Nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp phân tích và đánh giá chất lƣợng dịch vụ thích hợp của các hệ thống mạng cục bộ không dây dựa trên chuẩn 802.11. Với mỗi phƣơng pháp nêu ra các đặc điểm, ƣu nhƣợc điểm và các tình huống nên áp dụng để có hiệu quả nhất.
Tìm hiểu đặc điểm chuẩn IEEE 802.11 và các họ cải tiến của nó: physical layer, MAC sub-layer, cơ chế truy cập.
Tìm hiểu chuỗi Markov và sử dụng chuỗi Markov để mơ hình hóa q trình backoff trong giao thức truy cập của chuẩn IEEE 802.11 và các họ cải tiến của nó.
+ Cấu trúc luận văn
Luận văn phân chia thành 5 chƣơng
Chƣơng 1: Giới thiệu chung về luận văn, bối cảnh nghiên cứu và định hƣớng đế tài của luận văn.
Chƣơng 2: Giới thiệu về chuẩn IEEE 802.11, hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ trên nền IEEE 802.11 - công nghệ wifi và mạng WLAN
Chƣơng 3: Trình bày về những phƣơng pháp đánh giá hiệu năng chất lƣợng dịch vụ của mạng không dây WLAN
Chƣơng 4: Mơ hình phân tích cải tiến QoS IEEE 802.11 và kết quả mô phỏng.
Chƣơng 5: Kết luận và đánh giá những kết quả đạt đƣợc trong quá trình thực hiện nghiên cứu và đề xuất hƣớng nghiên cứu phát triển cho đề tài.
Chƣơng 2:
IEEE 802.11 - CÔNG NGHỆ WIFI MẠNG WLAN
Phần này đề cập chi tiết, tìm hiểu về bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11, tính chất và các ứng dụng.
2.1 GIỚI THIỆU BỘ TIÊU CHUẨN IEEE 802.11
IEEE 802.11 là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE bao gồm các đặc tả kỹ thuật liên quan đến hệ thống mạng không dây, để cung cấp kết nối không dây tới các thiết bị, hoặc các trạm tự động yêu cầu triển khai nhanh, trạm di chuyển đƣợc, hoặc đƣợc gắn lên các phƣơng tiện chuyển động bên trong một v ng. Chuẩn IEEE 802.11 sử dụng sóng vơ tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị khơng dây và điểm truy cập (AP), hoặc giữa 2 hay nhiều thiết bị không dây với nhau.
2.2 CÁC CHUẨN CON TRONG CHUẨN IEEE 802.11
Chuẩn IEEE 802.11 ra đời vào năm 1997, sử dụng phƣơng pháp trải phổ trong băng tần ISM (dải tần số dành cho công nghiệp, khoa học và y học), tốc độ đạt đƣợc là 2 Mbps. Danh sách các chuẩn con trong bộ chuẩn IEEE 802.11:
* IEEE 802.11 - The original 1 Mbit/s and 2 Mbit/s, 2.4 GHz RF and IR standard (1999)
* IEEE 802.11a - 54 Mbit/s, 5 GHz standard (1999, shipping products in 2001)
* IEEE 802.11b - Enhancements to 802.11 to support 5.5 and 11 Mbit/s (1999)
* IEEE 802.11c - Bridge operation procedures; included in the IEEE 802.1D
standard (2001)
* IEEE 802.11d - International (country-to-country) roaming extensions (2001)
* IEEE 802.11e - Enhancements: QoS, including packet bursting (2005)
* IEEE 802.11f - Inter-Access Point Protocol (2003) Withdrawn February 2006
* IEEE 802.11g - 54 Mbit/s, 2.4 GHz standard (backwards compatible with b) (2003)
*IEEE 802.11h-Spectrum Managed 802.11a (5 GHz) for European
* IEEE 802.11i - Enhanced security (2004) * IEEE 802.11j - Extensions for Japan (2004)
* IEEE 802.11k - Radio resource measurement enhancements * IEEE 802.11l - (reserved and will not be used)
* IEEE 802.11m - Maintenance of the standard; odds and ends. * IEEE 802.11n - Higher throughput improvements
* IEEE 802.11o - (reserved and will not be used)
* IEEE 802.11p - WAVE - Wireless Access for the Vehicular Environment (such as ambulances and passenger cars)
* IEEE 802.11q - (reserved and will not be used, can be confused with 802.1Q VLAN trunking)
