BùI NGọC ANH Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội 0o0 Luận văn thạc sỹ khoa học CÔNG NGHệ THÔNG TIN Nghiên cứu phơng pháp phân tích đánh giá chất lợng dịch vụ cho mạng cục không dây dựa chuẩn IEEE 802.11 BïI NGäC ANH 2004-2006 Hµ néi 2006 Hµ Néi 2006 -1- Mục lục Mục lục Danh mục số từ viết tắt .3 Danh mục hình vẽ Chương I Mở đầu 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích luận văn 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .8 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.5 Nội dung luận văn Chương II Tổng quan mạng cục không dây 10 2.1 Khái niệm mạng cục không dây (WLAN) 10 2.2 Một số đặc điểm ưu nhược điểm mạng cục không dây 11 2.2.1 Đặc điểm 11 2.2.2 Ưu điểm 12 2.2.3 Nhược điểm 12 2.3 Lịch sử phát triển mạng cục không dây 14 2.4 Chế độ hoạt động hệ thống mạng cục không dây: 21 2.4.1 Chế độ làm việc ngang hàng – Ad-hoc mode 21 2.4.2 Chế độ làm việc sở hạ tầng – Infrastructure mode 22 Chương III Kĩ thuật đánh giá chất lượng dịch vụ mạng truyền thống 24 3.1 Khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS) .24 3.2 Những tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ .28 3.2.1 Trễ 29 3.2.2 Biến thiên trễ 30 3.2.3 Tổn thất gói tin .32 3.3 Các ứng dụng đòi hỏi phải đảm bảo chất lượng dịch vụ 33 3.4 Các chế đảm bảo chất lượng dịch vụ .33 Chương IV Tổng quan chuẩn IEEE 802.11 vấn đề đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cục không dây 35 4.1 Tổng quan chuẩn IEEE 802.11 35 4.1.1 Các chuẩn 802.11 .37 4.1.1.1 IEEE 802.11b 39 4.1.1.2 IEEE 802.11a 39 4.1.1.3 IEEE 802.11g 40 4.1.1.3 IEEE 802.11i 41 4.1.1.4 Các chuẩn khác IEEE 802.11 41 4.1.2 Vấn đề phân chia kênh tương tích phạm vi quốc tế 41 4.2 Cơ chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ ban đầu giao thức IEEE 802.11 43 4.2.1 Hàm điều phối phân tán (DCF) 43 4.2.2 Hàm điều phối điểm (PCF) 43 4.3 Cơ chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ cải tiến 802.11e .44 4.3.1 Hàm điều phối phân tán cải tiến (EDCF) 44 Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -2- 4.3.2 Hàm điều phối quản lý truy cập kênh (HCCA) 45 4.4 Các đặc tả khác 802.11e .45 4.4.1 APSD 46 4.4.2 BA 46 4.4.3 DLS 46 Chương V Các kĩ thuật đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cục không dây 47 5.1 Cơ chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ mạng không dây ban đầu chuẩn IEEE 802.11 .47 5.1.1 DCF 48 5.1.2 PCF .51 5.2 Các hạn chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ 802.11 MAC 54 5.2.1 Hạn chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ DCF 55 5.2.2 Hạn chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ PCF 58 5.3 Các lược đồ hỗ trợ chất lượng dịch vụ cải tiến cho 802.11 MAC 59 5.3.1 Lược đồ cải tiến dựa phân loại dịch vụ 60 5.3.1.1 Các loại lược đồ phân loại dịch vụ dựa trạm 61 5.3.1.1.1 Lược đồ AC 61 5.3.1.1.2 Lược đồ DFS 63 5.3.1.1.3 Lược đồ VMAC .64 5.3.1.1.4 Lược đồ Blackburst 65 5.3.1.1.5 Lược đồ DC 66 5.3.1.1.6 Bảng so sánh lược đồ .68 5.3.1.2 Lược đồ phân loại dịch vụ dựa trạm sử dụng PCF cải tiến 70 5.3.1.3 Lược đồ phân loại dịch vụ dựa hàng đợi sử dụng DCF cải tiến luồng 70 5.3.1.3.1 Lược đồ EDCF .71 5.3.1.3.2 Lược đồ AEDCF 72 5.3.1.4 Lược đồ phân loại dịch vụ dựa hàng đợi sử dụng HCF .72 5.3.2 Các lược đồ cải tiến dựa quản lý lỗi .73 5.3.2.1 Cơ chế tự động lặp lại yêu cầu (ARQ) 73 5.3.2.2 Cơ chế sửa lỗi dựa chuyển tiếp (FEC) 75 5.3.2.3 Lược đồ lai FEC-ARQ 75 5.4 Chuẩn chất lượng dịch vụ cải tiến IEEE 802.11e .76 5.4.1 Hàm điều phối lai (HCF) .76 5.4.1.1 Hàm điều phối phân tán cải tiến (EDCF) 77 5.4.1.2 HCF điều khiển truy