TỔNG QUAN
Mạng không dây
Ngày nay, việc kết nối các thiết bị đầu cuối như máy tính, máy in và thiết bị cá nhân để chia sẻ tài nguyên và dữ liệu đã trở nên phổ biến Các thiết bị này được kết nối qua môi trường truyền dẫn, tạo thành mạng, và có thể chia thành hai loại: mạng có dây và mạng không dây Mạng có dây, kiểu mạng truyền thống, sử dụng cáp để kết nối các thiết bị, trong khi mạng không dây sử dụng tần số sóng vô tuyến, sóng hồng ngoại hoặc sóng vệ tinh Mạng không dây nổi bật với ưu điểm không cần dây cắm vật lý, dễ thi công ở những nơi không thể kéo cáp như sân bay hay nhà ga Điều này cũng giúp mạng không dây dễ dàng mở rộng bằng cách thiết lập thêm Access Point, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tăng cường phạm vi phủ sóng Mạng không dây bao gồm mạng số liệu không dây và mạng viễn thông không dây.
Có nhiều loại mạng dữ liệu không dây dựa trên công nghệ mạng tiếng nói, chẳng hạn như mạng điện thoại vô tuyến Các mạng như CPDP (Cellular Digital Packet Data), HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), PDP-C (Packet Data Cellular) và GPRS (General Packet Radio Service) là những ví dụ tiêu biểu Ngoài ra, một số mạng không dây khác sử dụng các kết nối ở lớp vật lý, với ăng-ten lắp đặt trong thiết bị cầm tay để giao tiếp với ăng-ten thu phát sóng tại các khu vực dân cư, điển hình là các mạng 802.11, LMDS (Local Multipoint Distribution Service) và MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service) Cuối cùng, mạng Bluetooth cho phép kết nối giữa các thiết bị nhỏ trong khoảng cách gần.
Các mạng không dây thường dựa vào các lớp thấp để thực hiện bảo mật và mã hoá, trong khi các mạng không dây độc lập có thể tự cung cấp tính năng bảo mật và mã hoá hoặc sử dụng mạng riêng ảo để đảm bảo các tính năng này.
Có hai loại mạng không dây: mạng cố định, nơi các thiết bị đầu cuối không thể di chuyển, và mạng di động, cho phép các thiết bị di chuyển liên tục mà vẫn duy trì kết nối Đặc điểm riêng biệt của từng loại mạng này quyết định khả năng di chuyển của các nút mạng Phần tiếp theo của chương sẽ đề cập đến vấn đề hỗ trợ di chuyển cho các nút mạng không dây.
Giao thức Mobile IP
Hỗ trợ các thiết bị di động kết nối Internet đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, đáp ứng nhu cầu của người dùng muốn tự do di chuyển trong vùng phủ sóng mạng không dây Mạng Internet được xây dựng trên giao thức TCP/IP, trong đó giao thức IP yêu cầu mỗi nút mạng phải có địa chỉ cố định khi truy cập Địa chỉ đích của gói tin xác định chặng tiếp theo của nó, trong khi các lớp cao hơn như TCP duy trì thông tin kết nối bao gồm địa chỉ nguồn, địa chỉ đích và số cổng của ứng dụng đang chạy.
Việc giải quyết bài toán di động theo giao thức IP thông thường gặp phải hai vấn đề mâu thuẫn: nút mạng phải thay đổi địa chỉ IP khi chuyển đổi điểm truy cập Internet, nhưng để duy trì kết nối TCP hiện tại, nó cần giữ nguyên địa chỉ IP đang sử dụng Sự thay đổi địa chỉ IP có thể dẫn đến việc ngắt kết nối Do đó, một thách thức lớn là làm thế nào để nút mạng có thể duy trì các phiên truyền dữ liệu ở tầng ứng dụng khi thay đổi điểm truy cập Internet Đây là một trong những vấn đề cần được khắc phục trong giao thức IP.
Mobile Internet Protocol (Mobile IP) là một sự mở rộng của giao thức IP, được IETF khuyến nghị và mô tả trong RFC 3344, nhằm giải quyết vấn đề kết nối Internet cho các thiết bị di động Mobile IP cho phép thiết bị di chuyển mà không cần thay đổi địa chỉ IP, giúp duy trì kết nối liên tục Do đó, Mobile IP được coi là giao thức kết nối toàn cầu.
Mobile IP có nhiều phiên bản mở rộng và phát triển khác nhau như: MIPv4, MIPv6, Fast MIP, Hierarchical MIP, Multiple CoA MIP, Proxy MIP, MobileNetwork Mobility (NEMO), Hawaii,
1.2.2 Các thành phần của Mobile IP
Theo RFC 3344, Mobile IP bao gồm một số thành phần sau:
Mobile Node: là một nút mạng có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác Mỗi
Mobile Node được gán hai địa chỉ IP: một địa chỉ cố định gọi là home address, do mạng nhà cung cấp, dùng để định danh đầu cuối liên kết; và một địa chỉ tạm thời gọi là care_of_address, chỉ ra vị trí hiện tại của Mobile Node Giữa hai địa chỉ này có cơ chế ánh xạ, được thực hiện bởi các router đặc biệt, thường được gọi là Mobility Agent.
