Luận văn Khảo sát mạng lan với các phần mở rộng không dây

-1- Hà Nội – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SỸ -2- ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số : 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội – 2010 -1- MỤC LỤC MỞ ĐẦU.........................................................................................................................6 U CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU...........................................................................................7 U 1.1. Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính............................................................7 1.1.1. Sự ra đời của các mạng LAN (có dây)............................................................7 1.1.2. Sự ra đời của mạng Internet ............................................................................7 1.1.3. Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN.........................................8 1.2. Đường truyền không dây và các vấn đề phải giải quyết .....................................11 1.2.1. Đặc điểm của đường truyền không dây ........................................................11 1.2.2. Cơ chế điều khiển lưu lượng và phản ứng sai lầm của TCP.........................19 1.3. Mục đích nghiên cứu của luận văn. ....................................................................19 CHƯƠNG 2 - MẠNG WLAN VÀ VIỆC KẾT NỐI VỚI INTERNET .......................21 2.1. Giao thức MAC của mạng LAN - CSMA/CD...................................................21 2.2. Giao thức MAC của mạng WLAN - CSMA/CA. ...............................................23 2.2.1. CSMA/CD không thể sử dụng cho mạng WLAN ........................................23 2.2.2. Giao thức CSMA/CA....................................................................................24 2.2.3. Giao thức CSMA/CA + ACK .......................................................................25 2.2.4. Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS ...................................................26 2.3. Chức năng DCF, PCF .........................................................................................27 2.3.1. Chức năng cộng tác phân tán - DCF.............................................................27 2.3.2. Chức năng cộng tác tập trung - PCF .............................................................28 2.3.3. Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS.........................................................................29 2.4. Kết nối WLAN với Internet ................................................................................31 2.4.1. Chức năng của AP.........................................................................................31 2.4.2. Các mô hình kết nối ......................................................................................33 2.4.3. AP và kênh truyền sóng ................................................................................35 2.4.4. Vấn đề nút mạng di động. .............................................................................37 CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN TCP CHO MẠNG HỖN HỢP .............................................43 3.1. Giao thức TCP/IP đối với mạng có đường truyền không dây ............................43 3.2. Các tiêu chí đánh giá giao thức mạng .................................................................44 -2- 3.3. Một số giao thức cải tiến TCP dùng cho mạng hỗn hợp.....................................46 3.3.1. Split TCP ......................................................................................................46 3.3.2. Snoop TCP ....................................................................................................47 3.3.3. M-TCP ..........................................................................................................51 CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN TRONG MẠNG CÓ PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY........................53 4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 ...................................................................54 4.1.1. Mô phỏng mạng LAN...................................................................................57 4.1.2. Mô phỏng WLAN .........................................................................................59 4.2. Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng LAN............................... 68 4.3. Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng hỗn hợp ...........................72 KẾT LUẬN ...................................................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................79 -3- CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AES Advanced Encryption Standard AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector AP Access Point BER Bit Error Ratio BSSs Independent Basic Service Sets CBR Constant Bit Rate CS Carrier Sense CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect CTS Clear To Send DCF Distributed Co-ordination Function DFS Dynamic Frequency Selection DIFS Distributed Co-ordinate Function Interframe Space DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum E-mail Electronic Mail ESSs Extended Service Sets FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FTP File Transfer Protocol IAPP Inter-AP Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFS Interframe Spacing ISDN Integrated Services Digital Network ISM Industrial, Scientific and Medical LAN Local Area Network MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network -4- Modem modulator and demodulator NAM Network Animator NS2 Network Simulator AODV Adhoc On-demand Distance Vector OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Otcl Object Oriented Tool Command Language PCF Point Co-ordination Function PIFS Point Co-ordination Function Interframe Space PSM Power Saving Mode QoS Quality of Service REAL Realistic and Large RTP Real-time Transport Protocol RTS Request To Send RTT Round Trip Time SIFS Short Inter-Frame Space SW Switch TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TELNET TELecommunication NETwork TORA Temporally ordered Routing Algorithm TPC Transmission Power Control UDP User Datagram Protocol UNII Unlicensed National Information Infrastructure VBR Variable Bit Rate WAN Wide Area Network WEP Wired Equivalent Privacy WIFI Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network WWW World Wide Web -5- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chế độ tiết kiệm năng lượng ở 802.11 ................................................14 Hình 1.2: Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái. .........................................................15 Hình 2.1: Điều khiển truy nhập CSMA ..............................................................21 Hình 2.2: Trạm A và C được xem là "ẩn" đối với nhau......................................23 Hình 2.3: Trạm C bị lộ đối với trạm B.................................................................23 Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK...............................................25 Hình 2.5: CSMA/CA sử dụng RTS/CTS và ACK...............................................26 Hình 2.6: Mô hình RTS/CTS ...............................................................................27 Hình 2.7: Mô hình Root mode .............................................................................32 Hình 2.8: Mô hình AP ở chế độ Bridge mode .....................................................32 Hình 2.9: Mô hình AP ở chế độ Repeater mode ..................................................32 Hình 2.10: Mô hình mạng Ad-hoc .......................................................................33 Hình 2.11: Mô hình mạng cơ sở...........................................................................34 Hình 2.12: Mô hình mạng mở rộng......................................................................34 Hình 2.13: Mô tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g.............................35 Hình 2.14: Minh họa phổ tín hiệu 802.11b .........................................................35 Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b.........................................................36 Hình 2.16: Không xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b ............................36 Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp ......................37 Hình 2.18: Phạm vi phủ sóng của các AP chồng lên nhau. .................................38 Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền ..................................................39 Hình 2.20: MH di chuyển từ AP1 sang AP2 khác kênh truyền ...........................39 Hình 3.1: Mô hình Split Connection ....................................................................46 Hình 3.2: Tiến trình xử lý dữ liệu từ FH đến MH................................................48 Hình 3.3: Tiến trình xử lý ACK ...........................................................................49 Hình 3.4: MH chỉ trao đổi gói tin với Primary AP ..............................................50 Hình 3.5: Mô hình kết nối M-TCP.......................................................................51 Hình 4.1: Ánh xạ trong cùng đối tượng giữa C++ và OTCL...............................55 Hình 4.2: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng..........................................55 Hình 4.3: Luồng các sự kiện mô phỏng được kết xuất ra file..............................57 Hình 4.4: Minh họa ngăn xếp mạng dùng cho LAN............................................58 Hình 4.5: Thực tế kết nối và thể hiện định tuyến trên NS2 .................................59 Hình 4.6: Lược đồ của một mobile node chuẩn 802.11 của Monarch trong NS. ..............................................................................Error! Bookmark not defined. Hình 4.7: Các vị trí chèn lỗi khi mô phỏng mạng không dây. .............................67 Hình 4.8: Mô hình khảo sát mạng LAN...............................................................68 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng TCP trong mạng LAN ...........................................71 Hình 4.10: Tôpô mạng hỗn hợp WLAN + Internet khi truyền TCP, UDP.........72 -6- MỞ ĐẦU Mạng LAN nói chung (LAN có dây) có đặc điểm là tốc độ cao, tỉ suất lỗi gói tin nhỏ, độ trễ của các gói tin truyền trong mạng nhỏ và thăng giáng độ trễ (jitter) không quá lớn. Ngày nay việc kết nối các mạng LAN không dây (WLAN) với mạng LAN có dây ngày càng trở nên phổ biến, các ứng dụng về mạng hỗn hợp hai loại truyền thông này đã mang lại cho cho xã hội thêm những mô hình kết nối mới đầy hiệu quả. Tuy nhiên, mạng WLAN có nhiều đặc điểm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất truyền thông, do đặc tính nhiều lỗi của đường truyền cũng như tính có thể di động của nút mạng. Khi kết nối LAN với WLAN, mạng tạo thành là hỗn hợp, nảy sinh nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất truyền thông. Chính vì lý do đó, tôi đã lựa chọn đề tài "Khảo sát mạng LAN với các phần mở rộng không dây" để nghiên cứu. Để thực hiện những nội dung nghiên cứu trên, luận văn của tôi gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận. Nội dung của các chương được tóm tắt như sau: Chương 1: Tìm hiểu lịch sử các mạng LAN, WLAN, Internet; đặc điểm của đường truyền không dây và các vấn đề cần giải quyết; tóm tắt một số nghiên cứu theo hướng cải tiến giao thức TCP để phù hợp với mạng hỗn hợp. Trên các cơ sở đó để xác định mục tiêu của đề tài. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về mạng WLAN và các vấn đề liên quan đến hiệu suất truyền thông khi kết nối với Internet; nghiên cứu vấn đề nút mạng di động trong một hay nhiều vùng phủ sóng của 1 hay nhiều AP. Chương 3: Tìm hiểu, đánh giá một số cải tiến TCP cho mạng có đường truyền không dây, làm tiền đề cho những nghiên cứu của tôi theo hướng này. Chương 4: Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến mô phỏng mạng LAN, WLAN trong NS2; viết chương trình mô phỏng và phân tích kết quả một số thí nghiệm về các nút trong mạng hỗn hợp LAN và WLAN khi truyền ở hai hình thức TCP và UDP. Để hoàn thiện luận văn này, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS.TS Nguyễn Đình Việt – là người đã giảng dạy và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. -7- CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU 1.1. Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính 1.1.1. Sự ra đời của các mạng LAN (có dây) Vào thời gian trước khi những máy tính cá nhân xuất hiện, một máy tính trung tâm chiếm trọn 1 căn phòng, người dùng truy nhập máy tính trung tâm thông qua thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung tâm bằng cáp truyền dữ liệu tốc độ thấp. Cuối những năm 60, do nhu cầu tăng tốc độ truyền, phòng thì nghiệm Lawrence Berkeley thuộc bộ năng lượng Mỹ đã nghiên cứu và đưa ra báo cáo chi tiết vào năm 1970 về mạng lưới máy tính. Mạng cục bộ LAN đầu tiên đã được tạo ra vào cuối những năm 1970 thông qua cáp truyền tốc độ cao giữa vài máy tính trung tâm lớn đặt cùng một chỗ. Các nhà phát triển hệ điều hành cho mạng này bắt đầu cạnh tranh nhau trong đó Ethernet và ARCNET được biết đến nhiều nhất. Ethernet được Xerox PARC phát triển trong giai đoạn 1973-1975 và đã được cấp bằng sáng chế năm 1976 sau khi hệ thống này đã được triển khai tại PARC đồng thời Metcalfe và Boggs xuất bản bài báo "Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks" mở ra một hướng đi rõ ràng hơn cho mạng LAN. ARCNET được phát triển bởi công ty Datapoint năm 1976, tháng 12 năm 1977 nó được áp dụng cho ngân hàng Chase Manhattan ở New York. Như vậy, năm 1977, công ty Datapoint đã bắt đầu bán hệ điều hành mạng của mình là "Attached Resource Computer Network" (hay gọi tắt là Arcnet) ra thị trường. Mạng Arcnet cho phép liên kết các máy tính và các trạm đầu cuối lại bằng dây cáp mạng. Arcnet đã trở thành hệ điều hành mạng LAN đầu tiên. [23], [24] 1.1.2. Sự ra đời của mạng Internet Tiền thân của mạng Internet ngày nay là mạng ARPANET, đó chính là mạng liên khu vực (Wide Area Network - WAN) đầu tiên được xây dựng. ARPANET thuộc bộ quốc phòng Mỹ liên kết 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học California, Santa Barbara. Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974, lúc đó mạng vẫn được gọi là ARPANET. Đến năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức được coi như một chuẩn đối với lĩnh vực quân sự Mỹ. Mạng ARPANET và giao thức TCP/IP đã trở thành dấu mốc cho mạng Internet ra đời. -8- Năm 1984, ARPANET được chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn được gọi là ARPANET, dành cho việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai được gọi là MILNET, là mạng dùng cho các mục đích quân sự. Vào giữa thập niên 1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET. Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET không còn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990. Sự hình thành mạng xương sống của NSFNET và những mạng vùng khác đã tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của Internet. Tới năm 1995, NSFNET thu lại thành một mạng nghiên cứu còn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển. Internet được xem là mạng của các mạng mà thực chất là mạng của các mạng LAN thông qua các mạng WAN hoặc các mạng truyền thông khác. Các quốc gia có kết nối mạng Internet toàn cầu thường xây dựng mạng đường trục tốc độ cao, là một hệ thống mạng liên kết có tốc độ truyền cực cao so với tốc độ truyền của hệ thống mạng thông thường. Ngày nay, Internet đã trở thành mạng máy tính toàn cầu, xuất hiện trong mọi lĩnh vực thương mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội,... Mạng được kết nối với nhau dựa trên bộ giao thức trao đổi số liệu TCP/IP, đó là ngôn ngữ chung để cho tất cả các máy tính khác nhau kết nối trên mạng có thể "nói chuyện" được với nhau. Các dịch vụ dựa trên nền tảng Internet ngày càng phát triển mạnh. Sản phẩm chính mà Internet cung cấp cho người dùng là thông tin. Thông tin thường ở dạng tệp lưu trữ trong các máy tính chủ, máy tính cung cấp dịch vụ, và có thể trình bày bằng nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào loại dịch vụ của Internet được sử dụng. Các dịch vụ trên Internet thường được tổ chức theo mô hình quan hệ Client - Server (khách - chủ) nhằm phân phối quá trình xử lý giữa máy tính của người sử dụng (client) và máy tính chủ (server). Một số dịch vụ chính hiện đang được sử dụng trên Internet như: WWW, Email, FTP, đăng nhập từ xa,… 1.1.3. Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz. -9- Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện thời. Mạng WLAN có 2 kiểu cơ bản đó là Ad-hoc và Infrastructure. Với kiểu Ad-hoc thì mỗi máy tính trong mạng giao tiếp trực tiếp với nhau thông qua các thiết bị Card mạng không dây mà không dùng đến các thiết bị định tuyến (Wireless Router) hay thu phát không dây (Wireless Access Point). Kiểu Infrastructure thì các máy tính trong hệ thống mạng sử dụng một hoặc nhiều các thiết bị định tuyến hay thiết bị thu phát để thực hiện các hoạt động trao đổi dữ liệu với nhau và các hoạt động khác. Mạng WLAN có cấu trúc kiểu Infrastructure có thể được coi là mạng LAN có phần mở rộng không dây. Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2.4Ghz. Mặc dù những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất mà không được công bố rộng rãi. Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dải tần số khác nhau đã dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung. Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI cho các mạng WLAN. Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz. Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a và 802.11b (định nghĩa những phương pháp truyền tín hiệu). Và những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội. Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps. IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật tương đương với mạng LAN có dây. Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g có thể truyền nhận thông tin ở cả hai dải tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps. Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b. Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps. -10- Như vậy, chuẩn 802.11 là một chuẩn chung dành cho mạng LAN không dây. Thực ra có nhiều chuẩn khác nhau cho mạng LAN không dây. Dưới đây là thống kê một số chuẩn được dùng rộng rãi trong thực tế: 802.11: Ra đời năm 1997. Đây là chuẩn sơ khai của mạng không dây, nó mô tả cách truyền thông trong mạng không dây sử dụng các phương thức như DSSS (trải phổ chuỗi trực tiếp), FHSS (trải phổ nhảy tần), infrared (hồng ngoại). Tốc độ hoạt động tối đa là 2 Mbps, hoạt động trong băng tần 2.4 GHz ISM. 802.11b: Đây là một chuẩn mở rộng của chuẩn 802.11, cải tiến DSSS để tăng băng thông lên 11 Mbps, nó cũng hoạt động ở băng tần 2.4 GHz và tương thích ngược với chuẩn 802.11. Chuẩn này trước đây được sử dụng rộng rãi trong mạng WLAN nhưng hiện nay thì các chuẩn mới với tốc độ cao hơn như 802.11a và 802.11g có giá thành ngày càng hạ đã dần thay thế 802.11b. 802.11a: Chuẩn này sử dụng băng tần 5 GHz UNII (Unlicenced National Information Infrastructure) nên nó sẽ không giao tiếp được với chuẩn 802.11 và 802.11b. Tốc độ của nó lên đến 54 Mbps vì nó sử dụng công nghệ OFDM. Chuẩn này rất thích hợp khi muốn sử dụng mạng không dây tốc độ cao trong môi trường có nhiều thiết bị hoạt động ở băng tần 2.4 Ghz vì nó không gây nhiễu với các hệ thống này. 802.11g: Chuẩn này hoạt động ở băng tần 2.4 GHz, sử dụng công nghệ OFDM nên có tốc độ lên đến 54 Mbps (nhưng không giao tiếp được với 802.11a vì khác tần số hoạt động). Nó cũng tương thích ngược với chuẩn 802.11b vì có hỗ trợ thêm DSSS (và hoạt động cùng tần số). Điều này làm cho việc nâng cấp mạng không dây từ thiết bị 802.11b ít tốn kém hơn. Trong môi trường vừa có cả thiết bị 802.11b lẫn 802.11g thì tốc độ sẽ bị giảm đáng kể vì 802.11b không hiểu được OFDM và chỉ hoạt động ở tốc độ thấp. 802.11e: Đây là chuẩn bổ sung cho chuẩn 802.11 cũ, nó định nghĩa thêm các mở rộng về chất lượng dịch vụ (QoS) nên rất thích hợp cho các ứng dụng multimedia như voice, video. 802.11f: Được phê chuẩn năm 2003. Đây là chuẩn định nghĩa giao thức cho các AP giao tiếp với nhau khi một MH chuyển vùng (roaming) từ vùng này sang vùng khác. Chuẩn này còn được gọi là IAPP. Chuẩn này cho phép một AP có thể phát hiện được sự hiện diện của các AP khác cũng như cho phép AP “chuyển giao” MH sang AP mới (khi roaming), điều này giúp cho quá trình roaming được thực hiện một cách thông suốt. -11- 802.11i: Là một chuẩn về bảo mật, nó bổ sung cho các yếu điểm của WEP trong chuẩn 802.11. Chuẩn này sử dụng các giao thức như giao thức xác thực dựa trên cổng 802.1X, và một thuật toán mã hóa đó là thuật toán AES, thuật toán này sẽ thay thế cho thuật toán RC4 được sử dụng trong WEP. 802.11h: Chuẩn này cho phép các thiết bị 802.11a tuân theo các quy tắc về băng tần 5 GHz ở Châu Âu. Nó mô tả các cơ chế như tự động chọn tần số (DFS) và điều khiển công suất truyền (TPC) để thích hợp với các quy tắc về tần số và công suất ở Châu Âu. 802.11j: Được phê chuẩn tháng 11/2004 cho phép mạng 802.11 tuân theo các quy tắc về tần số ở băng tần 4.9 Ghz và 5 Ghz ở Nhật Bản. 802.11d: Chuẩn này chỉnh sửa lớp MAC của 802.11 cho phép máy trạm sử dụng FHSS có nhằm tối ưu các tham số lớp vật lý để tuân theo các quy tắc của các nước khác nhau nơi mà nó được sử dụng. 802.11s: Định nghĩa các tiêu chuẩn cho việc hình thành mạng dạng lưới (mesh network) một cách tự động giữa các AP 802.11 với nhau. 1.2. Đường truyền không dây và các vấn đề phải giải quyết 1.2.1. Đặc điểm của đường truyền không dây Vấn đề truyền thông của mạng WLAN kết nối với Internet trở thành chủ đề của nhiều nghiên cứu. Các máy tính và thiết bị trong mạng không dây kết nối với Internet là rất tự nhiên và có ý nghĩa cực kỳ quan trọng, điều đó đòi hỏi phải mở rộng đường truyền về quy mô và đặc tính, cho phép kết nối các mạng không dây vào Internet. Như vậy, việc kết nối từ các thiết bị không dây vào mạng Internet trở nên không đồng nhất về phương diện các đặc tính của đường truyền. Trong phần mạng có dây, đường truyền có độ tin cậy cao và tỉ suất lỗi bit thấp, việc mất gói số liệu chủ yếu do tắc nghẽn trong mạng chứ không phải do lỗi đường truyền. Phần mạng không dây, tỉ lệ lỗi cao và thất thường do biến động về môi trường truyền sóng và sự di chuyển của các nút. Các vấn đề chính trong việc đánh giá hiệu suất mạng WLAN được trình bày dưới đây. Lỗi bit Lỗi bit trong phần mạng không dây xảy ra do các nguyên nhân khác nhau như: tạp âm, nhiễu, suy hao đường truyền, pha đinh, hiệu ứng nhiều đường và vật cản. Các lỗi được đề cập ở trên tác động đáng kể đến tỷ lệ lỗi bit của các kênh không dây. Với tốc độ dữ liệu và di chuyển điển hình của người dùng, -12- những lỗi này có thể gây nên lỗi chuỗi bit dài được gọi là bùng nổ lỗi (error burst), do đó gây nên khó khăn cho việc sửa lỗi khi sử dụng các mã sửa lỗi thông thường. Ngoài ra, nhiễu vô tuyến cũng có thể gây nên gián đoạn tạm thời. Đối với các WLAN hoạt động ở bǎng tần vô tuyến 2,4 GHz, hoạt động của các lò vi sóng có thể là một nguồn nhiễu quan trọng. Các lò vi sóng công suất lên tới 750W hoặc cao hơn, với 150 xung trên giây, có bán kính bức xạ trong vòng khoảng 10m, bức xạ phát ra trải từ 2,4 GHz đến 2,45 GHz. Cho dù các khối của lò vi sóng có thể được che chắn bức xạ điện từ thì phần lớn nǎng lượng vẫn có thể gây nhiễu tới truyền dẫn WLAN. Các nguồn nhiễu khác trong bǎng tần 2,4 GHz gồm máy photocopy, các thiết bị chống trộm, các mô tơ thang máy và các thiết bị y tế. [23] Một số kỹ thuật được đề xuất nhằm cải thiện chất lượng đường truyền không dây và khắc phục ảnh hưởng của một số nguồn lỗi nghiêm trọng. Mặc dù vậy, vẫn không thể đạt được tỷ lệ lỗi bit thấp hơn so với tỷ lệ lỗi bit trong các mạng có dây. Tỷ lệ lỗi bit điển hình của các mạng không dây nằm trong khoảng từ 10-2 đến 10-6 tùy thuộc vào điều kiện môi trường và các kỹ thuật mã hóa tín hiệu truyền cũng như điều chế tín hiệu cụ thể được sử dụng. Vì vậy, các ứng dụng và giao thức lớp cao hơn phải tính đến tỷ lệ lỗi bit cao và cần có các cơ chế chính xác cho điều khiển chất lượng dịch