Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng LAN không dây

DIFS được sử dụng trong chu kỳ tranh chấp CP Contention Period và là khoảng thời gian mà các trạm phải chờ trước khi được phép truyền trong cơ chế DCF.. Việc sử dụng IFS nhỏ hơn mang lại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN CHIẾN

NGHIÊN CỨU VỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG LAN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN CHIẾN

NGHIÊN CỨU VỀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG LAN KHÔNG DÂY

Ngành: Công Nghệ Thông TinChuyên Ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số: 60.48.15

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC: TS NGUYỄN HOÀI SƠN

Hà Nội - 2007

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: CHUẨN IEEE 802.11 VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ĐỐI VỚI CHUẨN IEEE 802.11 MAC 4

1.1 Tổng quan về mạng WLAN 4

1.1.1 Những tính năng vượt trội của mạng WLAN so với LAN 4

1.1.2 Kiến trúc mạng WLAN 4

1.2 Chuẩn IEEE 802.11 MAC (Medium Access Control) 6

1.2.1 Các khoảng liên khung 7

1.2.2 Chức năng phối hợp phân tán DCF (Distributed Coordination Function) 8

1.2.2.1 Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA 9

1.2.2.2 Thủ tục Random Backoff (quay lui ngẫu nhiên) 9

1.2.2.3 Thủ tục xác nhận ACK 11

1.2.3 Chức năng phối hợp điểm PCF 11

1.2.3.1 Chu kỳ không tranh chấp 12

1.2.3.2 Thủ tục truy cập PCF 13

1.3 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên chuẩn IEEE 802.11 MAC 14

1.3.1 Tổng quan về QoS 14

1.3.2 Giới hạn QoS của DCF 15

1.3.3 Giới hạn QoS của PCF 16

1.3.4 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ với chuẩn IEEE 802.11e 16

1.3.4.1 Phân biệt lưu lượng (Traffic Differentiation) 17

1.3.4.2 HCF (Hybrid Coordination Function) 18

1.4 Kết luận chương 25

Chương 2: ĐẢM BẢO SỰ CÔNG BẰNG TRÊN IEEE 802.11 27

2.1 Tổng quan 27

2.2 Ảnh hưởng của sự mất công bằng 27

2.3 Đảm bảo công bằng trên IEEE 802.11 MAC 28

2.3.1 Thuật toán lập lịch công bằng trên mạng không dây 29

2.3.1.1 Thuật toán SCFQ (Self – Clocked Fair Queueing) 29

2.3.1.2 Thuật toán DFS (Distributed Fair Scheduling) 30

2.3.2 Một số kỹ thuật đảm bảo công bằng trên IEEE 802.11e 34

2.4 Kết luận chương 35

Chương 3: LẬP LỊCH PHÂN TÁN HỖ TRỢ CÔNG BẰNG TRÊN IEEE 802.11e EDCF 36

3.1 Đảm bảo tính công bằng cho IEEE 802.11e 36

3.2 Thuật toán EDCF-DFS hỗ trợ sự công bằng trên IEEE 802.11e EDCF 39

3.3 Phân tích ứng dụng thuật toán EDCF-DFS trên IEEE 802.11e

EDCF 42

3.4 Kết luận chương 44

Chương 4: ĐÁNH GIÁ HỖ TRỢ SỰ CÔNG BẰNG TRÊN IEEE 802.11e EDCF 45

4.1 Mục đích 45

4.2 Phương pháp đánh giá 45

4.2.1 Bộ mô phỏng NS-2 45

4.2.2 Tiêu chí đánh giá 46

4.3 Tham số mô phỏng 47

4.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá 48

4.5 Kết luận chương 57

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

Phụ lục 1: HƯỚNG DẪN CÀI ĐẶT NS-2.28/IEEE 802.11e 63

Phụ lục 2: THỦ TỤC BACKOFF CẦN SỬA ĐỔI ĐỂ MÔ PHỎNG VỚI EDCF-DFS 65

BSS Basic Service Set

CAP Controlled Access Period

CFB Contention Free Burst

CFP Contention Free Period

CP Contention Period

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

CW Contention Window

DCF Distributed Coordination Function

DFS Distributed Fair Scheduling

DIFS DCF Interframe Space

EDCA Enhanced Distributed Channel Access

EDCF Enhanced DCF

EIFS Extended Interframe Space

ESS Extended Service Set

HC Hybrid Coordinator

HCCA HCF Controlled Channel Access

HCF Hybrid Coordination Function

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IBSS Independent Basic Serivce Set

