khảo sát mạng lan với các phần mở rộng không dây

Nội dung của các chương được tóm tắt như sau: Chương 1: Tìm hiểu lịch sử các mạng LAN, WLAN, Internet; đặc điểm của đường truyền không dây và các vấn đề cần giải quyết; tóm tắt một số ng

Hà Nội – 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG VIẾT HUY

KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SỸ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG VIẾT HUY

KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY

Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

Hà Nội – 2010

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6 U CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU 7 U

1.1 Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính 7

1.1.1 Sự ra đời của các mạng LAN (có dây) 7

1.1.2 Sự ra đời của mạng Internet 7

1.1.3 Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN 8

1.2 Đường truyền không dây và các vấn đề phải giải quyết 11

1.2.1 Đặc điểm của đường truyền không dây 11

1.2.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng và phản ứng sai lầm của TCP 19

1.3 Mục đích nghiên cứu của luận văn .19

CHƯƠNG 2 - MẠNG WLAN VÀ VIỆC KẾT NỐI VỚI INTERNET 21

2.1 Giao thức MAC của mạng LAN - CSMA/CD 21

2.2 Giao thức MAC của mạng WLAN - CSMA/CA .23

2.2.1 CSMA/CD không thể sử dụng cho mạng WLAN 23

2.2.2 Giao thức CSMA/CA 24

2.2.3 Giao thức CSMA/CA + ACK 25

2.2.4 Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS 26

2.3 Chức năng DCF, PCF 27

2.3.1 Chức năng cộng tác phân tán - DCF 27

2.3.2 Chức năng cộng tác tập trung - PCF 28

2.3.3 Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS 29

2.4 Kết nối WLAN với Internet 31

2.4.1 Chức năng của AP 31

2.4.2 Các mô hình kết nối 33

2.4.3 AP và kênh truyền sóng 35

2.4.4 Vấn đề nút mạng di động .37

CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN TCP CHO MẠNG HỖN HỢP 43

3.1 Giao thức TCP/IP đối với mạng có đường truyền không dây 43

3.2 Các tiêu chí đánh giá giao thức mạng 44

3.3 Một số giao thức cải tiến TCP dùng cho mạng hỗn hợp 46

3.3.1 Split TCP 46

3.3.2 Snoop TCP 47

3.3.3 M-TCP 51

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN TRONG MẠNG CÓ PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY 53

4.1 Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 54

4.1.1 Mô phỏng mạng LAN 57

4.1.2 Mô phỏng WLAN 59

4.2 Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng LAN 68

4.3 Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng hỗn hợp 72

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect CTS Clear To Send

DCF Distributed Co-ordination Function DFS Dynamic Frequency Selection DIFS Distributed Co-ordinate Function Interframe Space DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector

DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum E-mail Electronic Mail

ESSs Extended Service Sets FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FTP File Transfer Protocol

IAPP Inter-AP Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISDN Integrated Services Digital Network ISM Industrial, Scientific and Medical LAN Local Area Network

MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network

Modem modulator and demodulator

NS2 Network Simulator AODV Adhoc On-demand Distance Vector OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Otcl Object Oriented Tool Command Language PCF Point Co-ordination Function

PIFS Point Co-ordination Function Interframe Space

QoS Quality of Service REAL Realistic and Large RTP Real-time Transport Protocol RTS Request To Send

SIFS Short Inter-Frame Space

SW Switch TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TELNET TELecommunication NETwork

TORA Temporally ordered Routing Algorithm TPC Transmission Power Control UDP User Datagram Protocol

UNII Unlicensed National Information Infrastructure VBR Variable Bit Rate

WEP Wired Equivalent Privacy WIFI Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network WWW World Wide Web

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Chế độ tiết kiệm năng lượng ở 802.11 14

Hình 1.2: Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái 15

Hình 2.1: Điều khiển truy nhập CSMA .21

Hình 2.2: Trạm A và C được xem là "ẩn" đối với nhau 23

Hình 2.3: Trạm C bị lộ đối với trạm B 23

Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK 25

Hình 2.5: CSMA/CA sử dụng RTS/CTS và ACK 26

Hình 2.6: Mô hình RTS/CTS 27

Hình 2.7: Mô hình Root mode 32

Hình 2.8: Mô hình AP ở chế độ Bridge mode 32

Hình 2.9: Mô hình AP ở chế độ Repeater mode 32

Hình 2.10: Mô hình mạng Ad-hoc 33

Hình 2.11: Mô hình mạng cơ sở 34

Hình 2.12: Mô hình mạng mở rộng 34

Hình 2.13: Mô tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g 35

Hình 2.14: Minh họa phổ tín hiệu 802.11b 35

Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b 36

Hình 2.16: Không xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b 36

Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp 37

Hình 2.18: Phạm vi phủ sóng của các AP chồng lên nhau .38

Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền 39

Hình 2.20: MH di chuyển từ AP1 sang AP2 khác kênh truyền 39

Hình 3.1: Mô hình Split Connection 46

Hình 3.2: Tiến trình xử lý dữ liệu từ FH đến MH 48

Hình 3.3: Tiến trình xử lý ACK 49

Hình 3.4: MH chỉ trao đổi gói tin với Primary AP 50

Hình 3.5: Mô hình kết nối M-TCP 51

Hình 4.1: Ánh xạ trong cùng đối tượng giữa C++ và OTCL 55

Hình 4.2: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng 55

Hình 4.3: Luồng các sự kiện mô phỏng được kết xuất ra file 57

Hình 4.4: Minh họa ngăn xếp mạng dùng cho LAN 58

Hình 4.5: Thực tế kết nối và thể hiện định tuyến trên NS2 59

Hình 4.6: Lược đồ của một mobile node chuẩn 802.11 của Monarch trong NS Error! Bookmark not defined Hình 4.7: Các vị trí chèn lỗi khi mô phỏng mạng không dây .67

Hình 4.8: Mô hình khảo sát mạng LAN 68

Hình 4.9: Kết quả mô phỏng TCP trong mạng LAN 71

Hình 4.10: Tôpô mạng hỗn hợp WLAN + Internet khi truyền TCP, UDP 72

MỞ ĐẦU

Mạng LAN nói chung (LAN có dây) có đặc điểm là tốc độ cao, tỉ suất lỗi gói tin nhỏ, độ trễ của các gói tin truyền trong mạng nhỏ và thăng giáng độ trễ (jitter) không quá lớn Ngày nay việc kết nối các mạng LAN không dây (WLAN) với mạng LAN có dây ngày càng trở nên phổ biến, các ứng dụng về mạng hỗn hợp hai loại truyền thông này đã mang lại cho cho xã hội thêm những

mô hình kết nối mới đầy hiệu quả Tuy nhiên, mạng WLAN có nhiều đặc điểm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất truyền thông, do đặc tính nhiều lỗi của đường truyền cũng như tính có thể di động của nút mạng Khi kết nối LAN với WLAN, mạng tạo thành là hỗn hợp, nảy sinh nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất truyền

thông Chính vì lý do đó, tôi đã lựa chọn đề tài "Khảo sát mạng LAN với các

phần mở rộng không dây" để nghiên cứu

Để thực hiện những nội dung nghiên cứu trên, luận văn của tôi gồm phần

mở đầu, 4 chương và kết luận Nội dung của các chương được tóm tắt như sau: Chương 1: Tìm hiểu lịch sử các mạng LAN, WLAN, Internet; đặc điểm của đường truyền không dây và các vấn đề cần giải quyết; tóm tắt một số nghiên cứu theo hướng cải tiến giao thức TCP để phù hợp với mạng hỗn hợp Trên các

cơ sở đó để xác định mục tiêu của đề tài

Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về mạng WLAN và các vấn đề liên quan đến hiệu suất truyền thông khi kết nối với Internet; nghiên cứu vấn đề nút mạng

di động trong một hay nhiều vùng phủ sóng của 1 hay nhiều AP

Chương 3: Tìm hiểu, đánh giá một số cải tiến TCP cho mạng có đường truyền không dây, làm tiền đề cho những nghiên cứu của tôi theo hướng này Chương 4: Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến mô phỏng mạng LAN, WLAN trong NS2; viết chương trình mô phỏng và phân tích kết quả một số thí nghiệm về các nút trong mạng hỗn hợp LAN và WLAN khi truyền ở hai hình thức TCP và UDP

Để hoàn thiện luận văn này, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS.TS Nguyễn Đình Việt – là người đã giảng dạy và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU

1.1 Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính

1.1.1 Sự ra đời của các mạng LAN (có dây)

Vào thời gian trước khi những máy tính cá nhân xuất hiện, một máy tính trung tâm chiếm trọn 1 căn phòng, người dùng truy nhập máy tính trung tâm thông qua thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung tâm bằng cáp truyền dữ liệu tốc độ thấp Cuối những năm 60, do nhu cầu tăng tốc độ truyền, phòng thì nghiệm Lawrence Berkeley thuộc bộ năng lượng Mỹ đã nghiên cứu và đưa ra báo cáo chi tiết vào năm 1970 về mạng lưới máy tính Mạng cục bộ LAN đầu tiên đã được tạo ra vào cuối những năm 1970 thông qua cáp truyền tốc độ cao giữa vài máy tính trung tâm lớn đặt cùng một chỗ

