a) Kiến trúc QoS trong mạng WLAN
Chuẩn 802.11 a/b/g đều triển khai Distributed Coordination Function (DCF) hoặc Point Coordination Function (PCF) để giành quyền truy cập đường truyền giữa các trạm trong mạng. Phương thức truy cập của 802.11 MAC là một DCF được biết như giao thức đa truy cập có cảm nhận sóng mang kết hợp với chống tắc nghẽn mạng - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Khi một trạm muốn truyền, nó cảm nhận môi trường truyền xem có trạm khác đang
truyền không. Nếu đường truyền không bận, việc truyền của trạm sẽ được thực hiện. Giải thuật CSMA/CA chỉ ra khoảng thời gian phải đợi trước khi có thể giành quyền sử dụng đường truyền nếu đường truyền bận. Nếu đường truyền bận, trạm sẽ đợi cho tới khi đường truyền rảnh và bắt đầu bộ đếm thời gian back-off. Bộ đếm thời gian back-off sẽđếm ngược về 0. Nếu khi bộ đếm trở về 0, đường truyền rảnh thì trạm bắt đầu truyền. CSMA/CA là giao thức hạn chế đụng độ xẩy ra giữa các trạm cùng truy cập đường truyền.
DCF cũng hỗ trợ việc đặt chỗ kênh truyền bằng cách dùng Request To Send/Clear To Send (RTS/CTS) thay vì truy cập ngẫu nhiên để truyền các frame dữ
liệu. Cơ chế này cũng hỗ trợ ACK (mức độ tầng MAC).
PCF sử dụng Point Coordinator (PC) đểđảm bảo không có tranh chấp đường truyền, PC hoạt động tại AP nên PCF bị hạn chế bởi những mạng cơ sở. PCF hỗ trợ
việc truy cập đường truyền không cần cạnh tranh bằng cách giám sát để bầu ra trạm
được truyền. Nó tạo một khoảng thời gian không cạnh tranh đường truyền - Contention Free Period (CFP) để bắt đầu việc bầu ra trạm được truyền. Các trạm truyền với một khoảng thời gian truyền frame ngắn hơn cơ chế DCF vì vậy có quyền ưu tiên hơn các frame đang đợi cạnh tranh đường truyền. Một khi hết thời gian CFP, các trạm có thể bắt đầu lại việc cạnh tranh kênh truyền cho tới khi bắt
đầu một CFP kế tiếp.
Với các cơ chế truy cập kênh truyền ở trên không có khả năng hỗ trợ QoS cho các trạm không dây trong mạng. Do đó chuẩn 802.11e đã giới thiệu QoS cho kiến trúc WLAN. Một chức năng mới có tên Hybrid Coordination Function (HCF) bao gồm việc cải thiện DCF và PCF với cơ chế QoS. HCF dùng hai cơ chế có tên là: Enhanced Distributed Chanel Access (EDCA) và Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access (HCCA). EDCA là một cải tiến của DCF tức là việc truy cập kênh truyền dựa vào cạnh tranh giữa các trạm. HCCA làm việc dựa trên nền tảng tương tự PCF. Các trạm có thể lấy đường truyền bằng cách sử dụng cả
EDCA TXOP (Transmit Opportunity) và HCCA TXOP. Những chức năng này sử
AP. Trong WLAN có hỗ trợ QoS, AP được gọi là QAP và các trạm dược gọi là QoS STAs.
