khảo sát mạng lan với các phần mở rộng không dây

-1- Hà Nội – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SỸ -2- ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số : 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội – 2010 -1- MỤC LỤC MỞ ĐẦU 6 U CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU 7 U 1.1. Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính 7 1.1.1. Sự ra đời của các mạng LAN (có dây) 7 1.1.2. Sự ra đời của mạng Internet 7 1.1.3. Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN 8 1.2. Đường truyền không dây và các vấn đề phải giải quyết 11 1.2.1. Đặc điểm của đường truyền không dây 11 1.2.2. Cơ chế điều khiển lưu lượng và phản ứng sai lầm của TCP 19 1.3. Mục đích nghiên cứu của luận văn. 19 CHƯƠNG 2 - MẠNG WLAN VÀ VIỆC KẾT NỐI VỚI INTERNET 21 2.1. Giao thức MAC của mạng LAN - CSMA/CD 21 2.2. Giao thức MAC của mạng WLAN - CSMA/CA 23 2.2.1. CSMA/CD không thể sử dụng cho mạng WLAN 23 2.2.2. Giao thức CSMA/CA 24 2.2.3. Giao thức CSMA/CA + ACK 25 2.2.4. Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS 26 2.3. Chức năng DCF, PCF 27 2.3.1. Chức năng cộng tác phân tán - DCF 27 2.3.2. Chức năng cộng tác tập trung - PCF 28 2.3.3. Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS 29 2.4. Kết nối WLAN với Internet 31 2.4.1. Chức năng của AP 31 2.4.2. Các mô hình kết nối 33 2.4.3. AP và kênh truyền sóng 35 2.4.4. Vấn đề nút mạng di động. 37 CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN TCP CHO MẠNG HỖN HỢP 43 3.1. Giao thức TCP/IP đối với mạng có đường truyền không dây 43 3.2. Các tiêu chí đánh giá giao thức mạng 44 -2- 3.3. Một số giao thức cải tiến TCP dùng cho mạng hỗn hợp 46 3.3.1. Split TCP 46 3.3.2. Snoop TCP 47 3.3.3. M-TCP 51 CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN TRONG MẠNG CÓ PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY 53 4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 54 4.1.1. Mô phỏng mạng LAN 57 4.1.2. Mô phỏng WLAN 59 4.2. Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng LAN 68 4.3. Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng hỗn hợp 72 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 -3- CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AES Advanced Encryption Standard AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector AP Access Point BER Bit Error Ratio BSSs Independent Basic Service Sets CBR Constant Bit Rate CS Carrier Sense CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect CTS Clear To Send DCF Distributed Co-ordination Function DFS Dynamic Frequency Selection DIFS Distributed Co-ordinate Function Interframe Space DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum E-mail Electronic Mail ESSs Extended Service Sets FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FTP File Transfer Protocol IAPP Inter-AP Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFS Interframe Spacing ISDN Integrated Services Digital Network ISM Industrial, Scientific and Medical LAN Local Area Network MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network -4- Modem modulator and demodulator NAM Network Animator NS2 Network Simulator AODV Adhoc On-demand Distance Vector OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Otcl Object Oriented Tool Command Language PCF Point Co-ordination Function PIFS Point Co-ordination Function Interframe Space PSM Power Saving Mode QoS Quality of Service REAL Realistic and Large RTP Real-time Transport Protocol RTS Request To Send RTT Round Trip Time SIFS Short Inter-Frame Space SW Switch TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TELNET TELecommunication NETwork TORA Temporally ordered Routing Algorithm TPC Transmission Power Control UDP User Datagram Protocol UNII Unlicensed National Information Infrastructure VBR Variable Bit Rate WAN Wide Area Network WEP Wired Equivalent Privacy WIFI Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network WWW World Wide Web -5- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chế độ tiết kiệm năng lượng ở 802.11 14 Hình 1.2: Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái 15 Hình 2.1: Điều khiển truy nhập CSMA 21 Hình 2.2: Trạm A và C được xem là "ẩn" đối với nhau 23 Hình 2.3: Trạm C bị lộ đối với trạm B 23 Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK 25 Hình 2.5: CSMA/CA sử dụng RTS/CTS và ACK 26 Hình 2.6: Mô hình RTS/CTS 27 Hình 2.7: Mô hình Root mode 32 Hình 2.8: Mô hình AP ở chế độ Bridge mode 32 Hình 2.9: Mô hình AP ở