Điều khiển tắc nghẽn trong mạng hỗn hợp có dây và không dây

Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



Các cơ chế điều khiển lưu lượng trình bày ở trên của TCP bị hạn

chế trong mạng hỗn hợp do tình trạng mất dữ liệu không phải do lỗi tắc

nghẽn mà là do lỗi truyền dẫn và do tính cơ động của các node, đây chính

là đặc trưng của mạng có đường truyền không dây. Để khắc phục những

vướng mắc này người ta đã cải tiến thuật toán điều khiển thông thường

bằng những thuật toán phù hơn trong môi trường mạng hỗn hợp:

3.1 Indirect-TCP:

Ra đời vào những năm 1995 với tư tưởng là chia kết nối TCP thành

hai phần là phần cố định có dây và phần không dây :



Hình 2.1 Indirect-TCP

Từ những trạm máy tính cố định, thường được gọi là trạm đối tác,

ký hiệu là CH (Coresspondent host) kết nối với các máy tính trong mạng

không dây - MH (Mobile Host) thông qua Access Point (AP) hay Foreign

Agent (FA), do đó từ CH đến AP có thể sử dụng TCP chuẩn, không phải

thay đổi các kỹ thuật TCP đã tồn tại trong Internet. Access point sẽ hoạt

động như một Proxy, có nghĩa là nó trở thành điểm kết thúc của kết nối

TCP thay vì mobile host (MH), do đó AP được xem như là MH đối với

CH và là CH đối với MH. Kết nối TCP giữa AP và MH có thể thay đổi

hoặc không. Nếu CH gửi một gói số liệu cho MH thì AP biên nhận gói tin

này và chuyển tiếp gói tin đó tới MH. Nếu MH nhận được gói tin này sẽ

biên nhận lại. Tuy nhiên biên nhận này chỉ được biết bởi AP. Nếu gói tin

này bị mất trên đường truyền Wireless vì đường truyền lỗi thì CH không

Trang 50



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



được thông báo thông tin này. Foreign Agent sẽ truyền cục bộ lại gói tin

này để đảm bảo tính tin cậy của truyền dữ liệu. Tương tự, nếu MH gửi

một gói tin, FA biên nhận gói tin đó cho MH và chuyển tiếp gói tin này

tới CH. Nếu gói tin này bị mất trên đường truyền không dây – WL

(Wireless Link), MH có thể được thông báo nhanh hơn và có thể trực tiếp

truyền lại gói tin. Gói tin bị mất trên đường truyền có dây được quản lý

bởi FA.

Ưu điểm:

 I-TCP không yêu cầu phải thay đổi giao thức TCP đang được sử

dụng rỗng rãi trên Internet.

 Vì kết nối được chia làm hai nên lỗi trên đường truyền không

dây không bị lan truyền vào mạng cố định.

 Độ trễ là ít giữa MH và FA và độc lập với các luồng lưu lượng

khác. Do đó, một kỹ thuật TCP khác có thể được sử dụng để

bảo đảm việc truyền lại nhanh nhất có thể.

 Việc phân chia kết nối làm hai phần cũng cho phép sử dụng các

giao thức lớp vận chuyển khác nhau giữa FA và MH hoặc cho

phép nén phần header của các gói dữ liệu. FA có thể họa động

như một GateWay để truyền dữ liệu giữa các giao thức khác

nhau.

Nhược điểm:

 Xảy ra tình trạng mất ngữ nghĩa end-to-end do việc biên nhận

hộ của FA; khi thực thể gửi nhận được một biên nhận thì nó coi

như thực thể nhận đã nhận được biên nhận đó, nhưng thực tế

biên nhận đó là do FA gửi hộ, đồng nghĩa với việc chưa chắc

thực thể nhận đã nhận được gói tin do thực thể gửi đã gửi đi.

 Việc chuyển điều khiển giữa các FA cũng là một việc khó giải

quyết vì khi một MH chuyển đến vùng do một FA khác đảm

bảo việc truyền thông thì các gói tin gửi cho MH này trong một

Trang 51



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



khoảng thời gian nhất định vẫn phải chuyển đến FA cũ trước

khi được định hướng sang FA mới.

 FA phải là một thực thể tin tưởng vì nếu áp dụng mã hóa đầu

cuối (end-to-end) theo chuẩn RFC1827 thì FA cũng phải được

tích hợp các kỹ thuật mã hóa ở trong đó.