*IEEE 802.11r - Fast roaming
*IEEE 802.11s - ESS Mesh Networking
*IEEE802.11t Wireless Performance Prediction (WPP) test methods and metrics *IEEE 802.11u - Interworking with non-802 networks (e.g., cellular)
*IEEE 802.11v - Wireless network management *IEEE 802.11w - Protected Management Frames *IEEE 802.11x - (reserved and will not be used) *IEEE 802.11y - 3650-3700 Operation in USA
2.2.1 IEEE 802.11b
Chuẩn IEEE 802.11b đƣợc xây dựng dựa trên chuẩn IEEE 802.11, ban đầu giống nhau về kiến trúc, đặc điểm và các dịch vụ cung cấp, chỉ khác so với chuẩn ban đầu ở tầng vật lý. IEEE 802.11b cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu cao hơn và kết nối hiệu quả hơn, có hai tốc độ truyền dữ liệu là 5.5 Mbps và 11MBps, nhờ sử dụng CCK (Complementary Code Keying) dùng một chuỗi các mã để mã hố tín hiệu, sử dụng 6 bit để mã hố một từ. Từ mã hố theo CCK sau đó đƣợc điều chỉnh với kỹ thuật QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) sử dụng DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 2Mbps. Nhƣợc điểm là dễ bị nghẽn và hệ thống dễ bị
nhiễu bởi lị vi sóng, các loại điện thoại hoạt động ở tần số 2.4 GHz và các mạng Bluetooth. Chuẩn này hiện vẫn còn đƣợc sử dụng phổ biến bởi sự ph hợp trong các môi trƣờng sử dụng mạng không dây.
2.2.2 IEEE 802.11a
Chuẩn IEEE 802.11a có tốc độ truyền 54 Mbps, truyền nhanh hơn so với chuẩn IEEE 802.11b. Có tối đa là 8 kênh, hoạt động tại tần số 5GHz, sử dụng phƣơng pháp trải phổ trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tại lớp vật lý. Để có đƣợc tốc độ cao ngƣời ta đã tiến hành kết hợp nhiều kênh có tốc độ thấp thành một kênh có tốc độ cao 802.11a sử dụng OFDM định nghĩa tổng cộng 8 kênh khác nhau có độ rộng 20MHz thơng qua 2 băng thấp; mỗi một kênh đƣợc chia thành 52 kênh mang thông tin, độ rộng xấp xỉ 300KHz và truyền song song.
Việc chỉnh sửa lỗi trƣớc FEC (Forward Error Correction) đƣợc sử dụng trong 802.11a để có thể đạt đƣợc tốc độ cao hơn. Tất cả các băng tần d ng cho Wireless LAN là khơng cần đăng ký, vì thế dễ dẫn đến sự xung đột và nhiễu. Để tránh sự xung đột này, cả 801.11a và 802.11b đều có sự điều chỉnh giảm các mức của tốc độ truyền dữ liệu. Trong khi 802.11b có các tốc độ truyền dữ liệu là 5.5, 2 và 1 Mbps thì 802.11a có 7 mức (48, 36, 24, 18, 12, 9, và 6).
2.2.3 IEEE 802.11g
Chuẩn 802.11g là sự cải tiến của 801.11b về tốc độ truyền và băng thơng, tƣơng thích đƣợc với chuẩn 802.11b. Chuẩn 802.11g có hai đặc tính sau:
• Sử dụng kỹ thuật trải phổ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) để có thể cung cấp các dịch vụ có tốc độ lên tới 54Mbps. Hiện nay FCC đã cho phép sử dụng OFDM tại cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz.
• Tƣơng thích với các hệ thống 802.11b tồn tại trƣớc. Do đó, 802.11g cũng có hỗ trợ CCK và thiết bị 802.11g cũng có thể giao tiếp với thiết bị 802.11b có sẵn.
Số kênh tối đa mà 802.11g đạt đƣợc là 3 nhƣ 802.11b và do hoạt động ở tần số 2.4 GHz nhƣ 802.11b, hệ thống sử dụng 802.11g cũng dễ bị nhiễu nhƣ 802.11b.
2.2.4 IEEE 802.11i
Chuẩn 802.11i ra đời đã giải quyết đƣợc vấn đề về bảo mật mà các chuẩn trƣớc đó khơng thực hiện đƣợc. Mơ tả cách mã hố dữ liệu truyền giữa các hệ thống sử dụng 2 chuẩn này: 802.11i định nghĩa một phƣơng thức mã hoá mới gồm Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) và Advanced Encryption Standard (AES).
