TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, công nghệ thông tin có vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội hiện đại Lĩnh vực mạng máy tính đang phát triển nhanh chóng, với số lượng người sử dụng Internet để truy cập các tài nguyên như trang web, dịch vụ âm thanh, hình ảnh và video ngày càng tăng.
Vấn đề này đặt ra nhiều thách thức trong việc đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu trên mạng, bao gồm băng thông lớn, tốc độ bit cao và độ trễ thấp Người dùng cần truy cập vào máy chủ ở khoảng cách địa lý xa mà vẫn đảm bảo độ tin cậy và tính bảo mật của dữ liệu.
Giao thức TCP/IP, ra đời vào những năm 1970, vẫn là giao thức truyền tải chính cho mạng máy tính hiện nay Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng cao từ người dùng và sự phát triển của các nhà cung cấp dịch vụ, giao thức này đang bộc lộ nhiều hạn chế Do đó, việc cải tiến TCP/IP trở thành yêu cầu cấp thiết, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều giao thức mới đang được nghiên cứu Trong số đó, giao thức CCN (CCNx) đang nổi lên như một xu hướng phổ biến.
Hiện nay, xu hướng mạng đang thúc đẩy sự hội tụ giữa dịch vụ viễn thông và công nghệ thông tin, trong đó công nghệ di động đóng vai trò chủ đạo Công nghệ này không chỉ hỗ trợ các ứng dụng thiết thực mà còn phát triển mạnh mẽ Các thiết bị di động thông minh như máy tính bảng và điện thoại thông minh với tính năng đa dạng và giá cả hợp lý đã trở thành lựa chọn phổ biến của người dùng.
CCN (Content Centric Networking) là một giao thức mạng tiên tiến, được xem là giải pháp cho tương lai, nhưng cần nghiên cứu sâu hơn để đánh giá hiệu quả và tính khả thi của nó, đặc biệt trong việc hỗ trợ di động Vì lý do này, tôi đã chọn đề tài "Nghiên cứu hiệu năng của Content Centric Networking – CCN trong môi trường không dây" để khám phá và phân tích những tiềm năng của CCN trong bối cảnh mạng không dây.
Các công trình nghiên cứu liên quan
Hiện nay chưa có công trình nào ở trong nước liên quan đến đánh giá hiệu năng cho mạng Content Centric Networking
Mặc dù đã có một số nghiên cứu về trải nghiệm nội dung trên mạng CCN ở nước ngoài, nhưng chưa có bài nào thực sự phân tích hiệu năng của CCN Bài báo “Content-centric wireless networking: A survey” từ Đại học Reggio Calabria, Italy, xuất bản năm 2014 trên tạp chí sciencedirect.com, đã đề cập đến giao thức CCN trong môi trường không dây, nhưng vẫn chưa cung cấp thông tin về tính hiệu quả của CCN trong bối cảnh này Nghiên cứu cũng chỉ ra những vấn đề tồn tại mà đề tài luận văn đang quan tâm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu mạng CCN
2.1.1 Sự ra đời của mạng CCN
Internet đã trở thành một kết nối phổ biến toàn cầu, cho phép giao tiếp, chia sẻ tài nguyên và điều khiển từ xa một cách dễ dàng Khi truy cập Internet, người dùng thường quan tâm đến nội dung và tương lai của nó Tuy nhiên, các nguyên tắc và kiến trúc của Internet, được phát triển cách đây gần 50 năm, đang gây ra một số vấn đề cho người sử dụng do sự không tương thích của mô hình giao thức IP.
Tính sẵn sàng của nội dung có thể bị ảnh hưởng bởi việc truy cập vào các tài liệu khó khăn, sử dụng cơ chế CDN, mạng P2P hoặc phải trả chi phí cao để nâng cao băng thông.
Tính bảo mật: Nội dung dễ bị thất lạc, vị trí và thông tin kết nối không đáng tin cậy
Phụ thuộc vị trí: Bản đồ đường đi từ nội dung đến vị trí đích có cấu hình cũng như việc thực hiện các dịch vụ mạng phức tạp
Hinh 2.1 So sánh các lớp giao thức của IP và CCN dựa vào địa chỉ IP
Giao tiếp trong CCN dựa trên việc sử dụng dữ liệu thông qua hai loại gói tin: gói Interest và gói Data Gói Interest được sử dụng để gửi yêu cầu nội dung, trong khi gói Data là phản hồi cho gói Interest đó Người dùng phát đi yêu cầu nội dung bằng cách broadcast gói Interest trên các mạng hiện có Bất kỳ node nào nhận được gói Interest và có dữ liệu yêu cầu sẽ phản hồi bằng gói Data, và mỗi gói Data chỉ phản hồi cho một gói Interest cụ thể Cả hai gói tin này đều trao đổi dữ liệu dựa trên tên, cho phép các node khác nhau cùng chia sẻ thông tin qua cơ chế multicast tiêu chuẩn.
Hinh 2.2 Gói tin CCN Data thỏa mãn Interest nếu tên nội dung trong gói Interest là 1 tiền tố của tên nội dung trong gói Data
Các gói Interest và Data trong mô hình CCN hoạt động theo cơ chế một – cho – một, duy trì trạng thái cân bằng lưu lượng tương tự như sự cân bằng giữa các gói Data và Ack trong giao thức TCP Điều này mang lại khả năng mở rộng và thích ứng cao cho mô hình, mặc dù CCN khác biệt ở chỗ nó sử dụng cơ chế chuyển giao nhiều điểm.
