Đo lường, phân tích và đánh giá băng thông của giao thức đa đường TCP

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> ĐO LƢỜNG, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BĂNG THÔNG CỦA GIAO THỨC ĐA<br /> ĐƢỜNG TCP<br /> Phạm Nguyễn Huy Phƣơng1, Đặng Lê Nam1, Từ Minh Mận2, Nguyễn Thị Mai Trang3<br /> 1Khoa CNTT – Tr ờng ĐH Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM<br /> 2Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh<br /> 3Đại học Pierre and Marie Curie (Paris 6)<br /> TÓM TẮT<br /> Ng y n y mạng Internet trở th nh m t trong những ph ơng tiện gi o tiếp tiện lợi ho ả ng ời dùng ố<br /> nh v không dây Y u ầu về truyền dữ liệu ũng nh ải thiện h t l ợng truyền tải ợ tăng l n C nhiều<br /> giải pháp ể giải quyết v n ề truyền dữ liệu l tăng tố<br /> ờng truyền mạng, tăng tố<br /> x l ủ á CPU<br /> l u trữ M dù, hầu hết á thiết th ờng ợ tr ng ít nh t h i rd mạng (ví dụ: ard ethernet và card<br /> wifi, rd wifi v<br /> rd 3G v v…), nh ng hỉ<br /> m t rd mạng ợ họn v s dụng ể truyền dữ liệu ho t t<br /> ả á ứng dụng Nếu á<br /> rd mạng n y<br /> thể s dụng ồng thời, tố<br /> ủ việ truyền tải sẽ ợ tăng l n<br /> C m t giải pháp m i ể tăng tố<br /> truyền tải nữ<br /> l : Multip th TCP (MPTCP) - m t huẩn mở r ng ủ<br /> Transmission Control Protocol (TCP) - ợ thiết lập ởi nh m nghi n ứu Internet Engineering T sk For e<br /> (IETF) ho mụ í h n y Trong i áo n y, h ng tôi o l ờng v phân tí h tổng hợp tính năng hi tiết ủ<br /> MPTCP.<br /> Từ khóa:Đa giao thức TCP tổng hợp băng thông thông lượng.<br /> <br /> MPTCP BANDWIDTH AGGREGATION EVALUATION AND ANALYSIS<br /> ABSTRACT<br /> Today, the Internet has become one of the most convenient means of communication for both fixed and<br /> mobile users. The requirements of data transfer and transmission speed are increasing. There are many solutions<br /> to solve this problem such as: increase the speed of network, increase speed of CPU's server... Although most<br /> terminals are usually equipped with at least two interfaces (e.g. Ethernet and Wi-Fi, Wi-Fi and 3G, etc.), only<br /> one interface is selected and used for data transmission of all applications. If these interfaces could be used<br /> concurrently, the transmission speed would be increased. Has a new solution to solve this problem, there is<br /> Multipath TCP (MPTCP), an extension of Transmission Control Protocol (TCP), has been defined by the<br /> Internet Engineering Task Force (IETF) for this purpose. In this paper, we evaluate and analyze the bandwidth<br /> aggregation feature of MPTCP.<br /> Keywords: Multipath TCP, bandwidth aggregation, thoughput.<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Ng y n y mạng máy tính n i hung v mạng Internet n i ri ng ng ợ s dụng phổ<br /> iến nh t trong mọi lĩnh vự ủ ời sống x h i V i á thiết<br /> dạng v sự r ời ủ á<br /> thiết di ng, số l ợng ng ời dùng v nh ầu về l u l ợng ng y ng tăng M dù hầu<br /> hết á thiết<br /> ầu uối ợ tr ng ít nh t l 2 rd mạng (ví dụ: mạng Ethernet và Wifi,<br /> Wifi v 3G, ) v hỉ m t rd mạng ợ họn s dụng ho t t ả á ứng dụng Nếu á<br /> rd mạng<br /> ợ s dụng ồng thời, tố<br /> truyền tải sẽ ợ tăng l n Transmission<br /> Control Protocol (TCP) l m t gi o thứ<br /> ợ s dụng r ng r i tr n Internet v trong hầu hết<br /> á mạng máy tính tr n thế gi i Hầu hết á ứng dụng nh d h vụ world wide we , truyền<br /> tải tập tin v hệ thống<br /> ph ơng tiện ều s dụng TCP ho việ truyền tải Để ho ph p s<br /> dụng á<br /> rd mạng ồng thời sẵn, IETF ề xu t gi o thứ Multip th TCP, nh l m t gi o<br /> thứ mở r ng ủ TCP [1,2] Trong i áo n y, h ng tôi o l ờng v phân tính hi tiết ăng<br /> thông tổng hợp ủ MPTCP Ch ng tôi s dụng phi n ản thự thi ủ MPTCP ợ phát<br /> triển ởi tr ờng ại họ Catholique de Louvain [3]. Tổng hợp throughput ủ MPTCP ũng<br /> nh throughput ủ từng ờng ri ng lẻ (subflow) ợ ánh giá v so sánh v i throughput<br /> ủ TCP<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014<br /> <br /> 46<br /> <br /> KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Phần còn lại củ<br /> i áo ợc tổ chứ nh s u: phần 2 tổng hợp chi tiết của c u trúc<br /> MPTCP và những x lý của giao thức MPTCP, phần 3 trình bày những th nghiệm của chúng<br /> tôi. Trong phần 4, o l ờng throughput và những trạng thái khá<br /> ợc trình bày và phân tích;<br /> cuối cùng, phần 5 ánh giá kết quả ạt ợc của bài báo.