Nghiên cứu phương pháp đánh giá và cải thiện hiệu năng giao thức TCP cho mạng máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI
KHOA CÔNG NGHỆ
--------NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

NGHIÊN CỨU
PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ CẢI THIỆN HIỆU NĂNG
GIAO THỨC TCP CHO MẠNG MÁY TÍNH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ TOÁN HỌC

HÀ NỘI – 2003


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG .............................. Error! Bookmark not defined.
1.1 Sự phát triển của mạng Internet ............................ Error! Bookmark not defined.
1.2 Kiến trúc mạng Internet ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Mô hình tham chiếu ISO OSI..................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Mô hình tham chiếu TCP/IP ...................................... Error! Bookmark not defined.

1.3 Điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn ..... Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Cơ bản về điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽnError! Bookmark not defined.
1.3.1.1 Khái niệm............................................................ Error! Bookmark not defined.
1.3.1.2 Điều khiển lưu lượng theo cơ chế cửa sổ trượt ... Error! Bookmark not defined.
1.3.1.3 Điều khiển tắc nghẽn .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP ................ Error! Bookmark not defined.
1.3.2.1 Giao thức TCP ban đầu....................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2.2 Nguyên lý “Bảo toàn các gói số liệu” và các nguyên nhân vi phạmError! Bookmark
not defined.
1.3.2.3 Khởi động chậm.................................................. Error! Bookmark not defined.

1.3.2.4 Tính thời gian khứ hồi một cách thông minh...... Error! Bookmark not defined.
1.3.2.5 Tránh tắc nghẽn .................................................. Error! Bookmark not defined.

1.4 Kết nối mạng không dây với Internet và các vấn đề nảy sinhError!
defined.

Bookmark

not

1.4.1 Các mạng truyền thông không dây số hiện đại .......... Error! Bookmark not defined.
1.4.2 Các vấn đề nảy sinh khi kết nối với Internet .............. Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNGError! Bookmark
not defined.
2.1 Giới thiệu .............................................................. Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Tầm quan trọng của việc đánh giá hiệu năng mạng máy tínhError!
Bookmark
defined.
2.1.2 Các độ đo hiệu năng mạng ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng .............. Error! Bookmark not defined.

not

2.2 Mô hình Giải tích .................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Quá trình Poisson và các tính chất của nó .................. Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Hàng đợi M/M/1 và một số kết quả ........................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2.1 Xác suất trạng thái cân bằng của hàng đợi M/M/1Error! Bookmark not defined.
2.2.2.2 Đặc trưng thông lượng của hàng đợi M/M/1 hữu hạnError! Bookmark not defined.
2.2.2.3 Kích thước trung bình của hàng đợi M/M/1 hữu hạnError! Bookmark not defined.

2.2.2.4 Công thức Little L=W và áp dụng để tính thời gian trễ trung bìnhError! Bookmark
not defined.

2.3 Mô phỏng mạng bằng chương trình máy tính ....... Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Ý tưởng xây dựng bộ mô phỏng mạng....................... Error! Bookmark not defined.
2.3.2 Bộ mô phỏng mạng NS (Network Simulator) ............ Error! Bookmark not defined.
2.3.2.1 Giới thiệu ............................................................ Error! Bookmark not defined.
2.3.2.2 Cấu trúc phần mềm của NS ................................ Error! Bookmark not defined.
2.3.2.3 Lập trình mô phỏng bằng NS.............................. Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG BẰNG MÔ HÌNH HÀNG ĐỢIError!
Bookmark not defined.
3.1 Mô hình mạch ảo................................................... Error! Bookmark not defined.


3.2 Hiệu năng của các cơ chế kiểm soát lỗi ................ Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Kiểm soát lỗi đầu cuối - đầu cuối (end-to-end) .......... Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Kiểm soát lỗi theo chặng (link-by-link) ..................... Error! Bookmark not defined.
3.2.3 So sánh cơ chế kiểm soát lỗi đầu cuối - đầu cuối và theo chặngError! Bookmark
defined.
3.2.3.1 So sánh các cơ chế theo chặng và đầu cuối - đầu cuối ở mạng tốc độ thấp Error!
Bookmark not defined.
3.2.3.2 So sánh các cơ chế theo chặng và đầu cuối - đầu cuối ở mạng tốc độ cao . Error!
Bookmark not defined.

3.3 Hiệu năng của cơ chế điều khiển lưu lượng bằng cửa sổ trượtError!
defined.

Bookmark

not

not

3.3.1 Mô hình cửa sổ trượt với sự biên nhận từng gói số liệuError! Bookmark not defined.
3.3.1.1 Trường hợp tải rất nặng ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1.2 Trường hợp tải xấp xỉ bằng khả năng vận chuyển của đường truyềnError! Bookmark
not defined.
3.3.2 Mô hình cửa sổ trượt với sự biên nhận ở cuối cửa sổ Error! Bookmark not defined.
3.3.2.1 Trường hợp tải rất nặng ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.2.2 Trường hợp tải xấp xỉ bằng khả năng vận chuyển của đường truyềnError! Bookmark
not defined.

CHƯƠNG 4 CẢI TIẾN CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TCPError!
Bookmark
not defined.
4.1 Các cải tiến đối với giao thức TCP cho mạng có dâyError! Bookmark not defined.
4.1.1 Tahoe TCP ................................................................. Error! Bookmark not defined.
4.1.2 Reno TCP ................................................................... Error! Bookmark not defined.
4.1.3 New-Reno TCP .......................................................... Error! Bookmark not defined.
4.1.4 SACK TCP ................................................................. Error! Bookmark not defined.
4.1.5 So sánh hiệu năng của Tahoe, Reno, New-Reno và SACK TCPError! Bookmark
defined.

not

4.2 Đặc tính lỗi của đường truyền không dây ............. Error! Bookmark not defined.
4.3 Ảnh hưởng của lỗi đường truyền không dây lên hiệu năng của TCPError! Bookmark
not defined.
4.4 Các cơ chế cải thiện hiệu năng TCP trong mạng có đường truyền không dâyError!

Bookmark not defined.
4.4.1 Che giấu phần mạng hay làm mất gói số liệu do lỗi đường truyềnError! Bookmark not
defined.
4.4.1.1 Các giải pháp ở tầng Liên kết dữ liệu ................. Error! Bookmark not defined.
4.4.1.2 Các giải pháp ở tầng giao vận ............................. Error! Bookmark not defined.
4.4.2 Thông báo rõ ràng về nguyên nhân mất gói số liệu (ELN và ECN)Error! Bookmark not
defined.

CHƯƠNG 5 PHÁT LẠI CỤC BỘ THÔNG MINH VÀ SNOOP TCPError!
Bookmark
not defined.
5.1 Phát lại cục bộ thông minh .................................... Error! Bookmark not defined.
5.1.1 Thuật toán tính thời gian hết giờ để phát lại cục bộ ... Error! Bookmark not defined.
5.1.2 Đồng hồ phát lại (Retransmission Timer) .................. Error! Bookmark not defined.

5.2 Mô hình lỗi (Error Model) của đường truyền không dâyError! Bookmark not defined.
5.2.1 Mô hình lỗi đồng đều (Uniform Error Model) ........... Error! Bookmark not defined.
5.2.2 Mô hình lỗi Markov hai trạng thái (Two-state Markov Error Model)Error! Bookmark not
defined.
5.2.3 Mô hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến................. Error! Bookmark not defined.