cập kênh 80 5.4.2 Giao thức liên kết trực tiếp (DLP) .83 5.4.3 Xác nhận khối (BlockAck) 83 Chương VI Đánh giá thử nghiệm, kết luận đề xuất tương lai .85 6.1 Đánh giá chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ mạng không dây dựa ứng dụng mô ns-2 85 6.2 Nhận xét tình áp dụng chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ 92 6.3 Kết luận đề xuất kiến nghị tương lai 98 Tài liệu tham khảo 100 Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -3- Danh mục số từ viết tắt BCVT (Bưu viễn thơng) Backoff Factor : hệ số truyền lại BSS (Basic Service Set) BSA (Basic Service Area) CFP (Contention Free Period) : khoảng không xung đột CNTT (Công nghệ thông tin) CP (Contention Period) : khoảng xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): đa truy cập cảm nhận sóng mang có xử lý xung đột CTS (Clear To Send) CW (Contention Window) : dải tranh chấp / cửa sổ tranh chấp DCF (Distributed Coordination Function): hàm điều phối phân tán DFS (Distributed Fair Scheduling) DiffServ (Differention Service) DIFS (Distributed InterFrame Space) : khoảng không liên khung phân tán EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) FIFO (First-In/First-Out) HCCA (HCF Controlled Channel Access) IFS (InterFrame Space) : khoảng không liên khung IntServ (Intergrated Service) ISM band (Industrial, Scientific and Medical band) : băng tần dành riêng cho lĩnh vực công nghiệp, khoa học y tế Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -4- Jitter : biến thiên trễ MAC (Medium Access Control): quản lý truy cập đường truyền MDQ (Modified Dual Queue) NRT (Non-Real-Time) : phi thời gian thực OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) : kỹ thuật truyền tải dựa ý tưởng multiplexing theo tần số (Frequency-Division Multiplexing FDM) Trong kỹ thuật FDM, nhiều tín hiệu gửi lúc tần số khác Còn kỹ thuật OFDM, có thiết bị truyền tín hiệu nhiều tần số độc lập (từ vài chục vài ngàn) PC (Point Coordinator) : điểm điều phối PCF (Point Coordination Function): hàm điều phối điểm PIFS (PCF InterFrame Space) QoS (Quality of Service) : chất lượng dịch vụ RT (Real-Time) : thời gian thực RTS (Request To Send ) RRP (Round-Robin Polling) : kiểm sốt vịng luân chuyển VoIP (Voice Over IP) WLAN (Wireless Local Area Network): mạng cục không dây Wi-Fi (Wireless Fidelity) : Tên thương mại cho tiêu chuẩn tính tương thích sản phẩm sử dụng cho mạng nội khơng dây Nó cho phép thiết bị di động máy tính xách tay PDA kết nối với mạng nội bộ, thường sử dụng để truy cập Internet, gọi điện thoại VoIP không dây WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) : WiMAX tương tự Wi-Fi khái niệm có số cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất cho phép kết nối khoảng cách xa Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -5- Danh mục hình vẽ Hình Một đoạn quảng cáo cho ứng dụng điện báo không dây 15 Hình Thiết bị liên lạc khơng dây sử dụng sóng radio cảnh sát vào năm 1925 16 Hình Thiết bị điện thoại di động cầm tay hãng Ericsson giới thiệu năm 1987 18 Hình Chế độ ad-hoc hệ thống mạng cục không dây .22 Hình Chế độ infrastructure hệ thống mạng cục không dây 23 Hình Xu hướng hội tụ cơng nghệ truyền dẫn dựa IP vấn đề QoS 25 Hình Các khía cạnh khác định nghĩa chất lượng dịch vụ 26 Hình Ánh xạ IEEE 802.11 mơ hình OSI tầng 36 Hình Các giao thức sử dụng hệ thống mạng cục không dây dựa chuẩn IEEE 802.11 tầng vật lý (PHY layer) tầng điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC layer) 37 Hình 10 Lược đồ điều khiển truy cập DCF CSMA/CA 49 Hình 11 Lược đồ truy cập RTS/CTS .50 Hình 12 Chu trình PCF DCF 52 Hình 