Đồ Án Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC

Lời nói đầu

Với sự phát triển nhanh chóng của các mạng băng thông rộng và các máy tính hiệu suất cao, ngày càng nhiều ứng dụng đa phương tiện thời gian thực xuất hiện trên mạng Internet như điện thoại, hội nghị truyền hình, thoại theo yêu cầu (VoD), Các ứng dụng thời gian thực này khác với các ứng dụng truyền thống trên Internet như web, FTP, TELNET ở chỗ chúng nhạy với trễ và jitter nhưng có thể chấp nhận một số gói mất. Hiện nay băng thông mạng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu của các dịch vụ kiểu này và vấn đề nghẽn mạng xảy ra thường xuyên. Điều khiển tránh nghẽn là một trong những vấn đề được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi.
Quá trình điều khiển luồng nguyên thủy của TCP chỉ đơn giản chấp nhận mức tối đa của của sổ thu và cho phép đầu phát gửi một gói mới khi nhận được ACK từ đầu thu. Điều này đã gây nên hiện tượng tắc nghẽn. Vào cuối thập niên 80, nó trở thành một vấn đề thật sự. Từ 1988, Tahoe TCP ra đời đánh dấu một bước khởi đầu cho các giải thuật điều khiển tắc nghẽn của TCP. Sau đó, người ta đã không ngừng cải tiến TCP thành các giao thức khác để điều khiển chống tắc nghẽn mạng như là : TCP Reno, TCP new Reno, TCP Sack . Trong chương đầu, đồ án sẽ đi xuyên suốt các thuật toán điều khiển tắc nghẽn của TCP theo hướng cải tiến dần, đồng thời so sánh các phương thức trên và rút ra được những nhược điểm của điều khiển nghẽn của TCP. Những hạn chế này làm cho TCP không thể ứng dụng cho các luồng đa phương tiện thời gian thực.
TCP không thích hợp với các luồng thời gian thực do có sự thay đổi lớn về tốc độ gửi vì vậy giao thức truyền tải phi kết nối UDP được sử dụng để truyền tải các ứng dụng thời gian thực này. Nhưng có một vài vấn đề mới nổi lên: UDP là cơ chế best effort không có điều khiển nghẽn, có thể phù hợp với yêu cầu của các luồng thời gian thực nhưng không bình đẳng với các luồng TCP. Nói cách khác, khi cùng yêu cầu băng thông với các luồng TCP, các luồng UDP có thể đạt được băng thông lớn hơn một cách không bình đẳng làm giảm hiệu suất của TCP cũng như làm cho vấn đề tắc nghẽn mạng thêm nghiêm trọng thậm chí dẫn đến sập mạng vì nghẽn.
Để giải quyết vấn đề này, ban đầu S.Floyd đã đề xuất điều khiển nghẽn được thêm vào giao thức truyền tải cho các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực để làm cho chúng thân thiện hơn với các luồng TCP. Điều đó có nghĩa là khi nghẽn xuất hiện, luồng thời gian thực có thể giành băng thông với các luồng TCP một cách công bằng. Phương pháp này được gọi là điều khiển tốc độ thân thiện TCP (TFRC) Trong các chương tiếp theo của đồ án, em sẽ nghiên cứu cơ chế cơ bản, các hoạt động, các đánh giá và các cải tiến của TFRC trong môi trường vô tuyến. Cuối cùng là phần mô phỏng bằng ns2 để đánh giá các phương thức này.
Trong quá trình học tập tại Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa HN, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Vương Hoàng Nam ( bộ môn Hệ Thống Viễn Thông –) – người đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ em rất nhiều trong suốt thời gian thực tập cũng như thực hiện đề tài.

Tóm tắt đồ án
Đồ án sẽ đi sâu vào nghiên cứu giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC – Tcp Friendly Rate Control. Sau đó là những cải tiến của TFRC cho môi trường không dây. Đồ án được chia thành 5 chương với những nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về điều kiển tắc nghẽn và cơ chế điều khiển nghẽn của TCP
Chương đầu sẽ là cái nhìn tổng quan về vấn đề điều khiển nghẽn. Sau đó, sẽ đi vào cơ chế điều khiển nghẽn của Tcp là: Tcp Tahoe, Tcp Reno, Tcp New Reno, Tcp SACK. Chương này sẽ đi vào xem xét, đánh giá các phương thức trên theo hướng cải tiến dần, đồng thời rút ra những hạn chế trong điều khiển nghẽn của TCP.
Chương 2: Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC
Chương 2 sẽ tìm hiểu về giao thức TFRC, cơ chế hoạt động, biểu thức thông lượng cũng như đáp ứng của điều khiển tắc nghẽn của TFRC, các ưu điểm của TFRC so với TCP để giúp giao thức này thích hợp với điều khiển nghẽn với các luồng đa phương tiện thời gian thực.
Chương 3: Đánh giá giao thức TFRC
Chương 3 sẽ đưa ra các tiêu chí chung để đánh giá một giao thức điều khiển tắc nghẽn và đưa ra các đánh giá cho giao thức TFRC.
Chương 4: Các cải tiến của TFRC trong môi trường vô tuyến
Đối với môi trường nhiều lỗi như vô tuyến (wireless), thông tin vệ tinh TCP cũng như TFRC không phân biệt được mất gói do tắc nghẽn đường truyền hay do lỗi từ môi trường vô tuyến. Mặc dù đã cải tiến rất nhiểu từ TCP, TFRC cũng chỉ thích hợp với việc truyền dữ liệu tốc độ cao trong các mạng hữu tuyến. Rất nhiều các giao thức đã được phát triển trên nền của TFRC để áp dụng cho môi trường vô tuyến như là : MUL TFRC, TFRC Veno, TFRC Jr sẽ được trình bày trong chương này.
Chương 5: Mô phỏng NS2
Cuối cùng là phần mô phỏng bằng ns2 để đánh giá các phương thức trên.

