Bài giảng học phần Mạng máy tính: Phần 7 trình bày về mạng không dây và di động. Các nội dung cụ thể trong bài giảng như: Giới thiệu Wireless, các kết nối, đặc tính, IEEE 802.11, truy cập Cellular Internet, các nguyên lý và các nội dung khác. Mời bạn đọc tham khảo.
Chương Các mạng không dây di động Chương 6: Nội dung trình bày 6.1 Giới thiệu Wireless 6.2 Các kết nối, đặc tính CDMA 6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”) 6.4 Truy cập Cellular Internet Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3rd edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2004 kiến trúc chuẩn (ví dụ: GSM) Tính di động 6.5 Các nguyên lý: định địa routing đến người dùng di động 6.6 Mobile IP 6.7 Quản lý di động mạng cellular 6.8 Tính di động giao thức lớp cao Slide biên dịch sang tiếng Việt theo cho phép tác giả All material copyright 1992006 J.F Kurose and K.W Ross, All Rights Reserved Các mạng không dây di động Các mạng không dây di động Giới thiệu 6.1 Giới thiệu Wireless Background: số lượng thuê bao điện thoại di động (khơng dây) lớn có dây mạng: máy tính xách tay, palm, PDA, điện thoại Internet truy cập Internet thời điểm thách thức quan trọng (khác nhau) Các mạng không dây di động truyền thông kết nối không dây (wireless) quản lý người dùng di động, người thay đổi vị trí kết nối với mạng Các mạng khơng dây di động Các thành phần mạng di động 6.2 Các kết nối, đặc tính hạ tầng mạng Các mạng không dây di động Các thành phần mạng di động wireless khơng có nghĩa phải di động Các thành phần mạng di động trạm sở kết nối wireless đặc trưng dùng vào mạng có dây (wired) relay - đáp ứng việc chuyển gói mạng có dây host khơng dây “vùng” ví dụ: access point 802.11 Các mạng không dây di động Các mạng không dây di động đặc trưng kết nối hạ tầng mạng wireless hosts laptop, PDA, IP phone chạy ứng dụng cố định di động hạ tầng mạng kết nối không dây đến trạm sở dùng kết nối backbone giao thức đa truy cập tốc độ truyền liệu, khoảng cách truyền khác Các mạng không dây di động Các đặc tính chuẩn kết nối không dây 54 Mbps 5-11 Mbps Các thành phần mạng di động kiểu sở hạ tầng mạng 802.11{a,g} trạm sở kết nối 11 p-to-p link 802.11b Mbps 802.15 3G UMTS/WCDMA, CDMA2000 384 Kbps nhà 10 – 30m hạ tầng mạng 2G IS-95 CDMA, GSM 56 Kbps bên ngồi vùng trung bình vùng khoảng cách xa 50 – 200m 200m – 4Km 5Km – 20Km Các mạng không dây di động Các mạng không dây di động 10 đặc tính kết nối khơng dây Các thành phần mạng di động chế độ ad-hoc trạm sở nút liên lạc với vùng kết nối nút tự tổ chức vào mạng: route chúng Các mạng không dây di động không dây với mạng có dây handoff: linh hoạt thay đổi trạm sở để cung cấp kết nối đến mạng có dây Khác biệt với có nối dây … cường độ tín hiệu giảm: tín hiệu radio giảm lan truyền đường (mất mát đường truyền) nhiễu nguồn khác: tần số mạng không dây chuẩn hóa (vd: 2.4GHz) nhiều thiết bị dùng, thiết bị gây nhiễu lẫn lan truyền nhiều hướng … làm cho truyền thông qua kết nối khơng dây thêm nhiều “khó khăn” (thậm chí trường hợp điểm-điểm) 11 Các mạng không dây di động 12 đặc tính kết nối khơng dây Code Division Multiple Access (CDMA) nhiều người gửi nhiều người nhận không dây tạo thêm vấn đề (hơn trường hợp đa truy cập): B A C (cellular, vệ tinh…) “mã” gán cho user, nghĩa phân hoạch C tập mã cường độ tín hiệu C cường độ tín hiệu A B A dùng số chuẩn kênh phát khơng dây giảm mức độ tín hiệu: B, A nghe thấy B, A nghe thấy B, C nghe thấy B, C nghe thấy A, C