Bài tập lớn mạng máy tính mô phỏng hoạt động của mô hình mạng slotted ALOHA

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện tử - Viễn thông
***

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC
MẠNG MÁY TÍNH

Mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA

Page


Hà Nội 12/2017

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính không ngừng được tăng lên về cả số lượng và
ứng dụng, đặc biệt là sự phát triển hệ thống mạng máy tính, kết nối các máy tính lại với
nhau thông qua môi trường truyền tin để cùng nhau chia sẻ tài nguyên trên mạng góp
phần làm tăng hiệu quả của các ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực khoa học kỹ thuật,
kinh tế, quân sự, văn hoá....Từ đó, Mạng máy tính trở thành lĩnh vực nghiên cứu, phát
triển rất quan trọng bảo đảm truyền tin đáng tin cậy, chính xác, phù hợp tốc độ và đảm
bảo an toàn thông tin trên mạng.
Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo những
quy tắc nhất định. Việc truyền tín hiệu trên mạng cần phải có những quy tắc, quy ước về
nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) của dữ liệu cho tới các thủ tục gửi, nhận
dữ liệu, kiểm soát hiệu quả, chất lượng truyền tin và xử lý các lỗi. Yêu cầu về xử lý và
trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các quy tắc càng nhiều và phức tạp hơn.
Tập hợp tất cả những quy tắc, quy ước đó được gọi là giao thức (Protocol) của mạng.
Trong nội dung của môn học, nhóm sinh viên chúng em được giao đề tài “Lập
trình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA. Đánh giá hiệu quả sử
dụng kênh truyền trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao.” Có thể nói, mô hình

mạng ALOHA là một phương pháp để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyền được
nghiên cứu và xây dựng từ rất sớm.
Page


Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo TS. đã chỉ bảo, góp ý, bổ sung, hướng dẫn
tận tình để nhóm có thể hoàn thành được bài tập này.Do kinh nghiệm và khả năng có hạn
nên chắc chắn kết quả của nhóm đạt được còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Nhóm rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạn sinh viên.
Nhóm xin chân thành cảm ơn !

Page


MỤC LỤC
MỤC LỤC.........................................................................................................................4
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................5
DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................6
1. Phân tích đề tài bài tập lớn của nhóm..........................................................................7
2. Tìm hiểu về mô hình mạng Slotted ALOHA...............................................................7
2.1 Lịch sử phát triển:....................................................................................................7
2.2 Cơ chế hoạt động của slotted ALOHA.....................................................................8
2.2.1 Cơ chế hoạt động của mô hình mạng ALOHA................................................................................8
2.2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức Slotted ALOHA (ALOHA phân khe, a-ALOHA)..........................10

2.3 Đánh giá hiệu năng.................................................................................................10
2.4 Ưu nhược điểm của giao thức Slotted ALOHA......................................................12
2.4.1 Ưu điểm.........................................................................................................................................12
2.4.2 Nhược điểm...................................................................................................................................12

2.5 Sơ đồ thuật toán của quá trình mô phỏng s-ALOHA..............................................14
3. Thực hiện................................................................................................................... 16
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 17
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................18

Page


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
TCP/IP

MAC

Từ gốc
Internet protocol suite
Open Systems
Interconnection Reference
Model
Media Access Control

LLC

Logical Link Control

Điều khiển truy nhập môi
trường
Điều khiển liên kết logic

TDMA

Time Division Multiple
Access
Frequency Division
Multiple Access
Code Division Multiple
Access
Carier Sense Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia
thời gian
Đa truy nhập phân chia tần
số
Đa truy nhập phân chia
theo mã
Đa truy nhập cảm nhận
sóng mang

CSMA/CD

CSMA/Collision Detection

CSMA/CA

CSMA/Collision Avoidance

Đa truy nhập cảm nhận
sóng mang dò tìm xung đột
Đa truy nhập cảm nhận

sóng mang tránh xung đột

OSI

FDMA
CDMA
CSMA

Page

Ý nghĩa
Bộ giao thức liên mạng
Mô hình tham chiếu kết
nối các hệ thống mở


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Hoạt động của giao thức ALOHA.........................................................................7
Hình 2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA.............................................................8
Hình 3: Thông lượng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và Slotted ALOHA....................10
Hình 4: Sơ đồ thuật toán..................................................................................................12
Hình 5: Tranh chấp gói trong hệ thống s-ALOHA...........................................................13
Hình 6: Mô phỏng giao thức Slotted ALOHA bằng Matlab.............................................14

Page


1. Phân tích đề tài bài tập lớn của nhóm
Đề tài: Lập trình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA. Đánh
giá hiệu quả sử dụng kênh truyền trong các điều kiện: tải nhẹ, trung bình,và cao.

Các yêu cầu đặt ra:
-

Lập trình mô phỏng hoạt động của mô hình mạng Slotted ALOHA.
Đánh giá hiệu quả sự dụng kênh truyền trong các điều kiện: tải nhẹ,

trung bình, cao.
Trong bài này, nhóm chúng em sử dụng Matlab để mô phỏng hoạt động của mô
hình mạng Slotted ALOHA.