Hinh 2.3 Xử lý các gói tin Interest/Data và chuyển tiếp hoạt động trong CCN
2.1.3 Tên dữ liệu trong CCN
Trong mạng CCN, tên dữ liệu được tổ chức theo cơ chế phân cấp rõ ràng, bao gồm nhiều thành phần Tương tự, IP cũng áp dụng quy tắc phân cấp để giải quyết địa chỉ mạng và host Cơ chế này không chỉ linh hoạt trong việc định tuyến mà còn hỗ trợ tìm kiếm nhanh chóng.
Gói Interest và gói Data bao gồm các thành phần như được minh họa trong Hình 2.2 Dữ liệu sẽ đáp ứng yêu cầu khi ContentName trong gói Interest là tiền tố của ContentName trong gói Data ContentName, tên ảo trong CCN, được biểu diễn dưới dạng nhị phân và được cấu thành từ các thành phần theo quy định rõ ràng.
Tên có chiều dài linh hoạt, tương tự như một đường dẫn đến tệp hệ thống Cấu trúc của nó bao gồm thông tin định tuyến ở đầu và tên tổ chức theo sau.
Hinh 2.4 Cơ chế phân cấp nội dung trong mạng CCN Các tên trong CCN linh hoạt giúp hỗ trợ tính thông suốt trong lưu trữ, trong việc kết hợp giữa tĩnh và động để khởi tạo nội dung, giống như web thông thường ngày nay Các tiền tố tên cũng độc lập với ngữ cảnh,có thể phụ thuộc vào nội dung đăng tải thuộc thể loại gì, tùy theo từng trường hợp mà nhà cung cấp có thể khai báo các tên khác nhau Ví dụ như:
Hinh 2.5 Ví dụ tên CCN Tên CCN được chia thành các thành phần, phần Tên định tuyến là phần tên được lấy theo tên website được dùng để tải nội dung lên Có quy tắc đặt tên cho các nội dung trong các nguồn dữ liệu để tận dụng khả năng phục hồi của các gói Interest và ứng dụng có thể tìm dữ liệu thông qua cây tên phân cấp (Hình 2.3) Tên của các website giao dịch trên Internet là duy nhất Do đó dùng nó làm tên định tuyến Phần tên tổ chức dùng để phân loại, sắp xếp nội dung đúng trật tự Như trên ví dụ là loại video với tên file là ‘WidgetA’ và phần mở rộng ‘.mpg’, nên được xếp vào (videos/Widget.mpg) Phần cuối cùng là phần phiên bản hoặc phân đoạn, phần này có thể là tự động hoặc là đánh số bằng tay Số phiên bản được thêm vào file trùng tên /parc.com/videos/Widget.mpg để thể hiện tải lên lần thứ mấy, điều đó tạo ra sự khác biệt và tên được tạo ra là duy nhất Số phân đoạn, nó chỉ xảy ra khi file tải lên có kích thước lớn hơn quy định thì gói Data sẽ được chia nhỏ ra thành các Octet, số phân đoạn được đánh số cụ thể.
Mô hình hoạt động của mạng CCN
Mỗi node trong mạng CCN bao gồm các giao diện và ba bảng chính: Kho nội dung (CS), Bảng chờ Interest (PIT) và Bảng chuyển tiếp Interest (FIB) Cấu trúc này được thể hiện rõ trong Hình 2.6.
Hinh 2.6 Các thành phần của 1 node trong mạng CCN
Content Store (CS) là kho lưu trữ nội dung, tương tự như bộ nhớ đệm của bộ định tuyến IP nhưng có cơ chế thay thế khác Trong giao thức IP, mỗi gói Packet chỉ có giá trị trong quá trình truyền tải và sẽ bị xóa ngay khi hoàn tất, trong khi CS trong CCN giữ lại giá trị của các gói Data để phục vụ cho nhiều người dùng khác nhau Điều này cho phép tối đa hóa khả năng chia sẻ, giảm thiểu băng thông và độ trễ, với việc lưu trữ Data lâu nhất có thể trong CS theo cơ chế thay thế LRU hoặc LFU Cấu trúc của CS được thiết kế để hỗ trợ hiệu quả cho việc truy cập nội dung, như video trên Youtube hay tạp chí điện tử.
Bộ nhớ CS đóng vai trò quan trọng trong mạng nội dung (CCN) với khả năng phân bổ hiệu suất cho nội dung Nội dung được lưu trữ trong CS trong một khoảng thời gian nhất định, được gọi là TTL (Thời gian sống), và CS không bị tràn TTL của dữ liệu được thiết lập bởi ứng dụng và được gán một cách cẩn thận để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Bảng Pending Interest Table (PIT) chứa tiền tố tên và giao diện của gói Interest, giữ lại các yêu cầu đã chuyển lên nguồn chứa nội dung để đảm bảo gói Data có thể được trả về đúng người yêu cầu Trong CCN, chỉ có gói Interest được định tuyến, được truyền về phía nguồn tiềm năng và giữ lại một phần để khớp với gói Data trả về Mỗi mục trong PIT là một phần của gói Interest và sẽ bị xóa ngay khi gói Data khớp được chuyển tiếp cho người yêu cầu Nếu không có gói Data khớp sau một thời gian chờ tối đa, các mục PIT sẽ bị xóa khi người dùng kết thúc yêu cầu; ngược lại, chúng sẽ tiếp tục chờ nếu yêu cầu vẫn còn, được gọi là trạng thái mềm.
