Cơ chế bảo vệ, phát hiện và khắc phục lỗi

Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



Có nhiều nguyên nhân gây ra lỗi truyền số liệu như nhiễu trong

môi trường truyền, lỗi do các thực thể tham gia mạng gây ra... Trong đó

nguyên nhân chính là ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn đến chất

lượng của tín hiệu được truyền trên môi trường truyền dẫn đó. Tín hiệu

được xét đến ở đây là tín hiệu nhị phân. Mỗi đường truyền có một giới

hạn về băng thông (frequency band). Trong trường hợp lý tưởng, đường

truyền không có nhiễu, giữa băng thông của một đường truyền và tốc độ

truyền số liệu trên đường truyền đó có quan hệ ràng buộc theo công thức

Nyquist sau đây: V=2*B*log2M, trong đó V là tốc độ truyền số liệu, tính

bằng bit/s, B là độ lớn băng thông của đường truyền, tính bằng Hz, M là

số mức tín hiệu (điện) biểu diễn thông tin. Nếu sử dụng 2 mức tín hiệu

điện, thì công thức trở thành V=2*B. Tín hiệu được truyền “trung thực”

trong giới hạn băng thông của một đường truyền, nghĩa là tuân thủ theo

ràng buộc trên. Tín hiệu được truyền “trung thực” được hiểu theo nghĩa

là: tín hiệu được đưa vào ở đầu vào của đường truyền (tín hiệu phát) cũng

chính là tín hiệu nhận được ở đầu ra của đường truyền đó (tín hiệu thu).

Nếu tín hiệu được truyền với tốc độ v > 2B thì tín hiệu sẽ bị biến dạng,

còn gọi là tín hiệu bị méo. Và vì vậy không được tái tạo lại một cách

chính xác như tín hiệu phát ra ở thiết bị cuối nguồn. Lỗi tín hiệu thu

được trong trường hợp này tạo ra lỗi bit. Ngoài ra, năng lượng của tín

hiệu bị suy giảm khi tín hiệu được truyền dẫn trên đường truyền cũng là

một nguyên nhân dẫn đến sự biến dạng của tín hiệu. Thông thường, năng

lượng của tín hiệu trên đường truyền giảm theo hàm logarit, phụ thuộc

vào tần số, khoảng cách trên đường truyền đó. Sự suy giảm năng lượng

của tín hiệu không chỉ làm giảm mức tín hiệu thu được ở thiết bị cuối

đích, mà còn làm gảm tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N), khiến cho tín hiệu

không được tái tạo lại đúng như tín hiệu phát ở thiết bị cuối nguồn.

Những yếu tố khác, ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, năng lượng, sống điện từ…



Trang 33



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



gọi chung là nhiễu của môi trường, cũng là những nguyên nhân làm ảnh

hưởng đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu trên một đường truyền cụ thể.

Để đánh giá chất lượng truyền dẫn của một đường truyền, người ta

xác định “tỷ lệ lỗi bit” BER (Bit Error Rate), còn gọi là xác suất lỗi bit p b,

được định nghĩa là tỷ lệ số lượng tổng các bit bị lỗi trên tổng số các bit

được truyền.

Một đường truyền tốt là đường truyền có tỷ lệ lỗi bit p b ≤ 10-9,

nghĩa là có không quá 1 bit bị lỗi trong tổng số 10 9 bit được truyền. Một

đường truyền có thể chấp nhận được là đường truyền có tỷ lệ lỗi bit BER

hay xác suất lỗi bit pb ≤ 10-4, nghĩa là: có 1 bit bị lỗi trong tổng số 10 -4 bit

được truyền. Dựa trên xác suất lỗi bit pb, người ta có thể xác định được

xác suất lỗi gói số liệu pf.