vụ, nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ có thể chấp nhận được đến người dùng thiết bị di động. Băng thông kênh thấp Vì có sự hạn chế phổ vô tuyến mà mỗi mạng được phép sử dụng nên băng thông kênh truyền không dây thường là thấp hơn so với các kênh truyền có dây. Các mạng không dây có các ràng buộc điển hình về băng thông so với các mạng có dây, đòi hỏi có đảm bảo khác biệt về dịch vụ. Các mạng cố định thường cung cấp đường truyền thông với tỷ lệ lỗi bit rất thấp và tốc độ cao. Trái lại, các mạng không dây có hiệu năng điển hình thấp hơn nhiều do tỷ lệ lỗi cao, có tính chất bùng nổ và đường truyền thường bị đứt đoạn, dẫn đến tốc độ dữ liệu thấp và hiệu năng của chúng phụ thuộc vào các yếu tố khác như: vị trí, môi trường truyền của không khí, nhiễu,… Các đường truyền không dây thường tạo thành nút cổ chai trong môi trường mạng hỗn hợp có dây và không dây. -13- Sự thay đổi bất thường của các luồng không dây Kênh không dây có đặc điểm nổi bật so với kênh có dây là biến đổi theo thời gian và có tác động đáng kể đến việc đảm bảo hiệu năng kết nối. Băng thông của kênh không dây biến đổi theo thời gian do hiện tượng pha đinh cũng biến đổi theo thời gian và biến động số lượng MH gây ra nguy cơ bùng nổ lỗi. Sự thay đổi bất thường về dung lượng của kênh không dây, đặc biệt khi phía gửi cũng như phía nhận di chuyển, dẫn đến biến đổi trễ kéo theo biến đổi thời gian khứ hồi (RTT). Thay đổi bất thường này tác động đáng kể đến hiệu năng của các giao thức dựa trên cơ chế báo nhận như TCP cũng như các cơ chế mới được phát triển dựa trên nền tảng TCP. Vì đặc tính thay đổi bất thường của kênh không dây gây nên sự thay đổi bất thường của trễ truyền từ đầu cuối đến đầu cuối nên các tính toán dựa trên trễ như tính thời gian chờ để truyền lại (time-out) đối với TCP có thể tạo ra các giá trị lớn, dẫn đến chu kỳ rỗi dài, nghĩa là thông lượng bị giảm đi và lãng phí băng thông. Sự di chuyển của người dùng thiết bị đầu cuối Sự di chuyển của MH giữa các cell gây nên một số thách thức trong việc đảm bảo QoS cho mạng không dây. Tuy chuẩn 802.11 không quy ước thuật toán chuyển vùng và để dành phần "công việc" này cho nhà sản xuất card không dây. Các yếu tố ảnh hưởng đến QoS đó là: • Chất lượng tín hiệu sóng điện từ (cường độ tín hiệu) sẽ có xu hướng suy hao dần khi người dùng thiết bị đầu cuối di chuyển xa dần trạm phát (AP). • Sự di chuyển của MH có thể dẫn đến yêu cầu chuyển giao kết nối (hand-off) và có thể gây ra trễ bất thường và mất gói tin...Vấn đề quản lý vị trí MH để phục vụ định tuyến sao cho kết nối là liên tục và thời gian trễ là tối thiểu. Các vật cản đối với sự lan truyền tín hiệu Với mạng không dây, các thiết bị mạng trao đổi thông tin với nhau bằng tín hiệu sóng điện từ thông qua môi trường. Do việc truyền sóng điện từ có thể xảy ra hiện tượng phản xạ, khúc xạ, giao thoa nên độ phủ sóng của tín hiệu vô tuyến phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện môi trường cụ thể trên đường truyền. Các vật cản có thể là bức tường, vách ngǎn và các vật thể khác. Tín hiệu -14- có xuyên qua được dễ dàng hay không phụ thuộc nhiều vào chất liệu và hình dạng của vật cản. Nguồn năng lượng lưu trữ của MH Thời gian hoạt động liên tục của MH phụ thuộc vào dung lượng của pin. Các MH tiêu hao khá nhiều năng lượng trong việc thu phát sóng điện từ để nhận và truyền tin, điều này ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu năng sử dụng đặc biệt đối với môi trường không đồng nhất và nhiều biến động. Tuy nhiên, với chuẩn IEEE 802.11 đã định nghĩa chế độ tiết kiệm năng lượng PSM để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng pin của MH trong truyền thông khi tham gia mạng không dây. Hình 1.1: Chế độ tiết kiệm năng lượng ở 802.11 Trong chế độ PSM, MH định kỳ luân phiên giữa hai trạng thái: Active và Sleep. MH chỉ có thể truyền và nhận tín hiệu khi ở trạng thái Active. Còn khi ở trạng thái Sleep, MH tiêu tốn rất ít năng lượng do không phải cung cấp năng lượng để ăng ten thu phát sóng nên có thể tiết kiệm được năng lượng đáng kể. Các gói tin gửi đến MH khi MH đang ở trong trang thái Sleep sẽ được AP lưu tạm ở buffer của nó và AP sẽ chờ khi MH bật sang trạng thái Active thì truyền dữ liệu cho MH. Tuy nhiên vì MH chỉ truyền và nhận được tín hiệu khi ở trạng thái Active, trong khi đó AP chỉ truyền gói tin tiếp theo đến MH khi nhận được ACK từ MH đó, cho nên điều này ảnh hưởng không nhỏ đến thông lượng (thoughput) đường truyền. Mô hình lỗi sử dụng cho nghiên cứu đường truyền không dây Cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về lỗi trên đường truyền không dây. Người ta đã nghiên cứu tác động đến đường truyền của các tham số khác -15- nhau, như tốc độ di chuyển của nút, vật cản, nhiễu đường truyền,… các tác giả đã công bố rất nhiều kết quả cả định lượng (bằng những con số) và định tính (các quy luật, các mô hình lỗi). Theo các phương pháp đo và tính toán khoa học thì tỉ lệ lỗi bit (BER) trên đường truyền không dây biến đổi trong khoảng từ 10-2 đến 10-6 (so với trên đường truyền có dây như cáp quang là 10-9). Ngoài ra khi truyền trên kênh không dây còn có hiện tượng bùng nổ lỗi (bursts). Việc tính toán số lượng và phân bố lỗi trên đường truyền không dây có ý nghĩa rất quan trọng trong việc thiết kế và phân tích các giao thức truyền thông trong mạng không dây. [8], [14], [17]. Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái (Two-State Markov Error Model) cho các kênh truyền không dây đã được các nhà nghiên cứu sử dụng rộng rãi để mô hình hóa đặc điểm lỗi của đường truyền và áp dụng trong các kịch bản khác nhau để phân tích và đánh giá hiệu suất các giao thức truyền thông. [17] Hình 1.2: Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái. Mô hình này sử dụng chuỗi các khoảng thời gian rời rạc (Discrete Time Markov Chain - DTMC) để mô hình hóa trạng thái lỗi đường truyền thay đổi theo thời gian ở cấp độ bit. Trạng thái “Good” được giả định cho tình trạng đường truyền tốt và tỉ lệ lỗi bít bằng hoặc nhỏ hơn một giá trị nhất định (GoodBER). Ngược lại thì trạng thái “Bad” để chỉ ra tình trạng đường truyền xấu hơn khi tỉ lệ lỗi bít lớn hơn một giá trị nhất định (BadBER). [17] Hình 1.3: Ví dụ 1 mẩu lỗi sử dụng mô hình Markov 2 trạng thái -16- Hình vẽ 1.3 là ví dụ về việc sử dụng mô hình lỗi Markov 2 trạng thái để mô hình hóa lỗi trên đường truyền. Trên mô hình có những khoảng thời gian mà trong kênh truyền có chất lượng tốt (các khoảng Good) và những khoảng thời gian kênh truyền có chất lượng xấu (các khoảng Bad). Với các khoảng thời gian đường truyền ở trạng thái xấu, mô hình có thể tạo ra các hiệu ứng lỗi thường xuất hiện ở mạng không dây thực như: hiệu ứng bùng nổ lỗi (nếu trong 1 thời gian ngắn có nhiều lỗi nảy sinh) lỗi fading, hủy bỏ nhiều đường truyền,… Mô hình này được đặc trưng bởi 4 tham số xác suất chuyển trạng thái theo điều kiện, và các xác suất phân bố trạng thái ban đầu. Sự thay đổi các tham số xác suất ở trạng thái S tại thời điểm t+1 được tính thông qua các tham số xác suất tại thời điểm t. Gọi S = {G(Good), B(bad)} tại thời điểm t, ta có công thức tính sau: Trong đó • tG,G (t) cho biết xác suất trạng thái tại thời điểm t+1 sẽ là Good nếu biết trạng thái tại thời điểm t là Good. • tG,B (t) cho biết xác suất trạng thái tại thời điểm t+1 sẽ là Good nếu biết trạng thái tại thời điểm t là Bad. • tB,G (t) cho biết xác suất trạng thái tại thời điểm t+1 sẽ là Bad nếu biết trạng thái tại thời điểm t là Good. • tB,B (t) cho biết xác suất trạng thái tại thời điểm t+1 sẽ là Bad nếu biết trạng thái tại thời điểm t là Bad. Lúc đó ma trận thay đổi trạng thái (state transition matrix) được tính: Tại thời điểm t+k, phân bố lỗi được tính thông qua ma trận chuyển trạng thái Tk và được tính như sau: -17- Với ∏t là phân bố lỗi tại thời điểm t, ∏0 là xác suất phân bố lỗi tại thời điểm t=0, ∏0 nhận bất kỳ giá trị nào. Sự phân bố trạng thái ổn định sau đó được tính bởi công thức: Trong đó: πG là xác suất phân bố trạng thái tốt πB là xác suất phân bố trạng thái xấu B Cùng với ∏t+k với k tùy ý và t đủ lớn. Ma trận xác xuất lỗi E được tính: Trong đó: P{C|G} là xác suất cho rằng trạng thái Good đúng (Correct) P{M|G} là xác suất cho rằng trạng thái Good sai (Mistake) P{C|B} là xác suất cho rằng trạng thái Bad là đúng. P{M|B} là xác suất cho rằng trạng thái Bad là sai. Bằng các phép nhân ma trận, các xác suất của các quyết định đúng hoặc thực hiện một sai lầm được tính như sau: ET là ma trận chuyển vị của ma trận E. Đây là ma trận tính toán cho hệ thống có lỗi trong khi mạng đang ở trạng thái “Good”. Mô hình lỗi 2 trạng thái nổi tiếng được sử dụng để tính năng lực kênh truyền có bùng nổ lỗi. Một câu hỏi đặt ra là làm thế nào để lấy được ma trận dịch chuyển trạng thái T và ma trận biểu diễn quá trình chuyển đổi xác suất lỗi E. Hiện nay, có 2 phương pháp để tính toán ma trận này đó là đo đạc trực tiếp ở kênh truyền hoặc từ kết quả mô phỏng. Một cách khác để tính toán lỗi sử dụng mô hình Markov 2 trạng thái. Theo phương pháp này, P(Good), P(Bad) và các xác suất chuyển trạng thái của thời gian DTMC (Discrete-Time Markov Chain) tG,B và tB,G được tính giả định -18- bởi 1 kênh fading giảm dần. Phương pháp tính số trung bình các tín hiệu tốt trong 1 giây được tính như sau: ƒm : Tần số tối đa tín hiệu lỗi (maximum Doppler frequency) ρ : Bán kính đường bao các trạng thái kênh fading (ρ < R) Thời gian trung bình T để tín hiệu fading dưới ngưỡng R được tính Với các phương trình trên, P(Good) và P(Bad) được tính như sau: Xác suất xảy ra chuyển trạng thái sau đó được tính: Với Rt là tỷ lệ lan truyền trong 1s của các dấu hiệu nhận dạng (là tốt hay xấu) của hệ thống truyền thông được xét. Sử dụng các kết quả trên, tỉ lệ lỗi bít (BER) trung bình cuối cùng được tính thông qua biểu thức sau: [17] Như vậy, công thức này thường được sử dụng để nghiên cứu lỗi trên đường truyền không dây khi sử dụng mô hình lỗi Markov 2 trạng thái. -19- 1.2.2. Cơ chế điều khiển lưu lượng và phản ứng sai lầm của TCP Khi mạng Internet mới phát triển, việc điều khiển lưu lượng trên mạng Internet chủ yếu do giao thức TCP đảm nhiệm. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng và phát triển công nghệ, các thiết bị mạng với các chuẩn mới ra đời, các loại mạng sử dụng công nghệ không dây đã dần dần được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực. Ngoài ra, sự kết nối giữa các loại mạng có dây, không dây tạo nên mạng hỗn hợp. Giao thức vận chuyển dữ liệu TCP đã được thiết kế và tinh chỉnh để có thể hoạt động đạt hiệu năng cao nhất trong môi trường mạng có dây, TCP luôn coi sự mất gói tin là do tắc nghẽn mạng chứ không phải do lỗi đường truyền. Trong phần mạng không dây, đường truyền có tỉ suất lỗi bit cao và thay đổi thất thường, thỉnh thoảng bị đứt đoạn do người sử dụng di động chuyển từ tế bào này sang tế bào khác. Do đó, tỉ lệ gói tin bị mất hoặc bị loại do lỗi đường truyền là rất cao và thời gian khứ hồi bị thăng giáng rất mạnh. Cơ chế điều khiển lưu lượng trong giao thức TCP sẽ phản ứng với sự mất gói tin do đường truyền “xấu” giống như phản ứng với hiện tượng tắc nghẽn; đó là, giảm lưu lượng đưa vào mạng và rút lui theo hàm mũ, đúng vào lúc lẽ ra phải cố gắng phát lại các gói tin bị mất càng sớm càng tốt. Phản ứng sai lầm này làm cho hiệu năng của TCP bị giảm rất trầm trọng [3]. Với đường truyền không dây, các gói tin bị mất chủ yếu do bị lỗi trên đường truyền, đáng lẽ phía nguồn cần nhanh chóng phát lại khi đường truyền chuyển sang trạng thái Good để tận dụng tối đa đường truyền thì giao thức TCP lại chỉ hỗ trợ thuật toán phát nhanh một gói tin rồi giảm kích thước cửa sổ xuống mức nhỏ nhất bằng 1 gói tin và áp dụng thuật tóan rút lui việc phát lại theo hàm mũ cơ số 2 nếu xảy ra sự mất liên tiếp các gói tin. Ngoài ra, trong môi trường mạng hỗn hợp có dây và không dây đã xuất hiện một số thách thức tác động đến QoS cho các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực như: lỗi bít, độ trễ, biến động trễ (jitter) cao, bất thường trong phần mạng không dây, sự di chuyển của người dùng thiết bị đầu cuối có thể dẫn đến gián đoạn kết nối, băng thông kênh truyền thấp v.v. 1.3. Mục đích nghiên cứu của luận văn. Hiện nay, các nghiên cứu cải tiến TCP/IP sử dụng cho mạng không dây nói chung và mạng LAN có phần mở rộng không