ máy nhận,

chứng tỏ mạng có dấu hiệu bị nghẽn, khi đó cần thực hiện kiểm soát

tắc nghẽn phía nguồn gửi.



• Cơ chế điều khiển của TCP

Chiến lược kiểm soát tắc nghẽn của TCP là “Tăng theo cấp số cộng -

giảm theo cấp số nhân” (AIMD: Additive Increase Multiplicative

Decrease) để điều chỉnh tốc độ gửi gói tin vào mạng. Lược đồ về

luồng dữ liệu thể hiện số lượng các gói tăng lên (tăng theo cấp số

cộng) cho đến khi có dấu hiệu tắc nghẽn xuất hiện trong mạng và khi

đó TCP giảm nhanh (giảm theo cấp số nhân) tốc độ gửi gói vào mạng

cho đến khi kết thúc.

13/12/17

15



• Pha bắt đầu chậm

Ban đầu, giao thức TCP hoạt động ở pha bắt đầu chậm. Mục đích là

để có được một ngưỡng dự đoán tắc nghẽn. Khởi đầu của pha bắt

đầu chậm, TCP thiết lập kích thước cửa sổ tắc nghẽn

(𝑐𝑤𝑛𝑑: Congestion Window) 𝑐𝑤𝑛𝑑 = 1. Mỗi khi nhận được một ACK,

𝑐𝑤𝑛𝑑 sẽ tăng lên một đơn vị (𝑐𝑤𝑛𝑑𝑛𝑒𝑤 = 𝑐𝑤𝑛𝑑𝑜𝑙𝑑 + 1, nên 𝑐𝑤𝑛𝑑 lần lượt

là: 20, 21, 22,..), nhưng không vượt quá cửa sổ nhận của bên nhận.

Như vậy, 𝑐𝑤𝑛𝑑 sẽ tăng lên theo hàm mũ cho tới khi đạt đến ngưỡng

(Ssthresh) của bắt đầu chậm thì chuyển sang pha tránh tắc nghẽn.



• Pha tránh tắc nghẽn

Trong giai đoạn tránh tắc nghẽn, TCP sẽ điều chỉnh 𝑐𝑤𝑛𝑑 = 𝑐𝑤𝑛𝑑 +

1/𝑐𝑤𝑛𝑑 mỗi khi nhận được một ACK cho đến khi việc mất gói xảy ra.

Khi phát hiện mất gói, nguồn gửi sẽ đặt 𝑆𝑆𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ = 𝑐𝑤𝑛𝑑/2, truyền lại

các gói tin bị mất và trở về pha bắt đầu chậm, đặt lại 𝑐𝑤𝑛𝑑 = 1. Trong

khi 𝑐𝑤𝑛𝑑 < 𝑆𝑆𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ, thuật toán bắt đầu chậm thực hiện, khi 𝑐𝑤𝑛𝑑 =

𝑆𝑆𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ thì thuật toán tránh tắc nghẽn được thực hiện, giá trị 𝑐𝑤𝑛𝑑

được tăng 1/𝑐𝑤𝑛𝑑 với mỗi thông báo ACK nhận được (tăng tuyến tính

để không rơi lại vào tắc nghẽn).



• Pha phát lại nhanh

Pha phát lại nhanh là cho phép gửi lại các gói bị mất không cần chờ

timeout (thời gian chờ đợi báo nhận ACK), trong trường hợp nhận

được hơn ba thông báo ACK lặp lại, nghĩa là có gói tin bị mất, cần gửi

lại gói tin. TCP thực hiện phát lại một gói tin khi nhận được thông báo

NAK (thu sai) hoặc vượt thời gian mà không nhận được ACK. Nếu

chờ timeout mới phát lại thì gây ra số gói cần phát lại nhiều, hoặc đòi

hỏi hàng đợi phía thu lớn để giữ tạm các gói sai, dễ gây ra tắc nghẽn.



• Pha phục hồi nhanh

Khi việc mất gói được phát hiện do hiện tượng lặp lại bản tin báo

nhận, TCP trở về pha bắt đầu chậm bằng cách đặt 𝑆𝑆𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ = 𝑐𝑤𝑛𝑑/2.

Nếu kích thước cửa sổ lớn và tỉ lệ lỗi nhỏ thì thay vì tiếp tục thuật

toán bắt đầu chậm, TCP sẽ chuyển sang pha phục hồi nhanh. Lúc

này, thiết lập 𝑐𝑤𝑛𝑑 = 𝑆𝑆𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ/2 + 3 và chuyển thẳng sang pha tránh

tắc nghẽn.