pf = 1 – (1 – pb )N

trong đó N là độ dài của gói số liệu. Trong trường hợp Npb<<1 ta có:

pf  Npb

Có hai loại lỗi bit là lỗi bit đơn (single bit error) và lỗi bit chùm

(error burst). Lỗi bit đơn là lỗi từng bit riêng biệt, xuất hiện một cách

ngẫu nhiên trong cả gói số liệu. Lỗi bit chùm là tập hợp nhóm các bit bị

lỗi với một tỉ lệ vượt quá một ngưỡng xác định, xuất hiện liên tiếp trong

cả gói số liệu. Một nhóm bit bị lỗi bắt đầu bằng một bit lỗi và kết thúc

bằng một bit bị lỗi, các bit trong nhóm có thể bị lỗi liên tục hoặc không

liên tục; giữa các nhóm bit bị lỗi phải tồn tại ít nhất là (B+1) bit không bị

lỗi, trong đó B có độ dài là nhóm bit bị lỗi.

Để bảo vệ số liệu và phát hiện lỗi bit trong quá trình truyền số liệu,

người ta thêm vào số liệu cần phát một số thông tin dư thừa theo một quy

luật nhất định khi phát và tái tạo lại các thông tin dư thừa này theo cùng

quy luật khi thu. Nếu thông tin dư thừa được bên nhận tái tạo lại không

thay đổi so với thông tin dư thừa do bên gửi gửi đi, thì số liệu thu được

không có lỗi; ngược lại, số liệu thu được có lỗi. Việc khắc phục lỗi được

Trang 34



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



thực hiện hoặc: a) tại thiết bị cuối đích, nếu phát hiện chính xác bit số liệu

bị lỗi, bằng cách thay đổi giá trị của bit số liệu bị lỗi; hoặc b) thiết bị cuối

đích không báo kết quả nhận số liệu bị lỗi và thiết bị cuối nguồn phát lại

(bản sao) gói số liệu bị lỗi. Phương pháp a) có tên gọi là “Điều khiển

khắc phục lỗi trước (FEC - Forward Error Correction)” thường được áp

dụng cho đường truyền có độ trễ lan truyền tín hiệu lớn, ví dụ: đường

truyền vệ tinh. Việc sửa lỗi tại chỗ sẽ làm giảm đáng kể thời gian khắc

phục lỗi do không phải phát lại gói số liệu bị lỗi. Một số phương pháp

điều khiển khắc phục lỗi trước thông dụng hiện nay là: phương pháp

Hamming code, phương pháp Convolution code, phương pháp ReedSolomom code. Phương pháp “Điều kiện khắc lỗi sau (Backward Error

Correction)” là phương pháp điều khiển khắc phục lỗi thường được áp

dụng cho hệ thống truyền dẫn hữu tuyến, bao gồm hai bước: Bảo vệ, phát

hiện lỗi và khắc phục, sửa lỗi trên cơ sở phát lại gói số liệu bị lỗi.

Việc phát hiện lỗi ngày nay được sử dụng bởi một số phương pháp

phổ biến như:

- Kiểm tra chẵn lẻ (Parity) theo ký tự

- Kiểm tra chẵn lẻ theo khối

- Mã dư vòng CRC (Cyclic Redundancy Code)

- Thông báo kết quả nhận số liệu: Yêu cầu thực thể phát phải đợi

biên nhận của gói số liệu vừa gửi mới được phát gói số liệu tiếp

theo. Thông thường thực thể thu biên nhận cho từng gói số liệu.

Nếu nhận đúng nó sẽ biên nhận (Acknowledgement) gọi là biên

nhận tích cực (positive acknowledgement) - ACK. Còn ngược lại

sẽ thông báo NACK (negative acknowledgement) gọi là thông báo

“không tích cực”. Tuy nhiên, việc quản lý này lại gây ra trễ trong

việc truyền tin và quản lý phức tạp trong bộ đệm.

-



Phương pháp sử dụng số tuần tự: Trong hệ thống mạng, các gói



tin có thể được truyền theo nhiều đường khác nhau nên đến thực

Trang 35



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



thể thu vào các thời điểm khác nhau, vì vậy việc sử dụng số tuần tự

(secquence number) được gắn cho từng gói số liệu là điều rất cần

thiết.