dây thường tập trung vào 2 nhóm chính đó là chia tách mạng thành hai phần theo đường truyền là có dây hay không dây (điển hình là Split TCP) và nâng cấp khả năng xử lý của nút mạng (Router) nằm giữa phần có dây và không dây đồng thời giữ nguyên ngữ nghĩa -20- “end-to-end” của TCP (điển hình là Snoop TCP; nội dung này được trình bày kỹ ở chương 3). Split TCP cải tiến TCP bằng cách chia kết nối thành 2 phần có dây và không dây, trên phần có dây sử dụng phiên bản TCP thông thường, trên phần mạng không dây sử dụng một phiên bản TCP được sửa đổi cho thích hợp với đặc điểm của đường truyền không dây. Do vậy, phản ứng của TCP đối với sự mất gói tin trên đường truyền không dây là đúng đắn, đã cách ly hoàn toàn ảnh hưởng lỗi trên phần mạng không dây lên phần mạng có dây. Tuy nhiên hạn chế của giải pháp này là không đồng nhất trong “quá trình giao tiếp” làm cho quá trình biên nhận gói tin có thể xảy ra lỗi, người ta gọi nhược điểm này là làm mất ngữ nghĩa end-to-end của TCP. Snoop TCP cải tiến TCP bằng cách tăng dung lượng bộ nhớ đệm tại AP để AP chứa tạm và sẵn sàng gửi lại các gói tin bị lỗi khi truyền từ AP đến MH. Khác với Split TCP thì Snoop TCP vẫn xem đường truyền không dây và có dây là 1 thể thống nhất giữa bên gửi và bên nhận. Khi xảy ra lỗi (ở phần không dây) thì AP sẽ tự động phát lại gói tin đó đến MH mà không cần bên gửi (ở phần có dây) phát lại và khởi động cơ chế chống tắc nghẽn. Giải pháp này có hạn chế rất lớn đó là yêu cầu AP phải có bộ nhớ đệm lớn để chứa các gói tin dự phòng trong khi chờ các gói tin đó đến được đích. Ngoài ra còn có một nhược điểm lớn nữa đó là trong khi AP đang phát lại các gói tin hộ thực thể gửi TCP thì thực thể này đã bị time-out và cũng phát lại gói tin. Thực tế, để điều khiển lưu lượng hiệu quả, người thiết kế giao thức mạng phải biết được nguyên nhân và dấu hiệu mạng tắc nghẽn, cũng như dấu hiệu mạng sắp có tắc nghẽn xảy ra. Một số nguyên nhân dẫn đến tắc nghẽn mạng là: lưu lượng đến trên nhiều lối vào nhưng ra ở cùng một lối, tình trạng này kéo dài dẫn đến tắc nghẽn tại lối ra; tốc độ xử lý tại các router chậm; một số đoạn đường truyền có băng thông thấp hoặc lỗi nhiều. Để nhận biết được tắc nghẽn mạng sắp xảy ra, bên gửi có thể dựa vào giá trị thời gian khứ hồi - RTT khi nó tăng bất thường. Trong luận văn này, tôi muốn tìm hiểu sâu ảnh hưởng của lỗi trên đường truyền không dây đến các tham số hiệu suất chính của các ứng dụng sử dụng giao thức giao vận TCP và UDP trên mạng WLAN kết nối với Internet. Hy vọng công trình nghiên cứu này của tôi sẽ là một đóng góp nhỏ cho hướng nghiên cứu nêu trên. Để tiến hành các nội dung nghiên cứu đó, ngoài phần lý thuyết, tôi sử dụng bộ mô phỏng mạng NS-2 để khảo sát. -21- CHƯƠNG 2 - MẠNG WLAN VÀ VIỆC KẾT NỐI VỚI INTERNET 2.1. Giao thức MAC của mạng LAN - CSMA/CD Giao thức CSMA Khi một trạm có dữ liệu muốn truyền, đầu tiên trạm này phải lắng nghe kênh truyền xem có trạm nào khác đang truyền hay không. Nếu kênh truyền đang bận thì trạm này sẽ chờ cho đến khi kênh truyền rảnh, lúc đó trạm sẽ gửi ngay một frame. Nếu frame vừa gửi bị xung đột thì trạm sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi thăm dò lại kênh truyền như ban đầu. Phương pháp truyền ngay khi kênh truyền rảnh như vậy được gọi là 1-persistent (kiên trì 1), nghĩa là truyền với xác suất 100% khi kênh truyền rảnh. Hiệu quả của giao thức này sẽ kém khi có nhiều trạm cùng muốn truyền. Bởi vì, các trạm muốn truyền sẽ đồng thời lắng nghe kênh truyền khi có một trạm khác đang truyền. Khi trạm đang truyền vừa truyền xong, các trạm đang lắng nghe kênh truyền thấy đường truyền rảnh nên đồng thời thực hiện truyền ngay, vì thế xung đột xảy ra. Với giao thức này, trạm muốn truyền thì phải lắng nghe đường truyền nên không phá hỏng các gói tin đang được truyền “tốt” trên kênh truyền. Start Busy? Wait Send Send Conflict? End p=1 Yes p<1 1-persistent none-persistent Yes No No Hình 2.1: Điều khiển truy nhập CSMA Một đề xuất khác cho giao thức trên, trước khi truyền trạm này thực hiện lắng nghe, nếu kênh truyền rảnh thì thực hiện truyền ngay. Nhưng nếu kênh truyền đang bận thì trạm không tiếp tục lắng nghe như giao thức trên mà tạm -22- hoãn trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi mới quay lại lắng nghe kênh truyền. Giao thức này được gọi là giao thức CSMA không kiên trì (nonpersistent CSMA). Một cải tiến khác, là giao thức CSMA kiên trì p (p-persistent CSMA). Giao thức này áp dụng cho các kênh truyền được chia khe. Khi một trạm muốn truyền, trạm sẽ lắng nghe kênh truyền, nếu kênh truyền rảnh trạm sẽ truyền với xác suất truyền là p. Nếu không được truyền, trạm sẽ đợi cho đến khe tiếp theo. Đến khe tiếp theo trạm cũng tiếp tục lắng nghe kênh truyền và sẽ truyền với xác suất p. Nếu frame được truyền lên kênh truyền nhưng bị xung đột thì sẽ phải chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi bắt đầu lại. Quá trình trên được tiếp tục cho đến khi frame được truyền thành công. Giao thức CSMA/CD (CSMA có phát hiện xung đột) Các giao thức CSMA kiên trì và không kiên trì đã cải tiến đáng kể hiệu quả sử dụng đường truyền, bởi các giao thức này đảm bảo rằng không có trạm nào bắt đầu truyền khi trạm khác đang truyền nhờ biết lắng nghe kênh truyền. Giao thức CSMA/CD được cải tiến từ giao thức CSMA bằng cách thêm vào tính năng phát hiện xung đột. Khi các trạm cùng cảm nhận kênh truyền rảnh thì đồng thời bắt đầu truyền nên xung đột xảy ra làm cho dữ liệu thu được ở các trạm bị sai lệch và toàn bộ các gói tin đó sẽ phải phát lại. Để tránh sự lãng phí đường truyền này mỗi trạm đều phải có khả năng trong khi đang phát vẫn phát hiện được sự xung đột dữ liệu vừa xảy ra và ngừng ngay việc phát. Khi phát hiện có một sự xung đột, lập tức trạm phát sẽ gửi đi một mẫu làm nhiễu (Jamming) đã định trước để báo cho tất cả các trạm là có sự xung đột xẩy ra và chúng sẽ bỏ qua gói dữ liệu này. Sau đó trạm phát sẽ trì hoãn một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại dữ liệu. Sau khi phát hiện có mẫu tin làm nhiễu, các trạm đã nhận biết được có xung đột trong khi đang truyền và lập tức ngừng truyền ngay chứ không cần truyền hết các frame để hạn chế lãng phí thời gian và băng thông. Giao thức này đã được sử dụng trong công nghệ mạng Ethernet, là công nghệ mạng LAN được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Để phát hiện được xung đột trong khi còn đang phát thì độ dài frame phải đủ lớn -[1]. Ưu điểm của CSMA/CD là đơn giản, mềm dẻo, hiệu quả truyền thông tin cao khi lưu lượng thông tin của mạng thấp và có tính đột biến. Điểm bất lợi của CSMA/CD là hiệu suất của mạng sẽ giảm xuống nhanh chóng khi tải đưa vào mạng tăng lên cao. -23- 2.2. Giao thức MAC của mạng WLAN - CSMA/CA. 2.2.1. CSMA/CD không thể sử dụng cho mạng WLAN CSMA/CD tuy là một giao thức truy nhập đường truyền khá hiệu quả nhưng nó không thể sử dụng được cho mạng WLAN bởi vì các nguyên nhân: Trạm phát không phát hiện được xung đột khi đang phát bởi vì đặc thù của thiết bị không dây trong mạng WLAN là bán song công (haft-duplex) nên khi trạm phát đang truyền, nếu có lỗi thì nó không thể nhận được thông báo (của trạm phát gói tin bị lỗi) về sự xung đột trên mạng. Hiện tượng trạm ẩn (Hidden terminal): Mạng không dây có các ranh giới mờ, đôi khi có những vị trí mà nút mạng tại đó không thể liên lạc trực tiếp được với các nút khác trong mạng. Trong hình 2.2, trạm B có thể liên lạc với cả trạm A và C, nhưng trạm A và C không thể liên lạc trực tiếp với nhau (có thể là do khoảng cách giữa chúng quá xa so với nút B do đó sóng vô tuyền không thể đến được đích). Như vậy nút A và C là các nút “ẩn” của nhau. Nếu sử dụng một giao thức CSMA/CD, khi cả A và C đồng thời truyền đến B sẽ xảy ra hiện tượng xung đột trên nút B mà cả A và C đều không hề hay biết. Ngoài ra trạm vẫn thuộc vùng phủ sóng của AP nhưng chỉ "nghe" mà không phát tín hiệu gì cũng được xem là trạm ẩn. A CB Hình 2.2: Trạm A và C được xem là "ẩn" đối với nhau Hiện tượng trạm bị lộ (Exposed terminal): Khi các mạng WLAN sử dụng nhiều AP, hiện tượng này trở nên phổ biến và giao thức CSMA/CD không giải quyết được. A CB D Hình 2.3: Trạm C bị lộ đối với trạm B -24- Khi trạm B đang gửi dữ liệu tới trạm A và trạm C muốn gửi dữ liệu cho cho trạm D. Theo giao thức CSMA/CD thì C phải đợi tín hiệu CS (Carrier Sense) để được phép truy nhập đường truyền nhưng trạm A và D không nằm trong vùng phủ sóng của nhau nên việc C đợi là không cần thiết. 2.2.2. Giao thức CSMA/CA Bên phát sẽ lắng nghe trên môi trường truyền và khi môi trường truyền rỗi thì nó sẽ tiến hành gửi dữ liệu ra môi trường truyền, còn không nó sẽ sử dụng giải thuật Back-Off time để tiếp tục chờ. Thuật toán Back-Off sẽ chọn ngẫu nhiên (Random Back-Off) một giá trị từ 0 đến giá trị CW (Contention Window). Theo mặc định, giá trị CW có thể khác nhau tùy nhà sản xuất và nó được lưu trữ trong card mạng không dây của máy trạm. Giá trị Back-Off tính được bằng cách lấy một số ngẫu nhiên đã chọn ở trên nhân với Slot Time (Random Back-Off chính là số lần Slot Time). Back-Off time là khoảng thời gian bất kỳ mà bên phát phải đợi trước khi có thể giành quyền sử dụng đường truyền nếu phát hiện đường truyền bận. Do Back-Off time của các máy phát là ngẫu nhiên và khác nhau nên đã hạn chế tối đa khả năng xảy ra xung đột đường truyền ngay sau khi đường truyền chuyển sang trạng thái rỗi. Trường hợp 1 trạm sau khi giành được đường truyền và đã truyền gói tin đi nhưng gói tin đó không đến đích (trạm gửi chưa nhận được ACK biên nhận), trạm gửi sẽ cập nhật lại biến đếm Retry của nó, tăng giá trị CW lên gấp đôi và bắt đầu tiến trình truy nhập đường truyền lại từ đầu. Cứ mỗi lần việc truy nhập đường truyền bất thành (hoặc thành công nhưng việc truyền tin không đến được đích như đã nói ở trên), các trạm sẽ tăng giá trị biến đếm Retry. CW tiếp tục được tăng gấp đôi cho đến khi nó đạt giá trị lớn nhất là CWmax. CSMA/CA tuy giải quyết triệt để vấn đề xung đột đường truyền nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề trạm ẩn. Nếu có 3 trạm A, B, C như hình vẽ 2.2. Khi A gửi cho B đồng thời C không nhận được tín hiệu "báo bận" trên môi trường truyền, nếu C cũng gửi cho B thì xảy ra sẽ xảy ra xung đột. CSMA/CA cũng chưa giải quyết được vấn đề trạm bị lộ vì không có có cơ chế phát hiện và xử lý. -25- 2.2.3. Giao thức CSMA/CA + ACK Giao thức CSMA/CA có sử dụng ACK đã cải tiến CSMA/CA bằng cách thêm thông báo biên nhận ACK. Tiến trình của giao thức này như sau (hình 2.4) - Bước 1: Phía nhận sẽ gửi ACK ngay sau khi nhận được khung tin mà không cần thăm dò đường truyền. Khung ACK được truyền sau khoảng thời gian SIFS (Short Inter-Frame Space) (SIFS < DIFS) (xem thêm ở phần 2.3) - Bước 2: Nếu ACK bị mất, việc truyền lại sẽ được tiến hành. Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK Cơ chế báo nhận ACK được thêm vào giao thức CSMA/CA sẽ đảm bảo cho gói tin đến đích mà không có lỗi. Các trạm muốn phát đều phải nghe đường truyền để phát gói tin vào các khe thời gian không giao nhau nên không thể xảy ra xung đột. Ví dụ ở hình 2.2, nếu sử dụng CSMA/CD, trạm A và C có thể đồng thời truyền tin đến trạm B gây xung đột nhưng với CSMA/CA có sử dụng ACK, từng kênh truyền được hoạt động trên những khe thời gian riêng lẻ (sau những thời gian chờ nhất đinh) nên đã giải quyết triệt để vấn đề trạm ẩn (Hidden terminal). Tuy nhiên vấn đề Exposed terminal thì giao thức CSMA/CA + ACK vẫn chưa giải quyết được. Ví dụ ở hình 2.3, giả sử trạm B đang truyền dữ liệu cho trạm A, trạm C muốn truyền dữ liệu cho trạm D nên phải lắng nghe đường truyền rỗi bằng cách chờ đợi các khoảng thời gian SIFS (trong trường hợp A, B gửi ACK) hoặc DIFS (trong trường hợp trạm A hoặc B gửi gói tin dữ liệu), thời gian chờ này là không cần thiết vì C có thể gửi cho D bất kỳ lúc nào (sau các -26- nhịp thời gian SIFS hoặc DIFS) mà không sợ bị xung đột. Hơn nữa, tuy B và C nằm trong 1 cell (cùng kênh truyền) nhưng C và D lại khác kênh nên sự lãng phí thời gian chờ đợi (độ trễ) càng trở nên trầm trọng. 2.2.4. Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS Giao thức CSMA/CA có sử dụng bản tin biên nhận (ACK) và xác lập đường truyền (bằng các bản tin điều khiển RTS/CTS để "giữ chỗ") đã khắc phục hoàn toàn các nhược điểm của giao thức trước đó. Tiến trình của giao thức này được mô tả ở hình 2.5. Hình 2.5: CSMA/CA sử dụng RTS/CTS và ACK - Phía gửi sẽ gửi bản tin RTS sau khi đường truyền rỗi sau khoảng thời gian lớn hơn hoặc bằng DIFS. - Phía nhận trả lời bằng bản tin CTS sau khi đường truyền rỗi một khoảng thời gian SIFS. - Sau đó dữ liệu được truyền. - Bên nhận sẽ gửi bản tin ACK sau khoảng thời gian SIFS. Với giao thức này, RTS/CTS được sử dụng cho việc "giữ chỗ" đường truyền vì vậy xung đột chỉ xảy ra với các bản tin điều khiển thường là bản tin RTS. Một tình huống xung đột bản tin RTS được mô tả ở hình 2.6. Giả sử trạm A và B đều muốn truyền dữ liệu đến AP, sau khoảng thời gian chờ đợi đường truyền rỗi, trạm B gửi bản tin RTS để "giữ chỗ", sau đó trạm A cũng gửi RTS để "giữ chỗ". Tuy A, B phát 2 thời điểm khác nhau nhưng do trễ lan truyền nên có thể "va chạm" với nhau trên đường đi, xung đột xảy ra (reservation collision). -27- Khoảng thời gian xảy ra xung đột này rất nhỏ (có thể chấp nhận được), trong trường hợp này, trạm A phải gửi lại RTS để tiếp tục "giữ chỗ" và truyền tin con trạm B phải đợi đến phiên làm việc tiếp theo. Hình 2.6: Mô hình RTS/CTS Như vậy giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS là phương thức truyền tin thông qua việc bắt tay 4 bước truyền RTS/CTS – DATA – ACK. Tuy vẫn có thời gian “rỗi” (thực chất là trễ lan truyền) trong quá trình bắt tay nhưng về cơ bản giao thức này đã giải quyết được vấn đề xung đột dữ liệu trên đường truyền (do trước khi truyền bên gửi đã gửi tín hiệu RTS và bên nhận đã phản hồi tín hiệu CTS thì mạng hoàn toàn không thể có xung đột). Vấn đề Hidden terminal và Exposed terminal cũng đã được giải quyết. 2.3. Chức năng DCF, PCF 2.3.1. Chức năng cộng tác phân tán - DCF DCF là một phương pháp truy cập được chỉ rõ trong chuẩn 802.11 cho phép tất cả các client trong WLAN đấu tranh đề giành quyền truy cập đường truyền dùng chung là sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) sử dụng giao thức CSMA/CA. Trong trường hợp này, môi trường truyền là một phần của băng tần sóng vô tuyến mà WLAN sử dụng để truyền dữ liệu. Các mô hình WLAN (sẽ -28- nói kỹ ở phần 2.4.2) đều có thể sử dụng chế độ DCF. AP trong trường hợp này hoạt động tương tự như HUB trong môi trường Ethernet để truyền dữ liệu của chúng (DCF là chế độ trong đó AP gửi dữ liệu). Tiến trình hoạt động của WLAN trong DCF mô tả như sau: Bước 1: Các trạm đợi cho đến khi DIFS kết thúc Bước 2: Ngay sau khi DIFS kết thúc, các trạm tính toán thời gian Random Back-Off dựa trên một số ngẫu nhiên nhân với Slot Time đồng thời đếm lùi (từng Slot Time) khoảng thời gian Random Back-Off của chúng và kiểm tra đường truyền sau mỗi Slot Time. Bước 3: Khi đường truyền rỗi, trạm nào có khoảng thời gian Random Back-Off ngắn nhất sẽ giành được đường truyền trước tiên, trạm đó sẽ bắt đầu gửi dữ liệu. Bước 4: Trạm nhận nhận được dữ liệu và đợi 1 khoảng SIFS trước khi đáp lại frame ACK cho trạm truyền. Bước 5: Trạm truyền nhận được ACK và tiến trình bắt đầu lại từ đầu với một DIFS mới. Kỹ thuật DCF thực hiện việc truyền dữ liệu bằng giao thức CSMA/CA có sử dụng bản tin ACK trả lời từ phía nhận nên sẽ tránh được xung đột dữ liệu và giải quyết được vấn đề trạm ẩn nhưng chưa giải quyết được vấn đề trạm lộ (như đã nói ở mục 2.2.3). Ngoài ra, phương thức truy nhập đường truyền DCF sẽ tồn tại một khe thời gian giữa 2 khung truyền liên tiếp gây trễ tuy rất nhỏ nhưng vẫn gây ra sự lãng phí đường truyền. 2.3.2. Chức năng cộng tác tập trung - PCF PCF là chế độ truyền cho phép các frames trên WLAN được truyền không xảy ra đụng độ (không cần phải đấu tranh giành lấy quyền truy cập như ở trong chế độ DCF) bằng cách sử dụng cơ chế hỏi vòng. Điểm thuận lợi của PCF là nó bảo đảm một độ trễ xác định trước, vì thế các ứng dụng đòi hỏi chất lượng dịch vụ như âm thanh, hình ảnh … có thể sử dụng ở chế độ này. Khi sử dụng PCF, AP thực hiện việc hỏi vòng (polling). Vì lý do này mà mạng Ad-hoc không thể sử dụng chế độ PCF, bởi vì mạng Ad-hoc không có AP để thực hiện việc hỏi vòng. -29- Tiến trình PCF được thực hiện như sau: Bước 1: Các trạm phải thông báo với AP là nó có khả năng trả lời trong quá trình hỏi vòng. Bước 2: AP sẽ hỏi lần lượt từng trạm xem chúng có dữ liệu cần truyền hay không. PCF sẽ phát sinh một lượng “chi phí” (overhead) khá lớn cho việc hỏi vòng này. Bước 3: AP xác định và thông báo cho trạm đó sẽ được truyền. DCF có thể sử dụng mà không cần PCF nhưng PCF không thể sử dụng nếu thiếu DCF. Chúng ta sẽ giải thích việc 2 chế độ này cùng tồn tại như thế nào trong phần sau. DCF có thể mở rộng được vì nó được thiết kế dựa trên việc đấu tranh, trong khi PCF giới hạn khả năng mở rộng bởi vì nó phát sinh nhiều chi phí cho các frames bầu chọn. 2.3.3. Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS Để tìm hiểu các giá trị SIFS, DIFS, PIFS thì việc đầu tiên là phải tìm hiểu IFS (Interframe Spacing). Các trạm trong WLAN đều được đồng bộ với nhau về thời gian (sử dụng gói tin beacon). IFS là một thuật ngữ dùng để đề cập đến việc chuẩn hóa các khoảng thời gian được sử dụng trong WLAN. Có bốn loại IFS là: SIFS, PIFS, DIFS, EIFS nhưng trong WLAN thường chỉ sử dụng 3 loại IFS chính: SIFS, PIFS và DIFS. Mỗi kiểu được các trạm sử dụng để gửi các kiểu messages nào đó trên mạng hay quản lý các khoảng thời gian trong việc điều khiển các trạm đấu tranh giành quyền truy cập. Bảng Quy ước thời gian IFS ứng với các phương thức truyền tin Đơn vị: μS (microSeconds) Loại IFS Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Trải phổ nhảy tần (FHSS) Hồng ngoại (Infrared) SIFS 10 28 7 PIFS 30 78 15 DIFS 50 128 23 -30- Các giá trị IFS được sử dụng để trì hoãn việc truy cập đường truyền của một trạm nào đó hay được dùng để cung cấp các mức ưu tiên khác nhau. Trong một mạng không dây, các thiết bị đều được đồng bộ, các trạm và AP sử dụng các khoảng cách thời gian chuẩn để thực hiện các tác vụ khác nhau. Các trạm đều biết các khoảng thời gian này và sử dụng chúng một cách thích hợp. Một tập các khoảng thời gian chuẩn được định nghĩa cho FHSS, DSSS và Infrared (hồng ngoại). Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian này, mỗi trạm đều biết khi nào và liệu chúng có được phép thực hiện một hành động nào đó trên mạng hay không. - SIFS: Là IFS cố định và ngắn nhất. SIFS là khoảng thời gian trước và sau khi các loại messages sau được gửi đi (đây không phải là danh sách đầy đủ): RTS: Được các trạm gửi để yêu cầu giành quyền sử dụng đường truyền. CTS: Được sử dụng bởi trạm nhận để hồi đáp lại RTS frame của máy trạm, điều này đảm bảo tất cả các trạm khác tạm dừng việc truyền của mình lại để nhường cho trạm đã gửi RTS. ACK: Được sử dụng để thông báo cho trạm gửi gửi rằng dữ liệu đã được nhận đầy đủ ở dạng đọc được. SIFS cung cấp mức ưu tiên cao nhất trên một mạng WLAN. Lý do SIFS có mức ưu tiên cao nhất là các trạm thường xuyên lắng nghe đường truyền (carrier senses) đợi cho đường truyền rỗi. Một khi đường truyền đã rỗi, mỗi trạm phải đợi một khoảng thời gian trước khi thực hiện việc truyền. Khoảng thời gian một trạm phải đợi được xác định bởi việc mà trạm đó muốn thực hiện. Mỗi việc trên mạng không dây đều được xếp vào một loại IFS nào đó. Các tác vụ có độ ưu tiên cao rơi vào SIFS. Nếu một trạm chỉ phải đợi một khoảng thời gian ngắn sau khi đường truyền rỗi để thực hiện việc truyền thì nó sẽ có độ ưu tiên cao hơn các trạm phải đợi một khoảng thời gian dài hơn. SIFS được sử dụng cho các công việc đòi hỏi một khoảng thời gian rất ngắn có nghĩa là cần độ ưu tiên cao để hoàn thành công việc. PIFS là interframe cố định nhưng không phải là ngắn nhất hay dài nhất, vì thế, nó có độ ưu tiên cao hơn DIFS nhưng thấp hơn SIFS. AP sử dụng PIFS chỉ khi mạng đang ở trong chế độ PCF (Point Co-ordination Function). PIFS có khoảng thời gian ngắn hơn DIFS và dài hơn SIFS, vì thế, AP sẽ luôn luôn chiếm quyền điều khiển đường truyền trước khi các trạm bắt đầu đấu tranh giành quyền truy cập trong chế độ DCF. PCF chỉ làm việc với DCF, nó không phải là -31- một chế độ hoạt động độc lập, vì thế, một khi AP kết thúc việc bầu chọn, các trạm khác có thể tiếp tục đấu tranh giành quyền truy cập đường truyền trong chế độ DCF. DIFS là interframe cố định và dài nhất, nó được sử dụng mặc định ở các trạm (tương thích với chuẩn 802.11) đang ở trong chế độ DCF. Mỗi trạm trên mạng sử dụng chế độ DCF đều phải đợi cho đến khi DIFS trôi qua trước khi có thể truyền dữ liệu. Tất cả các trạm hoạt động dựa trên chế độ DCF sử dụng DIFS để truyền các frame dữ liệu hoặc frame điều khiển. Khoảng thời gian DIFS này làm cho việc truyền các frame sẽ có độ ưu tiên thấp hơn các frame trong chế độ PCF. Thay vì tất cả các trạm đều cho rằng đường truyền đang rỗi và tùy ý bắt đầu việc truyền frame đồng thời ngay sau khi khoảng thời gian DIFS vừa kết thúc (điều này sẽ gây nên xung đột), mỗi trạm đều sử dụng 1 thuật toán gọi là Random Back-Off để xác định phải đợi thêm bao lâu trước khi bắt đầu việc truyền dữ liệu của nó. 2.4. Kết nối WLAN với Internet 2.4.1. Chức năng của AP AP là thiết bị phổ biến nhất trong WLAN, AP cung cấp cho các MH một điểm truy cập vào mạng. AP là là thiết bị trung gian cho phép trao đổi dữ liệu giữa MH và AP thông qua môi trường không khí (môi trường sóng vô tuyến) để truy cập vào mạng có dây bình thường; sau khi kết nối thì có thể xem MH là thành viên của một mạng LAN dùng dây. AP là một thiết bị bán song công (half-duplex) có mức độ thông minh tương đương với một bộ chuyển mạch Ethernet phức tạp. AP có thể liên kết với các MH, với một mạng LAN sử dụng cable Ethernet hoặc với những AP khác. Chức năng của AP thể hiện qua các chế độ làm việc như sau: Root mode (chế độ gốc) sử dụng khi AP được kết nối với mạng backbone có dây (thường là cổng Ethernet). Khi một AP được kết nối với phân đoạn có dây thông qua cổng Ethernet của nó, nó sẽ được cấu hình để hoạt động trong root mode (là chế độ mặc định của mọi AP). Ở chế độ này, các AP được kết nối với phần có dây và có thể "nói chuyện" được với các MH khác hoặc nút mạng khác của phần có dây. Các MH không dây có thể giao tiếp với các MH không dây khác nằm trong cell khác nhau thông qua AP tương ứng mà chúng kết nối vào, sau đó các AP này sẽ giao tiếp với nhau thông qua kết nối có dây. -32- Hình 2.7: Mô hình Root mode Bridge mode Trong chế độ bridge Mode (cầu nối), AP hoạt động hoàn toàn giống với một cầu nối nhưng liên kết giữa các AP này bằng đường truyền không dây. Hình 2.8: Mô hình chế độ Bridge Mode Repeater mode (chế độ lặp): Ở chế độ này, AP có khả năng cung cấp một đường kết nối không dây upstream vào mạng có dây thay vì một kết nối có dây bình thường. Trong hình 2.9, AP1 kết nối với các MH như một AP Root mode và AP2 hoạt động như một Repeater không dây. Có thể xem AP1 kết nối với AP2 như là một MH. Hình 2.9: Mô hình AP ở chế độ Repeater mode -33- AP sử dụng PCF để thực hiện hỏi vòng trong việc chọn MH được truy cập đường truyền. PCF làm việc tương tự như cơ chế truy cập đường truyền của mạng Tokenring. Theo cơ chế này, bộ điều khiển trung tâm - PC (Point Controller) tích hợp trong AP làm nhiệm vụ hỏi lần lượt các trạm theo 1 lịch định trước để thăm dò yêu cầu truyền, chỉ có trạm nào được AP hỏi thì mới được phép truyền. Cơ chế này thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tính thời gian thực cao bởi vì nó sẽ làm cho các trạm khi tham gia vào mạng chúng đều có cơ hội sử dụng môi trường truyền như nhau. 2.4.2. Các mô hình kết nối Mạng WLAN dựa trên các chuẩn của 802.11 nên việc kết nối rất linh hoạt. Hiện nay, có 3 mô hình kết nối mạng chủ yếu sau: Mô hình mạng độc lập hay còn gọi là mạng Ad-hoc Hình 2.10: Mô hình mạng Ad-hoc MH (có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng. Có nghĩa là nếu các MH có card mạng wireless thì chúng có thể trao đổi thông tin với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua một số nút trung gian đóng vai trò như các router, không cần phải qua 1 thiết bị xử lý trung tâm nào. Vì mô hình mạng Ad- hoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên rất thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng nhỏ như hội nghị, các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng có hạn chế về vùng phủ sóng và phải sử dụng các thuật toán routing khá phức tạp. Mô hình mạng cơ sở (BSSs) Mô