<br /> 2. Giao thức đa đƣờng TCP<br /> MPTCP [1] là m t chuẩn ơ ản của giao thức truyền tải, nó cho phép m t phiên làm việc<br /> của TCP s dụng ồng thời nhiều ờng truyền sẵn có. Các lợi ích của giao thức MPTCP là:<br />  Để tăng khả năng phục hồi của các kết nối qua việ tr o ổi việc s dụng nhiều ờng.<br />  Để tăng hiệu quả của việc s dụng nguồn tài nguyên b ng á h ồng thời s dụng<br /> nhiều ờng.<br /> Khả năng t ơng thí h kiểu backward v i TCP và những ứng dụng Internet kiểu legacy<br /> là m t trong những tính năng m i của MPTCP, ta nên phân biệt giao thức này v i giao thức<br /> multi-homing candidate. MPTCP là phần mở r ng của giao thức TCP vì vậy nó phải tuân theo<br /> các mô hình d ch vụ TCP,<br /> l<br /> thứ tự(in order),<br /> tin cậy (reli le), v h ng ối<br /> t ợng theo dạng byte (byte-oriented delivery) Để t ơng thí h v i Internet và các ứng dụng<br /> kiểu legacy, MPTCP sẽ giữ nguyên giao diện lập trình ừng dụng (API-Application<br /> Programming Interfaces) nh ủa TCP, có thể qu<br /> ợc các thiết b trung gian (middle<br /> boxes), làm việc v i cả IPv4 và IPv6, và có thể trở về dạng TCP nh ình th ờng khi có sự<br /> không t ơng thí h xảy ra trên m t ờng TCP. MPTCP phải chia sẻ ăng thông v i m t<br /> ờng ơn TCP trong tr ởng hợp thắt nút cổ chai, và nó sẽ không tiêu thụ nhiều ăng thông<br /> hơn so v i s dụng TCP ơn trong việc chia sẻ thắt nút cổ chai.<br /> Mô hình tham chiếu củ MPTCP<br /> <br /> ợc trình bày trong Hình 1.<br /> <br /> Hình 1. So sánh giữa giao thức TCP chuẩn và giao thức MPTCP.<br /> Kiến trúc giao thứ TCP IP<br /> ợc minh họa nh hình tr n ho h ng t th y tầng<br /> tr nsport ợc chia ra thành 2 tầng nhỏ. Mỗi ờng con trong MPTCP là m t ờng ơn ủa<br /> TCP. L p con của MPTCP thì n m trong ờng con và kiểm soát việc thiết l p ờng con<br /> ũng nh dữ liệu qu á<br /> ờng on Để t ơng thí h v i TCP và Internet kiểu legacy,<br /> MPTCP kết nối n ầu v i chỉ m t ờng con [2]. MPTCP khởi tạo kết nối b ng cách s<br /> dụng kiểu bắt t y<br /> c (three-way handshake), giống nh thiết l p kết nối của giao thức<br /> TCP. Tuy nhiên, gói SYN mang m t tùy chọn m i (tùy chọn MP_CAPABLE), nó chỉ ra r ng<br /> giao thức này hỗ trợ MPTCP G i SYNACK ũng s dụng tùy chọn MP_CAPABLE ể chi ra<br /> nó có hỗ trợ MPTCP. MPTCP sẽ trở về dạng giao thức TCP khi phát hiện ra sự không t ơng<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014<br /> <br /> 47<br /> <br /> KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> thí h Khi á<br /> ờng con thiết l p kết nối thì á<br /> ờng on n y ầu phải hỗ trợ MPTCP,<br /> th m v o<br /> gi o thức MPCTP khi kết nối còn khia báo thêm tùy chọn MP_JOINT TCP.<br /> L p con của MPTCP chia các ứng dụng nhận ợc vào nhiều segment theo dạng byte.<br /> l p l ch và truyền tải chúng trên từng ờng on Để chia sẻ tài nguyên v i cân b ng v i các<br /> ờng TCP khác khi có sự thắt nút cổ chai xảy ra, MPTCP s dụng couple congestion control<br /> [4] ể ảm bảo r ng tổng số ăng thông l không ổi.