Mobility Agent là Home Agent và Foreign Agent
Home Agent là một router trong mạng nhà của Mobile Node, có nhiệm vụ duy trì ánh xạ giữa địa chỉ IP cố định và địa chỉ IP tạm thời của các nút mạng trong bảng ánh xạ di chuyển Mỗi dòng trong bảng này bao gồm địa chỉ IP cố định, địa chỉ IP tạm thời và thời gian sống của kết nối Hình 1 minh họa bảng ánh xạ mà Home Agent lưu giữ giữa địa chỉ IP cố định và địa chỉ IP tạm thời.
Home Address Care-of-Address Life Time (in sec)
Hình 1 Bảng ánh xạ giữa IP cố định và IP tạm thời của các nút mạng
Foreign Agent là một loại router đặc biệt trong mạng khách, có nhiệm vụ lưu trữ danh sách các nút khách đang kết nối trong mạng của nó Mỗi mục trong danh sách này bao gồm các thông tin quan trọng như địa chỉ IP cố định của nút, địa chỉ IP của Home Agent, địa chỉ media và thời gian sống của kết nối Hình 2 minh họa chi tiết về danh sách các nút khách mà Foreign Agent quản lý.
Home Address Home Agent Address Media Address Life Time (in sec)
Hình 2 Danh sánh các nút khách
Thông thường, care-of-address là địa chỉ IP của Foreign Agent Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, địa chỉ care-of-address có thể được xác định thông qua các cơ chế cấp phát địa chỉ khác, được gọi là địa chỉ colocated care-of-address.
Trong Mobile IP, Correspondent Node là thành phần quan trọng, đại diện cho nút mạng đang kết nối và trao đổi thông tin với Mobile Node Nút này có thể là mạng di động hoặc không di động, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình truyền tải dữ liệu.
1.2.3 Cơ chế hoạt động của Mobile IP
Cơ chế hoạt động của Mobile IP được trình bày cụ thể trong RFC 3344 Có thể tóm tắt hoạt động của Mobile IP như sau
Khi một Mobile Node kết nối với mạng lần đầu, nó nhận được một địa chỉ IP cố định gọi là home address, sử dụng để gửi và nhận dữ liệu trong mạng nhà Mobile Node liên tục lắng nghe các bản tin quảng bá từ Mobility Agent, chứa thông tin về địa chỉ IP của Mobile Agent Điều này giúp Mobile Node xác định xem nó có đang ở trong mạng nhà hay không Nếu phát hiện ra ngoài mạng nhà, Mobile Node sẽ bắt đầu quá trình tìm kiếm đại diện tạm trú Foreign Agent.
Mobile Node có khả năng tự gửi thông điệp tìm kiếm đại diện tạm trú đến Mobility Agent mà không cần chờ đợi các bản tin quảng bá định kỳ Khi xác định được Foreign Agent, Mobile Node sẽ tiến hành quá trình đăng ký.
Quá trình đăng ký bao gồm một số bước cơ bản như sau:
Initially, the Mobile Node sends a registration request message that includes its home address and the IP address of the Home Agent to the Foreign Agent.
Agent mà nó vừa tìm được
Foreign Agent sẽ gửi yêu cầu đăng ký đến Home Agent thay mặt cho Mobile Node Yêu cầu này bao gồm địa chỉ IP cố định của Mobile Node cùng với địa chỉ của Foreign Agent.
Home Agent sẽ cập nhật thông tin nhận được vào bảng ánh xạ địa chỉ và gửi bản tin xác nhận đăng ký thành công đến Foreign Agent.
Cuối cùng, Foreign Agent cập nhật danh sách các nút khách bằng thông tin của Mobile Node và gửi thông báo xác nhận yêu cầu đăng ký đến Mobile Node, hoàn tất quy trình đăng ký.
Khi một Correspondent Node muốn gửi gói tin đến Mobile Node, nó sẽ gửi đến địa chỉ home address của Mobile Node Tại Home Agent, gói tin bị chặn lại và Home Agent sẽ kiểm tra bảng ánh xạ di chuyển để xác định địa chỉ care-of-address của Mobile Node, sau đó gói tin được đóng gói lại với tiêu đề IP mới, trong đó địa chỉ nguồn là của Home Agent Khi Foreign Agent nhận gói tin, nó sẽ loại bỏ tiêu đề IP để xác định địa chỉ home address của Mobile Node, sau đó kiểm tra danh sách nút khách để tìm địa chỉ hiện tại của Mobile Node và phát gói tin đến đó.
CHUYỂN GIAO DỌC TRONG MẠNG KHÔNG DÂY DI ĐỘNG19
Các khái niệm chuyển giao
Chuyển giao cứng, hay còn gọi là “ngắt trước khi chuyển”, là quá trình mà các kết nối hiện tại sẽ bị ngắt trước khi thiết bị đầu cuối chuyển sang một vùng phủ sóng mới Những vùng phủ sóng này có thể sử dụng công nghệ mạng giống nhau hoặc khác nhau.
Khác với chuyển giao cứng, chuyển giao mềm duy trì các kết nối hiện có nhờ cơ chế “chuyển trước khi ngắt” Cơ chế này cho phép thiết lập các kết nối thay thế trước khi chuyển giao thực sự diễn ra, tạo ra vùng phủ sóng chồng lấn Tại khu vực chồng lấn, thiết bị đầu cuối có khả năng bắt sóng từ nhiều mạng khác nhau, từ đó lựa chọn mạng tối ưu nhất để tiếp tục quá trình truyền tin.