hình này bao gồm điểm truy nhập (AP) gắn với mạng có dây và giao tiếp với các MH trong vùng phủ sóng của AP đó (gọi là cell). AP đóng vai trò -34- điều khiển cell và điều khiển lưu lượng vào mạng. Các MH không giao tiếp trực tiếp với nhau mà phải thông qua AP. Hình 2.11: Mô hình mạng cơ sở Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % để cho phép các MH ó thể mạng mở rộng (ESSs) c di chuyển từ cell này qua cell khác mà không bị mất kết nối vô tuyến. Các MH sẽ phải chọn AP tốt nhất để kết nối. AP có thể điều khiển và phân phối truy nhập đường truyền cho các MH có tranh chấp lúc truyền/nhận dữ liệu phù hợp với đường truyền có dây từ AP ra bên ngoài, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lý các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng. Tuy nhiên mô hình đa truy nhập tập trung này không cho phép các MH truyền dữ liệu trực tiếp tới nút khác trong cell như trong cấu hình mạng WLAN độc lập. Trong trường hợp này, mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ MH đến AP và từ AP đến đích), quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng trễ truyền dẫn. Mô hình Hình 2.12: Mô hình mạng mở rộng -35- Mô hình này cho phép MH mở rộng phạm vi di động từ 1 BSSs này sang BSSs khác trong cùng ESSs. Một ESSs là một tập hợp các BSSs, nơi mà các AP giao tiếp với nhau để có thể chuyển dữ liệu và lưu lượng của MH từ một BSSs này đến một BSSs khác nhằm làm cho việc di chuyển của các MH trong các cell của các AP được dễ dàng. AP thực hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối được cấu hình trong mỗi AP. Hệ thống phân phối này sẽ gửi toàn bộ thông tin của MH cần di chuyển đến AP đích (trong ESSs đó) hoặc thông qua một mạng có dây để tới đích không nằm trong ESSs. 2.4.3. AP và kênh truyền sóng Trên các AP có 11 kênh thuộc dải tần 2,4GHz (được sử dụng bởi các thiết bị chuẩn 802.11b, 802.11g và 802.11n), được minh họa trên hình 2.13. Hình 2.13: Mô tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g Về nguyên tắc thì lúc sử dụng có thể chọn bất cứ kênh nào trong số những kênh trên, tuy nhiên trong thực tiễn, người sử dụng chỉ nên sử dụng các kênh 1, 6 hoặc 11. Lý do cho sự hạn chế này là sự chồng lấn giữa các kênh. 802.11b và 802.11g sử dụng 11 kênh trong băng tần 2.4GHz, mỗi một kênh được phân chia cách nhau 5MHz. Do độ rộng của mỗi một kênh thường ở 22MHz đối với 802.11b và 20MHz đối với 802.11g, nên cả 802.11b và 802.11g đều có ba kênh không bị chồng lấn đó là 1, 6 và 11. Nếu tất cả năng lượng tín hiệu phát đi được chứa bên trong băng tần 20MHz (hoặc 22MHz), thì khái niệm về hiện tượng không chồng kênh sẽ đơn giản hơn. Tuy nhiên sự thực lại phức tạp hơn do phổ tín hiệu có tính mờ. Hình 2.14: Minh họa phổ tín hiệu 802.11b -36- Giả sử có 2 AP có vùng phủ sóng giao nhau và chúng sử dụng 2 kênh liên tiếp nhau (ví dụ kênh 1 và 2) theo chuẩn 802.11b. Do 2 kênh truyền này có tần số cách nhau 5MHz nên nếu chúng được xếp bên cạnh nhau thì sẽ xuất hiện sự chồng lấn gây nhiễu lẫn nhau. (Hình 2.15) Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b Nhưng với cùng tham số như ở hình 2.15 nhưng được phát trên các kênh 1, 6, 11 thì sẽ hiệu quả hơn vì hầu như không có chồng lấn (hình 2.16) Hình 2.16: Không xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b Hình này có cùng tham số đo như trong hình 4 nhưng các tín hiệu trong các kênh không bị chồng lấn 1, 6 và 11. Tuy nhiên, do công suất từ mỗi tín hiệu không ngắt hẳn tại đường biên 22MHz của kênh nên vẫn có sự chồng lấn giữa các kênh. Trong trường hợp này, vùng chồng lấn giữa kênh 6 và 11 có công suất thấp hơn khoảng 1000 lần so với công suất đỉnh của kênh 11 nên hầu như không có khả năng gây nhiễu đến mức làm sai lệch tín hiệu. Các kênh 1, 6 và 11 được coi như các kênh không chồng lấn (non- overlapping) vì số lượng công suất bị chồng lấn nhỏ nên không ảnh hưởng đến hoạt động của các kênh còn lại (trong 3 kênh 1, 6, 11). Các mạng WLAN hiện nay sử dụng 1 trong 3 kênh là 1, 6 hoặc 11.[23] -37- 2.4.4. Vấn đề nút mạng di động. Đối với mạng WLAN, tính di động của các trạm là một trong những ưu điểm vượt trội so với các loại mạng có dây khác. Việc nút mạng vừa trao đổi dữ liệu vừa di chuyển (tạm gọi là Mobi Host - MH) trong 1 hay nhiều vùng phủ của 1 hay nhiều AP là điều rất tự nhiên. Khi MH di chuyển trong vùng phủ sóng đó, các cơ chế tương tác giữa AP và MH được đặt ra để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Trong phần này, tôi sẽ phân tích một số vấn đề chính như: sự di động của nút mạng trong vùng phủ sóng của một AP, chuyển vùng của nút mạng (roaming) và ảnh hưởng của việc di chuyển đến hiệu suất truyền thông trong mạng WLAN. 2.4.4.1. Nút mạng di động trong vùng phủ sóng của một AP Một AP có thể cung cấp kết nối WLAN đến các MH chỉ trong tầm vực phát sóng của nó. Phạm vi tín hiệu có thể được định nghĩa một cách tương đối bởi loại ăng ten đang được dùng cho AP. Trong môi trường không khí và lý tưởng, phạm vi này là một hình cầu bao bọc xung quanh một ăng ten đẳng hướng, phạm vi phủ sóng là ba chiều, trên mặt phẳng phạm vi phủ sóng là một vòng tròn có tâm là vị trí của AP. Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp Trong mạng WLAN, AP thường được đặt cố định và được tính toán kỹ lưỡng sao cho phạm vi phủ sóng đạt được mức tốt nhất. Tuy nhiên, hoạt động thật sự của WLAN sẽ luôn trong tình trạng thay đổi do các MH không dây có thể thay đổi vị trí thường xuyên. -38- Vấn đề di chuyển của các MH làm cho khả năng phủ sóng của AP để đáp ứng cho MH có thể trở nên khó khăn hơn dự kiến. Các MH di chuyển vòng quanh và phía sau những vật cản như trong một phòng, phía sau tường, cửa… những vật cản bằng vật chất thật này gây ảnh hưởng lên hoạt động truyền tín hiện sóng điện từ của AP và MH. Phạm vi phủ sóng của một AP được gọi là một cell. Các MH trong một cell có thể kết hợp với AP để trao đổi với MH khác hoặc truy cập mạng bên ngoài. Giả sử một AP có bán kính phủ sóng là R (nếu xét trong mặt phẳng chứa MH) thì MH có thể di chuyển thoải mái bên trong phạm vi (cell) đó và truy cập mạng không dây qua AP từ bất kỳ vị trí nào, trường hợp lý tưởng nếu MH càng gần AP cường độ tín hiệu càng mạnh đồng nghĩa với hiệu suất truyền thông giữa AP và MH là tốt nhất. Khi MH di chuyển đến những vị trí biên (là những vị trí cường độ tín hiệu bằng ngưỡng) thì MH vẫn còn có thể kết nối được với AP (như vị trí A, B) còn những điểm mà tại đó cường độ tín hiệu thấp hơn ngưỡng chấp nhận được (vị trí C) thì MH đó sẽ bị mất liên lạc với AP (Hình 2.17) 2.4.4.2. Nút mạng di động trong nhiều vùng phủ sóng khác nhau. Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng WLAN đó là cường độ tín hiệu tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ MH đến AP. Điều này có nghĩa là, trong phạm vi rộng, một AP khó có thể đáp ứng được chất lượng dịch vụ cho MH khi nó ở các vị trí tiệm cận với ngưỡng tín hiệu chấp nhận được, đặc biệt trong các không gian có nhiều vật cản. Để giải quyết vấn đề này cần mở rộng phạm vi phủ sóng của WLAN bằng cách thêm các AP. Thông thường, các AP được đặt sao cho các cell bao phủ mọi không gian (theo yêu cầu) để MH có thế kết nối được với mạng ở mọi vị trí bất kỳ trong không gian đó. Tuy nhiên, giải pháp này nảy sinh vấn đề chồng lấn vùng phủ sóng của các AP. (hình 2.18) Hình 2.18: Phạm vi phủ sóng của các AP chồng lên nhau. -39- Như đã phân tích ở mục 2.4.3, trên các AP chuẩn 802.11 được hỗ trợ 11 kênh. Khi 2 AP liền kề nhau (vùng phủ sóng giao nhau) sử dụng cùng kênh truyền, tín hiệu của AP này sẽ bị nhiễu bởi tín hiệu của AP còn lại và nhiễu này sẽ đạt cực đại tại vùng giao của 2 vùng phủ sóng của 2 AP. (Hình 2.19) Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền SW Hình 2.20: MH di chuyển từ AP1 sang AP2 khác kênh truyền -40- Khi 2 AP liền kề sử dụng 2 kênh truyền có dải tần không giao nhau, tại vùng phủ sóng giao nhau, tín hiệu của 2 AP này không gây nhiễu cho nhau và việc thực hiện chuyển vùng sẽ thuận lợi hơn. (Hình 2.20) Khi một MH đã kết nối đến một AP, nó có thể tự do di chuyển xung quanh không gian AP đó kiểm soát. Nếu MH di chuyển từ một cell của AP này sang một cell của AP khác (không cùng kênh truyền), việc chuyển vùng (roaming) sẽ diễn ra. Với MH, khi di chuyển thường có 2 chế độ quét để tìm AP. Quét chủ động (Active scanning) và quét thụ động (Passive scanning). Quét chủ động là MH quét những kênh khác nhau và gửi yêu cầu thăm dò (probe request) để "chất vấn" các AP mà nó tìm được (available AP). Quét bị động thì MH chỉ lắng nghe tín hiệu từ các AP mà nó dò được. Hình 2.20 minh họa MH sẽ được chuyển vùng khi di chuyển từ cell này sang cell không cùng kênh truyền, MH muốn di chuyển từ A đến C và được chuyển vùng. Tại điểm A, MH kết nối với AP1 mà không có bất kỳ tín hiệu nào được gửi đến AP2 (vì AP1 và AP2 khác kênh nhau). MH di chuyển đến điểm B, tại đây tín hiệu của AP1 bị suy giảm, MH bắt đầu tiến hành quét chủ động để dò tìm AP khác có tín hiệu tốt hơn và tìm thấy AP2. Sau khi thỏa thuận xong với AP2, MH gửi thông điệp "disassociation" với AP1 để kết nối với AP2. Tại điểm C, MH hoàn toàn "giao tiếp" với AP2. Hiện nay thuật toán chuyển vùng không được định nghĩa trong 802.11, nên nhà sản xuất tùy ý cài đặt, do vậy có thể nó trở thành bí mật kinh doanh của các nhà sản xuất vì tùy thuật toán mà tính ưu việt của việc chuyển vùng sẽ khác nhau. Tuy nhiên, chuyển vùng của MH giữa 2 AP thường có những bước chính nhất định. Giả sử một MH cần chuyển vùng từ AP1 sang AP2 có kênh truyền khác của AP1, tiến trình chuyển vùng được thực hiện trên lớp 2 của mô hình TCP/IP. Các bước chuyển vùng được thực hiện như sau: Bước 1: AP1 phải xác định rằng MH đã đi ra khỏi vùng phủ sóng của nó. Bước 2: AP1 sẽ lưu lại tất cả những dữ liệu gửi đến MH đang muốn chuyển vùng (không bắt buộc vì nó không được định nghĩa trong 802.11). Bước 3: AP2 sẽ thông báo cho AP1 rằng MH đã chuyển vùng thành công (tức là MH đã nằm trong vùng phủ sóng và kết nối với AP2). Bước này thường xảy ra thông qua 1 gói tin unicast hoặc multicast từ AP2 gửi tới AP1 trong đó -41- địa chỉ MAC nguồn là của MH (không bắt buộc vì nó không được định nghĩa trong 802.11). Bước 4: AP1 sẽ gửi các dữ liệu đã lưu cho MH đó đến AP2 thông qua các chuyển mạch SW (AP1 sẽ gửi dữ liệu cho SW, SW sẽ forward cho AP2) Bước 5: AP1 phải xác định 1 lần nữa rằng MH đã rời khỏi nó rồi xóa dữ liệu của MH đang lưu trong buffer của AP1. Bước 6: AP2 sẽ cập nhập bảng địa chỉ MAC trên các bộ chuyển mạch trung gian để ngăn ngừa việc mất dữ liệu (do AP1 không còn lưu dữ liệu nữa). Sau bước này, AP2 sẽ điều khiển để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu của MH. Như vậy, khi MH di chuyển, có thể nó đi qua vùng phủ sóng của 1 vài AP nhưng cuối cùng MH sẽ chọn 1 AP thích hợp nhất; tại một thời điểm, bất kỳ MH nào khi thực hiện kết nối thì chỉ thông qua một AP, điều này cũng giảm thiểu khả năng mất dữ liệu đang gửi hoặc đang nhận khi quá trình roaming diễn ra. Trong thực tế, khi một AP được cấu hình để bao phủ một vùng rộng lớn, nó cũng tiềm tàng một khả năng là có quá nhiều MH kết nối vào. Do trong một cell, môi trường dùng chung được chia sẻ cho tất cả các MH trong vùng phủ sóng theo chế độ bán song công (half duplex) nên khi số lượng MH kết nối vào AP tăng lên, tổng số băng thông và thời gian cho mỗi máy sẽ giảm xuống. Để khắc phục vấn đề này, cần điều chỉnh công suất phát sao cho phù hợp giữa số lượng MH cần kết nối và băng thông của WLAN. Với những ứng dụng cần đáp ứng trong thời gian thực như Voice, Video vấn đề băng thông rất quan trọng, đòi hỏi sự cân đối giữa công suất phát và kích thước cell để hiệu suất của hệ thống đạt kết quả cao nhất. 2.4.4.3. Nút mạng di động và hiệu suất truyền thông Sự di chuyển của MH trong cell gây nên một số thách thức trong việc đảm bảo QoS. Các yếu tố cần được xem xét đó là: Công suất tín hiệu của phía nhận bị biến đổi theo vị trí và thời gian do các hiệu ứng bóng, che khuất và pha đinh nhiều đường, sự thay đổi bất thường ngẫu nhiên của các luồng không dây dẫn đến tỷ lệ lỗi bit cao. Những đặc điểm này gây nhiều khó khăn trong việc đảm bảo độ tin cậy của kết nối cũng như cho dự báo tốc độ dữ liệu, trễ và mất gói tin để hệ thống có những động thái kịp thời thích ứng nhằm khắc phục lỗi. Vấn đề quản lý vị trí MH