Các nhà phát triển hệ điều hành cho mạng này bắt đầu cạnh tranh nhau trong đó Ethernet và ARCNET được biết đến nhiều nhất Ethernet được Xerox PARC phát triển trong giai đoạn 1973-1975 và đã được cấp bằng sáng chế năm

1976 sau khi hệ thống này đã được triển khai tại PARC đồng thời Metcalfe và

Boggs xuất bản bài báo "Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local

Computer Networks" mở ra một hướng đi rõ ràng hơn cho mạng LAN

ARCNET được phát triển bởi công ty Datapoint năm 1976, tháng 12 năm 1977

nó được áp dụng cho ngân hàng Chase Manhattan ở New York Như vậy, năm

1977, công ty Datapoint đã bắt đầu bán hệ điều hành mạng của mình là

"Attached Resource Computer Network" (hay gọi tắt là Arcnet) ra thị trường Mạng Arcnet cho phép liên kết các máy tính và các trạm đầu cuối lại bằng dây cáp mạng Arcnet đã trở thành hệ điều hành mạng LAN đầu tiên [23], [24]

1.1.2 Sự ra đời của mạng Internet

Tiền thân của mạng Internet ngày nay là mạng ARPANET, đó chính là mạng liên khu vực (Wide Area Network - WAN) đầu tiên được xây dựng ARPANET thuộc bộ quốc phòng Mỹ liên kết 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học California, Santa Barbara

Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974, lúc đó mạng vẫn được gọi là ARPANET Đến năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức được coi như một chuẩn đối với lĩnh vực quân sự Mỹ Mạng ARPANET và giao thức TCP/IP đã trở thành dấu mốc cho mạng Internet ra đời

Năm 1984, ARPANET được chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn được gọi là ARPANET, dành cho việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai

được gọi là MILNET, là mạng dùng cho các mục đích quân sự

Vào giữa thập niên 1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET không còn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm

1990

Sự hình thành mạng xương sống của NSFNET và những mạng vùng khác

đã tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của Internet Tới năm 1995, NSFNET thu lại thành một mạng nghiên cứu còn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển

Internet được xem là mạng của các mạng mà thực chất là mạng của các mạng LAN thông qua các mạng WAN hoặc các mạng truyền thông khác Các

quốc gia có kết nối mạng Internet toàn cầu thường xây dựng mạng đường trục tốc độ cao, là một hệ thống mạng liên kết có tốc độ truyền cực cao so với tốc độ truyền của hệ thống mạng thông thường

Ngày nay, Internet đã trở thành mạng máy tính toàn cầu, xuất hiện trong mọi lĩnh vực thương mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội, Mạng được kết nối với nhau dựa trên bộ giao thức trao đổi số liệu TCP/IP,

đó là ngôn ngữ chung để cho tất cả các máy tính khác nhau kết nối trên mạng có thể "nói chuyện" được với nhau

Các dịch vụ dựa trên nền tảng Internet ngày càng phát triển mạnh Sản phẩm chính mà Internet cung cấp cho người dùng là thông tin Thông tin thường

ở dạng tệp lưu trữ trong các máy tính chủ, máy tính cung cấp dịch vụ, và có thể trình bày bằng nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào loại dịch vụ của Internet được sử dụng Các dịch vụ trên Internet thường được tổ chức theo mô hình quan

hệ Client - Server (khách - chủ) nhằm phân phối quá trình xử lý giữa máy tính

của người sử dụng (client) và máy tính chủ (server) Một số dịch vụ chính hiện

đang được sử dụng trên Internet như: WWW, Email, FTP, đăng nhập từ xa,…

1.1.3 Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những

nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz

Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện thời

Mạng WLAN có 2 kiểu cơ bản đó là Ad-hoc và Infrastructure Với kiểu

Ad-hoc thì mỗi máy tính trong mạng giao tiếp trực tiếp với nhau thông qua các

thiết bị Card mạng không dây mà không dùng đến các thiết bị định tuyến

(Wireless Router) hay thu phát không dây (Wireless Access Point) Kiểu

Infrastructure thì các máy tính trong hệ thống mạng sử dụng một hoặc nhiều

các thiết bị định tuyến hay thiết bị thu phát để thực hiện các hoạt động trao đổi

dữ liệu với nhau và các hoạt động khác Mạng WLAN có cấu trúc kiểu

Infrastructure có thể được coi là mạng LAN có phần mở rộng không dây

Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử

dụng băng tần 2.4Ghz Mặc dù những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất mà không được công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dải tần số khác nhau đã dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung

Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được

biết với tên gọi WIFI cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz

Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn

802.11a và 802.11b (định nghĩa những phương pháp truyền tín hiệu) Và những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps IEEE 802.11b được tạo ra

nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và

bảo mật tương đương với mạng LAN có dây

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g có thể

truyền nhận thông tin ở cả hai dải tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps

Như vậy, chuẩn 802.11 là một chuẩn chung dành cho mạng LAN không dây Thực ra có nhiều chuẩn khác nhau cho mạng LAN không dây Dưới đây là thống kê một số chuẩn được dùng rộng rãi trong thực tế:

802.11: Ra đời năm 1997 Đây là chuẩn sơ khai của mạng không dây, nó

mô tả cách truyền thông trong mạng không dây sử dụng các phương thức như DSSS (trải phổ chuỗi trực tiếp), FHSS (trải phổ nhảy tần), infrared (hồng ngoại) Tốc độ hoạt động tối đa là 2 Mbps, hoạt động trong băng tần 2.4 GHz ISM

802.11b: Đây là một chuẩn mở rộng của chuẩn 802.11, cải tiến DSSS để

tăng băng thông lên 11 Mbps, nó cũng hoạt động ở băng tần 2.4 GHz và tương thích ngược với chuẩn 802.11 Chuẩn này trước đây được sử dụng rộng rãi trong mạng WLAN nhưng hiện nay thì các chuẩn mới với tốc độ cao hơn như 802.11a

và 802.11g có giá thành ngày càng hạ đã dần thay thế 802.11b

802.11a: Chuẩn này sử dụng băng tần 5 GHz UNII (Unlicenced National

Information Infrastructure) nên nó sẽ không giao tiếp được với chuẩn 802.11 và

802.11b Tốc độ của nó lên đến 54 Mbps vì nó sử dụng công nghệ OFDM Chuẩn này rất thích hợp khi muốn sử dụng mạng không dây tốc độ cao trong môi trường có nhiều thiết bị hoạt động ở băng tần 2.4 Ghz vì nó không gây nhiễu với các hệ thống này

802.11g: Chuẩn này hoạt động ở băng tần 2.4 GHz, sử dụng công nghệ

OFDM nên có tốc độ lên đến 54 Mbps (nhưng không giao tiếp được với 802.11a

vì khác tần số hoạt động) Nó cũng tương thích ngược với chuẩn 802.11b vì có

hỗ trợ thêm DSSS (và hoạt động cùng tần số) Điều này làm cho việc nâng cấp mạng không dây từ thiết bị 802.11b ít tốn kém hơn Trong môi trường vừa có cả thiết bị 802.11b lẫn 802.11g thì tốc độ sẽ bị giảm đáng kể vì 802.11b không hiểu được OFDM và chỉ hoạt động ở tốc độ thấp

802.11e: Đây là chuẩn bổ sung cho chuẩn 802.11 cũ, nó định nghĩa thêm

các mở rộng về chất lượng dịch vụ (QoS) nên rất thích hợp cho các ứng dụng

multimedia như voice, video

802.11f: Được phê chuẩn năm 2003 Đây là chuẩn định nghĩa giao thức

cho các AP giao tiếp với nhau khi một MH chuyển vùng (roaming) từ vùng này

sang vùng khác Chuẩn này còn được gọi là IAPP Chuẩn này cho phép một AP

có thể phát hiện được sự hiện diện của các AP khác cũng như cho phép AP

“chuyển giao” MH sang AP mới (khi roaming), điều này giúp cho quá trình roaming được thực hiện một cách thông suốt

802.11i: Là một chuẩn về bảo mật, nó bổ sung cho các yếu điểm của WEP

trong chuẩn 802.11 Chuẩn này sử dụng các giao thức như giao thức xác thực dựa trên cổng 802.1X, và một thuật toán mã hóa đó là thuật toán AES, thuật toán này sẽ thay thế cho thuật toán RC4 được sử dụng trong WEP

