Nghiên cứu giải pháp phân chia tần số trong mạng wifi sử dụng giao thức CAPWAP

Nghiên cứu giải pháp phân chia tần số trong mạng Wifi sử dụng giao thức CAPWAP Đặng Quang Vinh Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Hệ thống thông tin; Mã số: 60.48.05 Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoài Sơn Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Giới thiệu tổng quan về các yêu cầu và vấn đề đặt ra cho giao thức CAPWAP. Trình bày về các giải pháp trước CAPWAP: giới thiệu; kiến trúc tự trị; kiến trúc tập trung; kiến trúc phân tán mạng lưới. Đặc tả giao thức: tổng quan; định dạng gói tin giao thức CAPWAP. Trình bày thí nghiệm với việc cấu hình tần số trong mạng CAPWAP. Keywords: Hệ thống thông tin; Mạng không dây; Tần số; Mạng Wifi Content Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, cùng với sự bùng nổ số lượng các thiết bị di động, mạng không dây cũng trở nên phổ biến và quen thuộc hơn rất nhiều đối với người tiêu dùng. Chuẩn IEEE 802.11 được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1997, nhưng đã có một khởi đầu tương đối chậm chạp bởi tốc độ hạn chế. Chuẩn IEEE 802.11 đã có những tăng tốc vào khoảng đầu những năm 2000. Việc cài đặt và quản trị một hệ thống mạng không dây với khoảng vài ngàn AP cũng đã được mô tả trong thời gian này. Tuy nhiên, việc mở rộng phạm vi của mạng không dây đã gặp phải những khó khăn tương tự mà giới nghiên cứu đã gặp phải khi mở rộng mạng có dây (Ethernet LAN) vào những năm 1980. Bài toán phân chia tần số trong mạng Wifi (Wifi frequency planning) là một bài toán kinh điển của mạng Wifi, nhưng đến nay vẫn chưa có phương án tối ưu để giải quyết. Kết hợp bài toán này với giao thức CAPWAP là mục tiêu nghiên cứu của luận văn. 1.1. Mô tả bài toán Luận văn nghiên cứu việc triển khai một mạng WLAN trên diện rộng và những khó khăn gặp phải, và tập trung vào bài toán phân chia tần số trong mạng Wifi sử dụng giao thức CAPWAP. 2 Đầu tiên, là khó khăn về cơ sở hạ tầng thiết bị, khi chi phí triển khai sẽ tăng lên nhiều lần. Bên cạnh đó, có một khó khăn liên quan tới các đặc thù của mạng WLAN, là các AP thường có cấu hình cũng như tính chất vật lý tương tự nhau, và có thể gây nhầm lẫn trong một khoảng không gian địa lý cục bộ. Tiếp theo, một yêu cầu được đặt ra là duy trì cấu hình thống nhất cho các AP trong mạng WLAN, khi mà các thông tin này thường xuyên thay đổi, với một số lượng AP rất lớn. Thứ ba, bài toán tối ưu tài nguyên cho các AP cũng là một bài toán khó. Các AP có thể phát sóng chồng lấn lên nhau, và nếu không được xử lý tốt thì có thể dẫn tới không một AP nào có thể hoạt động. Cuối cùng, là vấn đề bảo mật, khi mà các AP được đặt trên một diện tích rất lớn, gây ra ngay cả những khó khăn bảo mật về mặt vật lý. Luận văn sẽ đặt mục tiêu đề xuất một system framework kết hợp gữa giao thức CAPWAP và bài toán phân chia tần số. Chương 2. Các giải pháp trước CAPWAP Chương 2 giới thiệu một số kiến trúc và giải pháp của các hãng công nghệ trước khi giao thức CAPWAP ra đời. Chuẩn 802.11 là chuẩn mạng không dây định nghĩa một giao thức truyền qua không khí giữa các STA và AP. Chuẩn 802.11 còn mô tả cách một thiết bị di động có thể tương tác với tập các dịch vụ cơ bản (BSS – Basic Service Set). Một BSS được định danh bởi BSSID (Basic Service Set Identifier) hoặc tên của BSS. Kiến trúc mạng WLAN có thể được xem xét như là một dạng kiến trúc kiểu “ô”, trong đó mỗi ô là một BSS, và mỗi BSS được điều khiển bởi một AP. Khi hai hoặc nhiều hơn các AP kết nối với nhau thông qua các giao thức broadcast ở tầng 2 và tất cả các AP này đều sử dụng chung một SSID, ta sử dụng khái niệm tập dịch