Hinh 2.8 Cấu trúc bảng PIT
Bảng FIB (Forwarding Interest Base) bao gồm tiền tố và giao diện face, được sử dụng để chuyển tiếp các gói Interest đến các nguồn dữ liệu tiềm năng nhằm khớp dữ liệu Nó cho phép chuyển tiếp đồng thời đến nhiều giao diện, không bị giới hạn bởi cây mở rộng spanning tree, và hỗ trợ truy vấn song song từ các nguồn dữ liệu.
Hinh 2.9 Cấu trúc bảng FIB trong CCN
2.2.2 Định truyến trong mạng CCN
Ngày nay, có nhiều giải pháp hiệu quả cho vấn đề định tuyến, trong đó mô hình CCN hoạt động tốt với các mô hình IP nhờ vào khả năng chuyển tiếp linh hoạt và ít hạn chế hơn Mỗi bộ định tuyến CCN có thể truyền nhu cầu theo kiểu Hop-by-Hop, cho phép phản hồi ngay lập tức nếu dữ liệu đã được sao chép trong bộ nhớ đệm Nếu không, yêu cầu sẽ được chuyển tới bộ định tuyến nguồn dữ liệu phù hợp dựa trên bảng FIB, trong khi bảng PIT duy trì yêu cầu để định hướng theo tuyến ngược lại CCN sử dụng giao thức định tuyến thông minh tương tự như mô hình Flooding, giúp hướng thông tin theo cách khuếch tán trong giai đoạn trước cấu trúc liên kết mạng, nơi mà tính chất đồng đều và vị trí chưa được xác định.
Hinh 2.10 ví dụ định tuyến
2.2.2.1 Định tuyến trạng thái liên kết nội bộ miền
Giao thức định tuyến nội bộ miền cho phép các nút tìm kiếm và mô tả kết nối khu vực bên cạnh cùng kết nối trực tiếp đến nguồn dữ liệu Nó có hai chức năng chính: thứ nhất là các kết nối trong lược đồ, và thứ hai là thông tin có sẵn tại các nút cụ thể trong đồ thị Hai chức năng này thường được thực hiện tại các miền thông tin khác nhau Việc chuyển tiếp trong IP và CCN tương tự nhau, cả hai đều sử dụng phương pháp tìm kiếm và so khớp dựa trên tiền tố để xác định láng giềng và khu vực gần kề Bảng FIB của IP và CCN tương đương, do đó, FIB trong IP có thể dễ dàng được điều chỉnh để khởi tạo FIB trong CCN.
Các tiền tố trong CCN khác biệt so với IP, nhưng cả ISIS và OSPF đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tài nguyên thông qua TLV.
Hình 2.10 minh họa một ví dụ về định tuyến dữ liệu, trong đó khi người dùng tại E yêu cầu dữ liệu với tiền tố ‘/parc.com/media/art’, một mục mới sẽ được thêm vào bảng FIB của khu vực nhận thông báo Cả A và B đều có tiền tố ‘/parc.com/media/art’, nhưng lớp B còn bao gồm thêm ‘/parc.com/media’ Do đó, yêu cầu từ E sẽ được gửi đến cả A và B Khi có yêu cầu về file dữ liệu cụ thể, A và B sẽ cùng nhau tìm kiếm và khớp thông tin để đáp ứng đúng yêu cầu của người dùng.
Dữ liệu được tìm thấy ở vị trí ngắn nhất sẽ được chuyển đi, nhờ vào việc CCN tự động xây dựng mô hình mạng tối ưu cho cả băng thông và độ trễ.
Khi có nhiều thông báo với tiền tố giống nhau, IP sẽ gửi tất cả dữ liệu phù hợp chính xác cho một yêu cầu, trong khi CCN sẽ để tất cả các nút phù hợp với Interest gửi cho tất cả các yêu cầu Sự khác biệt này xuất phát từ cách mà các thông báo được hiểu: với IP, thông báo cho biết “tất cả các Host với tiền tố này được tìm thấy bởi tôi”, trong khi CCN thông báo rằng “một vài nội dung với tiền tố này có thể được tìm thấy bởi tôi” Sự khác biệt về ngữ nghĩa này không làm thay đổi IGP mà chỉ ảnh hưởng đến quá trình thực thi mà không thay đổi giao thức.
Một nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) đã áp dụng CCN để triển khai định tuyến nội dung, giúp giảm chi phí ngang hàng bằng cách chỉ cần một bản sao nội dung có thể phục vụ cho nhiều người dùng Điều này không chỉ giảm độ trễ trung bình mà còn tạo ra một cơ chế khuyến khích phát triển từ dưới lên trong CCN.
Vấn đề chính của triển khai từ dưới lên là thu hẹp khoảng cách giữa các tên miền có bộ định tuyến nội dung nhưng bị ngăn cách bởi ISP không hoạt động Chẳng hạn, một bộ định tuyến tại “parc.com” cần nhận nội dung từ tiền tố “mit.edu”, nhưng không có định tuyến nội dung giữa PARC và MIT.
Sử dụng tiền tố tìm DNS để xác định địa chỉ IP của các Server nội dung tại MIT, giúp xây dựng kênh giao diện UDP kết nối các bộ định tuyến nội dung một cách tự động và theo yêu cầu Các ISP của PARC và MIT hỗ trợ quá trình định tuyến này, cho phép chuyển tiếp các Interest trực tiếp đến MIT ngay cả khi các ISP không hoạt động Điều này loại bỏ nhu cầu về cơ chế định hướng nội dung cho ISP, tuy nhiên, lược đồ này không hiệu quả khi khoảng cách không nằm ở các cạnh.
