Tài liệu Nghiên cứu cải thiện giao thức sctp trong mạng manet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN GIAO THỨC SCTP TRONG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội –2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN GIAO THỨC SCTP TRONG MẠNG MANET Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Mạng và truyền dữ liệu máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.DƢƠNG LÊ MINH Hà Nội – 2014 LỜI CÁM ƠN Trƣớc hết tôi xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô giáo trong Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt khóa học, cám ơn tập thể lớp K17 và đặc biệt là tới thầy giáo TS.Dƣơng Lê Minh, ngƣời đã nhiệt tình hƣớng dẫn, chỉ bảo tôi trong công việc nghiên cứu và học tập. Sau cùng tôi muốn gửi lời cám ơn tới gia đình và ngƣời thân của tôi, những ngƣời đã luôn khuyến khích và động viên tôi trong suốt khóa học. Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong sự góp ý của bạn bè, thầy cô và những ngƣời quan tâm đến đề tài này. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp ―Nghiên cứu cải thiện giao thức SCTP trong mạng MANET‖ là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn và định hƣớng của TS. Dƣơng Lê Minh. Trong luận văn tôi có thừa kế sử dụng lại một số đoạn mã nguồn đƣợc giáo viên hƣớng dẫn cung cấp và chỉnh sửa cho phù hợp với mục đích và đề tài nghiên cứu của mình, các đoạn mã nguồn thừa kế lại tôi có ghi chú rõ ràng. Ngoài ra các kết quả số liệu thu đƣợc trong quá trình mô phỏng là do chính tôi tự thiết lập, cài đặt và mô phỏng. Hà Nội, Ngày 05 Tháng 11 năm 2014 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... 4 MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET ............................................................. 7 2.1 Mạng Manet và lịch sử phát triển ............................................................................ 7 2.2 Đặc điểm mạng MANET[9] .................................................................................... 8 2.3 Ứng dụng phổ biến của mạng MANET[9] .............................................................. 9 2.4 Các khó khăn và thách thức đối với mạng MANET ............................................. 10 CHƢƠNG 2: GIAO THỨC SCTP (STREAM CONTROL TRANSMISSION PROTOCOL) ...................................................................................................................... 11 3.1 Lịch sử và mục đích phát triển giao thức SCTP.................................................... 11 3.2 Các đặc trƣng của giao thức SCTP........................................................................ 12 3.2.1 Tầng hoạt động của giao thức ........................................................................... 12 3.2.2 Multi-Homing ................................................................................................... 12 3.2.3 Đa luồng (Multi-Streaming).............................................................................. 13 3.2.4 Phân tách các bản tin[11] .................................................................................. 14 3.3 Đặc tả giao thức SCTP .......................................................................................... 14 3.3.1 Kiến trúc giao thức SCTP ................................................................................. 14 3.3.2 Các chức năng chính của SCTP ........................................................................ 15 3.3.3 Gói tin SCTP ..................................................................................................... 18 3.3.4 Lƣu đồ trạng thái mô tả việc kết nối SCTP....................................................... 29 3.3.5 Điều khiển tắc nghẽn và kiểm soát lỗi .............................................................. 34 3.3.6 Vấn đề an toàn dữ liệu ...................................................................................... 