2.2.5 CÁC CHUẨN KHÁC IEEE 802.11
• IEEE 802.11h: Hƣớng tới việc cải tiến công suất phát và lựa chọn kênh của chuẩn IEEE 802.11a, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn của thị trƣờng châu Âu.
• IEEE 802.11j: Sự hợp nhất trong việc đƣa ra phiên bản tiêu chuẩn chung của hai tổ chức tiêu chuẩn IEEE và ETSI (European Telecommunications Standards Institute) trên nền IEEE 802.11a và HiperLAN/2.
• IEEE 802.11k: Cung cấp khả năng đo lƣờng mạng và sóng vơ tuyến, thích hợp cho các lớp cao hơn.
• IEEE 802.11n: Mở rộng thơng lƣợng (>100Mbps tại MAC SAP) trên băng 2.4GHz và 5GHz.
(Trang web chính thức của bộ giao thức 802.11 trong đó có thơng tin về các mốc thời gian quan trọng của các chuẩn giao thức con có thể đƣợc tìm thấy ở địa chỉ http://www.ieee802.org/11/802.11_Timelines.htm)
2.3 KIẾN TRÚC CỦA CHUẨN IEEE 802.11 2.3.1 CÁC THÀNH PHẦN KIẾN TRÚC 2.3.1 CÁC THÀNH PHẦN KIẾN TRÚC
Chuẩn IEEE 802.11 định nghĩa tầng vật lý và tầng MAC cho một mạng WLAN. Chuẩn này định nghĩa ba tầng vật lý khác nhau cho mạng WLAN 802.11, mỗi tầng hoạt động ở một dải tần khác nhau và sử dụng các tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps. Kiến trúc cơ bản của 802.11 là tế bào (cell) với tên gọi trong 802.11 là BSS (đƣợc gọi là tập hợp dịch vụ cơ bản, Basic Service Set). Mỗi BSS thƣờng gồm một vài máy trạm không dây và một trạm trung tâm đƣợc gọi là AP (access point). Các máy trạm (có thể di động hoặc cố định) và trạm trung tâm liên lạc với nhau bằng giao thức MAC - IEEE 802.11 khơng dây. Có thể kết nối nhiều trạm AP với nhau bằng mạng hữu tuyến Ethernet hoặc một kênh không dây khác để tạo một hệ thống
phân tán (DS - distributed system). Đối với các giao thức ở tầng cao hơn, hệ thống phân tán này nhƣ là một mạng 802 đơn.
Các máy trạm d ng chuẩn IEEE 802.11 có thể nhóm lại với nhau để tạo thành một mạng ad-hoc, mạng khơng có điều khiển trung tâm và khơng có kết nối với "thế giới bên ngồi". Mạng đƣợc hình thành tức thời khi một số thiết bị di động tình cờ thấy mình đang ở gần nhau trong khi đang có nhu cầu liên lạc mà khơng tìm thấy một cơ sở hạ tầng mạng sẵn có tại chỗ (chẳng hạn một BBS 802.11 với một trạm AP). Tƣơng tự nhƣ mạng Ethernet hữu tuyến 802.3, các máy trạm trong mạng WLAN 802.11 phải phối hợp với nhau khi d ng chung môi trƣờng truyền dẫn. Giao thức MAC có nhiệm vụ điều khiển sự phối hợp này là giao thức CSMA/CA.
Toàn bộ liên kết mạng LAN không dây bao gồm các cell khác nhau, các điểm truy cập và hệ phân phối tƣơng ứng, đƣợc xem xét thơng qua mơ hình OSI, nhƣ một mạng đơn chuẩn IEEE 802 và đƣợc gọi là tập hợp dịch vụ đƣợc mở rộng (ESS). Hình 2.1 mơ tả một chuẩn mạng LAN IEEE 802.11 tiêu biểu.
Hình 2.1: Mạng WLAN IEEE 802.11 tiêu biểu
2.3.2 KIẾN TRÚC CÁC LỚP TRONG MƠ HÌNH OSI CHUẨN IEEE 802.11
Chuẩn IEEE 802.11 định nghĩa lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy cập môi trƣờng (MAC) cho các mạng WLAN.
