Tài liệu 2017_01_bài 01_các khái niệm cơ bản (4_in_1)

Giảng viên  Bài 1 Các khái niệm cơ bản Mai Quốc Khánh    Mạng máy tính 01-2017 Mai Quốc Khánh [email protected]   Bộ môn Lý thuyết mạch – Đo lường, Khoa Vô tuyến điện tử [email protected] +84.985.696.596 Các lĩnh vực hoạt động của giảng viên Giờ học của các lớp  Lư u hà nh nộ ib ộ  Cao học KTĐT 28A (ban ngày) 13:00-16:00 Thứ Ba Lớp Cao học KTĐT 28A (ban tối) 18:00-21:00 Thứ Năm Nội dung Bài 1  Nút mạng và liên kết Các khái niệm cơ bản     Liên kết (link) Trễ gói (packet delay) Chuyển mạch kênh (circuit switching) Chuyển mạch gói (packet switching) A B Các thuộc tính của liên kết Ví dụ về Bandwidth-Delay  delay x bandwidth bandwidth   Latency   số bit phát (hoặc thu) trong một đơn vị thời gian (bits/sec hoặc bps)  Độ trễ (Latency (delay)): “độ dài” của liên kết    Băng thông (dung lượng): “độ rộng” của liên kết  thời gian lan truyền dữ liệu qua liên kết (tính theo giây)  lượng dữ liệu có thể truyền đồng thời độ trễ do lan truyền× bits/time = tổng số bit trên liên kết  BW~10Gbps Latency~10msec BDP ~ 108bits ~ 12.5GBytes Lư u hà nh nộ ib ộ  BW~100Mbps Latency~0.1msec BDP ~ 10,000bits ~ 1.25KBytes Với một liên kết tốc độ cao xuyên quốc gia:  Bandwidth-Delay Product (BDP): “volume” của liên kết  Với một liên kết tốc độ chậm trong thành phố: Trễ gói Truyền một gói 100B từ A tới B? A 1Mbps, 1ms time=0 Thời gian truyền 1 bit = 10-6s Thời gian truyền 800 bits=800x10-6s 100Byte packet Trễ gói Truyền một gói 100B từ A tới B? File có dung lượng 1GB, gồm các gói kích thước 100B 1Gbps, 1ms? B A Thời gian bit đó tới B = 10-6+1/10-3s Bit cuối cùng tới B ở Time (800x10-6)+1/10-3s Packet Delay = = 1.8ms Packet Delay = Transmission Delay + Propagation Delay (Packet Size ÷ Link Bandwidth) + Link Latency 1Mbps, 1ms B 100Byte packet 107 packet kích thước 100B Bit cuối cùng của file tới B ở Bit cuối cùng tới B ở Bit cuối cùng tới B ở Time (800x10-6)+10-3s (800x10-9)+10-3s (107x800x10-9)+10-3s = 1.8ms = 1.0008ms = 8001ms Trễ gói: trên quan điểm “ống dẫn” Truyền một gói 100B từ A tới B? Truyền một gói 100B từ A tới B? BW  pkt tx time BW  100Byte packet time  10Mbps, 1ms (BDP=10,000) 1Mbps, 5ms (BDP=5,000) time  BW  100Byte packet Time 100Byte packet time  BW  1Mbps, 10ms 1Mbps, 10ms (BDP=10,000) B 200B? Trễ gói: trên quan điểm “ống dẫn” Lư u hà nh nộ ib ộ time  Truyền một gói 100B từ A tới B? BW  1Mbps, 10ms (BDP=10,000) time  1Mbps, 10ms (BDP=10,000) BW  A Trễ gói: trên quan điểm “ống dẫn” time  Câu hỏi? Nút mạng và liên kết Điều gì xảy ra nếu có nhiều nút? Một liên kết dùng cho mọi nút? A B Lư u hà nh nộ ib ộ Cần một cách nào đó để có thể mở rộng liên kết các nút Điều gì xảy ra nếu có nhiều nút? Một liên kết cho mọi nút? Đây là một mạng quảng bá Giải pháp: Mạng chuyển mạch Các nút chia sẻ các tài nguyên liên kết của mạng Việc chia sẻ thực hiện như thế nào? Chuyển mạch kênh Hai loại mạng chuyển mạch Ý tưởng: nút nguồn giữ trước (đặt trước) dung lượng mạng dọc theo một con đường nào đó Chuyển mạch kênh (sử dụng trong mạng điện thoại) Chuyển mạch gói (sử dụng trong Internet)   A 10Mb/s? 10Mb/s? B 10Mb/s? Lư u hà nh