BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA
*** VŨ TẤT THÀNH MÔ HNH TỰ THCH NGHI – GIAO THỨC HỌ TCP CHO CÁC
ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN TRONG MẠNG KHÔNG DÂY
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 62 52 02 03
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
Lun án sẽ được bảo vệ tại Hội đng chấm lun án cấp Viện họp tại:
Vào hi ……….giờ ……ngày …… tháng……….năm…….

Có thể tìm hiểu lun án tại thư viện:
3

MỞ ĐẦU
Xu hướng hội t v công nghệ mạng IP và tnh chất đa dạng ca các mạng máy
tnh, vin thông trong tương lai sẽ khin việc đảm bảo chất lượng dch v cho các kt
nối thông qua các mạng này tr thành một th thách lớn, đặc biệt khi mô hình mạng
hiện nay là hỗn hợp, bao gm nhiu loại kênh truyn khác nhau.
Xu hướng s dng ngày càng phổ bin các ứng dng đa phương tiện, chứa nhiu
loại dữ liệu dung lượng lớn như thoại, ảnh, video cng yêu cầu băng thông cấp phát
cho mỗi ứng dng này càng cao. Mặc d băng thông ca các mạng không dây th hệ
mới này đã được cải thiện, song mạng không dây vẫn là nơi tht nt ca mạng hỗn hợp,
như internet. Trong kt nối mạng hỗn hợp, điểm kt nối thường xảy ra tc nghẽn.
Nguyên nhân gây nên việc mất các gói tin trong mạng không dây khác xa các
giả thit v nguyên nhân gây mất các gói tin khi thit k các giao thức truyn thông
truyn thống như TCP/IP.
Vì vy nhu cầu cần thit phải xây dựng một mô hình tự thch nghi, thông qua
việc đo băng thông tức thời, phát hiện chất lượng đường truyn, điu chỉnh tốc độ truyn
tin để đảm bảo chất lượng ca các ứng dng đa phương tiện, trong mạng không dây là
rất cần thit. Đây chnh là nội dung ca công trình nghiên cứu này.
Mc tiêu ca lun án là đ xuất phương pháp xác đnh nhanh chóng trạng thái
kênh truyn, điu chỉnh phương pháp tnh thời gian khứ hi gói tin, từ đó xây dựng một
mô hình thch nghi với sự thay đổi tham số ca môi trường mạng, đặc biệt có thể bin
thiên với phần mạng không dây. Lun án áp dng kt quả nghiên cứu lý thuyt vào một

và th nghiệm mô phỏng trong môi trường NS đạt hiệu suất cao hơn, có khả năng phát
hiện, phân biệt và phòng lỗi hiệu quả hơn so với các kt quả nghiên cứu đang s dng
hiện nay trong các giao thức họ TCP, khi chạy trên môi trường hỗn hợp, trong mô hình
có trạm gốc và trạm di động.
CHƯƠNG 1. ĐIU KHIN LƯU LƯNG VÀ TC NGHN
1.1 Sự phát triển của mạng máy tính và ứng dụng
Năm 1967, Robert L. G. đã đ xuất một mạng máy tnh th nghiệm, sau đó tr
thành mạng ARPANET, tin thân ca mạng Internet. Khi các mạng vệ tinh và vô tuyn
ra đời, Mô hình tham chiu TCP/IP ra đời để đáp ứng nhu cầu giao tip liên mạng.
5

1.2 Kiến trúc mạng Internet và mô hình tham chiếu TCP/IP
Sau đây mô hình tham chiu TCP/IP sẽ được trình bày và so sánh với mô hình
tham chiu OSI truyn thống trong truyn thông.

Hình 1.1 Mô hình tham chiếu TCP/IP và mô hình tham chiếu OSI
1.3 Điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn
1.3.1 Cơ bản về điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn
1.3.1.1 Khái niệm
Điều khiển lưu lượng liên quan đn việc vn chuyển giữa một người gi nào đó
và một người nhn. Nhiệm v ca nó là đảm bảo rằng bên gi có tốc độ nhanh không
thể tip tc truyn dữ liệu nhanh hơn mức mà bên nhn có thể tip thu được.
Điều khiển tắc nghẽn thực hiện nhiệm v đảm bảo cho mạng có khả năng vn
chuyển lưu lượng đưa vào.
Điu khiển lưu lượng và điu khiển tc nghẽn là hai khái niệm khác nhau, nhưng
liên quan chặt chẽ với nhau. Điu khiển lưu lượng là để tránh tc nghẽn, còn điu khiển
tc nghẽn là để đ phòng tc nghẽn trước khi nó xuất hiện.
1.3.1.2 Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Giao thức TCP là giao thức hướng kt nối, kiểu đầu cuối - đầu cuối, tin cy, được
thit k ph hợp với kin trc phân lớp các giao thức. Trên hình 1.7 là một chng các


