CÁC PHƯƠNG PHÁP và kỹ THUẬT ĐÁNH GIÁ, mô PHỎNG HIỆU SUÂT của các kỹ THUẬT đa TRUY NHẬP lớp MAC

MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây mạng truy nhập vô tuyến băng rộng tốc độ cao không ngừng được nghiên cứu và phát triển ,cung cấp các dịch vụ Multimedia như: truy cập Internet, VoIP, điện thoại truyền hình (Video Telephony), hội nghị truyền hình (Video conferencing), truyền hình quảng bá (Broadcast TV), xem phim theo yêu cầu (Video on Demand), trò chơi trên mạng (Game online) ….vv Có thể nói mạng băng rộng là xu hướng phát triển tất yếu với các mạng băng rộng điển hình: xDSL, Modem cáp ,iPSTAR và một số kỹ thuật truy nhập vô tuyến như WiFi và WiMAX. Khi đề cập đến mạng băng rộng, vấn đề cơ bản được tập trung nói đến là kỹ thuật đa truy nhập lớp MAC (Medium Access Control). Tiểu luận này trình bày một số vấn đề cơ bản về các kỹ thuật đa truy nhập lớp MAC, kỹ thuật đánh giá hiệu suất với một số loại đa truy nhập và công cụ mô phỏng hiệu suất của các kỹ thuật đa truy nhập lớp MAC. Với 3 thành viên, chúng em đã phân công tìm hiểu đề tài như sau: - Đinh Thùy Hương: Tìm hiểu tổng quan (Chương 1) và Phương pháp ghép kênh (Chương 2, phần 1) - Trần Quang Hào: Các phương pháp chia sẻ tài nguyên kênh truyền (Chương 2, phần 2, 3, 4) - Đặng Thị Phượng: Tìm hiểu các công cụ sử dụng để mô phỏng và tiến hành mô phỏng hoạt động hệ thống WiMAX trên nền mô phỏng NS2 (Chương 3). Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Tài Hưng đã giúp đỡ chúng em hoàn thành bài tiểu luận này. 2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Một trong những vấn đề cơ bản mà các mạng băng rộng tập trung là lớp MAC (Medium Access Control) – Lớp điều khiển truy nhập với nhiệm vụ chính là: - Quy định việc đánh địa chỉ MAC cho các thiết bị mạng - Đưa ra cơ chế chia sẻ moi trường vật lý kết nối nhiều máy tính. - Phỏng tạo kênh truyền song công (duplex chanel), đa điểm (multipont) Hình . Lớp điều khiển truy nhập MAC Hoạt động tại lớp MAC phải đảm bảo một số vấn đề như: - Hiệu suất: Chia sẻ tài nguyên kênh truyền với hiệu suất cao nhất. - Tính công bằng: Chia sẻ tài nguyên (băng thông, tài nguyên vô tuyến) một cách công bằng giữa các thiết bị truy cập. Có 2 phương pháp chia sẻ tài nguyên kênh truyền (sẽ được trình bày cụ thể ở Chương 2) là ghép kênh (multiplexing) và đa truy nhập (multiple access). 1. Ghép kênh Ý tưởng chung của phương pháp này là: đường truyền sẽ được chia thành nhiều kênh truyền, mỗi kênh truyền sẽ được cấp phát riêng cho một trạm. Có ba phương pháp chia kênh chính: FDMA, TDMA, CDMA Ưu điểm: Không xảy ra tranh chấp tài nguyên. Nhược điểm: Phải thiết lập kênh truyền trước khi gửi dữ liệu nên không thích hợp cho truyền số liệu. Hiệu suất kênh truyền thấp Ghép kênh phù hợp cho phương pháp hướng liên kết - quá trình trao đổi thông tin có 3 giai đoạn: 3 - Thiết lập kết nối - Trao đổi dữ liệu - Hủy bỏ kết nối. 2. Đa truy nhập Ý tưởng: Người sử dụng sử dụng chung một băng tần, do đó nhiều người sử dụng có thể truy nhập kênh truyền tại cùng 1 thời điểm. Ưu điểm: Không phải thiết lập kênh truyền trước khi gửi dữ liệu Nhược điểm: Tranh chấp tài nguyên. Đa truy nhập phù hợp cho cơ chế truyền không liên kết. Hình . Các phương pháp điều khiển truy nhập 3. Lớp MAC trong một số chuẩn IEEE 4 Hình . Các chuẩn họ IEEE 802 của IEEE 3.1. Lớp MAC chuẩn IEEE 802.11 Quá trình kết nối của các trạm: Là quá trình các trạm thực hiện đăng nhập vào một BSS. Có 3 tiến trình xảy ra: Tiến trình thăm dò (Probe) Trong tiến trình này thì các trạm client sẽ gởi một probe request frame. Nói một cách tổng quát, các trạm 802.11 gởi các probe request frame trên tất cả các kênh chúng được phép sử dụng (Đối với Bắc Mỹ là kênh 1 đến 11). Tiến trình này không phải là điều bắc buộc trong đặc tả 802.11. Probe request frame chứa đựng thông