Các giao thưc ARQ

và Truyên dư liêu tin cây

Muc đích: ARQ (Yêu câu phát lăp tư đông) đam bao dòng dư liêu đươc phân phôi tơi ngươi sư dung bât châp các lôi xay ra trong quá trình truyên

Các phương thưc ARQ: Idle ARQ và Continuos ARQ Stop-and-Wait ARQ Go-Back N ARQ Selective Repeat ARQ

Các thành phân cơ ban cua ARQ: Mã phát hiên Lôi (Error-detecting code) vơi kha năng

phát hiên lôi lơn ACKs (Xác nhân) NAKs (Xác nhân phu đinh) Cơ câu Hêt giơ (Timeout mechanism)

Automatic Repeat Request (ARQ)

Idle ARQ

Truyên theo thiên hương ký tư Hoạt đông theo cơ chế bán song công Có 2 phương pháp thưc hiên:

Truyên lại ngâm đinh Truyên lại yêu câu rõ

CRCInformation

packet

Header

Information frame Control frame: ACKs

CRCHeader

PacketGói không lôi

Information frame

Control frame

Transmitter(Process A)

Receiver(Process B)

Stop-and-Wait ARQ

Đăt đông hô sau khi truyên môi

frame

Truyên môt frame, đơi phan hôi ACK

(ARQ Dưng-và-Đơi)

Các kiểu frame

I-frame: là các khung truyên (frame) mang thông tin

ACK-frame: là các khung truyên báo nhân tôt

NAK-frame : là các khung truyên báo từ chôi nhân hoăc nhân bi lôi

Hình 3.3 Cấu trúc các dạng frame trong Idle RQ

Trương hơp (a) & (b) trạm A hoạt đông tương tư Nhưng trương hơp (b) máy thu B nhân frame 1 hai lân Câu hoi: làm thế nào đê máy thu biết frame thư hai cung là frame 1? Tra lơi: Cân bô sung thêm sô thư tư ơ đâu khung Slast là sô thư tư cua khung đa đươc phát gân nhât

Cân thiêt đánh sô thư tư

(a) Frame 1 lost

A

B

Frame 0

Frame1

ACK

Frame1

ACK

TimeTime-out

Frame2

(b) ACK lost

A

B

Frame 0

Frame1

ACK

Frame1

ACK

TimeTime-out

Frame2

ACK

Sô thư tư

Máy phát A hiêu nhâm các ACK kep Gia thiết nhâm ACK thư hai xác nhân Frame 1 Câu hoi: làm thế nào đê máy thu biết ACK thư hai xác nhân frame 0? Tra lơi: Cân bô sung thêm sô thư tư ơ đâu khung ACK Rnext là sô thư tư cua khung tiếp máy thu đang đơi Xác nhân gián tiếp nhân đươc tât cá các frame trươc đó

(c) Ngừng hết giơ (Time-out) Sơm

A

B

Frame 0 Frame

0ACKFrame

1ACK

TimeTime-out

Frame2

(0,0) (0,1)

(1,0) (1,1)

Global State:(Slast, Rnext)

Frame 0 đến máy thu không lôi

ACK choframe 0đến máy phát

ACK choframe 1đến máy phát

Frame 1 đến máy thu không lôi

Transmitter A

Receiver B

SlastRnext

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Timer

Rnext

Slast

Sô thư tư 1 bit

Stop-and-Wait ARQ

Trang thái Săn sàng Đơi yêu câu truyên packet từ

lơp trên Khi yêu câu đến, truyên frame

vơi Slast và CRC câp nhât Chuyên tơi trạng thái chơTrang thái Chơ Đơi ACK hay hết giơ đông hô;

câm yêu câu từd lơp trên Nếu hết giơ

Truyên lại frame và đăt lại thơi gian đông hô

Nếu nhân đươc ACK: Nếu sô thư tư không đúng

hoăc phát hiên lôi: bo qua ACK Nếu sô thư tư chính xác (Slast

=Rnext = Slast +1): nhân frame, chuyên tơi trạng thái săn sàng

Luôn ơ Trang thái Săn sàng Đơi frame mơi đến Khi frame đến, kiêm tra lôi Nếu không có lôi và sô thư tư