chế độ Repeater mode 32 Hình 2.10: Mô hình mạng Ad-hoc 33 Hình 2.11: Mô hình mạng cơ sở 34 Hình 2.12: Mô hình mạng mở rộng 34 Hình 2.13: Mô tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g 35 Hình 2.14: Minh họa phổ tín hiệu 802.11b 35 Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b 36 Hình 2.16: Không xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b 36 Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp 37 Hình 2.18: Phạm vi phủ sóng của các AP chồng lên nhau. 38 Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền 39 Hình 2.20: MH di chuyển từ AP1 sang AP2 khác kênh truyền 39 Hình 3.1: Mô hình Split Connection 46 Hình 3.2: Tiến trình xử lý dữ liệu từ FH đến MH 48 Hình 3.3: Tiến trình xử lý ACK 49 Hình 3.4: MH chỉ trao đổi gói tin với Primary AP 50 Hình 3.5: Mô hình kết nối M-TCP 51 Hình 4.1: Ánh xạ trong cùng đối tượng giữa C++ và OTCL 55 Hình 4.2: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng 55 Hình 4.3: Luồng các sự kiện mô phỏng được kết xuất ra file 57 Hình 4.4: Minh họa ngăn xếp mạng dùng cho LAN 58 Hình 4.5: Thực tế kết nối và thể hiện định tuyến trên NS2 59 Hình 4.6: Lược đồ của một mobile node chuẩn 802.11 của Monarch trong NS. Error! Bookmark not defined. Hình 4.7: Các vị trí chèn lỗi khi mô phỏng mạng không dây 67 Hình 4.8: Mô hình khảo sát mạng LAN 68 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng TCP trong mạng LAN 71 Hình 4.10: Tôpô mạng hỗn hợp WLAN + Internet khi truyền TCP, UDP 72 -6- MỞ ĐẦU Mạng LAN nói chung (LAN có dây) có đặc điểm là tốc độ cao, tỉ suất lỗi gói tin nhỏ, độ trễ của các gói tin truyền trong mạng nhỏ và thăng giáng độ trễ (jitter) không quá lớn. Ngày nay việc kết nối các mạng LAN không dây (WLAN) với mạng LAN có dây ngày càng trở nên phổ biến, các ứng dụng về mạng hỗn hợp hai loại truyền thông này đã mang lại cho cho xã hội thêm những mô hình kết nối mới đầy hiệu quả. Tuy nhiên, mạng WLAN có nhiều đặc điểm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất truyền thông, do đặc tính nhiều lỗi của đường truyền cũng như tính có thể di động của nút mạng. Khi kết nối LAN với WLAN, mạng tạo thành là hỗn hợp, nảy sinh nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất truyền thông. Chính vì lý do đó, tôi đã lựa chọn đề tài "Khảo sát mạng LAN với các phần mở rộng không dây" để nghiên cứu. Để thực hiện những nội dung nghiên cứu trên, luận văn của tôi gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận. Nội dung của các chương được tóm tắt như sau: Chương 1: Tìm hiểu lịch sử các mạng LAN, WLAN, Internet; đặc điểm của đường truyền không dây và các vấn đề cần giải quyết; tóm tắt một số nghiên cứu theo hướng cải tiến giao thức TCP để phù hợp với mạng hỗn hợp. Trên các cơ sở đó để xác định mục tiêu của đề tài. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về mạng WLAN và các vấn đề liên quan đến hiệu suất truyền thông khi kết nối với Internet; nghiên cứu vấn đề nút mạng di động trong một hay nhiều vùng phủ sóng của 1 hay nhiều AP. Chương 3: Tìm hiểu, đánh giá một số cải tiến TCP cho mạng có đường truyền không dây, làm tiền đề cho những nghiên cứu của tôi theo hướng này. Chương 4: Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến mô phỏng mạng LAN, WLAN trong NS2; viết chương trình mô phỏng và phân tích kết quả một số thí nghiệm về các nút trong mạng hỗn hợp LAN và WLAN khi truyền ở hai hình thức TCP và UDP. Để hoàn thiện luận văn này, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS.TS Nguyễn Đình Việt – là người đã giảng dạy và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. -7- CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU 1.1. Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính 1.1.1. Sự ra đời của các mạng LAN (có dây) Vào thời gian trước khi những máy tính cá nhân xuất hiện, một máy tính trung tâm chiếm trọn 1 căn phòng, người dùng truy nhập máy tính trung tâm thông qua thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung tâm bằng cáp truyền dữ liệu tốc độ thấp. Cuối những năm 60, do nhu cầu tăng tốc độ truyền, phòng thì nghiệm Lawrence Berkeley thuộc bộ năng lượng Mỹ đã nghiên cứu và đưa ra báo cáo chi tiết vào năm 1970 về mạng lưới máy tính. Mạng cục bộ LAN đầu tiên đã được tạo ra vào cuối những năm 1970 thông qua cáp truyền tốc độ cao giữa vài máy tính trung tâm lớn đặt cùng một chỗ. Các nhà phát triển hệ điều hành cho mạng này bắt đầu cạnh tranh nhau trong đó Ethernet và ARCNET được biết đến nhiều nhất. Ethernet được Xerox PARC phát triển trong