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ 6
DANH SÁCH BẢNG BIỂU 9
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN VÀ CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN NGHẼN CỦA TCP 13
1.1. Tổng quan về điều khiển tắc nghẽn mạng 13
1.1.1 Đặt vấn đề : tại sao phải điều khiển chống tắc nghẽn mạng 13
1.1.2. Điều khiển luồng và chống tắc nghẽn trong mạng 14
1.1.3. Nguyên lý chung của điều khiển chống tắc nghẽn 16
1.2. Cơ chế điều khiển nghẽn của TCP 17
1.2.1. Giới thiệu về giao thức TCP 17
1.2.2. Điều khiển nghẽn của TCP 18
a. Pha bắt đầu chậm slow start 19
b. Pha chống nghẽn congestion avoidance 21
c. Truyền lại nhanh Fast Retransmission 22
d. Phục hồi lại nhanh Fast Recovery 23
1.3. Một số giải thuật điều khiển tắc nghẽn của TCP 23
1.3.1. TCP Tahoe 23
1.3.2. TCP Reno 26
1.3.3. TCP NewReno 30
1.3.4. TCP SACK 31
1.4. Những hạn chế trong điều khiển nghẽn của TCP và giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC 34
1.4.1. Hạn chế trong điều khiển nghẽn của TCP 34
1.4.2. Giao thức điều khiển tốc độ tránh nghẽn TFRC – TCp Friendly Rate Control 35
CHUƠNG II: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TRÁNH NGHẼN TFRC 38
2.1 Cơ chế của giao thức TFRC 38
2.1.1 Biểu thức thông lượng 38
2.1.2 Các loại gói tin 40
2.2 Giao thức tại máy gửi 42
2.2.1 Đo kích thước gói 42
2.2.2 Khởi tạo tại máy gửi 43
2.2.3 Hoạt động của máy phát khi nhận được một gói phản hồi 43
2.2.4 Kết thúc thời gian không phản hồi 44
2.2.5 Chống các dao động 45
2.2.6 Kế hoạch truyền gói 45
2.3 Tính tỉ lệ sự kiện mất gói 46
2.3.1 Phát hiện các gói bị mất hoặc bị đánh dấu 47
2.3.2 Quá trình dịch từ hồ sơ mất gói sang các sự kiện mất gói 47
2.3.3 Khoảng thời gian mất gói trung bình 49
2.3.4 Cơ chế history Discounting 51
2.4 Giao thức tại máy thu dữ liệu 54
2.4.1 Hoạt động tại máy thu khi nhận được một gói dữ liệu 55
2.4.2 Kết thúc thời gian phản hồi 55
2.4.3 Khởi tạo tại máy thu 56
2.5 Các vấn đề khác 56
2.5.1 Sự thay đổi dựa vào máy phát. 56
2.5.2 Vấn đề bảo mật 57
CHƯƠNG III: MỘT SỐ ĐÁNH GIÁ VỀ GIAO THỨC TFRC 59
3.1 Một số đánh giá về giao thức TFRC 59
3.1.1 Cải thiện tính ổn định 59
3.1.2 Giai đoạn Slow-Start của TFRC 61
3.1.3 Tỉ lệ mất gói và tỉ lệ sự kiện mất gói 62
3.1.4 Tăng tốc độ truyền 63
3.1.5 Sự đáp ứng với nghẽn kéo dài 63
3.1.6 Sự đáp ứng với trạng thái nghỉ của máy gửi 64
3.2 Các tham số đánh giá giao thức và kết quả thực nghiệm 64
3.2.1 Các tham số đánh giá giao thức 64
3.2.2 Các kết quả thực nghiệm 65
CHƯƠNG IV: CẢI TIẾN GIAO THỨC TFRC TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY 72
4.1 Những thách thức đối với TFRC trong môi trường không dây 72
4.2.Những cải tiến của TFRC trong môi trường không dây 74
4.2.1 MUL TFRC 74
4.2.2 TFRC-Jr 84
4.2.3 TFRC Veno 88
4.2.4 Explicit Congestion Notification TFRC – ECN TFRC 92
4.2.5. Một số phương pháp cải tiến khác của TFRC 97
CHƯƠNG V: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 99
5.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng NS-2 99
5.2 Giao diện chương trình mô phỏng 101
5.3 Thiết lập topo hệ thống mạng 102
KẾT LUẬN 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO 110