Inter-Frame Space (IFS) là khoảng thời gian giữa các frame. Giá trị IFS độc lập với tốc độ bít của mỗi trạm và nó cốđịnh cho mỗi tầng vật l ý. Có năm IFS khác nhau được định nghĩa cho năm cấp độ ưu tiên khi truy cập mạng không dây gồm: Short Inter Frame Space (SIFS), PCF Inter Frame Space (PIFS), DCF Inter Frame Space (DIFS), Arbitration Inter Frame Space (AIFS) và Extended Inter Frame Space (EIFS). SIFS sẽđược sử dụng khi một STA chiếm dụng đường truyền và giữ đường truyền trong suốt khoảng thời gian trao đổi chuỗi frame. Việc sử dụng khoảng thời gian truyền giữa các frame có mức ưu tiên cao nhất nhằm tránh các trạm khác phải đợi đường truyền rảnh lâu hơn. PIFS được dùng bởi một trạm sử
dụng PCF. DIFS được dùng bởi trạm khi sử dụng DCF. AIFS được giới thiệu cho EDCA trong chuẩn 802.11e. AIFS được định nghĩa cho mỗi nhóm truy cập - Access Category (AC). Một trạm truyền frame đảm bảo QoS thuộc AC nào đó sẽ phải đợi một khoảng thời gian là = EIFS –DIFS + AIFS (AC) và cộng với bất cứ thời gian back-off nào trước khi truyền. EIFS được dùng trong DCF và EDCA trong trường hợp các frame phía trước bị lỗi. Hình 2.8 biểu diễn các IFS:
Hình 2.5. Các IFS
Cơ chế EDCA đưa ra mức ưu tiên tùy thuộc vào cấp độ ưu tiên của người dùng – User Priority (UP) cho các lưu lượng theo 4 nhóm truy cập gồm Background traffic (AC_BK), Best effort traffic (AC_BE), Video traffic (AC_VI) và voice
traffic (AC_VO). Có 8 giá trị UP, mỗi giá trị sẽđược ánh xạ với mỗi nhóm truy cập như trong Bảng 2.2. Mỗi nhóm truy cập có Enhanced Distributed Channel Access Function (EDCAF) để cạnh tranh TXOP của nhóm truy cập sử dụng tập tham số
EDCA gồm: minimum contention window (CWmin), maximum contention window (CWmax), AIFS, DIFS. Mỗi nhóm truy cập có giá trị tập tham số khác nhau. Các nhóm truy cập có mức độ ưu tiên cao hơn sẽ có kích thước CW nhỏ hơn và AIFS nhỏ hơn. Nếu có hai hoặc nhiều nhóm truy cập cùng một STA cùng truyền trong một thời gian sẽ xẩy ra đụng độ trong nội bộ. Sựđụng độ này được giải quyết trong phạm vi trạm bằng cách các frame dữ liệu của nhóm truy cập có độưu tiên cao hơn sẽ nhận được TXOP, các frame dữ liệu từ nhóm truy cập có độ ưu tiên thấp hơn sẽ
hành động giống như trong trường hợp có đụng độ xẩy ra giữa các trạm. Mỗi nhóm truy cập có một hàng đợi riêng trong EDCA, điều này trái ngược với tất cả các lưu lượng trong DCF cùng chia sẻ một hàng đợi chung. Các trạm giải quyết việc tranh giành kênh truyền các QoS STA trong phạm vi một nhóm truy cập bằng cách chọn ra một bộđếm back-off ngẫu nhiên tùy thuộc vào nhóm truy cập.
Bảng 2.2. Ánh xạ giữa UP và AC trong EDCA Thấp Mức ưu tiên Nhóm truy cập Kiểu lưu lượng 1 AC_BK Background 2 AC_BK Background
0 AC_BE Best Effort
3 AC_BE Best Effort
4 AC_VI Video
5 AC_VI Video
6 AC_VO Voice
Trong HCCA phương án bỏ phiếu (polling) và lập lịch (scheduling) là hai phương án quan trọng nhất. Phương án bỏ phiếu là giao thức sử dụng giữa một AP và các trạm, phương án lập lịch là giao thức sử dụng bên trong một trạm. Bên cạnh
đó còn có phương án kiểm soát truy cập.