Vấn đề có thể được giải quyết bằng cách tích hợp các tiền tố nội dung miền vào BGP, cho phép các miền quảng cáo các tiền tố nội dung của người dùng BGP định tuyến liên miền hiện tương đương với cơ chế IGP TLV, giúp mỗi miền xây dựng bản đồ cấu trúc liên kết tương tự như trong IGP, nhưng ở cấp độ AS-Autonomous System thay vì tiền tố mạng Bản đồ này phục vụ cho việc tìm kiếm các Interest trong các tiền tố, xác định miền gần nhất với CCN trên các đường dẫn đến các tên miền đó, từ đó áp dụng cùng một thuật toán.
Kết luận chương 2
Chương 2 của luận văn trình bày lý thuyết về mạng CCN, lý do ra đời của mô hình này, cùng với cách đặt tên trong mạng CCN Mô hình một node CCN được mô tả chi tiết, bao gồm các giao diện mạng và ba bảng quan trọng: bảng PIT lưu trữ các yêu cầu chờ phản hồi để định tuyến gói dữ liệu, bảng FIB lưu trữ tên định tuyến, và giao diện face dùng để chuyển tiếp các gói Interest đến nguồn dữ liệu tiềm năng Bộ nhớ đệm CS lưu trữ nội dung nhằm đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng khác nhau nhưng có cùng yêu cầu nội dung.
CONTENT CENTRIC NETWORKING TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY
Vấn đề CCN trong mạng không dây
Các thiết bị hiện đại như điện thoại thông minh, máy tính xách tay và máy tính bảng đang ngày càng phổ biến với khả năng kết nối Internet linh hoạt, mang lại sự di động và tiện lợi cho người dùng Mạng không dây dự kiến sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai, không chỉ trong việc duy trì kết nối giữa các thiết bị cá nhân mà còn trong việc cung cấp kết nối quy mô lớn cho các thiết bị thông minh và cảm biến Tuy nhiên, giao thức mạng truyền thống thường gặp khó khăn trong môi trường phân tán không dây do sự di chuyển giữa các nút mạng, thường xuyên xảy ra thất bại liên kết và thiếu hụt năng lượng.
Content-centric wireless networking
2.5.1 Các tính năng chính của các mạng không dây ad-hoc
Mạng không dây ad-hoc là một loại hình mạng tự phát với cấu trúc hạ tầng đơn giản, tự động hoạt động khi các node trong tầm nhìn kết nối mà không cần quản lý trung tâm Đặc điểm của mạng này bao gồm tính di động cao của các node, khả năng truyền thông đa bước (multihop), sử dụng thiết bị chạy bằng pin, và khả năng triển khai linh hoạt trong nhiều trường hợp khác nhau.
Mạng di động ad hoc (MANETs) là mạng multihop tự tổ chức, cho phép trao đổi thông tin mà không cần cơ sở hạ tầng mạng có sẵn MANETs có thể được ứng dụng trong các môi trường gia đình, văn phòng, và dịch vụ khẩn cấp Chúng có thể hoạt động độc lập để phát ra vị trí và trao đổi dữ liệu, hoặc cung cấp truy cập Internet không dây thông qua kết nối với cơ sở hạ tầng Mạng lưới mesh (WMNs) sử dụng router như các trạm, tạo thành một xương sống multihop không dây, cung cấp kết nối không dây cho các thiết bị di động qua các cổng kết nối Internet Dù việc lập kế hoạch trước cho vị trí node có thể mang lại lợi ích, mạng vẫn có khả năng phát triển linh hoạt.
Các mô hình ad-hoc là nền tảng của mạng xe cộ ad-hoc (VANETs), cho phép truyền thông giữa các phương tiện (vehicle-to-vehicle) và giữa phương tiện với hạ tầng (vehicle-to-infrastructure) VANETs cung cấp nhiều ứng dụng thiết kế riêng cho môi trường giao thông nhằm nâng cao an toàn và tiện ích cho người lái và hành khách, chẳng hạn như thông báo về các sự kiện nguy hiểm, thông tin lưu lượng, và quảng bá các địa điểm thú vị Trong môi trường VANET, các nút di động di chuyển với tốc độ cao hơn so với trong mạng MANET, dẫn đến kết nối không ổn định và một mô hình mạng rất năng động với các phân vùng thường xuyên Hơn nữa, các nút di động này không bị giới hạn bởi năng lượng, bộ nhớ hay các quy trình hạn chế.
Thiếu cơ sở hạ tầng là một đặc điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây, bao gồm hàng ngàn thiết bị với nguồn lực hạn chế và khả năng giao tiếp hạn chế Những mạng này được sử dụng cho các nhiệm vụ như giám sát môi trường, hậu cần và giám sát, do đó, chúng không thể hoạt động độc lập mà cần kết nối với máy chủ từ xa Trong đó, các thiết bị cảm biến đóng vai trò quan trọng nhất về tài nguyên năng lượng, bộ nhớ và khả năng xử lý.
Bảng 3.1 tóm tắt các tính năng chính của các mạng, cho thấy tiềm năng lớn trong nhiều trường hợp Tuy nhiên, các mạng này đối mặt với những thách thức kỹ thuật nghiêm trọng, có thể cản trở việc triển khai và sử dụng hiệu quả.
Kênh không dây có thể gặp phải nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu truyền tải, bao gồm nhiễu, mất đường truyền, giảm đa đường và hiệu ứng bóng Những yếu tố này có thể dẫn đến lỗi gói tin và mất gói, ảnh hưởng đến chất lượng kết nối.