5.3 Snoop TCP ............................................................ Error! Bookmark not defined.
5.3.1 Snoop data .................................................................. Error! Bookmark not defined.
5.3.2 Snoop ACKs .............................................................. Error! Bookmark not defined.
5.3.3 Phát lại cục bộ thông minh trong Snoop TCP ............ Error! Bookmark not defined.
5.3.3.1 Chọn giá trị cho hệ số làm trơn của bộ lọc tính srttError! Bookmark not defined.
5.3.3.2 Chọn đơn vị thời gian đồng hồ phát lại (snoopTick) và cận dưới của rto .. Error!
Bookmark not defined.
5.3.3.3 Đặt giá trị cận trên cho rto bằng cách giới hạn số lần rút lui (backoff) ...... Error!

Bookmark not defined.

5.4 Lập mô hình mạng mô phỏng để đánh giá hiệu năng của Snoop TCPError! Bookmark
not defined.
5.4.1 Thiết lập cấu hình mạng mô phỏng ............................ Error! Bookmark not defined.
5.4.2 Thiết lập giá trị các tham số của mô hình lỗi được cài đặt trong NS-2Error! Bookmark not
defined.

5.5 Đánh giá hiệu năng của snoop TCP bằng mô phỏngError! Bookmark not defined.
5.5.1 Xác định thời gian mô phỏng cần thiết ...................... Error! Bookmark not defined.
5.5.2 Đánh giá hiệu năng của Snoop TCP với các mức độ lỗi đường truyền khác nhauError!
Bookmark not defined.
5.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng hồ phát lại lên hiệu năng của Snoop TCP ..... Error!
Bookmark not defined.

5.6 So sánh hiệu quả của snoop TCP với một số phương pháp khácError! Bookmark not
defined.
KẾT LUẬN ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........ Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢError! Bookmark not defined.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 10
BẢNG CHÚ GIẢI (Index) ................................................ Error! Bookmark not defined.


MỞ ĐẦU
Mạng Internet đã phát triển bùng nổ trong hơn 20 năm qua; hiện nay, Internet đã mở
rộng thành một liên mạng trên phạm vi toàn cầu và được coi là cơ sở hạ tầng cho truyền
thông của xã hội loài người. 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
Internet. Giao thức TCP sử dụng cơ chế điều khiển lưu lượng, tắc nghẽn và lỗi từ hai đầu

của kết nối để vận chuyển thông tin trên Internet một cách hiệu quả và tin cậy. Trong suốt
nhiều năm được sử dụng rộng rãi, các khiếm khuyết thể hiện ra đã được phát hiện và
khắc phục. Chính vì thế, TCP hoạt động rất tốt trong các mạng kiểu truyền thống: sử
dụng các đường truyền có dây với tỉ suất lỗi bit thấp, tin cậy và các máy tính nối mạng cố
định. Trong các mạng như vậy, TCP coi việc mất gói số liệu là tín hiệu báo tắc nghẽn đã
xảy ra và sẽ phản ứng một cách tích cực để tránh hiện tượng này, bằng cách giảm lưu
lượng đưa vào mạng.
Thực tế đòi hỏi phải mở rộng Internet, kết nối các mạng khác nhau vào Internet và sử
dụng nhiều loại môi trường truyền với các đặc tính rất khác nhau về lỗi truyền, độ trễ lan
truyền, tính cân xứng về dải thông của các đường truyền v.v. Thí dụ, kết nối các mạng
không dây với các trạm làm việc có thể di động vào Internet. Đường truyền không dây có
đặc trưng là tỉ suất lỗi bit cao, thất thường, đồng thời thỉnh thoảng bị đứt đoạn do sự
chuyển cuộc gọi khi các máy tính di động. Giao thức TCP phản ứng với sự mất gói tin do
chất lượng đường truyền xấu giống như phản ứng với hiện tượng tắc nghẽn, đó là giảm
lưu lượng đưa vào mạng; phản ứng như vậy rõ ràng là không thích hợp, làm cho hiệu
năng của TCP bị giảm rất trầm trọng.
Để cải thiện hiệu năng của TCP, người ta đã đề xuất và áp dụng nhiều phương pháp
khác nhau; tuy nhiên, có thể chia chúng làm hai loại.
Loại giải pháp thứ nhất: thực hiện che giấu sự mất gói số liệu không phải do tắc nghẽn,
làm cho các đường truyền chất lượng kém thể hiện ra trước bên gửi như các đường truyền
có chất lượng cao hơn, nhưng có dải thông nhỏ hơn. Theo các phương pháp thuộc loại
này, nói chung, bên gửi của kết nối TCP chỉ phát hiện được sự mất gói số liệu gây ra do


tắc nghẽn, do đó không cần phải sửa đổi các giao thức đã được cài đặt tại bên gửi. Một số
trong các công trình nghiên cứu đầu tiên theo hướng này là [5], [16], [47], [48].
Loại giải pháp thứ hai: thực hiện cải tiến giao thức TCP bằng một số cơ chế, làm cho
bên gửi của kết nối TCP có khả năng phân biệt được nguyên nhân gây ra mất gói số liệu,
nhờ đó tránh được sai lầm dẫn đến làm giảm hiệu năng TCP rất trầm trọng, đó là thực
hiện thuật toán tránh tắc nghẽn khi không xảy ra tắc nghẽn. Các phương pháp thuộc loại

này đều đòi hỏi phải sửa đổi giao thức TCP trên các máy tính kết nối Internet, kể cả các
thiết bị định tuyến (router). Một số trong các công trình nghiên cứu đầu tiên theo hướng
này là [9], [35], [36].
Luận án đi sâu nghiên cứu loại giải pháp thứ nhất, không đòi hỏi phải thay đổi giao
thức TCP trên mạng Internet truyền thống.
Theo phương pháp I-TCP [5], [47], kết nối TCP được chia làm hai kết nối tại trạm cơ
sở, là cửa ngõ nối mạng Internet với mạng không dây; một kết nối đi qua chặng không
dây; kết nối kia đi qua phần mạng có dây. Phương pháp I-TCP cải thiện được hiệu năng
TCP, ưu điểm chính của nó là tính đơn giản; tuy nhiên nó có nhược điểm rất lớn là mâu
thuẫn với các cơ chế điều khiển kiểu đầu cuối - đầu cuối của TCP, do đó có thể làm mất
hoặc giảm tác dụng của các cơ chế này.
Phương pháp được đề xuất trong [48] là phát lại nhanh trong trường hợp kết nối bị
gián đoạn do sự chuyển cuộc gọi, nó cải thiện đáng kể hiệu năng của TCP; tuy nhiên,
phương pháp này có nhược điểm lớn là đòi hỏi phải sửa đổi giao thức liên mạng mobile
IP, làm cho nó có khả năng phát tín hiệu báo sự kết thúc việc chuyển cuộc gọi; ngoài ra
giao thức TCP trên các máy tính đầu cuối cũng phải sửa đổi.
Chúng tôi chọn phương pháp snoop TCP được đề xuất trong [16] (1995), thuộc loại
giải pháp thứ nhất, nhằm cải thiện hiệu năng của giao thức TCP trong mạng có đường
truyền không dây là chặng cuối cùng của kết nối giữa người gửi và người nhận. Giải pháp
này có hai ưu điểm nổi bật là: không đòi hỏi phải thay đổi các cơ chế điều khiển đầu cuối
- đầu cuối của TCP và không cần phải sửa đổi bộ giao thức TCP/IP đã được cài đặt trên
các máy tính của mạng Internet. Theo giải pháp Snoop TCP, một chương trình đặc biệt
gọi là Snoop agent sẽ được cài đặt tại máy tính nằm ở cửa ngõ nối Internet với mạng


không dây. Agent này sẽ giám sát các gói số liệu và biên nhận của kết nối TCP đi qua nó,
để thực hiện phát lại một cách thông minh các gói số liệu bị mất trên chặng đường truyền
không dây. Hiệu quả của việc phát lại chủ yếu dựa trên ước lượng thời gian khứ hồi cục
bộ trên chặng này, trong đó việc chọn đơn vị thời gian của đồng hồ phát lại có ý nghĩa
quyết định. Chúng tôi đã nghiên cứu kỹ các thuật toán ước lượng thời gian khứ hồi thông