không nghe thấy nghĩa A, C can thiệp B A, C không nghe thấy dù giao thoa B Các mạng không dây di động 13 bên gửi d0 = data bits code 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 slot 1 1 1 -1 slot channel output -1 -1 -1 slot 14 channel output Zi,m d1 = -1 Các mạng không dây di động CDMA: nhiễu bên gửi CDMA mã hóa/giải mã Zi,m= di.cm tiến trình (mã) riêng để mã hóa liệu tín hiệu mã hóa = (tín hiệu gốc) X (tiến trình riêng) giải mã: tích tín hiệu mã hóa tiến trình riêng cho phép nhiều user “cùng tồn tại” truyền đồng thời với nhiễu tối thiểu (nếu mã “trực giao”) space vấn đề tiềm ẩn đầu cuối tất user chia sẻ tần số, user có -1 -1 -1 -1 slot channel output M Di = Zi,m.cm m=1 received input code bên nhận 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 slot M -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 slot d0 = d1 = -1 slot channel output slot channel output Các mạng không dây di động 15 Các mạng không dây di động 16 6.3 Các LAN không dây - IEEE 802.11 (“wi-fi”) Các mạng không dây di động 17 Kiến trúc 802.11 LAN AP hub, switch router BSS AP BSS 802.11b phổ sóng radio khơng có licence, vùng từ 2.4-5 GHz tốc độ lên đến 11 Mbps phổ lan truyền trực tiếp lớp physical • tất host dùng mã phổ biến rộng rãi, dùng trạm sở 802.11a vùng từ 5-6 GHz tốc độ lên đến 54 Mbps 802.11g vùng từ 2.4-5 GHz tốc độ lên đến 54 Mbps tất dùng CSMA/CA cho chế đa truy cập tất có trạm sở phiên mạng ad-hoc Các mạng không dây di động 18 802.11: kênh, liên kết host không dây truyền thông Internet IEEE 802.11 Wireless LAN với trạm sở trạm sở = access point (AP) Basic Service Set (BSS) (gọi “cell”) chứa: host không dây access point (AP chế độ ad hoc: có host Các mạng khơng dây di động 19 802.11b: phổ từ 2.4GHz-2.485GHz chia thành 11 kênh với tần số khác quản trị AP chọn tần số cho AP nhiễu có thể: kênh giống với AP bên cạnh! host: phải liên kết với AP quét kênh, lắng nghe frame báo hiệu chứa tên AP (SSID) địa MAC chọn AP để liên kết phải thực việc chứng thực (xem chương 8) thường chạy DHCP để lấy địa IP subnet Các mạng không dây di động 20 IEEE 802.11: đa truy cập Giao thức IEEE 802.11 MAC: CSMA/CA tránh tranh chấp: nút truyền thời điểm Bên gửi 802.11 Nếu cảm nhận kênh rảnh truyền tồn 802.11: CSMA – cảm nhận trước truyền không xung đột với trình truyền nút khác 802.11: khơng phát tranh chấp! khó khăn để cảm nhận tranh chấp truyền tín hiệu nhận bị yếu cảm nhận tất tranh chấp trường hợp: đầu cuối che khuất, tín hiệu yếu mục tiêu: tránh tranh chấp: CSMA/C(ollision)A(voidance) A C A B B cường độ tín hiệu A Bên gửi frame (khơng phát tranh chấp) DIFS Nếu kênh bận thì: khởi tạo thời gian chờ đợi ngẫu nhiên định giảm xuống kênh rảnh truyền định kết thúc khơng có ACK, tăng thời gian chờ đợi ngẫu nhiên, lặp lại bước C Bên nhận 802.11 - Nếu frame nhận tốt (OK) cường độ tín hiệu C Bên nhận data SIFS ACK trả lại tín hiệu ACK space Các mạng khơng dây di động Các mạng không dây di động 21 Tránh tranh chấp: trao đổi RTS-CTS Tránh tranh chấp (tt) A Ý tưởng: cho phép bên gửi “đăng ký trước” kênh truy cập ngẫu nhiên frame liệu: tránh tranh chấp với frame dài bên gửi gửi gói request-to-send (RTS) nhỏ đến trạm sở dùng CSMA RTS xung đột với khác (nhưng ít) trạm sở broadcasts tín hiệu clear-to-send (CTS) trả lời cho RTS RTS tất nút lắng nghe bên gửi truyền frame liệu trạm khác trì hỗn việc truyền B AP tranh chấp đăng ký trước DATA (A) Tránh tranh chấp triệt để dùng gói “đăng ký trước” nhỏ! Các