3.2 Snoop - TCP

Với cách tiếp cận này FA lưu giữ tất cả các gói tin với đích là

mobile host và thêm vào kỹ thuật “snoops” vào trong luồng gói tin ở cả

hai hướng



Hình 2.2 Snoop-TCP

Lý do phải lưu gói tin lại ở FA là để có thể thực hiện lại việc phát

lại nhanh trong trường hợp gói tin bị mất trên đường truyền WL. FA lưu

giữ lại mọi gói tin cho đến khi nó nhận được biên nhận từ MH. Nếu FA

không nhận được biên nhận từ MH trong một khoảng thời gian hoặc nhận

một Ack lặp thì nó coi nguyên nhân là do gói tin hoặc biên nhận bị mất.

FA có thể phát lại nhanh gói tin bị mất này từ bộ đệm do đó sẽ nhanh hơn

là phát lại từ trạm cố định (CH). Nhưng để đảm bảo việc phát lại là trong

suốt đối với các thực thể TCP ở hai đầu kết nối, FA không được gửi biên

nhận hộ cho CH. Tuy nhiên FA có thể lọc ra các ACK lặp để ngăn ngừa

việc phát lại không cần thiết. Nếu FA bị sụp thì thời gian time-out tại CH

vẫn được kích hoạt để phát lại gói tin. Hơn thế nữa, FA có thể loại bỏ các

gói tin lặp của các gói tin đã được truyền lại cục bộ và được biên nhận



Trang 52



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



bởi MH, ngăn ngừa những lưu lượng thông tin không cần thiết trên

đường WL.

Khi dữ liệu được truyền từ MH tới CH , FA “nhòm” vào trong các

luồng dữ liệu phát hiện ra các khoảng trống trong số dãy số thứ tự các gói

tin của TCP. Nhờ đó, FA có thể phát hiện nhanh chóng sự mất thông tin,

nó sẽ gửi ngay NACK cho MH để MH có thể phát lại ngay tức thì. Việc

sắp xếp lại các gói tin sẽ diễn ra tự động tại CH bởi thực thể nhận TCP.

Ưu điểm:

 Bảo vệ được ngữ nghĩa end-to-end, ngay cả khi FA gặp trục trặc

 Không phải thay đổi giao thức TCP tại CH, các cải tiến chỉ thực

hiện trên FA.

 Không phải lo ngại về tình trạng MH di động sang vùng của các

FA khác vì sự kiểm soát timeout cho việc phát lại vẫn thuộc CH

nên nếu gói tin đã được phát quá thời gian timeout mà chưa

nhận được ACK thì CH có thể truyền lại theo địa chỉ mới.

Nhược điểm:

 Không hoạt động tốt được trên đường WL như TCP.

 Dùng NACK giữa FA và MH nên cách tiếp cận này là không

trong suốt với MH.

 Vẫn bị ảnh hưởng bởi sự mã hóa end-to-end đối với FA.

3.3 Mobile - TCP

Cách tiếp cận này giống I-TCP và snoop-TCP là chia cắt kết nối

TCP thành 2 phần, nhưng thực hiện bảo vệ cửa sổ truyền của thực thể gửi

không bị co lại nếu nguyên nhân mất gói tin là lỗi bit hoặc bị ngắt kết nối

do đường truyền WL gây ra, chứ không phải do tắc nghẽn trong mạng.

Mục đích của M-TCP là cải thiện những nhược điểm của hai phương

pháp trên để cho độ trễ thấp hơn và vẫn duy trì được ngữ nghĩa end-toend của TCP, đồng thời tăng hiệu suất đối với việc chuyển giao cuộc gọi



Trang 53



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



(hand off) giữa các FA và thích ứng với các đường truyền dài và việc

ngắt kết nối xảy ra thường xuyên.

Máy chủ đứng giữa kết nối TCP gọi là máy kiểm soát – SH

(Supervisory host-SH). Sử dụng TCP chuẩn giữa kết nối CH-SH và điều

chỉnh TCP của kết nối giữ SH-MH. Máy kiểm soát SH chịu trách nhiệm

trao đổi dữ liệu giữa hai phần tương tự máy chủ ủy quyền (proxy).

Mobile-TCP coi tỷ lệ lỗi bit là thấp vừa phải trên đường truyền WL, do

đó nó không lưu giữ hoặc phát lại dữ liệu từ SH. Nếu gói tin bị mất trên

đường WL nó phải được truyền lại từ thực thể gửi để lưu giữ ngữ nghĩa

end-to-end TCP.