giai đoạn 1973-1975 và đã được cấp bằng sáng chế năm 1976 sau khi hệ thống này đã được triển khai tại PARC đồng thời Metcalfe và Boggs xuất bản bài báo "Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks" mở ra một hướng đi rõ ràng hơn cho mạng LAN. ARCNET được phát triển bởi công ty Datapoint năm 1976, tháng 12 năm 1977 nó được áp dụng cho ngân hàng Chase Manhattan ở New York. Như vậy, năm 1977, công ty Datapoint đã bắt đầu bán hệ điều hành mạng của mình là "Attached Resource Computer Network" (hay gọi tắt là Arcnet) ra thị trường. Mạng Arcnet cho phép liên kết các máy tính và các trạm đầu cuối lại bằng dây cáp mạng. Arcnet đã trở thành hệ điều hành mạng LAN đầu tiên. [23], [24] 1.1.2. Sự ra đời của mạng Internet Tiền thân của mạng Internet ngày nay là mạng ARPANET, đó chính là mạng liên khu vực (Wide Area Network - WAN) đầu tiên được xây dựng. ARPANET thuộc bộ quốc phòng Mỹ liên kết 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học California, Santa Barbara. Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974, lúc đó mạng vẫn được gọi là ARPANET. Đến năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức được coi như một chuẩn đối với lĩnh vực quân sự Mỹ. Mạng ARPANET và giao thức TCP/IP đã trở thành dấu mốc cho mạng Internet ra đời. -8- Năm 1984, ARPANET được chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn được gọi là ARPANET, dành cho việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai được gọi là MILNET, là mạng dùng cho các mục đích quân sự. Vào giữa thập niên 1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET. Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET không còn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990. Sự hình thành mạng xương sống của NSFNET và những mạng vùng khác đã tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của Internet. Tới năm 1995, NSFNET thu lại thành một mạng nghiên cứu còn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển. Internet được xem là mạng của các mạng mà thực chất là mạng của các mạng LAN thông qua các mạng WAN hoặc các mạng truyền thông khác. Các quốc gia có kết nối mạng Internet toàn cầu thường xây dựng mạng đường trục tốc độ cao, là một hệ thống mạng liên kết có tốc độ truyền cực cao so với tốc độ truyền của hệ thống mạng thông thường. Ngày nay, Internet đã trở thành mạng máy tính toàn cầu, xuất hiện trong mọi lĩnh vực thương mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội , Mạng được kết nối với nhau dựa trên bộ giao thức trao đổi số liệu TCP/IP, đó là ngôn ngữ chung để cho tất cả các máy tính khác nhau kết nối trên mạng có thể "nói chuyện" được với nhau. Các dịch vụ dựa trên nền tảng Internet ngày càng phát triển mạnh. Sản phẩm chính mà Internet cung cấp cho người dùng là thông tin. Thông tin thường ở dạng tệp lưu trữ trong các máy tính chủ, máy tính cung cấp dịch vụ, và có thể trình bày bằng nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào loại dịch vụ của Internet được sử dụng. Các dịch vụ trên Internet thường được tổ chức theo mô hình quan hệ Client - Server (khách - chủ) nhằm phân phối quá trình xử lý giữa máy tính của người sử dụng (client) và máy tính chủ (server). Một số dịch vụ chính hiện đang được sử dụng trên Internet như: WWW, Email, FTP, đăng nhập từ xa,… 1.1.3. Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz. [...]... 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... 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-... mode (là chế độ mặc định của mọi AP) Ở chế độ này, các AP được kết nối với phần có dây và có thể "nói chuyện" được với các MH khác hoặc nút mạng khác của phần có dây Các MH không dây có thể giao tiếp với các MH không dây khác nằm trong cell khác nhau thông qua AP tương ứng mà chúng kết nối vào, sau đó các AP này sẽ giao tiếp với nhau thông qua kết nối có dây -32- Hình 2.7: Mô hình Root mode Bridge mode... 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. .. 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... 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. .. 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... 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...-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... 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 . 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. " ;Khảo sát mạng LAN với các phần mở rộng không dây& quot; để nghiên cứu. Để thực hiện những nội dung nghiên cứu trên, luận văn của tôi gồm phần mở