Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu cơ chế điều khiển trong giao thức TCP

Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
MỞ ĐẦU
Ngày nay, khắp mọi nơi trên thế giới, Internet đã mang lại lợi ích cực kỳ to lớn
cho xã hội loài người. Các công ty và các tổ chức đang thấy được khả năng tăng năng
suất và hiệu quả bằng việc đầu tư mạnh các hoạt động trên mạng Internet. Sự phát
triển và thay đổi mạnh mẽ của công nghệ Internet, đã tạo ra sự gia tăng nhanh, phức
tạp và đa dạng của các ứng dụng truyền thông. Sự phát triển nhanh của các ứng dụng,
đặc biệt là các ứng dụng có tốc độ cao và việc có nhiều nhu cầu sử dụng mạng Internet
trong trao đổi thông tin đã làm cho lưu lượng truyền thông trên mạng gia tăng rất
nhanh, trong khi các tài nguyên truyền thông dù không ngừng được tăng cường cũng
không thể luôn luôn theo kịp nhu cầu, đó là một trong những nguyên nhân chính dẫn
đến hiện tượng tắc nghẽn và giảm hiệu suất truyền thông trên mạng.
Trong khi đó yêu cầu của người sử dụng Internet/Intranet là các dịch vụ thông
tin về kinh tế, văn hoá, xã hội v.v. Ngày càng phong phú trên mạng cũng như xu thế
tích hợp hầu hết các hệ thống thông tin, các dịch vụ thông tin số liệu nói riêng và thông
tin liên lạc nói chung trên cơ sở hạ tầng Internet (IP Inrastructure). Trên thực tế, sự
bùng nổ và phát triển của các mạng máy tính và các ứng dụng trên mạng đã gặp phải
nhiều vấn đề nghiêm trọng liên quan đến sự tắc nghẽn mạng. Theo thống kê, thường
thì các cổng (gateway) Internet sẽ làm mất khoảng 10% của các gói tin đi đến chúng.
Điều này thực sự là nguy hại khi thông tin luôn luôn đòi hỏi tính toàn vẹn và chính xác
của nó.

Như vậy, vấn đề điều khiển lưu lượng trên mạng để tránh tắc nghẽn và sử
dụng hữu hiệu tài nguyên mạng càng trở lên hết sức quan trọng và cần thiết để đáp ứng
được yêu cầu truyền thông của người dùng.
Trong mạng Internet, bộ giao thức TCP/IP đã được sử dụng ngay từ những
ngày đầu tiên và giữ vai trò quyết định đối với sự hoạt động của mạng. Giao thức TCP
sử dụng cơ chế điều khiển lưu lượng, điều khiển tắc nghẽn và lỗi từ hai đầu của kết nối
để vận chuyển thông tin trên Internet một cách hiệu quả và tin cậy. Vậy nguyên tắc và
cơ chế thực hiện việc đó của giao thức TCP như thế nào để đảm bảo tính tin cậy và
hiệu quả? Đó chính là nội dung chính cần tìm hiểu trong khoá luận này.
Mục đích của khoá luận là nghiên cứu cơ chế điều khiển trong giao thức TCP
từ đó đưa ra các biện pháp thực thi nhằm làm tăng hiệu suất sử dụng mạng thông qua
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
1
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
cơ chế điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn. Để thực hiện được mục đích đó,
khoá luận sẽ nghiên cứu về một số vấn đề liên quan trực tiếp đó là:
• Tìm hiểu về cơ chế điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn trong giao
thức TCP
• Việc áp dụng các cơ chế đó trong các phiên bản TCP như thế nào?
• Cuối cùng là dùng mô phỏng để đánh giá các giải pháp trong cơ chế TCP có
tác dụng như thế nào?
Với khả năng còn hạn chế cũng như thời gian hạn hẹp, chắc chắn luận văn này
còn nhiều điều thiếu sót, chưa hoàn thiện. Kính mong sự đóng góp ý kiến và giúp đỡ
của quý thầy cô và các bạn.
Hà nội, tháng 06/2006
Nguyễn Thị Hạt
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
2
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Sự ra đời và phát triển của mạng Internet
Nguồn gốc đầu tiên của Internet là hệ thống mạng máy tính của bộ quốc phòng
Mỹ, có tên gọi là mạng Arpanet. Đó là một mạng thí nghiệm được thiết kế và đưa vào
sử dụng năm 1969 để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hợp tác khoa học trong các công
trình nghiên cứu quốc phòng. Arpanet đã nêu cao triết lý truyền thông bình đẳng (peer-
to-peer), trong đó mỗi máy tính của hệ thống đều có khả năng “nói chuyện” với bất kỳ
máy tính thành viên nào khác. Bất kỳ mạng máy tính nào dựa trên cơ sở thiết kế của
Arpanet đều được mô tả như một tập hợp các trung tâm điện toán tự quản, mang tính
địa phương và tự điều hành, chúng được liên kết dưới dạng “vô chính phủ nhưng có
điều tiết”. Sự phát triển thiết kế của mạng Arpanet đơn thuần chỉ do những yêu cầu về
quân sự: mạng này phải có khả năng chống lại một cuộc tấn công có thể vô hiệu hoá
một số lớn các trạm thành viên của nó. Mạng Internet nguyên thuỷ được thiết kế nhằm
mục đích phục vụ việc cung cấp thông tin cho thế giới khoa học, nên công nghệ của nó
cho phép mọi hệ thống đều có thể liên kết với nó thông qua một cổng điện tử. Theo
cách đó, có hàng ngàn hệ máy tính hợp tác, cũng như nhiều hệ thống dịch vụ thư điện
tử có thu phí, như MCI và Compuserve chẳng hạn, đã trở thành thành viên của Internet.
Cũng từ đó hệ thống Internet ra đời, gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau
trên phạm vi toàn thế giới, tạo điều kiện thuận lợi cho các dịch vụ truyền thông dữ liệu,
đăng nhập từ xa, truyền các tệp tin, thư tín điện tử và các nhóm thông tin…Ở một khía
cạnh nào đó, có thể coi Internet là một phương pháp ghép nối các mạng máy tính hiện
hành, phát triển rộng rãi tầm hoạt động của từng hệ thống thành viên. Với hơn hai triệu
máy chủ phục vụ chừng vài trăm triệu người dùng, mạng Internet đang phát triển với
tốc độ bùng nổ, và việc sử dụng Internet đã đang trở thành phổ biến trong cuộc sống
hiện nay.
Mạng Arpanet có ảnh hưởng lớn đến sự tiến hoá của các mạng thương mại,
mô hình tham chiếu được sử dụng trong mạng Arpanet là tiền thân của tất cả các mạng
máy tính, kể cả mạng Internet ra đời sau này. Về sau, khi các mạng vệ tinh và vô tuyến
ra đời và kết nối vào Arpanet thì các giao thức sử dụng trong Arpanet không đáp ứng
được yêu cầu liên mạng, do đó cần phải có các mô hình kiến trúc mới, có khả năng liên
kết nhiều mạng với nhau một cách trong suốt. Kiến trúc này được gọi là mô hình tham
chiếu TCP/IP, tên này được đặt theo tên của hai giao thức cơ bản của nó là TCP và IP.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
3
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
1.2. Mô hình tham chiếu ISO/OSI và TCP/IP
Việc xây dựng hệ thống phần mềm để kết nối các máy tính thành một mạng
nhỏ và kết nối các mạng nhỏ thành một mạng toàn cầu như Internet là một bài toán rất
phức tạp, để thực hiện công việc phức tạp này, người ta chia hệ thống phần mềm thành
các lớp, hay tầng (Layer) theo một số nguyên tắc nhất định và khoa học. Các lớp này
chỉ tương tác với các lớp trên và dưới của nó. Trong các mạng khác nhau, số tầng, tên
các tầng, nội dung của các tầng và chức năng của các tầng có thể khác nhau; tuy nhiên,
mục đích của mỗi tầng là sử dụng các dịch vụ do các tầng dưới cung cấp, để cung cấp
những dịch vụ nhất định cho các tầng cao hơn, sao cho các tầng này khi sử dụng các
dịch vụ của nó, không cần phải quan tâm tới các thao tác chi tiết mà các dịch vụ phải
thực hiện. Để các mạng máy tính khác nhau có thể truyền thông với nhau, chúng cần
tuân theo các chuẩn. Người ta đã xây dựng nên các chuẩn như vậy, chúng còn được gọi
là mô hình tham chiếu, làm cơ sở chung cho các nhà thiết kế dựa vào khi thiết kế
mạng. Hai mô hình mạng phổ biến sử dụng các lớp là mô hình OSI (Open System
Interconnection) và mô hình TCP/IP sẽ được trình bày dưới đây.
