2.4. Kết nối WLAN với Internet
2.4.4. Vấn đề nút mạng di động
Đối với mạng WLAN, tính di động của các trạm là một trong những ưu điểm vượt trội so với các loại mạng có dây khác. Việc nút mạng vừa trao đổi dữ liệu vừa di chuyển (tạm gọi là Mobi Host - MH) trong 1 hay nhiều vùng phủ của 1 hay nhiều AP là điều rất tự nhiên. Khi MH di chuyển trong vùng phủ sóng đó, các cơ chế tương tác giữa AP và MH được đặt ra để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Trong phần này, tơi sẽ phân tích một số vấn đề chính như: sự di động của nút mạng trong vùng phủ sóng của một AP, chuyển vùng của nút mạng (roaming) và ảnh hưởng của việc di chuyển đến hiệu suất truyền thông trong mạng WLAN.
2.4.4.1. Nút mạng di động trong vùng phủ sóng của một AP
Một AP có thể cung cấp kết nối WLAN đến các MH chỉ trong tầm vực phát sóng của nó. Phạm vi tín hiệu có thể được định nghĩa một cách tương đối bởi loại ăng ten đang được dùng cho AP. Trong mơi trường khơng khí và lý tưởng, phạm vi này là một hình cầu bao bọc xung quanh một ăng ten đẳng hướng, phạm vi phủ sóng là ba chiều, trên mặt phẳng phạm vi phủ sóng là một vịng trịn có tâm là vị trí của AP.
Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp Trong mạng WLAN, AP thường được đặt cố định và được tính tốn kỹ Trong mạng WLAN, AP thường được đặt cố định và được tính tốn kỹ lưỡng sao cho phạm vi phủ sóng đạt được mức tốt nhất. Tuy nhiên, hoạt động thật sự của WLAN sẽ ln trong tình trạng thay đổi do các MH khơng dây có thể thay đổi vị trí thường xuyên.
Vấn đề di chuyển của các MH làm cho khả năng phủ sóng của AP để đáp ứng cho MH có thể trở nên khó khăn hơn dự kiến. Các MH di chuyển vòng quanh và phía sau những vật cản như trong một phịng, phía sau tường, cửa… những vật cản bằng vật chất thật này gây ảnh hưởng lên hoạt động truyền tín hiện sóng điện từ của AP và MH.
Phạm vi phủ sóng của một AP được gọi là một cell. Các MH trong một cell có thể kết hợp với AP để trao đổi với MH khác hoặc truy cập mạng bên ngồi. Giả sử một AP có bán kính phủ sóng là R (nếu xét trong mặt phẳng chứa MH) thì MH có thể di chuyển thoải mái bên trong phạm vi (cell) đó và truy cập mạng khơng dây qua AP từ bất kỳ vị trí nào, trường hợp lý tưởng nếu MH càng gần AP cường độ tín hiệu càng mạnh đồng nghĩa với hiệu suất truyền thông giữa AP và MH là tốt nhất. Khi MH di chuyển đến những vị trí biên (là những vị trí cường độ tín hiệu bằng ngưỡng) thì MH vẫn cịn có thể kết nối được với AP (như vị trí A, B) cịn những điểm mà tại đó cường độ tín hiệu thấp hơn ngưỡng chấp nhận được (vị trí C) thì MH đó sẽ bị mất liên lạc với AP (Hình 2.17)
2.4.4.2. Nút mạng di động trong nhiều vùng phủ sóng khác nhau.
Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng WLAN
đó là cường độ tín hiệu tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ MH đến AP. Điều
này có nghĩa là, trong phạm vi rộng, một AP khó có thể đáp ứng được chất lượng dịch vụ cho MH khi nó ở các vị trí tiệm cận với ngưỡng tín hiệu chấp nhận được, đặc biệt trong các khơng gian có nhiều vật cản. Để giải
quyết vấn đề này cần mở rộng phạm vi phủ sóng của WLAN bằng cách thêm các AP. Thông thường, các AP được đặt sao cho các cell bao phủ mọi không gian (theo yêu cầu) để MH có thế kết nối được với mạng ở mọi vị trí bất kỳ trong khơng gian đó. Tuy nhiên, giải pháp này nảy sinh vấn đề chồng lấn vùng phủ sóng của các AP. (hình 2.18)
Như đã phân tích ở mục 2.4.3, trên các AP chuẩn 802.11 được hỗ trợ 11 kênh. Khi 2 AP liền kề nhau (vùng phủ sóng giao nhau) sử dụng cùng kênh truyền, tín hiệu của AP này sẽ bị nhiễu bởi tín hiệu của AP cịn lại và nhiễu này sẽ đạt cực đại tại vùng giao của 2 vùng phủ sóng của 2 AP. (Hình 2.19)
Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền SW SW
Khi 2 AP liền kề sử dụng 2 kênh truyền có dải tần khơng giao nhau, tại vùng phủ sóng giao nhau, tín hiệu của 2 AP này không gây nhiễu cho nhau và việc thực hiện chuyển vùng sẽ thuận lợi hơn. (Hình 2.20)
Khi một MH đã kết nối đến một AP, nó có thể tự do di chuyển xung quanh khơng gian AP đó kiểm soát. Nếu MH di chuyển từ một cell của AP này sang một cell của AP khác (không cùng kênh truyền), việc chuyển vùng (roaming) sẽ diễn ra.
