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, nhậndữ liệu, kiểm soát hiệu quả, chất lượng truyền tin và xử lý các lỗi. Yêu cầu về xử lý vàtrao 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 hìnhmạng ALOHA là một phương pháp để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyền được nghiên cứu và xây dựng từ rất sớm. Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo TS. Trần Quang Vinh 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.
|Page TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Mơn: Mạng Máy Tính Đề Tài: Lập trình mơ mơ hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu trường hợp tải nhẹ, trung bình cao Giảng viên hướng dẫn: Nhóm thực Hà Nội, 4/2023 MỤC Họ Tên : TS Trần Quang Vinh Nhóm MSSV Nguyễn Văn Hồi 20A17010161 Nguyễn Thanh Chức 20A17010084 Nguyễn Tiến Hưng 20A17010097 Nguyễn Đăng Đồng 20A17010038 LỤC Chương 20A17010176 1: Cơ Thân Thành Quân sở lý thuyết Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page 1.1 Nhiệm vụ lớp MAC 1.2 Slotted-ALOHA .6 1.2.1 Giới Thiệu Chung 1.2.1 Ưu Nhược Điểm 1.2.2 Sơ đồ thuật tốn q trình mơ S-ALOHA .8 Chương 2: Mô hoạt động đánh giá hiệu Slotted ALOHA 10 2.1 Đánh Giá Hiệu Năng 10 2.2 Mô hoạt động Slotted ALOHA phần mềm 12 2.2.1 Kịch Bản Tải Nhẹ 13 2.2.2 Kịch Bản Tải Trung Bình .14 2.2.3 Kịch Bản Tải Cao 14 2.3 Nhân Xét Các Kịch Bản Đánh Giá Hiệu Năng Slotted Aloha .15 KẾT LUẬN .16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Danh Mục Hình Ảnh Hình 1 MAC and LLC Layer Hình Giao thức Slotted ALOHA Hình Đánh Giá Hiệu Năng Slotted Aloha Hình 4: Flow Chart Slotted Aloha Hình 5: Cách Thức Truyền Lại Của Slotted Aloha .9 Hình 1: Đánh Giá Hiệu Năng Của Slotted Aloha Và Pure Aloha .11 Hình 2 : Giao diện phần mềm mô Slotted Aloha 12 Hình 3: Giao diện ứng dụng bắt đầu mơ 13 Hình : Biểu đồ Khi Tải Đầu Vào Nhẹ 13 Hình 5: Biểu đồ Khi Tải Đầu Vào Trung Bình 14 Hình 6: Biểu đồ Khi Tải Đầu Vào Cao .14 Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Lời Mở Đầu Ngày nay, nhu cầu sử dụng máy tính không ngừng tăng lên số lượng ứng dụng, đặc biệt phát triển hệ thống mạng máy tính, kết nối máy tính lại với thông qua môi trường truyền tin để chia sẻ tài nguyên mạng góp phần làm tăng hiệu ứng dụng tất lĩnh vực khoa học kỹ thuật, kinh tế, quân sự, văn hố Từ đó, Mạng máy tính trở thành lĩnh vực nghiên cứu, phát triển quan trọng bảo đảm truyền tin đáng tin cậy, xác, phù hợp tốc độ đảm bảo an tồn thơng tin mạng Việc trao đổi thông tin, cho dù đơn giản nhất, phải tuân theo quy tắc định Việc truyền tín hiệu mạng cần phải có quy tắc, quy ước nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) liệu thủ tục gửi, nhận liệu, kiểm soát hiệu quả, chất lượng truyền tin xử lý lỗi Yêu cầu xử lý vàtrao đổi thông tin người sử dụng cao quy tắc nhiều phức tạp hơn.Tập hợp tất quy tắc, quy ước gọi giao thức (Protocol) mạng Trong nội dung mơn học, nhóm sinh viên chúng em giao đề tài “Lập trình mơ hoạt động mơ hình mạng Slotted ALOHA Đánh giá hiệu sử dụng kênh truyền điều kiện: tải nhẹ, trung bình, cao.” Có thể nói, mơ hìnhmạng ALOHA phương pháp để giải toán cấp phát kênh truyền nghiên cứu xây dựng từ sớm Nhóm chúng em xin cảm ơn thầy giáo TS Trần Quang Vinh bảo, góp ý, bổ sung, hướng dẫn tận tình để nhóm hồn thành tập này.Do kinh nghiệm khả có hạn nên chắn kết nhóm đạt cịn nhiều hạn chế thiếu sót Nhóm mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên Nhóm xin chân thành cảm ơn ! Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Nhiệm vụ lớp MAC Một vấn đề mà mạng băng rộng tập trung vào lớp MAC (Medium Access Control) - Lớp điều khiển truy nhập Nhiệm vụ: Quy định việc đánh địa MAC cho thiết bị mạng Đưa chế chia sẻ môi trường vật lý kết nối nhiều máy tính Phỏng tạo kênh truyền song công (duplex channel), đa điểm (multipoint) Một số vấn đề lớp MAC: Hiệu suất: Chia sẻ tài nguyên kênh truyền với hiệu suất cao với kênh truyền với dung lượng C, phải truyền với thơng lượng T C Tính cơng bằng: Chia sẻ tài nguyên (băng thông, tài nguyên vô tuyến …) cách cơng thiết bị truy cập Hình 1.1 MAC and LLC Layer Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page 1.2 Slotted-ALOHA 1.2.1 Giới Thiệu Chung Hình 1.2 Giao thức Slotted ALOHA Giao thức Slotted ALOHA thể hình 1.2 Giao thức giống với pure ALOHA, nhiên kênh truyền chia thành khe thời gian (slot), slot dài t s Các trạm truy nhập kênh thời điểm đầu slot Nếu nhiều hai gói tin phát slot xảy va chạm Nếu có va chạm máy vừa gửi gói tin phải gửi lại đầu time slots với xác suất p đến thành công (đợi số time slots hay backoff ngẫu nhiên trước gửi lại) Trong Slotted ALOHA, khoảng thời gian nhạy cảm T x =2 t s Xác suất truyền thành cơng gói tin Psucc xác suất khơng có trạm khác gửi gói tin khoảng thời gian t s − λt s ( λ t s) e P≻¿ P0 ( t s )= 0! =e− λt =e−G s Thông lượng S hệ thống là: −G S=G P¿ =G e Hàm số S(G) đạt cực đại G = 1, S =e−1≈ 0.368 Hiệu suất slotted ALOHA Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Hình 1.3 Đánh Giá Hiệu Năng Slotted Aloha Vậy thơng lượng kênh giao thức Slotted ALOHA đạt cực đại bằng36,8% tải đầu vào 100% 1.2.1 Ưu Nhược Điểm Ưu điểm - Đơn giản Nhược điểm - Các trạm phải đồng thời gian - Hiệu suất thấp, nhiều xung đột - Lãng phí thời gian có slot rỗi Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page 1.2.2 Sơ đồ thuật tốn q trình mơ S-ALOHA Hình 1.4 Flow Chart Slotted Aloha Các gói tin có kích thước - Thời gian chia thành khoảng rời rạc nhau, thời gian lan truyền gói tin - Khi trạm có gói tin cần gửi đi, đợi đến bắt đầu slot bắt đầu gửi gói tin lên đường truyền - Khi có trạm truy cập đường truyền slot, có xung đột xảy gói tin bị - Sau gửi gói tin khoảng thời gian Tp = round trip time, trạm gửi nhận tín hiệu ACK, nghĩa gói tin truyền thành cơng Nếu khơng nhận tín hiệu ACK nghĩa gói tin bị Lúc trạm phải đợi khoảng thời gian ngẫu nhiên gọi Back off time TB, sau gói tin bị truyền lại đầu slot Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Hình Cách Thức Truyền Lại Của Slotted Aloha Khi có gói tin gửi kênh truyền, kênh truyền trạng thái Busy Khi khơng có gói tin gửi, kênh truyền trạng thái Idle Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Chương 2: Mơ hoạt động đánh giá hiệu Slotted ALOHA 2.1 Đánh Giá Hiệu Năng - Giả sử có N trạm gửi liệu vào mạng với lưu lượng tới tuân theo tiến trình Poison với tham số { λ1, λ2, λ3, λN} - Kênh truyền có dung lượng C (bit/s) - Các gói tin có kích thước cố định L L - Thời gian phục vụ gói ts = C - Giả sử thời điểm t0, gói pi trạm i truy nhập kênh Vậy khoảng thời gian Tx = ts, có gói khác truy nhập kênh xảy xung đột Hình 2.1 Giao Thức Slotted Aloha Gọi G