Thiết kế giao thức

Network programming
1
Thi t k giao th cế ế ứ
Giảng viên: Nguyễn Hoài Sơn
Bộ môn Mạng và Truyền thông máy tính
Khoa Công nghệ thông tin

Network programming
2
T i sao chúng ta c n thi t k giao th c ạ ầ ế ế ứ
m i?ớ

Các ứng dụng mới xuất hiện mọi nơi mọi lúc
– ngày càng phụ thuộc vào truyền thông
mạng

Cuộc cách mạng về thông tin làm xuất hiện các
nhu cầu mới

Sự thay đổi trong môi trường làm việc đòi hỏi
chúng ta xem xét lại thiết kế của các giao
thức đã có

Network programming
3
Quy trình thi t k giao th cế ế ứ

Network programming
4
Các yêu c u khi thi t k giao th cầ ế ế ứ


Hiểu mục đích, yêu cầu

Yêu cầu về chức năng: features, security,…

Các yêu cầu khác: scale, time-to-market, cost, …

Hiểu về những giới hạn

Giới hạn về chức năng: Môi trường thực hiện

Các giới hạn khác: giá thành, cân nặng, năng
lượng tiêu thụ, memory, CPU, …

Hiểu về những thỏa hiệp có thể chấp nhận
được

Must vs. nice-to-have

Network programming
5
M t s khía c nh chung c a vi c thi t k ộ ố ạ ủ ệ ế ế
giao th c (1)ứ

Quy mô thiết kế

Chỉ là một phần trong thiết kế ứng dụng nào đó

Nhằm tạo ra platform cho một môi trường cạnh tranh


Mục đích thiết kế

Giải pháp hoàn chỉnh cho một ứng dụng

Tạo ra các gói đế sử dụng lại một cách mềm dẻo

Sử dụng các gói có sẵn để tạo ra giải pháp cụ thể nào đó

Tạo ra hay Sử dụng lại

Sử dụng lại các công nghệ đã có

Hưởng lợi từ kinh nghiệm, code, etc. ít rủi ro

Nhưng: Có thực sự đáp ứng mục đích, yêu cầu, chi phí, …

Tạo ra công nghệ mới từ zero

Có thể tối ưu hóa phù hợp với quy mô, mục đích, yêu cầu sử dụng

chấp nhận rủi ro lớn hơn, nhiều thời gian để đưa ra thị trường

Network programming
6
M t s khía c nh chung c a vi c thi t k ộ ố ạ ủ ệ ế ế
giao th c (2)ứ

Học từ những giải pháp liên quan

Mượn các khái niệm và giải pháp


nhưng chỉ ở chỗ nào có thể áp dụng được

Tránh lỗi. Xem xét các triến khai trên thực tế trước khi mượn

Tránh “second system syndrome”

Bám sát các yêu cầu trong quá trình thiết kế

Một số cách thức đơn giản hóa

Tối ưu hóa cho trường hợp chung

Không phức tạp hóa vấn đề – Keep it simple stupid (KISS)

Tránh các tùy chọn và tham số

Nhớ rằng cuối cùng chúng ta sẽ phải thực thi thiết kế

Network programming
7
M t s khía c nh chung c a vi c thi t k ộ ố ạ ủ ệ ế ế
giao th c (3)ứ

Phân tách rạch ròi các vấn đề

Xử lý các khía cạnh độc lập nhau một cách độc lập

Những gì thực sự là độc lập nhau?


Phân tầng chặt chẽ

Định nghĩa rõ ràng các điểm truy cập dịch vụ (SAPs)

Có xu hướng che dấu hoàn toàn các tầng dưới với các tầng trên

Phá vỡ sự trừu tượng hóa- Leaky abstraction

Phân tầng chặt chẽ không phải lúc nào cũng tốt

Không nhất thiết phải che dấu bằng mọi giá

Áp dụng cho thiết kế giao thức, lập trình và một số công việc khác

By Joel Spolsky />
Tối ưu hóa bằng thông tầng (Cross-layer)

Xử lý các vấn đề phụ thuộc vào các tầng dưới ở tầng trên và ngược lại

Network programming
8
Thi t k giao th c có tính Trade-Offs…ế ế ứ
…giữa các yêu cầu và các hạn chế của môi trường
làm việc

“Tốt, nhanh, rẻ – chỉ được hai, không thể thực hiện
được cả ba.”

Ví dụ


Độ tin cậy vs. độ trễ

Chức năng vs. băng thông

Khả năng mở rộng vs. hiệu quả

Chức năng vs. đơn giản

Một thiết kế để thực hiện một mục tiêu nào đó sẽ tác
động ngược lại vào một mục tiêu khác

Cần tìm kiếm sự thỏa hiệp hợp lý để thực hiện được chức
năng yêu cầu với giá thành có thể chấp nhận được

Network programming
9
Các bên truy n tin và vai tròề

Truyền tin điểm-điểm vs. nhiều điểm

Có bao nhiêu bên tham gia vào quá trình truyền tìn?

Unicasting vs. group-overlays vs. multicasting

Kiểu trao đổi thông tin nào được giả thiết?

Truyền tin Client-server vs. truyền tin ngang hàng

Các bên có cùng vai trò hay có vai trò khác nhau?


Truyền tin cuối-cuối vs. trung gian vs. hỗ trợ của
router

Những thực thể nào có thể, có hoặc phải tham gia
vào quá trình truyền tin? Chúng có “thấy được” hay
không?

Network programming
10
Đ nh danh bên truy n tinị ề

Tên

Định danh có thể đọc được để con người dễ nhớ (e.g., DNS
name, URI, URN)

Định danh

Định dang có thể xử lý bới máy tính

Địa chỉ

Định dang cấp giao thức (e.g., IP address)

Địa điểm

Thông tin về địa điểm của bên truyền tin trong một tôpô mạng

Cần quản lý (là duy nhất)


Hoặc được chọn ngẫu nhiên trong môi trường ad-hoc

Các định danh này cần được chuyển đổi lẫn nhau

Address books, dữ liệu phân tán(e.g., DNS, DHTs), giao thức
trao đổi, caching, cấu hình (thủ công), …

Network programming
11
Đ ph c t pộ ứ ạ

Độ phức tạp giao thức

Số lượng của giao thức, số lượng của tùy chọn

Độ phức tạp trạng thái

E.g., Số trạng thái và chuyển trạng thái, yêu cầu đồng bộ hóa

Số chuyển trạng thái (tương tác) để đạt được kết quả

Độ phức tạp tính toán

Ví dụ: Mã hóa, định tuyến, tìm kiếm

Vấn đề về tính tương thích

Cần làm tương thích với các phiên bản cũ

Khó khăn trong việc đưa ra chức năng mới, dễ dẫn đến sự phức

tạp

Network programming
12
Đ ph c t p (2)ộ ứ ạ

Độ phức tạp thực thi

Yêu cầu về CPU (liên quan đến độ phức tạp hoạt
động và độ phức tạp tính toán)

Yêu cầu bộ nhớ (code, dữ liệu – liên quan đến độ
phức tạp trạng thái)

Yêu cầu về độ lớn của đĩa

Những tài nguyên khác…

Network programming
13
Đ ph c t p đi u khi nộ ứ ạ ề ể

Để chạy hệ thống

Có bao nhiêu tham số phải cấu hình?

Cần bao nhiêu sự phối hợp (ví dụ. giữa các tổ chức)?

Có thể phát hiện được cấu hình sai không và cấu hình như thế
nào?


Xử lý tự động vs. xử lý thủ công

Theo dõi

Những tham số nào? Như thế nào? Chu kỳ bao lâu?

Xứ lý lỗi

Giảm dần vs. ngừng hoàn toàn hoạt động của hệ thống

Làm thế nào để theo dõi và phát hiện lỗi?

Làm thế nào để khôi phục lại hệ thống?

Mất khoảng bao nhiêu lâu?

Network programming
14
Tính kinh tế

Truyền dữ liệu gắn với chi phí

Rate, volume, packets, QoS, …

Độ phức tạp thực thi gắn liền với chi phí

Nhân công để thiết kế, thực thi và kiểm tra hệ thống

Các thiết bị cần thiết


Lợi nhuận gắn liền với độ phức tạp giao thức

Định luật Metcalfe

giá trị của một mạng truyền thông tỷ lệ với bình phương của số
người tham gia

Network programming
15
M t s v n đ v thi t k giao th cộ ố ấ ề ề ế ế ứ

Hoạt động có trạng thái vs. không trạng thái

Số lượng thông tin cần duy trì khi trao đổi thông tin

Khái niệm về “liên kết” hay “kết nối”

Trạng thái này được lưu giữ tại đâu? (Tại một hay cả hai bên trong
trường hợp giao tiếp điểm-điểm)?

Nút cố định vs. nút di động

ảnh hưởng đến định tuyến, khả năng truy cập, …

Truyền tin dựa vào hạ tầng mạng vs. truyền tin kiểu ad-hoc/tự
động

Kiểu hạ tầng này được giả thiết?


Bảo mật trong giao thức vs. bảo mật dựa vào nơi khác

Yêu cầu nào? (e.g., hạ tầng yêu cầu như PKI)

Network programming
16
Đánh giá thi t k giao th c (1)ế ế ứ

Khả năng thích ứng

Khả năng thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau
(thay đổi chất lượng dịch vụ ở mức có thể chấp nhận được)

Ví dụ: sự thích ứng về độ trễ playout và codec với truyền thông đa
phương tiện

Khả năng mở rộng

Có thể làm việc trong các khoảng rộng của các tham số môi
trường

Ví dụ điển hình: Số lương nodes

Tốc độ truyền dữ liệu, tốc độ lỗi, độ dài đường truyền, độ trễ

Số lượng và kích thước dữ liệu

Hiệu quả

Duy trì một mức độ overhead hợp lý


Ví du: tiêu đề giao thức, mã hóa giao thức

Số lượng tương tác giao thức, packets, bits, xử lý

Network programming
17
Đánh giá thi t k giao th c (2)ế ế ứ

Bảo mật

Khả năng triển khai

robustness (chống DoS, điểm lỗi duy nhất, etc.)