<br /> 3. Các đánh giá MPTCP<br /> Để o l ờng và phân tích chi tiết tổng hợp ăng thông ủa MPTCP, chúng tôi xây dựng<br /> m t quá trình ánh giá v i các PC, laptop v i hai công nghệ truy cập là mạng Ethernet và<br /> WiFi. Cả hai kết nối trực tiếp v i nhau (ho c kết nối qu<br /> ess point) v trong môi tr ờng<br /> mạng LAN. Mụ í h ủa việ ánh giá l hiểu ợc những thành phần của MPTCP thông<br /> qua chia sẻ và tổng hợp ăng thông Ch ng tôi s dụng những thiết l p MPTCP trên Linux<br /> kernel ợc phát triển bởi nhóm nghiên cứu củ tr ờng Đại học Catholique de Louvain [3],<br /> phiên bản 0.5. T t cả các máy s dụng Ubuntu 9.10 v i kernel Linux phiên bản 2.6.36. Iperf<br /> [5] ợc s dụng ể truyền tải l u l ợng và tổng hợp ăng thông Chi tiết các biểu ồ của<br /> throuhput-thông l ợng- ợc tổng hợp b ng h ơng trình Wireshark [6]. Việ ánh giá<br /> tắc<br /> nghẽn (congestion windows) và round-trip times (RTT) ợc tổng hợp b ng h ơng trình<br /> Tcptrace [7] phổ biến.<br /> Dựa trên mô hình mạng thực tế, h ng tôi ề xu t ba ngữ cảnh ợ kh i áo ể phân<br /> tích v ánh giá ăng thông tổng hợp khác nhau củ môi tr ờng MPTCP.<br /> A. Ngữ cảnh 1<br /> 192.168.2.0<br /> <br /> Server<br /> <br /> Client<br /> 192.168.3.0<br /> <br /> Hình 2. Ngữ cảnh kết nối giữa các máy tính trong mạng Ethernet<br /> Trong ngữ cảnh này, có 2 PC kết nối trực tiếp v i nhau thông qua 2 cáp ethernet. V i 2<br /> interface Ethernet có cùng thu c tính v i nhau, chúng tôi mong chờ MPTCP sẽ có throuhput<br /> g p ôi so v i giao thức TCP.<br /> B. Ngữ cảnh 2<br /> 192.168.2.0<br /> <br /> Server<br /> <br /> 192.168.<br /> 1.0<br /> <br /> 1.0<br /> 192.168.<br /> <br /> Client<br /> <br /> AP<br /> <br /> Hình 3. Ngữ cảnh 2 kết nối với thiết bị không dây<br /> Trong ngữ cảnh thứ 2 này, các thiết b l ptop ợc kết nối qua m t cáp Ethernet và m t<br /> ờng kết nối qua wifi access point. V i interface Ethernet và wifi sẽ có thu c tính khác nhau<br /> về<br /> trễ ăng thông v số bit lỗi, chúng ta mong chờ MPTCP g i l u l ợng không giống<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014<br /> <br /> 48<br /> <br /> KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> nh u tr n h i ờng khá nh u ể tổng throughput thì không tệ hơn so v i throughput ạt<br /> ợc khi g i dữ liệu v i ờng TCP thông qu<br /> ờng Ethernet tốt nh t.<br /> C. Ngữ cảnh 3<br /> 10.20.21.0<br /> <br /> 10.20.21.0<br /> <br /> Switch<br /> <br /> 10.20.2<br /> <br /> Server<br /> <br /> .0<br /> 10.20.26<br /> <br /> 6.0<br /> <br /> Client<br /> <br /> AP<br /> <br /> Hình 4. Ngữ cảnh 3 mô phỏng mạng Ethernet LAN và Wi-Fi LAN<br /> Trong ngữ cảnh này, card giao tiếp mạng Ethernet và WiFi của mỗi l ptop ợc kết nối<br /> v i nhau thông qua mạng cục b và mạng WiFi củ T nh iều h nh Đại học Quốc gia<br /> thành phố Hồ Chí Minh (Viet Nam National University). Việ ánh giá hiệu su t ợc thực<br /> hiện ở những thời iểm khá nh u trong ng y ể th y ợc MPTCP s dụng nhiều ờng<br /> khá nh u trong iều kiện khác nhau của mạng n i b .<br /> 4. Phân tích hiệu suất làm việc<br /> 4.1.Ngữ cảnh 1<br /> Trong ngữ cảnh này, chúng tôi s dụng Iperf ể g i 100 MB dữ liệu tr n ờng ơn<br /> TCP và MPTCP v i 2 cáp Ethernet 100 Mbps. Thực hiện 3 lần test - xem biểu ồ ở hình 5.<br /> Throughput của MPCTP thì b ng g p ôi throughput ủ<br /> ờng ơn TCP Throughput ủa<br /> từng ờng con hầu nh l giống v i throughput thu ợc từ ờng ơn TCP, trong<br /> tải<br /> trọng ợc chia sẻ khá ều giữ h i ờng và thời gian truyền ợc giảm m t n a.<br /> <br /> Hình 5. Đo lường hiệu suất băng thông giữa TCP và MPTCP<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014<br /> <br /> 49<br /> <br /> KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Hình 6. Tải trọng chia sẻ và thời gian truyền trong ngữ cảnh 1.<br /> Chi tiết ồ họa về throughput trên mỗi<br /> hiện ở hình 7 và 8.<br /> <br /> ờng con trong lần ánh giá ầu ti n<br /> <br /> ợc thể<br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ throughput của đường con thứ nhất<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014<br /> <br /> 50<br /> <br />