Hình 5 minh họa cơ chế chuyển giao mềm và chuyển giao cứng khi Mobile Node di chuyển qua vùng phủ sóng của các trạm thu phát sóng trong mạng tế bào, cho thấy sự chuyển tiếp mượt mà giữa các vùng phủ sóng.
Chuyển giao mềm Chuyển giao cứng
Hình 5 Ví dụ về chuyển giao mềm và chuyển giao cứng
Chuyển giao cứng và chuyển giao mềm là hai khái niệm quan trọng trong mạng điện thoại di động Mặc dù chuyển giao cứng không đảm bảo chất lượng cuộc gọi thoại như chuyển giao mềm, nhưng nó giúp tiết kiệm tài nguyên mạng bằng cách không cần thiết lập sẵn kênh kết nối cho thiết bị đầu cuối khi di chuyển.
Phần tiếp theo sẽ trình bày hai cơ chế chuyển giao thường được dùng trong mạng máy tính không dây, đó là chuyển giao ngang và chuyển giao dọc
Chuyển giao ngang là quá trình chuyển tiếp giữa hai vùng phủ sóng sử dụng công nghệ mạng giống nhau, chẳng hạn như từ vùng phủ sóng của một Access Point sang Access Point khác Hình 6 minh họa rõ ràng cho trường hợp này.
Chuyển giao ngang bao gồm ba giai đoạn chính: Theo dõi chất lượng đường truyền, ra quyết định chuyển giao, thực hiện chuyển giao
Trong quá trình liên lạc, thiết bị đầu cuối liên tục đo năng lượng thu được từ trạm phát sóng và các trạm lân cận, sau đó gửi các giá trị này về cho các trạm phát sóng và thiết bị quản lý vô tuyến Khi giá trị đo được giảm xuống dưới ngưỡng cho phép, mạng sẽ quyết định chuyển giao phiên làm việc của thiết bị đầu cuối sang trạm phát sóng lân cận tốt nhất Thiết bị đầu cuối sẽ thiết lập kênh truyền ở mạng mới, trong khi các kênh truyền cũ sẽ được giải phóng.
Hình 6 Một ví dụ về chuyển giao ngang
Chuyển giao dọc là quá trình chuyển giao giữa các vùng phủ sóng sử dụng công nghệ mạng khác nhau, có thể thuộc cùng hoặc không cùng một nhà cung cấp Ví dụ, một thiết bị PDA có thể sử dụng cả WLAN và GPRS Khi người dùng di chuyển từ vùng WLAN sang vùng GPRS và tín hiệu WLAN yếu đi, cơ chế chuyển giao dọc sẽ được kích hoạt để duy trì các ứng dụng đang hoạt động Để thực hiện chuyển giao dọc, cần có các cơ chế hỗ trợ giữa các mạng mà Mobile Node di chuyển qua Hình 7 minh họa ví dụ về chuyển giao dọc giữa mạng GPRS và WLAN.
Ngày nay, với sự phát triển của thiết bị đầu cuối có nhiều giao diện mạng và vùng phủ sóng công nghệ hỗn hợp, chuyển giao dọc cho phép người dùng di chuyển giữa các mạng khác nhau mà vẫn duy trì kết nối Internet Điều này không chỉ nâng cao tính an toàn cho các phiên truyền ứng dụng, mà còn giúp đảm bảo rằng nếu một giao diện mất tín hiệu, phiên làm việc có thể được chuyển sang giao diện khả dụng khác Chính những lợi ích này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu Phần tiếp theo của chương sẽ trình bày các nghiên cứu liên quan đến chuyển giao dọc trong mạng không dây di động.
Hình 7 Một ví dụ về chuyển giao dọc
Chuyển giao dọc trong mạng không dây di động
2.2.1 Sự cần thiết của chuyển giao dọc
Không có công nghệ mạng nào đơn lẻ có thể cung cấp dịch vụ truyền tin với băng thông cao, vùng phủ sóng rộng và độ trễ thấp cho nhiều người sử dụng Vì vậy, việc triển khai mạng chồng chéo với nhiều loại công nghệ khác nhau ngày càng trở nên phổ biến, mang lại cho người dùng cơ hội truy cập dịch vụ truyền tin mọi lúc, mọi nơi với chi phí hợp lý.
Trong những năm gần đây, mạng 3G đã được triển khai rộng rãi trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam, sử dụng công nghệ UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) Mặc dù mạng 3G cung cấp tốc độ truyền dữ liệu thấp và trung bình, không đáp ứng được các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao như video call hay mobile TV, nhưng nó lại có ưu điểm về diện tích phủ sóng rộng và khả năng di chuyển linh hoạt cho người dùng Ngược lại, mạng WLAN, mặc dù có vùng phủ sóng hạn chế, nhưng lại cung cấp tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn và chi phí dịch vụ thấp hơn so với mạng UMTS.
Mạng UMTS và WLAN là hai trong số nhiều loại mạng đang được triển khai và phủ sóng chồng chéo trong thế giới di động hiện nay Các mạng Wireless Overlay Network, mạng thế hệ thứ 4 và mạng cá nhân PAN đã được xây dựng để sử dụng nhiều công nghệ mạng khác nhau, nhằm cung cấp cho người dùng một kết nối liên tục và mượt mà.