đúng (Slast=Rnext), thì Nhân frame, Câp nhât lại Rnext, Gưi khung ACK frame vơi Rnext, Phân phôi packet tơi lơp trên

Nếu không có lôi nhưng sai sô thư tư Loại bo frame Gưi ACK vơi Rnext

Nếu phát hiên đươc lôi Bo frame

Máy thuMáy phát

Kiên trúc phân lớp

Hình 3.6 Kiến trúc hệ thống truyền tin và giao tiêp thực thể giao thức

Sơ đồ trang thái phía phát

Hình 3.7 Sơ đồ chuyển trạng thái phía sơ cấp

Bảng trang thái phía phát

Bảng sự kiện - trạng thái phía sơ cấp

Sơ đồ trang tháí và bảng trang thái phía thu

Hình 3.8 Sơ đồ chuyển trạng thái phía thứ cấp

Ưng dung cua Stop-and-Wait ARQ

IBM Binary Synchronous Communications protocol (Bisync): điêu khiên liên kết dư liêu đinh hương ký tư

Xmodem: giao thưc truyên file modem Trivial File Transfer Protocol (RFC 1350):

giao thưc truyên file đơn gian qua UDP

Hiêu suât cua S&W ARQ

Khung 10000 bit @ 1 Mbps mât 10 ms đê truyên Nếu thơi gian đơi ACK = 1 ms, thì hiêu suât = 10/11= 91% Nếu thơi gian đơi ACK = 20 ms, thì hiêu suât =10/30 = 33%

A

B

Bit đâu tiên cua frame vào kênh

Bit cuôi cung cua frame vào kênh

Kênh rôi khi máy phát đơi ACK

Bit cuôi cung cua frame đến

máy thu

Máy thu xư lý frame và chuân bi

ACK

ACK đến

Bit đâu tiên cua frame đến

máy thu

t

t

Thơi gianframe tf

A

B

tproptack tproc

tprop

tproc

t0 = tông thơi gian truyên 1 frame

Mô hinh Stop-and-Wait

0 2 2

2 2

prop proc f ack

f aprop proc

t t t t t

n nt t

R R

= + + +

= + + +

bits/Info frame

Tôc đô truyên cua kênh

bits/ACK frame

Hiêu suât S&W trên kênh không lôi

00

1

.2( )

1

f o o

eff f

prop proca

ff

n n nR nt

t t RnR Rn n

h

--

= = =+

+ +

Sô bits ơ header & CRC

0

So bit thong tin chuyen den dich,

Tong thoi gian can chuyen cac bit thong tinf o

eff

n nR

t

-= =

Anh hươngcua tai đâu/cuôi

frame

Anh hương cuaACK frame

Anh hương cuaTich Trê-Băng thông

Tôc đô truyên hiêu dung:

Hiêu suât truyên dân:

Anh hương cua Tích Trê-Băng thông

nf=1250 bytes = 10000 bits, na=no=25 bytes = 200 bits

2xDelayxBW

Hiêu suât

1 ms200 km

10 ms2000 km

100 ms20000

km

1 sec200000

km

1 Mbps 103

88%104

49%105

9%106

1%

1 Gbps 106

1%107

0.1%108

0.01%109

0.001%

Stop-and-Wait không phù hơp vơi kênh có tôc đô cao hay đô trê truyên sóng lơn

Hiêu suât S&W trên kênh có lôi

Đăt 1 – Pf = xác suât khung đến máy thu không lôi Sô lân truyên trung bình cho tơi khi có khung đến không lôi đâu tiên là

1/ (1–Pf ) “Nếu 1-trong-10 đi qua không lôi, thì trung bình cân 10 lân thư đê

thành công” Tông thơi gian trung bình đê truyên môt khung là t0/(1 – Pf)

0 11

(1 )2( )

1

f oo

eff ffSW f

prop proca

ff

n nnt

R P nP

t t RnR Rn n

h

-

--

= = = -+

+ +

Anh hương cua mât khung

Ví du: Anh hương BER

nf=1250 bytes = 10000 bits, na=no=25 bytes = 200 bits

Tim hiêu suât cho t/h lôi bit vơi p=0, 10-6, 10-5, 10-4

1 – Pf

Hiêu suât

0 10-6 10-5 10-4

1 Mbps& 1 ms

188%

0.9986.6%

0.90579.2%

0.36832.2%

1 (1 ) for large and small ffn n pffP p e n p-- = - »

