LUẬN VĂN:KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY

Chia sẻ: Sunflower Sunflower_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

158
lượt xem 49
download

LUẬN VĂN:KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN:KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY

-1- 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 Hà Nội – 2010
-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 s ố : 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: πG là xác suất phân bố trạng thái tốt Trong đó: 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.