-



Phương pháp sử dụng đồng hồ quản lý phát time-out: Nếu các



gói tin được truyền đi mà không có biên nhận trở về thì thực thể

phát sẽ phải truyền lại gói tin. Do đó quản lý đồng hồ phát là một

việc không thể thiếu. Đồng hồ quản lý phát là một bộ đếm nhị phân

đếm ngược được thiết lập một giá trị định trước sau khi gửi đi một

gói tin, giá trị đồng hồ sẽ giảm dần đến 0 – time-out; Khi đó đồng

hồ tạo ra ngắt (interrupt) và kích hoạt một hành động nào đo. Đồng

hồ time-out được tính lại sau mỗi lần nhận ACK hoặc NACK. Việc

xác định thời gian time-out cũng ảnh hưởng rất lớn, quyết định

hiệu suất hoạt động của cơ chế điều khiển khắc phục lỗi.

Vậy nguyên nhân gây lỗi, hay tắc nghẽn trong các hệ thống mạng

là do đâu? Có thể kể ra một số nguyên nhân:

- Thiết bị mạng có thể không xử lý được hết yêu cầu do bộ đệm

nhỏ

- Tốc độ dữ liệu đầu vào lớn hơn tốc độ dữ liệu đầu ra

- Thời gian xếp hàng xử lý quá lớn

- Đường truyền kém chất lượng…

Chính vì những nguyên nhân gây ra sự tắc nghẽn này người ta phải

đưa vào khái niệm về điều khiển tắc nghẽn hay điều khiển lưu lượng

tránh tắc nghẽn.



II. Điều khiển lưu lượng, tránh tắc nghẽn

1. Cơ chế điều khiển lưu lượng

Là tập hợp các biện pháp nhằm giám sát và điều khiển tốc độ phát

số liệu của thực thể phát sao cho thực thể nhận luôn nhận đúng tất cả các

Trang 36



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



gói số liệu mà không bị tràn bộ đệm, ví dụ một cơ chế điều khiển lưu

lượng được sử dụng phổ biến là cơ chế cửa sổ (windows-based).

Có thể kể ra một số các giao thức điều khiển khắc phục lỗi như:

Giao thức “Dừng và chờ”, sau khi phát một gói số liệu thực thể phát dừng

lại và chờ nhận được ACK, NACK hay time-out để có biện pháp thích

hợp và sử dụng số tuần tự để thực thể nhận biết thứ tự các gói tin. Giao

thức cửa sổ trượt Go-back-N sử dụng cơ chế cửa sổ gửi và cửa sổ nhận,

gửi đi cùng một lúc một số gói tin rồi mới dừng lại chờ biên nhận cho

từng gói tin đó, đồng thời sử dụng đồng hồ time – out cho từng gói tin.

Tại bên nhận nếu có một gói tin thứ N bị lỗi, các gói tin được nhận sau đó

sẽ bị loại bỏ cho dù các gói này có thể không bị lỗi. Thực thể phát gửi lại

từ gói tin thứ N bị lỗi trở đi. Giao thức cửa sổ trượt phát lại có chọn lọc

(Selective Repeat) xử lý khá hiệu quả bằng cách chỉ phát lại những gói tin

bị hỏng.

Cơ chế cửa sổ trượt giới hạn số byte được phát và quá trình phát lại

và sửa lỗi được giới hạn ngay trong mỗi khung cửa sổ.

Kỹ thuật hàng đợi nhằm quản lý và cấp phát băng thông có sự ưu

tiên cho các kênh truyền theo các tiêu chí khác nhau.

Ngoài ra còn có phương pháp điều khiển ở mức ứng dụng, thực

hiện trong các tiến trình tại hai đầu cuối, bên nhận và bên gửi.

Xét một số kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP:

1.1 Một số khái niệm và thông số cơ bản

- Gói dữ liệu: Đơn vị cơ bản trong kỹ thuật truyền số liệu

- ACK: Thông tin xác nhận gói dữ liệu đã được truyền đến đích.

- W(t): Độ lớn cửa sổ phát tại thời điểm t

- SMSS (Sender maximum segment size): Kích cỡ tối đa của một gói dữ

liệu được gửi



Trang 37