1.2.1. Mô hình tham chiếu ISO/OSI
Thời kỳ đầu khi thiết kế mạng, các nhà thiết kế tự do lựa chọn kiến trúc cho
riêng mình. Từ đó dẫn đến tình trạng không tương thích giữa các mạng máy tính với
nhau, như về phương pháp truy nhập đường truyền khác nhau, sử dụng họ giao thức
khác nhau,…vấn đề không tương thích đó làm trở ngại cho sự tương tác giữa những
người sử dụng mạng khác nhau. Nhu cầu trao đổi thông tin càng lớn, nó càng thúc đẩy
việc xây dựng khung chuẩn về kiến trúc mạng để làm căn cứ cho các nhà thiết kế và
chế tạo thiết bị mạng.
Chính vì lý do đó tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International
Organization for Standardization) đã lập ra (vào năm 1977) một tiểu ban nhằm phát
triển một khung chuẩn như thế. Kết quả là năm 1984, ISO đã xây dựng và công bố mô
hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở OSI (reference model for Open
Systems Interconnection). Mô hình này cung cấp các đại lý với các chuẩn đảm bảo tạo
ra tính tương thích và hoạt động giao tiếp giữa các loại công nghệ mạng khác nhau đã
được giới thiệu bởi nhiều công ty trên toàn thế giới. Mô hình OSI định nghĩa các chức
năng của mạng ở mỗi lớp cũng như quan hệ giữa các lớp. Quan trọng hơn, nó là một
cái khuôn mẫu thuận tiện cho việc hiểu được cách thông tin truyền qua mạng. Hơn
nữa, mô hình OSI mô tả cách thức mà thông tin, hay cụ thể hơn là các gói dữ liệu,
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
4
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
truyền từ các chương trình ứng dụng (như bảng tính và các tài liệu) qua một phương
tiện mạng (như các dây dẫn) tới chương trình ứng dụng khác ở trong một máy tính trên
một mạng khác, thậm chí nếu người gửi và người nhận có các loại phương tiện mạng
khác nhau. Mô hình OSI có bảy tầng được minh hoạ trên hình 1 như sau:
Hình 1. Mô hình tham chiếu OSI
Mỗi tầng của mô hình OSI có một bộ các chức năng mà nó phải thi hành đối
với các gói dữ liệu để truyền từ một nguồn tới một đích trên mạng. Sau đây là chi tiết
chức năng của mỗi tầng:
Tầng vật lý (Physical layer): Tầng vật lý giải quyết các vấn đề ghép nối cơ
khí, điện và giao thức để có thể khởi tạo, duy trì và kết thúc các liên kết vật lý
giữa các thiết bị truyền thông. Tầng này liên quan đến việc truyền dòng bit
giữa các máy bằng kênh truyền thông vật lý, không xét đến ý nghĩa và cấu trúc
của dòng bit.
Tầng liên kết dữ liệu (Data Link layer): Nhiệm vụ chính của tầng này là cung
cấp đường truyền tin cậy của dữ liệu qua kết nối vật lý. Để làm được điều này,
lớp liên kết dữ liệu được liên quan với địa chỉ vật lý, tô-pô mạng, truy cập
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
5
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
mạng, khai báo lỗi, đảm bảo việc biến đổi các tin dạng bits nhận được từ lớp
dưới (lớp vật lý) sang khung số liệu, và điều khiển lưu lượng. Ví dụ các giao
thức ở lớp hai bao gồm: Ethernet, Token Ring, ISDN, PPP và Frame Relay.
Tầng mạng (Network layer): Đảm bảo việc chuyển chính xác số liệu giữa các
thiết bị cuối trong mạng, nó đảm bảo việc tìm đường tối ưu cho các gói dữ liệu
bằng các giao thức chọn đường, điều khiển lưu lượng số liệu trong mạng để
tránh xảy ra tắc nghẽn bằng cách chọn các chiến lược tìm đường khác nhau.
Hơn nữa, tầng mạng liên quan đến địa chỉ lô-gíc. Ví dụ các giao thức tầng 3 là:
IP, IPX, và Appletalk.
Tầng giao vận (Transport layer) :Thực hiện vận chuyển các phân đoạn dữ liệu
của lớp Transport từ hệ thống máy gửi đến hệ thống máy nhận và tập hợp lại
thành một luồng dữ liệu trong hệ thống máy người nhận. Đường biên giới giữa
lớp Transport và lớp phiên có thể coi như là đường biên giới giữa các giao
thức ứng dụng và các giao thức vận chuyển lưu lượng dữ liệu. Ngược lại các
tầng: ứng dụng, trình bày, phiên là liên quan với các ứng dụng, bốn tầng thấp
nhất liên quan với việc vận chuyển dữ liệu. Tầng Transport cố gắng cung cấp
dịch vụ truyền dữ liệu tin cậy giữa hai máy của người gửi và người nhận qua
mạng. Ví dụ các giao thức tầng 4 như: TCP, UDP và SPX.
Tầng phiên (Session layer): Đảm bảo việc liên kết giữa hai thực thể có nhu
cầu trao đổi số liệu, ví dụ như người dùng và một máy tính ở xa, được gọi là
một phiên làm việc. Nó quản lý việc trao đổi số liệu, như thiết lập giao diện
giữa người dùng và máy, xác định thông số điều khiển trao đổi số liệu, v.v.
Tầng trình bày dữ liệu (Presentation layer). Đảm bảo việc thích ứng các cấu
trúc dữ liệu khác nhau của người dùng với cấu trúc dữ liệu thống nhất sử dụng
trong mạng. Nó có chứa các thư viện các yêu cầu của người dùng, thư viện
tiện ích, v.v.
Tầng Ứng dụng (Application layer). Đảm bảo việc cung cấp các phương tiện
để người sử dụng có thể truy nhập được vào môi trường OSI. Ví dụ về các
giao thức tầng ứng dụng: Telnet và HTTP, .v.v.
Truyền dữ liệu trong mô hình OSI: Khi ứng dụng X trên một máy tính cần gửi
dữ liệu cho ứng dụng Y trên một máy tính khác trên mạng, nó sẽ trao dữ liệu cho tầng
ứng dụng, tầng ứng dụng có thể gắn thêm một khối dữ liệu có cấu trúc xác định, gọi là
header, vào đầu gói số liệu của nó rồi gửi xuống tầng trình bày dữ liệu. Tầng trình bày
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
6
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
dữ liệu có thể chuyển đổi gói số liệu này theo các cách khác nhau và có thể bổ sung
header của nó rồi gửi kết quả xuống tầng phiên bên dưới. Đối với tầng này, nó không
phân biệt header của tầng trên với dữ liệu trong gói số liệu mà nó nhận được. Quá trình
này cứ tiếp tục cho tới khi dữ liệu truyền xuống tầng vật lý, tại đó dữ liệu mới thực sự
được truyền tới máy nhận. Tại máy nhận, các header lần lượt được tách ra và loại bỏ
khi gói số liệu đi qua các tầng từ dưới lên trên, cho tới khi nó đi đến ứng dụng Y. Tầng
nào phát hiện ra lỗi thì yêu cầu phát lại ngay tại tầng đó.