13/12/17

16


Đánh giá giao thức TCP

• Các yếu tố ảnh hưởng TCP

- Kích thước của cửa sổ tắc nghẽn và kích thước của cửa sổ nhận

- Thời gian khứ hồi của các Segments (RTT),

- Xác suất lỗi và thông lượng đường truyền.

• Hạn chế của TCP

- Thời gian đạt được thông lượng tối đa của đường truyền còn lớn.

- Chưa có khả năng nhận biết vị trí, thời điểm nghẽn mạng.

- Không tận dụng hết khả năng của đường truyền, đặc biệt là với

đường truyền với thông lượng lớn.

- Với những đường truyền có độ trễ lớn và bất đối xứng thi TCP tỏ ra

kém hiệu quả.



• Cải tiến đã được đề xuất cho TCP

- Tăng kích thước cửa sổ với một tốc độ không phụ thuộc RTT: tức

là cần phải tính toán sao cho RTT nhỏ.

- Điều chỉnh kích thước cửa sổ theo độ trễ lúc không có lỗi: tập

trung vào việc so sánh RTT với RTT cực tiểu.

- Đánh dấu các gói tin ở bộ định tuyến khi có dấu hiệu tắc nghẽn cho

đến khi gói tin rơi (ECN: thông báo rõ tắc nghẽn).

- Cải tiến điều khiển tại bộ định tuyến: phân lớp, quản lý hàng đợi và

lập lịch gói.

- Xây dựng cơ chế điều khiển lỗi cho những liên kết nhiều lỗi



• Cải tiến đã được đề xuất cho TCP

- Để giảm bớt ACK trên đường truyền và giải phóng hàng đợi, người

ta sử dụng Kỹ thuật lọc gói ACK, tức là loại bỏ bớt các gói ACK của

cùng một kết nối, tích luỹ số thứ tự của các gói ACK đến trước vào

ACK sau cùng.

- Tại mỗi thiết bị nhận người ta duy trì một hệ số động DelAck gọi là

hệ số giữ chậm (hay trễ) ACK nhằm xác định số gói tin tương ứng

với một gói ACK.

- Khi một gói ACK có đánh dấu ECN, giá trị DelAck được nhân lên

nhiều lần nên làm giảm số gói ACK trên đường truyền.


Cơ chế thông báo tắc nghẽn rõ ràng

• Kỹ thuật thông báo tắt nghẽn rõ ràng (ECN: Explicit Congestion

Notification) là kỹ thuật cho phép một nút mạng cung cấp thông

tin phản hồi rõ ràng cho máy gửi về tình trạng tắc nghẽn.

• ECN dùng bit 6 và 7 trong trường ToS của IP Header để thiết lập

thông báo tắt nghẽn rõ ràng, bit 6 là ECT (ECN Capable

Transport) và bit 7 là CE (Congestion Experienced),

• Ngoài ra, ECN còn dùng bit thứ 6 là bit ECE (ECN-Echo) và thứ 7

là bit CWR (Congestion Window Reduced) trong trường

Reserver của TCP Header để máy gửi và máy nhận bắt tay nhau

khi dùng kỹ thuật ECN

13/12/17

17


Cơ chế thông báo tắc nghẽn rõ ràng

• Bước 1: Bit ECT được thiết lập từ nguồn, chỉ cho các nút trong mạng IP

biết các gói tin có thể chọn để đánh dấu ECN.

• Bước 2: Khi một nút mạng dự đoán được tắc nghẽn, nó thiết lập bit CE =1

và bit ECT = 1 để báo hiệu tắc nghẽn cho hệ thống đầu cuối.

• Bước 3: Khi nhận được gói tin có thiết lập ECN, máy nhận thiết lập bit

ECE của gói ACK bằng 1 rồi gửi về máy gửi.

• Bước 4: Tại máy gửi, sau khi nhận gói ACK có ECE=1, máy gửi sẽ thực

hiện pha tránh tắc nghẽn và thiết lập bit CWR bằng 1 và gửi về máy nhận.

• Bước 5: Máy nhận sau khi bắt tay với máy gửi sẽ thiết lập ACK theo ECN.


Các biến thể của TCP

• TCP_Tahoe

- Giao thức điều khiển tắc nghẽn TCP_Tahoe là giao thức TCP kết hợp

với ba cơ chế “bắt đầu chậm”, “tránh tắc nghẽn” và “phát lại nhanh”.

- Đặc trưng của TCP_Tahoe là khi phát hiện mất gói dữ liệu thông qua

việc nhận 3 gói ACK lặp lại, trạm gửi phát lại gói dữ liệu bị mất đặt

𝑐𝑤𝑛𝑑 = 1 gói dữ liệu và khởi động quá trình “bắt đầu chậm”.