37 3.3.7 SCTP, TCP và UDP – những điểm giống và khác nhau .................................. 39 CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP GIAO TIẾP LIÊN TẦNG TRONG GIAO THỨC SCTP....................................................................................................................... 42 3.1 SCTP trong mạng MANET ................................................................................... 42 2 3.2 Cách tiếp cận liên tầng (cross-layer) trong mạng không dây ................................ 45 3.3 Phƣơng pháp tính độ trễ trung bình truy cập kênh truyền tại tầng MAC.............. 46 3.4 Phƣơng pháp cải tiến trong giao thức SCTP ......................................................... 49 CHƢƠNG 4: CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................... 52 4.1 Công cụ mô phỏng NS-2 ....................................................................................... 52 4.2 Cấu hình cài đặt mô phỏng .................................................................................... 52 4.2.1 Mô hình mô phỏng dạng chuỗi (chain) ............................................................. 52 4.2.2 Mô hình mô phỏng dạng lƣới (grid) ................................................................. 55 4.3 Đánh giá chung ...................................................................................................... 58 4.4 Đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai ........................................................... 58 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Phân tách các bản tin cạnh nhau. ........................................................................... 14 Hình 2: Mô hình tầng giao thức SCTP. .............................................................................. 15 Hình 3: Mô hình thiết lập kết nối của SCTP và TCP ......................................................... 15 Hình 4: Cấu trúc gói tin SCTP ........................................................................................... 19 Hình 5: Phần header của gói tin SCTP ............................................................................... 19 Hình 6: Cấu trúc trƣờng trunk ............................................................................................ 21 Hình 7: Cấu trúc Payload data ............................................................................................ 24 Hình 8: Cấu trúc INIT Chunk ............................................................................................. 25 Hình 9: Cấu trúc gói SACK chunk ..................................................................................... 27 Hình 10: Cấu trúc gói tin Heartbeat ................................................................................... 28 Hình 11: Lƣu đồ trạng thái mô tả kết nối SCTP................................................................. 30 Hình 12:Quá trình thiết lập kết nối ..................................................................................... 31 Hình 13: Quá trình xảy ra xung đột trong mạng không dây của giao thức TCP................ 43 Hình 14: Kiến trúc RTS/CTS của DCF .............................................................................. 47 Hình 15: Mô hình dạng chuỗi (chain) ................................................................................ 53 Hình 16: Mô hình dạng lƣới 6x6 ........................................................................................ 56 Hình 17: Mô hình dạng lƣới 8x8 ........................................................................................ 