802.11h: Chuẩn này cho phép các thiết bị 802.11a tuân theo các quy tắc

về băng tần 5 GHz ở Châu Âu Nó mô tả các cơ chế như tự động chọn tần số

(DFS) và điều khiển công suất truyền (TPC) để thích hợp với các quy tắc về tần

số và công suất ở Châu Âu

802.11j: Được phê chuẩn tháng 11/2004 cho phép mạng 802.11 tuân theo

các quy tắc về tần số ở băng tần 4.9 Ghz và 5 Ghz ở Nhật Bản

802.11d: Chuẩn này chỉnh sửa lớp MAC của 802.11 cho phép máy trạm

sử dụng FHSS có nhằm tối ưu các tham số lớp vật lý để tuân theo các quy tắc của các nước khác nhau nơi mà nó được sử dụng

802.11s: Định nghĩa các tiêu chuẩn cho việc hình thành mạng dạng lưới

(mesh network) một cách tự động giữa các AP 802.11 với nhau

1.2 Đường truyền không dây và các vấn đề phải giải quyết

1.2.1 Đặc điểm của đường truyền không dây

Vấn đề truyền thông của mạng WLAN kết nối với Internet trở thành chủ

đề của nhiều nghiên cứu Các máy tính và thiết bị trong mạng không dây kết nối với Internet là rất tự nhiên và có ý nghĩa cực kỳ quan trọng, điều đó đòi hỏi phải

mở rộng đường truyền về quy mô và đặc tính, cho phép kết nối các mạng không

dây vào Internet Như vậy, việc kết nối từ các thiết bị không dây vào mạng

Internet trở nên không đồng nhất về phương diện các đặc tính của đường truyền Trong phần mạng có dây, đường truyền có độ tin cậy cao và tỉ suất lỗi

bit thấp, việc mất gói số liệu chủ yếu do tắc nghẽn trong mạng chứ không phải

do lỗi đường truyền Phần mạng không dây, tỉ lệ lỗi cao và thất thường do biến động về môi trường truyền sóng và sự di chuyển của các nút Các vấn đề chính trong việc đánh giá hiệu suất mạng WLAN được trình bày dưới đây

Lỗi bit

Lỗi bit trong phần mạng không dây xảy ra do các nguyên nhân khác nhau như: tạp âm, nhiễu, suy hao đường truyền, pha đinh, hiệu ứng nhiều đường và vật cản Các lỗi được đề cập ở trên tác động đáng kể đến tỷ lệ lỗi bit của các kênh không dây Với tốc độ dữ liệu và di chuyển điển hình của người dùng,

những lỗi này có thể gây nên lỗi chuỗi bit dài được gọi là bùng nổ lỗi (error

burst), do đó gây nên khó khăn cho việc sửa lỗi khi sử dụng các mã sửa lỗi

thông thường

Ngoài ra, nhiễu vô tuyến cũng có thể gây nên gián đoạn tạm thời Đối với các WLAN hoạt động ở bǎng tần vô tuyến 2,4 GHz, hoạt động của các lò vi sóng có thể là một nguồn nhiễu quan trọng Các lò vi sóng công suất lên tới 750W hoặc cao hơn, với 150 xung trên giây, có bán kính bức xạ trong vòng khoảng 10m, bức xạ phát ra trải từ 2,4 GHz đến 2,45 GHz Cho dù các khối của

lò vi sóng có thể được che chắn bức xạ điện từ thì phần lớn nǎng lượng vẫn có thể gây nhiễu tới truyền dẫn WLAN Các nguồn nhiễu khác trong bǎng tần 2,4 GHz gồm máy photocopy, các thiết bị chống trộm, các mô tơ thang máy và các thiết bị y tế [23]

Một số kỹ thuật được đề xuất nhằm cải thiện chất lượng đường truyền không dây và khắc phục ảnh hưởng của một số nguồn lỗi nghiêm trọng Mặc dù vậy, vẫn không thể đạt được tỷ lệ lỗi bit thấp hơn so với tỷ lệ lỗi bit trong các mạng có dây Tỷ lệ lỗi bit điển hình của các mạng không dây nằm trong khoảng

từ 10-2 đến 10-6 tùy thuộc vào điều kiện môi trường và các kỹ thuật mã hóa tín hiệu truyền cũng như điều chế tín hiệu cụ thể được sử dụng Vì vậy, các ứng dụng và giao thức lớp cao hơn phải tính đến tỷ lệ lỗi bit cao và cần có các cơ chế chính xác cho điều khiển chất lượng dịch vụ, nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ

có thể chấp nhận được đến người dùng thiết bị di động

Băng thông kênh thấp

Vì có sự hạn chế phổ vô tuyến mà mỗi mạng được phép sử dụng nên băng thông kênh truyền không dây thường là thấp hơn so với các kênh truyền có dây Các mạng không dây có các ràng buộc điển hình về băng thông so với các mạng

có dây, đòi hỏi có đảm bảo khác biệt về dịch vụ Các mạng cố định thường cung cấp đường truyền thông với tỷ lệ lỗi bit rất thấp và tốc độ cao Trái lại, các mạng không dây có hiệu năng điển hình thấp hơn nhiều do tỷ lệ lỗi cao, có tính chất bùng nổ và đường truyền thường bị đứt đoạn, dẫn đến tốc độ dữ liệu thấp và hiệu năng của chúng phụ thuộc vào các yếu tố khác như: vị trí, môi trường truyền của không khí, nhiễu,… Các đường truyền không dây thường tạo thành nút cổ chai trong môi trường mạng hỗn hợp có dây và không dây

Sự thay đổi bất thường của các luồng không dây

Kênh không dây có đặc điểm nổi bật so với kênh có dây là biến đổi theo thời gian và có tác động đáng kể đến việc đảm bảo hiệu năng kết nối Băng thông của kênh không dây biến đổi theo thời gian do hiện tượng pha đinh cũng biến đổi theo thời gian và biến động số lượng MH gây ra nguy cơ bùng nổ lỗi

Sự thay đổi bất thường về dung lượng của kênh không dây, đặc biệt khi phía gửi cũng như phía nhận di chuyển, dẫn đến biến đổi trễ kéo theo biến đổi thời gian

khứ hồi (RTT) Thay đổi bất thường này tác động đáng kể đến hiệu năng của các

giao thức dựa trên cơ chế báo nhận như TCP cũng như các cơ chế mới được phát triển dựa trên nền tảng TCP

Vì đặc tính thay đổi bất thường của kênh không dây gây nên sự thay đổi bất thường của trễ truyền từ đầu cuối đến đầu cuối nên các tính toán dựa trên trễ

như tính thời gian chờ để truyền lại (time-out) đối với TCP có thể tạo ra các giá

trị lớn, dẫn đến chu kỳ rỗi dài, nghĩa là thông lượng bị giảm đi và lãng phí băng thông

Sự di chuyển của người dùng thiết bị đầu cuối

Sự di chuyển của MH giữa các cell gây nên một số thách thức trong việc đảm bảo QoS cho mạng không dây Tuy chuẩn 802.11 không quy ước thuật toán chuyển vùng và để dành phần "công việc" này cho nhà sản xuất card không dây Các yếu tố ảnh hưởng đến QoS đó là:

• Chất lượng tín hiệu sóng điện từ (cường độ tín hiệu) sẽ có xu hướng suy hao dần khi người dùng thiết bị đầu cuối di chuyển xa dần trạm phát (AP)

• Sự di chuyển của MH có thể dẫn đến yêu cầu chuyển giao kết nối (hand-off) và có thể gây ra trễ bất thường và mất gói tin Vấn đề quản

lý vị trí MH để phục vụ định tuyến sao cho kết nối là liên tục và thời gian trễ là tối thiểu

Các vật cản đối với sự lan truyền tín hiệu

Với mạng không dây, các thiết bị mạng trao đổi thông tin với nhau bằng tín hiệu sóng điện từ thông qua môi trường Do việc truyền sóng điện từ có thể xảy ra hiện tượng phản xạ, khúc xạ, giao thoa nên độ phủ sóng của tín hiệu vô tuyến phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện môi trường cụ thể trên đường truyền Các vật cản có thể là bức tường, vách ngǎn và các vật thể khác Tín hiệu

có xuyên qua được dễ dàng hay không phụ thuộc nhiều vào chất liệu và hình dạng của vật cản

Nguồn năng lượng lưu trữ của MH

Thời gian hoạt động liên tục của MH phụ thuộc vào dung lượng của pin Các MH tiêu hao khá nhiều năng lượng trong việc thu phát sóng điện từ để nhận

và truyền tin, điều này ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu năng sử dụng đặc biệt đối với môi trường không đồng nhất và nhiều biến động Tuy nhiên, với chuẩn IEEE 802.11 đã định nghĩa chế độ tiết kiệm năng lượng PSM để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng pin của MH trong truyền thông khi tham gia mạng không dây

Hình 1.1: Chế độ tiết kiệm năng lượng ở 802.11

Trong chế độ PSM, MH định kỳ luân phiên giữa hai trạng thái: Active và

Sleep MH chỉ có thể truyền và nhận tín hiệu khi ở trạng thái Active Còn khi ở

trạng thái Sleep, MH tiêu tốn rất ít năng lượng do không phải cung cấp năng

lượng để ăng ten thu phát sóng nên có thể tiết kiệm được năng lượng đáng kể

Các gói tin gửi đến MH khi MH đang ở trong trang thái Sleep sẽ được AP lưu tạm ở buffer của nó và AP sẽ chờ khi MH bật sang trạng thái Active thì truyền

dữ liệu cho MH Tuy nhiên vì MH chỉ truyền và nhận được tín hiệu khi ở trạng

thái Active, trong khi đó AP chỉ truyền gói tin tiếp theo đến MH khi nhận được

ACK từ MH đó, cho nên điều này ảnh hưởng không nhỏ đến thông lượng

(thoughput) đường truyền.