mạng khơng dây di động 22 trì hỗn time 23 Các mạng không dây di động 24 802.11 frame: định địa 2 6 6 frame address address address duration control 802.11 frame: định địa - 2312 payload CRC seq address control AP địa 4: dùng chế độ ad-hoc địa 1: địa MAC host AP để nhận frame Internet R1 router H1 R1 MAC addr AP MAC addr địa 3: địa MAC router mà AP gắn vào source address dest address 802.3 frame địa 2: địa MAC host AP để truyền frame AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address address address 802.11 frame Các mạng khơng dây di động số tiến trình frame (dành cho ARQ tin cậy) 2 6 6 frame address address address duration control seq address control - 2312 payload CRC H1 trì IP subnet: địa IP làm giống switch: AP liên kết với H1? tự Protocol version Type Subtype To AP 1 From More AP frag Retry 1 Power More mgt data 26 802.11: tính di động subnet 802.11 frame: định địa khoảng thời gian truyền đăng ký (RTS/CTS) Các mạng không dây di động 25 1 WEP Rsvd học (Ch 5): switch nhìn thấy frame từ H1 “nhớ” port dùng để chạm đến H1 router hub switch BBS AP AP H1 BBS kiểu frame (RTS, CTS, ACK, liệu) Các mạng không dây di động 27 Các mạng không dây di động 28 802.15: mạng vùng cá nhân 6.4 Truy cập Cellular Internet đường kính < 10 m thay cho loại cáp (mouse, keyboard, headphones) ad hoc: không thiết bị cố định master/slaver: P S slaver yêu cầu quyền gửi (đến master) master chấp nhận yêu cầu P S P M thiết bị master Bluetooth bán kính bao trùm M 802.15: phát triển từ P S S thiết bị slaver dải tần số radio từ 2.4-2.5 GHz tốc độ lên đến 721 kbps P thiết bị định vị (không hoạt độn Các mạng không dây di động Các thành phần kiến trúc mạng cellular kết nối cell vùng rộng lớn quản lý gọi điều khiển bao trùm vùng trạm sở giống với 802.11 AP user gắn vào mạng thông qua trạm sở air-interface: giao thức lớp physical link thiết bị di động & trạm sở Mobile Switching Center 30 mạng Cellular: hop MSC cell Các mạng không dây di động 29 mạng điện thoại công cộng & Internet Mobile Switching Center kỹ thuật để chia sẻ phổ sóng radio từ di động đến trạm sở FDMA/TDMA kết hợp: chia phổ thành kênh tần số, kênh chia thành time slot CDMA: code division dải tần số multiple access slot thời gian mạng nối dây Các mạng không dây di động 31 Các mạng không dây di động 32 chuẩn Cellular: tổng quan chuẩn Cellular: tổng quan hệ thống 2G: kênh tiếng hệ thống 2.5 G: kênh tiếng & liệu với người chờ đợi dịch vụ 3G: 2G mở IS-136 TDMA: FDMA/TDMA kết hợp (Bắc Mỹ) rộng GSM (global system for mobile communications): general packet radio service (GPRS) phát triển từ GSM liệu gửi nhiều kênh enhanced data rates for global evolution (EDGE) phát triển từ GSM, dùng điều chế tăng cường ngày nay, tốc độ nâng lên đến 384K FDMA/TDMA kết hợp phổ biến IS-95 CDMA: code division multiple access CDMA-2000 (giai đoạn 1) ngày nay, tốc độ nâng lên đến 144K phát triển từ IS-95 GSM Các mạng không dây di động 33 chuẩn Cellular: tổng quan hệ thống 3G: kênh tiếng / liệu Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) Các mạng không dây di động 34 6.5 Các nguyên lý: định địa routing đến người dùng di động hệ GSM kế tiếp, dùng CDMA CDMA-2000 … nhiều đề tài thú vị mạng di động Các mạng không dây di động 35 Các mạng không dây di động 36 Di động gì? Di động gì? phân bố theo tính chất mạng di động: mạng gia đình: “gia đình” bền vững thiết bị di động home agent: thực thể hồn tất chức di động (vd: 128.119.40.186/24) khơng