minh; đã nghiên cứu kỹ các đặc điểm lỗi của đường truyền không dây và ảnh hưởng của
nó lên hiệu năng TCP. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đó, chúng tôi đã nêu các đề xuất
có tính phương pháp luận để tính ước lượng thời gian khứ hồi thông minh cho chặng
không dây. Các đề xuất cụ thể của chúng tôi gồm có: 1/ Chọn đơn vị thời gian của
đồng hồ phát lại của snoop agent bằng 2 lần thời gian khứ hồi trên chặng không dây
khi đường truyền tốt; 2/ Chọn cận dưới của thời gian hết giờ để phát lại (rto) đúng
bằng đơn vị thời gian của đồng hồ; 3/ Chọn cận trên của thời gian hết giờ để phát lại
bằng cách giới hạn số lần rút lui (backoff).
Hiệu năng của Snoop TCP có áp dụng đề xuất cải tiến của chúng tôi được so sánh với
Snoop TCP chưa cải tiến cũng như TCP thông thường. Chúng tôi đánh giá hiệu năng
bằng phương pháp mô phỏng, sử dụng phần mềm mô phỏng mạng NS, đó là bộ mô
phỏng mạng được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là trong các trường đại học và viện
nghiên cứu ở Mỹ cũng như ở nhiều quốc gia khác. Kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng
của chúng tôi đã chỉ ra rằng, so với TCP thông thường, Snoop TCP (chưa cải tiến) có thể
cải thiện thông lượng đến hơn 400%, trong trường hợp mạng WAN có đường truyền
không dây. Với cùng mạng mô phỏng như vậy, Snoop TCP có áp dụng đề xuất cải tiến
của chúng tôi có hiệu năng cao hơn nữa, đạt tới hơn 150% so với Snoop TCP chưa cải
tiến.
Mục đích chính của Luận án này là đóng góp vào các nghiên cứu phương pháp đánh
giá và cải thiện hiệu năng giao thức TCP cho mạng máy tính có đường truyền không dây.
Để thực hiện mục tiêu chính, chúng tôi còn nghiên cứu một số vấn đề khác có liên quan
trực tiếp, hỗ trợ cho nó, đó là:
1. Các cơ chế điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong giao thức TCP.


2. Các cải tiến đối với cơ chế điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong TCP.
3. Đặc tính lỗi của đường truyền không dây và các Mô hình lỗi (Error Model).
4. Phương pháp đánh giá hiệu năng mạng bằng mô hình Giải tích và mô phỏng.
Luận án gồm phần mở đầu, năm chương và kết luận. Nội dung chính của các chương
được trình bày tóm tắt dưới đây.

Chương 1: Các vấn đề cơ bản về điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong giao thức
TCP; việc kết nối các mạng không dây với Internet và các vấn đề nảy sinh.
Chương 2 trình bày tầm quan trọng của việc đánh giá hiệu năng mạng, các độ đo hiệu
năng thông dụng và các phương pháp chính đánh giá hiệu năng mạng.
Chương 3 trình bày phương pháp đánh giá hiệu năng mạng bằng mô hình hàng đợi.
Trong mục 3.2, chúng tôi trình bày một kết quả nghiên cứu, sử dụng lý thuyết Hàng đợi
để tính toán định lượng hiệu năng hai cơ chế kiểm soát lỗi đầu cuối - đầu cuối (end-toend) và kiểm soát lỗi theo chặng (link-by-link). Thông qua việc so sánh kết quả, chúng
tôi đã rút ra được một số kết luận hữu ích, trong đó có một số kết luận minh chứng cho
tính hợp lý của giải pháp Snoop TCP.
Chương 4 trình bày các cải tiến trong cơ chế điều khiển lưu lượng của giao thức TCP;
đặc tính lỗi của đường truyền không dây và ảnh hưởng của nó lên hiệu năng của TCP.
Nội dung chương 4 là cơ sở trực tiếp cho các nghiên cứu ở chương 5.
Chương 5 trình bày các nghiên cứu sâu về giải pháp phát lại cục bộ thông minh và
snoop TCP. Tác giả luận án cũng trình bày các đề xuất về tính ước lượng thời gian khứ
hồi trên chặng không dây và đánh giá hiệu quả của chúng bằng mô phỏng. Ba kết quả
nghiên cứu bằng mô phỏng là: 1/ Xác định thời gian mô phỏng cần thiết đối với mạng mô
phỏng Snoop TCP; 2/ Đánh giá hiệu năng của Snoop TCP ứng với các mức độ lỗi khác
nhau của đường truyền không dây; 3/ Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng hồ phát lại lên
hiệu năng của Snoop TCP, xác định được giá trị tốt nhất của đơn vị thời gian của đồng hồ
phát lại.


Luận án đã được trình bày, thảo luận và thông qua tại Bộ môn Mạng và Truyền thông
máy tính, Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội; đã được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG
ĐÁNH GIÁ CẤP CƠ SỞ LUẬN ÁN TIẾN SĨ, ngày 16 tháng 5 năm 2003. Một số kết
quả nghiên cứu của luận án đã được báo cáo tại Hội thảo Quốc gia “Các vấn đề chọn lọc
của Công nghệ Thông tin” (Hải Phòng, 6/2001); Hội thảo Khoa học Quốc gia lần thứ
nhất: ICT.rda (Hà nội, 02/2003) và trình bày trong hai buổi semina tại trung tâm CDMC
(Center for Distributed and Mobile Computing), Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ. Các kết quả
nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong [1], [2], [3], [42], [43]; trong đó [42]

là nội dung chính của chương 4, đã được báo cáo tại semina của trung tâm CDMC
(14/5/2002); [43] là một phần nội dung của chương 5, đã được báo cáo tại semina của
trung tâm CDMC (02/8/2002).
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia
Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiều mặt để tác giả hoàn thành được luận
án. Xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp ở Khoa Công nghệ đã động viên, giúp đỡ tác
giả trong thời gian qua.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS. VS. Nguyễn Văn Hiệu, Chủ
nhiệm Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tạo cơ hội tốt để tác giả được đến
nghiên cứu khoa học tại một Đại học lớn của Hoa Kỳ trong thời gian đang thực hiện luận
án, từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2002.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với Đại học Cincinnati, Hoa kỳ, đã tạo
điều kiện thuận lợi để tác giả được đến tham gia các hoạt động nghiên cứu khoa học như
một thành viên của Trung tâm Tính toán Phân tán và Di động, Khoa Công nghệ thông tin,
Trường Đại học Công nghệ (Center for Distributed and Mobile Computing, Department
of Electrical and Computer Engineering and Computer Science, College of Engineering,
University of Cincinnati).
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS. TS. Vũ Duy Lợi và PGS. Nguyễn
Quốc Toản đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cho nhiều lời khuyên quý báu trong suốt
quá trình tác giả thực hiện luận án.


DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
A. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT
[1] Nguyễn Đình Việt (2002), “So sánh hiệu năng của các kế hoạch kiểm soát lỗi trong mạng
truyền thông máy tính”, Tạp chí Tin học và Điều khiển học, 18(1), 87-96.
[2] Vũ Duy Lợi, Nguyễn Đình Việt (2002), "Điều khiển lưu lượng số liệu trong mạng thông tin
máy tính", Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia: Các vấn đề chọn lọc của CNTT, (Hải Phòng 6/2001),
104-112, NXB Khoa học Kỹ thuật.
[3] Vũ Duy Lợi, Nguyễn Đình Việt (2003), "Đánh giá hiệu suất hoạt động của Snoop TCP trong

mạng không đồng nhất bằng phương pháp mô phỏng", Kỷ yếu Hội thảo Khoa học Quốc gia
lần thứ nhất về Nghiên cứu, Phát triển và Ứng dụng Công nghệ Thông tin và Truyền thông
(ICT.rda), Hà nội, 22-23/2/2003, 429-436, NXB Khoa học Kỹ thuật.