2.3.2.1 LỚP VẬT LÝ
Bảng 2.1: so sánh các lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.11. Chuẩn tuyến (RF) Tần số vô Hồng ngoại
(IR) Cơ chế cực đại (Mbps) Tốc độ dữ liệu
IEEE 802.11 2.4 GHz DSSS 2
IEEE 802.11 2.4 GHz FHSS 2
IEEE 802.11 850 - 950 nm IR 2
IEEE 802.11a 5 GHz OFDM 54
IEEE 802.11b 2.4 GHz DSSS 11
Bảng 2.1: Hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS 2.4 GHz và hệ thống IR của chuẩn IEEE 802.11 ít khi đƣợc sử dụng. Lớp vật lý OFDM 5 GHz có phạm vi hạn chế (xấp xỉ 15m) nên nó ít đƣợc sử dụng. Đa số các sản phẩm hiện tại sử dụng công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) theo chuẩn IEEE 802.11b ở tốc độ dữ liệu lên trên tới 11 Mbps do lợi thế khả năng thực hiện và giá thành của nó.
DSSS giúp tăng thêm thông lƣợng và độ tin cậy của truyền dẫn bằng cách sử dụng nhiều dải tần. DSSS hoạt động bằng cách chuyển đổi mỗi bit truyền thành một chuỗi "tín hiệu" mà thực chất là một chuỗi số 0 1 và đƣợc truyền song song qua một dải tần rộng. Do sử dụng nhiều dải tần, nên giảm thiểu đƣợc nhiễu, tăng cƣờng độ tin cậy truyền dẫn khi có hiện tƣợng giao thoa. Mỗi bit đƣợc biểu diễn bởi một chuỗi tín hiệu, nếu một phần của chuỗi bị mất thì phần tín hiệu nhận đƣợc vẫn đủ để phân biệt bit gốc.
2.3.2.2 ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP MÔI TRƢỜNG LỚP MAC
802.2 Data player
Link 802.11
FH DS IR PHY
Hình 2.2: Lớp MAC
Tiêu chuẩn kỹ thuật của MAC 802.11 tƣơng tự với MAC Ethernet chuẩn IEEE 802.3 cộng với điều khiển liên kết Logic (LLC) chuẩn IEEE 802.2, làm cho không gian địa chỉ MAC chuẩn IEEE 802.11 tƣơng thích với khơng gian địa chỉ MAC của các giao thức IEEE 802. Lớp MAC Ethernet của chuẩn IEEE 802.3 thực chất là CSMA/CD - đa truy cập nhạy sóng mang phát hiện xung đột, thì MAC chuẩn IEEE 802.11 là CSMA/CA - đa truy cập nhạy sóng mang tránh xung đột. Sự
khác nhau này là do khơng có phƣơng cách thiết thực để truyền và nhận c ng lúc trong môi trƣờng không dây (WM). CSMA/CA cố gắng tránh các va chạm trên môi trƣờng WM bằng cách đặt một khoảng thời gian thông tin trong mỗi khung MAC, để các trạm thu xác định thời gian còn lại của khung trên môi trƣờng WM. Nếu khoảng thời gian của khung MAC trƣớc đã hết và một kiểm tra nhanh trên môi trƣờng WM chỉ ra rằng nó khơng bận, thì trạm truyền đƣợc phép truyền. Phƣơng pháp này cho phép nơi gửi có thể truyền tín hiệu bất cứ lúc nào mà môi trƣờng khơng bận.
Ngồi các chức năng đƣợc thực hiện bởi các lớp MAC, lớp MAC chuẩn IEEE 802.11 còn thực hiện chức năng khác liên quan đến các giao thức lớp trên, nhƣ phân đoạn, phát lại gói dữ liệu và các ghi nhận.
Lớp MAC dùng hai phƣơng pháp truy cập khác nhau: Hàm phối hợp phân tán và Hàm phối hợp điểm.
2.4 PHƢƠNG PHÁP TRUY CẬP CƠ BẢN: CSMA/CA
Hàm phối hợp phân tán, về cơ bản là đa truy cập cảm biến sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA/CA).
Giao thức CSMA làm việc nhƣ sau: Một trạm truyền đi các cảm biến môi trƣờng, nếu mơi trƣờng bận, thì trạm sẽ trì hỗn truyền một lúc sau, nếu mơi trƣờng tự do thì trạm đƣợc cho phép để truyền.