2. Tìm hiểu về mô hình mạng Slotted ALOHA
2.1 Lịch sử phát triển:
Trong mạng máy tính và mạng viễn thông, lớp liên kết dữ liệu (lớp 2 trong
mô hình TCP/IP và OSI) chịu trách nhiệm truyền tải dữ liệu giữa các thực thể
mạng, phát hiện và khôi phục lỗi có thể xảy ra trong lớp vật lý. Lớp liên kết dữ liệu
được chia thành hai phân lớp con: lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC và
lớp điều khiển logic liên kết LLC. Lớp MAC cung cấp chức năng địa chỉ và phương
pháp truy nhập kênh trong khi LLC cung cấp chức năng đồng bộ kênh và kiểm tra
lỗi. Giao thức đa truy nhập là các thủ tục truy nhập kênh cho các thiết bị đầu cuối
cùng chia sẻ phương tiện truyền dẫn được thực hiện tại lớp MAC. Các giao thức đa
truy nhập được phân chia thành hai nhánh lớn:
(không tranh chấp) và

các giao thức dự phòng kênh

các giao thức truy nhập ngẫu nhiên (dựa trên tranh chấp).

Mục tiêu của các giao thức dự phòng kênh là để tránh hoàn toàn các xung
đột giữa các yêu cầu truy nhập phương tiện. Vì vậy, trong các giao thức dự phòng
kênh, các nguồn tài nguyên kênh đƣợc chỉ định cho từng yêu cầu truy nhập để đảm

bảo các truyền dẫn thành công. Cơ chế chỉ định tài nguyên kênh thường dựa trên ba
Page


kiểu chính gồm: đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access), đa truy nhập phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple
Access) và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple
Access). Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên không đảm bảo một truyền dẫn
thành công do hoạt động trên nguyên tắc tranh chấp và cơ chế điều khiển phân tán.
Một xung đột xảy ra nếu hai nút phát gói tin trong vùng tranh chấp cùng khởi tạo
truyền dẫn đồng thời, dẫn tới hiện tượng nút thu không thể nhận được thông tin
chính xác. Vì vậy để tránh xung đột, mỗi một nút sử dụng cơ chế lập lịch trên cơ sở
thời gian ngẫu nhiên cho lần truyền dẫn lại gói tin. Thuật toán truyền dẫn lại thể
hiện bản chất và sự khác biệt của các giao thức đa truy nhập ngẫu nhiên. Một số
giao thức truy nhập ngẫu nhiên phổ biến là ALOHA, đa truy nhập cảm nhận sóng
mang CSMA (Carier Sense Multiple Access), đa truy nhập cảm nhận sóng mang dò
tìm xung đột CSMA/CD (CSMA/Collision Detection) và đa truy nhập cảm nhận
sóng mang tránh xung đột CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance).
Vào những năm 1970, Norman Abramson cùng các đồng sự tại Đại học Hawaii đã
phát minh ra một phương pháp để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyền. Đó là giao
thức ALOHA.
Trong một hệ thống ALOHA, nếu trạm phát có dữ liệu, dữ liệu sẽ ngay lập tức
được gửi đi trên đường truyền. Vì thế, nếu có 2 trạm cùng gửi dữ liệu tại một thời điểm,sẽ
xảy ra xung đột, và làm mất gói tin.
Năm 1972, Robert đã phát triển một giao thức mới là Slotted ALOHA, bằng cách
chia thời gian truyền thành các khe thời gian nhỏ, và mỗi gói tin sẽ được gửi đi ở đầu mỗi
khe thời gian, nhằm làm giảm xung đột so với giao thức ALOHA ban đầu.

2.2 Cơ chế hoạt động của slotted ALOHA
2.2.1 Cơ chế hoạt động của mô hình mạng ALOHA

Cơ chế hoạt động của giao thức ALOHA được coi làđơn giản nhất trong các cơ
chế đa truy nhập và hoạt động theo nguyên tắc sau: góitin mới đến một nút sẽ được
Page


truyền ngay; khi xảy ra xung đột do có hai nút pháttrong cùng một khoảng thời gian gọi
là khoảng thời gian tổn thương (vulnerabletime) thì các gói tin được truyền lại sau một
khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên.

Hình 1: Hoạt động của giao thức ALOHA
Giả thiết lưu lượng đến từ một số lượng hữu hạn người dùng và tuân theo
quá trình Poisson với tốc độ đến trung bình  gói/s, mỗi gói tin được truyền với thời gian
cố định T giây. Một truyền dẫn tại thời điểm t thành công khi và chỉ khi không
có một truyền dẫn khác xuất hiện trong khoảng thời gian tổn thương. Tốc
độ tải yêu cầu trong thời gian gửi một gói tin được kí hiệu là G, bao gồm những gói
tin cần truyền dẫn lại và những gói tin mới đến trong khoảng thời gian này. Thông
lượng kênh S được tính theo công thức dưới đây:

Page


2.2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức Slotted ALOHA (ALOHA phân khe, a-ALOHA)