1.2.2. Mô hình tham chiếu TCP/IP
Mặc dù mô hình OSI được thừa nhận là đẹp và hợp lý về mặt mô hình, nhưng
thực tế có một chuẩn khác mang tính kỹ thuật và được sử dụng trên Internet là TCP/IP
(Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Họ giao thức TCP/IP cung cấp
phương tiện truyền thông liên mạng được hình thành từ những năm 70. Do vậy, chúng
ta cần phải đặc biệt quan tâm tới các kết nối TCP trong việc điều khiển lưu lượng.
Khác với mô hình ISO/OSI, tầng mạng trong mô hình TCP/IP sử dụng giao thức liên
mạng “không kết nối” (connectionless) IP, tạo thành hạt nhân hoạt động của Internet.
Cùng với các thuật toán định tuyến RIP, OSPF, BGP, tầng liên mạng IP cho phép kết
nối một cách mềm dẻo và linh hoạt các loại mạng vật lý khác nhau, như: Ethernet,
Token Ring, X.25, v.v.
Giao thức trao đổi dữ liệu “có kết nối” (connection-oriented) TCP được sử
dụng ở tầng giao vận để đảm bảo tính chính xác và tin cậy việc trao đổi dữ liệu dựa
trên kiến trúc kết nối “không kết nối” ở tầng mạng IP.
Các giao thức hỗ trợ ứng dụng phổ biến như, truy nhập từ xa (Telnet), chuyển
tệp (FTP), dịch vụ World Wide Web (HTTP), thư điện tử (SMTP),v.v. Ngày càng được
cài đặt phổ biến như những bộ phận cấu thành của các hệ điều hành thông dụng.
Hình 2 sau đây trình bày hai mô hình tham chiếu TCP/IP và OSI để tiện so sánh.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
7
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Hình 2. Mô hình tham chiếu OSI và TCP/IP
Sau đây là chi tiết các tầng trong mô hình TCP/IP:
Tầng Internet :Tầng Internet đôi khi được gọi là tầng IP, có chức năng tương tự
tầng mạng trong mô hình OSI. Nhiệm vụ của tầng Internet là định tuyến gói số
liệu, điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn. Mỗi gói số liệu có thể đi đến
đích theo các con đường khác nhau; tại đích, thứ tự nhận các gói số liệu có thể
khác với thứ tự lúc chúng được phát đi từ nguồn, do đó tầng giao vận trên nó
giải quyết vấn đề thứ tự các gói số liệu. Tầng Internet định nghĩa một khuôn
dạng gói số liệu và giao thức chính là giao thức IP.
Tầng giao vận: Tầng này phải được thiết kế sao cho các thực thể ngang hàng ở
máy nguồn và máy đích có thể truyền thông với nhau, tương tự như trong mô
hình OSI. Tại tầng này, người ta định nghĩa hai giao thức kiểu đầu cuối - đầu
cuối (end-to-end) là TCP và UDP.
o TCP là giao thức hướng kết nối, bảo đảm, nó vận chuyển dòng byte sinh ra
từ máy (nguồn) tới một máy tuỳ ý khác (đích) trong liên mạng mà không có
lỗi. TCP phân mảnh dòng byte từ các tầng trên đi xuống thành các gói số
liệu riêng biệt rồi chuyển từng gói số liệu này xuống cho tầng Internet. Tại
máy đích, tiến trình TCP nhận và thực hiện lắp ráp các gói số liệu nhận
được lại thành dòng byte rồi chuyển lên tầng trên. TCP cũng có các chức
năng điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn. Các chức năng này sẽ
được nghiên cứu phần sau trong tài liệu này.
o UDP là giao thức không hướng kết nối, không bảo đảm (không có sự biên
nhận cho gói số liệu UDP), dành cho các ứng dụng không muốn sử dụng
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
8
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
các chức năng điều khiển lưu lượng và phân phát các gói số liệu đúng thứ tự
của TCP mà muốn tự cung cấp các chức năng này. UDP được sử dụng rộng
rãi trong các ứng dụng kiểu dùng một lần, khách/chủ và các ứng dụng trong
đó việc phân phát tin nhanh chóng quan trọng hơn việc phân phối tin chính
xác. Mối quan hệ giữa IP, TCP và UDP được thể hiện trên hình 3 sau:
Hình 3. Các giao thức và các mạng trong mô hình TCP/IP ban đầu
Tầng ứng dụng: Tầng ứng dụng thực chất là tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng này
chứa tất cả các giao thức bậc cao, hỗ trợ cho các ứng dụng. Trong các mô hình
đầu tiên, tầng này bao gồm các giao thức Telnet (Virtual Terminal Protocol),
FTP và SMTP v.v.
Tầng host-to-network: Bên dưới tầng Internet là một khoảng trống lớn, mô hình
tham chiếu TCP/IP thực tế hầu như không nói gì về tầng này. Ngoài việc chỉ ra
rằng máy tính (host) phải nối với mạng bằng cách sử dụng một số giao thức để
có thể gửi các gói số liệu IP đi trên mạng. Tầng này không được định nghĩa và
nó khác nhau trên các máy tính khác nhau cũng như trên các mạng khác nhau.
1.3. Vấn đề tắc nghẽn và sự cần thiết của cơ chế điều khiển lưu
lượng
1.3.1. Hiện tượng tắc nghẽn
Trong mạng máy tính, tắc nghẽn xảy ra khi số lượng gói số liệu đến nút mạng
vượt quá khả năng xử lý của nó hoặc vượt quá khả năng vận tải của các đường truyền
đi ra, điều đó dẫn đến việc thông lượng của mạng bị giảm đi khi lưu lượng đến mạng
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
9
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
tăng lên. Hiện tượng tắc nghẽn có thể xảy ra ở một hoặc một số nút mạng, hay trên
toàn mạng và được miêu tả trên hình 4 như sau:
Hình 4. Sự xuất hiện tắc nghẽn trong mạng
Khi số lượng gói số liệu đến mạng còn tương đối nhỏ, nằm trong khả năng vận
tải của nó, chúng sẽ được phân phát đi hết, số lượng gói số liệu được chuyển đi tỉ lệ
thuận với số lượng gói số liệu đến mạng. Do luôn có một tỉ lệ gói số liệu phải phát lại
do bị lỗi trong quá trình vận chuyển, lưu lượng mà mạng thực sự phải vận chuyển nhìn
chung lớn hơn lưu lượng đi qua mạng (thông lượng).
Khi lưu lượng đến cao quá một mức nào đó, các nút mạng không còn đủ khả
năng chứa và chuyển tiếp các gói số liệu, do đó các nút mạng bắt đầu phải loại bỏ các
gói số liệu. Bên gửi sẽ phát lại các gói số liệu không được biên nhận sau một khoảng
thời gian nhất định, gọi là timeout (thời gian chờ). Nếu lưu lượng đến mạng tiếp tục
tăng lên nữa, tỉ lệ gói số liệu phát lại trên tổng số gói số liệu trong mạng có thể tăng
đến 100%, nghĩa là không có gói số liệu nào được phân phát đi cả, thông lượng của
mạng giảm xuống bằng không, mạng bị nghẹt hoàn toàn.