và định tuyến nhằm đảm bảo tính liên tục của kết nối truyền thông. Đa số phần mạng không dây được tổ chức theo cấu trúc tổ -42- ong. Sự di chuyển của MH từ ô này sang ô khác được gọi là chuyển giao (handover, handoff). Khi người dùng chuyển vào một ô mới, mạng không dây cần một thời gian cho công việc quản trị (xác thực, tính thời gian) và tính toán lại cho tuyến mới nên không tránh khỏi xảy ra trễ. Ngoài ra, trong khi chuyển giao, việc trao đổi tín hiệu có thể bị gián đoạn trong khoảng thời gian ngắn và một số gói có thể bị mất. Các ứng dụng chất lượng cao hơn phải có khả năng thích ứng với trễ này và cần các cơ chế để giảm ảnh hưởng của chuyển giao. MH di chuyển vào một cell đang có tải cao, thủ tục chuyển giao có thể bị hỏng và kết nối bị ngắt nếu không còn kênh khả dụng (nói chung, không còn tài nguyên khả dụng) trong cell mới. Để giải quyết vấn đề này, về nguyên lý có thể áp dụng hai kỹ thuật đó là dành sẵn trước (reservation in advance) và mượn kênh (channel borrowing). Với kỹ thuật mượn kênh, người dùng có thể sử dụng một phần dung lượng của cell của AP bên cạnh (nếu còn kênh khả dụng) và chuyển vùng mềm có thể được hỗ trợ. AP này cấp phát dung lượng phù hợp cho cell hiện thời của nó. Tuy nhiên, đây là một bài toán khá phức tạp mà AP khó có thể giải quyết được để cân đối đảm bảo hiệu quả sử dụng tài nguyên cho các MH hiện thời của nó và các MH mượn kênh. Dịch vụ liên tục (seamless service) luôn mong muốn đảm bảo QoS cho MH khi di chuyển giữa các cell khác nhau. Tuy nhiên, các MH khi di chuyển có thể phải chịu các tỷ lệ lỗi kênh khác nhau. Vấn đề này rất nghiêm trọng trong khi chuyển giao, khi MH đi vào một ô có tỷ lệ lỗi bit, độ trễ cao hơn ô trước đó. Đây cũng là một bài toán cần tính đến trong thủ tục chuyển giao. -43- CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN TCP CHO MẠNG HỖN HỢP 3.1. Giao thức TCP/IP đối với mạng có đường truyền không dây Các giao thức áp dụng cho việc truyền tin dạng End-to-End có độ tin cậy như TCP làm việc tốt với mạng có dây nhưng với mạng hỗn hợp có dây và không dây thì giao thức TCP đã bộc lộ nhiều nhược điểm ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của nó. Một trong những nhược điểm đó là cơ chế truyền lại gói tin và khôi phục lỗi mất gói tin. Với mạng hỗn hợp đường truyền trở nên không đồng nhất dẫn đến việc quản lý các tác vụ khi truyền tin End-to-End (từ phía có dây sang không dây hoặc ngược lại) trở nên khó khăn hơn (so với mạng có dây). Các vấn đề về cái tiến giao thức TCP nhằm nâng cao hiệu quả truyền tin trong các mạng hỗn hợp đã được nghiên cứu trong những năm gần đây và nhiều sửa đổi khác nhau đối với TCP đã được đề xuất đồng thời các ứng dụng đa phương tiện, các giao thức không tin cậy như UDP, RTP cũng đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, các giao thức này làm việc tốt như thế nào trong môi trường mạng hỗn hợp vẫn là một vấn đề quan trọng cần tiếp tục được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn. Một vấn đề khác là đặc tính không đối xứng băng thông của đường truyền theo hai hướng [3]. Đó là vấn đề không tương thích về băng thông giữa hai vùng của phần mạng có dây và không dây. Băng thông khả dụng theo hướng từ máy chủ trên mạng cố định đến đầu cuối di động thường lớn hơn băng thông theo chiều ngược lại. Kết quả là gây ra trễ không đối xứng giữa các hướng ngược nhau (đi và về). Đối với mạng LAN có phần mở rộng không dây, tuy giao thức TCP vẫn có thể phát huy hiệu quả điều khiển mạng nhưng giao thức này đã bộc lộ 3 nhược điểm chính như sau: Thứ nhất: Trong 1 luồng TCP vẫn có sự tranh giành đường truyền giữa các gói tin dữ liệu và ACK có thể “hủy hoại” tổng thể toàn bộ đường truyền. Thứ hai: Khi trạm gửi phát hiện có mất gói tin, TCP sẽ phản ứng với sự kiện này bằng cách lập tức điều khiển trạm gửi khởi động chế độ phòng tránh tắc nghẽn mà không phân biệt được nguyên nhân gây lỗi gói tin đó là do tắc nghẽn hay bị lỗi do nhiễu hay khi chuyển vùng trên đường truyền không dây. TCP sẽ phản ứng sai lầm bằng cách thực hiện thuật toán Slow-start - giảm kích thước cửa sổ truyền xuống mức thấp nhất (bằng 1) sau đó tăng từ từ kích thước cửa sổ để dò tìm băng thông của đường truyền. Do mạng hỗn hợp gồm đường -44- truyền có dây và không dây nên nhìn chung chất lượng đường truyền trên 2 chặng này là khác nhau; TCP sẽ mất nhiều thời gian để đạt thông lượng cực đại của đường truyền (từ trạm nguồn đến trạm đích) điều này sẽ gây nên sự lãng phí đường truyền và tăng độ trễ của gói tin. Ngoài ra, ngay cả khi mạng hoạt động tốt (không có tắc nghẽn và mất gói tin) thì vẫn có những khoảng thời gian lãng phí do thời gian chờ bản tin ACK của trạm đích gửi trạm nguồn; lẽ ra phải tận dụng thời gian chờ đợi này để thể tham gia những giao tác khác. Thứ ba: Trong chuẩn IEEE 802.11 có chế độ tiết kiệm năng lượng - PSM. Chế độ PSM có thể làm giảm hiệu quả điều khiển lưu lượng của giao thức TCP. Khi PSM của một trạm đã được kích hoạt, nếu AP cần trao đổi dữ liệu đến trạm đó thì phải chờ đến beacon tiếp theo, điều này sẽ làm tăng thời gian trễ. Như vậy, giao thức TCP/IP chỉ tốt với mạng có đường truyền có dây (không có lỗi bit); trong khi trên thực tế mạng hỗn hợp có dây và không dây ngày càng trở nên phổ biến. Chính vì những lý do đó mà nhiều nhóm giải pháp cải tiến giao thức TCP/IP nhằm giải quyết vấn đề điều khiển lưu lượng và phòng chống tắc nghẽn đã được đề xuất. Các cải tiến TCP trước hết nhằm làm cho TCP phản ứng đúng với sự mất gói tin sau đó là nâng cao hiệu suất của mạng thông qua các độ đo hướng đến hệ thống như băng thông, thông lượng, độ trễ,… 3.2. Các tiêu chí đánh giá giao thức mạng Các giao thức cải tiến TCP đều được phát triển dựa trên nền tảng chồng giao thức TCP/IP nhưng có thay đổi trên những công đoạn cụ thể tùy thuộc vào hạ tầng mạng, điều này có nghĩa là giao thức TCP đó có thể sử dụng tốt trong loại mạng này nhưng chưa chắc sử dụng tốt cho mạng kia. Do vậy rất khó để có thể nói giải pháp cải tiến nào tốt nhất cho mọi trường hợp. Điều khiển lưu lượng và phòng chống tắc nghẽn là hai vấn đề khác nhau. Tuy nhiên trong các cải tiến TCP, hai vấn đề này đã được nhập lại thành một và được thể hiện trong cùng 1 thuật toán. Để đánh giá một thuật toán điều khiển lưu lượng và phòng chống tắc nghẽn, người ta đã đưa ra một số tiêu chí chính như sau: [7] - Tính hiệu quả (Efficiency): Được định nghĩa là tỉ số giữa tổng tài nguyên phân phối cho các ứng dụng và tổng tài nguyên mà hệ thống mạng có tại mốc thời gian trước thời điểm mạng xảy ra bão hòa (do có sự can thiệp của thuật toán). Một thuật toán được xem là hiệu quả nếu tỉ số này tiệm cận giá trị 1. - Tính bình đẳng (Fairness): Khi nhiều yêu cầu chia sẻ tài nguyên bao gồm tài nguyên mạng và QoS cho các dịch vụ và tất cả những yêu cầu đó thuộc cùng -45- một lớp (tùy theo cách phân lớp), thì các tài nguyên phải được chia sẻ như nhau và với cùng mức độ đảm bảo QoS. - Tính hội tụ (Convergence): Sự hội tụ được đánh giá bởi thời gian cần để hệ thống đạt đến trạng thái mong muốn từ một trạng thái xuất phát bất kỳ. Một cách lý tưởng, hệ thống đạt tới trạng thái đích nhanh và có biên độ dao động rất nhỏ xung quanh nó. Như vậy, nếu gọi Xgoal biểu thị mức lưu lượng mong muốn đưa vào mạng tại thời điểm xét thì tính hội tụ được đánh giá qua 3 yếu tố: Trạng thái cân bằng tiệm cận với Xgoal ; thời gian cần thiết để thuật toán hội tụ đến Xgoal và biên độ của dao động xung quanh giá trị Xgoal nhỏ dần về giá trị 0. - Thời gian đáp ứng nhỏ (Small response time): Thuật toán phải nhanh chóng phát hiện được tắc nghẽn và thời gian kể từ khi phát hiện tắc nghẽn đến khi có tác động của điều khiển chống tắc nghẽn phải càng nhanh càng tốt. Nếu gọi Tresp là thời gian phản ứng kể từ khi phát hiện tắc nghẽn đến khi tắc nghẽn đó được xử lý, Tgoal là thời gian cần thiết tính từ lúc cần giải quyết tắc nghẽn đến khi vấn đề tắc nghẽn được giải quyết thì Tresp ≤ Tgoal. Trong đó Tgoal là cơ sở để so sánh các thuật toán điều khiển, Tresp càng nhỏ càng tốt. - Độ mịn trong điều khiển (Smoothness): Trong thực tế, tác động của mọi thuật toán điều khiển không thể đưa hệ thống đến trạng thái mong muốn ngay lập tức. Vì vậy, các thuật toán điều khiển chống tắc nghẽn phải thiết kế sao cho tác động điều khiển có độ mịn cần thiết, tránh đưa hệ thống vào trạng thái mất ổn định thêm. Đại lượng để đo độ mịn có thể là hiệu số giữa lưu lượng tại 2 thời điểm điều khiển liên tiếp t1 và t2: |Xi(t2) – Xi(t1)| (với i = 1..n là số lần điều khiển) hoặc hiệu số giữa tổng lưu lượng mạng tại 2 thời điểm điều khiển liên tiếp t1 và t2: |X(t2) – X(t1)|. - Tính phân tán (Distributedness): Đây là tiêu chí rất cần thiết đặc biệt trong các mạng cỡ lớn khi hệ thống các đường truyền trong mạng là hỗn hợp, băng thông, thông lượng, độ trễ trên các chặng khác nhau. Có thể khi thuật toán được áp dụng cho một mô hình tập trung với các thông số đầy đủ về trạng thái của mạng cũng như là luồng riêng lẻ nhưng chưa hẳn đã đúng khi áp dụng thuật toán đó cho một mạng lớn hơn (về quy mô cũng như tính chất); điều này có thể gây nên những phản ứng không đồng bộ đồng thời sự lan tỏa của các giao tác của thuật toán cũng không hiệu quả trong toàn mạng. -46- 3.3. Một số giao thức cải tiến TCP dùng cho mạng hỗn hợp Với mạng có phần mở rộng không dây, có rất nhiều nghiên cứu cải tiến TCP/IP để phù hợp với đặc thù đường truyền và dạng tín hiệu. Trong đó, các nghiên cứu cải tiến TCP/IP sử dụng cho mạng hỗn hợp nói chung và mạng LAN có phần mở rộng không dây nói riêng thường tập trung vào 2 nhóm chính đó là chia tách phương diện đường truyền và nâng cấp khả năng xử lý của Router giữa phần có dây và không dây. Một số thuật toán điển hình cho 2 hướng nghiên cứu này như sau: 3.3.1. Split TCP Split TCP (hay Split Connection) được triển khai tại Đại học Rutgers trong một phần của dự án Dataman. Đây là một trong những cải tiến TCP sớm nhất để tăng thông lượng TCP qua mạng không dây theo hướng chia đôi kết nối. [11] FH MH Hình 3.1: Mô hình Split Connection Split TCP chia mỗi kết nối TCP trong mạng hỗn hợp LAN, WLAN thành 2 kết nối: Một kết nối TCP trên phần mạng có dây giữa Server/Fixed Host (gọi chung là FH) với AP và một kết nối TCP trên phần mạng không dây giữa AP với MH. Trên mỗi phần cần sử dụng giao thức TCP phù hợp với tính chất đường truyền để đạt được hiệu suất tốt nhất (Hình 3.1). Với giải pháp theo hướng chia kết nối này, dữ liệu từ FH muốn gửi đến MH, trước tiên FH phải được nhận bởi AP bằng đường truyền có dây với giao thức truyền TCPI. Sau khi nhận được dữ liệu, AP sẽ biên nhận với FH rồi gửi dữ liệu đó đến MH bằng đường truyền không dây, giao thức TCPII. -47- Giải pháp Split Connection có các ưu điểm như: - Cách ly hoàn toàn trường hợp mất gói tin trên đường truyền không dây và đường truyền có dây. - Giao thức truyền tin riêng giữa AP và FH có thể hỗ trợ tốc độ truyền cao hơn để hỗ trợ phần không dây trong việc tăng số lượng MH cũng như đảm bảo QoS cho dịch vụ. - Tại các MH, chỉ cần sử dụng 1 giao thức đơn giản chỉ để giao tiếp với AP. Nhược điểm của giải pháp Split Connection: - Việc tách 1 kết nỗi TCP thành 2 kết nối làm cho quá trình biên nhận không còn mang tính chất “end-to-end” vì có thể xảy ra các tình huống FH nhận được ACK từ AP nhưng MH chưa nhận được gói tin đó. - Do MH chỉ cần sử dụng giao thức đơn giản chỉ để giao tiếp với AP, AP phải quản lý và điều khiển các MH của nó nên AP phải có cấu hình mạnh, buffer đủ lớn. - Khi chuyển giao: AP phải truyền tất cả các thông tin trạng thái và dữ liệu của MH tại buffer của nó sang AP mới đồng thời AP mới phải thiết lập kết nối mới với MH để tiếp tục trao đổi dữ liệu. Điều này làm tăng độ trễ đáng kể. - Ngoài ra, với những mạng hỗn hợp có quy mô lớn (nhiều AP hay cell), việc điều các MH (đặc biệt khi chuyển vùng) sẽ có thêm một trung tâm xử lý chung gọi là SuperHost (SH), SH điều khiển các AP để chuyển vùng và định tuyến cho các MH trong nó. Do vậy, khi chuyển giao, thông tin khiển khiển sẽ qua ít nhất 2 chặng không dây (từ MH đến AP và từ AP đến SH) nên khả năng trễ và lỗi gói tin rất cao. 3.3.2. Snoop TCP Khác với Split TCP sử dụng AP để chia kết nối TCP giữa FH và MH thành 2 kết nối độc lập, Snoop TCP duy trì 1 kết nối và sử dụng cơ chế nhớ đệm tại AP để duy trì “ngữ nghĩa end-to-end” của TCP