Với MH, khi di chuyển thường có 2 chế độ quét để tìm AP. Quét chủ động (Active scanning) và quét thụ động (Passive scanning). Quét chủ động là MH quét những kênh khác nhau và gửi yêu cầu thăm dò (probe request) để "chất vấn" các AP mà nó tìm được (available AP). Quét bị động thì MH chỉ lắng nghe tín hiệu từ các AP mà nó dị được.
Hình 2.20 minh họa MH sẽ được chuyển vùng khi di chuyển từ cell này sang cell không cùng kênh truyền, MH muốn di chuyển từ A đến C và được chuyển vùng. Tại điểm A, MH kết nối với AP1 mà khơng có bất kỳ tín hiệu nào được gửi đến AP2 (vì AP1 và AP2 khác kênh nhau). MH di chuyển đến điểm B, tại đây tín hiệu của AP1 bị suy giảm, MH bắt đầu tiến hành qt chủ động để dị tìm AP khác có tín hiệu tốt hơn và tìm thấy AP2. Sau khi thỏa thuận xong với AP2, MH gửi thông điệp "disassociation" với AP1 để kết nối với AP2. Tại điểm C, MH hoàn toàn "giao tiếp" với AP2.
Hiện nay thuật tốn chuyển vùng khơng được định nghĩa trong 802.11, nên nhà sản xuất tùy ý cài đặt, do vậy có thể nó trở thành bí mật kinh doanh của các nhà sản xuất vì tùy thuật tốn mà tính ưu việt của việc chuyển vùng sẽ khác nhau.
Tuy nhiên, chuyển vùng của MH giữa 2 AP thường có những bước chính nhất định. Giả sử một MH cần chuyển vùng từ AP1 sang AP2 có kênh truyền khác của AP1, tiến trình chuyển vùng được thực hiện trên lớp 2 của mơ hình TCP/IP. Các bước chuyển vùng được thực hiện như sau:
Bước 1: AP1 phải xác định rằng MH đã đi ra khỏi vùng phủ sóng của nó. Bước 2: AP1 sẽ lưu lại tất cả những dữ liệu gửi đến MH đang muốn chuyển
vùng (không bắt buộc vì nó khơng được định nghĩa trong 802.11).
Bước 3: AP2 sẽ thông báo cho AP1 rằng MH đã chuyển vùng thành công
(tức là MH đã nằm trong vùng phủ sóng và kết nối với AP2). Bước này thường xảy ra thơng qua 1 gói tin unicast hoặc multicast từ AP2 gửi tới AP1 trong đó
địa chỉ MAC nguồn là của MH (khơng bắt buộc vì nó khơng được định nghĩa trong 802.11).
Bước 4: AP1 sẽ gửi các dữ liệu đã lưu cho MH đó đến AP2 thông qua các
chuyển mạch SW (AP1 sẽ gửi dữ liệu cho SW, SW sẽ forward cho AP2)
Bước 5: AP1 phải xác định 1 lần nữa rằng MH đã rời khỏi nó rồi xóa dữ
liệu của MH đang lưu trong buffer của AP1.
Bước 6: AP2 sẽ cập nhập bảng địa chỉ MAC trên các bộ chuyển mạch trung
gian để ngăn ngừa việc mất dữ liệu (do AP1 khơng cịn lưu dữ liệu nữa). Sau bước này, AP2 sẽ điều khiển để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu của MH.