Chuyển giao dọc giữa các loại mạng là cần thiết để khắc phục nhược điểm và phát huy ưu điểm của các công nghệ mạng, đảm bảo kết nối thông suốt cho người dùng di chuyển với tốc độ cao Nhờ vào chuyển giao dọc, tỷ lệ mất kết nối và nghẽn mạng sẽ giảm, vì các kết nối được duy trì khi một nút mạng di chuyển qua các vùng phủ sóng của các công nghệ mạng khác nhau.
2.2.2 Các bước cơ bản của quá trình chuyển giao dọc:
Quá trình chuyển giao dọc bao gồm ba giai đoạn chính: lựa chọn hệ thống, quyết định chuyển giao và thực hiện chuyển giao Khác với chuyển giao ngang, việc lựa chọn mạng trong chuyển giao dọc trở nên phức tạp hơn do sự hiện diện của nhiều trạm phát sóng từ các công nghệ mạng khác nhau, khiến cho quyết định không chỉ dựa vào chất lượng kênh truyền mà còn cần xem xét nhiều yếu tố khác.
Trong quá trình kết nối mạng, Mobile Node liên tục lắng nghe các bản tin quảng bá từ Mobile Agent, trong đó chứa địa chỉ IP của các Mobile Agent Nhờ vào thông tin này, Mobile Node có khả năng nhận diện các mạng xung quanh và xác định xem nó có đang nằm trong mạng nhà hay không Quyết định về việc chuyển giao mạng được đưa ra dựa trên những thông tin này.
Quyết định chuyển giao có thể được thực hiện bởi Mobile Node hoặc Mobile Agent, dựa trên việc theo dõi chất lượng kênh liên kết như độ mạnh của sóng, băng thông và năng lượng còn lại của thiết bị Ví dụ, khi độ mạnh của sóng giảm xuống dưới mức tín hiệu ngưỡng, Mobile Node sẽ quyết định chuyển phiên làm việc sang vùng có tín hiệu cao hơn Ngoài ra, nếu năng lượng của thiết bị giảm thấp, Mobile Node sẽ chuyển sang mạng tiêu thụ ít năng lượng hơn Trong giai đoạn thực hiện chuyển giao, các phiên làm việc sẽ được chuyển từ mạng cũ sang mạng mới, đảm bảo không ảnh hưởng đến các dịch vụ đang truyền tải ở tầng ứng dụng phía trên.
Chuyển giao dọc là một giải pháp quan trọng trong việc duy trì kết nối khi thiết bị đầu cuối tích hợp nhiều giao diện mạng trong vùng phủ sóng của các công nghệ mạng khác nhau Sự quan trọng của chuyển giao dọc trong mạng không dây di động đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu đóng góp công sức vào các vấn đề liên quan Phần tiếp theo của chương 2 sẽ trình bày một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề này.
2.2.3 Các chính sách chuyển giao:
Đảm bảo các thiết bị đầu cuối luôn kết nối với mạng "tốt nhất" mọi lúc, mọi nơi chưa phải là mục tiêu hàng đầu của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chuyển giao dọc Thông thường, việc xác định mạng nào là tốt nhất cần dựa trên nhiều yếu tố khác nhau.
Việc xác định "mạng tốt nhất" là một thách thức do sự phát triển và phủ sóng chồng chéo của các loại mạng Các công nghệ mạng không dây như CDMA phục vụ cho mạng thế hệ thứ 3 với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 2Mbps Mạng chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh có thể hoạt động song song, cung cấp băng thông và chất lượng dịch vụ khác nhau cho người dùng GPRS, một dịch vụ dữ liệu gói trong mạng GSM, cho phép tốc độ truyền từ 9kbps đến 171kbps và người dùng chỉ trả tiền cho dữ liệu thực tế thay vì thời gian kết nối Các mạng khác nhau cũng có phương thức tính cước khác nhau, cùng với băng thông, độ trễ và mức tiêu thụ năng lượng tại thiết bị đầu cuối không giống nhau Do đó, cần nghiên cứu các tham số trong chính sách chuyển giao dọc để giúp các Mobile Node quyết định thời điểm chuyển giao giữa các mạng trong vùng phục vụ.
Các tham số chính của chính sách quyết định chuyển giao dọc bao gồm: giá cả, điều kiện mạng, mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị đầu cuối, thời gian kết nối, thời gian thiết lập kết nối và một số tham số khác.
Giá cả là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn dịch vụ mạng Các nhà cung cấp dịch vụ áp dụng nhiều phương pháp tính cước khác nhau cho khách hàng Mạng Wireless LAN thường không tính cước, trong khi mạng không dây Metricom Ricochet yêu cầu người dùng trả phí thuê bao hàng tháng Đối với các mạng chuyển mạch kênh, cước phí được tính theo thời gian sử dụng GPRS, dịch vụ dữ liệu gói của mạng GSM, tính phí dựa trên lượng dữ liệu tải về hoặc truyền đi, với tốc độ từ 9kbps đến 150kbps Các mạng đảm bảo chất lượng dịch vụ thường có mức phí khác nhau cho từng loại dịch vụ, cho phép người sử dụng lựa chọn mạng phù hợp với ngân sách của mình.