- Cơ chế “phát lại nhanh” khôi phục chờ “time-out”, cho phép tăng đáng

kể thông lượng và hiệu suất sử dụng kênh kết nối TCP.



• TCP Reno



• TCP Reno

- Trường hợp 1: Trạm phát nhận được Segment hồi đáp ACK (Truyền

nhận thành công):

✓Nếu w <= ssth thì: Sử dụng cơ chế bắt đầu chậm; Kích thước cửa

sổ được cập nhật: w(t+1) = w(t) + 1

✓Ngược lại (Cho trường hợp w>ssth): Tăng kích thước w theo tuyến

tính; Kích thước cửa sổ cập nhật: w(t+1) = w(t) + 1/ w(t)

- Trường hợp 2: Trạm phát nhận 3 Segments ACK hồi đáp trùng lặp:

✓Sử dụng cơ chế phát lại nhanh và phục hồi nhanh: Đặt lại ngưỡng

ssth = w(t)/2; Kích thước cửa sổ cập nhật: w(t+1) = ssth

- Trường hợp 3: Khi phát hiện có Segment bị Time Out

✓Đặt lại ngưỡng: ssth = w(t)/2

✓Kích thước cửa sổ được cập nhật: w(t+1) = 1

✓Sử dụng cơ chế bắt đầu chậm

13/12/17

18



• TCP Vegas

- TCP Vegas điều khiển kích thước cửa sổ tắc nghẽn bằng cách theo

dõi các RTT (Round Trip Time).

- Nếu thời gian của các RTT được theo dõi tăng, thì TCP Vegas nhận

biết mạng sắp bị tắc nghẽn và thực hiện cơ chế tránh tắc nghẽn.

- Nếu thời gian của các RTT giảm thì TCP Vegas nhận biết mạng

được khai thông và TCP Vegas thực hiện cơ chế tăng kích thước

cửa sổ để tận dụng thông lượng của đường truyền.

- Trong quá trình điều khiển truyền thông, TCP Vegas sử dụng các

cơ chế: Cơ chế cửa sổ trượt, cơ chế bắt đầu chậm, tránh tắc

nghẽn, phát lại nhanh, phục hồi nhanh và cơ chế điều khiển truyền

thông của nó.

- Cơ chế bắt đầu chậm được TCP Vegas sử dụng khi bắt đầu một kết

nối. Cơ chế phát lại nhanh và phục hồi nhanh được thực hiện khi

nó nhận được 1 hoặc 3 segments ACK trùng lặp số hiệu.



• TCP Vegas

- TCP Vegas sử dụng sự khác biệt giữa thông lượng được ước

lượng và thông lượng tiểu chuẩn để đánh giá trạng thái tắc nghẽn

của mạng.

- Trước hết, Vegas thiêt lặp 𝐵𝑎𝑠𝑒𝑅𝑇𝑇 và tính thông lượng lý tưởng

𝐸𝑥𝑝𝑒𝑐𝑡𝑒𝑑 theo:

- Thứ hai: Vegas sẽ tính thông lượng thật Actual hiện tại: Với mỗi gói

được gửi đi tính thông lượng thật Actual bằng việc sử dụng RTT

được ước lượng theo công thức:



• TCP Vegas

- Thứ ba: Vegas thực hiện kiểm soát theo thuật toán

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG BỞI NÚT MẠNGChương

3

Nội dung Chương 3

Kiểm soát tắc nghẽn bằng cách quản lý hàng đợi

Kiến trúc CQS trong bộ định tuyến

Các loại hàng đợi trong bộ định tuyến

Phân lớp các cơ chế quản lý hàng đợi

Đánh giá và phân lớp ứng dụng

13/12/17

19


Kiểm soát tắc nghẽn bằng cách quản lý hàng đợi

• Ngoài cách kiểm soát bằng giao thức truyền thông còn có hướng tiếp

cận khác là dùng cơ chế quản lý hàng đợi tại các nút mạng. Có hai

cách quản lý hàng đợi, đó là quản lý hàng đợi thụ động và quản lý

hàng đợi tích cực:

- Quản lý hàng đợi thụ động là kỹ thuật thiết lập một giá trị chiều dài cực

đại cho mỗi hàng đợi, gói tin được chấp nhận đưa vào hàng đợi cho

đến khi hàng đợi đạt giá trị này. Sau đó, sẽ loại bỏ những gói tin được

chuyển đến tiếp theo cho đến khi các gói trong hàng đợi được giảm

nhờ vào các gói đã được truyền đi.