HC được sử dụng trong HCCA, nó được đặt tại QoS AP của QoS Basic Service Set (QBSS). HC sử dụng mức ưu tiên cao để truy cập WLAN Manager (WM) bắt đầu trao đổi chuỗi frame tuần tự và cấp TXOP cho chính nó và các QoS STA khác nhằm cung cấp pha truy cập có kiểm soát - Controlled access phase (CAP) trong khoảng thời gian giới hạn cho việc truyền dữ liệu QoS không phải cạnh tranh đường truyền.
b) Kiến trúc QoS trong mạng WiMAX
WiMAX là giao thức hướng kết nối dựa trên QoS được định nghĩa trong IEEE 802.16. Một WiMAX BS chịu trách nhiệm lập lịch, quản lý và kiểm soát truy cập tất cả các kết nối từ các trạm thuê bao - Subscriber Stations (SS). Trước khi truyền dữ liệu, BS và trạm di động - Mobile Station - thiết lập một liên kết một chiều logic được gọi là một kết nối giữa hai tầng MAC ngang hàng. Mỗi kết nối
được định danh bởi Connection identifier (CID). CID là một địa chỉ tạm thời cho truyền dữ liệu qua một liên kết. Tầng MAC sử dụng giao thức WiMAX (gọi tắt là WiMAX MAC) được chia thành 3 tầng:
- Service –Specific convergence sub-layer: Tầng này có chức năng phân lớp dữ liệu ngoại mạng (external network) và kết hợp chúng với kết nối phù hợp, mỗi kết nối được định danh bởi CID và Service Flow Identifiers (SFID). Cũng có thể thực hiện các dịch vụ khác giống như Payload Header Suppression (PHS). Tầng này được hỗ trợ các kỹ thuật để có thể tương tác với các giao thức tầng cao hơn như
Ethernet, IP, ATM…
- MAC Common Part Sub-layer (CPS): Cung cấp cho lõi MAC các chức năng như truy cập hệ thống, cấp phát băng thông, thiết lập và duy trì kết nối.
- Security Sub-layer: Cung cấp việc xác thực, trao đổi khóa bảo mật và mã hóa.
Service Flow được định nghĩa trong 802.16 MAC là luồng một chiều được hỗ trợ QoS (có một tập tham số QoS cụ thể) và được định danh bởi SFID. Các tham số QoS có thể là mức ưu tiên của lưu lượng, đỗ trễ tối đa, biến thiên độ trễ (jitter), …Các luồng dịch vụ có thể được cung cấp thông qua một hệ thống quản lý mạng hoặc được tạo tựđộng thông qua cơ chế báo hiệu. BS có nhiệm vụ cấp SFID và ánh xạ luồng dịch vụ với CID duy nhất. Các luồng dịch vụ cũng có thểđược ánh xạ với mã DSCP hoặc nhãn MPLS với mục đích thực hiện E2E QoS trong mạng sử dụng giao thức IP. Để hỗ trợ được nhiều ứng dụng, WiMAX định nghĩa năm dịch vụ được hỗ trợ khả năng thiết lập lịch trình truyền dữ liệu qua một kết nối của BS trong MAC:
- Unsolicited grant services (UGS): Hỗ trợ các gói dữ liệu có kích thước cố định với tốc độ bít không thay đổi - Constant bit rate. Ví dụ các ứng dụng sử dụng dịch vụ này như T1/E1 và VoIP. Các tham số QoS của dịch vụ này là tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum subtained traffic rate), độ trễ tối đa (maximum latency), biến thiên độ trễ (tolerated jitter), và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Real-time polling services (rtPS): Hỗ trợ các luồng dịch vụ thời gian thực như video chuẩn MPEG, các luồng dữ liệu này có kích thước gói thay đổi theo chu kì. Các tham số QoS của dịch vụ này bao gồm: tốc độ lưu lượng tối thiểu được đặt chỗ (minimum reserved traffic rate), tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum subtained traffic rate), độ trễ tối đa (maximum latency),và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Non-real-time polling service (nrtPS): Hỗ trợ luồng dữ liệu chấp nhận trễ
có kích thước dữ liệu thay đổi đảm bảo ở tốc độ tối thiểu, ví dụ như FPT. Các tham số QoS của dịch vụ gồm: tốc độ lưu lượng tối thiểu được đặt chỗ (minimum reserved traffic rate), tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum sustained traffic rate), mức ưu tiên, và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Best-effort (BE): Hỗ trợ các luồng dữ liệu không yêu cầu đảm bảo tại cấp
độ dịch vụ. Các tham số QoS là tốc độ lưu lượng tối đa được duy trì (maximum subtained traffic rate), mức ưu tiên, và chính sách yêu cầu/truyền dữ liệu.