SH kiểm soát tất cả các gói tin được gửi từ MH và những ACK

được gửi lại từ MH. Nếu SH không nhận được một ACK, nó coi như MH

đã bị ngắt kết nối và kìm giữ thực thể gửi bằng cách đặt kích cỡ cửa sổ

gửi bằng 0 (nghĩa là báo cho thực thể gửi rằng thực thể nhận vẫn muốn

nhận, nhưng hiện tại chỉ có thể nhận 0 byte số liệu), đưa thực thể gửi về

chế độ persistent (thực thể gửi sẽ không cố gắng phát lại dữ liệu trong

khoảng thời gian thực thể nhận đang bị ngắt kết nối). Ngay khi SH cũ

hoặc mới phát hiện có kết nối trở lại nó sẽ mở lại cửa sổ của thực thể gửi

với giá trị cũ nên thực thể gửi có thể truyền với tốc độ đầy đủ như lúc

trước. Kỹ thuật này không yêu cầu thay đổi TCP của thực thể gửi.

Bên phần mạng không dây, một điều chỉnh của TCP được sử dụng

để có thể nhận lại được các gói tin bị mất nhanh hơn. TCP này không sử

dụng Slow start, do đó M-TCP cần quản lý dải thông để triển khai việc

chia sẻ công bằng đường truyền không dây.

Ưu điểm:

 M-TCP lưu giữ được ngữ nghĩa end-to-end của giao thức TCP.

SH chỉ chuyển tiếp ACK chưc không tự gửi ACK.

 Nếu MH bị ngắt kết nối, M-TCP tránh việc truyền lại, pha slow

start hoặc ngắt kết nối bằng cách rút lại cửa sổ truyền bằng 0.

Trang 54



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



 M-TCP không lưu giữ dữ liệu tạm trong SH như I-TCP nên nó

không cần thiết chuyển tiếp dữ liệu từ bộ đệm đến một SH mới

khi có việc chuyển cuộc gọi (hand off). Những gói tin bị mất sẽ

được tự động truyền lại tới SH mới.

Nhược điểm:

 M-TCP giả thiết rằng tỷ lệ lỗi bit thấp là không luôn luôn đúng.

 Một TCP điều chỉnh trên WL không chỉ yêu cầu phải sửa phần

mềm giao thức tại MH mà còn phải có thêm những phần tử

mạng mới để quản lý băng thông.

Ngoài Mobile-TCP ra còn một số phương pháp khác như Fast

retransmit/ Fast Recovery hoặc Tranmission/ time-out freezing hay

Selective retranmission và transaction oriented TCP để cải tiến hiệu suất

làm việc của TCP trong môi trường mạng hỗn hợp. Các phương pháp này

có thể kết hợp với nhau nhằm bổ sung những ưu điểm và khắc phục

nhược điểm cho nhau.

Có thề tổng kết ưu nhược điểm của một số kỹ thuật như sau:

Phương pháp



Kỹ thuật



Ưu điểm



Nhược điểm



I-TCP



Chia kết nối Tách biệt được Mất ngữ nghĩa E2E

TCP thành hai mạng không dây.



Lỗi tiềm tàng khi



kết nối



chuyển cuộc goi



Thiết kế đơn giản



giữa các FA

Snoop-TCP



Nhìn vào dữ Trong suôt với Có vấn đề với mã

liệu và phát lại các thực thể E2E.

cục bộ



Có thể tích hợp Không

với



giao



Chia kết nối Giữ



tách biệt



thức được tuyệt đối liên

kết không dây.



MAC

M-TCP



hóa



được



ngữ Không



tách biệt



TCP thành 2 nghĩa E2E của tuyệt đối WL.



Trang 55



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



kết nối.



2007

Phải quản lý băng



TCP.



Điều tiết cửa sổ Duy trì kết nối thông và tốn chi

của thực thể trong khoảng thời phí xử lý.

gửi



gian dài và mất

kết nối lâu trên

WL.



Fast



Tránh



thuật Đơn giản và hiệu Không trong suốt,



Retransmit/



toán khởi động quả



Recovery



chậm



kết hợp đa lớp



khi



chuyển



vùng



của MH

Transmission/



Đóng



băng Độc lập với các Thay đổi yêu cầu



Time-out



đồng hồ phát kỹ



freezing



lại của thực thể khác.



thuộc



gửi TCP lúc



MAC



thuật



TCP của



TCP,



phụ



vào



lớp



ngắt kết nối,

khôi phục lại

sau kết nối.