- Quản lý hàng đợi tích cực là một kỹ thuật mà các nút mạng chủ động

loại bỏ gói từ ngay trong hàng đợi nhằm tránh tràn hàng đợi và thông

báo dấu hiệu tắc nghẽn về nguồn gửi để nguồn điều chỉnh tốc độ gửi

gói hay định tuyến tránh tắc nghẽn.



• Các nút mạng có kiến trúc CQS (Classification-Queue-

Schedular) nhằm hỗ trợ kiểm soát tắc nghẽn tại nút cổ chai.

B¶ng ®Þnh

tuyÕn

FIB

FIB

FIB

Qu¶n lý

hµng ®

îi

§Þn

h tu

yÕn

LËp lÞc

h h

µng ®

îi

Ph©n líp gãi tin

IP Header IP Paybad

Ngâ v

µo

Ngâ ra



• Phân lớp gói tin: Việc truyền tải lưu lượng, điều khiển truy nhập, và

đáp ứng các dịch vụ khác nhau đòi hỏi có sự phân biệt các gói dựa

trên cơ sở đa trường trong phần đầu của mỗi gói (PH: Packet Header),

được gọi là phân loại gói tin. Mạng sẽ đặt ra các mức ưu tiên cho các

gói, dựa vào mức ưu tiên này để điều khiển mạng khi có tắc nghẽn xảy

ra.

• Quản lý hàng đợi: bao gồm các hoạt động: thêm gói vào hàng đợi khi

hàng đợi chưa đầy, loại bỏ gói nếu hàng đợi đã đầy, quản lý mức độ

chiếm giữ hàng đợi, đánh dấu các gói khi hàng đợi chuẩn bị đầy và

thông báo tình trạng tắc nghẽn về máy gửi để điều tiết lưu thông trong

mạng.

• Lập lịch: Mỗi giao diện có tầng lập lịch để cùng chia sẻ khả năng của

giao diện đầu ra có cùng các hàng đợi liên quan. Quá trình lập lịch này

giúp cho các gói từ nhiều hàng đợi ra cùng một giao diện đầu ra không

phải tranh chấp đầu ra, tránh được tắc nghẽn tại đầu ra.



• Hàng đợi FIFO: là hàng đợi mặc định được sử dụng trong hầu

hết các bộ định tuyến. Các gói đến từ các luồng khác nhau

được đối xử công bằng, bằng cách đưa vào các hàng đợi theo

trật tự đến (gói nào đến trước sẽ được đưa vào trước và được

phục vụ trước).

13/12/17

20



• Hàng đợi ưu tiên PQ: Mỗi hàng đợi có một mức ưu tiên khác

nhau, hàng đợi nào có mức ưu tiên cao nhất sẽ được ưu tiên

phục vụ trước. Khi có tắc nghẽn xảy ra thì các gói trong các

hàng đợi có độ ưu tiên thấp sẽ bị loại bỏ.



• Hàng đợi cân bằng FQ: Kỹ thuật này giải quyết vấn đề một số

hàng đợi không được phục vụ trong một thời gian dài do tài

nguyên dùng để phục vụ cho các hàng đợi có độ ưu tiên cao

hơn. Thuật toán Round Robin trong lập lịch được dùng để phục

vụ tất cả các hàng đợi một cách công bằng.



• Hàng đợi cân bằng có trọng số WFQ: Thuật toán hàng đợi cân

bằng có trọng số là một thuật toán nằm trong họ các thuật toán

hàng đợi cân bằng.


Quản lý hàng đợi thụ động

• Quản lý hàng đợi thụ động là kỹ thuật thiết lập một giá trị chiều

dài cực đại cho mỗi hàng đợi, gói tin được chấp nhận đưa vào

hàng đợi cho đến khi hàng đợi đạt giá trị này. Sau đó, sẽ loại bỏ

những gói tin được chuyển đến tiếp theo cho đến khi các gói

trong hàng đợi được giảm nhờ vào các gói đã được truyền đi.

• Kỹ thuật này có 2 hạn chế:

- Thứ nhất, gây ra vài luồng dữ liệu độc quyền chiếm giữ hàng đợi,

ngăn chặn các luồng khác trong cùng hàng đợi, hiện tượng này sẽ

kéo theo sự tắc nghẽn đồng bộ trên toàn mạng;

- Thứ hai, có thể làm cho hàng đợi luôn bị duy trì ở trạng thái đầy

trong suốt thời gian dài, điều này đã tác động đến tất cả các gói tin

đến sau của bất cứ luồng nào đều bị loại bỏ, có thể dẫn đến một sự

đồng bộ hóa ở phạm vi lớn, làm cho lưu lượng toàn bộ quá trình

giảm xuống đáng kể.