56 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK CBR DSDV DARPA Acknowledgement Continuous Bit Rate Destination Sequenced Distance Vector Defence Advanced Research Project Agency European Telecommunications Standards ETSI Institute IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet Protocol LAN Local Area Network MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad hoc Network MAD Medium Access Delay NAM Network Animation NS Network Simulator OTCL Object Oriented Tool Command Language PYC Physical TCL Tcl Tool Command Language TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Tx Transmission UDP User Datagram Protocol 5 MỞ ĐẦU Ngày nay khi mà tầm quan trọng của các máy tính trong cuộc sống của con ngƣời tăng lên, điều đó cũng đòi hỏi các yêu cầu mới cho việc kết nối mạng máy tính. Ngoài các giải pháp cho mạng có dây đã đƣợc dùng từ lâu, chúng ta thấy sự gia tăng yêu cầu đối với các giải pháp cho mạng không dây để có thể kết nối tới Internet, đọc và gửi các thông điệp thƣ điện tử, trao đổi thông tin trong các cuộc họp… Mạng không dây đặc biệt MANET (Mobile Adhoc Networking) bao gồm các thiết bị tự tổ chức thành mạng đạt đƣợc sự giải phóng hoàn toàn khỏi cơ sở hạ tầng mạng cố định, có chi phí truyền thông thấp và triển khai dễ dàng. Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa nhƣ hỏa hoạn, lụt lội, động đất… Với tất cả những lý do trên, mạng MANET là một trong những lĩnh vực nghiên cứu có tính thời sự cao, đầy thách thức của mạng không dây và công nghệ này hứa hẹn sẽ trở nên phổ biến với cuộc sống của con ngƣời. Tuy nhiên hiệu năng của mạng MANET đang là cản trở rất lớn trong quá trình áp dụng rộng rãi vào thực tế và vấn đề cải thiện hiệu năng của mạng MANET vẫn là một đề tài còn rất rộng lớn, đã có nhiều cách tiếp cận và giao thức khác nhau đã đƣợc đề nghị để giải quyết vấn đề trên[4][5]. Ra đời sau các giao thức đƣợc sử dụng cho mạng có dây truyền thống nhƣ TCPUDP, giao thức SCTP đã kế thừa đƣợc những ƣu điểm và khắc phục một số nhƣợc điểm của các giao thức truyền thống trên. SCTP đƣợc bổ sung một số đặc tính nhƣ Multihoming, Multi-streaming, với các tính năng này đã khắc phục đƣợc một số điểm yếu của các giao thức truyền thống và nâng cao hiệu năng, chất lƣợng dịch vụ của các giao thức SCTP. Nhƣ chúng ta thấy việc áp dụng giao thức SCTP vào mạng MANET là chƣa phổ biến. Bản thân giao thức SCTP cũng nhƣ các giao thức TCP, UDP hoạt động cũng không hiệu quả trọng mạng MANET[6][7] và đề tài cải thiện hiệu năng của giao thức này trong mạng MANET là một chủ đề tƣơng đối mới và chƣa có nhiều ngƣời thực hiện. Phƣơng pháp tiếp cận giao tiếp liên tầng (crosslayer) là một phƣơng pháp tuy không mới nhƣng đƣợc đánh giá là có hiệu quả khi áp dụng với giao thức TCP trong mạng MANET [2]. Tuy nhiên, chƣa có nhiều công trình nghiên cứu để áp dụng phƣơng pháp này với giao thức SCTP trong mạng MANET. Do đó, trong luận văn này tôi tập 6 trung vào nghiên cứu và áp dụng phƣơng pháp crosslayer với giao thức SCTP trong mạng MANET từ đó đề xuất cải tiến tính năng Multi-homing của SCTP để nâng cao hiệu năng của giao thức SCTP trong mạng MANET. Nội dung luận văn bao gồm các phần sau: Phần mở đầu giới thiệu và đặt vấn đề nghiên cứu. Tiếp theo chƣơng 1 trình bày tổng quan về mạng MANET bao gồm các đặc trƣng cơ bản, ƣu điểm và các khó khăn thách thức đang gặp phải với mạng MANET trong gian đoạn hiện nay. Chƣơng 2 tìm hiểu tổng quan về giao thức SCTP, tập trung vào tính năng Multi-Homing để làm cơ sở nghiên cứu và đề xuất phƣơng án cải tiến. Chƣơng 3 nghiên cứu phƣơng pháp tính giá trị độ trễ trung bình MAD tại tầng MAC, sử dụng phƣơng pháp giao tiếp liên tầng để truyền tham số này lên tầng giao vận trong giao thức SCTP phục vụ cho việc xác định tuyến đƣờng tốt nhất tại tầng giao vận. Chƣơng 4 thiết lập môi trƣờng mô phỏng và đánh giá kết quả của quá trình nghiên cứu. Phần cuối cùng của luận văn là kết luận những công việc mà luận văn đã đạt đƣợc và những hƣớng nghiên cứu tiếp theo trong tƣơng lai. 