Đánh giá hiệu năng mạng C2 characteristics

CHƯƠNG 2
CÁC ĐẶC TRƯNG KIẾN TRÚC MẠNG

1


NỘI DUNG
• KỸ THUẬT HOÁN CHUYỂN
(Switching Techniques)

• MẪU LƯU THÔNG
(Traffic Patterns)

• KiẾN TRÚC MẠNG HỮU TUYẾN
(Wired Network Architectures)

• KiẾN TRÚC MẠNG VÔ TUYẾN
(Wireless Network Architectures)

2


KỸ THUẬT HOÁN CHUYỂN (1)
• Hoán chuyển mạch (circuit switching)
–
–
–
–

Dành riêng một liên kết vật lý giữa bên gửi và bên nhận trong suốt thời gian truyền (được thiết lập bởi thông
tin điều khiển - probe)

Ưu điểm: sau khi liên kết được thiết lập, không thông tin nào cần phải thêm vào trong suốt quá trình truyền,
ngoai trừ thông tin giải phóng liên kết
Khuyết, nhược điểm: Lãng phí tài nguyên mạng - Chỉ cho phép một cặp liên lạc
Ở mức phần cứng, thông điệp thường được chia thành các phits (physical units). Một phit biểu diễn đơn vị nhỏ
nhất có thể được truyền trong một chu kỳ đồng hồ (1 – 64 bits)

3


KỸ THUẬT HOÁN CHUYỂN (2)
• Hoán chuyển gói (packet switching)
–

Thông điệp được chia thành các gói, mỗi gói gồm hai trường: header và payload

• Header chứa thông tin đích (có thể chứa thêm một số thông tin: độ
dài gói, thông tin người gửi, thông tin hoán chuyển …)
• Payload chứa dữ liệu truyền

–

Ưu điểm:

• các gói có thể được lưu trữ tại các nút trung gian trên đường đi qua
của gói.
• Liên kết logic mô tả đường đi qua mạng của thông điệp. Lưu trữ
gói cho phép nhiều liên kết logic sử dụng trên cùng liên kết vật lý

–

Có ba kiểu hoán chuyển gói: store-and-forward switching, cut-through switching và wormhole switching

4


KỸ THUẬT HOÁN CHUYỂN (3)
–

Store-and-forward switching:

• các gói được gửi chuyển tiếp (forward) từ node nguồn đến node
đích và được lưu trữ tại mỗi nút trung gian.
• Một node gửi chuyển tiếp gói cho node tiếp theo khi node này sẵn
có (gọi là một hop)

–

Cut-through switching:

• các gói được gửi chuyển tiếp từ node nguồn đến node đích, nhưng
gói chỉ được lưu trữ ở node mà node kế tiếp là không sẵn có (bị kẹt
- blocked).
• Nếu bị kẹt xảy ra, gói được lưu trữ đến tận khi bị kẹt được giải
phóng
– Cut-through switching ảo làm nghẽn gói đến tận khi phit cuối cùng đến buffer (của node).
– Cut-through switching bộ phận, các phits sãn sàng được tiếp chuyển ngay cả khi các phits
chưa đến buffer đầy đủ.

5

KỸ THUẬT HOÁN CHUYỂN (4)
–

Wormhole switching:

• Các gói được chia nhỏ thành các đơn vị logic được gọi là flits (flow
control units). Tất cả các flits cùng khích thước (1-8 bytes) .
• Flit đầu tiên chứa thông tin header và dành trước một liên kết qua
mạng, nó được gửi chuyển tiếp theo kiểu cut-through switching.
• Các flits tiếp theo chứa payload
• Flit sau cùng (flit đuôi) giải phóng liên kết
• Nếu flit header bị kẹt ở một node trung gian, nó được lưu trữ lại ở
node đó và các flit tiếp theo cũng được lưu lại tại node này.
• Chia gói thành các flit cùng kích thước làm giảm chi phí buffer ở các
node trung gian.
• Nếu các flits bị kẹt, gói bị trải ra trên một phần của mạng.

6


MẪU LƯU THÔNG (1)
• Mẫu lưu thông mạng là kết quả của yêu cầu liên lạc giữa
các nodes mạng
• Thời gian thông điệp được truyền và đích của thông
điệp xác định sự lưu thông tại một node
• Chồng các sự lưu thông của tất cả các nodes cho ra
mẫu lưu thông của mạng
• Mẫu lưu thông của mạng được xác định bởi sự phân
phối các thông điệp theo không gian và thời gian

7


MẪU LƯU THÔNG (2)
• Phân phối theo không gian – distribution in space
Phản ánh “độ trù mật” các thông điệp trong các vùng mạng
Mô tả con số biến thiên các nodes đích của một thông điệp

–

Tính đều và điểm nóng (Hot Spot):

• Trường hợp lý tưởng, độ trù mật thông điệp được phân phối đều
trên mạng. Như vậy mẫu lưu thông đảm bảo “tải trọng” đều trên
tất cả các liên kết
• Một liên kết chịu một tải trọng cao gọi là “điểm nóng”

–

Multicast:

• Gửi một thông điệp cho nhiều nodes đích được gọi là multicast
• Multicast bao gồm hai trường hợp đặc biệt: unicast và broadcast
– Unicast: gửi một thông điệp cho một node duy nhất
– Broadcast: gửi một thông điệp cho tất cả các nodes trên mạng

• Multicast có thể được thực hiện bởi
– Nhân bội thông điệp trước khi vạch đường (MRBR)
– Hoặc nhân bội thông điệp trong khi vạch đường (MRWR)

8


MẪU LƯU THÔNG (3)
• Phân phối theo thời gian – distribution in time
Độ trù mật lưu thông biến đổi theo thời gian

–

Initial Transient phase:

• Độ trù mật lưu thông thay đổi trong một khoảng thời gian sau đó trở lại
trạng thái ổn định

–

Các hàm thời gian cơ sở:

• Lưu thông phụ thuộc thời gian có thể được biểu diễn bởi hàm thời gian
• Hàm thời gian biểu diễn một thông điệp được gọi là tín hiệu (trong viễn
thông)
• Tín hiệu bày tỏ dạng đơn giản được gọi là tín hiệu cơ sở
• Lưu thông phụ thuộc thời gian là một sự chồng chéo nhiều tín hiệu
được gửi từ nhiều nguồn
• Dạng của sự chồng chéo mô tả sự phân phối các thông điệp theo thời
gian
• Hai dạng độ trù mật lưu thường gặp là: lưu thông bùng nổ (bursty
traffic) và lưu thông multifractal

9


MẪU LƯU THÔNG (4)

Các tín hiệu cơ sở

10


MẪU LƯU THÔNG (5)
• Lưu thông bùng nổ (burst traffic): một lượng lớn các thông điệp được
truyền trong một thời gian rất ngắn. Lưu thông bùng nổ có thể bị gây
nên bởi truyền file lớn/ CSDL lớn, code chương trình lớn …

11


MẪU LƯU THÔNG (5)
• Lưu thông multifractal:
– Lưu thông self-similar: mẫu lưu thông bất biến đối với tỷ lệ/kích thước

12


MẪU LƯU THÔNG (6)
– Tín hiệu rời rạc x(t) được gọi là self-similar với tham số β (0 < β < 1) nếu với mọi m nguyên
dương

Trong đó Var ký hiệu variance, ρ tự tương quan và

Mô tả trung bình qua m giá trị của tín hiệu gốc
Tham số β chỉ ra tính self-similarity và liên quan đến tham số Hurst

H ≤ 0.5 (β ≥ 1) biểu diễn không có tính tương tự. H càng gần 1, tính selfsimilarity càng cao.
Nếu β không là hằng với mọi m, nhưng là hằng đối với m nhỏ và đối với
một thay đổi nhỏ của m, lưu thông được gọi là multifractal

13


MẪU LƯU THÔNG (7)
–

Phân phối thời gian interarrival

• Trạng thái lưu thông theo thời gian thường được mô tả bởi
phân phối của thời gian trôi qua đến tận khi biến cố xảy ra
• Sự đến ngẫu nhiên của một gói mới, phân phối này được gọi
là phân phối thời gian interarrival của gói mới, thời gian
chờ, thời gian dịch vụ … được mô tả bởi cùng phân phối
• A(t): xác suất biến cố xảy ra trong khoảng [0, t], hàm này
được gọi là hàm phân phối tích lũy (CDF – Cumulative
Distribution Function))
• Đạo hàm của nó:

Là hàm trù mật xác suất (probability density function - pdf)

14

MẪU LƯU THÔNG (8)
• Phân phối mũ (Exponential Distribution)

λ - tốc độ đến trung bình
• Phân phối Erlang-k

k nguyên

15


MẪU LƯU THÔNG (9)
• Phân phối gamma

α >0
Hàm Gamma
• Phân phối siêu mũ (Hyperexponential Distribution)

qi xác suất giai đoạn thứ i,
16


MẪU LƯU THÔNG (10)
• Phân phối Weibull (α > 0)

• Phân phối mô tả xử lý không ngẫu nhiên

• Phân phối Pareto (0< α < 2, t ≥ b)

17


MẪU LƯU THÔNG (11)
• Phân phối đều

• Phân phối chuẩn (phân phối gao-xơ – Gaussian
Distribution)

µ = trung bình, σ 2 = phương sai

18


MẪU LƯU THÔNG (12)
• Phân phối hình học (rời rạc)

t ∈ N, 1-p xác suất « sự đến của gói không xảy ra »
• Phân phối đều (rời rạc) (t ∈ N)

19


MẪU LƯU THÔNG (13)
• Phân phối Poisson (rời rạc), (t ∈ N)

• Một số phân phối rời rạc khác: phân phối Bernouilli, phân
phối nhị thức …

20

KiẾN TRÚC MẠNG HỮU TUYẾN (1)
Kiến trúc mạng được cho bởi hình thái mạng (topology),
kích thước và vị trí buffer …
Kiến trúc mạng phải đáp ứng các đòi hỏi: số lượng và
hình thức lưu thông mạng, số các thành viên liên lạc và
khoảng cách giữa chúng
• Các phân lớp cơ sở
–

Mạng trực tiếp và mạng gián tiếp

• Mạng trực tiếp (mạng tĩnh)
– Một số giới hạn các liên kết điểm-điểm
– Thông điệp được truyền từ node nguồn đến node đích thông qua các
nodes trung gian, không có switches để thay đổi liên kết
– Đặc truong quan trọng nhất là bậc node (số liên kết giữa node với các
nodes lân cận)
21


KiẾN TRÚC MẠNG HỮU TUYẾN (2)
• Mạng gián tiếp (mạng động)
– Gồm nhiều switches để thay đổi (động) các liên kết giữa các nodes
– Không node trung gian nào được dùng trong truyền một thông điệp
– Đặc trưng quan trọng nhất của mạng gián tiếp là số trạm (số switches
và số nối kết)

• Phương pháp một số cặp liên lạc trong một mạng không

giao thoa được gọi là đa hợp. Hai kiểu đa hợp chính: đa hợp
không gian và đa hợp thời gian
– Đa hợp không gian: các cặp nodes khác nhau sử dụng các đường dây
khác nhau, switches giữ vai trò cấp phát đường dây cho các cặp liên
lạc
– Đa hợp thời gian: cho phép mỗi cặp gửi-nhận sử dụng đường dây
trong một khoảng thời gian theo kiểu round robin

22


KiẾN TRÚC MẠNG HỮU TUYẾN (3)
–

Bus

• Node nguồn / node master khởi động liên lạc bằng sự cấp phát
bus, truyền địa chỉ đích và thông điệp qua bus, các nodes lắng nghe
bus, so sánh địa chỉ với địa chỉ của nó. Node với địa chỉ tương hợp
(node slave) đọc thông điệp.
• Chỉ cho phép một người gửi tại một thời điểm. Để khắc phục nhược
điểm này, một số hệ thống sử dụng một số bus để tổ hợp đa hợp
thời gian và đa hợp không gian (cac! Bus nối với một cấu trúc hoán
chuyển)

23


KiẾN TRÚC MẠNG HỮU TUYẾN (4)
–

Lưới (mesh)

Lưới hai chiều

• Các nodes được bố trí tại các điểm giao của lưới
• Ba kiểu lưới: một chiều, hai chiều và ba chiều
• Thông điệp có thể phải chuyển qua một số nodes và một số nối kết
trước khi đến đích.
• Liên kết được đòi hỏi bởi nhiều nối kết cùng sử dụng liên kết gây ra
nghẽn.

24


KiẾN TRÚC MẠNG HỮU TUYẾN (5)
–

Xuyến (torus)

Xuyến hai chiều

• Ưu điểm và trở ngại tương tự như lưới
• Ưu điểm hơn so với lưới là khoảng cách trung bình giữa hai nodes
liên lạc ngắn hơn

25