Luận văn Khảo sát mạng LAN với các phần mở rộng không dây
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
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
Chuyên ngành
Mã số
: Công nghệ thông tin
: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
: 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
CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU...........................................................................................7
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
1.2.1. Đặc điểm của đường truyền không dây ........................................................11
1.3. Mục đích nghiên cứu của luận văn. ....................................................................19
2.2.2. Giao thức CSMA/CA....................................................................................24
2.2.3. Giao thức CSMA/CA + ACK .......................................................................25
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-
4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2...................................................................54
4.1.1. Mô phỏng mạng LAN...................................................................................57
4.1.2. Mô phỏng WLAN .........................................................................................59
-3-
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AES
AODV
AP
Advanced Encryption Standard
Ad hoc On-Demand Distance Vector
Access Point
BER
BSSs
CBR
CS
Bit Error Ratio
Independent Basic Service Sets
Constant Bit Rate
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
DFS
Distributed Co-ordination Function
Dynamic Frequency Selection
Distributed Co-ordinate Function Interframe Space
Destination-Sequenced Distance-Vector
Dynamic Source Routing
DIFS
DSDV
DSR
DSSS
E-mail
ESSs
FHSS
FTP
Direct Sequence Spread Spectrum
Electronic Mail
Extended Service Sets
Frequency Hopping Spread Spectrum
File Transfer Protocol
IAPP
IEEE
IFS
Inter-AP Protocol
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Interframe Spacing
ISDN
ISM
Integrated Services Digital Network
Industrial, Scientific and Medical
Local Area Network
LAN
MAC
MAN
Medium Access Control
Metropolitan Area Network
-4-
Modem
NAM
NS2
modulator and demodulator
Network Animator
Network Simulator
AODV
OFDM
Otcl
Adhoc On-demand Distance Vector
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Object Oriented Tool Command Language
Point Co-ordination Function
Point Co-ordination Function Interframe Space
Power Saving Mode
PCF
PIFS
PSM
QoS
Quality of Service
REAL
RTP
Realistic and Large
Real-time Transport Protocol
Request To Send
RTS
RTT
Round Trip Time
SIFS
Short Inter-Frame Space
SW
Switch
TCP/IP
TELNET
TORA
TPC
Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TELecommunication NETwork
Temporally ordered Routing Algorithm
Transmission Power Control
User Datagram Protocol
UDP
UNII
VBR
Unlicensed National Information Infrastructure
Variable Bit Rate
WAN
WEP
WIFI
WLAN
WWW
Wide Area Network
Wired Equivalent Privacy
Wireless Fidelity
Wireless Local Area Network
World Wide Web
-5-
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.2: Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái..........................................................15
Hình 2.1: Điều khiển truy nhập CSMA ..............................................................21
Hình 2.3: Trạm C bị lộ đối với trạm B.................................................................23
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 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b.........................................................36
Hình 3.1: Mô hình Split Connection....................................................................46
Hình 3.3: Tiến trình xử lý ACK ...........................................................................49
Hình 3.5: Mô hình kết nối M-TCP.......................................................................51
Hình 4.6: Lược đồ của một mobile node chuẩn 802.11 của Monarch trong NS.
..............................................................................Error! Bookmark not defined.
-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
mạng liên khu vực (Wide Area Network - WAN) đầu tiên được xây dựng.
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-
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.
mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET. Nhiều doanh
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
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.
B ăng 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
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
Yes
Busy?
p<1
No
p=1
Wait
Send
Send
1-persistent
Yes
none-persistent
Conflict?
No
End
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
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
B
C
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.
B
C
A
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.
Tải về để xem bản đầy đủ
82 trang
21/05/2025
10
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Khảo sát mạng LAN với các phần mở rộng không dây", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_khao_sat_mang_lan_voi_cac_phan_mo_rong_khong_day.pdf