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 2.1 Mạng Manet và lịch sử phát triển 2.1.1 Giới thiệu mạng MANET Các thiết bị di động nhƣ smart phone, máy tính xách tay ngày nay thƣờng có dung lƣợng lƣu trữ lớn, cấu hình cao để đáp ứng những nhu cầu không giới hạn của con ngƣời cho việc chia sẻ thông tin. Các kết nối mạng để sử dụng các thiết bị di động gia tăng mạnh mẽ do tính tiện lợi mà kết nối mạng không dây đem lại. Với hàng loạt các ƣu điểm của công nghệ truyền thông không dây đang là xu hƣớng của thời đại ngày này các mạng di động không dây đã và đang đƣợc đầu tƣ phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây. Mạng di động không dây có thể chia thành hai kiểu mạng: mạng hạ tầng và mạng không hạ tầng. Trong mạng hạ tầng, truyền thông giữa các phần tử mạng phụ thuộc vào sự hỗ trợ của hạ tầng mạng, các thiết bị đầu cuối di động truyền thông đơn bƣớc không dây qua các điểm truy nhập (các trạm cơ sở) để tới hạ tầng mạng cố định. Kiểu mạng không phụ thuộc hạ tầng còn đƣợc gọi chung là các mạng tùy biến di động MANET (mobile adhoc network) là một tập hợp của những nút mạng không dây, những nút này có thể đƣợc thiết lập tại bất kỳ thời điểm và tại bất cứ nơi nào. MANET còn đƣợc gọi là mạng tùy biến di động, kết nối với nhau thông qua các liên kết không dây tạo nên mạng độc lập, không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng. Các nút trong mạng có thể di chuyển độc lập theo mọi hƣớng, kết hợp với nhau để gửi dữ liệu tới nút nằm ở xa khu vực kết nối. Mỗi nút trong mạng MANET vừa đóng vai trò của một máy (host) đồng thời đảm nhận chức năng của một bộ định tuyến (router) giúp định tuyến dữ liệu[25].Sơ lƣợc một số mốc lịch sử của mạng MANET: DARPA Packet Radio Network (PRNet 1972) [26] có thể đƣợc coi là thế hệ đầu tiên của mạng adhoc. PRNet đã giới thiệu một kiến trúc phân tán mà cho phép hỗ trợ động trong việc chia sẻ quảng bá bằng sóng điện từ. Lợi ích của mô hình này đó là tính mềm dẻo, tính di động và đặc biệt là không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng cố định. Từ những lợi ích và tính năng trên đã mở ra một không gian nghiên cứu cho rất nhiều các lĩnh vực nhƣ Quân sự, giao dục, ý tế ... có nhiều ý nghĩa trong thực tiến. Năm 1983, DARPA phát triển Survivable Radio Networks (SUNRAN) nhƣ là một sự cải tiến của PRNet [26]. SURAN đã đƣợc thiết kế để có thể 8 đảm bảo đƣợc khả năng mở rộng, bảo mật, quản lý băng thông và năng lƣợng. Trong những năm 1980 và đầu những năm 1990, một số công nghệ đã đƣợc thiết kế để cải thiện khả năng thích ứng của sóng điện từ, vấn đề an ninh nhƣ Low-cost Packet Radio (LPR) trong năm 1987, DARPA Global Mobile (GloMo) trong năm 1994. Trong năm 1997, quân đội Mỹ đã triển khai Tactical Internet (TI) trên quy mô lớn mạng không dây di động đa bƣớc. Với sự phát triển rất nhanh chóng và thƣơng mại hóa của công nghệ sóng điện từ, mạng không dây đa bƣớc truyền với tiềm năng và lợi thế của nó đã và đang đƣợc nghiên cứu và trở thành một lĩnh vực rất sôi động trong những năm vừa qua và hứa hẹn sẽ còn thu đƣợc nhiều thành công hơn nữa trong việc áp dụng vào đời sống thực tế của con ngƣời. 2.2 Đặc điểm mạng MANET[9] Mạng MANET là mạng không dây tùy biến đƣợc tạo nên từ các nút khác nhau, không phụ thuộc vào hạ tầng mạng cố định, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chính của mạng MANET nhƣ sau: Thiết bị tự trị đầu cuối (Autonomous terminal): Trong mạng MANET mỗi thiết bị đầu cuối là một node tự trị, tức là nó có thể mang chức năng của một node thông thƣờng tham gia kết nối và trong tƣờng hợp cần thiết nó sẽ trở thành một router có chức năng định tuyến. Do vậy, không có ranh giới giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị chuyển mạch trong mạng MANET. Hoạt động phân tán (Distributed operator): Mạng MANET là mạng không có hệ thống quản lý tập trung, việc kiểm soát và quản lý hoạt động của mạng đƣợc chia cho các thiết bị đầu cuối. Định tuyến nhiều chặng (Multi hop routing): Khi nút nguồn gửi thông tin tới nút đích mà nút đích không nằm trong phạm vi phá sóng thì các gói tin gửi đi này sẽ đƣợc định tuyến và chuyển đi thông qua nhiều nút trung gian để tới đƣợc nút đích. Cấu hình động (dynamic network topology): Các nút đầu cuối là các thiết bị di động di chuyển liên tục không