Mô hình lỗi sử dụng cho nghiên cứu đường truyền không dây

Cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về lỗi trên đường truyền không dây Người ta đã nghiên cứu tác động đến đường truyền của các tham số khác

nhau, như tốc độ di chuyển của nút, vật cản, nhiễu đường truyền,… các tác giả

đã công bố rất nhiều kết quả cả định lượng (bằng những con số) và định tính (các quy luật, các mô hình lỗi) Theo các phương pháp đo và tính toán khoa học thì tỉ lệ lỗi bit (BER) trên đường truyền không dây biến đổi trong khoảng từ 10-2đến 10-6 (so với trên đường truyền có dây như cáp quang là 10-9) Ngoài ra khi truyền trên kênh không dây còn có hiện tượng bùng nổ lỗi (bursts) Việc tính toán số lượng và phân bố lỗi trên đường truyền không dây có ý nghĩa rất quan trọng trong việc thiết kế và phân tích các giao thức truyền thông trong mạng không dây [8], [14], [17]

Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái (Two-State Markov Error Model) cho

các kênh truyền không dây đã được các nhà nghiên cứu sử dụng rộng rãi để mô hình hóa đặc điểm lỗi của đường truyền và áp dụng trong các kịch bản khác nhau để phân tích và đánh giá hiệu suất các giao thức truyền thông [17]

Hình 1.2: Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái

Mô hình này sử dụng chuỗi các khoảng thời gian rời rạc (Discrete Time

Markov Chain - DTMC) để mô hình hóa trạng thái lỗi đường truyền thay đổi

theo thời gian ở cấp độ bit Trạng thái “Good” được giả định cho tình trạng đường truyền tốt và tỉ lệ lỗi bít bằng hoặc nhỏ hơn một giá trị nhất định

(Good BER) Ngược lại thì trạng thái “Bad” để chỉ ra tình trạng đường truyền xấu

hơn khi tỉ lệ lỗi bít lớn hơn một giá trị nhất định (Bad BER) [17]

Hình 1.3: Ví dụ 1 mẩu lỗi sử dụng mô hình Markov 2 trạng thái

Hình vẽ 1.3 là ví dụ về việc sử dụng mô hình lỗi Markov 2 trạng thái để

mô hình hóa lỗi trên đường truyền Trên mô hình có những khoảng thời gian mà trong kênh truyền có chất lượng tốt (các khoảng Good) và những khoảng thời

gian kênh truyền có chất lượng xấu (các khoảng Bad) Với các khoảng thời gian

đường truyền ở trạng thái xấu, mô hình có thể tạo ra các hiệu ứng lỗi thường xuất hiện ở mạng không dây thực như: hiệu ứng bùng nổ lỗi (nếu trong 1 thời gian ngắn có nhiều lỗi nảy sinh) lỗi fading, hủy bỏ nhiều đường truyền,…

Mô hình này được đặc trưng bởi 4 tham số xác suất chuyển trạng thái theo điều kiện, và các xác suất phân bố trạng thái ban đầu Sự thay đổi các tham số xác suất ở trạng thái S tại thời điểm t+1 được tính thông qua các tham số xác suất tại thời điểm t

Gọi S = {G(Good), B(bad)} tại thời điểm t, ta có công thức tính sau:

Lúc đó ma trận thay đổi trạng thái (state transition matrix) được tính:

Tại thời điểm t+k, phân bố lỗi được tính thông qua ma trận chuyển trạng thái Tk và được tính như sau:

Với ∏t là phân bố lỗi tại thời điểm t, ∏0 là xác suất phân bố lỗi tại thời điểm t=0, ∏0 nhận bất kỳ giá trị nào Sự phân bố trạng thái ổn định sau đó được tính bởi công thức:

Trong đó: πG là xác suất phân bố trạng thái tốt

πB là xác suất phân bố trạng thái xấu BCùng với ∏t+k với k tùy ý và t đủ lớn Ma trận xác xuất lỗi E được tính:

Trong đó: P{C|G} là xác suất cho rằng trạng thái Good đúng (Correct)

P{M|G} là xác suất cho rằng trạng thái Good sai (Mistake)

P{C|B} là xác suất cho rằng trạng thái Bad là đúng

P{M|B} là xác suất cho rằng trạng thái Bad là sai

Bằng các phép nhân ma trận, các xác suất của các quyết định đúng hoặc thực hiện một sai lầm được tính như sau:

ET là ma trận chuyển vị của ma trận E Đây là ma trận tính toán cho hệ thống có lỗi trong khi mạng đang ở trạng thái “Good” Mô hình lỗi 2 trạng thái nổi tiếng được sử dụng để tính năng lực kênh truyền có bùng nổ lỗi

Một câu hỏi đặt ra là làm thế nào để lấy được ma trận dịch chuyển trạng thái T và ma trận biểu diễn quá trình chuyển đổi xác suất lỗi E Hiện nay, có 2 phương pháp để tính toán ma trận này đó là đo đạc trực tiếp ở kênh truyền hoặc

bởi 1 kênh fading giảm dần Phương pháp tính số trung bình các tín hiệu tốt trong 1 giây được tính như sau:

ƒm : Tần số tối đa tín hiệu lỗi (maximum Doppler frequency)

ρ : Bán kính đường bao các trạng thái kênh fading (ρ < R)

Thời gian trung bình T để tín hiệu fading dưới ngưỡng R được tính

Với các phương trình trên, P(Good) và P(Bad) được tính như sau:

Xác suất xảy ra chuyển trạng thái sau đó được tính:

Với Rt là tỷ lệ lan truyền trong 1s của các dấu hiệu nhận dạng (là tốt hay xấu) của hệ thống truyền thông được xét

Sử dụng các kết quả trên, tỉ lệ lỗi bít (BER) trung bình cuối cùng được tính thông qua biểu thức sau: [17]

Như vậy, công thức này thường được sử dụng để nghiên cứu lỗi trên đường truyền không dây khi sử dụng mô hình lỗi Markov 2 trạng thái

1.2.2 Cơ chế điều khiển lưu lượng và phản ứng sai lầm của TCP

Khi mạng Internet mới phát triển, việc điều khiển lưu lượng trên mạng

Internet chủ yếu do giao thức TCP đảm nhiệm Tuy nhiên trong quá trình sử

dụng và phát triển công nghệ, các thiết bị mạng với các chuẩn mới ra đời, các loại mạng sử dụng công nghệ không dây đã dần dần được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực Ngoài ra, sự kết nối giữa các loại mạng có dây, không dây tạo nên mạng hỗn hợp Giao thức vận chuyển dữ liệu TCP đã được thiết kế và tinh chỉnh

để có thể hoạt động đạt hiệu năng cao nhất trong môi trường mạng có dây, TCP luôn coi sự mất gói tin là do tắc nghẽn mạng chứ không phải do lỗi đường truyền Trong phần mạng không dây, đường truyền có tỉ suất lỗi bit cao và thay đổi thất thường, thỉnh thoảng bị đứt đoạn do người sử dụng di động chuyển từ tế bào này sang tế bào khác Do đó, tỉ lệ gói tin bị mất hoặc bị loại do lỗi đường

truyền là rất cao và thời gian khứ hồi bị thăng giáng rất mạnh Cơ chế điều

khiển lưu lượng trong giao thức TCP sẽ phản ứng với sự mất gói tin do đường truyền “xấu” giống như phản ứng với hiện tượng tắc nghẽn; đó là, giảm lưu lượng đưa vào mạng và rút lui theo hàm mũ, đúng vào lúc lẽ ra phải

cố gắng phát lại các gói tin bị mất càng sớm càng tốt Phản ứng sai lầm này làm cho hiệu năng của TCP bị giảm rất trầm trọng [3]

