LUẬN VĂN:ĐÁNH GIÁ CHI PHÍ TÌM ĐƯỜNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET

Chia sẻ: Sunflower Sunflower_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

338
lượt xem 116
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Số gói tin định tuyến trung bình cần phát theo thời gian, chi phí định tuyến chuẩn hóa theo tải và thời gian phát hiện tuyến trung bình với bốn giao thức định tuyến là AODV, DSDV, DSR và OLSR.IV. KẾT LUẬNKết luận những công việc mà luận văn đạt được và những hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai như đánh giá với các giao thức khác bao gồm TORA, ZRP…

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN:ĐÁNH GIÁ CHI PHÍ TÌM ĐƯỜNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐOÀN CAO THANH ĐÁNH GIÁ CHI PHÍ TÌM ĐƯỜNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011
1 Lời cám ơn Trước hết tôi xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt khóa học, cám ơn tập thể lớp K15T3 và đặc biệt là tới thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Đình Việt, người đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong công việc nghiên cứu và học tập. Tôi cũng chân thành cám ơn tới các thành viên trong nhóm nghiên cứu với những góp ý quý báu trong quá trình thực hiện đề tài. Sau cùng tôi muốn gửi lời cám ơn tới gia đình và người thân của tôi, những người đã luôn khuyến khích và động viên tôi trong suốt khóa học. Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong sự góp ý của bạn bè, thầy cô và những người quan tâm đến đề tài này.
2 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Luận văn là kết quả của quá trình học tập, nghiên cứu trong suốt hơn hai năm cao học. Trong các nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là kết quả của cá nhân hoặc là kết quả tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác. Những kết quả nghiên cứu nào của cá nhân đều được chỉ ra rõ ràng trong luận văn. Các thông tin tổng hợp hay các kết quả lấy từ nhiều nguồn tài liệu khác đều được trích dẫn đầy đủ và hợp lý. Tất cả tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình Hà Nội, Tháng 3, 2011
3 Mục lục Lời cám ơn ....................................................................................................................... 1 Lời cam đoan.................................................................................................................... 2 Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt ............................................................................ 5 Danh mục các hình vẽ ...................................................................................................... 7 Danh mục các bảng .......................................................................................................... 8 Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................... 9 1.1. Đặt vấn đề [15] ..................................................................................................... 9 1.2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 9 1.3. Tổ chức của luận văn........................................................................................... 10 Chương 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET .......................... 11 2.1. Giới thiệu và phân loại mạng không dây [15] ..................................................... 11 2.1.1. Phân loại theo định dạng và kiến trúc mạng................................................. 12 2.1.2. Phân loại theo phạm vi bao phủ truyền thông .............................................. 13 2.1.3. Phân loại theo công nghệ truy cập đường truyền ......................................... 14 2.1.4. Phân loại theo các ứng dụng mạng ............................................................... 14 2.2. Mạng LAN không dây (WLAN) ......................................................................... 14 2.2.1. Khái niệm về WLAN .................................................................................... 14 2.2.2. Lịch sử ra đời mạng WLAN [22] ................................................................. 16 2.2.3. Giao thức tầng con MAC trong WLAN [12] ............................................... 17 2.3. Mạng không dây đặc biệt MANET [15] ............................................................. 22 2.3.1. Sự phát triển và các ứng dụng của mạng MANET....................................... 22 2.3.2. Các đặc điểm của mạng MANET ................................................................. 23 Chương 3. CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET ................................ 25 3.1. Giới thiệu về bài toán định tuyến [15] ................................................................ 25 3.2. Các kĩ thuật định tuyến mạng MANET [10] ....................................................... 