Kênh phát sóng không dây hỗ trợ chia sẻ dữ liệu, nhưng đòi hỏi chính sách truy cập kênh cụ thể để kiểm soát va chạm và gói tin dư thừa Phân quyền truy cập kênh trong các mạng không dây thường dựa vào hướng của người gửi, có thể bị ẩn hoặc tiếp xúc với thiết bị đầu cuối, gây ra vấn đề do suy thoái sóng, đặc biệt trong các tình huống động multihop.
Tính di động của các topologies mạng di động có thể thay đổi từ thấp đến trung bình, như trong MANET, đến cao, như trong các nút vận chuyển Những thay đổi này có thể gây ra phân vùng mạng, dẫn đến tình trạng không kết nối, không liên tục và kết nối ngắn, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất định tuyến.
Ngoài yếu tố cơ sở hạ tầng, các node không dây là thiết bị chạy bằng pin với sức mạnh xử lý và khả năng lưu trữ hạn chế, điều này đặc biệt quan trọng đối với các cảm biến.
Mạng không dây ad-hoc được đặc trưng bởi việc chuyển đổi từ các mô hình máy chủ trung tâm sang phương thức giao tiếp theo định hướng nội dung.
Mô hình CCN hướng nội dung có nguồn gốc từ tài liệu về mạng không dây, với các giải pháp triển khai trên lớp IP nhằm giải quyết các nút mạng Khác với IP, kiến trúc đặt tên dữ liệu của CCN có thể áp dụng trên bất kỳ công nghệ truy cập lớp 2, mang lại hiệu quả tối ưu hơn.
Tính khả thi của việc áp dụng đầy đủ CCN trong các kịch bản không dây ad hoc, như MANETs, VANETs và WSNs, đã được thảo luận rộng rãi trong nhiều tài liệu, với một số triển khai sơ bộ Động cơ cho sự quan tâm này rất đa dạng, trong đó tính di động của người tiêu dùng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ CCN.
Khi người tiêu dùng di chuyển, họ có thể dễ dàng phát lại các gói nội dung mà họ không hài lòng từ vị trí mới Nhà cung cấp dịch vụ di động có thể cần cập nhật định tuyến, nhưng với CCN hỗ trợ nội dung đa nguồn, điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của việc thay đổi vị trí của nhà cung cấp.
CCN cho phép người dùng truy cập thông tin mà không cần biết vị trí của nút nguồn, mang lại lợi ích rõ ràng cho các ứng dụng di động Ví dụ, việc tải ảnh lên Facebook hoặc Twitter, hay video từ YouTube, là những trường hợp phổ biến cho người sử dụng điện thoại di động khi truy cập vào các ứng dụng Internet.
Các ứng dụng hiện nay liên quan đến việc trao đổi và giám sát dữ liệu, cũng như cập nhật phần mềm cho người dùng điện thoại di động trong mạng MANET Trong mạng VANET, thông tin về lưu lượng, thời tiết và chỗ đỗ xe có thể được yêu cầu mà không cần biết danh tính hoặc địa chỉ IP của xe Nhiều ứng dụng dân sự, khoa học và quân sự cũng có thể hưởng lợi từ việc phân phối dữ liệu trong mạng cảm biến lớn thông qua việc đặt tên nội dung một cách đơn giản hơn trong CCN Một ưu điểm đáng chú ý của CCN là khả năng ứng phó linh hoạt với kết nối ngắn hạn và topologies động trong môi trường không dây ad hoc Dưới các nút di động, CCN hoạt động với công suất thấp và tận dụng cơ hội tiếp xúc hạn chế, nhờ vào các đơn vị dữ liệu tự phù hợp và khai thác mạng lưới dữ liệu bộ nhớ đệm, giúp cải thiện chất lượng thông tin liên lạc trong môi trường phát sóng không dây.
Mô hình cài đặt thực nghiệm
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phần mềm CCNx phiên bản 0.8.2 để thực hiện mô hình giả lập và đánh giá kết quả các phương pháp Mã nguồn CCNx được tải trực tiếp từ trang web của PARC.
Phần mềm CCNx là một công cụ thiết kế đặc biệt cho mô hình Content-Centric Networking (CCN), sử dụng giả lập dựa trên thùng chứa và kỹ thuật cách ly nguồn dữ liệu Với tính linh hoạt, khả năng mở rộng, độ tin cậy cao và chi phí thấp, phần mềm này hỗ trợ hiệu quả cho các nghiên cứu liên quan đến CCN.
Sau khi tải mã nguồn gồm các thành phần chính như sau:
- Các thông số kỹ thuật của giao thức CCNx, các giao thức ứng dụng và quy ước
- Bộ thư viện lập trình Java, C
- Các ứng dụng mẫu: CCNChat, CCNFileProxy
- CCNx chỉ hỗ trợ nên Unix, PARC đã kiểm tra kỹ trên các hệ điều hành Ubuntu Linux, MacOS, Solaris, và FreeBSD
Các công cụ có được sau khi cài CCNx:
- CCNdstart: bắt đầu chạy CCNx
- CCNr: bắt đầu một kho chứa dữ liệu
- CCNexplore: hiển thị giao diện đồ họa để xem kho chứa dữ liệu
- CCNls: liệt kê danh sách nội dung nhận được
- CCNlsrepo: liệt kê danh sách kho chứa dữ liệu
- CCNputfile: đẩy dữ liệu từ local lên kho chứa
- CCNgetfile: lấy dữ liệu từ kho chứa xuống máy cục bộ
- CCNchat: chạy ứng dụng chat trên mạng CCN
- CCNfileproxy: chạy ứng dụng file proxy
Trong thử nghiệm thực tế cài đặt CCN vào mạng không dây, mô hình được sử dụng cho thấy băng thông truy cập vào thiết bị Wi-Fi của hai máy là tốt Cả server và client đều được cài đặt hệ điều hành Ubuntu 14.04 cùng với phiên bản CCNx 0.8.2 để hỗ trợ cho quá trình thực nghiệm.