Với đường truyền không dây, các gói tin bị mất chủ yếu do bị lỗi trên đường truyền, đáng lẽ phía nguồn cần nhanh chóng phát lại khi đường truyền chuyển sang trạng thái Good để tận dụng tối đa đường truyền thì giao thức TCP lại chỉ hỗ trợ thuật toán phát nhanh một gói tin rồi giảm kích thước cửa sổ xuống mức nhỏ nhất bằng 1 gói tin và áp dụng thuật tóan rút lui việc phát lại theo hàm

mũ cơ số 2 nếu xảy ra sự mất liên tiếp các gói tin

Ngoài ra, trong môi trường mạng hỗn hợp có dây và không dây đã xuất hiện một số thách thức tác động đến QoS cho các ứng dụng đa phương tiện thời

gian thực như: lỗi bít, độ trễ, biến động trễ (jitter) cao, bất thường trong phần

mạng không dây, sự di chuyển của người dùng thiết bị đầu cuối có thể dẫn đến gián đoạn kết nối, băng thông kênh truyền thấp v.v

1.3 Mục đích nghiên cứu của luận văn.

Hiện nay, các nghiên cứu cải tiến TCP/IP sử dụng cho mạng không dây nói chung và mạng LAN có phần mở rộng không dây thường tập trung vào 2 nhóm chính đó là chia tách mạng thành hai phần theo đường truyền là có dây hay không dây (điển hình là Split TCP) và nâng cấp khả năng xử lý của nút mạng (Router) nằm giữa phần có dây và không dây đồng thời giữ nguyên ngữ nghĩa

“end-to-end” của TCP (điển hình là Snoop TCP; nội dung này được trình bày kỹ

Snoop TCP cải tiến TCP bằng cách tăng dung lượng bộ nhớ đệm tại AP

để AP chứa tạm và sẵn sàng gửi lại các gói tin bị lỗi khi truyền từ AP đến MH Khác với Split TCP thì Snoop TCP vẫn xem đường truyền không dây và có dây

là 1 thể thống nhất giữa bên gửi và bên nhận Khi xảy ra lỗi (ở phần không dây) thì AP sẽ tự động phát lại gói tin đó đến MH mà không cần bên gửi (ở phần có dây) phát lại và khởi động cơ chế chống tắc nghẽn Giải pháp này có hạn chế rất lớn đó là yêu cầu AP phải có bộ nhớ đệm lớn để chứa các gói tin dự phòng trong khi chờ các gói tin đó đến được đích Ngoài ra còn có một nhược điểm lớn nữa

đó là trong khi AP đang phát lại các gói tin hộ thực thể gửi TCP thì thực thể này

đã bị time-out và cũng phát lại gói tin

Thực tế, để điều khiển lưu lượng hiệu quả, người thiết kế giao thức mạng phải biết được nguyên nhân và dấu hiệu mạng tắc nghẽn, cũng như dấu hiệu mạng sắp có tắc nghẽn xảy ra Một số nguyên nhân dẫn đến tắc nghẽn mạng là: lưu lượng đến trên nhiều lối vào nhưng ra ở cùng một lối, tình trạng này kéo dài dẫn đến tắc nghẽn tại lối ra; tốc độ xử lý tại các router chậm; một số đoạn đường truyền có băng thông thấp hoặc lỗi nhiều Để nhận biết được tắc nghẽn mạng sắp xảy ra, bên gửi có thể dựa vào giá trị thời gian khứ hồi - RTT khi nó tăng bất thường

Trong luận văn này, tôi muốn tìm hiểu sâu ảnh hưởng của lỗi trên đường truyền không dây đến các tham số hiệu suất chính của các ứng dụng

sử dụng giao thức giao vận TCP và UDP trên mạng WLAN kết nối với Internet Hy vọng công trình nghiên cứu này của tôi sẽ là một đóng góp nhỏ cho

hướng nghiên cứu nêu trên Để tiến hành các nội dung nghiên cứu đó, ngoài phần lý thuyết, tôi sử dụng bộ mô phỏng mạng NS-2 để khảo sát

CHƯƠNG 2 - MẠNG WLAN VÀ VIỆC KẾT NỐI VỚI INTERNET

2.1 Giao thức MAC của mạng LAN - CSMA/CD

Khi một trạm có dữ liệu muốn truyền, đầu tiên trạm này phải lắng nghe kênh truyền xem có trạm nào khác đang truyền hay không Nếu kênh truyền đang bận thì trạm này sẽ chờ cho đến khi kênh truyền rảnh, lúc đó trạm sẽ gửi ngay một frame Nếu frame vừa gửi bị xung đột thì trạm sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi thăm dò lại kênh truyền như ban đầu Phương pháp truyền ngay khi kênh truyền rảnh như vậy được gọi là 1-persistent (kiên trì 1), nghĩa là truyền với xác suất 100% khi kênh truyền rảnh

Hiệu quả của giao thức này sẽ kém khi có nhiều trạm cùng muốn truyền Bởi vì, các trạm muốn truyền sẽ đồng thời lắng nghe kênh truyền khi có một trạm khác đang truyền Khi trạm đang truyền vừa truyền xong, các trạm đang lắng nghe kênh truyền thấy đường truyền rảnh nên đồng thời thực hiện truyền ngay, vì thế xung đột xảy ra Với giao thức này, trạm muốn truyền thì phải lắng nghe đường truyền nên không phá hỏng các gói tin đang được truyền “tốt” trên kênh truyền

hoãn trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi mới quay lại lắng nghe kênh

truyền Giao thức này được gọi là giao thức CSMA không kiên trì (nonpersistent

CSMA)

Một cải tiến khác, là giao thức CSMA kiên trì p (p-persistent CSMA)

Giao thức này áp dụng cho các kênh truyền được chia khe Khi một trạm muốn truyền, trạm sẽ lắng nghe kênh truyền, nếu kênh truyền rảnh trạm sẽ truyền với xác suất truyền là p Nếu không được truyền, trạm sẽ đợi cho đến khe tiếp theo Đến khe tiếp theo trạm cũng tiếp tục lắng nghe kênh truyền và sẽ truyền với xác suất p Nếu frame được truyền lên kênh truyền nhưng bị xung đột thì sẽ phải chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi bắt đầu lại Quá trình trên được tiếp tục cho đến khi frame được truyền thành công

Giao thức CSMA/CD (CSMA có phát hiện xung đột)

Các giao thức CSMA kiên trì và không kiên trì đã cải tiến đáng kể hiệu quả sử dụng đường truyền, bởi các giao thức này đảm bảo rằng không có trạm nào bắt đầu truyền khi trạm khác đang truyền nhờ biết lắng nghe kênh truyền Giao thức CSMA/CD được cải tiến từ giao thức CSMA bằng cách thêm vào tính năng phát hiện xung đột Khi các trạm cùng cảm nhận kênh truyền rảnh thì đồng thời bắt đầu truyền nên xung đột xảy ra làm cho dữ liệu thu được ở các trạm bị sai lệch và toàn bộ các gói tin đó sẽ phải phát lại Để tránh sự lãng phí đường truyền này mỗi trạm đều phải có khả năng trong khi đang phát vẫn phát hiện được sự xung đột dữ liệu vừa xảy ra và ngừng ngay việc phát Khi phát hiện có

một sự xung đột, lập tức trạm phát sẽ gửi đi một mẫu làm nhiễu (Jamming) đã

định trước để báo cho tất cả các trạm là có sự xung đột xẩy ra và chúng sẽ bỏ qua gói dữ liệu này Sau đó trạm phát sẽ trì hoãn một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại dữ liệu Sau khi phát hiện có mẫu tin làm nhiễu, các trạm đã nhận biết được có xung đột trong khi đang truyền và lập tức ngừng truyền ngay chứ không cần truyền hết các frame để hạn chế lãng phí thời gian và băng thông Giao thức này đã được sử dụng trong công nghệ mạng Ethernet, là công nghệ mạng LAN được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Để phát hiện được xung đột trong khi còn đang phát thì độ dài frame phải đủ lớn -[1]

Ưu điểm của CSMA/CD là đơn giản, mềm dẻo, hiệu quả truyền thông tin cao khi lưu lượng thông tin của mạng thấp và có tính đột biến Điểm bất lợi của CSMA/CD là hiệu suất của mạng sẽ giảm xuống nhanh chóng khi tải đưa vào mạng tăng lên cao

2.2 Giao thức MAC của mạng WLAN - CSMA/CA

2.2.1 CSMA/CD không thể sử dụng cho mạng WLAN

CSMA/CD tuy là một giao thức truy nhập đường truyền khá hiệu quả nhưng nó không thể sử dụng được cho mạng WLAN bởi vì các nguyên nhân:

Trạm phát không phát hiện được xung đột khi đang phát bởi vì đặc thù

của thiết bị không dây trong mạng WLAN là bán song công (haft-duplex) nên khi trạm phát đang truyền, nếu có lỗi thì nó không thể nhận được thông báo (của trạm phát gói tin bị lỗi) về sự xung đột trên mạng