BER anh hương lơn đên hiêu suât khi nfp 1

Go-Back-N cơ bản Cai tiến so vơi Stop-and-Wait băng cách không đơi

Gưi liên tiếp các frame lên kênh trong khi máy phát đơi ACK (thu tuc pipeline) giam anh hương cua Tích Trê-Băng thông

Sư dung môt cưa sô chơ có kích thươc = Ws frame > Tích Trê-Băng thông làm cho kênh luôn luôn bân

Sư dung đánh sô thư tư băng m bit

Nếu ACK cho frame đa phát đi lâu nhât đến trươc khi cưa sô bi sư dung hết, có thê tiếp tuc truyên

Nếu cưa sô bi chiếm hết, quay lại, và truyên lại tât ca các frame năm trong cưa sô)

Phương pháp thay thế: sư dung timeout

Truyên frame kiêu ông (pipelined) đê tân dung kênh Frame lôi và các frame có sô thư tư không đúng bi bo qua Máy phát bi cương bưc phát lại khi cưa sô băng 4 bi đây

Go-Back-N ARQ

A

B

fr0

Timefr1

fr2

fr3

fr4

fr5

fr6

fr3

ACK1

out of sequence frames

Go-Back-4: 4 frame còn tôn tại; quay lại 4 frame

fr5

fr6

fr4

fr7

fr8

fr9

ACK2

ACK3

ACK4

ACK5

ACK6

ACK7

ACK8

ACK9

Rnext 0 1 2 3 3 4 5 6 7 8 9

A

B

fr0

Timefr1

fr2

fr3

fr0

Máy thu tìm

Rnext=0

Các frame ko đúng thư tư

Bôn frame đang còn tôn tại; quay lại 4

fr2

fr3

fr1

fr4

fr5

fr6

Go-Back-N ARQ

ACK1

ACK2

ACK3

ACK4

ACK5

ACK6

A

B

Timefr0

fr0

Time-out expires

fr1

ACK1

Stop-and-Wait ARQ

Máy thu tìm Rnext=0

S&W ARQ vs Go-Back-N ARQ

Môt lôi khung gây nên mât thơi gian truyên = t time-out

Môt lôi khung gây nên mât thơi gian truyên =

Ws khung

Go-Back-N với Timeout

Ban chât Go-Back-N cơ ban: nêu cưa sô đây truyên lai N frame vưa truyên

Nhươc điêm vơi Go-Back-N cơ ban: Nếu frame bi mât và nguôn không có frame đê

truyên lại thì cưa sô không kín và, vì vây, không kích hoạt quá trình khôi phuc không thích hơp vơi t/h máy phát phát gián đoạn hoăc có sô frame hưu hạn

Khăc phuc: Sư dung timeout vơi từng frame Khi timeout hết giơ, phát lại toàn bô các frame

còn tôn lại

Go-Back-N với Timeout Máy phát duy trì môt list các frame đang xư lý vơi

Slast là sô cua frame đa phát đi lâu nhât chưa nhân đươc ACK và Srecent là sô cua frame vừa phát đi.

Máy phát đăt time out cho từng frame và lưu vào buffer tât ca các frame đa truyên nhưng chưa đươc xác nhân

Tại môi thơi điêm, máy phát có “Cưa sô phát” vơi các sô thư tư xác đinh, điêm dươi cưa sô là Slast, còn điêm trên là Slast + Ws – 1

T/h Srecent đạt giơi hạn trên cua cưa sô thì máy phát không đươc phep phát cho đến khi cưa sô phát dich vê phía trươc sau khi thu đươc xác nhân mơi.

Receiver

Receive Window

Rnext

Framesreceived

Máy thu chi nhân môt frame hơp lê (không lôi và có sô TT Rnext)

Sau khi nhân đươc frame hơp lê tăng Rnext lên 1 đơn vi, nên cưa sô thu trươt vê phía trươc môt frame

Timer Slast

Slast+1

Srecent

Slast+Ws-1

Timer

Timer

Transmitter

...

Buffers

Slast Slast+Ws-1

...Send Window

Srecent

Framesđa phát và đa ACKed

...