Hình 0.1 Mô hình CCN trong mạng không dây
Hình 0.2 Thiết bị thực nghiệm
Hình 0.3 Danh sách và cấu hình thiết bị thực nghiệm
Hình 0.4 Cấu hình ip cho server
Bước 2 : Cài đặt giao thức CCN trên server
Hình 0.5 Chỉ thư mục chứa repository
Hình 0.6 Khởi động dịch vụ
Hình 0.8 tải tập tin lên repository
Hình 0.9 Định tuyến gói tin
Hình 0.10 Tải tập tin từ server về
2.9 Thực nghiệm giao thức CCN trên máy tính laptop
Dùng Wireshark tiến thành đo tốc độ truyền của file trên giao thức TCP ta có được biểu đồ hình 4.11
Hình 0.11 Biểu đồ truyền file bằng giao thức CCN
Dùng Wireshark tiến thành đo tốc độ truyền của file trên giao thức TCP ta có được biểu đồ hình 4-12
Gói tin truyền tốt Gói rớt
Hình 0.12 Biểu đồ truyền file bằng giao thức TCP/IP
Chúng tôi sẽ kết nối card không dây của laptop và access point với điểm phát sóng wifi tên là CCN
Máy Client sẽ kết nối đến máy Server trong điều kiện tốt nhất (khoảng cách đặt giữa máy Client và Server là 5 m)
Hình 0.13 Kịch bản thực nghiệm một
Trong mô hình này, tín hiệu kết nối sóng WiFi từ card mạng không dây trên laptop đến thiết bị access point đạt mức tối ưu, với khoảng cách gần nhất giữa laptop và thiết bị access point.
Tín hiệu sóng Wi-fi được đặt gần access point, thực nghiệm nhiều lần và đã vẽ biểu đồ so sánh thông lượng cho hai giao thức trên
Hình 0.15 thể hiện sự so sánh thông lượng giữa hai giao thức TCP và CCN trong một thí nghiệm Sau khi phân tích và tạo biểu đồ so sánh thông lượng, bước tiếp theo là vẽ biểu đồ độ sai số của hai giao thức này trên cùng một khoảng cách và nguồn nhất định.
Hình 0.16 Độ sai số của hai giao thức trên thực nghiệm một
Trong hai giao thức sử dụng cùng một nguồn phát và khoảng cách, khả năng không kết nối từ Client đến Server vẫn có thể xảy ra Tuy nhiên, trong điều kiện lý tưởng, giao thức CCN đảm bảo không bị mất gói tin.
Hình 0.17 Gói rớt trên thực nghiệm một Kết luận thực nghiệm một:
- Từ kết quả thực nghiệm một chúng ta thấy rằng giao thức CCN cho ta hiệu năng cao hơn giao thức TCP
- Giao thức CCN có thể giúp cho Receiver tải dữ liệu một cách nhanh chóng thông qua cơ chế cache
Trong mô hình thực nghiệm 2, laptop kết nối với thiết bị access point sẽ gặp phải tình trạng băng thông thấp do khoảng cách xa với thiết bị phát sóng và sự cản trở từ các chướng ngại vật như tường và cửa.
Hình 4.19 bên dưới sẽ cho ta thấy các thông số tín hiệu sóng của điểm phát sóng
Chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm nhiều lần với laptop được di chuyển cách access point khoảng 15m và đã vẽ biểu đồ so sánh thông lượng cho hai giao thức.
Hình 0.20 So sánh thông lượng hai giao thức TCP và CCN trên thực nghiệm hai
Hình 0.21 Độ sai số của hai giao thức trên thực nghiệm hai
Trong hai giao thức sử dụng cùng một nguồn phát và khoảng cách, khả năng không kết nối từ Client đến Server vẫn có thể xảy ra Khi sóng wifi ở mức trung bình, cả hai giao thức đều gặp tình trạng mất gói tin.
Hình 0.22 Gói rớt trên thực nghiệm hai
Kết luận thực nghiệm hai:
- Do không có sử dụng tính năng cache nên hiệu năng của giao thức CCN cao hơn không nhiều so với giao thức TCP
- Ở khoảng cách này cả hai giao điều có độ biến thiên thông lượng truyền tải dữ liệu cao
Mô hình thực nghiệm cho thấy rằng khi laptop kết nối với thiết bị access point ở khoảng cách xa, băng thông sẽ giảm do tín hiệu bị suy yếu bởi các chướng ngại vật như tường và cửa.
Hình 4.24 bên dưới sẽ cho ta thấy các thông số tín hiệu sóng của điểm phát sóng
Tín hiệu sóng Wi-Fi tại vị trí cách access point khoảng 25m cho thấy sự tương đương giữa hai giao thức, nhưng thực tế cho thấy sóng liên tục bị mất và kết nối mạng thường xuyên bị ngắt Qua nhiều lần thực nghiệm và biểu đồ so sánh thông lượng, vấn đề này trở nên rõ ràng hơn.
Hình 0.25 So sánh thông lượng hai giao thức TCP và CCN trên thực nghiệm ba
Sau khi phân tích và so sánh thông lượng của hai giao thức, chúng tôi đã vẽ biểu đồ thể hiện độ sai số của chúng trên cùng một khoảng cách và nguồn nhất định Trong lần thực nghiệm thứ ba, độ sai số ghi nhận rất lớn, cho thấy khoảng cách giữa các gói tin truyền bị đứt quãng rõ rệt.