Hiện tượng trạm ẩn (Hidden terminal): Mạng không dây có các ranh

giới mờ, đôi khi có những vị trí mà nút mạng tại đó không thể liên lạc trực tiếp được với các nút khác trong mạng Trong hình 2.2, trạm B có thể liên lạc với cả trạm A và C, nhưng trạm A và C không thể liên lạc trực tiếp với nhau (có thể là

do khoảng cách giữa chúng quá xa so với nút B do đó sóng vô tuyền không thể đến được đích) Như vậy nút A và C là các nút “ẩn” của nhau Nếu sử dụng một giao thức CSMA/CD, khi cả A và C đồng thời truyền đến B sẽ xảy ra hiện tượng xung đột trên nút B mà cả A và C đều không hề hay biết Ngoài ra trạm vẫn thuộc vùng phủ sóng của AP nhưng chỉ "nghe" mà không phát tín hiệu gì cũng được xem là trạm ẩn

Hình 2.2: Trạm A và C được xem là "ẩn" đối với nhau

Hiện tượng trạm bị lộ (Exposed terminal): Khi các mạng WLAN sử

dụng nhiều AP, hiện tượng này trở nên phổ biến và giao thức CSMA/CD không giải quyết được

Hình 2.3: Trạm C bị lộ đối với trạm B

Khi trạm B đang gửi dữ liệu tới trạm A và trạm C muốn gửi dữ liệu cho

cho trạm D Theo giao thức CSMA/CD thì C phải đợi tín hiệu CS (Carrier

Sense) để được phép truy nhập đường truyền nhưng trạm A và D không nằm

trong vùng phủ sóng của nhau nên việc C đợi là không cần thiết

2.2.2 Giao thức CSMA/CA

Bên phát sẽ lắng nghe trên môi trường truyền và khi môi trường truyền rỗi thì nó sẽ tiến hành gửi dữ liệu ra môi trường truyền, còn không nó sẽ sử dụng giải thuật Back-Off time để tiếp tục chờ Thuật toán Back-Off sẽ chọn ngẫu

nhiên (Random Back-Off) một giá trị từ 0 đến giá trị CW (Contention Window)

Theo mặc định, giá trị CW có thể khác nhau tùy nhà sản xuất và nó được lưu trữ trong card mạng không dây của máy trạm Giá trị Back-Off tính được bằng cách lấy một số ngẫu nhiên đã chọn ở trên nhân với Slot Time (Random Back-Off chính là số lần Slot Time) Back-Off time là khoảng thời gian bất kỳ mà bên phát phải đợi trước khi có thể giành quyền sử dụng đường truyền nếu phát hiện đường truyền bận Do Back-Off time của các máy phát là ngẫu nhiên và khác nhau nên đã hạn chế tối đa khả năng xảy ra xung đột đường truyền ngay sau khi đường truyền chuyển sang trạng thái rỗi

Trường hợp 1 trạm sau khi giành được đường truyền và đã truyền gói tin

đi nhưng gói tin đó không đến đích (trạm gửi chưa nhận được ACK biên nhận), trạm gửi sẽ cập nhật lại biến đếm Retry của nó, tăng giá trị CW lên gấp đôi và bắt đầu tiến trình truy nhập đường truyền lại từ đầu Cứ mỗi lần việc truy nhập đường truyền bất thành (hoặc thành công nhưng việc truyền tin không đến được đích như đã nói ở trên), các trạm sẽ tăng giá trị biến đếm Retry CW tiếp tục được tăng gấp đôi cho đến khi nó đạt giá trị lớn nhất là CWmax

CSMA/CA tuy giải quyết triệt để vấn đề xung đột đường truyền nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề trạm ẩn Nếu có 3 trạm A, B, C như hình vẽ 2.2 Khi A gửi cho B đồng thời C không nhận được tín hiệu "báo bận" trên môi trường truyền, nếu C cũng gửi cho B thì xảy ra sẽ xảy ra xung đột

CSMA/CA cũng chưa giải quyết được vấn đề trạm bị lộ vì không có có cơ chế phát hiện và xử lý

2.2.3 Giao thức CSMA/CA + ACK

Giao thức CSMA/CA có sử dụng ACK đã cải tiến CSMA/CA bằng cách thêm thông báo biên nhận ACK Tiến trình của giao thức này như sau (hình 2.4)

- Bước 1: Phía nhận sẽ gửi ACK ngay sau khi nhận được khung tin mà không cần thăm dò đường truyền Khung ACK được truyền sau khoảng thời

gian SIFS (Short Inter-Frame Space) (SIFS < DIFS) (xem thêm ở phần 2.3)

- Bước 2: Nếu ACK bị mất, việc truyền lại sẽ được tiến hành

Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK

Cơ chế báo nhận ACK được thêm vào giao thức CSMA/CA sẽ đảm bảo cho gói tin đến đích mà không có lỗi Các trạm muốn phát đều phải nghe đường truyền để phát gói tin vào các khe thời gian không giao nhau nên không thể xảy

ra xung đột Ví dụ ở hình 2.2, nếu sử dụng CSMA/CD, trạm A và C có thể đồng

thời truyền tin đến trạm B gây xung đột nhưng với CSMA/CA có sử dụng ACK,

từng kênh truyền được hoạt động trên những khe thời gian riêng lẻ (sau những

thời gian chờ nhất đinh) nên đã giải quyết triệt để vấn đề trạm ẩn (Hidden

terminal) Tuy nhiên vấn đề Exposed terminal thì giao thức CSMA/CA + ACK

vẫn chưa giải quyết được Ví dụ ở hình 2.3, giả sử trạm B đang truyền dữ liệu

cho trạm A, trạm C muốn truyền dữ liệu cho trạm D nên phải lắng nghe đường truyền rỗi bằng cách chờ đợi các khoảng thời gian SIFS (trong trường hợp A, B gửi ACK) hoặc DIFS (trong trường hợp trạm A hoặc B gửi gói tin dữ liệu), thời gian chờ này là không cần thiết vì C có thể gửi cho D bất kỳ lúc nào (sau các

nhịp thời gian SIFS hoặc DIFS) mà không sợ bị xung đột Hơn nữa, tuy B và C nằm trong 1 cell (cùng kênh truyền) nhưng C và D lại khác kênh nên sự lãng phí thời gian chờ đợi (độ trễ) càng trở nên trầm trọng

2.2.4 Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS

Giao thức CSMA/CA có sử dụng bản tin biên nhận (ACK) và xác lập

đường truyền (bằng các bản tin điều khiển RTS/CTS để "giữ chỗ") đã khắc phục hoàn toàn các nhược điểm của giao thức trước đó Tiến trình của giao thức này được mô tả ở hình 2.5

- Sau đó dữ liệu được truyền

- Bên nhận sẽ gửi bản tin ACK sau khoảng thời gian SIFS

Với giao thức này, RTS/CTS được sử dụng cho việc "giữ chỗ" đường truyền vì vậy xung đột chỉ xảy ra với các bản tin điều khiển thường là bản tin RTS Một tình huống xung đột bản tin RTS được mô tả ở hình 2.6 Giả sử trạm

A và B đều muốn truyền dữ liệu đến AP, sau khoảng thời gian chờ đợi đường truyền rỗi, trạm B gửi bản tin RTS để "giữ chỗ", sau đó trạm A cũng gửi RTS để

"giữ chỗ" Tuy A, B phát 2 thời điểm khác nhau nhưng do trễ lan truyền nên có

thể "va chạm" với nhau trên đường đi, xung đột xảy ra (reservation collision)

Khoảng thời gian xảy ra xung đột này rất nhỏ (có thể chấp nhận được), trong trường hợp này, trạm A phải gửi lại RTS để tiếp tục "giữ chỗ" và truyền tin con

trạm B phải đợi đến phiên làm việc tiếp theo

Hình 2.6: Mô hình RTS/CTS

Như vậy giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS là phương thức truyền tin thông qua việc bắt tay 4 bước truyền RTS/CTS – DATA – ACK Tuy vẫn có thời gian “rỗi” (thực chất là trễ lan truyền) trong quá trình bắt tay nhưng về cơ bản giao thức này đã giải quyết được vấn đề xung đột dữ liệu trên đường truyền (do trước khi truyền bên gửi đã gửi tín hiệu RTS và bên nhận đã phản hồi tín hiệu CTS thì mạng hoàn toàn không thể có xung đột) Vấn đề Hidden terminal

và Exposed terminal cũng đã được giải quyết

2.3 Chức năng DCF, PCF

2.3.1 Chức năng cộng tác phân tán - DCF

DCF là một phương pháp truy cập được chỉ rõ trong chuẩn 802.11 cho phép tất cả các client trong WLAN đấu tranh đề giành quyền truy cập đường

truyền dùng chung là sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) sử dụng giao thức

CSMA/CA Trong trường hợp này, môi trường truyền là một phần của băng tần

sóng vô tuyến mà WLAN sử dụng để truyền dữ liệu Các mô hình WLAN (sẽ

nói kỹ ở phần 2.4.2) đều có thể sử dụng chế độ DCF AP trong trường hợp này

hoạt động tương tự như HUB trong môi trường Ethernet để truyền dữ liệu của chúng (DCF là chế độ trong đó AP gửi dữ liệu)