Frame vừa mơi gưi

Frame lâu nhât chưa xác nhân

(un-ACKed)

Sô TT max cho phep

Go-Back-N Transmitter & Receiver

Go-Back-N là t/h đăc biêt cua Cưa sô trươt (sliding windows)

Thao tác Cưa Sô trươt

Máy phát đơi frame ACK không lôi vơi sô TT Slast

Khi có ACK này đến, Slast tăng lên môt đơn vi, và cưa sô phát trươt vê phía trươc 1

Sư dung m bit ơ đâu khung sô TT: đếm theo modulo-2m

01

2

i

i + Ws – 1

2m – 1

Slast

sendwindow

i + 1

Máy phát

Slast Slast+Ws-1

...

Srecent

Các FrameĐa gưi và

đươc xác nhân

Cưa sô phát

Giơi hạn Kích thươc cưa sô cho phep là Ws = 2m-1

A

B

fr0

Timefr1

fr2

fr0

fr1

fr2

ACK1

M = 22 = 4, Go-Back-3:

ACK2

ACK3

Máy phát quay lại 3

Máy thu có Rnext= 3, vì vây loại bo frame 0 cu.

Rnext 0 1 2 3

Máy thu nhân đươc Rnext= 0, nhưng ko biết đây là ACK cho frame 0 cu, vì vây, nó không biết đây frame 0 cu hay mơi

A

B

fr0

Timefr1

fr2

fr3

fr0

fr1

fr2

fr3

ACK1

M = 22 = 4, Go-Back-4:

ACK0

ACK2

ACK3

Máy phát quay lại 4

Rnext 0 1 2 3 0

T/h 1

T/h 2

Kích thước cưa sô max?

Go-Back-N 2 chiêu

Go-Back-N 2 chiêu: chưc năng máy thu và máy phát đươc tích hơp vào ca 2 trạm

Môi chiêu gưi ca control frame và data frame Loại bo bơt môt sô frame điêu khiên nhơ “cong”

(piggybacking) các ACK trên header cua data frame Khi máy thu nhân đươc môt frame không lôi, gài

ACK vào data frame gưi tiếp theo. Nếu không có data frame đươc gưi ngay, máy thu đăt thơi gian đê chơ data frame tiếp theo. Nếu hết thơi gian chơ không có data frame đê gưi thì mơi sư dung control frame đê gưi ACK.

Tăng hiêu suât sư dung băng tân

RA next

“A” Receive Window

RB next

“B” Receive Window

SA last SA last+WA s-1

...“A” Send Window

SB last SB last+WB s-1

...“B” Send Window

Transmitter Receiver

TransmitterReceiver

SArecent RA next

SBrecent RB next

SA last

SA last+1

SArecent

SA last+WA s-1Timer

...

Buffers

...

SB last

SBlast+1

SBrecent

SB last+WB s-1

...

Buffers

...Timer

Timer

Timer

Timer

Timer

Timer

Timer

ACK Piggybacking ơ GBN 2 chiêu

Các frame không lôi nhưng sai sô TT bi loại bo sau khi kiêm tra Rnext

Sư dung Rnext đê câp nhât Slast tại chô

Applications of Go-Back-N ARQ

HDLC (High-Level Data Link Control): bit-oriented data link control

V.42 modem Standard: error control over telephone modem links

Tf Tf

Tproc

TpropTprop

Tout

Yêu câu vê Thơi gian Timeout

Thơi gian time-out cân đam bao cho: Hai lân thơi gian truyên sóng + 1 thơi gian xư lý: 2Tprop

+ Tproc

Thơi gian nhân hết 1 frame Tf

Thơi gian truyên frame tiếp theo (ACK), Tf

Ws cân đu lơn đê duy trì kênh luôn bân trong khoang Tout

Frame = 1250 bytes =10.000 bits, R = 1 Mbps

2(tprop + tproc) 2 x Delay x BW Window

1 ms 1000 bits 1

10 ms 10.000 bits 2

100 ms 100.000 bits 11

1 second 1.000.000 bits 101

Kích thước Cưa sô Yêu câu theo Tích Trê-Băng thông

Hiêu suât cua Go-Back-N

Nếu Ws đu lơn đê duy trì kênh bân và nếu kênh ko có lôi, thì GBN hết sưc hiêu qua