Sự tắc nghẽn có thể do một số yếu tố dẫn đến. Nếu bỗng nhiên dòng các gói
tin đi đến trên hai hoặc ba lối vào của một nút mạng đều cần cùng một đường đi ra,
một hàng đợi sẽ hình thành. Nếu nút mạng không có đủ bộ nhớ để lưu tất cả chúng, các
gói tin bắt đầu bị mất đi. Việc bổ sung thêm bộ nhớ trong một chừng mực nào đó là có
ích, tuy nhiên Nagle (1987) đã chỉ ra rằng nếu một Router có một lượng bộ nhớ vô hạn
thì vấn đề tắc nghẽn trở lên tồi tệ hơn chứ không tốt hơn lên, bởi vì vào lúc các gói tin
đi lên đến đầu hàng đợi thì chúng đã bị timeout (liên tiếp) mất rồi, và các bản sao của
chúng đã được gửi đi. Tất cả các gói tin này sẽ được gửi đi tới Router tiếp theo, làm
tăng thêm tải cho mọi con đường tới đích. Các bộ vi xử lý chậm cũng gây ra tắc nghẽn.
Nếu CPU của một Router chạy chậm khi thực hiện nhiệm vụ kế toán (bookeeping) của
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
10
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
nó (queueing buffers, updating tables..), các hàng đợi có thể trở thành lớn hơn, mặc dù
vậy có sự vượt quá mức độ (excess) của dung lượng hàng đợi. Tương tự, các đường
truyền có dải thông thấp cũng có thể gây ra tắc nghẽn. Việc nâng cấp đường truyền
nhưng không đổi bộ xử lý hoặc ngược lại đôi khi cũng cải thiện được tình hình chút ít,
nhưng thường là chỉ làm dời điểm tắc nghẽn đi mà thôi. Tương tự như vậy, việc nâng
cấp từng phần chứ không nâng cấp toàn bộ hệ thống thường cũng chỉ cải thiện được
phần đó mà toàn bộ hệ thống ít được cải thiện.
Tắc nghẽn có khuynh hướng tự nó làm gia tăng. Nếu một Router không có bộ
nhớ đệm trống, nó sẽ phải lờ các gói tin mới đi đến. Khi một gói tin bị loại bỏ, Router
gửi sẽ bị timeout và sẽ phát lại gói tin đó, việc phát lại có thể xảy ra nhiều lần. Bởi vì
nó không được phép vứt bỏ các gói tin trong bộ đệm khi chưa nhận được biên nhận,
nên sự tắc nghẽn ở bên nhận bắt buộc bên gửi nén lại (refrain) việc giải phóng bộ đệm
mà lẽ ra được giải phóng. Theo kiểu như vậy, sự tắc nghẽn quay ngược trở lại phía bên
gửi, giống như những chiếc ô tô đi tới quầy thu lệ phí giao thông bị ùn lại thành một
hàng dài dần về phía chúng đã từ đó đi đến.
1.3.2. Khái niệm điều khiển lưu lượng
Một vấn đề đặt ra là phải làm gì với một người gửi luôn muốn truyền các gói
tin nhanh hơn tốc độ mà người nhận có thể nhận được. Tình huống này rất dễ xảy ra
khi người gửi đang chạy một một máy tính tốc độ cao hoặc tải nhẹ, còn người nhận
đang chạy một máy tốc độ thấp hoặc tải nặng. Người gửi cứ tiếp tục bơm các gói tin ra
với tốc độ cao cho tới khi người nhận hoàn toàn bị lụt. Ngay cả khi việc truyền tin
không có lỗi, tại một thời điểm nhất định nào đó người nhận sẽ không có khả năng
quản lý các gói tin khi chúng đi đến và sẽ bắt đầu làm mất một số gói tin. Điều rõ ràng
là cần phải làm một việc gì đó để tình huống này không xảy ra.
Giải pháp thông thường là đưa vào sự kiểm soát lưu lượng (Flow Control) để
điều tiết người gửi, làm cho người gửi không gửi nhanh hơn mức mà người nhận có
thể xử lý được. Việc điều tiết này thường cần một kiểu nào đó của cơ chế phản hồi, sao
cho bên gửi có thể nhận thấy được bên thu có thể chạy theo kịp mình hay không.
Người ta đã biết đến nhiều giải pháp (scheme) điều khiển lưu lượng khác
nhau, nhưng phần lớn trong chúng là sử dụng cùng một nguyên lý cơ sở. Giao thức
chứa các quy tắc được định nghĩa rõ ràng về việc khi nào bên gửi có thể truyền đi các
gói tin tiếp theo. Các quy tắc này thường không cho phép gửi các gói tin khi mà bên
nhận chưa cho phép một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Thí dụ, khi một kết nối được
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
11
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
thiết lập, bên nhận có thể nói: “bây giờ anh có thể gửi cho tôi n gói tin, nhưng sau khi
gửi chúng đi, đừng có gửi thêm nữa khi mà tôi chưa bảo anh gửi tiếp”.
Để đảm bảo việc truyền thông trên mạng được trong suốt, người ta đưa ra
một số thuật toán giúp cho mạng lưu thông liên tục, đồng thời tăng hiệu suất hoạt
động của mạng lên cao nhất. Đó chính là phương pháp điều khiển lưu lượng, là cách
phòng để tránh xảy ra tắc nghẽn mạng.
Nói chung điều khiển lưu lượng liên quan tới việc vận chuyển kiểu point-to-
point giữa một người gửi đã biết nào đó với một người nhận. Công việc của nó là đảm
bảo rằng bên gửi tốc độ nhanh không thể tiếp tục truyền dữ liệu nhanh hơn mức mà
bên nhận có thể tiếp thu được. Điều khiển lưu lượng hầu như luôn luôn liên quan tới
một sự phản hồi trực tiếp nào đó từ phía người nhận tới phía người gửi để báo cho
người gửi về công việc đang được làm ở bên người nhận như thế nào.
1.3.3. Khái niệm điều khiển tắc nghẽn
Như trên ta đã thấy, hiện tượng tắc nghẽn làm giảm hiệu suất sử dụng mạng,
thậm chí có thể làm cho mạng hoàn toàn bị nghẹt, không hoạt động được. Vậy phải có
phương pháp như thế nào đó để tránh được các tắc nghẽn.
Nói chung điều khiển tắc nghẽn (Congestion Control) phải thực hiện nhiệm vụ
để đảm bảo rằng mạng có khả năng vận tải lưu lượng được đưa vào lưu thông. Đó là
vấn đề toàn cục, liên quan đến cả hành vi của mọi Host, Router, các quá trình chứa và
chuyển tiếp (store-and-forward) trong mỗi Router, và tất cả các yếu tố khác có khuynh
hướng làm giảm dung lượng vận tải của mạng.
1.3.4. Các cơ chế điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn
1.3.4.1 Điều khiển lưu lượng (flow control)
Có thể thực hiện điều khiển lưu lượng bằng các phương pháp sau:
• Tận dụng tối đa đường truyền: Trong các thủ tục truyền dữ liệu, các gói
tin được truyền đi theo một hướng. Trong hầu hết các ứng dụng thực tế
chúng ta cần truyền dữ liệu theo cả hai hướng. Một cách để có thể truyền dữ
liệu theo hai hướng (full-duplex) là sử dụng hai kênh truyền thông riêng
biệt, trên mỗi kênh chỉ truyền dữ liệu theo một chiều (simplex). Như vậy ta
cần hai đường truyền vật lý, một đường truyền đi dữ liệu, còn một đường
dùng cho người nhận gửi tín hiệu ACK về cho người gửi. Ta thấy rằng
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
12
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
đường truyền thứ hai hiệu suất sử dụng gần như bằng 0, rất lãng phí. Do đó,
người ta đã áp dụng biện pháp tận dụng kênh truyền được trình bày dưới
đây.