IFS Interframe Space

MAC Medium Access Control

NAV Network Allocation Vector

PC Point Coordinator

PCF Point Coordination Function

PIFS PCF Interframe Space

PHY Physical layer

QoS Quality of Service

RTS Request To Send

SCFQ Self-Clocked Fair Queuing

SIFS Short Interframe Space

STA Wireless Station

TSPEC Traffic Specification

TXOP Transmission Opportunity

WLAN Wireless Local Area Network

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Mạng IBSS 5

Hình 1.2: Mạng ESS 6

Hình 1.3: Kiến trúc IEEE 802.11 MAC 7

Hình 1.4: Các khoảng liên khung IFS trong 802.11 8

Hình 1.5: Thủ tục backoff 10

Hình 1.6: Ví dụ về tăng theo cấp số mũ của CW 11

Hình 1.7: Chu kỳ tranh chấp và chu kỳ không tranh chấp 12

Hình 1.8a: Mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF 15

Hình 1.8b: Kết quả mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF 15

Hình 1.9a: Frame IEEE 802.11 17

Hình 1.9b: Frame IEEE 802.11e 17

Hình 1.9c: Trường điểu khiển QoS 17

Hình 1.10: HHĐịnh danh ưu tiên 18

Hình 1.11: Kiến trúc IEEE 801.11e MAC cho QoS 19

Hình 1.12: Ánh xạ giữa các AC và các mức ưu tiên 20

Hình 1.13: Các tham số QoS điển hình 21

Hình 1.14: AIFS và thời gian backoff với các độ ưu tiên khác nhau 21

Hình 1.15: Các trạm ảo hoạt động bên trong một trạm đơn 22

Hình 1.16: Khoảng thời gian beacon dùng trong thuật toán lập lịch HCF 23

Hình 2.1: Sự mất cân bằng về thông lượng đạt được giữa các STA 28

(1-6 Upload, 7-12 Download) 28

Hình 3.1: Thông lượng đạt được trên các AC với EDCF 37

Hình 3.2: Số gói tin TCP nhận được khi tăng dần số node dùng UDP từ 1 đến 9 node với EDCF 38

Hình 3.3: Mô hình hoạt động của EDCF 40

Hình 3.4: Mô hình hoạt động của EDCF-DFS 42

Hình 4.1: Tổng quan về NS 46

Hình 4.2 Kiến trúc mạng mô phỏng thực nghiệm thứ nhất 48

Hình 4.3a: Thông lượng đạt dược trên các AC với EDCF chuẩn 48

Hình 4.3b: Thông lượng đạt dược trên các AC với EDCF-DFS 49

Hình 4.4: Kiến trúc mạng mô phỏng thực nghiệm thứ hai và ba 50

Hình 4.5: Số gói tin nhận được trên các AC với 5 node 51

Hình 4.6: Chỉ số công bằng đạt được trên các AC với 5 node 52

Hình 4.7: Số gói tin nhận được trên AC[0] và AC[2] khi tăng dần số node từ 1 đến 12 node 53Hình 4.8: Độ trễ trên AC[0] khi tăng dần số node từ 1 đến 12 node 54Hình 4.9: Số gói tin TCP nhận được trên các AC khi tăng dần số node dùng UDP từ 1 đến 9 node 55Hình 4.10: Số gói tin TCP nhận được trên AC[2] khi tăng dần số node từ 1 đến 12 node 56

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các tham số đầu vào EDCF chuẩn 47 Bảng 4.2: Số gói tin nhận được trên các AC với 5 node 51 Bảng 4.3: Chỉ số công bằng đạt được trên các AC với 5 node 51 Bảng 4.4: Số gói tin nhận được trên AC[0] và AC[2] khi tăng dần số node từ 1 đến 12 node 52 Bảng 4.5: Độ trễ trên AC[0] khi tăng dần số node từ 1 đến 12 node 53 Bảng 4.6: Số gói tin TCP nhận được trên các AC khi tăng dần số node dùng UDP từ 1 đến 9 node 55 Bảng 4.7: Số gói tin TCP nhận được trên AC[2] khi tăng dần số node từ 1 đến