Gia sư Pf là xác suât lôi khung, thì thơi gian cân chuyên 1 khung là: tf nếu frame đâu tiên truyên thành công (1 – Pf ) tf +Wstf /(1-Pf) nếu frame đâu tiên truyên không thành công Pf

(1 ) { } and 1 1

1

(1 )1 ( 1)

s f s fGBN ff ff ff

ff

f o o

fGBNGBN f

s f

W t W tt t P P t t P

P Pn n n

ntP

R W Ph

= - + + = +- -

--

= = -+ -

Tích Trê-Băng thông quyết đinh Ws

VD: Anh hương cua BER

nf=1250 bytes = 10000 bits, na=no=25 bytes = 200 bits

So sánh hiêu suât cua S&W vơi GBN vơi xác suât lôi bit p = 0, 10-6, 10-5, 10-4 and R = 1 Mbps & 100 ms

1 Mbps x 100 ms = 100000 bits = 10 frames → Use Ws = 11

Efficiency 0 10-6 10-5 10-4

S&W 8.9% 8.8% 8.0% 3.3%

GBN 98% 88.2% 45.4% 4.9%

Go-Back-N cai thiên đáng kê so vơi Stop-and-Wait khi tích trê-băng thông lơn Go-Back-N trơ nên không hiêu qua khi BER tăng

ARQ phát lăp có chon loc

Go-Back-N ARQ không hiêu qua do phát lai nhiêu frame khi xay ra lôi hoăc mât frame

Cai tiến bơi Selective Repeat ARQ Chi phát lại môt frame bi lôi hoăc mât Máy thu duy trì môt cưa sô thu vơi các sô thư tư

frame có thê châp nhân Các frame không đúng thư tư nhưng có sô TT rơi

vào cưa sô thu đươc ghi đêm Khác vơi GBN, sau khi nhân đươc frame Rnext cưa

sô đươc trươt vê phía trươc 1 hay nhiêu frame

A

B

fr0

Timefr1

fr2

fr3

fr4

fr5

fr6

fr2

ACK1

fr8

fr9

fr7

fr10

fr11

fr12

ACK2

NAK2

ACK7

ACK8

ACK9

ACK10

ACK11

ACK12

ACK2

ACK2

ACK2

Selective Repeat ARQ

Transmitter

Buffers

Slast Slast+ Ws-1

...Send Window

Srecent

Framestransmittedand ACKed

Timer Slast

Slast+ 1

Srecent

Slast+ Ws - 1

Timer

Timer

...

...

Selective Repeat ARQ

Framesreceived

Receiver

Receive Window

Rnext Rnext + Wr-1

Rnext+ 1

Rnext+ 2

Rnext+ Wr- 1

...

Buffers

max Seq # accepted

Cưa sô Phát & Thu WindowsMáy phát Máy thu

01

2

i

i + Ws – 1

2m-1

Slast

sendwindow

i + 1

Chuyên vê phía trươc k khi ACKđến vơi Rnext = Slast + k

k = 1, …, Ws-1

01

2

i

j + Wr – 1

2m-1

Rnext

receivewindow

j

Chuyên vê phía trươc 1 hay nhiêu hơn khi frame đến vơi STT = Rnext

Kích thước cua Ws & Wr? T/h Ws =Wr=2m -1 Ví du: M=22=4, Ws=3, Wr=3

A

B

fr0Time

fr1 fr2 fr0

ACK1 ACK2 ACK3

Gưi lại frame 0

{0,1,2} {1,2} {2} {.}Send

Window

{0,1,2} {1,2,3}Receive Window

{2,3,0} {3,0,1}

Frame 0 cu châp nhân như frame mơido năm trong cưa sô thu

Kích thước max Ws + Wr = 2m

Ví du: M=22=4, Ws=2, Wr=2

A

B

fr0Time

fr1 fr0

ACK1 ACK2

Gưi lại frame 0

{0,1} {1} {.}Send

Window

{0,1} {1,2}Receive Window

{2,3}

Frame 0 cu bi loại do năm ngoài cua sô thu

Tai sao Ws + Wr = 2m tôt?