theo bất kì hƣớng nào, các giao thức định tuyến trong mạng phải có khả năng thích nghi với sự thay đổi nhanh và không biết trƣớc của các nút. Dao động về dung lƣợng liên kết (Fluctuating link capacity): Tỉ lệ lỗi bit khi truyền dữ liệu trong mạng không dây là cao và tín hiệu không dây phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trƣờng. Việc truyền dữ liệu từ điểm đầu tới điểm cuối có thể sẽ qua nhiều chặng qua mỗi chặng là một liên kết không dây và các liên kết này có thể không đồng nhất. 9 Bảo mật yếu: Đặc điểm của mạng MANET là truyền sóng qua môi trƣờng không khí, điều này khiến cho cơ chế bảo mật kém hơn so với môi trƣờng truyền cáp vì nó tiềm ẩn nhiều nguy cơ bị tấn công, nghe lén đƣờng truyền, giả mạo, DoS, … [8] 2.3 Ứng dụng phổ biến của mạng MANET[9] Với sự gia tăng của các thiết bị di động cũng nhƣ những tiến bộ trong truyền thông không dây, mạng MANET đang dần trở nên quan trọng với số lƣợng ngày càng tăng của các ứng dụng phổ biến. Mạng MANET có thể áp dụng ở bất cứ nơi nào có rất ít hoặc không có cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc hoặc chi phí để xây dựng hạ tầng là quá đắt hoặc bất tiện để sử dụng. Mạng MANET cho phép các thiết bị dễ dàng thêm hoặc loại bỏ các thiết bị vào mạng. Ngay nay, các ứng dụng của mạng MANET rất đa dạng, trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đem lại hiệu quả và tiện lợi cho ngƣời sử dụng. Một số ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ sau: Quân sự : Hoạt động phi tập trung của mạng MANET và không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng là một yếu tố thiết yếu đối với lĩnh vực quân sự, nhất là trong các trƣờng hợp chiến đấu khốc liệt, các cơ sở hạ tầng mạng bị phá hủy. Lúc này mạng MANET là lựa chọn số một để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng. [9] Trong hoạt động cứu trợ: Mạng MANET có thể đƣợc sƣ dụng trong các hoạt động cấ cứu hoặc cứu hộ cho các nỗ lực cứu trợ thiên tai ví dụ nhƣ: Lũ lụt, hỏa hoạn, động đất… Các hoạt động cứu trợ này phải diễn ra ở những nơi cơ sở hạ tầng mạng lƣới bị phá hủy do đó yêu cầu để triển khai một mạng di động dễ dàng, nhanh chóng không phụ thuộc vào hạ tầng là rất cần thiết. Thông tin sẽ đƣợc chuyển tiếp từ các thành viên tham gia trong nhóm cứu hộ với nhau, truyền tiếp tới trụ sở chỉ huy … Trƣờng học: Chúng ta cũng có thể thiết lập các mạng MANET trong trƣờng học, lớp học, thƣ viện, sân trƣờng,… để kết nối các thiết bị di động (laptop, smartphone) lại với nhau, giúp sinh viên, thầy cô giáo có thể trao đổi bài một cách nhanh chóng thông qua mạng adhoc vừa tạo. Gia đình: Tại nhà bạn có thể tạo nhanh mạng MANET để kết nối các thiết bị di động của bạn với nhau, nhờ đó ta có thể di chuyển tự do mà vẫn đảm bảo kết nối truyền tải dữ liệu. 10 2.4 Các khó khăn và thách thức đối với mạng MANET Mạng MANET là mạng không có cấu trúc và không có quản trị tập trung. Bất kì một node nào trong mạng có thể đóng vai trò độc lập nhƣ là một router để chuyển tiếp các gói tin tới các node khác. Các node cũng có thể di chuyển một cách ngẫu nhiên và tùy ý nên mô hình mạng thay đổi liên tục. Rất nhiều thuật toán đã đƣợc xây dựng với mục đích điều khiển kiến sự thay đổi kiến trúc (topology) của mạng nhƣ dựa trên vị trí, dựa trên năng lƣợng, dựa trên hƣớng và rất quan trọng đó là dựa trên các node hàng xóm đã đƣợc phát triển cho mạng MANET [14][15]. Trong mạng Manet, mỗi node có thể có một hoặc nhiều interface phát sóng radio mà chúng có khả năng truyền tải và có dải tần số khác nhau. Hoạt động của các node trong mạng thông thƣờng dựa trên năng lƣợng có giới hạn của pin. Do vậy việc thiết kế thuật toán định tuyến trong mạng MANET cũng là một thách thức nhƣ nó bị ràng buộc bởi việc thƣờng xuyên di chuyển và mất kết nối của các node, làm sao để tổng năng lƣợng tiêu thụ là thấp nhất, trong khi băng thông và tài nguyên tính toán có giới hạn. Hiệu năng thấp của các giao thức giao vận trong mạng MANET cũng là một vấn