số lần truy nhập kênh khoảng thời gian ts G = λts S số lần truy nhập thành công thời gian ts - S = Ge-G - = e-G – Ge-G - Phương trình đạt cực trị G = 1, S = 0,368 - Vậy thông lượng kênh giao thức Slotted ALOHA đạt cực đại 36,8% tải đầu vào 100% Hiệu slotted ALOHA gấp đơi pure ALOHA Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Hình Đánh Giá Hiệu Năng Của Slotted Aloha Và Pure Aloha Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page 2.2 Mơ hoạt động Slotted ALOHA phần mềm Việc mô hoạt động Slotted ALOHA thực phần mềm thiết kế Omnet++ Giao diện phần mềm thiết kế hình 2.2 Hình 2.2 Giao diện phần mềm mơ Slotted Aloha Để đánh giá hiệu suất kênh truyền mơ hình Slotted Aloha, nhóm chúng em đánh giá qua kịch mô phỏng, tương ứng với ba trường hợp tải Nhẹ, Trung Bình Tải Lớn Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page Hình 2.3 Giao diện ứng dụng bắt đầu mơ 2.2.1 Kịch Bản Tải Nhẹ Hình 2.4 Biểu đồ Khi Tải Đầu Vào Nhẹ Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page 2.2.2 Kịch Bản Tải Trung Bình Hình 2.5 Biểu đồ Khi Tải Đầu Vào Trung Bình 2.2.3 Kịch Bản Tải Cao Hình Biểu đồ Khi Tải Đầu Vào Cao Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page 2.3 Nhân Xét Các Kịch Bản Đánh Giá Hiệu Năng Slotted Aloha Từ biểu đồ kịch khảo sát, ta đánh giá hiệu suất kênh truyền mạng Slotted Aloha sau: Khi tải mạng thấp, tỷ lệ xung đột giảm giao thức Slotted Aloha hoạt động hiệu Mỗi khung liệu truyền khe thời gian mà khơng gặp xung đột với khung liệu khác Điều dẫn đến tăng tốc độ truyền liệu giảm độ trễ Tuy nhiên, tải mạng tăng lên, tỷ lệ xung đột tăng Nếu có nhiều khung liệu truyền vào khe thời gian, xung đột xảy dẫn đến giảm hiệu suất giao thức Khi đó, phần tử lỗi truyền lại khe thời gian sau đó, làm giảm tốc độ truyền liệu tăng độ trễ Do đó, hiệu suất Slotted Aloha tốt trường hợp tải nhẹ trung bình Khi tải mạng tăng lên cao, hiệu suất Slotted Aloha giảm đáng kể Tóm lại, giao thức Slotted Aloha hoạt động hiệu trường hợp tải nhẹ trung bình, nhiên, khơng phù hợp để sử dụng mạng có tải cao Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page KẾT LUẬN Như nhóm em hồn thành mơ mạng Slotted ALOHA đánh giá hiệu mạng Slotted ALOHA giao thức có hiệu suất tốt nhiều so với pure ALOHA (gấp đôi, nhiên cịn thấp) Nhóm hiểu thêm chế xây dựng giao thức này, hiểu ưu, nhược điểm Tuy nhiên, kinh nghiệm khả có hạn nên chắn kết nhóm đạt cịn nhiều hạn chế thiếu sót, xin cảm ơn trân thành thầy Trần Quang Vinh đồng hành chúng em kì học vừa qua, giúp đỡ nhóm hồn thành báo cáo Qua báo cáo chúng em hiểu thêm tầng mơ hình mạng OSI TCP/IP, giao thức, cách hoạt động Một lần nữa, cảm ơn Thầy hướng dẫn tận tình chúng em để chúng em hồn thiện Báo Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh |Page TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Quang Vinh, Slide giảng Mạng máy tính, 2019 [2] Giáo Trình Mạng Máy Tính – Viện Đại Học Mở Hà Nội, 2012 [3] Esa Alghonaim, Simulation of the Slotted Aloha Protocol Project, King Fahd University of Petroleum and Minerals, 2004 [4] James F Kurose and Keith W.Ross, Computer Networking A Top-Down Approach, 6th edition, Addison-Wesley, 2013 [5] Eytan Modiano, Packet Multiple Access: The Aloha Protocol, MIT [5] https://github.com/afcuttin/aloha Nhóm Bài Tập Lớn Mạng Máy Tính Ts.Trần Quang Vinh