di động tính di động cao WAN user khơng dây di động, dùng AP user di động, truyền thông qua nhiều AP giữ nguyên kết nối (dạng điện thoại cell) user di động, kết nối/hủy kết nối từ mạng dùng DHCP Các mạng không dây di động Địa cố định: địa mạng gia đình, ln ln dùng để chạm đến mạng di động vd: 128.119.40.186 Các mạng không dây di động 37 38 Làm liên lạc với thiết bị di động khác? Di động gì? địa cố định: giữ nguyên, không đổi (vd: 128.119.40.186) visited network: mạng thiết bị di động thường trú (vd: Khảo sát trường hợp người bạn thường xuyên thay đổi địa chỉ, tìm? 79.129.13/24) Care-of-address: địa visited network Tôi muốn biết Alice đâu? tìm tất danh (vd: 79.129.13.2) WAN foreign agent: thực correspondent: có nhu cầu truyền thông với mạng di động correspondent thể visited network thực bạ điện thoại? gọi cho cha mẹ bạn ấy? chờ đợi bạn cho bạn biết đâu? chức di động Các mạng không dây di động 39 Các mạng không dây di động 40 Các cách tiếp cận Các cách tiếp cận Để cho routing quản lý: Thông báo địa cố định thiết bị di động cách trao đổi bảng routing bảng routing cho biết thiết bị di động đâu khơng thay đổi hệ thống đầu cuối Để cho hệ thống đầu cuối quản lý: routing không trực tiếp: truyền thông từ correspondent đến thiết bị di động thông qua home agent, sau chuyển đến thiết bị xa routing trực tiếp: correspondent lấy địa thiết bị di động, gửi trực tiếp đến thiết bị di động Để cho routing quản lý: Thông báo địa cố định thiết bị di động không cách trao đổi bảng routing linh hoạt với hàng triệu bảng routing cho biết thiết bị di động đâu thiết bị di động không thay đổi hệ thống đầu cuối Để cho hệ thống đầu cuối quản lý: routing gián tiếp: truyền thông từ correspondent đến thiết bị di động thơng qua home agent, sau chuyển đến thiết bị xa routing trực tiếp: correspondent lấy địa thiết bị di động, gửi trực tiếp đến thiết bị di động Các mạng không dây di động visited network WAN foreign agent tiếp xúc với agent home: “thiết bị di động thường trú mạng tôi” thiết bị di động tiếp xúc với foreign agent để đăng nhập vào visited network Kết cuối cùng: Foreign agent biết thiết bị di động Home agent biết vị trí thiết bị di động Các mạng không dây di động foreign agent nhận gói, chuyển tiếp đến thiết bị di động home agent chặn gói, chuyển tiếp đến foreign agent 42 Tính di động thơng qua Routing gián tiếp Đăng nhập home network Các mạng không dây di động 41 43 home network visited network wide area network correspondent định vị gói dùng địa home thiết bị di động thiết bị di động phản hồi trực tiếp cho correspondent Các mạng không dây di động 44 Routing gián tiếp: di chuyển mạng Routing gián tiếp: thích giả sử user di động di chuyển đến mạng khác đăng ký với foreign agent foreign agent đăng ký với home agent home agent cập nhật care-of-address cho thiết bị di động gói tiếp tục chuyển tiếp đến thiết bị di động (nhưng với care-of-address mới) Thiết bị di động dùng địa chỉ: địa cố định: dùng correspondent (vị trí thiết bị suốt correspondent) care-of-address: dùng home agent để chuyển tiếp datagrams đến thiết bị di động thiết bị di động hồn thành chức foreign agent routing tam giác: correspondent-home-networkthiết bị di động không hiệu correspondent, thiết bị di động nằm mạng Các mạng không dây di động việc thay đổi mạng suốt: trì! correspondent chuyển tiếp đến foreign agent home network correspondent yêu cầu, nhận foreign address thiết bị di động khắc phục vấn đề routing tam