Điều kiện mạng là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn mạng tối ưu, ảnh hưởng đến giá thành dịch vụ Các tham số mạng bao gồm băng thông khả dụng, độ trễ và độ tin cậy Độ trễ có thể được đo bằng số lần truyền lại gói tin Trong trường hợp mạng có băng thông cao như Infared LAN gặp phải tình trạng nghẽn, Mobile Node nên cân nhắc chuyển sang mạng khác có băng thông thấp hơn nhưng lưu lượng thấp, chẳng hạn như Metricom Ricochet, để đảm bảo hiệu suất tốt hơn.
Sự tiêu thụ năng lượng của thiết bị đầu cuối là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn mạng Các phiên truyền không dây có thể được thực hiện qua các card giao tiếp PCMCIA hoặc các thiết bị khác, trong đó một số card yêu cầu nguồn từ pin của Mobile Node, trong khi một số thiết bị như mô-đem Ricochet có nguồn cung cấp riêng Khi mức năng lượng của Mobile Node giảm, nó sẽ tìm kiếm mạng có mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất Ví dụ, nếu một Mobile Node đang sử dụng mạng Metricom Ricochet và nguồn từ mô-đem không còn đủ, nó có thể chuyển sang mạng WaveLAN Đối với các mạng hướng kết nối, thời gian thiết lập kết nối dài và có thể phát sinh cước phụ trội nếu người dùng chỉ lướt qua mạng nhanh chóng, do đó việc chuyển mạng trong trường hợp này không hiệu quả.
Các tham số như lịch sử sử dụng, tốc độ di chuyển hiện tại và bản đồ vùng phủ sóng của mạng có thể giúp đưa ra quyết định chuyển giao mạng hiệu quả Chẳng hạn, một người lái xe sẽ ưu tiên lựa chọn mạng GSM vì độ trễ thấp hơn so với Metricom Ricochet Nếu biết trước tốc độ và hướng di chuyển của người dùng, cùng với bản đồ vùng phủ sóng, thời điểm chuyển mạng có thể được dự đoán, từ đó giảm độ trễ chuyển giao bằng cách khởi động quá trình trước khi người dùng rời mạng cũ.
GIẢI PHÁP LẬP LỊCH TRONG MÔ HÌNH MẠNG HỖ TRỢ CHUYỂN GIAO DỌC KẾT HỢP BĂNG THÔNG NHIỀU ĐƯỜNG TRUYỀN
Đề xuất giải pháp
3.3.1 Bài toán cần giải quyết
Hiện nay, thiết bị di động thường tích hợp nhiều giao diện mạng, cho phép người dùng truy cập Internet qua các công nghệ khác nhau Việc kết hợp băng thông từ nhiều nguồn không chỉ tăng cường băng thông cho Mobile Node mà còn nâng cao độ tin cậy của kết nối nhờ vào các kết nối dự phòng, điều này đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều tác giả.
Mặc dù các giải pháp được đề xuất có tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế như chưa khai thác triệt để các giao diện có sẵn trong Mobile Node, hoặc có thể làm biến đổi quá nhiều kiến trúc mạng hiện tại và các thuật toán, dẫn đến việc chưa tối ưu hóa bài toán.
Dựa trên tình hình hiện tại về tài nguyên mạng di động, thiết bị đầu cuối và nhu cầu của người dùng về chất lượng truyền tải ứng dụng, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất một giải pháp nhằm đạt được các mục tiêu cụ thể, đồng thời rút ra bài học từ những thành công và hạn chế của các nghiên cứu trước đây.
1 Hỗ trợ chuyển giao dọc giữa các vùng mạng khác nhau khi thiết bị đầu cuốidi chuyển qua lại giữ các vùng mạng đó
2 Sử dụng đồng thời các kết nối hiện có giữa thiết bị đầu cuối và Internet nhằm tăng băng thông cho các ứng dụng tầng trên, tăng tính bền vững, tin cậy cho các kết nối đang có nhờ tính thay thế của các kết nối
3 Lập lịch để truyền tải các gói trên nhiều đường truyền khác nhau đến thiết bị đầu cuối nhằm đảm bảo gói tin đến được đích nhanh chóng và sử dụng hiệu quả hiệu năng của đường truyên
4 Để giải pháp mang tính khả thi, dễ triển khai trong thực tế, giải pháp cần đảm bảo không gây ra sự thay đổi quá nhiều trong kiến trúc mạng sẵn có
Phần tiếp theo sẽ giới thiệu về ý tưởng để giải quyết bài toán nhằm đạt được các mục tiêu đề ra
3.3.2 Ý tưởng đề xuất để giải quyết bài toán Để giải quyết bài toán đặt ra, chúng tôi đã thực hiện hai giai đoạn:
Giai đoạn đầu tiên của dự án là triển khai Mobile IP nhằm xây dựng một hệ thống hỗ trợ chuyển giao dọc, cho phép sử dụng đồng thời nhiều đường truyền giữa Mobile Node và Internet.
Giai đoạn thứ hai tập trung vào việc phát triển một thuật toán lập lịch nhằm tối ưu hóa tốc độ truyền tải các gói tin đến Mobile Node, đồng thời nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông của các đường truyền.