đề nghiêm trọng [16][17][18][19][20][21]. Đây là lý do chính bởi vì môi trƣờng chia sẻ không dây và một phần lớn các gói tin bị mất trong mạng MHWN. Trong bài báo số [17], tác giả đã phát hiện ra rằng việc phá vỡ kết nối do di chuyển có ảnh hƣởng tới hiệu năng của giao thức TCP. Bằng thí nghiệm tác giả thấy rằng thông lƣợng TCP bị giảm đáng kể khi các node di chuyển bởi vì TCP không có khả năng phân biệt đƣợc giữa kết nối lỗi và tắc nghẽn. Bảo mật cũng là một vấn đề khá nghiêm trọng trong mạng MHWN. Các lỗ hổng đƣợc bắt nguồn từ việc chia sẻ tài nguyên của các kênh truyền không dây và việc hợp tác kết nối giữa các node di động [22][23] theo từng giao thức định tuyến. 11 CHƢƠNG 2: GIAO THỨC SCTP (STREAM CONTROL TRANSMISSION PROTOCOL) 3.1 Lịch sử và mục đích phát triển giao thức SCTP Ngày nay, có hàng tỉ các kết nối Internet của các thiết bị đầu cuối trên thế giới đƣợc sử dụng mỗi ngày. Ngƣời sử dụng có thể sử dụng các công nghệ truy cập khác nhau nhƣ WLAN (Wireless Local Area Network), LTE (Long Term Evolution), hoặc PLC (Power Line Communications) và các dịch vụ cung cấp này đƣợc cam kết bằng hợp đồng với ngƣời sử dụng. Giao thức Internet Protocol (IP) đã đƣợc lựa chọn để cung cấp các kết nối cần thiết giữa tất cả các thiết bị không dây và có dây, tuy nhiên sử dụng mạng IP không giải quyết hết đƣợc các hạn chế (drawbacks) của mạng không dây. Các ứng dụng đa phƣơng tiện thấy rằng việc áp dụng các giao thức giao vận hiện tại nhƣ TCP (Transmission Control Protocol) hoặc UDP (User Datagram Protocol) là chƣa đủ tốt để có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu mới về chất lƣợng dịch vụ. Một số hạn chế gặp phải đó là: Head-of-line blocking: Một số ứng dụng cần giao thức truyền tin cậy mà không cần duy trì tuần tự, một số khác yêu cầu truyền dữ liệu phải theo thứ tự. Khi đó hiện tƣợng head-of-line blocking sẽ gây ra delay không cần thiết: Đó là khi truyển tải một dòng các gói dữ liệu từ điểm tới điểm, vì một lý do nào đó, nếu gói tin đầu hay một gói tin ở giữa bị hỏng hay mất thì sẽ phải truyền lại toàn bộ gói tin kế sau nó, dù các gói tin này có thể vẫn nguyên vẹn gây nên độ trễ lớn của dữ liệu TCP không hỗ trợ đa địa chỉ (Multi – Homing): TCP chỉ gắn một đƣờng kết nối giữa 2 máy đầu cuối nên sẽ không giải quyết đƣợc vấn đề dự phòng khi xảy ra sự cố về đƣờng truyền. Trong trƣờng hợp không có kết nối dự phòng, nếu áp dụng giao thức TCP trong việc truyền dữ liệu thoại của tổng đài thì có thể làm tê liệt hệ thống khi đƣờng kết nối bị hỏng. Tấn công DOS: Sử dụng giao thức TCP không hạn chế đƣợc việc bị tấn công DOS (Deny Of Service), đây là hình thức tấn công từ chối dịch vụ phổ biến nhất, làm cho ngƣời dùng không thể sử dụng tài nguyên của máy tính bị tấn công đó. Tháng 10/2000, IETF (International Engineering Task Force)- Một tổ chức quốc tế lớn các nhà thiết kế mạng, các nhà điều hành, các nhà cung cấp và các nhà nghiên cứu cùng quan tâm đến sự phát triển của kiến trúc và việc điều hành của mạng Internet - chính 12 thức chuẩn hoá SCTP thông qua tài liệu RFC 2960. SCTP là giao thức truyền tải số liệu điểm - điểm trên nền giao thức IP. Ban đầu, SCTP đƣợc phát triển nhằm cung cấp chuẩn truyền tải số liệu hƣớng thông điệp cho các mạng thông tin mà số liệu cần truyền tải trong thời gian thực nhƣ truyền tải các thông điệp tín hiệu điện thoại trên nền IP cho các hệ thống thƣơng mại điện tử và viễn thông. TCP và UDP đều có những hạn chế khi dùng truyền tải tín hiệu điện thoại trên nền giao thức IP. Do vậy mà SCTP đƣợc thiết kế để đáp ứng yêu cầu này và các ứng dụng tƣơng tự khác. Nhờ đƣợc phát triển sau và rút kinh nghiệm từ các giao thức đƣợc phát triển trƣớc đó nhƣ TCP hay UDP, SCTP đƣợc thiết kế đa mục đích và đa chức năng, nhờ vậy có miền các lĩnh vực áp dụng rộng rãi hơn, ngay cả trong các lĩnh vực mà giao thức TCP đang đƣợc sử dụng với những thuận lợi hơn hẳn. 3.2 Các đặc trƣng của giao thức SCTP 3.2.1 Tầng hoạt động của giao thức Giao thức