Selective



Chỉ truyền lại Rất hiệu quả



Phần mềm thực thể



retranmission



những dữ liệu



nhận phức tạp hơn,



mất



cần nhiều bộ đệm

hơn



Transaction



Kết hợp thiết Hiệu quả cho một Yêu cầu phải thay



oriented TCP



lập, giải phóng số ứng dụng



đổi



kết



trong suôt.



nối



và



TCP,



không



truyền dữ liệu

Hình 2.3 So sánh các phương pháp cải tiến của TCP

Trang 56



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



Tuy nhiên, các kỹ thuật này cũng chưa thực sự tốt với những ứng

dụng multimedia trong môi trường mạng hỗn hợp. Chúng tôi xin trình

bày tiếp một vài kỹ thuật TCP-friendly cho các ứng dụng đa phương tiện

trong mạng hỗn hợp mà trọng tâm sẽ là phân tích kỹ thuật WLDA+.



4. Kỹ thuật TCP-friendly

Phần lớn ứng dụng hội thảo đa phương tiện được dùng trên Internet

hiện nay, ví dụ như VIC, VAT đều dựa trên giao thức lớp vận chuyển

UDP, là một giao thức vận chuyển không đảm bảo chất lượng, độ tin cậy

không cao do không có cơ chế điều khiển lưu lượng và do đó có thể

không đảm bảo bất kỳ một cấp độ QoS nào. Trong khi trên thực tế, tình

trạng mạng luôn thay đổi trong các tuyến đường từ nguồn tới đích của

một gói tin, đặc biệt là trong môi trường mạng hỗn hợp dẫn đến việc

những ứng dụng đa phương tiện khó có được kết quả tốt nhất. Ngoài ra,

khi triển khai những giao thức không có cơ chế điều khiển lưu lượng,

tránh tắc nghẽn sẽ làm mất sự cân bằng về lưu lượng với các luồng TCP

tương tranh dẫn đến những kết nối TCP đang chiếm khoảng 95% lưu

lượng Internet có thể bị giảm tốc độ truyền của chúng một cách đáng

kể… Do vậy, khi xây dựng những ứng dụng multimedia trong mạng hỗn

hợp, một yếu tố rất cần được lưu ý là các thuật toán cần phải đảm bảo

tính đúng của thời gian thực nhưng không được để những luồng đa

phương tiện lấn chiếm băng thông của các luồng TCP, cụ thể hơn những

nguồn UDP cần được cải tiến để có cơ chế điều khiển thích nghi tránh

tắc nghẽn tương tự như cơ chế điều khiển tắc nghẽn của TCP nhằm mục

tiêu giảm tình trạng mất dữ liệu, tăng hiệu dụng của băng thông đồng

thời tạo sự cân bằng với những luồng TCP tương tranh, tránh tình trạng

sụp đổ tắc nghẽn (Congestion collapse) những kỹ thuật như vậy người

ta gọi là TCP-friendly. Một luồng là TCP-friendly được định nghĩa như



Trang 57



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



một luồng có tốc độ truyền dữ liệu trong một khoảng thời gian dài không

vượt quá bất kỳ một luồng TCP thích nghi nào trong cùng điều kiện đó.

Những lược đồ này thường được chia làm hai loại, một số lược đồ

là end-to-end bao gồm kỹ thuật dựa trên cửa sổ với việc tăng theo cấp số

cộng và giảm theo cấp số nhân (AIMD Windows-base) và kỹ thuật dựa

trên tốc độ (rate-based). Một loại khác là kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn

theo từng chặng (hop-by-hop). Trong phạm vi luận văn này chúng ta chỉ

tập trung vào giải pháp end-to-end.

Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn TCP-Friendly End-to-end

Lược đồ AIMD-based:

Lược đồ AIMD dựa trên khái niệm AIMD (Additive Increase

Multiplicative Decrease). Kết nối TCP thăm dò để mở rộng băng thông

bằng cách tăng kích cỡ cửa sổ của nó lên một cách tuyến tính theo thời

gian và giảm cửa sổ phát của nó đi nhiều lần khi phát hiện tắc nghẽn nên

thuật toán AIMD có thể biểu diễn là AIMD (α,β) hoặc:



I: Tăng cửa sổ khi nhận được biên nhận trong khoảng thời gian Round

trip time

D: Giảm cửa sổ khi phát hiện mất dữ liệu

ωt : kích cỡ cửa sổ tại thời gian t

R: Round trip time của luồng

α=1 packet

β=1/2

Kỹ thuật AIMD window là một sự lựa chọn tốt cho hầu hết các ứng

dụng hiện nay, nó rất hiệu quả vì sự tăng nhanh băng thông sử dụng khi

băng thông trở nên sẵn sàng. Tuy nhiên, với các ứng dụng real-time,

multimedia thì yêu cầu thay đổi đều đặn về tốc độ truyền là quan trọng

Trang 58



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



hơn so với việc tăng nhanh băng thông nên với các ứng dụng này thường

không sử dụng trực tiếp kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn của TCP nói trên

để tránh việc chia đôi tốc độ truyền một cách đột ngột khi một gói tin bị

hủy. Do đó, lược đồ trên được sửa đổi khi áp dụng cho các ứng dụng realtime.

Lược đồ Window-based:



Với điều kiện k+l=1, l <=1; (Nếu k=0, l=1 trở về thuật toán AIMD

của TCP cho ứng dụng dữ liệu thông thường). Khi thêm các tham số với

l<1 thì ứng dụng real- time sẽ giảm tình trạng giảm đột ngột hơn cách

thức của TCP và có thể chấp nhận được cho một số trường hợp yêu cầu

về chất lượng dịch vụ không quá cao.

Lược đồ của Jacobs

Jacobs trình bày một lược đồ sử dụng kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn

của TCP, tuy nhiên lược đồ này nêu rằng sẽ không truyền lại gói tin bị

mất. Thực thể gửi lưu giữ một cửa sổ truyền dựa trên những biên nhận

của thực thể nhận. Dựa trên kích cỡ của cửa sổ truyền này, thực thể gửi sẽ

ước lượng tốc độ truyển thích hợp. Bằng cách đó các kết nối thích nghi

được bảo đảm dành được cùng dải băng thông như kết nối TCP trong

cùng một điều kiện mất dữ liệu và độ trễ. Nhưng việc cần biên nhận cho

mỗi gói tin như thế sẽ giới hạn hiệu suất, đặc biệt là trong liên lạc unicast

thì các gói tin biên nhận cũng làm tăng lưu lượng qua mạng đáng kể…

Lược đồ khác

Floyd [7] đề xuất mô hình đo thông lượng của kết nối TCP khi biết

các điều kiện về độ trễ và tình trạng gói dữ liệu bị mất:



Trang 59



Luận văn cao học – Nghiên cứu thuật toán WLDA+



2007



với M là độ dài lớn nhất của một gói tin, RTT là độ trễ toàn phần của kết

nối và l là giá trị mất dữ liệu trung bình được đo trong suốt thời gian sống

của kết nối. Dựa trên sự ước lượng này những hệ thống cuối (end

systems) đo tình trạng mất dữ liệu và độ trễ trên mạng đồng thời cấm tốc

độ truyền của chúng tới giá trị trên. Tuy nhiên phương pháp này cũng

giảm tốc độ truyền đi một nửa khi phản ứng lại tình trạng mất dữ liệu và

cũng chỉ tăng cửa sổ truyền lên một gói tin sau mỗi round trip time dẫn

đến kết quả là việc tăng giảm không đều đặn, ảnh hưởng lớn đến hiệu

suất của cá ứng dụng multimedia.

Các kỹ thuật trên nếu áp dụng cho các luồng lưu lượng real-time là

không thích hợp do sự dao động quá lớn về tốc độ truyền. Thêm vào đó,

với kỹ thuật AIMD windows-base thì việc chọn các tham số cho ứng

dụng khác nhau cũng không phải là đơn giản. Ta xét một số lược đồ

AIMD rate-base sau:

Lược đồ AIMD rate-based

Lược đồ RAP

Lược đồ AIMD dựa trên rate-base như RAP (Rate Adaptive

Protocol - RAP) do Rejaie [11] trình bày sẽ điều chỉnh tốc độ truyền một

cách liên tục. Lược đồ này sẽ gửi tiếp những gói tin khác nếu những gói

tin trước đó đã được biên nhận. Việc phát hiện ra những dữ liệu bị mất

dựa vào số tuần tự của những gói tin biên nhận bị thiếu hoặc quá thời

gian phát timeout. Thực thể gửi ước lượng độ trễ toàn phần dựa vào thuật

toán Jacobson/Karel’s thông qua các gói tin biên nhận, tuy nhiên RAP

không biên nhận từng gói tin một mà có thể gửi một vài gói tin rồi mới

biên nhận. Nếu mất dữ liệu không được phát hiện, thực thể gửi tăng một



Trang 60