26 3.2.1. Định tuyến chủ động và định tuyến phản ứng lại ......................................... 26 3.2.2. Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường ........................................... 26 3.2.3. Định tuyến dựa vào bảng và định tuyến khởi tạo phía nguồn ...................... 26 3.2.4. Các kĩ thuật khôi phục .................................................................................. 27 3.2.5. Chiến lược lựa chọn tuyến ............................................................................ 28 3.2.6. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện ................................................... 28 3.2.7. Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp ............................................................ 28 3.3. Các giao thức định tuyến chủ yếu trong mạng MANET [8] ............................... 29 3.3.1. Giao thức DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) [4] ................. 29 3.3.2. Giao thức CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing) [5] ..................... 30 3.3.3. Giao thức WRP (Wireless Routing Protocol) [14] ....................................... 31 3.3.4. Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing) [16] ............................... 32 3.3.5. Giao thức AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) [3] .................... 33 3.3.6. Giao thức DSR (Dynamic Source Routing) [6] ........................................... 34
4 3.3.7. Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm) [11] .............. 36 3.3.8. Giao thức ABR (Associativity-Based Routing) [2]...................................... 38 3.3.9. Giao thức SSR (Signal Stability Routing) [14] ............................................ 40 3.3.10. So sánh các giao thức định tuyến chủ yếu trong mạng MANET [3]-[8] ... 40 Chương 4. ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG CHI PHÍ TÌM ĐƯỜNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET VỚI CÁC NGỮ CẢNH KHÁC NHAU ............................................................................................................................ 45 4.1. Phân tích và lựa chọn phương pháp mô phỏng để đánh giá [1] .......................... 45 4.2. Bộ mô phỏng NS2 ............................................................................................... 46 4.2.1. Giới thiệu [1] ................................................................................................ 46 4.2.2. Cấu trúc phần mềm của NS2 ........................................................................ 48 4.3. Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS2 ................................................... 48 4.3.1. Mô hình không dây cơ bản trong NS2 [9] .................................................... 48 4.3.2. Quá trình mô phỏng mạng MANET với NS2 [1]......................................... 52 4.3.3. Tích hợp giao thức TORA và OLSR vào bộ mô phỏng NS2 ....................... 54 4.4. Đánh giá bằng mô phỏng chi phí tìm đường một số giao thức định tuyến chủ yếu trong mạng MANET............................................................................................ 56 4.4.1. Các độ đo hiệu năng được đánh giá [1] ........................................................ 56 4.4.2. Thiết lập các lựa chọn, tham số mô phỏng [17] ........................................... 57 4.4.3. Các ngữ cảnh mô phỏng ............................................................................... 57 4.4.4. Đánh giá, nhận xét chi phí tìm đường của một số giao thức định tuyến mạng MANET .................................................................................................................. 73 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 76 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 78
5 Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt ABR Associativity-Based Routing AODV Adhoc On-Demand Distance Vector AP Access Point BQ Broadcast Query BS Base Station CBR Constant Bit Rate CDMA Code Division Multiple Access CGSR Clusterhead Gateway Switch Routing CLR Clear Packet CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance CTS Clear To Send DAG Directed Acyclic Graph DCF Distributed Coordination Function DIFS DCF Interframe Space DRP Dynamic Routing Protocol DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing FTP File Transfer Protocol GPS Global Positioning System IEEE Institude of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force IRTF Internet Research Task Force LAN Local Area Network LCC Least Cluster Change LQ Localized Query MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network MANET Mobile Adhoc Network MRP Multipoint Relay Selector NAM Network Animator NAV Network Allocation Vector NPDU Network Protocol Data Unit NS2 Network Simulator 2 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OLSR Optimized Link State Routing OTCL Object Tool Command Language