SCTP hoạt động tại tầng giao vận cùng với các giao thức UDP và TCP, có thể đƣợc mô tả qua hình vẽ sau: Upper layer application TCP, UDP, SCTP IP Data Link Layer Physical Layer SCTP là một giao thức giao vận hƣớng kết nối (oriented). Giống nhƣ TCP, giao thức SCTP cung cấp dịch vụ đảm bảo, tin tƣởng của tầng giao vận, dữ liệu đƣợc truyền đi có sắp thứ tự và không có lỗi. Nhƣ TCP, SCTP là một kiến trúc hƣớng nối theo phiên (session –oriented), nó có nghĩa rằng mối liên hệ đã đƣợc tạo ra giữa 2 điểm cuối của một kết nối SCTP trƣớc khi dữ liệu đƣợc truyền đi và mối liên hệ này sẽ đƣợc duy trì cho tới khi tất cả dữ liệu đã đƣợc truyền đi thành công. 3.2.2 Multi-Homing Multi-homing là tính năng mà một đầu cuối có nhiều hơn một giao tiếp kết nối mạng và có thể giải quyết đƣợc vấn đề trong trƣờng hợp một giao tiếp kết nối mạng bị hỏng thì sẽ sử dụng các interface còn lại để thay thế. Đây là một điểm cải tiến hơn rất 13 nhiều so với single-homed khi mà mạng LAN bị lỗi thì kết nối sẽ bị cô lập toàn bộ, với Multi-homing kết nối dự phòng (redundant) có thể đƣợc sử dụng để củng cố lại truy cập nội bộ. Một cặp của địa chỉ IP đƣợc định nghĩa nhƣ một đƣờng chính (primary path) đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu. Sự kết hợp của địa chỉ nguồn và đích sẽ đƣợc xem xét nhƣ một đƣờng thay thế và sẽ đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp đƣờng chính lỗi, nó đƣợc phát hiện bằng cách sử dụng cơ chế định kì gửi các bản tin heartbeat. Địa chỉ của điểm kết nối SCTP có thể đƣợc thay đổi ngay cả khi kết nối đã đƣợc thiết lập, nó có thể thêm một IP mới trong suốt quá trình giao tiếp. Đặc tính này đƣợc gọi là tự động cấu hình lại địa chỉ (Dynamic Address Reconfiguration or Mobile SCTP) [10]. Giải thích rõ hơn về kiến trúc Heartbeat trong mạng sử dụng giao thức SCTP nhƣ sau: Một SCTP nguồn sẽ thƣờng xuyên kiểm tra xem có thể kết nối đƣợc tới điểm đích từ xa không. Điều này đƣợc làm bằng cách gửi các bản tin heartbeat. Bản tin heartbeat là một bản tin nhỏ không có dữ liệu đƣợc gửi đi trƣớc tới địa chỉ đích và ngay lập tức đƣợc biên nhận bởi địa chỉ đích. Phía gửi bản tin heartbeat sẽ có một bộ đếm (counter) để đếm số lần bản tin heartbeat đƣợc gửi đi tới địa chỉ đích và không đƣợc biên nhận trong một khoảng thời gian (RTO, Retransmission TimeOut). Nếu biến đếm đạt tới giá trị max thì sẽ đánh dấu điểm cuối này là không hoạt động (inactive). Ngƣợc lại, khi nhận đƣợc một bản tin biên nhận từ địa chỉ đích thì bên gửi sẽ xóa biến đếm tới địa chỉ đích đó và đánh dấu địa chỉ đích đó là đang hoạt động. Quá trình này sẽ thực hiện lặp đi lặp lại trong suốt quá trình truyền tin giữa các thực thể SCTP. 3.2.3 Đa luồng (Multi-Streaming) Đây là một tính năng cho phép chia dữ liệu của ứng dụng thành nhiều luồng mà có các đặc tính độc lập đƣợc sắp thứ tự khi nhận, do đó thông điệp bị mất ở luồng nào sẽ chỉ ảnh hƣởng tới biên nhận của luồng đó và không ảnh hƣởng tới luồng khác. Điều này làm đƣợc bằng cách đánh dấu độc lập dữ liệu truyền và dữ liệu nhận. SCTP sử dụng một chuỗi số TSN (Transmission Sequence Number) cho truyền dữ liệu và phát hiện bản tin lỗi, và cũng sử dụng một cặp Stream ID/Stream Sequence Number để xác định thứ tự của việc nhận dữ liệu. Do đó, trong khi biên nhận, điểm cuối có thể tiếp tục nhận các bản tin 14 để không ảnh hƣởng tới luồng trong khi chờ (buffering) bản tin trong luồng ảnh hƣởng cho tới khi có việc truyền lại. 3.2.4 Phân tách các bản tin[11] Nếu một client gửi 2 bản tin liên tiếp nhau là 100 byte và 50 byte, thông tin cần đƣợc gửi tới phía server cần phải là 2 bản tin phân biệt. Tuy nhiên, với TCP các bản tin này có thể đƣợc gửi hoặc nhận nhƣ là một bản tin 150 byte và do vậy khi nhận đƣợc ứng dụng phải phân tách lại thành 2 bản tin nhƣ ban đầu. Với SCTP và UDP thì dữ liệu đƣợc gửi đi nhƣ 2 bản tin 100 byte và 50 byte và ứng dụng không cần phải cắt các bản tin đó để đƣa về định dạng ban đầu. Hình 1. Phân tách các bản tin cạnh