- Extended real – time variable rate (ERT-VR): Dịch vụ này hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực, có tốc độ dữ liệu biến thiên nhưng yêu cầu phải đảm bảo tốc độ
dữ liệu và độ trễ, ví dụ như VoIP có khử khoảng lặng (silence suppression). Dịch vụ
này được định nghĩa trong IEEE 820.11e-2005, không được định nghĩa trong IEEE 802.16-2004. Dịch vụ này được xem như mở rộng của dịch vụ rtPS, gọi là ErtPS.
Mặc dù không định nghĩa một bộ lập lịch cho chính nó, WiMAX định nghĩa một vài tham số và thông số chức năng để thực hiện như một bộ lập lịch hiệu quả:
- Định nghĩa chi tiết các tham số cho các yêu cầu QoS và hỗ trợ các cơ chế đa dạng đểđạt hiệu quả trong việc báo hiệu điều kiện lưu lượng và các yêu cầu QoS cụ thể trong uplink.
- Hỗ trợ việc cấp phát tài nguyên theo ba cách trong tầng MAC. Tài nguyên có thể được cấp phát theo thời gian (dùng time slot), theo tần số (dùng subcarrier), và theo không gian (dùng nhiều ăng ten) trên cơ sở frame-by-frame.
- Hỗ trợ việc phản hồi thông tin chất lượng kênh truyền nhanh chóng để
cho phép bộ lập lịch lựa chọn cách mã hóa (coding) và thay đổi phù hợp cho mỗi cấp phát.
- Hỗ trợ việc hoán đổi sóng mang phụ liên tục cho phép bộ lập lịch khai thác được nhiều người dùng bằng cách cấp cho mỗi thuê bao kênh phụ mạnh nhất.
c) Kiến trúc PBB-TE
IEEE 802.1ah hỗ trợ Provider Backbone Bridge (PBB) để cải thiện VLAN tại tầng MAC (802.1ad-VLAN). Tiêu chuẩn cơ sởđể cung cấp dịch vụ trong VLAN là 802.1Q sử dụng 12 bit cho VLAN ID trong VLAN Tag. Mặc dù 4096 VLAN là
đủ cho mạng doanh nghiệp nhưng nhà cung cấp dịch vụ khó mở rộng và cũng không chắc chắn rằng tag của khách hàng có trùng với một tag khác trong mạng của họ không. Để khắc phục vấn đề này, 802.1ad Provider Bridge đã bổ sung thêm VLAN Tag có tên là S-VLAN cho VLAN Tag ban đầu (Customer VLAN (C- VLAN)). Có hai vấn đề tồn tại khi bổ sung S-VLAN:
- Tính mở rộng: 12 bit của S-VLAN ID chỉ có thể tạo ra 4096 dịch vụ
- Địa chỉ MAC: Mặc dù nhà cung cấp mạng cần phải lưu địa chỉ MAC của khách hàng để có thể chuyển dữ liệu được. Nhưng điều này lại ảnh hưởng tới vấn
đề an toàn bảo mật cho khách hàng và gánh nặng cho nhà cung cấp khi phải lưu một danh sách dài các địa chỉ MAC thường xuyên thay đổi.
802.1ah là chuẩn khắc phục được các vấn đề trong Provider Bridge Network (PBN) bằng việc hỗ trợ Provider Backbone Bridge Networks (PBBN)(Hình 2.6) .