6 PAN Personal Area Network PCF Point Coordination Function PIFS PCF Interframe Space QoS Quality of Service RD Route Delete RN Route Notification RREP Route Reply RREQ Route Request RT Routing Table RTS Request To Send SIFS Short Interframe Space SRP Static Routing Protocol SSR Signal Stability Routing SST Signal Stability Table TC Topology Control TCL Tool Command Language TCP Transmission Control Protocol TDMA Time Division Multiple Access TORA Temporally Ordered Routing Algorithm UDP User Datagram Protocol VINT Virtual InterNetwork Testbed WAN Wide Area Network Wi-fi Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WPAN Wireless Personal Area Network WWAN Wireless Wide Area Network WRP Wireless Routing Protocol ZRP Zone Routing Protocol
7 Danh mục các hình vẽ Hình 1. Ví dụ về mạng WLAN ..................................................................................... 15 Hình 2. Hiện tượng đầu cuối ẩn .................................................................................... 17 Hình 3. Hiện tượng đầu cuối lộ ..................................................................................... 18 Hình 4. Giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn với RTS/CTS ................................................... 20 Hình 5. Giải quyết vấn đề đầu cuối lộ với RTS/CTS ................................................... 20 Hình 6. Các khoảng thời gian đợi SIFS, PIFS và DIFS................................................ 21 Hình 7. Chức năng điều khiển tập trung PCF ............................................................... 21 Hình 8. Mạng MANET ................................................................................................. 22 Hình 9. Định tuyến hướng bảng và khởi tạo phía nguồn theo yêu cầu ........................ 27 Hình 10. Định tuyến CGSR từ nút 1 đến nút 8 ............................................................. 31 Hình 11. Phát hiện tuyến trong AODV ......................................................................... 33 Hình 12. Tạo ra các bản ghi tuyến trong DSR .............................................................. 35 Hình 13. Việc tạo tuyến và đảm bảo tuyến trong TORA ............................................. 36 Hình 14. Lựa chọn tuyến trong ABR ............................................................................ 38 Hình 15. Xây dựng lại tuyến trong ABR ...................................................................... 39 Hình 16. Lược đồ nút di động theo chuẩn mở rộng không dây của CMU monarch. ... 50 Hình 17. Lược đồ SRNode theo chuẩn mở rộng không dây của CMU monarch ......... 51 Hình 18. Hình ảnh 50 nút di động, giao thức DSDV, thời gian tạm dừng 0, 1 nguồn phát ................................................................................................................................ 61 Hình 19. Số gói tin định tuyến trung bình cần phát với 1, 3 và 5 nguồn phát .............. 63 Hình 20. Số gói tin định tuyến trung bình cần phát với 4 giao thức định tuyến MANET ....................................................................................................................................... 64 Hình 21. Chi phí định tuyến chuẩn hóa theo tải với 1, 3 và 5 nguồn phát ................... 66 Hình 22. Chi phí định tuyến chuẩn hóa theo tải với 4 giao thức định tuyến MANET . 67 Hình 23. Thời gian phát hiện tuyến trung bình với 1, 3 và 5 nguồn phát ..................... 69 Hình 24. Thời gian phát hiện tuyến trung bình với 2 giao thức định tuyến MANET .. 70 Hình 25. Số gói tin định tuyến trung bình cần phát trong mô hình Random Walk ...... 72 Hình 26. Chi phí định tuyến chuẩn hóa theo tải trong mô hình Random Walk ........... 72 Hình 27. Thời gian phát hiện tuyến trung bình trong mô hình Random Walk ............. 73
8 Danh mục các bảng Bảng 1. So sánh giữa các giao thức định tuyến (Phân tích định tính 1) ....................... 29 Bảng 2. So sánh giữa các giao thức định tuyến (Phân tích định tính 2) ....................... 29 Bảng 3. So sánh đặc tính của các giao thức định tuyến hướng bảng ............................ 41 Bảng 4. So sánh đặc tính của các giao thức định tuyến yêu cầu khởi tạo phía nguồn . 43 Bảng 5. Các đặc điểm ngữ cảnh giống nhau của thí nghiệm mô phỏng ....................... 58 Bảng 6. Hình trạng mô phỏng với mô hình Random Waypoint ................................... 60 Bảng 7. Hình trạng mô phỏng với mô hình Random Walk .......................................... 71