13/12/17

21


Quản lý hàng đợi tích cực

• Quản lý hàng đợi tích cực là một kỹ thuật mà các nút mạng chủ động

loại bỏ gói từ ngay trong hàng đợi nhằm tránh tràn hàng đợi và thông

báo dấu hiệu tắc nghẽn về nguồn gửi, để nguồn gửi điều chỉnh tốc độ

gửi gói hay định tuyến lại tránh tắc nghẽn.

• Kỹ thuật quản lý hàng đợi tích cực có các ưu điểm chính sau :

- Giảm độ trễ dịch vụ: Bằng việc giữ cho chiều dài trung bình hàng đợi

nhỏ và ổn định trong phạm vi cho phép, các cơ chế quản lý hàng đợi

tích cực sẽ giảm độ trễ gói tin khi cho các luồng dữ liệu đi vào nút

mạng.

- Giảm tỷ lệ mất gói trung bình: Các gói tin đến nút mạng dưới dạng bó,

nếu không gian bộ đệm không đủ, nút mạng sẽ không có khả năng xử

lý các bó gói tin và nhiều gói tin bị loại bỏ. Khi có nguy cơ tắc nghẽn

do hàng đợi đầy, cơ chế quản lý hàng đợi tích cực sẽ loại bỏ gói tin

thay vì loại bỏ bó tin và hỗ trợ thông báo tắc nghẽn cho máy gửi, máy

gửi giảm tốc độ gửi gói nhằm tránh mất nhiều gói.


Phân lớp các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực

• Dựa tiêu chí đo lường mức độ sử dụng hàng đợi và băng thông

đường truyền, các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực được phân

thành ba nhóm: quản lý hàng đợi tích cực dựa trên chiều dài

hàng đợi, quản lý hàng đợi tích cực dựa trên tải nạp, quản lý

hàng đợi tích cực dựa trên chiều dài hàng đợi và tải nạp.


Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED

• Hoạt động của RED

- RED tính toán kích thước hàng đợi trung bình (𝒌), so sánh với hai

giá trị ngưỡng nhỏ nhất (𝑚𝑖𝑛𝑡ℎ) và lớn nhất (𝑚𝑎𝑥𝑡ℎ), để tính xác suất

loại bỏ gói (𝑝𝑎)

- Khi kích thước hàng đợi trung bình nhỏ hơn mức ngưỡng nhỏ nhất

thì cho gói vào hàng đợi.

- Khi kích thước hàng đợi trung bình lớn hơn mức ngưỡng tối đa

cho cho phép thì loại bỏ gói tin.

- Khi kích thước hàng đợi trung bình nằm trong khoảng giá trị

ngưỡng nhỏ nhất và giá trị ngưỡng lớn nhất thì mỗi gói đến đều

được đánh dấu bằng một xác suất 𝑝𝑎



• Thuật toán RED

13/12/17

22



• Ưu điểm

- Phát hiện sớm sự tắc nghẽn và chuyển thông báo tắc nghẽn tới các

nguồn để chúng giảm tốc độ truyền trước khi hàng đợi bị đầy và các

gói bị rơi.

- Xác định xác suất rơi gói tin dựa vào kích thước hàng đợi trung bình,

không dựa vào kích thước thực của hàng đợi.

• Khuyết điểm

- Trong khi sự tắc nghẽn chỉ xảy ra ở hàng đợi cố định, độ dài hàng đợi

đem lại rất ít thông tin sự tắc nghẽn.

- Để RED hoạt động tốt thì cần phải có một số lượng đủ không gian

hàng đợi và giá trị các tham số phù hợp.

- Không đảm bảo sự công bằng giữa các luồng, việc cho rơi gói tin

không quan tâm đến băng thông của các luồng.

- Không hạn chế được luồng không thích nghi gây ảnh hưởng xấu đến

các luồng thích nghi.


Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực FRED

• Hoạt động của cơ chế FRED

- Ý tưởng FRED áp dụng RED trên từng luồng. Luồng có nhiều gói

tin lưu trên hàng đợi hơn sẽ có xác xuất rơi cao hơn, luồng yếu

hơn sẽ ít rơi hơn. Mục đích là để làm giảm thiểu những tác động

không công bằng tại hàng đợi RED.

- FRED xác định 2 ngưỡng 𝑚𝑖𝑛𝑞 và 𝑚𝑎𝑥𝑞 là số lượng tối thiểu và tối

đa các gói tin mà mỗi luồng được phép đến hàng đợi, biến 𝑞_𝑙𝑒𝑛(𝑖)

đếm số gói tin hiện tại và biến 𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘𝑒(𝑖) để đếm số lần luồng 𝑖 có số

lượng gói tin vượt quá ngưỡng (𝑚𝑎𝑥𝑞).