Vấn đề trong giai đoạn này đã được giải quyết trong khoá luận tốt nghiệp Đại học năm 2009 của Nguyễn Tiến Đạt, một thành viên nghiên cứu cùng nhóm với tác giả luận văn này Khoá luận đã đề xuất một kiến trúc mạng nhằm hỗ trợ chuyển giao dọc kết hợp băng thông từ nhiều đường truyền Hình 11 minh họa kiến trúc mạng được đề xuất.
Hình 11 minh họa kiến trúc mạng hỗ trợ chuyển giao dọc và kết hợp băng thông từ nhiều đường truyền Hình ảnh này được trích dẫn từ khoá luận của Nguyễn Tiến Đạt năm 2009, nghiên cứu về tối ưu hóa việc kết hợp băng thông trong chuyển giao dọc trên các mạng không dây di động hỗn hợp.
Trong giải pháp này, Mobile-IP đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý quá trình di chuyển của Mobile Node Khi Mobile Node chuyển đến một mạng mới hoặc thay đổi địa chỉ IP của giao diện mạng, Home Agent sẽ cập nhật thông tin này Bảng định tuyến của Home Agent lưu trữ tất cả địa chỉ IP của các giao diện mạng, đảm bảo kết nối liên tục cho người dùng.
Mobile Node sử dụng cơ chế định tuyến gói tin qua đường hầm của Mobile-IP Khác với Mobile-IP, nơi chỉ có một Foreign Agent hoạt động tại mỗi thời điểm, Mobile Node có thể kết nối với nhiều Foreign Agent đồng thời, tương ứng với số lượng kết nối trên các giao diện mạng đang hoạt động.
Trong giai đoạn này, giải pháp đã được triển khai thành chương trình mô phỏng và đạt tiêu chí đề ra Phần tiếp theo sẽ tập trung vào ý tưởng giải quyết bài toán lập lịch để truyền tải các gói tin đến Mobile Node trong mô hình kết hợp băng thông nhiều đường truyền Đề tài đề xuất một giải thuật đánh giá năng lực kết nối giữa Mobile Agent và Mobile Node, từ đó xác định tỷ lệ phát gói tin phù hợp với khả năng băng thông của các kết nối, nhằm tối ưu hóa tốc độ chuyển tải Giải thuật lập lịch được cài đặt trên Mobile Node và Mobile Agent, giúp duy trì kiến trúc mạng ban đầu Mô hình lập lịch kết hợp băng thông nhiều đường truyền được minh họa trong hình 12.
Hình 12 Mô hình lập lịch kết hợp băng thông nhiều đường truyền
Hoạt động của giải thuật
Hoạt động của giải thuật bao gồm việc xác định tỷ lệ phát gói tin trên các kết nối đến Mobile Node, theo dõi quá trình truyền tin và tính toán tỷ lệ gói tin đến trễ Nếu tỷ lệ này vượt ngưỡng cho phép, giải thuật sẽ điều chỉnh tỷ lệ phát gói tin để phù hợp với chất lượng kết nối Đầu tiên, Mobile Agent thiết lập tỷ lệ phát gói tin cho các kết nối đến Mobile Node, có thể dựa trên băng thông vật lý của từng kết nối Các tỷ lệ phát gói tin được ký hiệu là r(1), r(2),…, r(n) tương ứng với các kết nối inf(1), inf(2), inf(n).
Tiếp theo, Mobile Agent đánh số thứ tự các gói tin mà nó sẽ chuyển đi
Việc đánh số thứ tự các gói tin giúp giải thuật xác định xem các gói tin có được gửi đi đúng thứ tự hay không Sau đó, Mobile Agent sẽ chuyển các gói tin đến Mobile Node theo tỷ lệ đã được định sẵn.
Mobile Node nhận gói tin từ Mobile Agent và xác định tính đúng thứ tự của chúng dựa trên số thứ tự gói tin Các gói tin với số thứ tự nhỏ phải đến trước các gói tin có số thứ tự lớn hơn; nếu không, gói tin được coi là đến trễ Giải thuật tập trung vào tỷ lệ phát gói tin trên các kết nối, chú trọng vào các gói tin đến trễ so với các kết nối khác, mà không xét đến các gói tin đến trễ trên từng kết nối hay các gói tin bị mất.
Hoạt động của giải thuật tại Mobile Node và Mobile Agent được minh họa trong hình 14 và hình 15 Tại Mobile Node, mỗi kết nối được gán một giá trị C, đại diện cho số lượng gói tin đến trễ Khi một gói tin đến trên một kết nối có số thứ tự nhỏ hơn gói tin cuối cùng đến trên bất kỳ kết nối nào khác, gói tin đó sẽ được coi là trễ Khi xảy ra tình huống này, Mobile Node sẽ tăng giá trị C của kết nối tương ứng lên một đơn vị.
Hình 13 Hoạt động của giải thuật Đếm:=0
Giao diện vừa nhận được gói tin trùng với giao diện được lưu trong bộ đệm?
Lưu STT gói tin gần nhất nhận được và giao diện nhận được gói tin đó
STT gói tin vừa nhận lớn hơn STT gói tin đang lưu trong bộ đệm? Đếm:= Đếm + 1
Tỷ lệ gói tin trễ trên một giao diện lớn hơn ngưỡng?
Gửi bản tin yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ phát gói tin đến Mobile Agent Đúng Đúng
Hình 14 Hoạt động của giải thuật ở Mobile Node
Tỷ lệ gói tin đến trễ trên kết nối i được ký hiệu là Rd(i), trong đó C(i) đại diện cho số gói tin đến trễ và T(i) là tổng số gói tin đã truyền đi Công thức tính tỷ lệ này là R d (i) = C(i) / T(i).