tin về các trạm không dây 802.11 như tốc độ truyền dữ liệu mà các trạm hỗ trợ và SSID mà đó đang thuộc về. Các trường chính trong Probe request frame là: - SSID: Chứa giá trị SSID mà client đã được cấu hình. - Support rates: Mô tả tất cả các tốc độ dữ liệu mà client hỗ trợ. Các trạm client gởi probe request fram một cách mò mẫm, có nghĩa là chúng không biết bất cứ điều gì về AP mà chúng định tìm kiếm. Vì thế, hầu hết các probe request frame được gởi ở mức tốc độ thấp nhất là 1Mbps. Khi một AP nhận được một probe request frame thành công (đã vượt qua kiểm tra FCS), nó sẽ hồi đáp lại một probe response frame. Các trường chính trong probe response frame là: - TimeStamp: Chứa giá trị TSFTIMER của AP. Nó được sử dụng để đồng bộ thời 5 gian giữa các trạm và AP. - Beacon Interval: Số đơn vị thời gian (TU = Time Unit) giữa các lần gởi Beacon. Một TU khoảng 1024 MicroSeconds. - Capability Information: Khả năng của lớp MAC và PHY. Trường này sẽ được mô tả chi tiết hơn ở phần “802.11 MAC frame format”. - SSID: Là giá trị SSID mà AP đã được cấu hình. - Support Rates: Tất cả các tốc độ dữ liệu mà AP hỗ trợ. - PHY Parameter set: Có thể là FHSS hoặc DSSS. Trường này cung cấp thông tin về đặc tả lớp PHY cho các client. Khi một trạm client nhận được probe response frame, nó có thể xác định được độ mạnh tín hiệu của frame đó. Máy trạm sẽ so sánh các probe response frame nhận được để xác định AP nó có thể kết nối vào. Cơ chế để 1 máy trạm chọn AP để kết nối vào được xác định trong đặc tả của 802.11, nên các nhà sản xuất chỉ việc cài đặt nó. Một cách tổng quát, tiêu chuẩn chọn lựa AP có thể bao gồm: SSID phải giống nhau, độ mạnh tín hiệu, và các chức năng mở rộng khác do nhà sản xuất cài đặt vào. Hình dưới mô tả tiến trình Probe Tiến trình xác thực (Authentication) Có 2 chế độ authentication trong 802.11, đó là Open authentication và Shared key authentication. Mục đích của tiến trình này là để xác định xem một trạm nào đó có quyền truy cập vào mạng hay không. Tiến trình này bao gồm 2 frame là Authentication request frame và authentication Response Tiến trình kết nối (Association) Tiến trình Association cho phép một AP ánh xạ (map) một cổng logic hay một định danh kết nối ( AID = Association Identifier). Tiến trình này được khởi tạo bởi máy trạm bằng cách gởi Association request frame chứa những thông tin về khả năng của client và sẽ kết thúc bởi AP khi gởi lại Association response frame. Association response frame thông báo việc kết nối thành công hay thất bại cũng như mã lý do (reason code). Các trường chính của association request frame là: - Listen Interval: Giá trị này được sử dụng khi hoạt động trong chế độ tiết kiệm điện và được client cung cấp cho AP. Nó thông báo cho AP biết lúc nào thì client “thức dậy” từ chế độ tiết kiệm năng lượng để nhận những dữ liệu đã được buffer lại từ AP. - SSID: Giá trị SSID của client. Thông thường thì AP sẽ không chấp nhận những request từ các client có giá trị SSID với AP. - Support Rates: Xác định tốc độ dữ liệu mà client hỗ trợ. Các trường chính của association response frame. - Status Code: Xác định kết quả của việc association 6 - Association ID (AID): Bạn có thể xem AID như là cổng vật lý trên một Ethernet HUB hay Switch. Các trạm client cần giá trị này khi nó hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng. AP gởi một thông báo trong Beacon frame chỉ ra AID nào đang có dữ liệu được buffer. - Support rates: Chỉ ra tốc độ mà AP hỗ trợ 3.2. Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớp vật lý do giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến. Phần chủ yếu của lớp MAC tập trung vào việc quản lý tài nguyên trên airlink. Giải quyết được bài toán yêu cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh downlink và uplink. Các cơ chế điều khiển truy cập và thuật toán cấp phát băng thông hiệu quả có khả năng đáp ứng cho hàng trăm đầu cuối trên mỗi kênh. Tài nguyên được cấp phát cho một người dùng bởi trình lập lịch MAC có thể thay đổi từ một khe thời gian đơn đến toàn bộ khung, do đó cung cấp thông lượng năng động đến người dùng riêng tại bất cứ thời gian nào. Hơn thế, do thông tin cấp phát tài nguyên được vận chuyển trong thông điệp MAC ở đầu mỗi khung, trình lập lịch có thể thay đổi hiệu quả sự cấp phát tài nguyên theo kiểu từng khung một (frame by frame) để thích ứng với trạng thái tự nhiên của lưu lượng. Lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16 được thiết kế cho những ứng dụng truy cập không dây băng rộng điểm-đa điểm. Nhiệm vụ cơ bản của lớp MAC WiMAX là cung cấp một giao diện giữa những lớp cao hơn và lớp vật lý. Lớp MAC nhận packet từ lớp bên trên, những packet này được gọi là MSDU, và đưa chúng vào trong MPDU để phát trong không khí. Đối với phía thu, lớp MAC làm ngược lại. Thiết kế lớp MAC của chuẩn IEEE 802.16-2004 và chuẩn IEEE 802.16e-2005 bao gồm một phân lớp convergence có thể giao tiếp với nhiều giao thức lớp cao hơn, chẳng hạn như ATM TDM Voice, Ethernet, IP, và các giao thức khác trong tương lai. Các giao thức lớp MAC chuẩn 802.16 là hướng kết nối. Vào thời điểm truy nhập mạng, mỗi SS sẽ tạo một hoặc nhiều kết nối để truyền tải dữ liệu trên cả hai hướng (downlink và uplink). Đơn vị lập lịch lớp MAC sẽ sử dụng tài nguyên airlink để cung cấp các mức QoS phân biệt. Lớp MAC cũng thực hiện chức năng tương thích liên kết (link adaption) và truyền lại tự động ARQ nhằm duy trì thông lượng dữ liệu đối đa với tỉ lệ lỗi bit BER chấp nhận được. Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cũng điều khiển quá trình truy nhập và rời khỏi mạng của SS, thực hiện tạo và truyền các đơn vị dữ liệu giao thức PDU. Ngoài ra, lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 còn cung cấp lớp con hội tụ đặc tả dịch vụ hỗ trợ 7 lớp mạng tế bào ATM và lớp mạng gói (Packet). Lớp MAC kết hợp nhiều tính năng thích hợp cho nhiều ứng dụng ở các tốc độ di chuyển khác nhau, chẳng hạn như các tính năng sau: - PKM cho bảo mật lớp MAC. PKM phiên bản 2 kết hợp hỗ trợ giao thức chứng thực mở rộng EAP. - Hỗ trợ quảng bá broadcast and multicast. - Handover tốc độ cao. - Ba cấp độ quản lý nguồn: hoạt động bình thường, sleep và idle. - Header suppression, packing và fragmentation để sử dụng hiệu quả phổ tần. - Năm lớp dịch vụ: unsolicited grant service (UGS), real-time polling service (rtPS), non-real-time polling service (nrtPS), best effort (BE) và Extended real-time variable rate (ERT-VR) service. - Những tính năng này kết hợp với những lợi điểm của OFDMA khiến cho 802.16 thích hợp cho những ứng dụng dữ liệu multimedia tốc độ cao. - Hỗ trợ QoS là một phần cơ bản của thiết kế lớp MAC của WiMAX. WiMAX mượn một số ý tưởng cơ bản cho thiết kế QoS của nó từ chuẩn DOCSIS. - Kiểm soát QoS chặt chẽ được thực hiện bằng cách dùng kiến trúc MAC hướng kết nối, ở đó tất cả kết nối chiều lên và chiều xuống đều được điều khiển bởi BS. Hình . Lớp MAC với các điểm truy nhập dịch vụ 8 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIA SẺ TÀI NGUYÊN KÊNH TRUYỀN Các giao thức được sử dụng để quyết định ai có quyền truy cập đường truyền quảng bá trước được gom vào trong một lớp con của tầng liên kết dữ liệu gọi là lớp con MAC. Lớp con MAC là đặc biệt quan trọng trong mạng LAN, do nhiều mạng LAN sử dụng đường truyền dạng quảng bá như là phương tiện truyền thông nền tảng. Các mạng WAN, theo xu hướng ngược lại, lại dùng các nối kết dạng điểm-điểm (ngoại trừ các mạng dùng vệ tinh). Về cơ bản, có ba phương pháp điều khiển truy cập đường truyền: Chia kênh, truy cập ngẫu nhiên (Random Access) và phân lượt (“Taking-turns”). Giải thích cụ thể về ba phương pháp điều