9 Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Đặt vấn đề [15] Chúng ta biết rằng ngày nay khi mà tầm quan trọng của các máy tính trong cuộc sống của con người tăng lên thì điều đó cũng đòi hỏi các yêu cầu mới cho việc kết nối mạng máy tính. Ngoài các giải pháp cho mạng có dây đã được dùng từ lâu, chúng ta thấy sự gia tăng yêu cầu đối với các giải pháp cho mạng không dây để có thể kết nối tới Internet, đọc và gửi các thông điệp thư điện tử, trao đổi thông tin trong các cuộc họp… Mạng không dây đặc biệt MANET (Mobile Adhoc Networking) bao gồm các thiết bị tự tổ chức thành mạng đạt được sự giải phóng hoàn toàn khỏi cơ sở hạ tầng mạng cố định, có chi phí truyền thông thấp và triển khai dễ dàng. Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa như hỏa hoạn, lụt lội, động đất… Với tất cả những lý do trên, mạng MANET là một trong những lĩnh vực nghiên cứu có tính thời sự cao và đầy thách thức của mạng không dây và công nghệ này hứa hẹn sẽ trở nên phổ biến với cuộc sống của con người. Mạng MANET thừa kế những đặc tính truyền thống của mạng không dây và truyền thông di động như tối ưu hóa băng thông, điều khiển năng lượng và tăng chất lượng truyền thông. Ngoài ra, việc truyền qua nhiều chặng, không dựa trên cơ sở hạ tầng mạng cố định và đặc biệt là sự di chuyển tùy ý của mọi nút mạng đặt ra những vấn đề nghiên cứu mới về định tuyến, tiết kiệm năng lượng và an ninh. Nhiều cách tiếp cận và giao thức khác nhau đã được đề nghị để giải quyết các vấn đề phát sinh, một số phương pháp và giao thức đã được IETF và IRTF chuẩn hóa. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Với nhu cầu sử dụng mạng mọi lúc, mọi nơi và không phụ thuộc vào vị trí vật lý, mạng không dây đặc biệt MANET cho phép các máy tính di động thực hiện các kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên cơ sở hạ tầng mạng có sẵn. Tuy nhiên, bởi cấu trúc của mạng MANET có thể thường xuyên thay đổi do các nút có thể gia nhập hay rời khỏi mạng nên để cho mạng có thể hoạt động thì tất cả các nút cần phải thực hiện chức năng tương đương với một bộ định tuyến. Vấn đề định tuyến tại tầng mạng được quan tâm đến nhiều nhất và cần tập trung giải quyết hai vấn đề cơ bản là tìm ra đường đi từ nút phát đến nút nhận và làm thế nào để duy trì đường đi. Việc định tuyến trong mạng MANET luôn đòi hỏi các chi phí về tài nguyên như dải thông đường truyền, năng lượng tiêu hao trong quá trình tìm đường, dung lượng bộ nhớ cần thiết cho việc lưu trữ bảng định tuyến và thời gian tìm đường. Đề tài luận văn này nhằm mục đích đánh giá và so sánh chi phí tìm đường của một số giao thức định tuyến điển hình trong mạng MANET với một số mức độ di động khác nhau của các nút mạng. Quá trình đánh giá này được thực hiện qua lý thuyết và thông qua mô phỏng với các nội dung bao gồm:
10 ü Nghiên cứu các đặc điểm của mạng MANET ü Xem xét bài toán định tuyến trong mạng MANET và các giải pháp có thể ü Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET ü Xây dựng thí nghiệm mô phỏng và tích hợp một số giao thức định tuyến mạng MANET vào bộ mô phỏng NS2 ü Đánh giá chi phí tìm đường của một số giao thức định tuyến mạng MANET với các ngữ cảnh khác nhau. Ngữ cảnh của thí nghiệm thay đổi bằng cách: · Thay đổi topo mạng (Số nút mạng, đường truyền cũng như vị trí ban đầu của mỗi nút mạng) · Thay đổi mô hình chuyển động (Mô hình Random Waypoint, Random Walk… ) · Thay đổi mô hình sinh lưu lượng (TCP, CBR) · Thay đổi diện tích và hình dạng vùng mô phỏng · Thay đổi thời gian hoạt động của các nguồn sinh lưu lượng · Thay đổi thời gian mô phỏng 1.3. Tổ chức của luận văn Nội dung của luận văn được tổng hợp thành 4 chương chính. Chương đầu tiên đưa ra mục tiêu nghiên cứu và tổ chức chi tiết của luận văn. Chương 2 của luận văn trình bày tổng quan về mạng không dây WLAN và mạng không dây đặc biệt MANET. Phần nghiên cứu tìm hiểu về việc định tuyến cũng như các yêu cầu với giao thức định tuyến trong mạng MANET được trình bày ở chương 3. Ngoài ra, các kĩ thuật định tuyến mạng MANET và việc phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET cũng được mô tả chi tiết tại chương này. Phần giới thiệu về bộ mô phỏng NS2, các thí nghiệm, đánh giá mô phỏng và những kết quả phân tích, so sánh được mô tả ở chương 4 của luận văn. Phần cuối cùng của luận văn là kết luận những công việc mà luận văn đã đạt được và những hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
11 Chương 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET 2.1. Giới thiệu và phân loại mạng không dây [15] Những năm gần đây, công nghệ thông tin đã có những bước tiến vượt bậc và được áp dụng vào hầu hết các mặt của đời sống xã hội như kinh tế, giáo dục, y tế, quân sự… Xã hội càng phát triển thì nhu cầu tìm hiểu và cập nhật thông tin ngày càng tăng, con người muốn được kết nối với thế giới ở bất kỳ chỗ nào, bất kỳ nơi đâu. Điều đó giải thích tại sao mạng không dây lại được ra đời và phát triển mạnh. Ngày nay, chúng ta có thể bắt gặp mạng không dây ở nhiều nơi như những văn phòng, tòa nhà, các công ty, các tổ chức, tại các trường học, bệnh viện hay thậm chí là các quán cà phê, quán ăn nhanh. Nhờ những cải tiến nhanh chóng trong công nghệ mạng không dây và sự ra đời của các dịch vụ và ứng dụng không dây