Hình 4.27 cho thấy sự so sánh độ rớt gói giữa hai giao thức trong thực nghiệm ba Khi laptop ở vị trí xa access point, giao thức TCP thể hiện sự kết nối không ổn định hơn so với CCN Sự suy giảm tín hiệu do các vật cản gây ra dẫn đến tình trạng sóng từ access point bị chập chờn, gây mất kết nối hoàn toàn.
Mô hình thử nghiệm với 4 access point và 8 receiver trong khoảng cách 5m đã chứng minh hiệu năng của CCNx khi tải dữ liệu có kích thước giống nhau.
Hình 0.28 Mô hình thực nghiệm 4
Hình 0.29 Mô hình thực tế
Hình 0.30 So sánh thông lượng hai giao thức TCP và CCN trên tám máy
Kế tiếp dựa và thông lượng cho ra biểu đồ độ sai số cho thấy sự khác nhau giữa hai giao thức trên cùng hệ thống tám máy
Hình 0.31 So sánh độ sai số của hai giao thức trên hệ thống tám máy
Trong hình 4.32 đã cho thấy rằng các gói tin rớt trong cả hai giao thức khi được thử nghiệm trên cùng một hệ thống tám máy
Hình 0.32 Gói rớt trong cả 2 giao thức khi sử dụng trên cùng hệ thống tám máy Kết luận thực nghiệm bốn :
- Do ưu điểm của giao thức CCN là chạy trên cache nên số lượng truy cập user càng lớn hiệu năng càng cao
- Do chức năng cache của CCN nên thông lượng truyền tải dữ liệu của CCN cao hơn hẳn giao thức TCP
Chương này đã nghiên cứu mã nguồn của CCNx và cách cài đặt, thực thi mạng CCNx Đồng thời, chúng tôi cũng đã triển khai thử nghiệm mạng CCNx trong môi trường mạng không dây bằng cách xây dựng một Repository server trong LAN và client chạy hệ điều hành Ubuntu để truy cập file từ xa Kết quả thực nghiệm cho thấy các file được truyền tải nhanh chóng và có độ tin cậy cao.
- Xây dựng hệ thống mạng không dây sử dụng giao thức CCNx
- Đã thực nghiệm được server sử dụng giao thức CCNx
- Đã thực nghiệm được giao thức CCNx trong môi trường không dây
- Đưa ra được cách thức lấy các thống số, vẽ biểu đồ thông số của đường truyền theo thời gian đơn vị tính bằng giây
Thực nghiệm giao thức CCN trên máy tính laptop
Dùng Wireshark tiến thành đo tốc độ truyền của file trên giao thức TCP ta có được biểu đồ hình 4.11
Hình 0.11 Biểu đồ truyền file bằng giao thức CCN
Dùng Wireshark tiến thành đo tốc độ truyền của file trên giao thức TCP ta có được biểu đồ hình 4-12
Gói tin truyền tốt Gói rớt
Hình 0.12 Biểu đồ truyền file bằng giao thức TCP/IP
Kịch bản thực nghiệm
Chúng tôi sẽ kết nối card không dây của laptop và access point với điểm phát sóng wifi tên là CCN
Máy Client sẽ kết nối đến máy Server trong điều kiện tốt nhất (khoảng cách đặt giữa máy Client và Server là 5 m)
Hình 0.13 Kịch bản thực nghiệm một
Tín hiệu sóng wifi từ card mạng không dây trên laptop đến thiết bị access point đạt mức tối ưu khi khoảng cách giữa chúng là gần nhất.
Tín hiệu sóng Wi-fi được đặt gần access point, thực nghiệm nhiều lần và đã vẽ biểu đồ so sánh thông lượng cho hai giao thức trên
Sau khi phân tích và tạo biểu đồ so sánh thông lượng của hai giao thức TCP và CCN, bước tiếp theo là vẽ biểu đồ độ sai số của hai giao thức này trên cùng một khoảng cách và nguồn nhất định.
Hình 0.16 Độ sai số của hai giao thức trên thực nghiệm một
Trong hai giao thức sử dụng cùng một nguồn phát và khoảng cách, khả năng không kết nối từ Client đến Server vẫn có thể xảy ra Tuy nhiên, trong điều kiện lý tưởng, giao thức CCN đảm bảo không bị mất gói tin.
Hình 0.17 Gói rớt trên thực nghiệm một Kết luận thực nghiệm một:
- Từ kết quả thực nghiệm một chúng ta thấy rằng giao thức CCN cho ta hiệu năng cao hơn giao thức TCP
- Giao thức CCN có thể giúp cho Receiver tải dữ liệu một cách nhanh chóng thông qua cơ chế cache
Trong kịch bản thực nghiệm 2, laptop kết nối với thiết bị access point sẽ gặp phải mức băng thông thấp do khoảng cách xa với tầm phủ sóng của access point, cùng với sự cản trở từ các chướng ngại vật như tường và cửa nhà.
Hình 4.19 bên dưới sẽ cho ta thấy các thông số tín hiệu sóng của điểm phát sóng
Trong thử nghiệm của chúng tôi, laptop được di chuyển cách access point khoảng 15m Chúng tôi đã thực hiện nhiều lần và vẽ biểu đồ so sánh thông lượng cho hai giao thức khác nhau.
Hình 0.20 So sánh thông lượng hai giao thức TCP và CCN trên thực nghiệm hai
Hình 0.21 Độ sai số của hai giao thức trên thực nghiệm hai
Trong hai giao thức sử dụng cùng một nguồn phát và khoảng cách, khả năng không kết nối từ Client đến Server vẫn có thể xảy ra Trong điều kiện sóng Wi-Fi ở mức trung bình, cả hai giao thức đều gặp phải tình trạng mất gói tin.