ban đầu và tăng thông lượng của kết nối [14]. Tại AP sẽ nhớ đệm (buffer) tất cả các gói tin được gửi từ FH đến -48- MH qua AP mà AP chưa thấy biên nhận (ACK) từ MH gửi trở về FH. Khi có gói tin bị mất trên đường truyền không dây, AP sẽ nhận được Dupble ACK từ MH và gửi lại gói tin bị mất (bản dự phòng trong buffer của AP) mà không cần FH gửi lại và khởi động cơ chế chống tắc nghẽn. Vì vậy thông lượng TCP vẫn được đảm bảo. Hình 3.2: Tiến trình xử lý dữ liệu từ FH đến MH Giải pháp Snoop cần có 2 module: Snoop_Data và Snoop_ACK Snoop _Data: Xử lý các gói tin từ FH gửi đến MH (Hình 3.2) - Nếu gói tin mới đến đúng thứ tự thì AP lưu gói tin vào buffer của nó (có thể xem là bộ nhớ tạm của Snoop agent (Snoop cache) - Khi gói tin đến không đúng thứ tự và đã được lưu vào Snoop cache thì có xem xét nếu trường ACK number trong gói tin này lớn hơn gói tin đã được cached trước đó thì AP chuyển tiếp gói tin này đến MH. - Nếu gói tin đến không đúng thứ tự và chưa được lưu vào Snoop cache (có thể do gói tin đến không đúng thứ tự hoặc bị mất trên đường truyền có dây giữa FH và AP) thì AP sẽ thêm gói tin này vào Snoop cache rồi gửi đến MH đồng thời gói tin này được đánh dấu là đã được FH truyền lại. Thông tin này được Snoop_ACK sử dụng để xử lý các ACK nhận được từ MH. -49- Hình 3.3: Tiến trình xử lý ACK Snoop_ACK: Xử lý các gói tin ACK nhận được từ MH. - ACK mới: Đây là trường hợp bình thường, thông tin từ ACK này được sử dụng để loại bỏ các gói tin đã được buffer trong Snoop cache. Đồng thời nếu gói tin được biên nhận không phải là gói tin được truyền lại thì sẽ cập nhật giá trị RTT. - Spurious ACK: Đây là trường hợp thông báo gói tin có ACK này bé hơn gói tin có ACK cuối cùng đã nhận được trước đó, do vậy gói tin có ACK bé hơn sẽ bị loại bỏ. - Dup ACK: Nếu gói tin chưa được buffer trong Snoop cache, Dup ACK này sẽ được gửi tới FH và FH sẽ sử dụng cơ chế chống tắc nghẽn. Ngược lại, khẳng định rằng gói tin đã bị mất do lỗi trên đường truyền không dây nên AP sẽ gửi lại gói tin đó hiện có trong buffer của Snoop cache. Để xử lý quá trình chuyển giao MH giữa các AP, Snoop sử dụng Mobile IP và cơ chế truyền multicast. Tại cùng một thời điểm sẽ có nhiều AP lưu các gói tin gửi đến MH, nhưng chỉ có 1 AP gửi gói tin đến cho MH (gọi là Primary AP). Các AP còn lại là các AP láng giềng xung quanh vị trí mà tiếp theo MH có -50- thể di chuyển đến (gọi là Nearby AP). Các AP này được nhóm lại thành 1 nhóm multicast cùng với MH. Khi MH di chuyển sang 1 cell mới MH gửi tới AP của cell mới này để yêu cầu AP này làm Primary AP đồng thời thông báo với AP cũ yêu cầu dừng việc chuyển tiếp gói tin đến nó. Hình 3.4: MH chỉ trao đổi gói tin với Primary AP Tóm lại, giải pháp Snoop tuy giải quyết được vấn đề minh bạch trong biên nhận giữa MH và FH nhưng có những mặt hạn chế như: buffer tại các AP phải đủ lớn để chứa các gói tin mà MH chưa gửi biên nhận; lượng thông tin mà các AP phải chuyển cho nhau khi MH chuyển vùng có thể rất lớn hoặc thậm chí bị mất. Ngoài ra, một hạn chế nữa của snoop TCP đó là việc phát lại của AP có thể đụng độ với cơ chế phát lại của TCP. Khi AP chưa nhận được ACK của MH, lúc này đương nhiên FH vẫn chưa nhận được ACK đó, cả 2 giao thức TCP của FH và cơ chế Snoop TCP trên AP có thể đồng thời phản ứng đối với việc mà chúng xem là mất gói tin này do vậy khả năng đồng thời phát lại gói tín sẽ rất cao. Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu suất của mạng. -51- 3.3.3. M-TCP M-TCP cũng sử dụng giải pháp chia kết nối và được minh họa trên Hình 3.5. Hình 3.5: Mô hình kết nối M-TCP - 1 kết nối không dây từ MH tới Supper Host (SH) - với SH là đầu mối quản lý và điều khiển các AP (mỗi AP có vùng phủ sóng là 1 cell) Như vậy, kết nối này gồm 2 chặng không dây (từ MH - AP và AP - SH) - Một kết nối có dây từ SH đến FH. Với giải pháp này, giao tiếp mức thấp nhất là giữa MH và AP (trong mỗi Cell), mức tiếp theo là giữa AP với SH. SH được được kết nối với mạng cố định thông qua đường truyền có dây để xử lý việc định tuyến, chuyển vùng tất cả các kết nối của MH do vậy sẽ không cần thao tác chuyển trạng thái kết nối khi MH di chuyển giữa các Cell. Vì vậy với mỗi kết nối TCP, trên SH sẽ luôn có 2 tiến trình chạy song song để quản lý đó là SH-TCP và M-TCP. SH-TCP nhận dữ liệu từ FH và khởi động tiến trình M-TCP để chuyển tiếp đến MH. Khác với I-TCP, SH-TCP không tạo ACK để gửi trả về FH mà chỉ nhận ACK từ MH. Tuy nhiên, để đề phòng FH không khởi động cơ chế chống tắc nghẽn khi chưa nhận được ACK phản hồi (có thể do MH bị disconnected tạm thời hoặc chưa nhận được dữ liệu), M-TCP điều khiển SH gửi gói tin "giả" với giá trị trường cửa sổ nhận 0 nhằm chuyển FH sang chế độ "đóng băng" -52- (Persist mode). Sau khi MH đã biên nhận và gửi ACK cho SH, SH gửi ACK này đến FH với giá trị trường cửa sổ nhận bằng giá trị như trước lúc FH chuyển sang chế độ "đóng băng". M-TCP nhận các gói tin ACK từ MH và truyền nó tới SH-TCP để chuyển tới FH. Kết nối M-TCP giữa SH và MH có một điểm khác biệt với TCP chuẩn đó là bổ sung thêm tính năng thông báo trạng thái kết nối theo từng thời điểm của MH với SH đang như thế nào (connecting/connected/disconnected). Nếu MH tạm thời mất kết nối (disconnected), M-TCP thông báo điều này cho SH- TCP để SH-TCP gửi gói tin "giả" như đã nói ở trên. Khi MH kết nối lại thành công (reconnected), M-TCP thông báo cho SH-TCP để SH-TCP cập nhật lại kích thước cửa sổ nhận rồi gửi tới FH. Mọi kết nối trở lại bình thường như lúc ban đầu. Như vậy, giao thứ M-TCP sẽ ổn định được thông lượng khi MH tạm thời bị mất kết nối và không cần chuyển giao khi MH di chuyển từ cell này sang cell khác. Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp với các mạng không dây quy mô lớn nhiều cell và cấu trúc riêng biệt đòi hỏi khả năng xử lý trên SH rất lớn. -53- CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN TRONG MẠNG CÓ PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY Nói chung, hiệu suất là một trong hai nhân tố chính xác định năng suất tổng cộng của một hệ thống, phản ánh khả năng khai thác tài nguyên của hệ thống. Đối với một hệ thống tính toán, đánh giá hiệu suất (performance evaluation) là xác định về mặt định tính và định lượng chất lượng phục vụ của hệ thống tính toán đó với một loại bài toán nhất định. Đối với giao thức, đánh giá hiệu suất là xác định về mặt định tính và định lượng chất lượng truyền tải đối với một lưu lượng số liệu nhất định. Hiệu suất mạng chủ yếu được xác định bởi các nhân tố: tính sẵn sàng để dùng (availability), thông lượng (throughput), thời gian đáp ứng (response time), thời gian trễ (delay), độ tin cậy (reliability), tỉ suất lỗi (error rate) và hiệu suất của ứng dụng. Tùy thuộc vào từng loại hệ thống và mục đích sử dụng mà người ta có thể sử dụng các độ đo trên hoặc là sự kết hợp của một vài trong số đó. Người ta thường phân chia độ đo hiệu suất làm hai loại, đó là: Độ đo hướng đến người sử dụng và độ đo hướng tới hệ thống. [2] Các độ đo hướng tới người sử dụng: - Response time: Là khoảng thời gian từ khi có một yêu cầu (request) đến hệ thống cho đến khi nó được hệ thống thực hiện xong; thường được sử dụng trong các hệ thời gian thực hoặc các môi trường hệ thống tương tác. - System reaction time: Là khoảng thời gian tính từ khi input đến hệ thống cho đến khi yêu cầu chứa trong input đó nhận được khe thời gian (slice time) phục vụ đầu tiên; thường được sử dụng trong các hệ thống tương tác, thay cho response time. Độ đo này đo mức độ hiệu dụng của bộ lập lịch của hệ thống trong việc nhanh chóng cung cấp dịch vụ cho một yêu cầu mới đến. Trong mạng máy tính, các đại lượng trên đều được xem là các biến ngẫu nhiên, vì vậy người ta thường nói về phân bố, kỳ vọng, phương sai... của chúng. Các độ đo hướng tới hệ thống: - Throughput: Là số đơn vị thông tin tính trung bình được vận chuyển qua mạng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thông tin ở đây có thể là bit, byte hay gói số liệu,... Nếu các đơn vị thông tin đi vào mạng theo một cơ chế độc lập với trạng thái của mạng thì thông lượng cũng chính bằng tốc độ đến trung bình nếu -54- mạng vẫn còn có khả năng vận chuyển. Một số trường hợp người ta sử dụng đại lượng không thứ nguyên Hệ số sử dụng đường truyền (Line Utilization) hay còn gọi thông lượng chuẩn hoá, đó là tỉ số của thông lượng trên năng lực vận chuyển của đường truyền (line capacity).[2] - Transfer delay: Là thời gian trung bình để vận chuyển một gói số liệu qua mạng, từ nguồn tới đích. Người ta cũng có thể dùng thời gian trễ chuẩn hóa, là tỉ số của thời gian trễ trên một tham số thời gian nào đó, thí dụ như thời gian cần thiết để truyền một gói tin lên đường truyền (packet transmission time). - Tỉ lệ lỗi truyền số liệu: Là số lượng số gói tin bị lỗi trên tổng số gói tin được đưa lên đường truyền. - Thời gian xử lý, khắc phục lỗi,… Các phương pháp đánh giá hiệu suất của hệ thống mạng Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu suất mạng máy tính, mỗi phương pháp có các thế mạnh riêng phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu cụ thể, điều kiện và khả năng của người sử dụng. Người ta chia các phương pháp đánh giá hiệu suất mạng làm ba loại [3]: mô hình Giải tích (Analytic Models), mô hình Mô phỏng (Simulation Models) và Phương pháp Đo (Measurement). Trong đó, phương pháp mô hình Mô phỏng có nhiều ưu điểm vượt trội so với hai phương pháp còn lại, đó là chi phí thấp, nhanh chóng và chính xác. Phương pháp mô hình Giải tích bảo đảm hiệu quả, dễ thay đổi với chi phí thấp. Tuy nhiên, phải cụ thể hóa các mối quan hệ trên mạng thông qua các hàm số với nhiều tham số rồi giải, việc này đòi hỏi khả năng Toán học tốt. Phương pháp Đo trên mạng thực cho kết quả chính xác nhưng thường có chi phí cao về thiết bị, thời gian và khó có khả năng thực hiện hơn vì vấn đề sở hữu đối với hệ thống mạng muốn đo. 4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 NS (Network Simulator) là một phần mềm mô phỏng mạng, được Bộ Quốc phòng Mỹ phát triển từ bộ mô phỏng REAL (Realistic and Large) của S.Keshav năm 1989. Các phiên bản 2.xx của NS ra đời sau năm 1997, từ đó người ta thường gọi là bộ mô phỏng NS-2. Bộ mô phỏng được vận hành theo cơ chế sử dụng các sự kiện rời rạc, có thứ tự. Người sử dụng có thể thay đổi cấu hình và mở rộng mô hình mạng rất dễ dàng bằng cách lập trình thêm vào một số modul chương trình. -55- NS là bộ mô phỏng hướng sự kiện viết bằng C++, với một trình thông dịch OTCL giao tiếp với người sử dụng. Những đối tượng được biên dịch này sẽ được kết nối tới bộ thông dịch OTCL qua trình liên kết OTCL. Các đối tượng OTCL tương ứng với mỗi đối tượng trong C++ và ngược lại các hàm và biến trong đối tượng C++ chuyển thành các hàm và biến trong đối tượng OTCL tương ứng. Hình 4.1: Sự kết hợp giữa C++ và OTCL trong NS NS có thể mô phỏng các mạng LAN, mạng không dây, mạng hỗn hợp (có dây và không dây), mạng vệ tinh. NS thực thi các giao thức mạng như TCP, UDP; các nguồn sinh lưu lượng của các ứng dụng như FTP, Telnet, Web, với tốc độ bit cố định (CBR) và Tốc độ bit thay đổi (VBR); các kỹ thuật quản lý hàng đợi như Vào trước Ra trước (FIFO / Drop Tail), loại bỏ sớm ngẫu nhiên (RED) và phục vụ theo mức ưu tiên dựa trên việc phân lớp - CBQ; các thuật toán định tuyến như Dijkstra… NS cũng thực thi phương thức đánh địa chỉ multicasting và vài giao thức lớp Điều khiển truy cập đường truyền (MAC) đối với mô phỏng LAN. Hình 4.2: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng − OTcl Script Kịch bản OTcl − Simulation Program Chương trình Mô phòng − OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng − NS Simulation Library Thư viện Mô phỏng NS -56- − Event Scheduler Objects Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện − Network Component Objects Các đối tượng Thành phần Mạng − Network Setup Helping Modules Các mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng − Plumbling Modules Các mô đun Plumbling − Simulation Results Các kết quả Mô phỏng − Analysis Phân tích − NAM Network Animator Minh họa Mạng NAM Trong hình trên, NS là Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng; bao gồm các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện, các đối tượng Thành phần Mạng và các mô đun Trợ giúp thiết lập mạng (hay các mô đun Plumbing).