mới, phạm vi truyền thông không dây đã có những thay đổi đáng kể. Với sự nổi lên của các mạng tế bào thế hệ thứ ba làm tăng tốc độ truyền dữ liệu, cho phép cung cấp các dịch vụ dữ liệu di động đa dạng với tốc độ cao hơn. Trong khi đó thì các chuẩn mới cho sóng vô tuyến phạm vi ngắn như Bluetooth, 802.11, HiperLAN và truyền hồng ngoại đang hỗ trợ để tạo phạm vi rộng hơn cho các ứng dụng mới tại các hộ gia đình hay xí nghiệp, cho phép truyền thông không dây dữ liệu đa phương tiện được tốt hơn. Nói chung, khái niệm mạng không dây ám chỉ mạng sử dụng phương tiện truyền là sóng hồng ngoại hoặc vô tuyến điện để chia sẻ thông tin và các tài nguyên giữa các thiết bị. Nhiều kiểu thiết bị không dây đang được sử dụng phổ biến ngày nay như các thiết bị cá nhân cầm tay (PDA), các máy tính xách tay (notebook, netbook), các máy điện thoại di động, cảm biến không dây (wireless sensor), các thiết bị nhận vệ tinh… Truyền thông không dây có các đặc tính như sau: ü Nhiễu cao hơn trong khi độ tin cậy thấp hơn o Các tín hiệu hồng ngoại chịu nhiễu từ ánh sáng mặt trời và các nguồn nhiệt và có thể bị che chắn bởi nhiều loại vật cản. Các tín hiệu vô tuyến điện thường có thể xuyên qua nhiều loại vật cản tuy nhiên chúng có thể bị nhiễu bởi các thiết bị điện và điện tử. o Truyền quảng bá đồng nghĩa với việc tất cả các thiết bị có khả năng gây nhiễu cho nhau o Tự nhiễu bởi đặc tính truyền đa đường (multi-path fading) ü Băng thông và tốc độ truyền thấp hơn o Thông thường tốc độ truyền của mạng không dây chậm hơn và không ổn định so với mạng có dây, dẫn đến độ trễ và biến động trễ (jitter) cao hơn. Đây là nguyên nhân làm giảm chất lượng dịch vụ. ü Các điều kiện mạng biến đổi cao và thất thường
12 o Tỉ lệ mất mát dữ liệu cao hơn do nhiễu o Việc di chuyển của người dùng dẫn đến việc bị ngắt kết nối thường xuyên o Sự thay đổi kênh khi những người dùng di chuyển vòng quanh o Năng lượng nhận được giảm dần theo khoảng cách ü Các tài nguyên tính toán và năng lượng bị hạn chế. o Sức mạnh tính toán, bộ nhớ, kích thước ổ đĩa, dung lượng pin bị hạn chế cũng như việc giới hạn kích cỡ thiết bị, trọng lượng và chi phí. o Sự hạn chế của các tần số với các quy định khắt khe o Sự khan hiếm và đắt của phổ o Giới hạn kích cỡ thiết bị dẫn tới việc các kết quả bị giới hạn trong giao diện người dùng và màn hình ü Độ bao phủ dịch vụ bị hạn chế o Do việc giới hạn công suất phát của thiết bị mạng dẫn đến khoảng cách truyền bị hạn chế, việc thực thi dịch vụ trong mạng không dây phải đối mặt với nhiều ràng buộc và chịu nhiều thách thức hơn so với mạng có dây. ü Thực hiện bảo mật khó hơn o Do giao diện sóng vô tuyến là có thể bị truy cập bởi bất kỳ người nào trong phạm vi phủ sóng của thiết bị phát, đảm bảo an ninh mạng không dây là khó thực thi hơn. Hiện nay có nhiều kiểu mạng không dây tồn tại và có thể được phân loại theo nhiều cách đa dạng phụ thuộc vào tiêu chuẩn được lựa chọn cho việc phân loại. 2.1.1. Phân loại theo định dạng và kiến trúc mạng Các mạng không dây có thể được chia thành hai kiểu lớn dựa trên cách làm thế nào mạng được khởi tạo và kiến trúc mạng bên dưới. Người ta có thể phân loại thành: ü Mạng dựa trên cơ sở hạ tầng: Mạng dựa trên cơ sở hạ tầng được tạo bởi các nút mạng có kết nối không dây, có thể di động, chúng truyền thông với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua một nút thuộc mạng có dây (nút cố định), nút này đồng thời đóng vai trò nút cổng, qua đó các nút mạng không dây có thể kết nối với các máy tính trong mạng có dây và Internet. Lấy ví dụ mạng gồm một số nút di động không dây kết nối với một hoặc một vài AP (Access Point), các AP này có thể kết nối với mạng LAN có dây và Internet. WLAN thuộc kiểu này. ü Mạng không có cơ sở hạ tầng (MANET): Trong trường hợp này mạng được tạo một cách động thông qua việc kết hợp của một tập tùy ý các nút độc lập. Không có sự sắp xếp trước bất chấp vai trò xác định của mỗi nút. Thay vì đó, mỗi nút đưa ra quyết định một cách độc lập dựa trên tình huống mạng không cần sử dụng cơ sở hạ tầng mạng tồn tại trước. Lấy ví dụ, hai chiếc máy tính được trang bị với cạc mạng không dây có thể thiết lập mạng độc lập mỗi khi chúng nằm
13 trong phạm vi của thiết bị kia. Trong mạng MANET, mỗi nút thực hiện chức năng tương đương với một bộ định tuyến, cộng tác với các nút khác để thực hiện việc phát hiện và bảo đảm các tuyến tới các nút trong mạng. 2.1.2. Phân loại theo phạm vi bao phủ truyền thông Giống như các mạng có dây, các mạng không dây có thể được phân loại thành các kiểu khác nhau dựa trên khoảng cách mà dữ liệu được truyền, bao gồm: ü WWAN (Wireless Wide Area Network): Là mạng WAN không dây dựa trên cơ sở hạ tầng bao gồm MSCs và trạm BS,… làm việc để cho phép các người dùng thiết lập các kết nối không dây sử dụng sóng vô tuyến thay vì cáp đồng truyền thống. Các kết nối này có thể được tạo ra trên các phạm vi địa lý lớn, thậm chí bao trùm các thành