- Bảo vệ luồng yếu: là luồng có 𝑞_𝑙𝑒𝑛(𝑖) <= 𝑚𝑖𝑛𝑞, FRED cho phép

mỗi kết nối được vào hàng đợi 𝑚𝑖𝑛𝑞 gói tin.

- Quản lý luồng mạnh: là luồng có 𝑚𝑖𝑛𝑞 <𝑞_𝑙𝑒𝑛(𝑖) < 𝑚𝑎𝑥𝑞.

- Cản trở luồng không thích nghi: là luồng có 𝑞_𝑙𝑒𝑛(𝑖) > 𝑚𝑎𝑥𝑞.



• Thuật toán của cơ chế FRED



• Ưu điểm

- Thuật toán FRED tập trung vào việc quản lý độ dài hàng đợi theo

luồng. FRED đạt được sự công bằng và sử dụng đường truyền cao

bằng cách chia sẻ kích thược hàng đợi giữa các luồng hoạt động.

- Bảo vệ luồng yếu, quản lý luồng mạnh và cản trở luồng không thích

nghi.


- FRED còn những hạn chế là chỉ dựa vào kích thước hàng đợi để

xác định xác suất rơi gói tin, không dựa vào tải nạp để kiểm soát

tắc nghẽn.

- Điều này làm cho FRED kém linh động. Vì vậy, cần có các cơ chế

quản lý hàng đợi tích cực tốt hơn, chẳng hạn như các cơ chế quản

lý hàng đợi theo tải nạp sẽ được trình bày dưới đây.

13/12/17

23


Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực BLUE

• Hoạt động của BLUE

- BLUE quản lý hàng đợi theo tải nạp, dựa trên yếu tố mất gói tin và hiệu

năng sử dụng đường truyền. Sử dụng một biến xác suất 𝑝𝑚 để đánh

dấu các gói tin khi chúng vào hàng đợi. Xác suất này tăng/giảm một

cách tuyến tính tùy thuộc vào mức độ sử dụng đường truyền.

✓Nếu như liên tục hủy bỏ các gói tin vì tải nặng, BLUE sẽ tăng

𝑝𝑚 = 𝑝𝑚 + 𝛿1 .

✓Nếu đường truyền rỗi, BLUE giảm xác suất loại bỏ gói tin

𝑝𝑚 = 𝑝𝑚 − 𝛿2 .

- Các tham số khác của BLUE:

✓𝑛𝑜𝑤 : Thời gian hiện hành

✓ 𝑙𝑎𝑠𝑡_𝑢𝑝𝑑𝑎𝑡𝑒 : Thời gian cuối cùng 𝑝m thay đổi

✓𝑓𝑟𝑒𝑒𝑧𝑒_𝑡𝑖𝑚𝑒 : Lượng thời gian giữa các thay đổi thành công



• Thuật toán BLUE



• Ưu điểm

- Quản lý hàng đợi trực tiếp trên cơ sở tải nạp,

- Sử dụng độ mất gói và độ khả dụng của kết nối để tang/giảm xác suất.

- Khai thác và sử dụng đường truyền cao.


- Không đạt được sự công bằng giữa các luồng.

- Việc cập nhật các tham số gặp rất nhiều khó khăn

✓𝑓𝑟𝑒𝑒𝑧𝑒_𝑡𝑖𝑚𝑒 cần phải được thiết lập dựa trên thời gian khứ hồi

nhằm cho phép bất kỳ sự thay đổi nào trong việc gán xác suất phù

hợp tình trạng mạng.

✓Tham số 𝛿1 và 𝛿2 được thiết lập cho phép đường truyền có khả

năng thích nghi hiệu quả với những thay đổi vĩ mô trong lưu lượng

truyền đi qua đường kết nối.


Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực SFB

• Hoạt động của SFB

- Hàng đợi công bằng ngẫu nhiên SFB được xây dựng dựa trên cơ

chế BLUE.

- SFB chia hàng đợi thành các thùng tính toán (accounting bin), mỗi

thùng duy trì một xác suất đánh dấu (hoặc rơi) gói tin 𝑝𝑚 tương tự

BLUE. Các thùng được tổ chức thành 𝐿 mức, mỗi mức có 𝑁 thùng.

- Khi một gói đến hàng đợi nó được băm vào 𝐿 thùng, mỗi mức một

thùng. Nếu số lượng gói tin ánh xạ vào một thùng vượt quá một

ngưỡng nhất định thì tăng xác suất 𝑝𝑚 tại thùng đó lên. Nếu số

lượng gói tin trong thùng đó giảm đến hết thì giảm 𝑝𝑚 xuống.