vụ mở rộng (ESS – Extended Service Set). Chúng ta sử dụng một hệ thống phân tán (DS – Distributed System) để kết nối các BSS với nhau. Một AP, về bản chất là một STA, nhưng có thêm chức năng cung cấp truy cập. Một mô hình khác, không sử dụng hệ thống phân tán, mà sử dụng hệ thống tập trung, nhằm tích hợp chức năng của mạng WLAN vào mạng LAN có dây truyền thống. Chuẩn 802.11 không định nghĩa cụ thể và tường minh về DS. Thay vào đó, chuẩn này định nghĩa các dịch vụ để cung cấp các chức năng cho phép lớp LLC (Link Layer Control) gửi các MSDU (MAC Service Data Unit) giữa hai node trong mạng. Những dịch vụ này có thể chia thành 2 nhóm chính: nhóm các dịch vụ trạm SS (Station Service) và nhóm các dịch vụ phân tán DSS (Distribution System Service). Cả hai nhóm dịch vụ này đều được sử dụng 3 bởi các lớp con của tầng 2 trong chuẩn 802.11. Cũng tương tự như với DS, chuẩn 802.11 không định nghĩa cách lập trình và cài đặt các dịch vụ này. Các kiến trúc được giới thiệu và phân tích ở chương này gồm có kiến trúc tự trị, kiến trúc tập trung và kiến trúc phân tán mạng lưới. Chương 3. GIAO THỨC CAPWAP Chương 3 trình bày một số đặc tả quan trọng nhất của giao thức CAPWAP, bao gồm máy trạng thái tổng quan nhất của giao thức, cũng như đặc tả về định dạng các gói tin được sử dụng bởi giao thức. Giao thức CAPWAP định nghĩa giao tiếp giữa AC và WTP thông qua các cơ chế giao tiếp của CAPWAP. Các thông điệp điều khiển CAPWAP (CAPWAP Control messages), và có thể là các thông điệp dữ liệu CAPWAP (CAPWAP Data messages) được bảo mật bởi giao thức DTLS. Như vậy, tầng giao vận của giao thức CAPWAP bao gồm hai loại thông điệp: thông điệp điều khiển và thông điệp dữ liệu. Thông điệp dữ liệu được đóng gói trong các frame của mạng không dây. Thông điệp điều khiển là thông điệp quản lý được trao đổi giữa WTP và AC. Các gói tin điều khiển và dữ liệu này được gửi bởi các cổng UDP riêng biệt. Độ dài tối đa của các thông điệp dữ liệu và điều khiển có thể vượt qua MTU, nên chúng có thể bị phân mảnh. Bước đầu tiên của giao thức CAPWAP là Khám phá (Discovery). Các WTP gửi các thông điệp Discovery Request. AC nào nhận được Discovery Request sẽ trả lời bằng thông điệp Discovery Response. WTP sẽ lựa chọn giữa các Discovery Response mà nó nhận được, và thiết lập kết nối DTLS tới AC đã được chọn. Sau khi kết nối DTLS được thiết lập, hai thiết bị sẽ trao đổi với nhau các thông tin cấu hình. Sau khi các thông tin cấu hình được trao đổi xong, WTP và AC sẽ sử dụng giao thức CAPWAP để đóng gói các frame được truyền giữa hai thiết bị. Lưu ý rằng, trong toàn bộ quá trình trao đổi, các packet có thể bị phân mảnh để phù hợp với MTU. Thông qua giao thức CAPWAP, AC gửi các lệnh tới WTP nhằm quản lý các thiết bị đang kết nối với WTP. CAPWAP cũng cung cấp các cơ chế nhằm kiểm tra sự tồn tại cũng như kiểm tra kết nối giữa WTP và AC (cơ chế keep – alive). 4 Hình 8. Máy trạng thái của giao thức CAPWAP Chương 4. BÀI TOÁN PHÂN CHIA TẦN SỐ TRONG MẠNG WIFI VỚI CAPWAP Bài toán phân chia tần số (frequency planning) trong một mạng Wifi lớn là một bài toán quan trọng để có thể tối ưu hiệu năng của mang không dây. Hiện nay, ở dải tần 2.4GHz, có 13 kênh tần số khác nhau, với chênh lệnh giữa các tần số là 5MHz, ngoại trừ khoảng cách 12MHz giữa kênh số 13 và số 14. Tuy nhiên, sóng Wifi sẽ bị nhiễu nếu các kênh truyền lân cận không có khoảng cách chênh lệnh về tần số từ 25MHz trở lên. Do đó, chúng ta phải phân chia và ấn định tần số cho từng kết nối Wifi khác nhau, sao cho các kết nối có thể thực hiện mà không bị nhiễu. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về bài toán phân chia tần số trong mạng Wifi. CAPWAP là một giải pháp mới hơn để giải quyết bài toán này. Trước CAPWAP, các giải pháp có thể chia làm các nhóm chính:  Hướng tiếp cận nhằm mục tiêu giảm thiểu nhiễu tổng thể bằng các kỹ thuật lập trình tuyến tính. Đi theo hướng này, có thể tiếp cận bài toán ở mức các WTP, hoặc ở mức từng thiết bị di động cụ thể. Do những đặc trưng của mình mà 5 những thuật toán trong hướng đi này thường yêu cầu khối lượng tính toán rất lớn, và chỉ phù hợp với topo mạng ít biến động.  Hướng tiếp cận thứ hai mô hình hóa bài toán phân chia tần số thành bài toán tô màu đồ thị, qua đó áp dụng một số giải thuật heuristic. Hướng đi này thường không đưa lại một kết quả tối ưu toàn cục, nhưng có ưu điểm lớn là giảm được khối lượng tính toán, phù hợp cho những môi trường mà topo mạng thường xuyên thay đổi. Luận văn trình bày một số thuật toán phân chia tần số quan trọng theo các lĩnh vực, đồng thời tiến hành cài đặt và kiểm thử một thuật toán phân chia tần số, và báo cáo kết quả thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm cho thấy các thuật toán phân chia tần số được thử nghiệm đã cho kết quả khả quan. References Tiếng Anh 1. Dharma Prakash Agrawal, Qing – An Zeng (2011), Introduction to Wireless and Mobile Systems, 3 rd edition, Cengage Learning Publisher. 2. R. Akl, A. Aprepally (2007), Dynamic Channel Assignment in IEEE 802.11 Networks, IEEE Portable 2007 Proceedings. 3. Praphul Chandra, Daniel M.Dobkin, Alan Bensky, Ron Olexa, David A. Lide, Farid Dowla (2008), Wireless Networking: Know It All, Newnes Press, chapter 2. 4. T. Charles Clancy (2008), “Secure Handover in Enterprise WLANs: CAPWAP, HOKEY, and IEEE 802.11r”, IEEE Wireless Communications, Volume 15 (5), pp. 80 – 85. 5. M. Elwekeil, M. Alghoniemy, M. El – Khamy, H. Furukawa, O. Muta (2012), Optimal Channel Assignment For IEEE 802.11 Multi – Cell WLANs, 20 th European Signal Processing Conference (EUCOSIP 2012). 6. Vijay Garg (2007), Wireless Communications and Networking, Morgan Kaufmann Publishers, chapter 12. 7. Matthew Gast (2005), 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide, O’Reilly Publisher, chapter 14. 8. Mark Gress, Javier Contreras Albesa (2010), Deploying and Troubleshooting Cisco Wireless LAN Controllers: A Practical Guide to Working with the Cisco Unified Wireless Solution, Cisco Press, chapter 4. 6 9. Amitava Mukherjee, Somprakash Bandyopadhyay, Debashis Saha (2003), Location Management and Routing in Mobile Wireless Networks, Artech House, chapter 2 – 3. 10. Andreas F. Molish (2011), Wireless Communications, 2 nd edition, John Wiley & Sons. 11. B. O’hara et al (2005), Configuration and Provisioning for Wireless Access Points (CAPWAP) Problem Statement, RFC 3990. 12. Jeff Smith, Jake Woodhams, Robert Marg (2011), Controller – Based Wireless LAN Fundamentals, Cisco Press, chapter 1, 2, 3. 13. Klaus Wehrle, Mesut Gunes, James Gross (2010), Modeling and Tools for Network Simulation, Springer, chapter 2, 15. 14. Zheng et al (2010), Wireless Networking Complete, Morgan Kaufmann Publisher, chapter 1 - 5. . Hình 8. Máy trạng thái của giao thức CAPWAP Chương 4. BÀI TOÁN PHÂN CHIA TẦN SỐ TRONG MẠNG WIFI VỚI CAPWAP Bài toán phân chia tần số (frequency planning) trong một mạng Wifi lớn là một bài toán. Nghiên cứu giải pháp phân chia tần số trong mạng Wifi sử dụng giao thức CAPWAP Đặng Quang Vinh Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Hệ thống thông tin; Mã số: 60.48.05. hợp gữa giao thức CAPWAP và bài toán phân chia tần số. Chương 2. Các giải pháp trước CAPWAP Chương 2 giới thiệu một số kiến trúc và giải pháp của các hãng công nghệ trước khi giao thức CAPWAP