1.3.1.5 Tránh tắc nghẽn
Một chin lược tránh tc nghẽn(CA, Congestion Avoidance) như đ xuất trong
[20], bao gm: thứ nhất: mạng phải có khả năng gi tn hiệu đn cho các thực thể 
đầu cuối ca các kt nối (endpoint), báo cho chng bit là tc nghẽn đang xảy ra hoặc
sp xảy ra; thứ hai: các endpoint phải có chnh sách giảm lưu lượng đưa vào mạng nu
nhn được các tn hiệu báo và tăng thêm lưu lượng đưa vào mạng nu không nhn được
tn hiệu báo này.
Chính sách của TCP đối với tắc nghẽn:
Đó chnh là chnh sách tăng theo cấp số cộng, giảm theo cấp số nhân (AIMD),
như đã được triển khai thực hiện trong BSD [18][34];
1.4 TCP và ứng dụng đa phương tiện trên môi trường không dây
Ảnh hưởng của đặc tính lỗi đường truyền không dây
Với đặc tnh tỉ suất lỗi bit cao ca đường truyn không dây, người ta phải chọn
kch thước cực đại ca đơn v dữ liệu truyn, MTU (Maximum Transmission Unit) nhỏ
hơn nhiu so với đơn v dữ liệu trong các mạng có dây. Hệ quả là các chi ph cho x lý
gói số liệu (đóng gói dữ liệu, tách dữ liệu )  các nt trên đường truyn tăng lên và làm
giảm thông lượng.
Ảnh hưởng của sự gián đoạn kết nối thường xuyên
Tác động đng thời ca tỉ suất lỗi bit cao và sự kt nối hay b đứt đoạn ca các
đường truyn không dây lên hiệu suất ca giao thức TCP đã được nhiu người nghiên
cứu, trong đó phải kể đn nghiên cứu ca R. Yavatkar và N. Bhagwat trong [19].

Hình 1.3 Ảnh hưởng của tỉ suất lỗi bit (BER) cao và thời gian cuộc gọi đến tc độ
truyền của TCP
Từ kt quả được trình bày trên, chng ta có thể nhn thấy:
8

 Ngay cả khi đường truyn không gây lỗi (tỉ suất mất gói số liệu bằng 0%), việc dừng
kt nối do chuyển cuộc gọi, cng làm giảm tốc độ truyn rất nhiu.

Đây là bộ phn thi hành các quyt đnh đã được bộ phn điều khiển thích nghi
đưa ra, trong một giới hạn thời gian nào đó. Việc thực thi này sẽ thể hiện là các phản
ứng ca hệ thống đối với môi trường. Trong mô hình điu khiển thch nghi, các thông
số đầu vào và các điu chỉnh đối với đầu ra ph thuộc vào mỗi loại thông số môi trường
c thể.

Hình 1.5 Mô hình điều khiển tự thích nghi
Để quản lý bộ nhớ đệm, ta sẽ có Z
k
= Z
k-1
+ u(t), với u(t) là hàm ca các bin đổi.
Cơ ch điu chỉnh áp dng kt quả nghiên cứu phương pháp quản lý vng đệm theo
RED trong [1] [61], để hạn ch khả năng tràn bộ đệm.
Các bin trạng thái có thể được tnh mỗi khi có một gói tin được nhn hoặc
khoảng thời gian giữa các gói tin. Quyt đnh đưa ra cho việc x lý gói tin đang đn dựa
trên việc so sánh bin trạng thái với các giá tr giới hạn.
1.6 Kết luận chương I
Trong chương I đã phân tch đặc điểm thit k ca giao thức truyn thông TCP
và các cơ ch kiểm soát lưu lượng, chống tc nghẽn ca TCP.
Trong chương tip theo sẽ tổng hợp các phương án, đ xuất hiện có, nhằm mc
đch cải tin giao thức TCP để đạt hiệu suất cao hơn trong môi trường không dây và
mạng hỗn hợp.
CHƯƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP ĐIU KHIN TC NGHN TRONG
MẠNG CÓ KẾT NỐI PHỨC TẠP
Trong chương này, sẽ trình bầy các hướng tip cn chnh nhằm cải thiện hiệu
năng ca TCP trong môi trường mạng có kt nối phức tạp. Chng tôi phân loại các
phương pháp tip cn thành hai tp hợp các giải pháp.
10