nộ ib ộ (1) Nút A gửi đi một yêu cầu giữ chỗ (2) Các switch trong mạng thiết lập một đường kết nối, tức là, một “mạch” (3) A bắt đầu truyền số liệu (4) A gửi đi một thông điệp “ngắt mạch” Phép kênh/phân kênh theo thời gian Chuyển mạch kênh: Chia sẻ một liên kết Phân chia thời gian  Mỗi mạch được phân định một hoặc một số khe thời gian nào đó  thời gian Frames Phân chia tần số  Mỗi mạch được phân định một hoặc một số tần số nào đó tần số  Slots = 0 1 2 3 4 5   Thời gian được chia thành các khung (frame); các khung lại được phân chia thành các khe (slot) Vị trí tương đối của slot trong frame quyết định dữ liệu thuộc về cuộc thoại nào  thời gian   0 1 2 3 4 5 VD, slot 0 thuộc về cuộc thoại màu cam Các slot được giữ (hoặc được nhả) khi thiết lập mạch (hoặc khi ngắt mạch) Nếu một cuộc thoại không sử dụng mạch của nó thì dung lượng sẽ bị lãng phí! Định thời trong chuyển mạch kênh Định thời trong chuyển mạch kênh time Lư u hà nh nộ ib ộ time Định thời trong chuyển mạch kênh time Định thời trong chuyển mạch kênh time Định thời trong chuyển mạch kênh Định thời trong chuyển mạch kênh Thiết lập mạch Thiết lập mạch Truyền số liệu Thông tin time Lư u hà nh nộ ib ộ time Định thời trong chuyển mạch kênh Chuyển mạch kênh: ưu và nhược điểm  Ưu điểm   Thiết lập mạch  Truyền số liệu Thông tin time Ngắt mạch hiệu năng được đảm bảo tốc độ truyền nhanh (khi mạch đã được thiết lập) Nhược điểm Định thời trong chuyển mạch kênh Chuyển mạch kênh: ưu và nhược điểm  Ưu điểm   Thiết lập mạch  Nhược điểm  Truyền số liệu hiệu năng được đảm bảo tốc độ truyền nhanh (khi mạch đã được thiết lập) lãng phí băng thông nếu lưu lượng có dạng “cụm” không liên tục (bursty) Thông tin time Lư u hà nh nộ ib ộ Ngắt mạch Định thời trong chuyển mạch kênh Thiết lập mạch Định thời trong chuyển mạch kênh Thiết lập mạch Truyền số liệu Thông tin Ngắt mạch Truyền số liệu Thông tin time Ngắt mạch time Chuyển mạch kênh Chuyển mạch kênh: ưu và nhược điểm  Ưu điểm    hiệu năng được đảm bảo tốc độ truyền nhanh (khi mạch đã được thiết lập) A B Nhược điểm   lãng phí băng thông nếu lưu lượng có dạng “cụm” không liên tục (bursty) phí tổn thêm về thời gian thiết lập đường kết nối (overhead) Lư u hà nh nộ ib ộ Chuyển mạch kênh không có khả năng “định tuyến qua nơi có lỗi” Chuyển mạch kênh: ưu và nhược điểm  Ưu điểm       hiệu năng được đảm bảo tốc độ truyền nhanh (khi mạch đã được thiết lập) Nhược điểm  Chuyển mạch kênh: ưu và nhược điểm lãng phí băng thông nếu lưu lượng có dạng “cụm” không liên tục (bursty) phí tổn thêm thời gian thiết lập đường kết nối (overhead) khả năng phục hồi sau khi hỏng thấp Ưu điểm    hiệu năng được đảm bảo tốc độ truyền nhanh (khi mạch đã được thiết lập) Nhược điểm     lãng phí băng thông nếu lưu lượng có dạng “cụm” không liên tục (bursty) phí tổn thêm thời gian thiết lập đường kết nối (overhead) khả năng phục hồi sau khi hỏng thấp [trong mạng điện thoại] được thiết kế cho một ứng dụng đặc biệt Hai loại mạng chuyển mạch   Chuyển mạch gói Chuyển mạch kênh (VD, mạng điện thoại) Chuyển mạch gói (VD, Internet)   Dữ liệu được truyền theo từng cụm bit (gói tin) Các gói chứa “tiêu