B. TÀI LIỆU TIẾNG ANH
[4] A. Bakre and B. R. Badrinath (1995), “Handoff and system support for indirect TCP/IP”,
Proc. 2nd Usenix Symp. Mobile and Location-Independent Computing, Apr. 1995.
[5] A. Bakre and B. R. Badrinath (1995), “I-TCP: Indirect TCP for Mobile hosts”, IEEE 1995,
1063-6927/95.
[6] A. Bakre and B. R. Badrinath (1997), “Implementation and Performance Evaluation of
Indirect TCP”, IEEE Transaction on Computer, 46(3), March 1997.
[7] Amit Bhargava, James F. Kurose, Don Towsley and Guy Vanleemput (Dec. 1988),
“Performance Comparison of Error Control Schemes in High-Speed Computer
Communication Networks”, IEEE Journal on Selected Area in Communications, 6(9), 15651575.
[8] Andrew S. Tanenbaum (2003), Computer Networks, Prentice Hall, New Jersey, Fourth
Edition.
[9] Bikram S. Bakshi, P. Krishna, N. H. Vaida, D. K. Pradhan (1996), "Improving performance
of TCP over wireless networks", Texas A&M University Technical Report, TR-96-014, May
1996.
[10] Cerf V., R. Kahn (1974), "A Protocol for Packet Network Intercommunication", IEEE
Transactions on Communications, 22(5), 637-648, May 1974.


[11] Chadi Barakat, Eitan Altman, and Walid Dabbous (2000), “On TCP Performance in a
Heterogeneous Network: A Survey”, IEEE Communications Magazine, January 2000, 40-46.
[12] Christina Parsa, and J. J. Garcia-Luna Aceves (1999), “TULIP: A Link-Layer Protocol for
Improving TCP over Wireless Links”, IEEE 1999, 1253-1257.
[13] David R. Smith (1995), “Application of the Fritchman Error Model to New Error
Parameters”, IEEE 1995, 0-7803-2489-7/95, 286-292.
[14] George Xylomenos and George C. Polyzos, Petri Mähönen and Mika Saaranen (2001),

“TCP Performance Issues over Wireless Links”, IEEE Communications Magazine, April
2001, 52-58.
[15] G. T. Nguyen, R. H. Katz, B. D. Noble, and M. Satyanarayanan (1996), “A trace-based
approach for modeling wireless channel behavior”, Proc. Winter Simulation Conf., Dec.
1996.
[16] H. Balakrishnan, S. Seshan, and R. H. Katz (1995), “Improving reliable transport and
handoff performance in cellular wireless networks”, ACM Wireless Networks, 1, Dec. 1995.
[17] H. Balakrishnan, Venkata N. Padmanabhan (2001), “How Network Asymmetry Affects
TCP”, IEEE Communication Magazine, Apr. 2001, 60-67.
[18] H. Balakrishnan, Venkata N. Padmanabhan, Srinivasan Seshan, and Randy H. Katz (1997),
“A Comparison of Mechanisms for Improving TCP Performance over Wireless Links”,
IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING, 5(6), DECEMBER 1997.
[19] H. Chaskar, T. V. Lakshman, U. Madhow (1996), “On the Design of Interfaces for TCP/IP
over Wireless”, IEEE.
[20] Hiashi Kobayashi (1978), Modeling and Analyis: An Introduction to System Performance
Evaluation Methodology, Addition-Wesley, Massachusetts.
[21] />[22] />[23] />[24] />[25] J. Rendon, F. Casadevall, D. Serarols, and J. L. Faner (2001), “Analysis of Snoop TCP
protocol in GPRS system”, IEEE 2001, 0-7803-6728-6/01.
[26] Jacobson V. (1988), “Congestion Avoidance and Control,” Proceeding of SIGCOMM ’88,
(Stanford, CA, Aug. 1988), ACM.


[27] Jacobson V. (1990), “Modified TCP Congestion Avoidance Algorithm,” Technical report,
30 Apr. 1990, URL />[28] JAIN, R., RAMAKRISHNAN, K., AND CHIU, D. M (1997). “Congestion avoidance in
computer networks with a connectionless network layer”. Tech. Rep. DEC-TR-506, Digital
Equipment Corporation, June 1. 1997.
[29] Jian-Hao Hu, Kwan L. Yeung (2001), “FDA: A Novel Base Station Flow Control Scheme
for TCP over Heterogeneous Networks”, IEEE INFOCOM 2001, 142-151.
[30] Jochen H. Schiller (2000), Mobile Communications, Addition-Wesley, London.
[31] John D. Spragins, Joseph L. Hammond, Krzysztof Pawlikowski (1991),

Telecommunications: Protocols and Design, Addition-Wesley, New York.
[32] John J. Lemmon (2002), “Wireless Link Statistical Bit Error Model”, NTIA Report 02-394,
U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE, June 2002.
[33] K. Fall and S. Floyd (1996), "Simulation-based Comparisons of Tahoe, Reno, and Sack
TCP", Computer Communication Review.
[34] K. Ratnam and I. Matta (1998), “Effect of Local Retransmission at Wireless Access Points
on the Round Trip Time Estimation of TCP”, Proc. IEEE 31st Annual Simulation
Symposium ‘98, Boston, MA, April 1998.
[35] Lawrence S. Brakmo, Sean W. O’Malley, Larry L. Peterson (1994), “TCP Vegas: New
Techniques for Congestion Detection and Avoidance”, SIGCOMM 94, 8/94, London,
England.
[36] Lawrence S. Brakmo, Larry L. Peterson (1995), “TCP Vegas: End to End Congestion
Avoidance on a Global Internet”, IEEE Journal on Selected Area in Communications, 13(8).
[37] Lee Breslau, Deborah Estrin, Kevin Fall, Sally Floyd, John Heidemann, Ahmed Helmy,
Polly Huang, Steven McCanne, Kannan Varadhan, Ya Xu, Haobo Yu (May 2000),
“Advances in Networks Simulation”, IEEE.
[38] Leonard Kleinrock (1976), Queueing systems, Volume II: Computer Applications, John
Wiley&Sons, New York.
[39] Leonard Kleinrock (1993), “On the Modeling and Analysis of Computer Networks”,
Proceeding of the IEEE, 81(8).