Hình 2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA
Giao thức này sử dụng cơ chế truyền đồng bộ trên các khethời gian như trong
phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA vàcác nút chỉ có thể truyền gói
tại thời điểm bắt đầu của một khe thời gian. Do khoảngthời gian tổn thương trong trường
hợp này chỉ là T thay vì 2T như trong giao thứcALOHA nên hiệu năng đỉnh của ALOHA
phân khe tăng gấp 2 lần. Thông lượng Strong trường hợp này xác định qua số gói tin
truyền dẫn thành công trong khoảngthời gian truyền dẫn một gói tin là:

Với giao thức truy nhập kênh ALOHA, thông lượng tối đa có thể đạt đượccủa hệ
thống là S=1/2e=0.1839 tại G=0.5. Trong khi đó, với giao thức truy nhậpkênh ALOHA
phân khe, thông lượng kênh đạt cực đại với G 1 và S e 1/ 0.37được thể hiện trên
Hình 3. Như vậy, giao thức ALOHA phân khe cho thông lượngcực đại cao gấp 2 lần so
với giao thức ALOHA nhưng buộc phải trả giá về vấn đềđồng bộ thời gian.

2.3 Đánh giá hiệu năng.
-

Giả sử có N trạm gửi dữ liệu vào mạng với lưu lượng tới tuân theo tiến trình
Poison với các tham số { λ1, λ2, λ3,.... λN}.

-

Kênh truyền có dung lượng là C (bit/s)

Page


-

Các gói tin có kích thước cố định là L.

-

Thời gian phục vụ gói ts = L/C.

-

Giả sử tại thời điểm t0, gói pi của trạm i truy nhập kênh. Vậy trong khoảng thời
gian Tx=ts, nếu có một gói khác cùng truy nhập kênh sẽ xảy ra xung đột.

-

Gọi G là số lần truy nhập kênh trong khoảng thời gian ts
G = λts.

-

S là số lần truy nhập thành công trong thời gian ts

-

S = Ge-G.

-

= e-G - Ge-G.

-

Phương trình trên đạt cực trị tại G=1, S=0,368.

-

Vậy thông lượng kênh của giao thức Slotted ALOHA đạt cực đại bằng
36,8% khi tải đầu vào là 100%. Hiệu năng của slotted ALOHA gấp đôi
pura ALOHA.

Page


Hình 3: Thông lượng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và Slotted
ALOHA

2.4 Ưu nhược điểm của giao thức Slotted ALOHA
2.4.1 Ưu điểm
-

Đơn giản.

2.4.2 Nhược điểm
-

Các trạm phải đồng bộ thời gian.

-

Hiệu suất thấp, nhiều xung đột.

-

Lãng phí thời gian do có các slot rỗi.

Page


Page

2.5 Sơ đồ thuật toán của quá trình mô phỏng s-ALOHA

.
Hình 4: Sơ đồ thuật toán
-

Các gói tin có cùng 1 kích thước.

-

Thời gian được chia thành các khoảng rời rạc bằng nhau, bằng thời gian lan
truyền một gói tin.

-

Khi một trạm có gói tin cần gửi đi, nó sẽ đợi đến khi bắt đầu một slot mới thì
bắt đầu gửi gói tin lên đường truyền.

-

Khi có 2 trạm cùng truy cập đường truyền tại 1 slot, sẽ có xung đột xảy ra và
gói tin bị mất.

-

Sau khi gửi gói tin đi một khoảng thời gian Tp = round trip time, nếu trạm gửi
nhận được tín hiệu ACK, nghĩa là gói tin đã được truyền thành công. Nếu
không nhận được tín hiệu ACK nghĩa là gói tin đã bị mất. Lúc này trạm phải
đợi 1 khoảng thời gian ngẫu nhiên gọi là Back off time TB, sau đó gói tin bị

mất sẽ được truyền lại ở đầu của slot kế tiếp.
Page


Hình 5: Tranh chấp gói trong hệ thống s-ALOHA
-

Khi có gói tin được gửi trên kênh truyền, kênh truyền ở trạng thái Busy. Khi
không có gói tin nào được gửi, kênh truyền ở trạng thái Idle.

Page


3. Thực hiện

Hình 6: Mô phỏng giao thức Slotted ALOHA bằng Matlab

Page


KẾT LUẬN
Nhóm đã thực hiện mô phỏng mô hình mạng Slotted ALOHA bằng phần mềm
matlab. Nhóm cũng đã thu được kết quả cho thấy sự khác nhau giữa lý thuyết và mô
phỏng hình ảnh thực tế của loại giao thức này.Kết quả mô phỏng thực tế chỉ xấp xỉ xung
quang đường đồ thị thể hiện kết quả theo lý thuyết. Nhóm cũng hiểu thêm được về cơ chế
xây dựng giao thức này, hiểu được ưu, nhược điểm của nó. Tuy nhiên, do kinh nghiệm và
khả năng có hạn nên chắc chắn kết quả của nhóm đạt được còn nhiều hạn chế và thiếu
sót.

Page

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Page