đề” (header) và “tải tin” (payload)* 1. Địa chỉ Internet 2. Thời gian tồn tại 3. Checksum để bảo vệ header Header 01000111100010101001110100011001 payload header © Nick McKeown 2006 Lư u hà nh nộ ib ộ Số liệu Chuyển mạch gói   Số liệu được truyền theo các nhóm bit (gói tin) Các gói chứa “tiêu đề” (header) và “tải tin” (payload) *   tải tin mang số liệu của người dùng tiêu đề chỉ dẫn cho mạng phải làm gì với gói tin (coi header như một giao diện!) Chuyển mạch gói    Số liệu được truyền theo các cụm bit (gói tin) Các gói chứa “tiêu đề” (header) và “tải tin” (payload) * Các switch “chuyển tiếp” các gói tin dựa theo tiêu đề của chúng Định thời trong chuyển mạch gói Switch chuyển tiếp các gói tin CS1 tới CS3 switch#4 payl oad h d r switch#2 Bảng chuyển tiếp 111010010 CS3 Chặng tiếp theo CS1 4 CS2 5 CS3 2 CS4 tới CS2 Đích 3 switch#5 tới CS4 time Thời gian xử lý gói tin ở switch? • giả thiết là rất nhỏ (điều này thường là đúng) Định thời trong chuyển mạch gói payl oad time Lư u hà nh nộ ib ộ switch#3 Định thời trong chuyển mạch gói h d r payl oad Switch có thể bắt đầu truyền ngay sau khi nó đã xử lý header hay không? • Đúng! Đây là kiểu chuyển mạch “cut through” time h d r Ta luôn giả thiết switch xử lý/chuyển tiếp một gói tin sau khi nó đã nhận được toàn bộ gói tin đó. Đây là kiểu chuyển mạch “store and forward” Chuyển mạch gói    Chuyển mạch gói Số liệu được truyền theo các cụm bit (gói tin) Các gói chứa “tiêu đề” (header) và “tải tin” (payload) * Các switch “chuyển tiếp” các gói tin dựa theo tiêu đề của chúng    Lư u hà nh nộ ib ộ  Số liệu được truyền theo các cụm bit (gói tin) Các gói chứa “tiêu đề” (header) và “tải tin” (payload) * Các switch “chuyển tiếp” các gói tin dựa theo tiêu đề của chúng Mỗi gói tin có hành trình độc lập  các gói tin không thuộc về một “mạch” cụ thể nào Chuyển mạch gói      Số liệu được truyền theo các cụm bit (gói tin) Các gói chứa “tiêu đề” (header) và “tải tin” (payload) * Các switch “chuyển tiếp” các gói tin dựa theo tiêu đề của chúng Mỗi gói tin có hành trình độc lập Không cần giữ trước tài nguyên cho liên kết. Thay vào đó, chuyển mạch gói sử dụng phương pháp ghép kênh thống kê (statistical multiplexing) Ghép kênh thống kê Khi mỗi luồng chiếm 1/3 dung lượng 3 luồng lưu lượng dạng cụm Data Rate 1 Data Rate 1 Time Thường xuyên quá tải ! Time Data Rate 2 Data Rate 2 Capacity Time Time Data Rate 3 Data Rate 3 Time Lư u hà nh nộ ib ộ Time Khi các luồng chia sẻ dung lượng tổng 3 luồng lưu lượng dạng cụm Data Rate 1 Time Không xảy ra quá tải Time Data Rate 2 Capacity Time Ghép kênh thống kê dựa trên giả thiết rằng mọi luồng hình thành cụm không đồng thời. Tương tự như bảo hiểm, và hiếm có trường hợp cùng hỏng Time Time Data Rate 3 Time 3 luồng lưu lượng dạng cụm 3 luồng lưu lượng dạng cụm Data Rate 1 Data Rate 1+2+3 >> Capacity Time Time Data Rate 2 Capacity Capacity Time Time Data Rate 3 Làm gì khi quá tải? Lư u hà nh nộ ib ộ Time Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” BW  Thgian truyền dẫn gói time  Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Không xảy ra quá tải! Queue Lư u hà nh nộ ib ộ Quá tải nhất thời Không phải là sự kiện hiếm gặp! Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Queue Queue Quá tải nhất thời Không phải là sự kiện hiếm gặp! Quá tải nhất thời Không phải là sự kiện hiếm gặp! Ghép kênh thống kê: quan điểm “ống dẫn” Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Queue Quá tải nhất thời Không phải là sự kiện hiếm gặp! Quá tải nhất thời Không phải là sự kiện hiếm gặp! Lư u hà nh nộ ib ộ Queue Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Ghép kênh thống kê: trên quan điểm “ống dẫn” Queue Quá tải nhất thời Hàng chờ hấp thu các cụm nhất thời! Không phải sự kiện hiếm gặp! Điều gì xảy ra khi quá tải xảy xa thường xuyên? Cuối cùng gói tin sẽ bị loại bỏ Một số thuật ngữ cơ bản của lý thuyết hàng chờ Hàng chờ gây ra trễ hàng chờ    Nhắc lại, packet delay = tx delay + prop delay   Với các hàng chờ (ghép kênh thống kê)  Tiến trình đến: cách các gói tin đến  packet delay = tx delay + prop delay + queuing delay Tiến trình phục vụ: thời gian truyền dẫn   Trễ hàng chờ gây nên bởi hiện tượng “nhiễu gói tin” (packet interference)  Trở nên tồi tệ hơn khi tải cao   Ít “thời gian rỗi” để hấp thu các cụm Tương tự tắc nghẽn giao thông trong giờ cao điểm W nghĩa là “waiting time” (thời gian lãng phí) L: số gói tin trung bình phải đợi trong hàng chờ  L nghĩa là “length of queue” (độ dài của hàng chờ) Hai lượng khác nhau Luật Little (1961) L=AxW  Tính L: đếm số gói tin trong hàng chờ trong mỗi giây   Một gói tin đơn lẻ được đếm bao nhiêu lần? W lần Tại sao ta phải quan tâm?  Dễ tính L, khó tính W Lư u hà nh nộ ib  Thời gian truyền dẫn trung bình (hàm của kích thước gói) W: thời gian trung bình mà các gói tin phải đợi trong hàng chờ  ộ   Tỷ lệ trung bình A (Average rate) Tỷ lệ đỉnh P (Peak rate) Chuyển mạch gói      Số liệu được truyền theo các cụm bit (gói tin) Các gói chứa “tiêu đề” (header) và “tải tin” (payload) * Các switch “chuyển tiếp” các gói tin dựa theo tiêu đề của chúng Mỗi gói tin có hành trình độc lập Không cần giữ trước tài nguyên cho liên kết. Thay vào đó, chuyển mạch gói sử dụng phương pháp ghép kênh thống kê (statistical multiplexing)  cho phép sử dụng hiệu quả các tài nguyên  nhưng gây thêm hàng chờ và trễ hàng chờ Chuyển mạch kênh: ưu và nhược điểm  Chuyển mạch gói: ưu và nhược điểm Ưu điểm    hiệu năng được đảm bảo tốc độ truyền nhanh (khi mạch đã được thiết lập) Nhược điểm     không đảm bảo hiệu năng tổn phí thêm cho tiêu đề (header overhead) trên mỗi gói hàng chờ và trễ hàng chờ Nhược điểm    Ưu điểm    sử dụng hiệu quả băng thông (ghép kênh thống kê) không có tổn phí (overhead) do thiết lập kết nối có khả năng định tuyến qua nơi có lỗi - linh hoạt Lư u hà nh nộ ib ộ  lãng phí băng thông nếu lưu lượng có dạng “cụm” không liên tục (bursty) tổn phí thêm thời gian thiết lập kết nối (overhead) khả năng phục hồi sau khi hỏng thấp Tóm tắt nội dung đã thảo luận  Các khái niệm cơ bản về ...     liên kết (link) và chuyển mạch (switch) các loại độ trễ gói (tx, propagation và queuing delay) ghép kênh thống kê và hàng chờ chuyển mạch gói so với chuyển mạch kênh Hết bài 1 Hỏi & thảo luận Bài tiếp theo: Phân lớp và Giao thức 72/29