13/12/17

24



• Thuật toán SFB



• Ưu điểm

- SFB đã khắc phục được hạn chế của BLUE với việc áp dụng xác

suất đánh dấu linh hoạt hơn cho các luồng.

- Những luồng có băng thông cao sẽ có xác suất đánh dấu cao hơn

những luồng có băng thông thấp.


- Không sử dụng thông tin kích thước hàng đợi để đánh dấu gói tin.


Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực REM

• Ý tưởng đầu tiên của REM: Là ổn định tải đầu vào và năng lực

liên kết của hàng đợi. REM duy trì một biến ‘𝑃𝑟𝑖𝑐𝑒‘ như một yếu

tố đánh giá tắc nghẽn. Price được cập nhật định kỳ hoặc không

đồng bộ, dựa trên bất đối xứng của tải và bất đối xứng kích

thước hàng đợi.

• Ý tưởng thứ hai của REM: Là sử dụng tổng các price liên kết

dọc theo đường đi của gói tin, tổng này phản ánh dấu hiệu của

tắc nghẽn trên đường đi và được nhúng vào thiết bị đầu cuối để

đánh dấu xác suất.



13/12/17

25



• Ưu điểm

- REM quản lý hàng đợi tích cực theo kích thước hàng đợi và tải nạp.

- REM nhận biết dấu hiệu tắc nghẽn trên dọc đường đi của gói tin.


- Chưa giải quyết tốt sự cân bằng cho các luồng.


Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực GREEN

• GREEN áp dụng tri thức về các hành vi ổn định của các kết nối

TCP ở các bộ định tuyến để thả (hoặc đánh dấu) các gói tin.

• Bằng cách sử dụng như một cơ chế, mỗi bộ định tuyến có thể

cung cấp cho mỗi kết nối chia sẻ công bằng của các băng thông

trong khi ngăn chặn việc xây dựng các hàng đợi gói tin.

• Giả sử có 𝑁 luồng đang hoạt động ở một bộ định tuyến vào một

liên kết ra có năng lực 𝐿. GREEN xem xét một luồng được hoạt

động nếu nó đã có ít nhất một gói tin đi qua các bộ định tuyến

trong một cửa sổ thời gian nhất định. Chia sẻ công bằng băng

thông cho mỗi luồng là 𝐿/𝑁.

2

RTTL

cMSSNp





• Ưu điểm

- GREEN quản lý hàng đợi tích cực theo kích thước hàng đợi và tải

nạp.

- Sử dụng giá trị của p là xác suất thả rơi để thông báo tình trạng tắc

nghẽn. GREEN buộc các luồng chia sẻ cân bằng tốc độ gửi. Vì p

phụ thuộc vào số lượng luồng và RTT mỗi luồng


- Chưa nhận biết dấu hiệu tắc nghẽn dọc đường đi của gói tin.