• Trả lời ACK+Data: Cách tốt nhất là làm sao chỉ cần một đường truyền mà
vẫn có thể truyền thông tin theo cả hai hướng, theo cả hai hướng dung
lượng đường truyền là như nhau. Trong mô hình này các gói tin dữ liệu đi
từ A đến B được trộn lẫn với các biên nhận (ACK) của A gửi cho B. Bên
nhận cần xem trường loại gói tin ở header của gói tin nhận được để biết gói
tin đó là gói tin dữ liệu hay gói tin ACK.
• Sử dụng cơ chế cửa sổ (giống như cánh đập nước để điều hoà lưu
thông): Tắc nghẽn cũng có thể xảy ra khi người gửi tính thời gian hết giờ
(timeout) quá sớm. Chúng ta cần thủ tục hoạt động tốt hơn, nó vẫn đồng bộ
được khi gặp các tình huống trục trặc đồng thời xảy ra: gói tin lặp đi lặp lại,
mất một số gói tin, thời gian chờ timeout sớm. Ba thủ tục để khắc phục các
trục trặc đó, chúng được gọi chung tên là sliding window. Các thủ tục này
khác nhau ở tính hiệu quả, độ phức tạp và lượng bộ nhớ cần đến.
• Giao thức cửa sổ trượt (sliding window) một bit – cơ chế cửa sổ:
o Trong tất cả các thủ tục sliding window, mỗi gói tin gửi đi chứa một số
thứ tự nằm trong miền từ 0 tới một giá trị cực đại nào đó (thường được
chọn bằng 2
n
-1) số thứ tự này chiếm một trường dài n bit. Trong các thủ
tục tinh vi hơn người ta dùng n>1.
o Điểm căn bản nhất của các thủ tục sliding window là tại mọi thời điểm
người gửi ghi nhớ danh sách các số thứ tự liên tiếp tương ứng với các gói
tin nó được phép gửi đi. Các gói tin này được gọi là nằm trong cửa gửi
(Sending Window). Tương tự như vậy, bên người nhận cũng ghi nhớ một
cửa nhận (Receiving Window) tương ứng với các gói tin nó được phép
nhận, hai loại cửa sổ trên không nhất thiết phải có cùng các giới hạn trên
và giới hạn dưới cũng như kích thước.
o Các số thứ tự nằm trong cửa sổ của người gửi thể hiện các gói tin đã gửi
đi nhưng còn chưa được biên nhận (ACK). Khi có một gói tin mới do
tầng mạng gửi đến, nó sẽ được gán số thứ tự cao nhất tiếp theo, do đó
mép trên của cửa sổ sẽ tăng lên 1. Khi nhận được ACK, mép dưới cửa sổ
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
13
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
được tăng lên 1. Bằng cách này cửa sổ luôn ghi nhớ danh sách các gói tin
còn chưa được biên nhận.
o Vì các gói tin trong cửa sổ gửi có thể bị hỏng hoặc bị mất trên đường
truyền, vì vậy bên gửi phải nhớ tất cả các gói tin mà nó đã gửi. Khi nhận
được mỗi gói tin, bên nhận sinh ra một tín hiệu biên nhận - ACK để gửi
cho bên gửi và sau đó cửa sổ bên gửi sẽ tăng lên 1. Khác với cửa sổ bên
người gửi, cửa sổ bên người nhận luôn luôn giữ kích thước ban đầu của
nó.
o Nếu kích thước cửa sổ bên nhận bằng 1, có nghĩa là tầng Data Link bên
nhận chỉ chấp nhận các frame theo đúng thứ tự, nếu kích thước cửa sổ
nhận lớn hơn 1 thì không phải như vậy. Trái lại tầng mạng truyền dữ liệu
cho tầng Data Link theo thứ tự bình thường, không phụ thuộc kích thước
cửa sổ.
• Quản lý các gói tin trong cơ chế cửa sổ một bit: Thủ tục sliding window
một bit sử dụng cơ chế stop-and-wait, người gửi truyền đi một gói tin và
chờ biên nhận (ACK) trước khi gửi gói tin tiếp theo. Có hai trường hợp xảy
ra: bên A phát trước (bình thường) bên B và A, B cùng phát, đây là trường
hợp bất thường.
o Trường hợp có một bên A phát trước: Tầng Data Link của bên A sau khi
nhận gói tin đầu tiên từ tầng mạng của nó, sẽ xây dựng nên một frame
(gồm: header+data, header gồm 3 phần: Seq: số thứ tự phát; ACK- thứ tự
biên nhận và số thứ tự gói tin) và gửi đi. Tại bên thu (B) khi nhận được
frame này, tầng Data Link sẽ kiểm tra xem nó có phải là frame bị phát lặp
lại (duplicate) không? Nếu đúng thì loại bỏ đi, nếu không thì chuyển cho
tầng mạng và cửa sổ của người nhận sẽ dịch đi.
Trong trường hợp này thể hiện trên hình 5 a), mọi frame gửi đi đều
được biên nhận. Mỗi gói tin đi tới đích đều mang đến một gói tin cho
tầng mạng bên nhận, không có frame lặp.
o Trường hợp A và B cùng phát: Giả sử rằng A gửi frame 0 cho B, còn B
gửi frame 0 cho A và thời gian timeout của A hơi ngắn, do đó bên A luôn
xảy ra timeout khi gửi một loạt các frame giống nhau với Seq=1 và
ACK=1.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
14
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Khi frame đầu tiên không có trục trặc đi tới B, B sẽ biên nhận, biến
nhớ giá trị gói tin chờ nhận framexpected được thiết lập giá trị 1. Tất cả
các frame liên tiếp sau đó sẽ bị từ chối vì stt (sequence) của chúng sai.
Hơn nữa mọi gói tin lặp (duplicate) có ACK=1 và b vẫn đang đợi một
ACK=0, B sẽ không nhận các gói tin từ tầng mạng của nó chuyển xuống.
Cứ mỗi khi từ chối nhận một frame lặp gửi tới, B lại gửi cho a một
frame có seq=0 và ACK=0. Cuối cùng có một frame như vậy B tới A,
làm cho A bắt đầu gửi packet tiếp theo.
Hình 5. Mô hình gửi nhận gói tin
Bằng cách này không có một tình huống kết hợp giữa mất một số
frame và timeout quá sớm có thể làm cho thủ tục phân phối các packet
lặp lên trên tầng mạng bên trên nó, cũng như bỏ qua một packet, hoặc rơi
vào tắc nghẽn (deadlock).
Một tình huống đặc biệt xảy ra khi cả hai bên đồng thời gửi đi packet
đầu tiên, khi đó xảy ra sự khó đồng bộ, tình huống này được thể hiện
trên màn hình 1.5a)
Hình 1.5b) hai frame đầu của hai bên được gửi đi đồng thời, một nửa
số frame là lặp, tuy vậy không có lỗi truyền.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
15
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
• Một giao thức sử dụng go-back-n: Trong các trường hợp được xét trước
đây ta giả thiết rằng thời gian truyền một frame từ bên gửi tới bên nhận
cộng với thời gian truyền frame biên nhận là nhỏ, không đáng kể. Trong
một số trường hợp thực tế các giả thiết này sẽ hoàn toàn sai, không phù hợp.