giác visited network không suốt correspondent: correspondent phải lấy care-of-address từ home agent điều xảy thiết bị di động thay đổi visited network? WAN 46 Routing trực tiếp: thích Các mạng khơng dây di động 45 Di động thông qua Routing trực tiếp foreign agent nhận gói, chuyển tiếp đến thiết bị di động kết nối thiết bị di động phản hồi trực tiếp với correspondent Các mạng không dây di động 47 Các mạng không dây di động 48 Accommodating mobility with direct routing 6.6 Mobile IP anchor foreign agent (FA): FA visited network liệu luôn route tới anchor FA 6.7 Quản lý di động mạng cellular thiết bị di động di chuyển: FA thu xếp để liệu chuyển tiếp từ FA cũ (dây chuyền) WAN correspondent agent correspondent 6.8 Tính di động giao thức lớp cao foreign net visited lúc phiên làm việc bắt đầu anchor foreign agent foreign agent foreign network Các mạng không dây di động Các mạng không dây di động 49 Mobile IP 50 Mobile IP: routing gián tiếp RFC 3220 gói foreign-agent-đến-thiết bị gói gửi home agent đến foreign agent: gói gói có nhiều đặc tính mà vừa xem qua: home agents, foreign agents, đăng ký foreignagent, care-of-addresses, đóng gói (gói-bên trong-gói) đích: 79.129.13.2 thành phần cần chuẩn hóa: routing gián tiếp datagrams phát agent đăng ký với home agent Các mạng không dây di động dest: 128.119.40.186 đích: 128.119.40.186 địa cố định: 128.119.40.186 đích: 128.119.40.186 Care-of address: 79.129.13.2 gói gửi correspondent 51 Các mạng không dây di động 52 Mobile IP: phát agent Mobile IP: ví dụ đăng ký thông báo agent: foreign/home agents thông báo home agent HA: 128.119.40.7 dịch vụ cách broadcasting thông điệp ICMP (typefield = 9) visited network: 79.129.13/24 ICMP agent adv COA: 79.129.13.2 … 16 type = checksum registration req length registration lifetime COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format … standard ICMP fields router address type = 16 Mobile agent MA: 128.119.40.186 24 code = H,F bits: home / foreign agent R bit: yêu cầu đăng ký foreign agent COA: 79.129.13.2 registration req COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification:714 … sequence # RBHFMGV bits reserved or more care-ofaddresses registration reply time mobility agent advertisement extension Các mạng không dây di động HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format … registration reply HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 … Các mạng không dây di động 53 54 Quản lý tính di động mạng cellular Các thành phần kiến trúc mạng cellular correspondent mạng điện thoại nối dây công cộng home network: mạng nhà cung cấp cellular mà bạn đăng ký home MSC location register (HLR): sở liệu mạng home chứa số lượng cell phone cố định, thông tin khác (các dịch vụ, hóa đơn) visited network: mạng thiết bị di động thường trú visitor location register (VLR): sở liệu với ghi cho user hành home network MSC MSC MSC MSC mạng cellular khác nhau, điều hành nhà cung cấp khác Các mạng không dây di động 55 Các mạng không dây di động 56 GSM: routing gián tiếp đến thiết bị di động home network HLR home MSC tra cứu HLR, lấy số hiệu roaming thiết bị di động visited network GSM: handoff với MSC mục tiêu Handoff: route correspondent home Mobile Switching Center VLR VLR Mobile Switching Center mạng điện thoại chuyển mạch công cộng gọi route đến home network visited network BSS cũ Mobile Switching Center routing routing cũ BSS cũ BSS BSS tín hiệu mạnh đến/từ BSS (kết