phố hoặc các nước bằng việc sử dụng nhiều trạm BS hoặc hệ thống truyền thông vệ tinh. Các mạng máy tính dựa trên các mạng viễn thông kiểu tế bào (CDMA hoặc GSM) và các hệ thống vệ tinh là những ví dụ điển hình về các mạng WWAN. ü WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Là các mạng không dây cố định cỡ thành phố, có cơ sở hạ tầng, cho phép người dùng thiết lập các kết nối không dây dải tần rộng giữa nhiều vị trí trong một vùng dân cư ví dụ như giữa nhiều tòa nhà, văn phòng trong một thành phố hoặc trong khuôn viên của trường đại học mà không phải trả chi phí cao cho việc chạy cáp quang hoặc cáp đồng. Ngoài ra, mạng WMAN có thể dùng làm mạng dự phòng cho các mạng có dây khi các mạng có dây không khả dụng. Cả sóng vô tuyến và ánh sáng hồng ngoại có thể được sử dụng trong WMAN để truyền dữ liệu. Tổ chức IEEE có một tập các chuẩn về WMAN trong IEEE 802.16 và khuyến nghị sử dụng trong thực tế để hỗ trợ việc phát triển và triển khai mạng WMAN băng thông rộng. ü WLAN (Wireless Local Area Network): Là mạng LAN sử dụng đường truyền không dây để liên kết các thiết bị, các thiết bị thường truyền thông với nhau thông qua điểm truy cập – AP (Access Point), phương pháp truy cập đường truyền thường là CSMA/CA với tầng vật lý sử dụng phương pháp trải phổ hoặc OFDM. Điều này cho phép người dùng di động có thể di chuyển xung quanh AP trong phạm vi phủ sóng của nó mà vẫn duy trì được kết nối mạng. WLAN ngày càng trở nên phổ biến ở các hộ gia đình bởi việc cài đặt dễ dàng và sự phổ biến của các máy tính xách tay. ü WPAN (Wireless Personal Area Network): Là mạng không dây cá nhân được tạo bởi sự kết nối vô tuyến giữa các thiết bị không dây như PDA, điện thoại di động hay máy tính cá nhân… trong phạm vi ngắn. WPAN có tầm phủ sóng ngắn thông thường trong phạm vi 10m. Hai công nghệ WPAN chính là Bluetooth và ánh sáng hồng ngoại. Bluetooth là công nghệ sử dụng sóng vô tuyến thay thế cáp để truyền dữ liệu trong khoảng cách 9-10m. Công nghệ truyền hồng ngoại có thể kết nối các thiết bị trong phạm vi 1m. WPAN đang
14 được thúc đẩy phát triển mạnh mẽ bởi độ phức tạp thấp, tiêu thụ ít năng lượng và tương thích với các mạng 802.11 [15]. 2.1.3. Phân loại theo công nghệ truy cập đường truyền Phụ thuộc vào các chuẩn xác định (tần số, phương pháp truyền sóng và điều khiển truy cập đường truyền… ) các mạng không dây có thể được phân loại như sau: ü Các mạng GSM ü Các mạng TDMA ü Các mạng CDMA ü Các mạng vệ tinh ü Các mạng Wi-fi (802.11) ü Các mạng Hyperlan2 ü Các mạng bluetooth ü Các mạng hồng ngoại 2.1.4. Phân loại theo các ứng dụng mạng Các mạng không dây cũng có thể được phân loại dựa trên đối tượng sử dụng mạng và các ứng dụng mà mạng cung cấp, ví dụ: ü Các mạng doanh nghiệp ü Các mạng gia đình ü Các mạng quân sự ü Các mạng cảm biến ü Các mạng xe cộ tự động 2.2. Mạng LAN không dây (WLAN) 2.2.1. Khái niệm về WLAN Các mạng cục bộ không dây cho phép người dùng thiết lập các kết nối không dây giữa các thiết bị trong một vùng nhỏ, thông thường thuộc một tổ chức hay trong một tòa nhà, hoặc trong một không gian công cộng như sân bay, sân ga. WLAN có thể được sử dụng trong các không gian cần kết nối mạng tạm thời, hoặc tại những nơi trong đó việc chạy cáp là không được phép hoặc khó thực hiện. WLAN thường là phần mở rộng của mạng LAN có dây hoặc của mạng Internet để hỗ trợ cho người dùng có thể làm việc ở nhiều vị trí khác nhau. Các văn phòng, hộ gia đình, cửa hàng cà phê hay các sân bay thường là các điểm nóng cho việc cài đặt WLAN. Hình 1 là ví dụ minh họa về mạng WLAN.
15 Hình 1. Ví dụ về mạng WLAN WLAN có thể vận hành trong chế độ có cơ sở hạ tầng hoặc MANET. Trong chế độ có cơ sở hạ tầng, các trạm không dây kết nối tới các điểm truy cập không dây (AP) có chức năng như là cầu nối các trạm không dây với nhau và kết nối chúng với mạng LAN hoặc Internet. Một số AP kết nối với một mạng LAN có vai trò như là xương sống mạng WLAN. Trong chế độ MANET, nhiều trạm không dây trong một khu vực hạn chế có thể cộng tác với nhau để tạo ra một mạng tạm thời mà không cần sử dụng các AP, nếu chúng không yêu cầu truy cập vào các tài nguyên mạng. Các mạng WLAN ngày nay nói chung đều theo chuẩn 802.11. Theo chuẩn con 802.11a và 802.11b, việc truyền dữ liệu có thể đạt tới tốc độ từ 11Mbps tới 54Mbps. Mạng WLAN ra đời với rất nhiều ưu điểm đáng kể như sau: ü Sự tiện lợi: Mạng không dây cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai (tòa nhà hay văn phòng). Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay và thiết bị di động thì đó là một điều rất thuận lợi. ü Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có có thể truy cập Internet ở bất kỳ đâu. ü Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác. ü Triển khai nhanh, dễ và chi phí thấp: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần tối thiểu một điểm truy cập. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.