Hình 2.6. Ví dụ của PBBN (Nguồn: IEEE Communications Magazine, 2008)
PBBN bao gồm tập các Backbone Edge Bridge (BEBs) liên kết với một tập các Backbone Core Bridges (BCBs) dùng Backbone VLANs (B-VLAN). B-VLAN tương tự như S-VLAN cũng được định danh bằng 12-bit VLAN ID. Một BEB đóng gói frame của người dùng, tag VLAN và dữ liệu bằng cách thêm vào Backbone Source MAC (B-SA) và Destination MAC (B-DA) (Địa chỉ MAC nguồn và MAC
đích), và thêm định danh dịch vụ I-Tag, và định danh B-VLAN được gọi là B-Tag.
Định dạng của I-Tag và B-Tag được chỉ ra trong Hình 2.7. I-Tag đóng gói địa chỉ
MAC của khách hàng và định danh dịch vụ gồm 24 bit (24-bit Backbone Service Identifier (I-SID), với I-SID nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp tới 224 dịch vụ
ẩn đối với lõi nhà cung cấp dịch vụ. Một frame Ethernet từ mạng Provider Bridge hoặc từ mạng của khách hàng với tag C-VLAN sẽ được đóng gói cùng với địa chỉ
Backbone MAC, I-Tag, B-tag, PBBN sẽ sử dụng các thông tin thêm vào này để
chuyển mạch và hướng frame đi. Các BCB sẽ đọc B-tag để hướng frame đi trong PBBN. Định dạng B-Tag giống như tag S-VLAN trong 802.1ad. Bởi vì VLAN của khách hàng bao gồm (C-VID và S-VID) được ẩn hoàn toàn trong mạng backbone, nhà cung cấp có thể sử dụng các giá trị B-VID trùng lặp. Định danh dịch vụ I-SID hỗ trợ các dịch vụ khác với dịch vụđược cung cấp bởi B-VID.
Hình 2.7. Định dạng I-Tag và B-Tag
Chuẩn 802.1ay có tên PBB-Traffic Engineering (TE) được đưa ra để nâng cấp 802.1ah với việc cung cấp đường hầm trong mạng Ethernet hỗ trợ QoS, phục hồi và các chức năng OAM (Operations, Administration, Maintenance). Việc chuyển mạch vẫn giống với chuyển mạch trong mạng Ethernet truyền thống, hướng dữ liệu theo đích đã định trước dựa vào bảng chuyển tiếp (forwarding table), chỉ
khác ở chỗ bảng chuyển tiếp không theo cơ chế học địa chỉ MAC như truyền thống. Thay vào đó nó được cung cấp trực tiếp bởi mặt phẳng quản lý hoặc mặt phẳng kiểm soát. Kết quả là một tuyến đường được thiết lập trước xuyên qua mạng. Tuyến
đường này được gọi là Ethernet Switched Path (ESP). Một miền PBB-TE được hình thành bởi tập các PBB, cho phép kiểm soát các thành phần ngoại biên bởi một tập con VID. Dịch vụ PBB-TE/ESP-TE chính là việc đóng gói frame của khách hàng
với ESP tương ứng. Đường hầm ESP-TE (ESP Traffic Engineeing) có thể được hình thành tĩnh hoặc sử dụng báo hiệu thông qua mặt phẳng kiểm soát, hoặc thông qua một tác tử bên ngoài (external agent có thể là thực thể quản lý hoặc thực thể tại mặt phẳng kiểm soát). Một ESP là một đường hầm được định danh bởi ba thành phần:
<ESP-MAC SA, ESP-MAC DA, ESP-VID> Trong đó:
- ESP-MAC SA là địa chỉ backbone MAC của cổng backbone trên BEB nguồn
- ESP-MAC DA là địa chỉ backbone MAC của cổng backbone trên BEB đích - ESP-VID là VLAN ID Backbone
Một ESP được cấu hình để cung cấp các kiểu dịch vụ khác nhau: point-to-