Thí dụ khi truyền qua vệ tinh với tốc độ 50kbps, thời gian từ khi truyền đi
tới khi nhận được ACK là 500 ms, trong khi đó thời gian phát một gói tin
(khoảng 1000 bit) cỡ 20ms, sau khi truyền 270 ms thì bên nhận nhận được
đẩy đủ frame, sau 520ms thì bên gửi nhận được ACK (giả sử bên nhận nhận
ngay và frame biên nhận là ngắn), do đó hiệu suất xấp xỉ bằng 20/500 hay
4%, giá trị này rất thấp (xấp xỉ 96 % thời gian kênh truyền bị chiếm không
sử dụng). Điều này chính là hệ quả của việc đòi hỏi bên gửi phải đợi nhận
được biên nhận rồi mới được gửi frame tiếp theo. Như vậy, bên gửi nên
phát đi liên tục các frame trong khoảng thời gian bằng thời gian đi và về của
tín hiệu rồi mới chờ ACK, trong thí dụ trên tốt nhất chọn w=26 (như vậy
window của người gửi có giá trị cực đại =26). Kỹ thuật trên gọi là
pinelining (vận chuyển bằng đường ống).
Việc vận chuyển liên tục các frame trên kênh truyền thông không tin cậy
cũng phải giải quyết một loạt các vấn đề nghiêm trọng: có một frame nằm
giữa dãy các frame gửi đi bị hỏng hoặc bị mất, bên nhận nhận một số frame
rồi bên gửi mới phát hiện có một lỗi gì đó…Chúng ta cần nhớ là tầng Data
Link bên nhận bắt buộc phải gửi các packet lên tầng mạng bên trên nó theo
đúng thứ tự. Có hai cách giải quyết như sau:
o Cách thứ 1. “go back n”- phát lại từ gói tin thứ n: khi gặp frame có lỗi thì
nó loại bỏ các frame tiếp theo dù chúng không bị lỗi, không gửi biên
nhận các frame bị loại bỏ. Bên nhận sẽ bị hết giờ (timeout) và nó sẽ
truyền lại tất cả các frame chưa có biên nhận. Cách giải quyết này ứng
với trường hợp cửa sổ nhận có kích thước bằng 1 và gây lãng phí lớn dải
thông, nhất là khi tần suất lỗi cao như hình 6 sau đây:
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
16
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Hình 6. Ảnh hưởng của một lỗi khi kích thước cửa sổ của người nhận là 1
o Cách thứ 2. Chỉ phát lại một cách có chọn lọc gói tin thứ n có lỗi –
“selective repeat”: khi gặp gói tin có lỗi bên nhận vẫn cứ nhận các gói tin
tiếp sau nếu chúng không có lỗi. Khi bên gửi nhận được ACK nó mới
biết frame nào đã bị hỏng trên đường truyền và sẽ phát lại các gói tin
này. Cách giải quyết này ứng với trường hợp cửa sổ nhận có kích thước
lớn hơn 1. Mọi frame nằm trong cửa sổ đều có thể được nhận và được
nhớ đệm cho tới khi frame trước chúng được truyền cho tầng mạng. Cách
giải quyết này đòi hỏi vùng nhớ đệm của tầng Data Link phải đủ lớn,
hình 1.7 minh hoạ cách giải quyết này:
Hình 7. Ảnh hưởng của một lỗi khi kích thước cửa sổ người nhận là lớn
1.3.4.2 Điều khiển tắc nghẽn
Các nguyên tắc chung của việc kiểm soát tắc nghẽn: Nhiều vấn đề trong
các hệ thống phức tạp, chẳng hạn mạng máy tính, có thể nhìn nhận theo quan điểm của
lý thuyết điều khiển. Cách tiếp cận này dẫn tới việc chia các giải pháp làm hai nhóm:
vòng lặp mở (open loop) và vòng lặp đóng (close loop).
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
17
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Các giải pháp open loop giải quyết vấn đề bằng thiết kế tốt, về thực chất là bảo
đảm để vấn đề tắc nghẽn không xảy ra, đó là vấn đề số một. Một khi hệ thống đang
chạy thì không sửa chữa nữa.
• Các công cụ để thực hiện giải pháp điều khiển kiểu open loop bao gồm việc
quyết định khi nào thì chấp nhận lưu lượng mới vào mạng, quyết định khi
nào thì loại bỏ các packet và loại bỏ các gói tin nào và ra các quyết định
theo lịch trình (scheduling decisions) tại các điểm khác nhau của mạng. Tất
cả các việc này có chung một điểm là chúng ra quyết định mà không xem
xét đến trạng thái hiện thời của mạng.
Trái lại, các giải pháp close-loop lại dựa trên khái niệm về vòng
phản hồi (feedback loop). Cách tiếp cận này có ba phần khi đem áp dụng
cho việc kiểm soát tắc nghẽn.
• Theo dõi hệ thống để phát hiện ra tắc nghẽn xảy ra khi nào và ở đâu: có thể
sử dụng nhiều cách đo (metric) khác nhau để theo dõi subnet để phát hiện
tắc nghẽn. Một số cách chính trong số đó là tính phần trăm số các gói tin bị
loại bỏ do thiếu không gian nhớ đệm, tính trung bình chiều dài hàng đợi, số
gói tin quá hạn (time-out) được phát lại, thời gian trễ trung bình của gói
tin…Trong mọi trường hợp sự gia tăng của các số đo này chỉ ra rằng sự tắc
nghẽn đang tăng lên.
• Chuyển các thông tin này cho những nơi có thể phản ứng lại: đây là bước
thứ hai trong vòng phản hồi để chuyển các thông tin về sự tắc nghẽn từ
điểm nó được phát hiện tới những nơi có thể làm một cái gì đó nhằm giải
quyết vấn đề này. Một cách rất hiển nhiên là để cho Router phát hiện ra tắc
nghẽn gửi một gói tin tới nguồn hoặc các nguồn sinh ra giao thông, báo cho
chúng biết về sự cố. Tất nhiên là các gói tin bổ sung này làm tăng tải đúng
vào thời điểm không nên có thêm tải- lúc mạng (subnet) bị tắc nghẽn.
• Điều chỉnh lại hệ thống để sửa chữa sự cố: trong tất cả các kế hoạch loại có
phản hồi (feedback), người ta hy vọng rằng việc biết được sự tắc nghẽn sẽ
làm cho các máy tính trên mạng thực hiện các phản ứng phù hợp để giảm
tắc nghẽn. Để làm việc một cách đúng đắn, tỉ lệ thời gian phải được điều
chỉnh rất cẩn thận. Những lúc có hai gói tin cùng đi đến, Router kêu lên
"stop", những lúc Router rỗi đến 20ms nó kêu lên "go", hệ thống sẽ dao
động lớn và không bao giờ hội tụ. Mặt khác, nếu nó lại đợi tới 30 phút để
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
18
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
cho chắc chắn trước khi nói gì đó thì cơ chế kiểm soát tắc nghẽn sẽ phản
ứng quá chậm trễ, không có giá trị sử dụng trong thực tế. Để cơ chế làm
việc tốt, cần đến một kiểu tính trung bình nào đó, tuy nhiên việc chọn thời
gian là hằng số không phải là một việc tầm thường.
Các chính sách ngăn chặn tắc nghẽn: Chúng ta bắt đầu nghiên cứu các
phương pháp kiểm soát tắc nghẽn bằng việc xem xét các hệ thống open-loop. Các hệ
thống này được thiết kế nhằm mục đích số một là để giảm tối thiểu sự tắc nghẽn, chứ
không để nó xảy ra rồi mới phản ứng lại. Người ta cố gắng đạt mục đích của mình bằng
các chính sách phù hợp với các mức tầng khác nhau.