16 ü Khả năng mở rộng dễ dàng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng người dùng. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp. Bên cạnh những ưu điểm mà WLAN có được, nó cũng tồn tại những nhược điểm như sau: ü Bảo mật khó khăn hơn: Do môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công là rất cao. ü Phạm vi nhỏ hơn: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong một căn nhà, nhưng với một tòa nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm bộ lặp hay điểm truy cập, dẫn đến chi phí gia tăng. ü Độ tin cậy thấp hơn: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò vi sóng chẳng hạn) là không tránh khỏi và làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng. ü Tốc độ thấp hơn: Tốc độ của mạng không dây (1- 125 Mbps) chậm hơn so với mạng sử dụng cáp (100Mbps đến hàng Gbps). 2.2.2. Lịch sử ra đời mạng WLAN [22] Công nghệ WLAN xuất hiện lần đầu tiên vào cuối những năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm của họ hoạt động trong băng tần 900MHz. Những giải pháp được áp dụng trong các sản phẩm này (không được thống nhất giữa những nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng LAN sử dụng cáp hiện thời. Sau đó không lâu, vào năm 1992, các 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 sử dụng những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất và không được công bố rộng rãi. Nhu cầu cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dải tần số khác nhau dẫn đến việc một số tổ chức bắt đầu phối hợp xây dựng và phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung. Kết quả là vào năm 1997, tổ chức 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, tổ chức IEEE đã thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a và 802.11b, chúng định nghĩa những phương pháp truyền tín hiệu mới nhờ đó 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. Mục đích của việc tạo ra chuẩn IEEE 802.11b là để đáp ứng những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng và mức độ bảo mật ngang với mạng có dây. Vào năm 2003, tổ chức IEEE công bố thêm một sự cải tiến đó là chuẩn 802.11g, theo chuẩn này có thể truyền nhận thông tin ở cả hai dải tần số 2.4GHz và
17 5GHz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps. Ngoài ra, những sản phẩm áp dụng chuẩn 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị theo chuẩn 802.11b. Ngày nay, chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ trong khoảng 108Mbps- 300Mbps. 2.2.3. Giao thức tầng con MAC trong WLAN [12] Điểm nổi bật của mạng WLAN là giao thức tầng con MAC CSMA/CA điều khiển truy cập đường truyền chung không dây sử dụng sóng radio. Giống như mạng LAN có dây (mạng Ethernet), WLAN cũng sử dụng đa truy cập có cảm nhận sóng mang (CSMA) để điều khiển truy cập môi trường truyền. Trong mạng Ethernet, việc sử dụng thêm cơ chế phát hiện xung đột CD (Collision Detect) là hiệu quả và khả thi nhờ việc sử dụng phần cứng. Kết quả là các trạm có thể phát hiện ra xung đột trong quá trình đang truyền dữ liệu. Giao thức CSMA/CD có thể được mô tả một cách đơn giản như sau, nếu một trạm muốn truyền gói tin, nó sẽ lắng nghe xem trên đường truyền có sóng mang (carrier) hay không. Nếu đường truyền rỗi nó thực hiện truyền một gói tin. Ngược lại, nếu đường truyền bận (đang được sử dụng), nó sẽ tiếp tục lắng nghe cho đến khi đường truyền rỗi thì truyền gói tin đi với một xác suất nhất định. Ngoài ra trong quá trình truyền thì trạm vẫn lắng nghe để đảm bảo phát hiện được xung đột đối với gói tin đang truyền. Nếu phát hiện thấy có xung đột, trạm sẽ dừng ngay việc truyền trong một khoảng thời gian trước khi tiếp tục nghe đường truyền theo thuật toán như trên. Tuy nhiên với mạng WLAN, không thể sử dụng giao thức CSMA/CD do các đặc tính truyền sóng trong không khí của mạng WLAN khác rất nhiều so với truyền sóng trong cáp đồng, dẫn tới các hiện tượng không mong muốn được mô tả sau đây. ü Hiện tượng đầu cuối ẩn (Hidden Terminal) Hiện tượng đầu cuối ẩn được minh họa trên hình 2. Giả sử trạm 2 nằm trong vùng phủ sóng của trạm 1 và 3. Hai trạm 1 và 3 không nằm trong vùng phủ sóng của nhau. Nếu trạm 1 truyền gói tin dữ liệu cho trạm 2, do trạm 3 không nằm trong vùng phủ sóng của trạm 1 nên trạm 3 không cảm nhận được sóng mang của trạm 1. Do đó, nếu trạm 3 truyền dữ liệu cho trạm 2 thì dẫn đến việc xung đột tại trạm 2. Hình 2. Hiện tượng đầu cuối ẩn ü Hiện tượng đầu cuối lộ (Exposed Terminal) Hiện tượng đầu cuối lộ được minh họa trên hình 3. Giả sử trạm 2 muốn truyền dữ liệu cho trạm 1, trong lúc đó trạm 3 muốn truyền dữ liệu cho trạm 4 nhưng do trạm