[40] Matthew Mathis, Jamshid Mahdavi, Sally Floyd, and Allyn Romanow (1996), “TCP
Selective Acknowledgement option (and related changes) for FreeBSD”. (Internet draft,
work in progress), 1996.
[41] Mischa Schwartz (1987), Telecommunication Networks: Protocols, Modeling and Analysis,
Addition-Wesley, Massachusetts.
[42] Nguyen Dinh Viet (2002), “TCP Enhancements and Performance Over Networks with
Wireless Links”, Journal of Computer Science and Cybernetics, 18(2), 187-200.
[43] Nguyen Dinh Viet (2002), “Simulation-based Evaluation of Performance of a Snoop TCP

Scheme Over Network with Wireless Links”, Journal of Computer Science and
Cybernetics, 18(4), 339-346.
[44] P. Schweitzer and S. Lam (Nov. 1976), “Buffer overflow in a store and forward network
node”, IBM J. Res. Develop, 542-550.
[45] Phil Karn (1991). “Improving Round-Trip Time Estimates in Reliable Transport Protocols”,
ACM Transactions on Computer Systems, 9(1), 361-373.
[46] Qi Bi, George I. Zysman, and Hank Menkes (2001), “Wireless Mobile Communications at
the Start of the 21st Century”, IEEE Communications Magazine, January 2001, 110-116.
[47] R. Yavatkar and N. Bhagwat (1994), “Improving end-to-end performance of TCP over
mobile internetworks”, Mobile 94, Workshop Mobile Computing Syst. Appl., Dec. 1994.
[48] Ramón Cáceres and Liviu Iftode (1995), “Improving the performance of reliable transport
protocols in mobile computing environment”, IEEE Journal of Selected Area of Comm.,
13(6).
[49] RFC-793, Arpanet Working Group Requests For Comment, DDN Network Information
Center. Transmission Control Protocol Specification. SRI International, Menlo Park, CA,
Sept. 1981.
[50] Snoop agent source codes: …/ns-2.1b9/tcl/lan/ns-ll.tcl; …/ns-2.1b9/tcp/snoop.h, snoop.cc.


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI
KHOA CÔNG NGHỆ
--------NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

NGHIÊN CỨU
PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ CẢI THIỆN HIỆU NĂNG
GIAO THỨC TCP CHO MẠNG MÁY TÍNH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ TOÁN HỌC

HÀ NỘI – 2003

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG .............................. Error! Bookmark not defined.
1.1 Sự phát triển của mạng Internet ............................ Error! Bookmark not defined.
1.2 Kiến trúc mạng Internet ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Mô hình tham chiếu ISO OSI..................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Mô hình tham chiếu TCP/IP ...................................... Error! Bookmark not defined.

1.3 Điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn ..... Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Cơ bản về điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽnError! Bookmark not defined.
1.3.1.1 Khái niệm............................................................ Error! Bookmark not defined.
1.3.1.2 Điều khiển lưu lượng theo cơ chế cửa sổ trượt ... Error! Bookmark not defined.
1.3.1.3 Điều khiển tắc nghẽn .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP ................ Error! Bookmark not defined.
1.3.2.1 Giao thức TCP ban đầu....................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2.2 Nguyên lý “Bảo toàn các gói số liệu” và các nguyên nhân vi phạmError! Bookmark
not defined.
1.3.2.3 Khởi động chậm.................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.2.4 Tính thời gian khứ hồi một cách thông minh...... Error! Bookmark not defined.
1.3.2.5 Tránh tắc nghẽn .................................................. Error! Bookmark not defined.

1.4 Kết nối mạng không dây với Internet và các vấn đề nảy sinhError!
defined.

Bookmark

not

1.4.1 Các mạng truyền thông không dây số hiện đại .......... Error! Bookmark not defined.
1.4.2 Các vấn đề nảy sinh khi kết nối với Internet .............. Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNGError! Bookmark
not defined.
2.1 Giới thiệu .............................................................. Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Tầm quan trọng của việc đánh giá hiệu năng mạng máy tínhError!
Bookmark
defined.
2.1.2 Các độ đo hiệu năng mạng ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng .............. Error! Bookmark not defined.

not

2.2 Mô hình Giải tích .................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Quá trình Poisson và các tính chất của nó .................. Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Hàng đợi M/M/1 và một số kết quả ........................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2.1 Xác suất trạng thái cân bằng của hàng đợi M/M/1Error! Bookmark not defined.
2.2.2.2 Đặc trưng thông lượng của hàng đợi M/M/1 hữu hạnError! Bookmark not defined.
2.2.2.3 Kích thước trung bình của hàng đợi M/M/1 hữu hạnError! Bookmark not defined.
2.2.2.4 Công thức Little L=W và áp dụng để tính thời gian trễ trung bìnhError! Bookmark
not defined.

2.3 Mô phỏng mạng bằng chương trình máy tính ....... Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Ý tưởng xây dựng bộ mô phỏng mạng....................... Error! Bookmark not defined.
2.3.2 Bộ mô phỏng mạng NS (Network Simulator) ............ Error! Bookmark not defined.
2.3.2.1 Giới thiệu ............................................................ Error! Bookmark not defined.
2.3.2.2 Cấu trúc phần mềm của NS ................................ Error! Bookmark not defined.
2.3.2.3 Lập trình mô phỏng bằng NS.............................. Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG BẰNG MÔ HÌNH HÀNG ĐỢIError!
Bookmark not defined.
3.1 Mô hình mạch ảo................................................... Error! Bookmark not defined.


3.2 Hiệu năng của các cơ chế kiểm soát lỗi ................ Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Kiểm soát lỗi đầu cuối - đầu cuối (end-to-end) .......... Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Kiểm soát lỗi theo chặng (link-by-link) ..................... Error! Bookmark not defined.
3.2.3 So sánh cơ chế kiểm soát lỗi đầu cuối - đầu cuối và theo chặngError! Bookmark
defined.
3.2.3.1 So sánh các cơ chế theo chặng và đầu cuối - đầu cuối ở mạng tốc độ thấp Error!
Bookmark not defined.
3.2.3.2 So sánh các cơ chế theo chặng và đầu cuối - đầu cuối ở mạng tốc độ cao . Error!
Bookmark not defined.

3.3 Hiệu năng của cơ chế điều khiển lưu lượng bằng cửa sổ trượtError!
defined.

Bookmark

not

not

3.3.1 Mô hình cửa sổ trượt với sự biên nhận từng gói số liệuError! Bookmark not defined.
3.3.1.1 Trường hợp tải rất nặng ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1.2 Trường hợp tải xấp xỉ bằng khả năng vận chuyển của đường truyềnError! Bookmark
not defined.
3.3.2 Mô hình cửa sổ trượt với sự biên nhận ở cuối cửa sổ Error! Bookmark not defined.
3.3.2.1 Trường hợp tải rất nặng ...................................... Error! Bookmark not defined.

3.3.2.2 Trường hợp tải xấp xỉ bằng khả năng vận chuyển của đường truyềnError! Bookmark
not defined.

CHƯƠNG 4 CẢI TIẾN CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TCPError!
Bookmark
not defined.
4.1 Các cải tiến đối với giao thức TCP cho mạng có dâyError! Bookmark not defined.
4.1.1 Tahoe TCP ................................................................. Error! Bookmark not defined.
4.1.2 Reno TCP ................................................................... Error! Bookmark not defined.
4.1.3 New-Reno TCP .......................................................... Error! Bookmark not defined.
4.1.4 SACK TCP ................................................................. Error! Bookmark not defined.
4.1.5 So sánh hiệu năng của Tahoe, Reno, New-Reno và SACK TCPError! Bookmark
defined.

not

4.2 Đặc tính lỗi của đường truyền không dây ............. Error! Bookmark not defined.
4.3 Ảnh hưởng của lỗi đường truyền không dây lên hiệu năng của TCPError! Bookmark
not defined.
4.4 Các cơ chế cải thiện hiệu năng TCP trong mạng có đường truyền không dâyError!
Bookmark not defined.
4.4.1 Che giấu phần mạng hay làm mất gói số liệu do lỗi đường truyềnError! Bookmark not
defined.
4.4.1.1 Các giải pháp ở tầng Liên kết dữ liệu ................. Error! Bookmark not defined.
4.4.1.2 Các giải pháp ở tầng giao vận ............................. Error! Bookmark not defined.
4.4.2 Thông báo rõ ràng về nguyên nhân mất gói số liệu (ELN và ECN)Error! Bookmark not
defined.

CHƯƠNG 5 PHÁT LẠI CỤC BỘ THÔNG MINH VÀ SNOOP TCPError!
Bookmark

not defined.
5.1 Phát lại cục bộ thông minh .................................... Error! Bookmark not defined.
5.1.1 Thuật toán tính thời gian hết giờ để phát lại cục bộ ... Error! Bookmark not defined.
5.1.2 Đồng hồ phát lại (Retransmission Timer) .................. Error! Bookmark not defined.