Tiến trình hoạt động của WLAN trong DCF mô tả như sau:

Bước 1: Các trạm đợi cho đến khi DIFS kết thúc

Bước 2: Ngay sau khi DIFS kết thúc, các trạm tính toán thời gian Random Back-Off dựa trên một số ngẫu nhiên nhân với Slot Time đồng thời đếm lùi (từng Slot Time) khoảng thời gian Random Back-Off của chúng và kiểm tra đường truyền sau mỗi Slot Time

Bước 3: Khi đường truyền rỗi, trạm nào có khoảng thời gian Random Back-Off ngắn nhất sẽ giành được đường truyền trước tiên, trạm đó sẽ bắt đầu gửi dữ liệu

Bước 4: Trạm nhận nhận được dữ liệu và đợi 1 khoảng SIFS trước khi đáp lại frame ACK cho trạm truyền

Bước 5: Trạm truyền nhận được ACK và tiến trình bắt đầu lại từ đầu với một DIFS mới

Kỹ thuật DCF thực hiện việc truyền dữ liệu bằng giao thức CSMA/CA có

sử dụng bản tin ACK trả lời từ phía nhận nên sẽ tránh được xung đột dữ liệu và giải quyết được vấn đề trạm ẩn nhưng chưa giải quyết được vấn đề trạm lộ (như

đã nói ở mục 2.2.3) Ngoài ra, phương thức truy nhập đường truyền DCF sẽ tồn tại một khe thời gian giữa 2 khung truyền liên tiếp gây trễ tuy rất nhỏ nhưng vẫn gây ra sự lãng phí đường truyền

2.3.2 Chức năng cộng tác tập trung - PCF

PCF là chế độ truyền cho phép các frames trên WLAN được truyền không xảy ra đụng độ (không cần phải đấu tranh giành lấy quyền truy cập như ở trong chế độ DCF) bằng cách sử dụng cơ chế hỏi vòng Điểm thuận lợi của PCF là nó bảo đảm một độ trễ xác định trước, vì thế các ứng dụng đòi hỏi chất lượng dịch

vụ như âm thanh, hình ảnh … có thể sử dụng ở chế độ này Khi sử dụng PCF,

AP thực hiện việc hỏi vòng (polling) Vì lý do này mà mạng Ad-hoc không thể

sử dụng chế độ PCF, bởi vì mạng Ad-hoc không có AP để thực hiện việc hỏi vòng

Tiến trình PCF được thực hiện như sau:

Bước 1: Các trạm phải thông báo với AP là nó có khả năng trả lời trong quá trình hỏi vòng

Bước 2: AP sẽ hỏi lần lượt từng trạm xem chúng có dữ liệu cần truyền hay không PCF sẽ phát sinh một lượng “chi phí” (overhead) khá lớn cho việc hỏi vòng này

Bước 3: AP xác định và thông báo cho trạm đó sẽ được truyền

DCF có thể sử dụng mà không cần PCF nhưng PCF không thể sử dụng nếu thiếu DCF Chúng ta sẽ giải thích việc 2 chế độ này cùng tồn tại như thế nào trong phần sau DCF có thể mở rộng được vì nó được thiết kế dựa trên việc đấu tranh, trong khi PCF giới hạn khả năng mở rộng bởi vì nó phát sinh nhiều chi phí cho các frames bầu chọn

2.3.3 Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS

Để tìm hiểu các giá trị SIFS, DIFS, PIFS thì việc đầu tiên là phải tìm hiểu

IFS (Interframe Spacing) Các trạm trong WLAN đều được đồng bộ với nhau về

thời gian (sử dụng gói tin beacon) IFS là một thuật ngữ dùng để đề cập đến việc chuẩn hóa các khoảng thời gian được sử dụng trong WLAN

Có bốn loại IFS là: SIFS, PIFS, DIFS, EIFS nhưng trong WLAN thường chỉ sử dụng 3 loại IFS chính: SIFS, PIFS và DIFS Mỗi kiểu được các trạm sử dụng để gửi các kiểu messages nào đó trên mạng hay quản lý các khoảng thời gian trong việc điều khiển các trạm đấu tranh giành quyền truy cập

Bảng Quy ước thời gian IFS ứng với các phương thức truyền tin

Đơn vị: μS (microSeconds)

Loại IFS Trải phổ chuỗi

trực tiếp (DSSS)

Trải phổ nhảy tần (FHSS)

Hồng ngoại (Infrared)

PIFS 30 78 15 DIFS 50 128 23

Các giá trị IFS được sử dụng để trì hoãn việc truy cập đường truyền của một trạm nào đó hay được dùng để cung cấp các mức ưu tiên khác nhau Trong một mạng không dây, các thiết bị đều được đồng bộ, các trạm và AP sử dụng các khoảng cách thời gian chuẩn để thực hiện các tác vụ khác nhau Các trạm đều biết các khoảng thời gian này và sử dụng chúng một cách thích hợp Một tập các khoảng thời gian chuẩn được định nghĩa cho FHSS, DSSS và Infrared (hồng ngoại) Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian này, mỗi trạm đều biết khi nào

và liệu chúng có được phép thực hiện một hành động nào đó trên mạng hay không

- SIFS: Là IFS cố định và ngắn nhất SIFS là khoảng thời gian trước và

sau khi các loại messages sau được gửi đi (đây không phải là danh sách đầy đủ):

RTS: Được các trạm gửi để yêu cầu giành quyền sử dụng đường truyền CTS: Được sử dụng bởi trạm nhận để hồi đáp lại RTS frame của máy

trạm, điều này đảm bảo tất cả các trạm khác tạm dừng việc truyền của mình lại

để nhường cho trạm đã gửi RTS

ACK: Được sử dụng để thông báo cho trạm gửi gửi rằng dữ liệu đã được

nhận đầy đủ ở dạng đọc được

SIFS cung cấp mức ưu tiên cao nhất trên một mạng WLAN Lý do SIFS

có mức ưu tiên cao nhất là các trạm thường xuyên lắng nghe đường truyền

(carrier senses) đợi cho đường truyền rỗi Một khi đường truyền đã rỗi, mỗi

trạm phải đợi một khoảng thời gian trước khi thực hiện việc truyền Khoảng thời gian một trạm phải đợi được xác định bởi việc mà trạm đó muốn thực hiện Mỗi việc trên mạng không dây đều được xếp vào một loại IFS nào đó Các tác vụ có

độ ưu tiên cao rơi vào SIFS Nếu một trạm chỉ phải đợi một khoảng thời gian ngắn sau khi đường truyền rỗi để thực hiện việc truyền thì nó sẽ có độ ưu tiên cao hơn các trạm phải đợi một khoảng thời gian dài hơn SIFS được sử dụng cho các công việc đòi hỏi một khoảng thời gian rất ngắn có nghĩa là cần độ ưu tiên cao để hoàn thành công việc

PIFS là interframe cố định nhưng không phải là ngắn nhất hay dài nhất,

vì thế, nó có độ ưu tiên cao hơn DIFS nhưng thấp hơn SIFS AP sử dụng PIFS chỉ khi mạng đang ở trong chế độ PCF (Point Co-ordination Function) PIFS có khoảng thời gian ngắn hơn DIFS và dài hơn SIFS, vì thế, AP sẽ luôn luôn chiếm quyền điều khiển đường truyền trước khi các trạm bắt đầu đấu tranh giành quyền truy cập trong chế độ DCF PCF chỉ làm việc với DCF, nó không phải là

một chế độ hoạt động độc lập, vì thế, một khi AP kết thúc việc bầu chọn, các trạm khác có thể tiếp tục đấu tranh giành quyền truy cập đường truyền trong chế

độ DCF

DIFS là interframe cố định và dài nhất, nó được sử dụng mặc định ở các

trạm (tương thích với chuẩn 802.11) đang ở trong chế độ DCF Mỗi trạm trên mạng sử dụng chế độ DCF đều phải đợi cho đến khi DIFS trôi qua trước khi có thể truyền dữ liệu Tất cả các trạm hoạt động dựa trên chế độ DCF sử dụng DIFS

để truyền các frame dữ liệu hoặc frame điều khiển Khoảng thời gian DIFS này làm cho việc truyền các frame sẽ có độ ưu tiên thấp hơn các frame trong chế độ PCF Thay vì tất cả các trạm đều cho rằng đường truyền đang rỗi và tùy ý bắt đầu việc truyền frame đồng thời ngay sau khi khoảng thời gian DIFS vừa kết thúc (điều này sẽ gây nên xung đột), mỗi trạm đều sử dụng 1 thuật toán gọi là Random Back-Off để xác định phải đợi thêm bao lâu trước khi bắt đầu việc truyền dữ liệu của nó