Loại giao thức này rất có hiệu quả khi mơi trƣờng không tải nhiều, cho phép các trạm truyền với ít trì hỗn, nhƣng thƣờng xảy ra trƣờng hợp các trạm phát c ng lúc (có xung đột), gây ra do các trạm nhận thấy môi trƣờng tự do và quyết định truyền.
Để xác định đƣợc các trạng thái xung đột này lớp MAC phải tự truyền lại gói mà khơng cần đến các lớp trên, điều này sẽ gây ra trễ đáng kể. Giải thuật exponential random backoff đƣợc d ng trong mạng Ethernet nhƣng khơng cịn phù hợp với mạng WLAN khơng dây vì:
a) Việc dị tìm xung đột u cầu thực thi song cơng, khả năng phát và nhận đồng thời, làm tăng thêm chi phí một cách đáng kể.
b) Trên môi trƣờng không dây tất cả các trạm không thể nghe thấy đƣợc nhau và việc một trạm nhận thấy môi trƣờng tự do để truyền khơng thật sự có nghĩa rằng mơi trƣờng là tự do quanh v ng máy thu.
Để khắc phục điều này, chuẩn IEEE 802.11 sử dụng một cơ chế tránh xung đột tích cực (Positive Acknowledge) nhƣ sau:
Một trạm muốn truyền sẽ thực hiện cảm biến môi trƣờng, nếu mơi trƣờng bận thì nó trì hỗn, nếu mơi trƣờng rãnh với thời gian đƣợc chỉ rõ (gọi là DIFS, Distributed Inter Frame Space, Không gian khung Inter phân tán) thì trạm đƣợc phép truyền, trạm thu sẽ kiểm tra mã CRC của gói nhận đƣợc và gửi một gói chứng thực (ACK). ACK báo cho máy phát biết khơng có sự xung đột nào xuất hiện. Nếu máy phát khơng nhận đƣợc ACK thì nó sẽ truyền lại đoạn cho đến khi nó đƣợc thừa nhận hoặc không đƣợc phép truyền sau một số lần phát lại cho trƣớc.
2.5. CẢM BIẾN SÓNG MANG ẢO (Virtual Carrier Sense)
Để giảm bớt xác suất khả năng hai trạm xung đột nhau vì chúng khơng thể nghe thấy nhau, chuẩn định nghĩa một cơ chế cảm biến sóng mang ảo:
Một trạm muốn truyền một gói, trƣớc hết nó sẽ truyền một gói điều khiển ngắn gọi là RTS (Request To Send) gồm nguồn, đích đến và khoảng thời gian giao dịch sau đó (gói và ACK tƣơng ứng), trạm đích sẽ đáp ứng bằng một gói điều khiển đáp lại gọi là CTS (Clear To Send) gồm c ng thông tin khoảng thời gian.
Tất cả các trạm nhận RTS hoặc CTS, sẽ thiết lập chỉ báo Virtual Carrier Sense của nó (gọi là NAV, Network Allocation Vector, Vectơ định vị mạng) với khoảng thời gian cho trƣớc, và sẽ sử dụng thông tin này c ng với Cảm biến sóng mang vật lý (Physical Carrier Sense) khi cảm biến môi trƣờng.
Cơ chế này giúp giảm bớt xác suất xung đột về v ng máy thu do một trạm ẩn từ máy phát, để làm ngắn khoảng thời gian truyền RTS, vì trạm sẽ nghe thấy CTS và dự trữ môi trƣờng khi bận cho đến khi kết thúc giao dịch. Thông tin khoảng thời gian về RTS cũng bảo vệ v ng máy phát khỏi các xung đột trong thời gian ACK (bởi các trạm nằm ngoài phạm vi trạm nhận biết).
Khoảng thời gian ACK cần đƣợc chú ý vì các khung RTS và CTS là các khung ngắn. ACK làm giảm bớt phần nào của các xung đột, vì chúng đƣợc nhận dạng nhanh hơn khi nó đƣợc nhận dạng nếu tồn bộ gói đƣợc truyền, (điều này đúng nếu gói lớn hơn RTS một cách đáng kể, nhƣ vậy là chuẩn cho phép kể cả các gói ngắn sẽ đƣợc truyền mà khơng có giao dịch RTS/CTS), và điều này đƣợc điều khiển bởi một tham số gọi là ngƣỡng RTS.
Các sơ đồ sau cho thấy một giao dịch giữa hai trạm A và B, sự thiết lập NAV