1.3.5. Cách thực hiện cơ chế điều khiển lưu lượng
Điều khiển lưu lượng liên quan đến việc vận chuyển giữa một người gửi đã
biết nào đó và một người nhận. Nhiệm vụ của nó là đảm bảo rằng bên gửi có tốc độ
nhanh không thể tiếp tục truyền dữ liệu nhanh hơn mức mà bên nhận có thể tiếp thu
được. Điều khiển lưu lượng luôn luôn liên quan đến một sự phản hồi trực tiếp từ phía
người nhận đến người gửi để báo cho bên gửi về khả năng nhận số liệu thực của bên
nhận.
Điều khiển tắc nghẽn thực hiện nhiệm vụ đảm bảo cho mạng có khả năng vận
chuyển lưu lượng đưa vào. Đó là một vấn đề toàn cục, liên quan đến hành vi của mọi
nút mạng, quá trình chứa và chuyển tiếp trong mỗi nút mạng và các yếu tố khác có
khuynh hướng làm giảm thông lượng của mạng.
Điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn là hai khái niệm khác nhau,
nhưng liên quan chặt chẽ với nhau. Điều khiển lưu lượng là để tránh tắc nghẽn, còn
điều khiển tắc nghẽn là để giải quyết vấn đề tắc nghẽn khi nó xuất hiện hoặc có dấu
hiệu sắp xảy ra. Trong thực tế triển khai thực hiện các thuật toán điều khiển lưu lượng
và điều khiển tắc nghẽn, nhiều khi cả hai thuật toán này cùng được cài đặt trong một
giao thức, thể hiện ra như là một thuật toán duy nhất, thí dụ trong giao thức TCP.
Trong nhiều tài liệu thuộc lĩnh vực mạng máy tính, hai khái niệm này được sử dụng
như nhau và được coi là đồng nghĩa. Trong các phần sau của luận án này, tác giả sẽ
theo quan điểm đó, các vấn đề về điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn sẽ
được trình bày chung, với tên gọi điều khiển lưu lượng.
Các tầng có thể thực hiện điều khiển lưu lượng: Có thể thực hiện điều khiển lưu
lượng ở một vài tầng trong mạng, thí dụ:
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
19
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
• Điều khiển lưu lượng ở tầng giao vận : thường được gọi là điều khiển lưu
lượng đầu cuối- đầu cuối (end-to-end), nhằm tránh cho bộ đệm của quá
trình nhận tại đích khỏi bị tràn.
• Điều khiển lưu lượng trên từng chặng : nhằm tránh cho từng đường truyền
khỏi bị tắc nghẽn. Tuy nhiên, việc điều khiển lưu lượng trên từng chặng sẽ
có ảnh hưởng đến các chặng khác, do đó nó cũng có tác dụng tránh tắc
nghẽn cho các đường truyền có nhiều chặng. Trong mô hình tham chiếu
OSI, điều khiển lưu lượng theo từng chặng được thực hiện ở tầng liên kết
dữ liệu và tầng mạng.
Như vậy việc điều khiển lưu lượng thường được điều khiển trên tầng
Transport, tầng này thực hiện việc điều khiển lưu lượng dựa trên một số dịch vụ được
cung cấp từ tầng dưới nó. Việc điều khiển lưu lượng hoàn toàn trong suốt đối với các
chức năng ứng dụng và việc thay đổi các thiết bị vật lý cũng không làm ảnh hưởng đến
các chức năng quan trọng của của tầng này.
1.4. Cơ chế điều khiển lưu lượng bằng cửa sổ trượt
Đây là một trong các cơ chế điều khiển lưu lượng được sử dụng rộng rãi nhất,
có thể áp dụng tại một hay nhiều tầng của mạng, thường là tầng liên kết dữ liệu, tầng
mạng hay tầng giao vận.
Cơ chế điều khiển lưu lượng bằng cửa sổ trượt cho phép bên gửi phát đi liên
tiếp một số gói số liệu nhất định rồi mới phải dừng lại chờ thông báo về kết quả nhận,
gọi là biên nhận, trước khi tiếp tục phát. Bên nhận điều khiển lưu lượng bằng cách kìm
lại hay gửi ngay biên nhận, đó là một gói số liệu điều khiển, hoặc một gói số liệu có
chứa thông tin điều khiển, mà bên nhận dùng để báo cho bên gửi biết về việc đã nhận
một hay một số gói số liệu như thế nào. Tại mọi thời điểm, bên gửi phải ghi nhớ một
danh sách chứa số thứ tự liên tiếp các gói số liệu mà nó được phép gửi đi, các gói số
liệu này được gọi là nằm trong cửa sổ gửi. Tương tự như vậy, bên nhận cũng duy trì
một danh sách gọi là cửa sổ nhận, tương ứng với các gói số liệu mà nó được phép
nhận. Hai cửa sổ gửi và nhận không nhất thiết phải có độ lớn bằng nhau.
Người ta đã đề xuất và sử dụng một số phương thức quản lý cửa sổ khác nhau,
thí dụ: biên nhận riêng rẽ cho mỗi gói số liệu nhận được, biên nhận ở cuối cửa sổ, biên
nhận ở đầu cửa sổ v.v. Dưới đây sẽ trình bày hai cách đã được sử dụng phổ biến trong
số các cách đã được nêu.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
20
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Để việc phân tích sự điều khiển lưu lượng theo cơ chế cửa sổ được thuận lợi,
người ta có thể sử dụng một số ký hiệu cho các tham số như nêu trong bảng sau:
T
t
Thời gian truyền (transmit) một gói số liệu
T
p
Thời gian truyền một biên nhận, là tín hiệu cho phép tiếp tục truyền.
Τ Thời gian trễ lan truyền.
W Kích thước cửa sổ, đơn vị là gói số liệu
D
Thời gian từ khi bắt đầu truyền gói số liệu đầu tiên trong cửa sổ, cho
đến khi nhận được tín hiệu cho phép truyền tiếp
Biên nhận từng gói số liệu
Theo cách quản lý này, mỗi khi nhận được một gói số liệu, bên nhận sẽ gửi
một biên nhận cho bên gửi. Cửa sổ gửi tương ứng với các gói số liệu đã gửi đi nhưng
chưa biên nhận (hình 8 (a) ). Khi có một gói số liệu mới từ tầng trên chuyển xuống để
gửi đi, nó sẽ được gán số thứ tự lớn nhất tiếp theo, do đó mép trên của cửa sổ gửi sẽ
tăng thêm 1. Nếu cửa sổ tăng tới cực đại thì tiến trình truyền ở tầng trên bị chặn lại,
không thể truyền các gói số liệu xuống nữa, cho đến khi có chỗ trống trong vùng nhớ
đệm. Mỗi gói số liệu sau khi đến đích sẽ được biên nhận một cách riêng rẽ. Khi biên
nhận về đến bên gửi, mép dưới của cửa sổ gửi sẽ được tăng thêm 1, làm cho danh sách
các gói số liệu đã truyền nhưng còn chờ biên nhận giảm đi một phần tử, đồng thời
vùng nhớ tương ứng với phần tử đó cũng được giải phóng để cấp phát cho một gói số
liệu mới (hình 8 (b),(c) ). Bằng cách này, cửa sổ gửi luôn ghi nhớ được danh sách các
gói số liệu còn chưa được biên nhận. Vì các gói số liệu trong cửa sổ gửi có thể bị hỏng
hoặc mất trên đường truyền, nên bên gửi phải giữ lại bản sao của chúng trong bộ nhớ
đệm để phát lại nếu sau một khoảng thời gian nhất định vẫn không được biên nhận.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
21
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Hình 8. Điều khiển lưu lượng bằng cửa sổ trượt, biên nhận từng gói số liệu
(a): Trạng thái ban đầu (b): Gói số 0 được biên nhận (c): Gói số 1 được biên nhận
Các gói số liệu nằm ngoài cửa sổ nhận nếu đến sẽ bị loại bỏ. Khi nhận được
một gói số liệu có số thứ tự bằng mép dưới của cửa sổ, nó sẽ được truyền cho tầng
trên, bên nhận sinh ra một biên nhận gửi tới người gửi và tăng cửa sổ lên một ô. Nếu
kích thước cửa sổ nhận bằng một, có nghĩa là nó chỉ chấp nhận các gói số liệu đến theo
đúng thứ tự. Nếu khác 1 thì không phải như vậy, trong trường hợp này, bên nhận sẽ giữ
gói số liệu đến không đúng thứ tự trong bộ đệm, chờ nhận đủ các gói số liệu trong cửa
sổ rồi mới chuyển các gói số liệu lên tầng trên theo thứ tự mà bên gửi đã gửi đi.