5.2 Mô hình lỗi (Error Model) của đường truyền không dâyError! Bookmark not defined.
5.2.1 Mô hình lỗi đồng đều (Uniform Error Model) ........... Error! Bookmark not defined.
5.2.2 Mô hình lỗi Markov hai trạng thái (Two-state Markov Error Model)Error! Bookmark not
defined.
5.2.3 Mô hình lỗi Markov hai trạng thái cải tiến................. Error! Bookmark not defined.


5.3 Snoop TCP ............................................................ Error! Bookmark not defined.
5.3.1 Snoop data .................................................................. Error! Bookmark not defined.
5.3.2 Snoop ACKs .............................................................. Error! Bookmark not defined.
5.3.3 Phát lại cục bộ thông minh trong Snoop TCP ............ Error! Bookmark not defined.
5.3.3.1 Chọn giá trị cho hệ số làm trơn của bộ lọc tính srttError! Bookmark not defined.
5.3.3.2 Chọn đơn vị thời gian đồng hồ phát lại (snoopTick) và cận dưới của rto .. Error!
Bookmark not defined.
5.3.3.3 Đặt giá trị cận trên cho rto bằng cách giới hạn số lần rút lui (backoff) ...... Error!
Bookmark not defined.

5.4 Lập mô hình mạng mô phỏng để đánh giá hiệu năng của Snoop TCPError! Bookmark
not defined.
5.4.1 Thiết lập cấu hình mạng mô phỏng ............................ Error! Bookmark not defined.
5.4.2 Thiết lập giá trị các tham số của mô hình lỗi được cài đặt trong NS-2Error! Bookmark not
defined.

5.5 Đánh giá hiệu năng của snoop TCP bằng mô phỏngError! Bookmark not defined.
5.5.1 Xác định thời gian mô phỏng cần thiết ...................... Error! Bookmark not defined.

5.5.2 Đánh giá hiệu năng của Snoop TCP với các mức độ lỗi đường truyền khác nhauError!
Bookmark not defined.
5.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng hồ phát lại lên hiệu năng của Snoop TCP ..... Error!
Bookmark not defined.

5.6 So sánh hiệu quả của snoop TCP với một số phương pháp khácError! Bookmark not
defined.
KẾT LUẬN ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........ Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢError! Bookmark not defined.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 10
BẢNG CHÚ GIẢI (Index) ................................................ Error! Bookmark not defined.


MỞ ĐẦU
Mạng Internet đã phát triển bùng nổ trong hơn 20 năm qua; hiện nay, Internet đã mở
rộng thành một liên mạng trên phạm vi toàn cầu và được coi là cơ sở hạ tầng cho truyền
thông của xã hội loài người. 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
Internet. Giao thức TCP sử dụng cơ chế điều khiển lưu lượng, tắc nghẽn và lỗi từ hai đầu
của kết nối để vận chuyển thông tin trên Internet một cách hiệu quả và tin cậy. Trong suốt
nhiều năm được sử dụng rộng rãi, các khiếm khuyết thể hiện ra đã được phát hiện và
khắc phục. Chính vì thế, TCP hoạt động rất tốt trong các mạng kiểu truyền thống: sử
dụng các đường truyền có dây với tỉ suất lỗi bit thấp, tin cậy và các máy tính nối mạng cố
định. Trong các mạng như vậy, TCP coi việc mất gói số liệu là tín hiệu báo tắc nghẽn đã
xảy ra và sẽ phản ứng một cách tích cực để tránh hiện tượng này, bằng cách giảm lưu
lượng đưa vào mạng.
Thực tế đòi hỏi phải mở rộng Internet, kết nối các mạng khác nhau vào Internet và sử
dụng nhiều loại môi trường truyền với các đặc tính rất khác nhau về lỗi truyền, độ trễ lan
truyền, tính cân xứng về dải thông của các đường truyền v.v. Thí dụ, kết nối các mạng

không dây với các trạm làm việc có thể di động vào Internet. Đường truyền không dây có
đặc trưng là tỉ suất lỗi bit cao, thất thường, đồng thời thỉnh thoảng bị đứt đoạn do sự
chuyển cuộc gọi khi các máy tính di động. Giao thức TCP phản ứng với sự mất gói tin do
chất lượng đường truyền xấu giống như phản ứng với hiện tượng tắc nghẽn, đó là giảm
lưu lượng đưa vào mạng; phản ứng như vậy rõ ràng là không thích hợp, làm cho hiệu
năng của TCP bị giảm rất trầm trọng.
Để cải thiện hiệu năng của TCP, người ta đã đề xuất và áp dụng nhiều phương pháp
khác nhau; tuy nhiên, có thể chia chúng làm hai loại.
Loại giải pháp thứ nhất: thực hiện che giấu sự mất gói số liệu không phải do tắc nghẽn,
làm cho các đường truyền chất lượng kém thể hiện ra trước bên gửi như các đường truyền
có chất lượng cao hơn, nhưng có dải thông nhỏ hơn. Theo các phương pháp thuộc loại
này, nói chung, bên gửi của kết nối TCP chỉ phát hiện được sự mất gói số liệu gây ra do


tắc nghẽn, do đó không cần phải sửa đổi các giao thức đã được cài đặt tại bên gửi. Một số
trong các công trình nghiên cứu đầu tiên theo hướng này là [5], [16], [47], [48].
Loại giải pháp thứ hai: thực hiện cải tiến giao thức TCP bằng một số cơ chế, làm cho
bên gửi của kết nối TCP có khả năng phân biệt được nguyên nhân gây ra mất gói số liệu,
nhờ đó tránh được sai lầm dẫn đến làm giảm hiệu năng TCP rất trầm trọng, đó là thực
hiện thuật toán tránh tắc nghẽn khi không xảy ra tắc nghẽn. Các phương pháp thuộc loại
này đều đòi hỏi phải sửa đổi giao thức TCP trên các máy tính kết nối Internet, kể cả các
thiết bị định tuyến (router). Một số trong các công trình nghiên cứu đầu tiên theo hướng
này là [9], [35], [36].
Luận án đi sâu nghiên cứu loại giải pháp thứ nhất, không đòi hỏi phải thay đổi giao
thức TCP trên mạng Internet truyền thống.
Theo phương pháp I-TCP [5], [47], kết nối TCP được chia làm hai kết nối tại trạm cơ
sở, là cửa ngõ nối mạng Internet với mạng không dây; một kết nối đi qua chặng không
dây; kết nối kia đi qua phần mạng có dây. Phương pháp I-TCP cải thiện được hiệu năng
TCP, ưu điểm chính của nó là tính đơn giản; tuy nhiên nó có nhược điểm rất lớn là mâu
thuẫn với các cơ chế điều khiển kiểu đầu cuối - đầu cuối của TCP, do đó có thể làm mất

hoặc giảm tác dụng của các cơ chế này.
Phương pháp được đề xuất trong [48] là phát lại nhanh trong trường hợp kết nối bị
gián đoạn do sự chuyển cuộc gọi, nó cải thiện đáng kể hiệu năng của TCP; tuy nhiên,
phương pháp này có nhược điểm lớn là đòi hỏi phải sửa đổi giao thức liên mạng mobile
IP, làm cho nó có khả năng phát tín hiệu báo sự kết thúc việc chuyển cuộc gọi; ngoài ra
giao thức TCP trên các máy tính đầu cuối cũng phải sửa đổi.
Chúng tôi chọn phương pháp snoop TCP được đề xuất trong [16] (1995), thuộc loại
giải pháp thứ nhất, nhằm cải thiện hiệu năng của giao thức TCP trong mạng có đường
truyền không dây là chặng cuối cùng của kết nối giữa người gửi và người nhận. Giải pháp
này có hai ưu điểm nổi bật là: không đòi hỏi phải thay đổi các cơ chế điều khiển đầu cuối
- đầu cuối của TCP và không cần phải sửa đổi bộ giao thức TCP/IP đã được cài đặt trên
các máy tính của mạng Internet. Theo giải pháp Snoop TCP, một chương trình đặc biệt
gọi là Snoop agent sẽ được cài đặt tại máy tính nằm ở cửa ngõ nối Internet với mạng