Khi Rd(i) vượt quá ngưỡng cho phép Rth, Mobile Node sẽ gửi một thông điệp yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ phát gói tin đến Mobile Agent Thông điệp này bao gồm trường nhận dạng kết nối, giúp Mobile Agent xác định được kết nối nào có tỷ lệ gói tin đến chậm hơn mức cho phép.
Khi nhận được yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ phát gói tin từ Mobile Node, Mobile Agent sẽ giảm giá trị r(i) của kết nối đó xuống một đơn vị Sau khi điều chỉnh xong, Mobile Agent gửi thông báo xác nhận tỷ lệ phát đã được điều chỉnh đến Mobile Node, yêu cầu Mobile Node thiết lập lại các biến đếm C của các kết nối về giá trị 0 Mobile Node sau đó thông báo cho Mobile Agent rằng các giá trị C đã được đặt lại thành 0 Cuối cùng, Mobile Agent cung cấp tỷ lệ phát gói tin cho các giao diện inf(1), inf(2),…, inf(n) với các giá trị r(1), r(2),…, r(n) là các số nguyên dương.
Các r(i) 1 ( i=1-> n) Đánh số thứ tự các gói tin
Có bản tin yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ phát từ Mobile Node gửi tới?
Nhân tất cả các r(1), r(2),………,r(n) với cùng một số nguyên dương A (Sao cho A>1)
Phát các gói tin theo tỷ lệ đã định Điều chỉnh tỷ lệ phát.
Nếu inf(i) có tỷ lệ trễ lớn hơn ngưỡng R thì điều chỉnh tỷ lệ phát trên các giao diện thành r(1), r(2),….r(i)-1,… r(n) Đúng
Hình 15 mô tả hoạt động của thuật toán trong Mobile Agent, trong đó bản tin thông báo sẽ đánh số thứ tự cho các gói tin ứng dụng và truyền chúng qua các kết nối với tỷ lệ mới được điều chỉnh Hình 16 minh họa lưu đồ trao đổi bản tin giữa Mobile Agent và Mobile Node Có hai vấn đề cần giải quyết: đầu tiên, khi giảm r(i) đi một đơn vị để điều chỉnh tỷ lệ phát gói tin, cần đảm bảo rằng giá trị này không bằng 0 Để thực hiện điều này, mỗi khi r(i) bằng 1, tất cả các giá trị r(1), r(2), , r(i), , r(n) sẽ được nhân với một hệ số nguyên dương lớn hơn 1.
Vấn đề thứ hai là cách phát gói tin theo tỷ lệ mà Mobile Agent đã chỉ định Để giải quyết, đề tài áp dụng thuật toán DC (Distribution Counter) nhằm duy trì tỷ lệ phát gói tin trên các kết nối không thay đổi cho đến khi nhận được tỷ lệ mới từ Mobile Agent.
Hình 16 Lưu đồ trao đổi bản tin giữa Mobile Agent và Mobile Node.
Triển khai thực thi giải pháp
3.3.1 Các yêu cầu cần thiết
Mục tiêu chính của giải pháp là nâng cao tốc độ truyền tải gói tin giữa Mobile Agent và Mobile Node trên các kết nối khác nhau Để đạt được điều này, cần áp dụng một thuật toán đơn giản và tối ưu hóa tại cả Mobile Agent và Mobile Node, nhằm tăng tốc độ tải tệp của Mobile Node Nếu thuật toán quá phức tạp, thời gian thực thi sẽ kéo dài, làm giảm hiệu quả trong việc cải thiện tốc độ truyền tải tệp tin.
Giải pháp cần được thiết kế sao cho không làm thay đổi nhiều cấu hình hiện tại và đảm bảo tính minh bạch cho người sử dụng Người dùng chỉ cần cài đặt ứng dụng trên thiết bị của mình mà không cần hiểu rõ về các hoạt động bên trong của thuật toán.
3.3.2 Thiết kế kiến trúc cơ bản của chương trình mô phỏng giải thuật
Kiến trúc cơ bản của chương trình bao gồm các mô-đun chính như được chỉ ra trong hình 17 Chức năng của các mô-đun như sau:
Ứng dụng di động yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ phát của kết nối bằng cách gửi gói tin với số thứ tự và dữ liệu tương ứng Sau khi điều chỉnh, hệ thống xác nhận rằng tỷ lệ phát đã được cập nhật và thông báo rằng các biến đếm C đã được thiết lập về giá trị 0 Gói tin ứng dụng chứa thông tin quan trọng về số thứ tự và dữ liệu liên quan.
+ Mô - đun PacketSniffer: Nhận các gói tin trên các giao diện của Mobile Node
Mô-đun Monitor có chức năng theo dõi và xác định tình trạng trễ của các gói tin đến Mobile Node Nó tính toán tỷ lệ các gói tin bị trễ trên các giao diện tại Mobile Node, giúp đánh giá hiệu suất mạng và cải thiện chất lượng dịch vụ.
Mô-đun MsgSender cho phép gửi các bản tin điều khiển từ Mobile Node đến Mobile Agent, bao gồm yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ phát và thông báo trạng thái của các biến đếm.