Khoảng thời gian chờ này luôn được giới hạn.
Biên nhận ở cuối cửa sổ
Đây là cách đơn giản nhất, bên nhận sẽ phát ra một biên nhận sau khi nhận
được tất cả các gói số liệu trong cửa sổ nhận. Hình 9 minh hoạ cho phương pháp này,
trong đó nút A truyền thông với nút B, sử dụng một giao thức tựa như giao thức
HDLC, kích thước cửa sổ gửi và cửa sổ nhận ban đầu bằng 3. Các gói số liệu đi trên
mạng được biểu diễn bằng các mũi tên, kiểu của gói số liệu được ghi bên cạnh mũi tên,
ý nghĩa như sau :
Hình 9. Điều khiển lưu lượng bằng cửa sổ trượt, biên nhận ở cuối cửa sổ. Kích
thước cửa sổ nhận và gửi ban đầu bằng 3
I n,m: là gói số liệu, với trường số thứ tự gói số liệu n(s)=n, trường biên nhận
n(r)=m. Bên B cho gói số liệu của nó “cõng” (“piggyback”) biên nhận tới bên
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
22
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
A, việc này giúp nâng cao hiệu quả sử dụng đường truyền. Tất nhiên, bên A
cũng có thể biên nhận các gói số liệu mà B gửi cho nó bằng cách trên.
Rnr 4: là gói số liệu điều khiển, B báo cho A rằng, lúc này nó không thể nhận
tiếp các gói số liệu của A, đồng thời biên nhận cho các gói số liệu có số thứ tự
nhỏ hơn hoặc bằng 3. Khi nhận được tín hiệu này, A sẽ phải ngừng gửi, chờ
cho đến khi nhận được tín hiệu cho phép gửi tiếp của B.
Rr 4: là gói số liệu điều khiển, B báo cho a rằng, lúc này nó sẵn sàng tiếp nhận
tiếp các gói số liệu của A, bắt đầu từ gói số 4.
Giả sử rằng bên gửi luôn có sẵn dữ liệu để gửi, còn bên nhận cũng gửi biên
nhận ngay sau khi nhận được gói số liệu cuối cùng trong cửa sổ nhận. Chúng ta có thể
tính được thông lượng trung bình lớn nhất có thể đạt được, dựa trên hình 10.
Hình 10. Điều khiển lưu lượng bằng cửa sổ trượt, biên nhận ở cuối cửa sổ; kích
thước cửa sổ W=3
So với cách biên nhận từng gói số liệu, rõ ràng là số lượng biên nhận giảm đi,
từ một biên nhận/một gói số liệu, xuống còn một biên nhận/một cửa sổ. Thí dụ, nếu
kích thước cửa sổ w=8, thì số biên nhận giảm đi 8 lần. Tuy nhiên, chúng ta sẽ phải trả
giá bằng việc thông lượng truyền bị giảm đi.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
23
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
Chương 2. ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG GIAO
THỨC TCP
2.1. Tìm hiểu về giao thức TCP
TCP là giao thức trao đổi số liệu có kết nối (connection-oriented), nghĩa là cần
thiết lập lên liên kết logic giữa một cặp thực thể TCP, trước khi chúng trao đổi dữ liệu
với nhau.
TCP cung cấp khả năng truyền dữ liệu một cách an toàn đảm bảo tin cậy, và
chính xác giữa 2 thực thể cuối trong mạng. Nó cung cấp các chức năng nhằm kiểm tra
tính chính xác của dữ liệu khi đến và bao gồm cả việc gửi lại dữ liệu khi có lỗi xảy ra.
Việc thiết kế và thực hiện giao thức TCP là phức tạp bởi những nguyên nhân
sau:
• TCP quản lý đúng số tuần tự tính theo byte của dòng số liệu.
• TCP tối ưu hóa khả năng sử dụng dải thông của mạng bằng cách giám sát
và điều khiển lưu lượng số liệu từ thực thể gửi tới thực thể nhận.
• TCP đảm bảo việc trao đổi số liệu tin cậy và chính xác giữa các thực thể
cuối trong mạng nhờ các yếu tố:
o Đối thoại khi thu phát: Mỗi khi gửi một gói tin bên nhận phải thông báo
nhận đúng sau một khoảng thời gian nhất định. Nếu không gói tin được
coi là nhận sai và được phát lại.
o Kiểm tra số liệu thu phát: Khi nhận số liệu gửi được kiểm tra bằng thuật
toán quy định byte kiểm tra (checksum) được gửi cùng với số liệu phát
và được so sánh với byte kiểm tra tính lại khi thu trong trường hợp sai
lệch có nghĩa là có lỗi xảy ra trên đường truyền khi đó thực thể thu sẽ
thông báo kết quả cho thực thể phát và yêu cầu gửi lại.
o Kiểm tra số tuần tự: Vì các gói TCP được truyền đi trong các gói IP và
các gói IP có thể đến đích không theo đúng thứ tự phát (IP là giao thức
không hướng kết nối) nên thực thể TCP phải lập lại trật tự các gói tin thu
được và huỷ bỏ các gói tin trùng lặp khi cần, rồi chuyển các gói tin đó
theo đúng trật tự phát cho các ứng dụng.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
24
Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP
o Điều khiển lưu lượng: Mỗi thực thể của kết nối TCP đều có một vùng
đệm hạn chế nào đó. Thực thể TCP chỉ cho phép thực thể TCP phát gửi
một lượng số liệu đủ với vùng đệm thu của mình. Điều này cho phép
ngăn cản thực thể TCP phát nhanh làm tràn vùng đệm của thực thể TCP
thu chậm.
2.1.1. Cách thức truyền dữ liệu qua giao thức TCP
Hình 11. Mô hình hoạt động của giao thức TCP
Như hình 11, các thực thể ứng dụng sử dụng dịch vụ truyền tin cậy TCP để
trao đổi số liệu trong quá trình xử lý.
Chú ý: thực thể ứng dụng và thực thể TCP có bộ đệm riêng của mình để lưu
trữ tạm thời số liệu trong quá trình xử lý.
Cách thức chuyển tiếp số liệu giữa hai bộ đệm trên là yếu tố quyết định hiệu
suất chuyển tiếp số liệu của hệ thống TCP.
Số liệu có thể được chuyển toàn bộ hoặc một phần từ bộ đệm ứng dụng tới bộ
đệm TCP, trước khi quá trình phát được khởi động.
Số liệu thu từ kết nối TCP có thể được chuyển tiếp tức thới từ bộ đệm thu TCP
tới bộ đệm ứng dụng hoặc chỉ khi tỷ lệ phần bộ đệm bị chiếm dụng so với tổng dung
lượng bộ đệm đạt tới một giá trị nào đó.
Nguyễn Thị Hạt - Mạng máy tính và truyền thông- ĐHCN- ĐHQG Hà nội
25

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×