Máy phát gưi các frame 0 đến to Ws-1; cưa sô phát rông

Tât ca đến máy thu Tât ca ACKs bi mât Máy phát phát lại frame 0

Cưa sô trươt vê phía trươc đến {Ws,…,Ws+Wr-1}

01

2

Ws-1

2m-1

Slast

sendwindow

01

2Ws +Wr-1

2m-1

Rnextreceivewindow

Ws

Máy thu loại frame 0 do năm ngoài cưa sô thu

Cưa sô thu băt đâu từ {0, …, Wr}

Ưng dung cúa Selective Repeat ARQ

TCP (Transmission Control Protocol): giao thưc lơp Vân chuyên sư dung biến đôi cua selective repeat ARQ đê cung câp dich vu tin cây

Service Specific Connection Oriented Protocol: kiêm soát lôi cho các ban tin ơ các mạng ATM

Hiêu suât cua Selective Repeat ARQ Gia sư Pf là xác suât mât frame, thì sô các lân truyên

lại đê gưi môt frame thành công là: tf / (1-Pf)

/ (1 )(1 )(1 )

f o

ff oSR f

f

n n

t P nP

R nh

-

-= = - -

VD: Anh hương cua BER đên SR-ARQ

nf=1250 bytes = 10000 bits, na=no=25 bytes = 200 bits

So sánh hiêu suât S&W, GBN & SR cho t/h p=0, 10-6, 10-5, 10-4 and R= 1 Mbps & 100 ms

Efficiency 0 10-6 10-5 10-4

S&W 8.9% 8.8% 8.0% 3.3%

GBN 98% 88.2% 45.4% 4.9%

SR 98% 97% 89% 36%

Selective Repeat vươt trôi GBN va S&W, nhưng hiêu suât vân giam khi BER tăng

Selective-Repeat:

Go-Back-N:

Stop-and-Wait:(1 ) 12( ) 1

1

ffSW

prop proca

ff

P Pt t Rn L

n n

h- -

= »+ +

+ +

1 1

1 ( 1) 1ff

GBNS ff

P P

W P LPh

- -= =

+ - +

(1 )(1 ) (1 )oSR ff

f

nP P

nh = - - » -

So sánh hiêu suât cua các ARQ

Gia thiết na và no có thê bo qua so vơi nf, và L = 2(tprop+tproc)R/nf =(Ws-1), then

For Pf≈0, SR & GBN same

For Pf→1, GBN & SW same

ARQ Efficiency Comparison

0

0.5

1

1.5

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

- LOG(p)

Eff

icie

ncy

SelectiveRepeat

Go Back N 10

Stop and Wait100

Go Back N 100

Stop and Wait10

10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1

p

Tích trê- Băng thông = 10, 100

ARQ Efficiencies

Chapter 5 Peer-to-Peer Protocols

and Data Link Layer

Điêu khiên luông

Điêu khiển luồng

Máy thu có bô nhơ đêm hạn chế đê lưu giư các frame tơi

Môt sô trương hơp có thê làm tràn buffer Mât phôi hơp giưa tôc đô phát và tôc đô thu Môt loạt các frame tơi liên tuc

Điêu khiên luông ngăn buffer khoi bi tràn băng cách điêu khiên tôc đô phát cua nguôn

Information frame

Control frame

Transmitter

Receiver

buffer fill

on off offon

A

B

2Tprop

Time

Time

X ON / X OFF

Transmit Transmit

Information frame

X OFF

Transmitter

Receiver

threshold

Ngương cân phai kích hoạt tín hiêu OFF khi 2 Tprop R bits vân còn lưu lại trong buffer

A

B

tcycle

Return of permits

Time

Time

Điêu khiển luồng băng Cưa sô

Phương pháp ARQ cưa sô trươt vơi Ws băng buffer còn trông Máy phát không thê phát nhiêu hơn Ws frames

Các ACKs làm trươt cưa sô vê phía trươc có thê coi như là các giây phep phát tiếp tuc

Cung có thê điêu chinh tôc đô ACKs như trên hình ve Gưi tra giây phep (ACKs) vào cuôi chu ky cho phep điêu khiên tôc đô truyên dân

Vân đê sư dung cưa sô trươt cho ca điêu khiên luông/lôi Lưa chon cưa sô Interplay between transmission rate & retransmissions TCP chia riêng điêu khiên lôi và luông