Như vậy, khi MH di chuyển, có thể nó đi qua vùng phủ sóng của 1 vài AP nhưng cuối cùng MH sẽ chọn 1 AP thích hợp nhất; tại một thời điểm, bất kỳ MH nào khi thực hiện kết nối thì chỉ thông qua một AP, điều này cũng giảm thiểu khả năng mất dữ liệu đang gửi hoặc đang nhận khi quá trình roaming diễn ra.
Trong thực tế, khi một AP được cấu hình để bao phủ một vùng rộng lớn, nó cũng tiềm tàng một khả năng là có quá nhiều MH kết nối vào. Do trong một cell, môi trường dùng chung được chia sẻ cho tất cả các MH trong vùng phủ sóng theo chế độ bán song công (half duplex) nên khi số lượng MH kết nối vào AP tăng lên, tổng số băng thông và thời gian cho mỗi máy sẽ giảm xuống. Để khắc phục vấn đề này, cần điều chỉnh công suất phát sao cho phù hợp giữa số lượng MH cần kết nối và băng thông của WLAN. Với những ứng dụng cần đáp ứng trong thời gian thực như Voice, Video vấn đề băng thơng rất quan trọng, địi hỏi sự cân đối giữa cơng suất phát và kích thước cell để hiệu suất của hệ thống đạt kết quả cao nhất.
2.4.4.3. Nút mạng di động và hiệu suất truyền thông
Sự di chuyển của MH trong cell gây nên một số thách thức trong việc đảm bảo QoS. Các yếu tố cần được xem xét đó là:
Cơng suất tín hiệu của phía nhận bị biến đổi theo vị trí và thời gian do
các hiệu ứng bóng, che khuất và pha đinh nhiều đường, sự thay đổi bất thường ngẫu nhiên của các luồng không dây dẫn đến tỷ lệ lỗi bit cao. Những đặc điểm này gây nhiều khó khăn trong việc đảm bảo độ tin cậy của kết nối cũng như cho dự báo tốc độ dữ liệu, trễ và mất gói tin để hệ thống có những động thái kịp thời thích ứng nhằm khắc phục lỗi.
Vấn đề quản lý vị trí MH và định tuyến nhằm đảm bảo tính liên tục của kết nối truyền thông. Đa số phần mạng không dây được tổ chức theo cấu trúc tổ
ong. Sự di chuyển của MH từ ô này sang ô khác được gọi là chuyển giao (handover, handoff). Khi người dùng chuyển vào một ô mới, mạng không dây cần một thời gian cho cơng việc quản trị (xác thực, tính thời gian) và tính tốn lại cho tuyến mới nên khơng tránh khỏi xảy ra trễ. Ngoài ra, trong khi chuyển giao, việc trao đổi tín hiệu có thể bị gián đoạn trong khoảng thời gian ngắn và một số gói có thể bị mất. Các ứng dụng chất lượng cao hơn phải có khả năng thích ứng với trễ này và cần các cơ chế để giảm ảnh hưởng của chuyển giao.
MH di chuyển vào một cell đang có tải cao, thủ tục chuyển giao có thể bị
hỏng và kết nối bị ngắt nếu khơng cịn kênh khả dụng (nói chung, khơng cịn tài nguyên khả dụng) trong cell mới. Để giải quyết vấn đề này, về nguyên lý có thể áp dụng hai kỹ thuật đó là dành sẵn trước (reservation in advance) và mượn kênh (channel borrowing). Với kỹ thuật mượn kênh, người dùng có thể sử dụng một phần dung lượng của cell của AP bên cạnh (nếu còn kênh khả dụng) và chuyển vùng mềm có thể được hỗ trợ. AP này cấp phát dung lượng phù hợp cho cell hiện thời của nó. Tuy nhiên, đây là một bài tốn khá phức tạp mà AP khó có thể giải quyết được để cân đối đảm bảo hiệu quả sử dụng tài nguyên cho các MH hiện thời của nó và các MH mượn kênh.
Dịch vụ liên tục (seamless service) luôn mong muốn đảm bảo QoS cho MH khi di chuyển giữa các cell khác nhau. Tuy nhiên, các MH khi di chuyển có thể phải chịu các tỷ lệ lỗi kênh khác nhau. Vấn đề này rất nghiêm trọng trong khi chuyển giao, khi MH đi vào một ơ có tỷ lệ lỗi bit, độ trễ cao hơn ơ trước đó. Đây cũng là một bài tốn cần tính đến trong thủ tục chuyển giao.