Các giải pháp liên tầng
Một số đ xuất cải tin giao thức TCP cho truyn thông không dây, s dng việc
thông báo v lỗi tc nghẽn từ tầng thấp hơn cho tầng giao vn, để nâng cao hiệu năng
ca TCP. Các đ xuất [48],[50] s dng tn hiệu liên tầng để thch nghi kênh truyn cho
các dữ liệu lung video thời gian thực được đảm bảo chất lượng dch v, song giới hạn
nghiên cứu là cho mạng wifi…Các đ xuất này phá vỡ kin trc mạng phân lớp hiện
nay, và yêu cầu thay đổi rất lớn từ tất cả các nhà sản xuất thit b.
2.2.2 Thông báo rõ ràng về nguyên nhân mất gói s liệu
Lớp kỹ thut thứ hai được trình bày dưới đây nhằm cải thiện hiệu suất TCP bằng
một số cơ ch làm cho bên gi nhn thấy được sự tn tại ca các chặng không dây và
những sự mất mát gói số liệu không phải do tc nghẽn mạng. Cho đn nay, người ta đã
đ xuất hai cách tip cn, cách thứ nhất là thông báo rõ ràng nơi xảy ra việc mất gói số
liệu không phải do tc nghẽn bằng tn hiệu ELN. Cách tip cn thứ hai là cải tin sự
điu khiển lưu lượng ca giao thức TCP chứ không phải là việc khôi phc lại sau khi
có sự mất gói số liệu không phải do tc nghẽn ECN. Các giải pháp được người ta đ
xuất nhằm mc đch tách việc phát hiện tc nghẽn khỏi vấn đ mất mát gói số liệu.
2.3 Xác định nhu cầu băng thông và trạng thái đường truyền
Ta xt một đường truyn dẫn phải qua nhiu node mạng, và không mất tnh tổng
quát khi ta xt trên đoạn giữa node j-1 và j có các gói tin có cng kch cỡ.

(a)

(b)
Hình 2.3 Mô hình xác định băng thông khả dụng
12

Ta có link j nằm giữa nút j và j-1, các gói tin gi đn node j-1 với tốc độ là AR,
là tổng ca các lung tới nt j-1. AR = ∑λ
i







  (2. 3)
Giả thit, chọn giá tr cho W trong tinh huống xấu nhất, ta có w = R×T
j-1,j
với
T
j-1,j
là thời gian để gói tin đi được từ j-1 tới j. Ngoài ra, để hệ thống ổn đnh, không b
tràn bộ đệm, có thể thit k R(t) tỷ lệ với x(t), ta chọn tham số α, sao cho:
R (t) = α *X(t) => X(t) = R(t) / α (2.4)
Phương trình vi phân (3.3)  trên tr thành:





























  





 









(2. 6)









Nu coi các lung tin đn là các tin trình ngẫu nhiên, độc lp nhau thì có thể
ước lượng được băng thông s dng cho mỗi lung tin i trên liên kt j-1,j như sau:

































  




  







(2.8)
Nhận xét:
Giá tr băng thông s dng ước lượng trên liên kt j-1, j gm hai thành phần:
 Thành phần ph thuộc vào giá tr băng thông s dng trước đó (R
0



(2.10)
(2. 7)
14

Để ph hợp với họ TCP, thành phần X=1/80,1 công thức (2.7) bin đổi thành:






  

 (2.11)
Phương trình (2.7) (2.11) sẽ được đưa vào mô hình tnh toán để đối sánh.
Tính toán mô phỏng
- Nghiên cứu bin đổi ca băng thông ước lượng R(t), theo hai công thức (2.7)
và (2.11). Ý ngha vt lý ca α trong (2.7) là tỷ lệ giữa giá tr hàng đợi tại nt
mạng j-1 và băng thông s dng trên đoạn mạng j-1,j do vy α > 0.
R(t) được tnh toán theo (2.7) với R
0
=100 ; T
qs
=20; L=8000 ; α =10 là đường
cong có đánh dấu bằng các nt vuông. R(t) được tnh theo công thức (2.11) sẽ
cho đường được đánh dấu bi các nt tròn (Hình 2.4)

Hình 2.4 So sánh giá trị R(t) theo công thức (2.7) và (2.11).

15 Hình 2.5 Biến đổi của R(t) theo giá trị Tqs.

Hình 2.6 Biến đổi của R(t) theo trọng s dung sai X
- Nghiên cứu bin đổi ca băng thông ước lượng R(t) theo công thức (2.7) cho các
đoạn T
qs
liên tip, với các giá tr L=8000;R
0
=100; α = 100, T
qs
= 10 và so
sánh với trường hợp trọng số ca phần dung sai X cố đnh, như trường hợp
được dng trong các giao thức TCP, lần lượt bằng 0,1;0,2;0,3 như đ th
tương ứng (Hình 2.6). Đường đ th được đánh dấu vuông là giá tr ca R(t)
theo công thức (2.7), ta có thể thấy nó xuất phát thấp hơn, nhưng sau đó lại
tiệm cn nhanh hơn đn gần giá tr ca băng thông, sao một số khoảng thời
gian quan sát.
Như vy, có thể nói, công thức (2.7) cho php tnh băng thông s dng nhanh hơn,
so với phương pháp làm mn trước đây ca các giao thức TCP, nhờ việc s dng trọng
số ca phần dung sai là một hàm m, thay vì là một hằng số. Đng thời ta tnh được
băng thông theo giá tr Tqs, là thời gian gói tin đi từ nt mạng j-1, đn j, tức là bằng một
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
100
200
300
400
500

w
t+R
= w
t
+ a
1
.e
Kt
+ a
2
.e
-Kt
nu không mất gói tin (3. 1)
w
t+R
= w
t
/2 nu mất gói tin

Hình 3. 1 . Cơ chế điều khiển thích nghi