khiển truy cập đường truyền trên sẽ được trình bày ngay sau đây. 1. Phương pháp ghép kênh Ý tưởng chung của phương pháp này là: đường truyền sẽ được chia thành nhiều kênh truyền, mỗi kênh truyền sẽ được cấp phát riêng cho một trạm. Có ba phương pháp chia kênh chính: FDMA, TDMA, CDMA. 1.1. Ghép kênh theo tần số (FDMA – Frequency Division Multiple Access) Một phương thức truyền thống để chia sẻ một kênh truyền đơn cho nhiều người dùng cạnh tranh là Chia tần số (FDMA). Phổ của kênh truyền được chia thành nhiều băng tần (frequency bands) khác nhau. Mỗi trạm được gán cho một băng tần cố định. Những trạm nào được cấp băng tần mà không có dữ liệu để truyền thì ở trong trạng thái nhàn rỗi (idle). Ví dụ : Một mạng LAN có sáu trạm, các trạm 1, 3, 4 có dữ liệu cần truyền, các trạm 2, 5, 6 nhàn rỗi. Hình . Mạng FDMA Nhận xét: Do mỗi người dùng được cấp một băng tần riêng, nên không có sự đụng độ xảy ra. 9 Khi chỉ có số lượng người dùng nhỏ và ổn định, mỗi người dùng cần giao tiếp nhiều thì FDMA chính là cơ chế điều khiển truy cập đường truyền hiệu quả. Tuy nhiên, khi mà lượng người gởi dữ liệu là lớn và liên tục thay đổi hoặc đường truyền vượt quá khả năng phục vụ thì FDMA bộc lộ một số vấn đề. Nếu phổ đường truyền được chia làm N vùng và có ít hơn N người dùng cần truy cập đường truyền, thì một phần lớn phổ đường truyền bị lãng phí. Ngược lại, có nhiều hơn N người dùng có nhu cầu truyền dữ liệu thì một số người dùng sẽ phải bị từ chối không có truy cập đường truyền vì thiếu băng thông. Tuy nhiên, nếu lại giả sử rằng số lượng người dùng bằng cách nào đó luôn được giữ ổn định ở con số N, thì việc chia kênh truyền thành những kênh truyền con như thế tự thân là không hiệu quả. Lý do cơ bản ở đây là: nếu có vài người dùng rỗi, không truyền dữ liệu thì những kênh truyền con cấp cho những người dùng này bị lãng phí. Có thể dễ dàng thấy được hiệu năng nghèo nàn của FDMA từ một phép tính theo lý thuyết xếp hàng đơn giản. Bắt đầu là thời gian trì hoãn trung bình T trong một kênh truyền có dung lượng C bps, với tỉ lệ đến trung bình là khung/giây, mỗi khung có chiều dài được chỉ ra từ hàm phân phối mũ với giá trị trung bình là 1/µ bit/khung. Với các tham số trên ta có được tỉ lệ phục vụ là khung/giây. Từ lý thuyết xếp hàng ta có: T = 1 μC−λ Ví dụ : nếu C = 100 Mbps, 1/µ = 10000 bits và λ = 5000 khung/giây thì T = 200 µs. Bây giờ nếu ta chia kênh lớn này thành N kênh truyền nhỏ độc lập, mỗi kênh truyền nhỏ có dung lượng C/N bps. Tỉ lệ trung bình các khung đến các kênh truyền nhỏ bây giờ là λ/N. Tính toán lại T chúng ta có: T FDMA = 1 μ ( C/ N ) −( λ/ N) = N μC− λ =NT Thời gian chờ đợi trung bình trong các kênh truyền con sử dụng FDMA là xấu hơn gấp N lần so với trường hợp ta sắp xếp cho các khung được truyền tuần tự trong một kênh lớn. 1.2. Ghép kênh theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access) Trong phương pháp này, các trạm sẽ xoay vòng (round) để truy cập đường truyền. Vòng ở đây có thể hiểu là vòng thời gian. Một vòng thời gian là khoảng thời gian đủ để cho tất cả các trạm trong LAN đều được quyền truyền dữ liệu. Qui tắc xoay vòng như sau: một vòng thời gian sẽ được chia đều thành các khe (slot) thời gian bằng nhau, mỗi trạm sẽ được cấp một khe thời gian – đủ để nó có thể truyền hết một gói tin. Những trạm nào tới lượt được cấp cho khe thời gian của mình mà không có dữ liệu để truyền thì vẫn chiếm lấy khe thời gian đó, và khoảng thời gian bị chiếm này được gọi là thời gian nhàn rỗi (idle 10 . là kỹ thuật đa truy nhập lớp MAC (Medium Access Control). Tiểu luận này trình bày một số vấn đề cơ bản về các kỹ thuật đa truy nhập lớp MAC, kỹ thuật đánh. lớp MAC, kỹ thuật đánh giá hiệu suất với một số loại đa truy nhập và công cụ mô phỏng hiệu suất của các kỹ thuật đa truy nhập lớp MAC. Với 3 thành viên, chúng