Hình 0.22 Gói rớt trên thực nghiệm hai
Kết luận thực nghiệm hai:
- Do không có sử dụng tính năng cache nên hiệu năng của giao thức CCN cao hơn không nhiều so với giao thức TCP
- Ở khoảng cách này cả hai giao điều có độ biến thiên thông lượng truyền tải dữ liệu cao
Trong mô hình thực nghiệm ba, laptop kết nối với thiết bị access point sẽ gặp phải mức băng thông thấp do khoảng cách xa và bị ảnh hưởng bởi các chướng ngại vật như tường và cửa.
Hình 4.24 bên dưới sẽ cho ta thấy các thông số tín hiệu sóng của điểm phát sóng
Tín hiệu sóng Wi-fi ở vị trí cách access point khoảng 25m cho thấy sự tương đương, nhưng thực tế đã thực nghiệm nhiều lần và vẽ biểu đồ so sánh thông lượng cho hai giao thức Tại khoảng cách này, sóng liên tục bị mất và dẫn đến tình trạng ngắt kết nối mạng.
Hình 0.25 So sánh thông lượng hai giao thức TCP và CCN trên thực nghiệm ba
Sau khi phân tích và so sánh thông lượng của hai giao thức, chúng tôi đã vẽ biểu đồ thể hiện độ sai số của chúng trên cùng một khoảng cách và nguồn nhất định Trong lần thực nghiệm thứ ba, độ sai số ghi nhận rất lớn, cho thấy khoảng cách giữa các gói tin truyền bị đứt quãng rõ rệt.
Hình 4.27 so sánh độ rớt gói của hai giao thức trong thực nghiệm ba cho thấy, khi laptop ở xa access point, giao thức TCP có kết nối không ổn định hơn so với CCN Ở khoảng cách này, các vật cản gây trở ngại cho sóng từ access point, dẫn đến tình trạng chập chờn và mất kết nối hoàn toàn.
Trong thí nghiệm với mô hình gồm 4 điểm truy cập và 8 bộ thu, khoảng cách 5m đã được thiết lập để kiểm tra hiệu năng của CCNx Tất cả các thiết bị đều tải dữ liệu có kích thước giống nhau, và kết quả cho thấy rõ ràng hiệu suất của hệ thống trong điều kiện này.
Hình 0.28 Mô hình thực nghiệm 4
Hình 0.29 Mô hình thực tế
Hình 0.30 So sánh thông lượng hai giao thức TCP và CCN trên tám máy
Kế tiếp dựa và thông lượng cho ra biểu đồ độ sai số cho thấy sự khác nhau giữa hai giao thức trên cùng hệ thống tám máy
Hình 0.31 So sánh độ sai số của hai giao thức trên hệ thống tám máy
Trong hình 4.32 đã cho thấy rằng các gói tin rớt trong cả hai giao thức khi được thử nghiệm trên cùng một hệ thống tám máy
Hình 0.32 Gói rớt trong cả 2 giao thức khi sử dụng trên cùng hệ thống tám máy Kết luận thực nghiệm bốn :
- Do ưu điểm của giao thức CCN là chạy trên cache nên số lượng truy cập user càng lớn hiệu năng càng cao
- Do chức năng cache của CCN nên thông lượng truyền tải dữ liệu của CCN cao hơn hẳn giao thức TCP
Kết luận chương 4
Chương này nghiên cứu mã nguồn CCNx, cài đặt và thực thi mạng CCNx, đồng thời triển khai thử nghiệm mạng CCNx trong môi trường thực tế không dây Bằng cách xây dựng một Repository server trong LAN và sử dụng client chạy hệ điều hành Ubuntu để truy cập file từ xa, kết quả thực nghiệm cho thấy các file được truyền tải nhanh chóng và có độ tin cậy cao Đề tài đã hoàn thành các công việc nêu trên.
- Xây dựng hệ thống mạng không dây sử dụng giao thức CCNx
- Đã thực nghiệm được server sử dụng giao thức CCNx
- Đã thực nghiệm được giao thức CCNx trong môi trường không dây
- Đưa ra được cách thức lấy các thống số, vẽ biểu đồ thông số của đường truyền theo thời gian đơn vị tính bằng giây
Bài viết này trình bày tốc độ đường truyền và số liệu về các gói tin bị mất khi sử dụng các giao thức CCNx và TCP/IP để truyền tải dữ liệu giữa Server và các thiết bị khác Tuy nhiên, đề tài vẫn chưa hoàn thành công việc cần thiết để đưa ra kết luận cuối cùng.
- Do thời gian có hạn nên chưa đánh giá được chất lượng truyền cho nhiều user truy cập cùng lúc
- Chưa thiết lập được hệ thống nhiều node mạng CCN Ưu điểm :
Giao thức CCNx tương thích với phần cứng hiện tại như switch, router và access point, cho phép chuyển đổi sang hệ thống mới với chi phí đầu tư thấp Việc áp dụng giao thức CCNx không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn mang lại hiệu quả cao cho hệ thống.
- Sử dụng giao thức CCNx tốc độ truyền tải file cải thiện đáng kể và ổn định hơn so với sử dụng giao thức TCP/IP
- Hiệu năng không cao hơn nhiều so với TCP khi tất cả đường truyền có băng thông cao trong điều kiện truyền tải dữ liệu không lớn
- Không hỗ trợ trên hệ điều hành Windows.