13/12/17

26


Qui trình mô phỏng

Thêm tổ hợp mã TCL cho hàng đợi

Viết chương trình mô phỏng mạng

Chạy chương trình mô phỏng

Phân tích kết qủa từ việc bám vết

Thống kê, đánh giá, so sánh và kết luận

Qui trình

mô phỏng

thực nghiệm


Mô hình mạng

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

iMac

N n

gu

ån

gö

i T

CP

N ®

Ých

nh

Ën T

CP

M n

gu

ån

gö

i U

DP

M ®

Ých

nh

Ën U

DP

45Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps

100Mbps


Tiêu chí đánh giá kết quả mô phỏng

Mức độ

cân bằng

Thông

lượngKích thước

hàng đợi

Tiêu chí đánh giá kết quả thực nghiệm

Đường

truyền


Dựa theo kích thước hàng đợi

• Tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế

13/12/17

27



• Mức độ sử dụng đường truyền các cơ chế



• Mức độ công bằng của cơ chế



• Tỉ lệ sử dụng hàng đợi của các cơ chế


Dựa theo tải nạp

• Tỉ lệ mất gói tin của các cơ chế

13/12/17

28



• Mức độ cân bằng của các cơ chế theo tải nạp



• Kích thước hàng đợi của các cơ chế



• Mức độ sử dụng đường truyền các cơ chế


Phân lớp các cơ chế

Cơ chế

Phân lớp Điều khiển luồng

Dựa vào

kích

thước

hàng đợi

Dựa vào

tải nạp

Dựa vào

hiệu

suất sử

dụng

đường

truyền

Dựa vào

thông

tin

luồng

Thích

nghi Không thích nghi

Mạnh YếuKhông

hồi đáp

RED ✓ ✓

FRED ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

BLUE ✓ ✓ ✓

SFB ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

REM ✓ ✓ ✓ ✓

GREE

N✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

13/12/17

29


Ứng dụng các cơ chế

Cơ chế

Mức độ sử

dụng

đường

truyền

Thông

lượng

Mức độ

công

bằng

Tỉ lệ mất

gói

tin

Không gian

bộ đệm

RED Cao Vừa Thấp Cao Lớn

FRED Cao Cao Cao Vừa Nhỏ

BLUE Cao Cao Thấp Thấp Nhỏ

SFB Cao Vừa Cao Vừa Lớn

REM Cao Cao Vừa Vừa Vừa

GREEN Cao Cao Cao Thấp Nhỏ


Phân lớp ứng dụng

• Các cơ chế dựa trên chiều dài hàng đợi (như RED, FRED) hoạt

động tốt trong môi trường mạng có bộ định tuyến có hàng đợi

lớn, điều này phù hợp với các mạng lõi.

• Ngược lại, các cơ chế dựa theo tải nạp (như BLUE, SFB) hoạt

động hiệu quả trong môi trường mạng có tải nạp luôn biến động

và được ứng dụng vào các mạng thuê bao. Còn lại, các cơ chế

hoạt động dựa trên chiều dài hàng đợi và tải nạp (như REM,

GREEN) được ứng dụng vào mạng biên.


Kiểm tra thường kỳ - Thời gian 60’

1. Trình bày các phương pháp và các tiêu chí để đánh giá hiệu năng mạng.

2. Nêu các dấu hiệu nhận biết tắc nghẽn, các cơ chế kiểm soát tắc nghẽn của TCP.

3. Giải thích cơ chế hoạt động của cơ chế RED, so sánh RED với cơ chế Droptail.

4. Tìm đường đi ngắn nhất từ điểm a đến các điểm còn lại trong sơ đồ mạng sau.


Bài tập NS2

Viết kịch bản cho hệ thống mô phỏng theo hình dưới đây.

13/12/17

30


Kiểm tra giữa kỳ - Thời gian 90’ – Mỗi câu 2 điểm

1. Trình bày các phương pháp đánh giá và các giải

pháp nâng cao hiệu năng mạng.

2. Trình bày các cơ chế điều khiển truyền thông của

giao thức TCP.

3. Nêu các hoạt động tại nút mạng và các cơ chế

quản lý hàng đợi tại nó.

4. Hãy giải thích ý nghĩa của các dòng lệnh của kịch

bản trong hình bên và vẽ sơ đồ để minh hoạ

5. Viết chương trình mô phỏng hệ thống mạng theo

sơ đồ mạng bên dưới:


Ôn tập

1. Trình bày ý nghĩa và các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng. Hãy

so sánh các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng.

2. Nêu ý nghĩa và công thức của các độ đo hiệu năng mạng.

3. Trình bày các cơ chế kiểm soát tắc nghẽn của giao thức TCP.

4. Trình bày cơ chế, sơ đồ các thuật toán điều khiển truyền thông của

TCP và TCP Vegas. So sánh hiệu năng TCP với TCP Vegas?

5. Trình bày các cơ chế, sơ đồ thuật toán điều khiển truyền thông của

TCP và TCP Reno. So sánh hiệu năng TCP với TCP Reno?

6. Trình bày hoạt động của cơ chế thông báo tắc nghẽn rõ ràng.

7. Phân biệt quản lý hàng đợi tích cực và quản lý hàng đợi thụ động.

8. Mô tả hoạt động, thuật toán, ưu khuyết điểm cơ chế RED, BLUE, REM.

9. Nêu thuật toán của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực RED và so sánh

cơ chế này với cơ chế quản lý hàng đợi thụ động DropTail.

10. Nêu thuật toán của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực REM và so sánh

cơ chế này với cơ chế quản lý hàng đợi thụ động DropTail.


Ôn tập

1. set ns [new Simulator]



4. $ns duplex–link $n0 $n1

10Mbps 5ms DropTail

5. Set tcp0 [new Agent/TCP]

6. $ns attach-agent $n0 $tcp0

7. Set ftp0 [new Application/FTP]

8. $ftp0 attach–agent $tcp0

9. $tcp0 set packet_size_ 500

10.$tcp0 set windown_ 1000

11.Set sink0 [ new Agent /TCPSink]

12.$ns attach-agent $n1 $sink0

13.$ns connect $tcp0 $sink0

14.$ns at 1.0 “$ftp0 start“

15.$ns at 5.0 “$ftp0 stop“

Bài tập: Giải thích ý nghĩa từng dòng lệnh và vẽ mô hình mạng

của kịch bản sau:


Ôn tập

Viết kịch bản cho hệ thống mô phỏng theo hình dưới đây.

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH …

Documents

Transcript of KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH …