Giao thức điều khiển tắt nghẽn đa đường tiết kiệm năng lượng (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

PHẠM THỊ MỸ LINH

GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN ĐA ĐƢỜNG
TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG
CHUYÊN NGÀNH :

HỆ THỐNG THÔNG TIN

MÃ SỐ:

60.48.01.04

0

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VÕ THỊ LƢU PHƢƠNG

TP.HỒ CHÍ MINH – 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Thị Lưu Phương

Phản biện 1: ………………………………………………
Phản biện 2: ………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ... giờ .... ngày ..... tháng .... năm ….....
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

MỞ ĐẦU
Internet phát triển từng ngày, việc sử dụng internet cũng tăng mạnh nhưng nguồn tài
nguyên băng thông không được sử dụng một cách có hiệu quả. TCP hầu như không thay đổi
trong 20 năm mặc dù có nhiều sự thay đổi trong hạ tầng mạng Internet, như hầu hết các thiết
bị di động ngày nay được trang bị đa giao diện truy cập 3G, 4G, Wifi… Tuy nhiên việc kết
nối internet hiện nay được điều khiển bởi TCP và TCP truyền thống vẫn sử dụng duy nhất
một đường dẫn để kết nối mạng. Chính vì vậy nó không tận dụng được lợi thế của các thiết
bị đầu cuối này, đồng thời dẫn đến những hạn chế trong việc điều khiển tắc nghẽn và cân
bằng tải. Nếu các nguồn tài nguyên như băng thông có thể được sử dụng đồng thời, trải
nghiệm người dùng có thể được cải thiện rất nhiều. Những cải tiến như vậy cũng sẽ làm
giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng mạng. Bằng cách ứng dụng chia sẻ tài nguyên, những tài
nguyên sẵn có có thể được gộp lại như một nguồn tài nguyên duy nhất dành cho người sử
dụng.
Đã có nhiều giải pháp được đưa ra, trong đó đáng chú ý là giao thức điều khiển tắc
nghẽn đa đường của tổ chức IETF đã và đang phát triển các phần mở rộng đa đường dẫn từ
giao thức TCP, cho phép một cặp đầu cuối sử dụng nhiều đường dẫn để truyền các gói tin
trên một kết nối duy nhất. Giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường hứa hẹn trong việc cung
cấp các kết nối nhanh và đáng tin cậy hơn cho các thiết bị di động bằng cách tận dụng sự đa
dạng kết nối trong môi trường năng động.
Một mối quan tâm lớn của việc sử dụng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường

trong các thiết bị di động đó là yêu cầu năng lượng cao hơn cho việc duy trì hoạt động đa
giao diện. Phần lớn năng lượng của thiết bị điện thoại di động được tiêu thụ trong truyền
tải. Để tối đa hóa thời gian sống của pin, điều quan trọng là phải nhận ra rằng chi phí năng
lượng cho mỗi bit của mỗi đường dẫn là khác nhau. Trong một số thiết bị, Wifi thì tiết kiệm
năng lượng cho phạm vi thông lượng thấp trong khi 3G thì hiệu quả hơn nếu thông lượng
cao. Tuy nhiên, ngay cả khi trên một thiết bị có đa giao diện vật lý mà có thể liên tục thay
đổi kết nối, thì việc lập lịch cho đa đường dẫn là điều không đơn giản. Ngoài ra, khi chi phí
năng lượng là tiêu chí duy nhất để xác định đường dẫn, dữ liệu đi qua đường truyền sẽ bị
suy giảm đáng kể nếu đường dẫn có hiệu quả năng lượng cũng là đường dẫn tắc nghẽn nhất.
Vì vậy, việc thiết kế các giao thức truyền tải có sự cân bằng thông minh giữa hiệu suất sử
dụng băng thông và năng lượng tiêu thụ là điều cấp bách hiện nay.


2
Chính vì những yêu cầu cấp thiết trên, tôi xin chọn đề tài nghiên cứu “Giao thức điều khiển
tắc nghẽn đa đường tiết kiệm năng lượng”
Luận văn gồm 4 chương tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: Chương 1 - Tổng
quan về giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường. Cung cấp cái nhìn tổng quan về lý thuyết
giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường trên các mục tiêu thiết kế của giao thức này, mô
hình kiến trúc chung, cách thức hoạt động cũng như điều khiển tắc nghẽn trên giao thức
điều khiển tắc nghẽn đa đường. Chương 2 - Các giao thức điều khiển tắc nghẽn có tiết kiệm
năng lượng hiện tại. Trong chương này sẽ nêu chi tiết hai thuật toán điều khiển tắc nghẽn có
tiết kiệm năng lượng hiện tại là thuật toán ecMTCP của nhóm tác giả Tuan Anh Le, et al
[4], và các thuật toán điều khiển tắc nghẽn đa đường có nhận thức năng lượng cho thiết bị di
động do nhóm tác giả Qiuyu Peng, et al [5] đề xuất. Chương 3 - đề xuất giao thức điều
khiển tắc nghẽn đa đường có tiết kiệm năng lượng mới. Trong chương này sẽ đề xuất một
nhận thức về năng lượng cho việc điều khiển tắc nghẽn, sao cho chuyển lưu lượng từ các
đường tắc nghẽn sang các con đường trống hơn cũng như từ các đường dẫn có chi phí năng
lượng cao sang đường dẫn có chi phí năng lượng thấp hơn từ đó đạt được cân bằng tải và
tiết kiệm năng lượng. Chương 4 : kết quả mô phỏng.

3

Chƣơng 1 - CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1 Giới thiệu về giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đƣờng
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ khoa học và kỹ thuật, mạng ngày nay
là đa đường, các thiết bị di động có đa giao diện vật lý. Trong khi đó TCP bản chất vẫn là
một giao thức đơn đường. Khi một kết nối TCP được thành lập, kết nối sẽ ràng buộc với địa
chỉ IP của hai máy chủ giao tiếp, nếu một trong những địa chỉ này thay đổi vì bất kì lý do
nào thì kết nối cũng sẽ bị thất bại. Chính vì vậy, kết nối TCP không thể cân bằng tải trên
nhiều hơn một đường trong mạng vì nó hiểu nhầm việc sắp xếp lại như một tắc nghẽn và
làm chậm lại quá trình truyền tải.
Sự không phù hợp giữa mạng đa đường ngày nay và thiết kế TCP đơn đường đã thực
sự tạo ra nhiều vấn đề cũng như sự khó chịu của người dùng khi nguồn tài nguyên luôn có
sẵn nhưng không tận dụng được triệt để.
Giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường là một sửa đổi lớn để TCP cho phép nhiều
đường dẫn được sử dụng đồng thời bởi một kết nối duy nhất. Giao thức điều khiển tắc
nghẽn đa đường ra đời nhằm cải thiện thông lượng và tăng khả năng điều khiển tắc nghẽn so
với TCP thông thường. Nó còn đặc biệt hữu ích trong bối cảnh mạng không dây, mà việc sử
dụng đồng thời nhiều giao diện vật lý như wifi, 3G, 4G đang ngày càng phổ biến hiện nay.
Kiến trúc của giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường là giao thức mở rộng các đặc
điểm từ giao thức TCP, cho phép một kết nối phân chia thành nhiều đường và dữ liệu được
truyền trên các đường đồng thời. Giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường hoạt động giống
như TCP và mở rộng thêm các giao diện lập trình ứng dụng nhằm cung cấp thêm chức năng
điều khiển cho các ứng dụng của giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường [1].
Một kết nối của giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường là tập hợp của nhiều luồng
con mà mỗi luồng con điều khiển một đường và sử dụng cửa sổ điều khiển tắc nghẽn để
điều chỉnh tốc độ trên mỗi đường đó.

1.2 L i ch m c ti u c a giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đƣờng
1.2.1

c
Các dự phòng cung cấp bởi giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường cho phép các

nguồn tài nguyên có thể ghép kênh nghịch, do đó tăng thông lượng TCP để tính tổng của tất
cả các kênh thay vì chỉ sử dụng một liên kết đơn bởi TCP.


4
Giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường đặc biệt hữu ích trong bối cảnh mạng không
dây, ví dụ như sử dụng đồng thời Wifi và một mạng di động. Ngoài việc tăng thông lượng
từ việc ghép kênh nghịch, liên kết có thể tăng hoặc giảm khi người sử dụng di chuyển trong
hoặc ngoài vùng phủ sóng mà không làm giám đoạn các kết nối đầu cuối TCP. Những cải
tiến như thế cũng sẽ làm giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng mạng

1.2.2 Mục t êu
Phần này phác thảo các mục tiêu chính mà giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường
cần phải hướng tới.
Mục tiêu về chức năng
Trong việc hỗ trợ sử dụng truyền dẫn đa đường dẫn, giao thức điều khiển tắc nghẽn
đa đường có hai mục tiêu chức năng như sau:
 Cải thiện thông lượng.
 Cải thiện khả năng phục hồi.
Mục tiêu về sự tương thích
 Tương thích với ứng dụng.
 Tương thích với tầng mạng.
 Tương thích với người dùng các mạng khác.
Mục tiêu

t

1.3 Mô hình phân chia chức năng

Application

Application

TCP

MPTCP

IP

Subflow (TCP)

Subflow (TCP)

IP

IP

Hình 1.1: So sánh mô hình TCP và mô hình c a MP TCP


5

1.4 Hoạt động c a giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đƣờng
1.4.1 Một số khái niệm

Host B

Host A
Address A1

Address A2

Address B1

Address B2

Thiết lập kết nối ban đầu

Thiết lập thêm luồng con

Hình 1.2: Kịch bản sử d ng MP TCP

1.4.2 Khởi tạo một kết nối MPTCP
Host A

Host B

MP_CAPABLE
[A’s key, flags]
MP_CAPABLE
[B’s key, flags]
MP_CAPABLE
[A’s key, B’s key, flags]
Hình 1.3: Quá trình khởi tạo phi n đầu ti n c a kết nối MP TCP

6

1.4.3 Khởi tạo một luồng con mới với kết nố đa đường hiện tại
1.4.4 Truyền dữ liệu trong MP TCP
1.4.4.1 Ánh xạ thứ tự dữ liệu
1.4.4.2 Báo nhận dữ liệu
1.4.4.3 Xem xét bên nhận
1.4.4.4 Xem xét bên gửi
1.4.4.5 Độ tin cậy và truyền lại
1.4.4.6 Điều khiển tắc nghẽn
1.4.4.7 Chính sách luồng con
1.4.5 Quản lý đường dẫn
1.4.5.1 Thông báo địa chỉ
1.4.5.2 Xóa địa chỉ
1.4.6 Đóng một kết nố MP TCP
1.5 Thách thức về năng lƣ ng trong MP TCP
Một mối quan tâm lớn của việc sử dụng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường
trong các thiết bị di động đó là yêu cầu năng lượng cao hơn cho việc duy trì hoạt động đa
giao diện [2]. Phần lớn năng lượng của thiết bị điện thoại di động được tiêu thụ trong truyền
tải. Để tối đa hóa thời gian sống của pin, điều quan trọng là phải nhận ra rằng chi phí năng
lượng cho mỗi bit của mỗi đường dẫn là khác nhau [3]. Tuy nhiên hiện nay có rất ít thuật
toán điều khiển tắc nghẽn có tiết kiệm năng lượng, vì vậy, việc thiết kế các giao thức truyền
tải có sự cân bằng thông minh giữa hiệu suất sử dụng băng thông và năng lượng tiêu thụ là
điều cấp bách hiện nay.

1.6 Kết luận chƣơng 1
Trong chương này đã cung cấp cái nhìn tổng quan về lý thuyết giao thức điều khiển
tắc nghẽn đa đường trên các lợi ích, mục tiêu thiết kế của giao thức này, mô hình kiến trúc
chung, cũng như cách thức hoạt động trên giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường.

7

Chƣơng 2 - CÁC GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN
CÓ TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG HIỆN TẠI
2.1 Vấn đề tắc nghẽn trong mạng
2.1.1 Nguyên nhân gây ra tắt nghẽn
 Tràn bộ đệm: do các bộ đệm có kích thước giới hạn không đủ xử lý các gói tin đến.
 Lỗi do đường truyền: vì một lý do nào đó gây ra mất gói và ảnh hưởng đến tắc nghẽn
mạng.
 Nghẽn cổ chai: tại điểm đấu nối từ các mạng tốc độ thấp vào mạng tốc độ cao. 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 tăng lên

2.1.2 Khái niệm đ ều khiển tắc nghẽn
2.1.3 T êu c

đán g á t uật toán

-

Tính công bằng (Fairness).

-

Tính hội tụ (Convergence).

-

Thời gian đáp ứng nhanh (Small response time).

-

Độ mịn trong điều khiển (Smoothness).

-

Tính phân tán (Distributedness).

-

Tiết kiệm về năng lượng.

2.2 Thuật toán điều khiển tắc nghẽn trong giao thức điều khiển tắc nghẽn đa
đƣờng
2.2.1 Thuật toán MPTCP
Cho một kết nối bao gồm tập các luồng con R, mỗi luồng con có một đường truy cập
Internet khác nhau và có một cửa sổ tắc nghẽn wr . Thuật toán MPTCP đề xuất một cơ chế
kiểm soát cửa sổ tắc nghẽn như sau [5]:
 Với mỗi ACK trên luồng con r, mỗi tập con S
theo công thức:
⁄
∑

⁄

R bao gồm đường r, được tính

8
 Với mỗi lần mất gói trên luồng con r, giảm cửa sổ tắc nghẽn wr bằng một
lượng là wr / 2,
với RTTr là thời gian trọn vòng đo trên luồng con r.

2.2.2 Thuật toán mReno
Thuật toán mReno được thiết kế cũng nhằm thỏa mãn ba yêu cầu là cải thiện thông
lượng, không gây hại, và điều khiển tắc nghẽn. Thuật toán mReno được tính như sau:
Với mỗi luồng con r:
 Đối với mỗi ACK nhận được trên đường dẫn r, tăng kích thước cửa sổ một
lượng

nếu

≤ 1 và ngược lại thì bằng 1.

 Giảm kích thước cửa sổ một lượng

⁄ với mỗi lần mất gói trên đường dẫn

r.
 Tham số

được cập nhật lại sau khoảng thời gian K theo công thức.
(2.2)

2.3 Thuật toán điều khiển tắc nghẽn trong giao thức điều khiển tắc nghẽn đa
đƣờng có tiết kiệm năng lƣ ng
2.3.1 Các công việc liên quan

2.3.2 Hiệu quả năng lư ng của giao thức đ ều khiển tắc nghẽn đa đường cho thiết
bị d động
Mục đích thiết kế thuật toán là có sự chuyển đổi thông minh giữa hiệu suất thông
lượng và năng lượng tiêu thụ trong thiết bị di động. Trong Peng et al. [9] xem xét các ứng
dụng cần truyền tải dữ liệu lớn như ứng dụng truyền tải tập tin có kích thước dữ liệu cố định
(chẳng hạn như tập tin tải về) và các ứng dụng thời gian thực có thời gian cố định (chẳng
hạn như video streaming). Bởi vì có sự yêu cầu khác biệt giữa ứng dụng thời gian thực và
truyền tải tập tin nên Peng et al. [9] đã thiết kế thuật toán riêng cho hai loại ứng dụng này.
Thông qua mô phỏng, nhóm tác giả đã cho thấy thuật toán được đề xuất không những
đáp ứng các mục tiêu của giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường mà còn giảm tiêu thụ
năng lượng lên đến 22% .


9

2.3.3 Thuật toán ecMTCP
Tuan Anh Le et al. [11] phát triển một thuật toán điều khiển tắc nghẽn nhận thức năng
lượng cho TCP đa đường, gọi là ecMTCP. Thuật toán chuyển lưu lượng từ các đường dẫn
tắc nghẽn sang những đường dẫn ít tắc nghẽn hơn, cũng như từ các đường dẫn có chi phí
năng lượng cao hơn sang các đường dẫn có chi phí năng lượng thấp hơn. Năng lượng hiệu
quả được minh chứng thông qua mô phỏng bằng cách so sánh mức tiêu thụ năng lượng với
MPTCP. Các mô phỏng cho thấy ecMTCP có thể hỗ trợ tốt việc tiết kiệm năng lượng khi sử
dụng mô hình đo lường chi phí năng lượng giữa hai điểm đầu cuối và thuật toán điều khiển
tắc nghẽn đa đường có nhận thức năng lượng

2.4 Kết luận chƣơng 2
Trong chương này đã nêu ra một số nghiên cứu về giao thức điều khiển tắc nghẽn đa
đường có tiết kiệm năng lượng đồng thời mô tả chi tiết hai thuật toán điều khiển tắc nghẽn
có tiết kiệm năng lượng nổi trội là thuật toán ecMTCP của nhóm tác giả Tuan Anh Le, et al
[11], và các thuật toán điều khiển tắc nghẽn đa đường có nhận thức năng lượng cho thiết bị

di động do nhóm tác giả Qiuyu Peng, et al [9] đề xuất

Chƣơng 3 - ĐỀ XUẤT GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN
TẮC NGHẼN ĐA ĐƢỜNG TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG
Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ phát triển hai thuật toán điều khiển tắc nghẽn có
tiết kiệm năng lượng cho giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường, gọi là emReno 1 và
emReno 2, mà vẫn đáp ứng các mục tiêu cải thiện thông lượng, công bằng cho TCP đơn
đường và đa đường, cân bằng tải

3.1 Mô hình năng lƣ ng
3.2 Mô hình thiết kế
Trong phần này, chúng tôi mô tả mô hình mạng trên nền của mReno và mô hình tiêu
thụ năng lượng cho thiết bị di động đã nêu trong phần 3.1. Chúng tôi đề xuất thuật toán đáp
ứng các yêu cầu của giao thức điều kiển tắc nghẽn đa đường mà tổ chức IETF [1] đã đề ra
đó là: cải thiện thông lượng đường dẫn, công bằng cho cả TCP đơn đường và TCP đa
đường, cân bằng tải, đồng thời quan tâm đến vấn đề năng lượng tiêu thụ. Bởi vì thuật toán
phát triển trên nền của thuật toán mReno nên thỏa yêu cầu cân bằng tải, công bằng, đáp ứng
mục tiêu hiệu suất, do đó chúng tôi sẽ chú trọng vào yêu cầu hiệu quả năng lượng với mục


10
đích di chuyển lưu lượng từ đường dẫn có chi phí năng lượng cao sang đường dẫn có chi phí
năng lượng thấp hơn mà không ảnh hưởng thông lượng.
Giả sử mỗi luồng trong mạng di động truyền hoặc nhận dữ liệu trên một tập đường dẫn
cố định. Trong giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường, mỗi luồng con r ứng với cửa sổ tắc
nghẽn wr kết hợp với các cửa sổ tắc nghẽn của luồng con khác trên cùng một nguồn. Gọi xr
và xs lần lượt là tốc độ của luồng con r

s và tốc độ của luồng s.

3.3 Giao thức emReno 1
Trong phần này, chúng tôi sẽ phát triển một giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường
hiệu quả năng lượng dựa trên nền thuật toán mReno. Chúng tôi sẽ cố định phần giảm và sửa
đổi phần tăng, giảm phần tăng cửa sổ tắc nghẽn đối với đường dẫn tiêu thụ năng lượng cao
hơn và ngược lại tăng phần tăng đối với đường dẫn tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Đối với
yêu cầu năng lượng hiệu quả, chúng tôi đề xuất một cơ chế điều khiển nhận thức năng
lượng, việc tăng cửa sổ tắc nghẽn tỉ lệ nghịch với chi phí năng lượng trên mỗi đường, nghĩa
là đường dẫn với chi phí năng lượng cao sẽ ít tích cực hơn trong việc tăng cửa sổ tắc nghẽn.
Để điều khiển phần tăng như đã mô tả ở trên, ta nhân phần tăng với một lượng link_energy
lấy cảm hứng từ cách tính trung bình điều hòa
∑
với

là tổng số subflow trên luồng s.
Ví dụ, nếu e1 > e2 thì

< 1 và

> 1, nghĩa là giảm phần

tăng của đường dẫn 1 bằng cách nhân thông số này với phần tăng của đường dẫn 1 và tăng
phần tăng của đường dẫn 2.
Do đó, cửa sổ tắc nghẽn giao thức 1 sẽ được cập nhật lại như sau:
 Với mỗi ACK nhận được, tăng cửa sổ tắc nghẽn một lượng
(3.4)
 Với mỗi lần mất gói, giảm cửa sổ tắc nghẽn xuống một nửa
(3.5)

3.4 Giao thức emReno 2
Tương tự như emReno 1, giao thức emReno 2 cũng sử dụng thuật toán mReno làm

nền. Chúng tôi cũng cố định phần giảm và sửa đổi phần tăng. Tuy nhiên khác với giao thức


11
1 đề xuất một cơ chế kiểm soát nhận thức năng lượng bằng cách nhân phần tăng với một
lượng link_energy, trong phần này ta sẽ đề xuất một cơ chế nhận thức năng lượng khác
bằng cách cập nhật lại tham số

với

trên mỗi luồng con. Theo [6]

là RTT của đường dẫn r trên luồng s và

là RTT tối thiểu trên tất cả các luồng

con. Ta có hàm chức năng của TCP đơn đường là ⁄
sổ tắc nghẽn

được tính theo công thức

có thể ảnh hưởng đến trọng số cửa

. Do đó, một RTT nhỏ hơn cũng cho thấy sự ưu tiên cao hơn trong việc nhận

băng thông, tức là RTT càng cao thì tốc độ càng giảm trên đường r. Tham số năng lượng
được xem là năng lượng tiêu hao trên đường dẫn r,

là năng lượng tiêu hao nhỏ nhất

trên tập luồng con. Lấy ý tưởng tương tự như RTT, nếu năng lượng tiêu thụ trên đường r
càng lớn thì tốc độ băng thông càng nhỏ và ngược lại. Vì vậy, tham số

được cập nhật lại

như bên dưới:

Do đó, cửa sổ tắc nghẽn của giao thức emReno 2 sẽ được cập nhật lại như sau:
 Với mỗi ACK trên source

, tăng cửa sổ tắc nghẽn một lượng
(3.6)

 Với mỗi lần mất gói trên source

, giảm cửa sổ tắc nghẽn xuống một nửa
(3.7)

3.5 Kết luận chƣơng 3
Trong chương này, chúng tôi đã đề xuất hai giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường
tiết kiệm năng lượng được nâng cấp từ thuật toán mReno gọi là emReno 1 và emReno 2.
Lưu lượng có thể di chuyển từ con đường có chi phí năng lượng cao hơn sang con đường có
chi phí năng lượng thấp hơn mà không ảnh hưởng thông lượng, đồng thời vẫn đảm bảo sự
công bằng và cân bằng tải.


12

Chƣơng 4 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
4.1 Giới thiệu phần mềm NS-2

4.2 Thực hiện mô phỏng
Trong phần này chúng tôi sẽ mô tả các thông số cài đặt cho các mô phỏng và các tác
động đến hiệu suất của các giao thức đã đề xuất. Ta đánh giá bốn mục tiêu thiết kế của các
giao thức là cải thiện thông lượng, cân bằng tải, TCP thân thiện và năng lượng hiệu quả.
Chúng tôi sử dụng NS-2 với các tùy chọn SACK để chạy mô phỏng. Kích thước gói dữ liệu
là 1000bytes. Thời gian thực nghiệm 1000 giây. Để tránh tình trạng đánh võng, chúng tôi
= 0.1. Chi phí năng lượng là hằng số cho trước và không thay đổi trong suốt quá

chọn

trình chạy thực nghiệm.

4.2.1 T ông lư ng
Bảng 4.1: Tốc độ trung bình (kbps) c a các luồng con

MPTCP

ecMTCP

mReno

emReno-case1

emReno-case2

MP1

1.35

1.30

1.91

3.14

3.11

MP2

1.47

0.37

0.44

1.42

1.70

MP

3.96

3.91

4.55

5.19

6.01

SP1

4.59

4.61

4.54

4.39

4.37

SP2

3.77

3.78

3.734

3.83

3.78

Thông lượng của tất cả các subflow và flow được thể hiện trong Bảng 4.1. Tốc độ
trung bình của subflow ở giao thức 1 là MP1, MP2 = (3.14, 1.42) Mbps, giao thức 2 là MP1,
MP2 = (3.11, 1.7) Mbps, tổng tốc độ trung bình MP ở giao thức 1 và giao thức 2 lần lượt là
5.19 và 6.01, TCP đơn đường trên mỗi link của giao thức 1 là (SP1, SP2) = (4.39, 3.83)
Mbps và giao thức 2 là (SP1, SP2) = (4.37, 3.78) Mbps. Theo kết quả trên, giao thức 1 và

giao thức 2 đều hỗ trợ việc sử dụng đồng thời giữa TCP đơn đường và TCP đa đường, thông
lượng của luồng multipath cao hơn các luồng TCP đơn đường nhưng vẫn đáp ứng việc mỗi


13
luồng con trên mỗi link không vượt quá tốc độ của luồng đơn đường. Do đó, hai giao thức
đề xuất thỏa mãn mục tiêu cải thiện thông lượng truyền dẫn.

4.2.2 Cân bằng tải

(a)

(b)

Hình 4.1: Cân bằng tải khi thay đổi tỉ lệ mất gói tr n hai giao thức

4.2.3 Đán võng và công bằng
Trong Hình 4.3 và Hình 4.4, khi ε = 0, mặc dù hai đường chia sẻ liên kết công bằng
và khá ổn định, tuy nhiên hiện tượng đánh võng xảy ra, thông lượng tăng nhanh chóng trong
thời gian đầu trên đường dẫn 1 sau đó giảm tốc độ và thay đổi sang đường 2, sự biến động
là ngẫu nhiên và không kỳ hạn. Khi cài đặt thông số ε lớn hơn 0 thì hiện tượng đánh võng
giảm đáng kể, tuy nhiên việc tăng thông số ε để giảm đánh võng đồng nghĩa với việc đánh
đổi sự công bằng. Đặc biệt khi ε = 1 tốc độ của đường dẫn 1 là gấp đôi tốc độ đường dẫn 2.
Trong thí nghiệm này, chúng tôi chọn ε = 0.01 bởi vì nó có tính ổn định với sự cân bằng khi
gần về 1.


14

Hình 4.2: Tình trạng đánh võng khi thay đổi ε

Hình 4.3: Tình trạng đánh võng khi thay đổi

trên emReno 1

ε trên emReno 2

4.2.4 Hiệu quả năng lư ng
Trong phần này, chúng tôi xem xét mức độ tiêu thụ điện năng bằng cách so sánh
mức tiêu thụ năng lượng của các giao thức đã đề xuất với thuật toán mReno khi truyền tải
tập tin kích thước 1GB. Chúng tôi sử dụng mô hình hai đường multipath như mô tả trong
Hình 4.1(b). Môi trường thiết lập cho các mô phỏng khác nhau được mô tả trong Bảng 4.2,
biểu diễn sự thay đổi các điều kiện mạng.
Trong Hình 4.5 và Hình 4.6 cho thấy sự thay đổi chi phí năng lượng to lớn của hai
giao thức khi các điều kiện mạng thay đổi cũng như khi thay đổi năng lượng tiêu thụ trên
mỗi đường, đặc biệt điện năng tiết kiệm càng nhiều khi sự cách biệt càng lớn về chi phí
năng lượng giữa hai đường. Ta thấy năng lượng được tiết kiệm hơn khi nhiều thông lượng
có thể di chuyển qua đường dẫn có chi phí năng lượng thấp hơn, đường dẫn 1 (các điều kiện
mạng thay đổi như dung lượng liên kết tại nút cổ chai lớn hơn, RTT ngắn hơn, hoặc tốc độ
mất gói thấp hơn…). Do đó, năng lượng hiệu quả ngoài việc phụ thuộc vào con đường có


15
chi phí năng lượng thấp, nó còn bị ảnh hưởng lớn bởi tỷ lệ mất gói, RTT, tắc nghẽn mạng,
dung lượng liên kết…

Hình 4.4: Tiết kiệm năng lƣ ng tr n giao thức emReno 1

Hình 4.5: Tiết kiệm năng lƣ ng tr n giao thức emReno 2

16

Hình 4.6: So sánh tiết kiệm năng lƣ ng giữa giao thức emReno 1 và emReno 2

Hình 4.7 so sánh khả năng tiết kiệm năng lượng của giao thức emReno 1 và giao
thức emReno 2. Theo Hình 4.7 ta nhận thấy, khi năng lượng giữa hai đường e1:e2 càng cách
biệt thì khả năng tiết kiệm năng lượng trên hai giao thức càng cao. Đồng thời thông qua các
mô phỏng khác nhau, cho chúng ta thấy ngoài năng lượng tiêu thụ trên các đường dẫn, thì
điều kiện mạng cũng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả năng lượng.
Ví dụ trong mô phỏng EQ, băng thông và độ trễ truyền trên hai liên kết link 1 và link
2 bằng nhau và bằng 5Mbps 60ms, xác suất mất gói trên đường multipath 2 bằng xác xuất
mất gói trên đường multipath 1 và bằng 0.01%, nhưng năng lượng trên đường 2 cao hơn
năng lượng trên đường 1 tương ứng trong mô phỏng theo tỉ lệ tăng dần e1:e2=3/4,
e1:e2=1/2, e1:e2=1/6, e1:e2=1/10. Theo Hình 4.5 ta thấy giao thức 1 tiết kiệm năng lượng
hiệu quả hơn nhiều so với giao thức 2. Tuy nhiên khi thay đổi một trong các điều kiện
mạng, như thay đổi băng thông, xác suất mất gói, độ trễ truyền hoặc kết hợp bất kì các yếu
tố này lại với nhau thì hiệu quả năng lượng cũng thay đổi. Cụ thể như trong mô phỏng CG
các thông số như xác suất mất gói, độ trễ truyền trên hai đường multipath là như nhau, chỉ
thay đổi điều kiện mạng là băng thông ở link 1 bằng 10Mbps và băng thông ở link 2 là
5Mbps, trong mô phỏng PG thì thay đổi xác suất mất gói p1:p2 = 2, và trong mô phỏng HE
kết hợp thay đổi hai yếu tố là xác suất mất gói và độ trễ truyền. Năng lượng trên hai đường
trong mỗi mô phỏng đều giữ theo tỉ lệ tăng dần e1:e2=3/4, e1:e2=1/2, e1:e2=1/6,


17
e1:e2=1/10. Dựa vào Hình 4.7 ta dễ dàng nhận thấy, khi thay đổi một trong các điều kiện
mạng như mô tả bên trên và sự chênh lệch năng lượng giữa hai đường là không đáng kể, thì
khả năng tiết kiệm năng lượng của giao thức 2 hiệu quả hơn giao thức 1. Tuy nhiên, khi
năng lượng giữa hai đường càng có sự cách biệt như e1:e2=1/6, e1:e2=1/10 thì giao thức 1

lại hiệu quả hơn giao thức 2 trong việc tiết kiệm năng lượng.

4.3 Kết luận chƣơng 4
Trong chương này, chúng tôi đã thực hiện các mô phỏng để chứng minh các tính chất
của giao thức emReno 1 và giao thức emReno 2, cũng như so sánh các mục tiêu của hai giao
thức với các thuật toán sẵn có như MPTCP, ecMTCP, mReno.
Kết quả thông qua các mô phỏng đã chứng minh được rằng các giao thức đề xuất có
thể tiêu thụ năng lượng ít hơn so với các giao thức khác trong khi vẫn đáp ứng được ba yêu
cầu của giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường thông thường.
Chương này cũng cung cấp một so sánh về năng lượng tiêu thụ giữa giao thức 1 và
giao thức 2. Dưới các điều kiện mạng như nhau giữa hai đường thì giao thức 1 tiết kiệm
năng lượng hơn so với giao thức 2. Tuy nhiên khi thay đổi một trong các điều kiện mạng, và
năng lượng giữa hai đường có sự chênh lệch không đáng kể thì giao thức 2 tiết kiệm năng
lượng hiệu quả hơn giao thức 1.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, khoa học và kỹ thuật hiện nay,
các nhu cầu về thông tin liên lạc ngày càng mở rộng. Nó đi đôi với nhu cầu đòi hỏi cao về
chất lượng dịch vụ. Đối với nhà khai thác mạng nâng cao chất lượng dịch vụ đồng nghĩa với
khả năng tăng khả năng cạnh tranh. Điều đó được ví như một điều tất yếu mà một nhà khai
thác phải làm tốt để tồn tại.
Cùng với sự ra đời của nhiều giao diện truy cập vật lý, điều đó càng thúc đẩy việc
nghiên cứu những giao thức, công nghệ mới nhằm mang lại một hạ tầng mạng cải thiện về
băng thông cũng như điều tiết được hiện tượng nghẽn mạng. Giao thức điều khiển tắc nghẽn
đa đường hứa hẹn trong việc cung cấp các kết nối nhanh và đáng tin cậy hơn cho các thiết bị di
động bằng cách tận dụng sự đa dạng kết nối trong môi trường năng động.
Có nhiều thuật toán được đề xuất dựa trên giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường, tuy
nhiên vấn đề năng lượng vẫn còn chưa được quan tâm đúng mức. Vì vậy, việc thiết kế các giao

18
thức truyền tải có sự cân bằng thông minh giữa hiệu suất sử dụng băng thông và năng lượng
tiêu thụ là điều cấp bách hiện nay.
Trong khuôn khổ của một luận văn thạc sĩ, tôi đã giải quyết được mục tiêu là đề xuất
hai giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường có tiết kiệm năng lượng. Các kết quả qua mô
phỏng cho thấy hai thuật toán đề xuất có thể tiêu thụ năng lượng ít hơn so với các giao thức
khác trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu của giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường
thông thường là cải thiện thông lượng, công bằng cho TCP đơn đường và đa đường, cân
bằng tải.
Định hƣớng nghi n cứu và phát triển tiếp theo
Trong thời gian tới, tôi sẽ tìm hiểu sâu thêm về cách thức hoạt động , các giải pháp
để làm giảm năng lượng tiêu thụ trên các đường hơn nữa.