13 Thơng lượng hiệu trễ DCF 57 Hình 14 Sự phân loại dịch vụ lược đồ dựa phân loại 61 Hình 15 EDCF đề xuất 802.11e 78 Hình 16 Mối quan hệ EDCF truy cập kênh IFS .79 Hình 17 Một mốc chu kỳ 802.11e HCF thông thường 81 Hình 18 So sánh lược đồ hỗ trợ chất lượng dịch vụ khác sử dụng mạng cục khơng dây dựa tiêu chí: thông lượng , sử dụng môi trường lan truyền, trễ truy cập trung bình 88 Hình 19 Tỷ lệ va chạm chế 89 Hình 20 Phân phối trễ tích luỹ 91 Hình 21 Hiệu thơng lượng trễ lược đồ EDCF 94 Hình 22 So sánh tổng goodput EDCF DCF .95 Hình 23 Trễ trung bình âm thanh, CBR video EDCF HCF 97 Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -6- Chương I Mở đầu 1.1 Lý chọn đề tài Cùng với phát triển công nghệ thông tin, nhu cầu nâng cao chất lượng dịch vụ cho hệ thống mạng, đặc biệt hệ thống mạng cục không dây (Wireless LAN – WLAN) ngày quan tâm Mạng không dây với nhiều ưu điểm khả triển khai dễ dàng, thuận tiện, tiết kiệm thời gian tiền bạc tổ chức doanh nghiệp quan tâm Các điểm truy cập Internet không dây nở rộ Việt Nam không tập đồn, tổng cơng ty, doanh nghiệp lớn mà ta dễ dàng tìm thấy quán cafe Wi-Fi, nhà hàng, khách sạn chứng tỏ tính ưu việt so với hệ thống mạng có dây truyền thống Mạng cục khơng dây (WLAN), cịn gọi mạng Wi-Fi, khơng cịn lãnh địa riêng cho máy tính xách tay hay thiết bị trợ giúp cá nhân số (PDA) Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ, người dùng Việt Nam kết nối Internet miễn phí ĐTDĐ, Pocket PC thiết bị trợ giúp cá nhân thông qua Wi-Fi Đây lĩnh vực đầy tiềm dự báo tăng trưởng cao năm tới Theo tạp chí TechWorld (Mĩ), thị trường Wi-Fi tăng gấp ba năm tới Lượng chipset dùng cho mạng cục không dây xuất xưởng tăng từ 140 triệu năm 2005 lên 430 triệu vào 2009 Theo hãng nghiên cứu In-Stat, động lực cho tăng trưởng nhu cầu dùng máy tính di động, định tuyến khơng dây cổng kết nối gia đình "Trong năm qua, thị trường thiết bị mạng không dây cục thúc đẩy chủ yếu sản phẩm truyền thống tính Wi-Fi nhúng máy tính di động", Gemma Tedesco, chuyên gia phân tích In-Stat, cho biết "Tuy nhiên, thực tế có chuyển biến mạnh mẽ với xuất ngày nhiều loại sản phẩm máy chơi game dạng console dạng bỏ túi, điện thoại máy in di động" Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -7- Tổng doanh số chipset mạng không dây năm ngối ước tính đạt khoảng tỷ USD với ba nhà cung cấp hàng đầu Broadcom, Atheros Intel In-Stat cho rằng, năm 2007 2008, mảng thị trường điện thoại di động tăng trưởng mạnh nhờ xu hướng tích hợp tính Wi-Fi sản phẩm Tuy nhiên, hệ thống mạng khơng dây cục có đặc điểm khách quan khiến cho việc đảm bảo chất lượng cho dịch vụ gặp nhiều khó khăn so với hệ thống mạng có dây truyền thống Sự xã hội hóa công nghệ thông tin khiến các dịch vụ trước tưởng xa xỉ dần trở nên phổ biến triển khai đại trà, dịch vụ đòi hỏi truyền thời gian thực voice, audio, video, VoIP Như bên cạnh xu hướng xã hội hố ứng dụng cơng nghệ thông tin ứng dụng công nghệ thông tin vào mặt sống, yêu cầu tất yếu nảy sinh phải kiểm soát đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng cung cấp Theo thơng tin tạp chí Bưu viễn thơng số 22 năm 2006 đăng tải địa chỉ: http://www.vnpost.mpt.gov.vn/bao_2006/so22/thoisu/t2b3.htm, Bộ Bưu Viễn thơng (BBCVT) Cơng nghệ thơng tin (CNTT) công bố số loại dịch vụ viễn thông bắt buộc phải quản lý chất lượng bao gồm: dịch vụ điện thoại mạng điện thoại công cộng; dịch vụ điện thoại di động mặt đất công cộng; dịch vụ truy nhập Internet gián tiếp qua mạng điện thoại công cộng; dịch vụ kết nối Internet; dịch vụ truy nhập Internet ADSL; dịch vụ điện thoại mạng vô tuyến nội thị công cộng