2.4 Kết nối WLAN với Internet

2.4.1 Chức năng của AP

AP là thiết bị phổ biến nhất trong WLAN, AP cung cấp cho các MH một điểm truy cập vào mạng AP là là thiết bị trung gian cho phép trao đổi dữ liệu giữa MH và AP thông qua môi trường không khí (môi trường sóng vô tuyến) để truy cập vào mạng có dây bình thường; sau khi kết nối thì có thể

song công (half-duplex) có mức độ thông minh tương đương với một bộ chuyển

mạch Ethernet phức tạp

AP có thể liên kết với các MH, với một mạng LAN sử dụng cable Ethernet hoặc với những AP khác Chức năng của AP thể hiện qua các chế độ làm việc như sau:

Root mode (chế độ gốc) sử dụng khi AP được kết nối với mạng backbone

có dây (thường là cổng Ethernet) Khi một AP được kết nối với phân đoạn có dây thông qua cổng Ethernet của nó, nó sẽ được cấu hình để hoạt động trong root mode (là chế độ mặc định của mọi AP) Ở chế độ này, các AP được kết nối với phần có dây và có thể "nói chuyện" được với các MH khác hoặc nút mạng khác của phần có dây Các MH không dây có thể giao tiếp với các MH không dây khác nằm trong cell khác nhau thông qua AP tương ứng mà chúng kết nối vào, sau đó các AP này sẽ giao tiếp với nhau thông qua kết nối có dây

Hình 2.7: Mô hình Root mode

Bridge mode

Trong chế độ bridge

Mode (cầu nối), AP hoạt

động hoàn toàn giống với

một cầu nối nhưng liên kết

giữa các AP này bằng

đường truyền không dây

Hình 2.8: Mô hình chế độ Bridge Mode

Repeater mode (chế độ lặp): Ở chế độ này, AP có khả năng cung cấp một đường kết nối không dây upstream vào mạng có dây thay vì một kết nối có dây bình thường Trong hình 2.9, AP1 kết nối với các MH như một AP Root mode

và AP2 hoạt động như một Repeater không dây Có thể xem AP1 kết nối với AP2 như là một MH

Hình 2.9: Mô hình AP ở chế độ Repeater mode

AP sử dụng PCF để thực hiện hỏi vòng trong việc chọn MH được truy

cập đường truyền PCF làm việc tương tự như cơ chế truy cập đường truyền của

mạng Tokenring Theo cơ chế này, bộ điều khiển trung tâm - PC (Point

Controller) tích hợp trong AP làm nhiệm vụ hỏi lần lượt các trạm theo 1 lịch

định trước để thăm dò yêu cầu truyền, chỉ có trạm nào được AP hỏi thì mới được phép truyền Cơ chế này thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tính thời gian thực cao bởi vì nó sẽ làm cho các trạm khi tham gia vào mạng chúng đều có cơ hội sử dụng môi trường truyền như nhau

MH (có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trong một không gian

nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng Có nghĩa là

nếu các MH có card mạng wireless thì chúng có thể trao đổi thông tin với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua một số nút trung gian đóng vai trò như các router, không cần phải qua 1 thiết bị xử lý trung tâm nào Vì mô hình mạng Ad-hoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên rất thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng nhỏ như hội nghị, các nhóm làm việc tạm thời Tuy nhiên chúng

có hạn chế về vùng phủ sóng và phải sử dụng các thuật toán routing khá phức

tạp

Mô hình mạng cơ sở (BSSs)

Mô hình này bao gồm điểm truy nhập (AP) gắn với mạng có dây và giao tiếp với các MH trong vùng phủ sóng của AP đó (gọi là cell) AP đóng vai trò

điều khiển cell và điều khiển lưu lượng vào mạng Các MH không giao tiếp trực tiếp với nhau mà phải thông qua AP

Hình 2.11: Mô hình mạng cơ sở

Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % để cho phép các MH

ó thể

mạng mở rộng (ESSs)

c di chuyển từ cell này qua cell khác mà không bị mất kết nối vô tuyến Các

MH sẽ phải chọn AP tốt nhất để kết nối AP có thể điều khiển và phân phối truy nhập đường truyền cho các MH có tranh chấp lúc truyền/nhận dữ liệu phù hợp với đường truyền có dây từ AP ra bên ngoài, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lý các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng Tuy nhiên mô hình đa truy nhập tập trung này không cho phép các MH truyền dữ liệu trực tiếp tới nút khác trong cell như trong cấu hình mạng WLAN độc lập Trong trường hợp này, mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ MH đến

AP và từ AP đến đích), quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng

trễ truyền dẫn

Mô hình

Hình 2.12: Mô hình mạng mở rộng

Mô hình này cho phép MH mở rộng phạm vi di động từ 1 BSSs này sang BSSs khác trong cùng ESSs Một ESSs là một tập hợp các BSSs, nơi mà các AP giao tiếp với nhau để có thể chuyển dữ liệu và lưu lượng của MH từ một BSSs này đến một BSSs khác nhằm làm cho việc di chuyển của các MH trong các cell của các AP được dễ dàng AP thực hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối được cấu hình trong mỗi AP Hệ thống phân phối này sẽ gửi toàn bộ thông tin của MH cần di chuyển đến AP đích (trong ESSs đó) hoặc thông qua một

mạng có dây để tới đích không nằm trong ESSs

2.4.3 AP và kênh truyền sóng

Trên các AP có 11 kênh thuộc dải tần 2,4GHz (được sử dụng bởi các thiết bị chuẩn 802.11b, 802.11g và 802.11n), được minh họa trên hình 2.13

Hình 2.13: Mô tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g

Về nguyên tắc thì lúc sử dụng có thể chọn bất cứ kênh nào trong số những kênh trên, tuy nhiên trong thực tiễn, người sử dụng chỉ nên sử dụng các kênh 1,

6 hoặc 11 Lý do cho sự hạn chế này là sự chồng lấn giữa các kênh 802.11b và 802.11g sử dụng 11 kênh trong băng tần 2.4GHz, mỗi một kênh được phân chia cách nhau 5MHz Do độ rộng của mỗi một kênh thường ở 22MHz đối với 802.11b và 20MHz đối với 802.11g, nên cả 802.11b và 802.11g đều có ba kênh không bị chồng lấn đó là 1, 6 và 11

Nếu tất cả năng lượng tín hiệu phát đi được chứa bên trong băng tần 20MHz (hoặc 22MHz), thì khái niệm về hiện tượng không chồng kênh sẽ đơn giản hơn Tuy nhiên sự thực lại phức tạp hơn do phổ tín hiệu có tính mờ

Hình 2.14: Minh họa phổ tín hiệu 802.11b

Giả sử có 2 AP có vùng phủ sóng giao nhau và chúng sử dụng 2 kênh liên tiếp nhau (ví dụ kênh 1 và 2) theo chuẩn 802.11b Do 2 kênh truyền này có tần

số cách nhau 5MHz nên nếu chúng được xếp bên cạnh nhau thì sẽ xuất hiện sự chồng lấn gây nhiễu lẫn nhau (Hình 2.15)

Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b Nhưng với cùng tham số như ở hình 2.15 nhưng được phát trên các kênh

1, 6, 11 thì sẽ hiệu quả hơn vì hầu như không có chồng lấn (hình 2.16)

Hình 2.16: Không xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b Hình này có cùng tham số đo như trong hình 4 nhưng các tín hiệu trong các kênh không bị chồng lấn 1, 6 và 11 Tuy nhiên, do công suất từ mỗi tín hiệu không ngắt hẳn tại đường biên 22MHz của kênh nên vẫn có sự chồng lấn giữa các kênh Trong trường hợp này, vùng chồng lấn giữa kênh 6 và 11 có công suất thấp hơn khoảng 1000 lần so với công suất đỉnh của kênh 11 nên hầu như không

có khả năng gây nhiễu đến mức làm sai lệch tín hiệu

Các kênh 1, 6 và 11 được coi như các kênh không chồng lấn

(non-overlapping) vì số lượng công suất bị chồng lấn nhỏ nên không ảnh hưởng đến

hoạt động của các kênh còn lại (trong 3 kênh 1, 6, 11) Các mạng WLAN hiện nay sử dụng 1 trong 3 kênh là 1, 6 hoặc 11.[23]

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, tôi 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 môi trường không 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 vòng tròn 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 toán kỹ lưỡng sao cho phạm vi phủ sóng đạt được mức tốt nhất Tuy nhiên, hoạt động thật sự của WLAN sẽ luôn trong tình trạng thay đổi do các MH không 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 phòng, 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 ngoài 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 không 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 còn có thể kết nối được với AP (như vị trí A, B) còn 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 không gian có nhiều vật cản Để giải

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 không gian đó Tuy nhiên, giải pháp này nảy sinh vấn đề chồng lấn vùng phủ sóng của các AP (hình 2.18)

Hình 2.18: Phạm vi phủ sóng của các AP chồng lên nhau