không dây. Agent này sẽ giám sát các gói số liệu và biên nhận của kết nối TCP đi qua nó,
để thực hiện phát lại một cách thông minh các gói số liệu bị mất trên chặng đường truyền
không dây. Hiệu quả của việc phát lại chủ yếu dựa trên ước lượng thời gian khứ hồi cục
bộ trên chặng này, trong đó việc chọn đơn vị thời gian của đồng hồ phát lại có ý nghĩa
quyết định. Chúng tôi đã nghiên cứu kỹ các thuật toán ước lượng thời gian khứ hồi thông
minh; đã nghiên cứu kỹ các đặc điểm lỗi của đường truyền không dây và ảnh hưởng của
nó lên hiệu năng TCP. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đó, chúng tôi đã nêu các đề xuất
có tính phương pháp luận để tính ước lượng thời gian khứ hồi thông minh cho chặng
không dây. Các đề xuất cụ thể của chúng tôi gồm có: 1/ Chọn đơn vị thời gian của
đồng hồ phát lại của snoop agent bằng 2 lần thời gian khứ hồi trên chặng không dây
khi đường truyền tốt; 2/ Chọn cận dưới của thời gian hết giờ để phát lại (rto) đúng
bằng đơn vị thời gian của đồng hồ; 3/ Chọn cận trên của thời gian hết giờ để phát lại
bằng cách giới hạn số lần rút lui (backoff).
Hiệu năng của Snoop TCP có áp dụng đề xuất cải tiến của chúng tôi được so sánh với
Snoop TCP chưa cải tiến cũng như TCP thông thường. Chúng tôi đánh giá hiệu năng

bằng phương pháp mô phỏng, sử dụng phần mềm mô phỏng mạng NS, đó là bộ mô
phỏng mạng được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là trong các trường đại học và viện
nghiên cứu ở Mỹ cũng như ở nhiều quốc gia khác. Kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng
của chúng tôi đã chỉ ra rằng, so với TCP thông thường, Snoop TCP (chưa cải tiến) có thể
cải thiện thông lượng đến hơn 400%, trong trường hợp mạng WAN có đường truyền
không dây. Với cùng mạng mô phỏng như vậy, Snoop TCP có áp dụng đề xuất cải tiến
của chúng tôi có hiệu năng cao hơn nữa, đạt tới hơn 150% so với Snoop TCP chưa cải
tiến.
Mục đích chính của Luận án này là đóng góp vào các nghiên cứu phương pháp đánh
giá và cải thiện hiệu năng giao thức TCP cho mạng máy tính có đường truyền không dây.
Để thực hiện mục tiêu chính, chúng tôi còn nghiên cứu một số vấn đề khác có liên quan
trực tiếp, hỗ trợ cho nó, đó là:
1. Các cơ chế điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong giao thức TCP.


2. Các cải tiến đối với cơ chế điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong TCP.
3. Đặc tính lỗi của đường truyền không dây và các Mô hình lỗi (Error Model).
4. Phương pháp đánh giá hiệu năng mạng bằng mô hình Giải tích và mô phỏng.
Luận án gồm phần mở đầu, năm chương và kết luận. Nội dung chính của các chương
được trình bày tóm tắt dưới đây.
Chương 1: Các vấn đề cơ bản về điều khiển lưu lượng và tắc nghẽn trong giao thức
TCP; việc kết nối các mạng không dây với Internet và các vấn đề nảy sinh.
Chương 2 trình bày tầm quan trọng của việc đánh giá hiệu năng mạng, các độ đo hiệu
năng thông dụng và các phương pháp chính đánh giá hiệu năng mạng.
Chương 3 trình bày phương pháp đánh giá hiệu năng mạng bằng mô hình hàng đợi.
Trong mục 3.2, chúng tôi trình bày một kết quả nghiên cứu, sử dụng lý thuyết Hàng đợi
để tính toán định lượng hiệu năng hai cơ chế kiểm soát lỗi đầu cuối - đầu cuối (end-toend) và kiểm soát lỗi theo chặng (link-by-link). Thông qua việc so sánh kết quả, chúng
tôi đã rút ra được một số kết luận hữu ích, trong đó có một số kết luận minh chứng cho
tính hợp lý của giải pháp Snoop TCP.
Chương 4 trình bày các cải tiến trong cơ chế điều khiển lưu lượng của giao thức TCP;

đặc tính lỗi của đường truyền không dây và ảnh hưởng của nó lên hiệu năng của TCP.
Nội dung chương 4 là cơ sở trực tiếp cho các nghiên cứu ở chương 5.
Chương 5 trình bày các nghiên cứu sâu về giải pháp phát lại cục bộ thông minh và
snoop TCP. Tác giả luận án cũng trình bày các đề xuất về tính ước lượng thời gian khứ
hồi trên chặng không dây và đánh giá hiệu quả của chúng bằng mô phỏng. Ba kết quả
nghiên cứu bằng mô phỏng là: 1/ Xác định thời gian mô phỏng cần thiết đối với mạng mô
phỏng Snoop TCP; 2/ Đánh giá hiệu năng của Snoop TCP ứng với các mức độ lỗi khác
nhau của đường truyền không dây; 3/ Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng hồ phát lại lên
hiệu năng của Snoop TCP, xác định được giá trị tốt nhất của đơn vị thời gian của đồng hồ
phát lại.


Luận án đã được trình bày, thảo luận và thông qua tại Bộ môn Mạng và Truyền thông
máy tính, Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội; đã được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG
ĐÁNH GIÁ CẤP CƠ SỞ LUẬN ÁN TIẾN SĨ, ngày 16 tháng 5 năm 2003. Một số kết
quả nghiên cứu của luận án đã được báo cáo tại Hội thảo Quốc gia “Các vấn đề chọn lọc
của Công nghệ Thông tin” (Hải Phòng, 6/2001); Hội thảo Khoa học Quốc gia lần thứ
nhất: ICT.rda (Hà nội, 02/2003) và trình bày trong hai buổi semina tại trung tâm CDMC
(Center for Distributed and Mobile Computing), Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ. Các kết quả
nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong [1], [2], [3], [42], [43]; trong đó [42]
là nội dung chính của chương 4, đã được báo cáo tại semina của trung tâm CDMC
(14/5/2002); [43] là một phần nội dung của chương 5, đã được báo cáo tại semina của
trung tâm CDMC (02/8/2002).
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia
Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiều mặt để tác giả hoàn thành được luận
án. Xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp ở Khoa Công nghệ đã động viên, giúp đỡ tác
giả trong thời gian qua.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS. VS. Nguyễn Văn Hiệu, Chủ
nhiệm Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tạo cơ hội tốt để tác giả được đến
nghiên cứu khoa học tại một Đại học lớn của Hoa Kỳ trong thời gian đang thực hiện luận

án, từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2002.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với Đại học Cincinnati, Hoa kỳ, đã tạo
điều kiện thuận lợi để tác giả được đến tham gia các hoạt động nghiên cứu khoa học như
một thành viên của Trung tâm Tính toán Phân tán và Di động, Khoa Công nghệ thông tin,
Trường Đại học Công nghệ (Center for Distributed and Mobile Computing, Department
of Electrical and Computer Engineering and Computer Science, College of Engineering,
University of Cincinnati).
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS. TS. Vũ Duy Lợi và PGS. Nguyễn
Quốc Toản đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cho nhiều lời khuyên quý báu trong suốt
quá trình tác giả thực hiện luận án.


DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
A. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT
[1] Nguyễn Đình Việt (2002), “So sánh hiệu năng của các kế hoạch kiểm soát lỗi trong mạng
truyền thông máy tính”, Tạp chí Tin học và Điều khiển học, 18(1), 87-96.
[2] Vũ Duy Lợi, Nguyễn Đình Việt (2002), "Điều khiển lưu lượng số liệu trong mạng thông tin
máy tính", Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia: Các vấn đề chọn lọc của CNTT, (Hải Phòng 6/2001),
104-112, NXB Khoa học Kỹ thuật.
[3] Vũ Duy Lợi, Nguyễn Đình Việt (2003), "Đánh giá hiệu suất hoạt động của Snoop TCP trong
mạng không đồng nhất bằng phương pháp mô phỏng", Kỷ yếu Hội thảo Khoa học Quốc gia
lần thứ nhất về Nghiên cứu, Phát triển và Ứng dụng Công nghệ Thông tin và Truyền thông
(ICT.rda), Hà nội, 22-23/2/2003, 429-436, NXB Khoa học Kỹ thuật.

B. TÀI LIỆU TIẾNG ANH
[4] A. Bakre and B. R. Badrinath (1995), “Handoff and system support for indirect TCP/IP”,
Proc. 2nd Usenix Symp. Mobile and Location-Independent Computing, Apr. 1995.
[5] A. Bakre and B. R. Badrinath (1995), “I-TCP: Indirect TCP for Mobile hosts”, IEEE 1995,
1063-6927/95.
[6] A. Bakre and B. R. Badrinath (1997), “Implementation and Performance Evaluation of

Indirect TCP”, IEEE Transaction on Computer, 46(3), March 1997.
[7] Amit Bhargava, James F. Kurose, Don Towsley and Guy Vanleemput (Dec. 1988),
“Performance Comparison of Error Control Schemes in High-Speed Computer
Communication Networks”, IEEE Journal on Selected Area in Communications, 6(9), 15651575.
[8] Andrew S. Tanenbaum (2003), Computer Networks, Prentice Hall, New Jersey, Fourth
Edition.
[9] Bikram S. Bakshi, P. Krishna, N. H. Vaida, D. K. Pradhan (1996), "Improving performance
of TCP over wireless networks", Texas A&M University Technical Report, TR-96-014, May
1996.
[10] Cerf V., R. Kahn (1974), "A Protocol for Packet Network Intercommunication", IEEE
Transactions on Communications, 22(5), 637-648, May 1974.


[11] Chadi Barakat, Eitan Altman, and Walid Dabbous (2000), “On TCP Performance in a
Heterogeneous Network: A Survey”, IEEE Communications Magazine, January 2000, 40-46.
[12] Christina Parsa, and J. J. Garcia-Luna Aceves (1999), “TULIP: A Link-Layer Protocol for
Improving TCP over Wireless Links”, IEEE 1999, 1253-1257.
[13] David R. Smith (1995), “Application of the Fritchman Error Model to New Error
Parameters”, IEEE 1995, 0-7803-2489-7/95, 286-292.
[14] George Xylomenos and George C. Polyzos, Petri Mähönen and Mika Saaranen (2001),
“TCP Performance Issues over Wireless Links”, IEEE Communications Magazine, April
2001, 52-58.
[15] G. T. Nguyen, R. H. Katz, B. D. Noble, and M. Satyanarayanan (1996), “A trace-based
approach for modeling wireless channel behavior”, Proc. Winter Simulation Conf., Dec.
1996.
[16] H. Balakrishnan, S. Seshan, and R. H. Katz (1995), “Improving reliable transport and
handoff performance in cellular wireless networks”, ACM Wireless Networks, 1, Dec. 1995.
[17] H. Balakrishnan, Venkata N. Padmanabhan (2001), “How Network Asymmetry Affects
TCP”, IEEE Communication Magazine, Apr. 2001, 60-67.
[18] H. Balakrishnan, Venkata N. Padmanabhan, Srinivasan Seshan, and Randy H. Katz (1997),

“A Comparison of Mechanisms for Improving TCP Performance over Wireless Links”,
IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING, 5(6), DECEMBER 1997.
[19] H. Chaskar, T. V. Lakshman, U. Madhow (1996), “On the Design of Interfaces for TCP/IP
over Wireless”, IEEE.
[20] Hiashi Kobayashi (1978), Modeling and Analyis: An Introduction to System Performance
Evaluation Methodology, Addition-Wesley, Massachusetts.
[21] />[22] />[23] />[24] />[25] J. Rendon, F. Casadevall, D. Serarols, and J. L. Faner (2001), “Analysis of Snoop TCP
protocol in GPRS system”, IEEE 2001, 0-7803-6728-6/01.
[26] Jacobson V. (1988), “Congestion Avoidance and Control,” Proceeding of SIGCOMM ’88,
(Stanford, CA, Aug. 1988), ACM.


[27] Jacobson V. (1990), “Modified TCP Congestion Avoidance Algorithm,” Technical report,
30 Apr. 1990, URL />[28] JAIN, R., RAMAKRISHNAN, K., AND CHIU, D. M (1997). “Congestion avoidance in
computer networks with a connectionless network layer”. Tech. Rep. DEC-TR-506, Digital
Equipment Corporation, June 1. 1997.
[29] Jian-Hao Hu, Kwan L. Yeung (2001), “FDA: A Novel Base Station Flow Control Scheme
for TCP over Heterogeneous Networks”, IEEE INFOCOM 2001, 142-151.
[30] Jochen H. Schiller (2000), Mobile Communications, Addition-Wesley, London.
[31] John D. Spragins, Joseph L. Hammond, Krzysztof Pawlikowski (1991),
Telecommunications: Protocols and Design, Addition-Wesley, New York.
[32] John J. Lemmon (2002), “Wireless Link Statistical Bit Error Model”, NTIA Report 02-394,
U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE, June 2002.
[33] K. Fall and S. Floyd (1996), "Simulation-based Comparisons of Tahoe, Reno, and Sack
TCP", Computer Communication Review.
[34] K. Ratnam and I. Matta (1998), “Effect of Local Retransmission at Wireless Access Points
on the Round Trip Time Estimation of TCP”, Proc. IEEE 31st Annual Simulation
Symposium ‘98, Boston, MA, April 1998.
[35] Lawrence S. Brakmo, Sean W. O’Malley, Larry L. Peterson (1994), “TCP Vegas: New
Techniques for Congestion Detection and Avoidance”, SIGCOMM 94, 8/94, London,

England.
[36] Lawrence S. Brakmo, Larry L. Peterson (1995), “TCP Vegas: End to End Congestion
Avoidance on a Global Internet”, IEEE Journal on Selected Area in Communications, 13(8).
[37] Lee Breslau, Deborah Estrin, Kevin Fall, Sally Floyd, John Heidemann, Ahmed Helmy,
Polly Huang, Steven McCanne, Kannan Varadhan, Ya Xu, Haobo Yu (May 2000),
“Advances in Networks Simulation”, IEEE.
[38] Leonard Kleinrock (1976), Queueing systems, Volume II: Computer Applications, John
Wiley&Sons, New York.
[39] Leonard Kleinrock (1993), “On the Modeling and Analysis of Computer Networks”,
Proceeding of the IEEE, 81(8).