Khả năng đưa ra thực tế theo từng bước

Khả năng tương thích

Tương thích với các phiên bản cũ và mới

Khả năng điều khiển và quản lý

Network programming
18
Kh năng m r ngả ở ộ
Một câu đánh giá thiết kế điển :
“Thiết kế này không co dãn (scale) …”

Tại sao?


Câu này nói về điều gì?

Tại sao lại phải như vậy?

Network programming
19
Kh năng m r ng nói chungả ở ộ
Thường dùng (không chỉ) trong truyền tin, là

Khả năng của hệ thống hoạt động với nhiều điều kiện môi
trường khác nhau

ngược lại là chỉ hạn chế với một điều kiện môi trường duy nhất

Đánh giá trên một hay nhiều tham số đầu vào

Khả năng sử dụng với khoảng tham số đầu vào có thể chấp
nhận được

Gần như gắn liền với mức độ( và tính công bằng) sử dụng tài
nguyên

Liên quan đến học thuyết về độ phức tạp

Phân chia mức độ sử dụng tài nguyên dựa trên đầu vào
Các cấp độ phức tạp: O(1), O(n), O(log n), O(nk), O(en)

Network programming
20

Kh năng m r ng nh là m t th c đo ả ở ộ ư ộ ướ
(1)

Network programming
21
Khả năng mở rộng: Phía mạng

Độ dài đường truyền (Số lượng hop, độ trễ, biến thiên độ trễ)

Độ trễ do khoảng cách phụ thuộc tốc độ truyền ánh sáng + độ trễ xử
lý/xếp hàng tài mỗi nút mạng

Trên một host vs. cùng mạng cục bộ vs. cách 30 hops trên mạng
Internet

< 1ms trên đường LAN vs. vài giây qua GPRS hay truyền thông vệ
tinh

vs. vài phút, vài giờ với trạm vũ trụ

Độ trễ không đổi trên mạng cục bộ vs. độ trễ chênh lệch vài giây với
truyền tin vệ tinh

do giao thức truy cập trung gian

Network programming
22
Khả năng mở rộng: Phía mạng (2)

Mức độ mất mát


Độ mất mát 0 trên đường truyền cục bộ vs. Mất mát <
10% trên đường truyền Internet

Mất mát không dự đoán được trên đường truyền
không dây

Mất mát riêng rẽ (tuân theo một phân bố nào đó) vs.
mất mát bùng nổ

Tốc độ đường truyền

Vài trăm bit/s qua đường truyền không dây, tiết kiệm
điện vs. Tbit/s trên đường cáp quang

Network programming
23
Khả năng mở rộng: Phía ứng dụng

Tốc độ cập nhật hay gửi yêu cầu

Đo bởi số hoạt động trong 1 giây vs. 1 giờ vs. 1 ngày

Thời gian giữa 2 cập nhật

Kích cỡ dữ liệu

Kích thước dữ liệu từ vài chục bytes đến10 GB

Số lượng các bên tham gia (người dùng, mạng, hệ

thống)

Bao nhiêu bên thực hiện gửi

Số luợng mỗi bên tham gia

Ví dụ: vấn đề C10K: xử lý 10,000(s) máy khách với một máy
chủ

Network programming
24
Kh năng m r ng: th c thiả ở ộ ự

Vấn đề C10K:

Sự tương tác thường xuyên

Các hoạt động chi phí cao như chấp nhận và đóng kết nối, bảo mật, …

Multiplexing và xử lý xuất nhập dữ liệu

Xử lý đa tiến trình vs. đa luồng vs. đơn luồng

Vấn đề với hiệu quả cuộc gọi hệ thống (e.g., poll (), select ())

Xử lý nhiều sự kiện sẽ tiêu tốn thời gian

Truy cập dữ liệu

Tìm kiếm dữ liệu trong ổ cứng khi truy cập file


Ổ cứng là “nhanh” nếu không truy cập dồn

Ví dụ: video-on-demand streaming

Băng thông bus của hệ thống

Tương tác với các tiến trình khác trên cùng một máy tính

Network programming
25
Kh năng m r ng: th c thi(2)ả ở ộ ự

Cân bằng tải

Sử dụng chuỗi máy chủ để cân bằng tải

Cân bằng tải sử dụng DNS, proxies

Có thể xử lý phân tán để tăng khả năng truy cập

Và giảm độ trễ truyền thông

Vấn đề: cần phải đồng bộ dữ liệu giữa các máy chủ

Khả năng mở rộng với các platform

Thiết bị chạy bằng pin

Hệ thống nhúng nhỏ (TCP stack 4 KB)


TV/car yêu cầu giá thành thấp

Phone/PDA

Desktop hay laptop PC cấu hình mạnh

Máy tính đa CPU tốc độ cao