+ Mô - đun PacketCapture: Bắt các gói tin được gửi từ các thực thể mạng tới
Mô-đun MsgHander chịu trách nhiệm xử lý các gói tin mà nó nhận được Khi phát hiện các gói tin ứng dụng có đích đến là Mobile Node, mô-đun này sẽ chuyển tiếp các gói tin đó cho mô-đun Scheduler để tiếp tục xử lý.
Mô-đun Scheduler chịu trách nhiệm lập lịch chuyển tải các gói tin, bao gồm việc xác định các kết nối hiện có và quy định tỷ lệ phát gói tin trên các kết nối này.
+ Mô - đun PacketSender: Chuyển các gói tin đến Mobile Node theo tỷ lệ mà mô - đun Scheduler đã quyết định
Hình 17 Kiến trúc cơ bản của chương trình a Thiết kế chương trình tại Mobile Agent:
Mobile Agent sử dụng một socket để lắng nghe tất cả các gói tin được truyền đến trên một card mạng Khi nhận được một gói tin, nó sẽ xác định Mobile Node mà gói tin đó được gửi tới và tiến hành lập lịch cho gói tin trên các kết nối khả dụng từ Mobile Agent đến Mobile Node.
Lập lịch dựa trên tỷ lệ trễ của các gói tin trên các giao diện mạng, với mỗi giao diện có tỷ lệ gói tin đến trễ riêng Khi tỷ lệ gói tin đến trễ vượt quá ngưỡng cho phép ở một trong các giao diện, Mobile Node sẽ gửi thông báo đến Mobile Agent để điều chỉnh tỷ lệ phát gói tin Việc phát gói tin được thực hiện theo tỷ lệ đã quy định bằng cách áp dụng thuật toán DC đã được đề cập trong phần nghiên cứu liên quan.
Hàm schedulePacket() thực hiện việc lập lịch phát các gói tin, xác định địa chỉ giao diện mạng của Mobile Node Hàm này chọn kết nối tối ưu giữa Mobile Agent và Mobile Node để truyền gói tin Sau khi lập lịch, Mobile Agent thêm trường packetSequence vào tiêu đề gói tin để hỗ trợ quá trình lập lịch và thay đổi địa chỉ đích thành địa chỉ đã được chọn Cuối cùng, Mobile Agent tính lại checksum và gửi gói tin đến giao diện đã chọn tại Mobile Node.
Mobile Agent lắng nghe tất cả các gói tin từ Mobile Node qua cổng 2903, nhận thông tin điều khiển như lịch trình và kết nối mới từ Mobile Node.
Khi có một kết nối mới được thiết lập thì gói tin Mobile Agent nhận được có trường Type là NEW_MSG
Nếu gói tin chứa thông tin lập lịch, chẳng hạn như tỷ lệ độ trễ do Mobile Node gửi đến Mobile Agent, thì gói tin nhận được sẽ có trường Type được xác định là UPDATE.
Khi Mobile Agent nhận được một gói tin qua cổng 2903, nó sẽ thực hiện các công việc phù hợp dựa trên trường Type của gói tin đó.
Khi gói tin có trường Type là NEW_MSG, Mobile Agent sẽ cập nhật giao diện mới cho Mobile Node bằng cách lưu trữ thông tin tương ứng, nhằm hỗ trợ cho quá trình lập lịch hiệu quả.
Nếu gói tin có trường Type là UPDATE, Mobile Agent sẽ tiến hành cập nhật tỷ lệ độ trễ trên các giao diện hiện có của Mobile Node đang được lưu trữ Việc thiết kế chương trình tại Mobile Node rất quan trọng để đảm bảo tính hiệu quả và chính xác trong quá trình này.
Nhận xét, đánh giá giải pháp
Giải pháp đã phát triển một thuật toán tối ưu hóa tỷ lệ truyền tải gói tin từ Mobile Agent đến Mobile Node khi sử dụng nhiều giao diện mạng để kết nối Internet Mục tiêu của giải thuật là giảm độ trễ gói tin và tăng tốc độ truyền tải tập tin giữa Mobile Agent và Mobile Node.
Thuật toán được đề xuất trong giải pháp này khá rõ ràng và đơn giản, chỉ bao gồm các mô-đun phần mềm sử dụng hệ điều hành Linux, giúp dễ dàng triển khai trên Mobile Node và Mobile Agent Việc cài đặt các mô-đun phần mềm này cũng không đòi hỏi quá nhiều thay đổi trong cấu hình mạng hiện tại, đảm bảo tính linh hoạt và dễ dàng tích hợp.
Việc xác định tỷ lệ phát ban đầu cho các gói tin trên các kết nối thường dựa vào phương pháp thăm dò, dẫn đến việc tỷ lệ này có thể không phù hợp, gây ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán trong giai đoạn đầu Nguyên nhân chính là do thuật toán chưa kịp điều chỉnh tỷ lệ phát, khiến độ trễ trên các kết nối gia tăng Khi độ trễ vượt qua ngưỡng cho phép, việc điều chỉnh tỷ lệ phát mới được thực hiện Do đó, cải tiến tỷ lệ phát ban đầu là cần thiết để tối ưu hóa thuật toán trong tương lai Phần tiếp theo sẽ trình bày các kết quả đạt được từ việc triển khai chương trình thực thi giải pháp.