nhau. 3.3 Đặc tả giao thức SCTP 3.3.1 Kiến trúc giao thức SCTP SCTP là giao thức vận chuyển dữ liệu có kết nối dựa trên một giao thức vận chuyển dữ liệu không kết nối là IP. SCTP nằm giữa tầng ứng dụng của ngƣời dùng và tầng mạng không kết nối. SCTP cung cấp dịch vụ cơ bản là truyền tải tin cậy các thông điệp của ngƣời dùng ngang hàng. Nó đƣợc sử dụng cho các ứng dụng cần kiểm soát và phát hiện lỗi hay đứt đoạn của các phiên làm việc. Nhƣ mô hình bên dƣới thì SCTP đứng cùng tầng với các giao thức TCP hoặc UDP. SCTP là giao thức hƣớng nối nhƣng có ƣu điểm vƣợt trội so với TCP nhờ đƣợc thiết kế đa luồng. Kiến trúc cơ bản của giao thức SCTP đƣợc mô tả nhƣ trong hình sau. 15 _____________ | SCTP User | | Application | |-------------| | SCTP | | Transport | | Service | |-------------| | |One or more | IP Network |IP address | Service |appearances |_____________| ---\/ /\ ---- _____________ | SCTP User | |Application | |----------- | | SCTP | | Transport | | Service | |------------| One or more| | IP address| IP Network | appearances| Service | |____________| SCTP Node A |<-------- Network transport ------->| SCTP Node B Hình 2: Mô hình tầng giao thức SCTP. 3.3.2 Các chức năng chính của SCTP 2.3.2.1 Thiết lập và giải phóng kết nối Kết nối sẽ đƣợc khởi tạo khi có yêu cầu kết nối gửi từ ứng dụng sử dụng giao thức SCTP. Khác với TCP sử dụng cơ chế bắt tay 3 bƣớc để thiết lập kết nối, với SCTP sử dụng cơ chế bắt tay 4 bƣớc để tạo kết nối. Trong quá trình khởi tạo sẽ sử dụng một cơ chế cookie đƣợc gọi để bảo vệ đƣợc các hình thức tấn công DoS. SCTP TCP Hình 3: Mô hình thiết lập kết nối của SCTP và TCP 16 Trong SCTP, một client khởi tạo kết nối bằng gói INIT. Server đáp lại bằng gói INIT-ACK, trong đó chứa cookie trạng thái – gồm tất cả các trạng thái mà server xác nhận kết nối là hợp lệ và đƣợc gán số để xác thực. Client gửi lại cookie trạng thái của server với bản tin COOKIE-ECHO, có kèm theo thông tin về client. Cuối cùng server xác nhận cookie hợp lệ và liên kết đƣợc thiết lập bằng cách gửi lại bản tin COOKIE-ACK. SCTP cũng là giao thức hƣớng kết nối nhƣ TCP, cả hai đều cần thiết lập và đóng kết nối giữa hai bên. Tuy vậy, SCTP không chấp nhận trạng thái haft-closed nhƣ trong TCP, khi một bên đóng kết nối nhƣng bên còn lại vẫn tiếp tục gửi dữ liệu. Khi một phía thực hiện đóng kết nối, cả hai bên sẽ cùng dừng gửi và nhận dữ liệu. Để thực hiện điều này, SCTP sử dụng trƣờng tag trong mỗi phân khúc (chunk). Một chunk từ kết nối đã đóng sẽ có tag không hợp lệ. 2.3.2.2 Truyền dữ liệu tuần tự theo luồng Khác với TCP truyền dữ liệu theo các luồng byte cố định và duy nhất thì SCTP có thể truyền các thông điệp đi bằng nhiều luồng khác nhau. Các ứng dụng sử dụng SCTP có thể xác định số luồng sử dụng trong truyền dữ liệu khi liên kết đƣợc khởi tạo, số luồng này phải đƣợc ―thỏa thuận và đƣợc chấp nhận‖ bởi bên nhận. Với mỗi luồng sẽ đƣợc gán với một ID độc lập và đƣợc mã hóa trong các gói SCTP trong kết nối, các gói tin theo từng luồng sẽ đƣợc sắp thứ tự trong quá trình truyền cho tầng ứng dụng bên trên và việc này đƣợc thực hiện bởi phía bên nhận. Với cách truyền dữ liệu nhƣ thế này nếu một luồng bị chặn do phải đợi thông điệp thứ tự tiếp theo thì các luồng khác vẫn có thể truyền dữ liệu mà không bị ảnh hƣởng. Ngoài ra SCTP còn cung cấp một lựa chọn khác để ngƣời quản trị có thể thiết lập đƣợc cơ chế bỏ qua không phải đảm bảo các gói tin trong một luồng là tuần tự. Các thông điệp sử dụng cơ chế này sẽ đƣợc truyền cho ứng dụng SCTP ngay khi nhận đƣợc. 2.3.2.3 Phân mảnh dữ liệu Giống nhƣ giao thức TCP, SCTP cũng có cơ chế phân mảnh dữ liệu để phù hợp với một đơn vị MTU là khác nhau của các đƣờng truyền khác nhau. Khi cần thiết, những mảnh SCTP của thông điệp ngƣời dùng đảm bảo rằng gói SCTP (Packet SCTP) đi qua các lớp bên dƣới sẽ phù hợp với đƣờng dẫn MTU. Bên đầu nhận, các mảnh đƣợc lắp ráp lại thành những thông điệp hoàn chỉnh trƣớc khi đƣợc đƣa đến ngƣời sử dụng SCTP.