PHS Sáu loại hình dịch vụ bắt buộc phải quản lý chất lượng theo Dự thảo quy định quản lý chất lượng dịch vụ, mạng viễn thông thay cho Quyết định số 177/2003/QĐ-BBCVT Bộ BCVT soạn thảo Chính nhận định trên, việc nghiên cứu tìm hiểu chế đảm bảo chất lượng dịch vụ chế giám sát đánh giá chất lượng dịch vụ vừa yêu cầu vừa động lực để định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -8- phân tích đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng không dây cục dựa chuẩn IEEE 802.11” 1.2 Mục đích luận văn Nghiên cứu lịch sử phát triển mạng cục khơng dây Tìm hiểu chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ cho hệ thống mạng không dây từ đưa ưu nhược điểm chế Từ nhận định mặt lý thuyết nêu trên, tiến hành kiểm nghiệm lại cách sử dụng phần mềm ns-2 mô hoạt động hỗ trợ chất lượng dịch vụ Áp dụng kết thu từ thực nghiệm từ đưa chiến lược sử dụng chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ phù hợp cho hệ thống mạng khơng dây tình khác 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ hệ thống mạng cục không dây bao gồm DCF, PCF, EDCF, Blackburst… Sau tìm hiểu, tơi nhận thấy hệ thống mạng cục khơng dây, có hai tầng mơ hình tầng OSI có khác biệt so với hệ thống mạng cục dùng dây (Ethernet) Ngay tầng liên kết liệu (Data Link), có tầng quản lý truy cập mơi trường lan truyền (MAC) có thay đổi, tầng LLC (Logical Link Control) giữ nguyên Từ tầng mạng trở lên mơ hình tầng OSI, chế giao thức giữ nguyên Ethernet Bản thân hai tầng lại có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng dịch vụ mạng cục không dây thực tế chủ yếu nghiên cứu đảm bảo chất lượng dịch vụ hệ thống mạng cục không dây tập trung nghiên cứu chế thực thi trằn hai tầng Do vậy, dù đề tài nghiên cứu phương pháp đảm bảo đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng cục không dây thực chất nghiên cứu đánh giá chế hỗ trợ chất lượng dịch vụ cho hệ thống mạng cục không dây thực tầng quản lý truy cập môi trường lan truyền (MAC) tầng liên kết liệu (Data Link) Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 -9- 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nghiên cứu đề xuất phương pháp phân tích đánh giá chất lượng dịch vụ thích hợp hệ thống mạng cục không dây dựa chuẩn 802.11 Với phương pháp nêu đặc điểm, ưu nhược điểm tình nên áp dụng để có hiệu Kết nghiên cứu áp dụng vào việc đánh giá chất lượng dịch vụ hệ thống mạng cục không dây tổ chức, doanh nghiệp có triển khai hệ thống WLAN 1.5 Nội dung luận văn Bản luận văn gồm chương: Chương I Mở đầu Chương II Tổng quan mạng cục không dây Chương III Kĩ thuật đánh giá chất lượng dịch vụ mạng truyền thống Chương IV Tổng quan chuẩn 802.11 vấn đề đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cục không dây Chương V Các kĩ thuật đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cục không dây Chương VI Đánh giá thử nghiệm, kết luận đề xuất tương lai Bïi Ngäc Anh – Líp Cao häc CNTT 2004 - 2006 ... -8- phân tích đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng không dây cục dựa chuẩn IEEE 802.11? ?? 1.2 Mục đích luận văn Nghiên cứu lịch sử phát triển mạng cục không dây Tìm hiểu chế hỗ trợ chất lượng dịch. .. lượng dịch vụ hệ thống mạng cục không dây tập trung nghiên cứu chế thực thi trằn hai tầng Do vậy, dù đề tài nghiên cứu phương pháp đảm bảo đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng cục không dây thực chất. .. quan mạng cục không dây Chương III Kĩ thuật đánh giá chất lượng dịch vụ mạng truyền thống Chương IV Tổng quan chuẩn 802.11 vấn đề đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cục không dây Chương V Các kĩ