nối liên tục, tiêu hao lượng) cân tải: giải phóng kênh BSS GSM khơng nói thực handoff (chính sách), biết cách làm (cơ chế) handoff khởi tạo BSS cũ Các mạng không dây di động 57 GSM: handoff với MSC MSC visited network hồn tất gọi thơng qua trạm sở đến thiết bị di động Các mạng không dây di động Mobile Switching Center home MSC thiết lập chiều thứ gọi đến MSC visited network mobile user VLR gọi thông qua trạm sở (không gián đoạn) lý handoff: 58 GSM: handoff MSC BSS cũ thông báo MSC để handoff, cung cấp danh sách BSS 1+ MSC thiết lập đường (cấp phát tài nguyên) đến BSS BSS cấp phát kênh radio cho user di động BSS thông báo cho MSC, BSS cũ: sẵn sàng BSS cũ “nói” với thiết bị di động: thực handoff với BSS thiết bị di động, BSS thông báo để kích hoạt kênh thiết bị di động thơng báo với BSS đến MSC: handoff hồn tất MSC route lại gọi MSC-cũ-BSS giải phóng tài nguyên Các mạng không dây di động 59 home network correspondent Home MSC anchor MSC: MSC suốt gọi gọi trì route thông qua anchor MSC MSC thêm vào anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (a) trước handoff cuối dây chuyền MSC giống thiết bị di động di chuyển vào MSC IS-41 cho phép tùy chọn tối thiểu hóa để thu ngắn đường dây chuyền MSC Các mạng không dây di động 60 GSM với Mobile IP GSM: handoff between MSCs home network correspondent Home MSC anchor MSC: MSC suốt gọi gọi trì route thơng qua anchor MSC MSC thêm vào anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (b) sau handoff cuối dây chuyền MSC giống thiết bị di động di chuyển vào MSC IS-41 cho phép tùy chọn tối thiểu hóa để thu ngắn đường dây chuyền MSC Các mạng không dây di động 61 Không dây, di động: ảnh hưởng đến giao thức lớp cao ảnh hưởng tối thiểu … mơ hình dịch vụ hướng hiệu tốt giữ nguyên không thay đổi TCP UDP (và thực) chạy mạng không dây, di động … hiệu quả: gói mất/trễ lỗi bit (các gói bị hủy, trễ truyền lại) handoff trễ làm suy giảm lưu thông thời gian thực băng thông giới hạn kết nối không dây Các mạng không dây di động 63 GSM Chú thích Mobile IP Home system Mạng chứa số điện thoại cố định user di động Home network Gateway Mobile Switching Center, “home MSC” HLR Home MSC: điểm tiếp xúc để lấy địa Home agent route HLR: sở liệu home MSC chứa số đt cố định, thơng tin bổ sung, vị trí user di động Visited System Mạng khác với hệ thống home, user di Visited network động thường trú Visited Mobile services Switching Center Visitor Location Record (VLR) Visited Mobile: đáp ứng cho việc thiết lập gọi đến/từ thiết bị di động cell kết nối với MSC VLR: dòng đăng ký tạm thời hệ thống visited, chứa thông tin đăng ký user Foreign agent Mobile Station Roaming Number (MSRN), “roaming number” Địa route cho đoạn gọi đt home MSC visited MSC, Care-of-address Các mạng không dây di động 62 ... tần số, user có -1 -1 -1 -1 slot channel output M Di = Zi,m.cm m=1 received input code bên nhận 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 slot M -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 slot d0 = d1 = -1 slot channel... giao thoa B Các mạng không dây di động 13 bên gửi d0 = data bits code 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 slot 1 1 1 -1 slot channel output -1 -1 -1 slot 14 channel output Zi,m d1 = -1 Các mạng không dây...Các thành phần mạng di động 6.2 Các kết nối, đặc tính hạ tầng mạng Các mạng khơng dây di động Các thành phần mạng di động wireless khơng có nghĩa ln phải di động Các thành phần mạng di động