18 3 cảm nhận sóng mang thấy đường truyền đang bận nên không truyền trong khi nó có thể truyền dữ liệu cho trạm 4 mà không gây ra xung đột tại trạm 1. Hình 3. Hiện tượng đầu cuối lộ Để khắc phục các đặc điểm nêu trên, trong WLAN sử dụng cơ chế đa truy cập sử dụng sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA) với việc sử dụng gói tin biên nhận ACK. Khi một trạm muốn truyền dữ liệu, nó lắng nghe xem kênh truyền có bận hay không (đây chính là thực hiện chức năng CS). Có hai kiểu chức năng cảm nhận sóng mang trong WLAN bao gồm chức năng cảm nhận sóng mang vật lý và cảm nhận sóng mang ảo NAV (Network Allocation Vector). Nếu cả 2 chức năng cảm nhận sóng mang đều cho biết môi trường truyền là bận, tầng MAC sẽ báo cáo cho các tầng cao hơn biết việc môi trường truyền bận. NAV là một bộ định thời cho biết khoảng thời gian mà môi trường truyền sẽ được đặt trước. Phần lớn các khung theo chuẩn 802.11 chứa trường duration được sử dụng để đặt trước việc sử dụng môi trường truyền một khoảng thời gian xác định. Các trạm thiết lập giá trị NAV là thời gian chúng mong muốn sử dụng đường truyền và tiến hành đếm ngược từ giá trị NAV tới 0. Khi giá trị NAV khác không, chức năng cảm nhận sóng mang ảo cho biết môi trường là bận, ngược lại khi giá trị NAV tới 0, môi trường truyền là rỗi. Khi quá trình CS hoàn thành, nếu kênh truyền rỗi, trạm chỉ phải chờ một khoảng thời gian DIFS (DCF Interframe Space) - thời gian nhỏ nhất mà các nút mạng phải chờ trước khi sử dụng kênh truyền để truyền một gói tin dữ liệu (đây chính là thực hiện chức năng MA). Trong trường hợp ngược lại, với kênh truyền bận thì trạm phải đợi một khoảng thời gian DIFS cộng thêm khoảng trễ ngẫu nhiên gọi là “back-off time” rồi lặp lại việc lắng nghe đường truyền để tránh việc xảy ra đụng độ. Sau khoảng thời gian ngắn nhất DIFS tiếp theo, nếu môi trường rảnh rỗi thì giá trị back-off của trạm giảm đi một đơn vị. Nếu môi trường vẫn bận thì giá trị back-off này được giữ nguyên cho lần DIFS kế tiếp. Khi giá trị back-off giảm về không thì trạm có thể sử dụng đường truyền (đây chính là thực hiện chức năng CA). Tránh xung đột (CA) trong giao thức CSMA/CA sử dụng chức năng cộng phân tán DCF hoặc chức năng điều khiển tập trung PCF * Chức năng cộng phân tán DCF (Distributed Coordination Function) Chức năng cộng phân tán DCF được thực thi trong giao thức CSMA/CA với thuật toán trì hoãn (back-off) việc truyền gói tin một khoảng thời gian tăng theo hàm mũ cơ số 2 của số lần phát hiện thấy đường truyền bận. DCF yêu cầu mỗi trạm muốn truyền phải lắng nghe trạng thái kênh truyền trong khoảng thời gian DIFS. Nếu kênh
19 truyền là bận trong suốt khoảng DIFS, trạm sẽ trì hoãn việc truyền của nó. Với mạng có nhiều trạm tranh chấp môi trường truyền không dây, nếu các trạm đều cảm nhận kênh truyền bận và trì hoãn việc truy cập của chúng một khoảng thời gian giống nhau, tất cả các trạm hầu như cùng lúc phát hiện thấy kênh truyền được giải phóng và cố gắng để chiếm giữ kênh truyền. Kết quả là xung đột sẽ thể xảy ra. Để tránh vấn đề xung đột này, DCF xác định giá trị back-off ngẫu nhiên áp dụng cho trạm để trì hoãn thêm việc truy cập của nó với đường truyền. Độ dài của chu kỳ back-off được xác định bởi công thức: BackoffTime = random() x aSlotTime Sau mỗi khoảng thời gian DIFS thì giá trị back-off ngẫu nhiên sẽ giảm đi một đơn vị nếu đường truyền rỗi. Đến khi giá trị back-off giảm về không thì trạm có thể sử dụng đường truyền. Tuy nhiên, trong trường hợp có một trạm khác vẫn đang sử dụng đường truyền trước khi giá trị back-off giảm về không thì trạm vẫn giữ giá trị đó cho lần DIFS tiếp theo. Chức năng cộng phân tán có sử dụng gói tin biên nhận ACK tại bên nhận để thông báo đã nhận được gói tin thành công. Để làm được điều đó, bên nhận dữ liệu phải chiếm được đường truyền. Để gói tin biên nhận ACK không phải tranh chấp đường truyền và được truyền ngay, quá trình truyền ACK bỏ qua thuật toán back-off ngẫu nhiên và chỉ phải đợi một khoảng thời gian SIFS (Short Interframe Space) nhỏ hơn DIFS. Giao thức CSMA/CA không loại bỏ được hiện tượng xung đột. Việc sử dụng gói tin ACK giúp bên gửi biết được việc gửi gói tin có thành công hay không, nghĩa là gián tiếp xác định được xung đột. Tuy nhiên, việc sử dụng CSMA/CA + ACK không khắc phục được các hiện tượng đầu cuối ẩn và đầu cuối lộ. Để khắc phục được các hiện tượng nói trên, người ta đã đề xuất việc sử dụng thêm các gói tin điều khiển RTS và CTS. ü DCF sử dụng gói tin điều khiển RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) Gói tin điều khiển RTS chứa địa chỉ của trạm nhận và thời gian truyền dữ liệu cần thiết. Khi trạm nhận nhận được gói tin RTS, nó sẽ đợi khoảng thời gian SIFS và gửi lại gói tin CTS. Khi trạm gửi nhận được gói tin CTS, nó chờ khoảng thời gian SIFS sau đó bắt đầu truyền dữ liệu và đợi gói tin biên nhận ACK. Áp dụng hai kiểu gói tin này vào việc giải quyết hiện tượng đầu cuối ẩn và đầu cuối lộ như sau. Với hiện tượng đầu cuối ẩn, khi trạm 1 truyền quảng bá gói tin cho trạm 2, do trạm 3 nằm ngoài vùng phủ sóng của trạm 1 nên không cảm nhận được sóng mang và cho rằng đường truyền vẫn rỗi. Trạm 2 nhận được gói tin RTS sẽ tiến hành gửi lại gói tin CTS. Do trạm 3 nằm trong vùng phủ sóng của trạm 2 nên khi nhận được gói tin CTS biết là đường truyền đang bận nên không gửi gói tin cho trạm 2. Hình 4 minh họa việc giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn với gói tin điều khiển RTS/CTS.