12 node 56

MỞ ĐẦU

Chất lượng dịch vụ, một vấn đề chính cũng là một thách thức lớn đối với giao thức mạng Internet hiện nay Internet ngày càng phát triển và trở nên không đồng nhất, do sự bùng nổ của mạng không dây trong những năm gần đây Song song với sự phát triển của mạng không dây, những ứng dụng đa phương tiện cũng đã và đang trải qua thời kỳ bùng nổ Người dùng đòi hỏi các dịch vụ web, video, voice, với chất lượng cao ngay khi họ đang di chuyển từ nơi này đến nơi khác

Trong môi trường không dây sự thay đổi của môi trường truyền, biến đổi về không gian, địa điểm dẫn đến tỷ lệ mất gói, độ trễ, biến thiên độ trễ cao, băng thông hạn chế Trong khi đó các dịch vụ yêu cầu thời gian thực voice, multimedia, video, video conferencing, đòi hỏi băng thông lớn, độ trễ, tỷ lệ mất gói thấp Vì vậy, vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trong môi trường mạng LAN không dây là quan trọng và cần thiết

IEEE 802.11 là chuẩn áp dụng cho mạng WLAN đã được chấp nhận rộng rãi trên thế giới và đóng vai trò chính trong giao tiếp không giây thế hệ mới Đặc điểm chính của IEEE 802.11 là tính đơn giản, linh hoạt và hiệu quả Công nghệ này cho phép người dùng có thể giao tiếp mọi nơi, mọi lúc với hai kiến trúc mạng đơn giản là có kiến trúc hoặc không có kiến trúc ad-hoc

Với những lý do trên, được sự đồng ý và hướng dẫn của TS Nguyễn

Hoài Sơn, tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ

cho mạng LAN không dây” là đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp của

mình

Vấn đề QoS (đảm bảo chất lượng dịch vụ) trên IEEE 802.11 MAC đã được quan tâm nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây Đảm bảo chất lượng dịch vụ trên IEEE 802.11 MAC là vấn đề phức tạp và thách thức lớn

Tổ chức IEEE đã phát triển chuẩn IEEE 802.11e mở rộng từ chuẩn IEEE 802.11 MAC với mục đích chính là hỗ trợ các ứng dụng có yêu cầu QoS

Chuẩn IEEE 802.11e ra đời đã cung cấp khả năng phục vụ tốt hơn cho các dịch vụ yêu cầu QoS voice, multimedia, video, video conferencing, ngoài ra còn cải thiện một cách đáng kể về hiệu năng mạng

Luận văn nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ trên chuẩn IEEE 802.11 MAC và chuẩn IEEE 802.11e với trọng tâm nghiên cứu là đảm bảo tính công bằng trên IEEE 802.11e EDCF (cải tiến từ DCF) Đảm bảo tính công bằng là một kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ dựa trên một chính sách nào đó như ưu tiên về tải, ưu tiên về độ trễ,… Đã có nhiều nghiên cứu

về đảm bảo tính công bằng về thông lượng (tải) trên trên IEEE 802.11 MAC như lập lịch công bằng SCFQ [15] với tư tưởng phân chia thời gian tranh kênh truyền hợp lý, DFS [10] kết hợp DCF và SCFQ với tư tưởng là tính toán backoff interval phù hợp với thời gian truyền trước đó Nhưng các kỹ thuật này chỉ dừng lại ở IEEE 802.11 MAC DCF, chưa áp dụng được cho IEEE 802.11e

Luận văn chỉ ra sự mất công bằng về tải (thông lượng) trên IEEE 802.11e EDCF Để giải quyết vấn đề này, luận văn đã đưa ra kỹ thuật EDCF-DFS đảm bảo tính công bằng trên IEEE 802.11e EDCF kết hợp sự ưu tiên theo kiểu lưu lượng (thời gian) và ưu tiên theo trọng số của tải Tư tưởng chính của kỹ thuật này là trên mỗi AC ngoài sự ưu tiên theo kiểu lưu lượng của IEEE 802.11e, chúng ta gắn thêm một tiêu chí ưu tiên mới đó là trọng số của tải tương ứng cho từng AC Như vậy, chúng ta có thể đảm bảo công bằng

về tải bằng cách tính toán backoff interval dựa trên trọng số của tải theo thuật toán EDCF-DFS thay vì tính backoff interval như IEEE 802.11e trước đây

Tác giả đã đánh giá cơ chế IEEE 802.11e EDCF có áp dụng DFS trên bộ mô phỏng NS-2 Với những kết quả thu được cho chúng ta thấy

EDCF-rõ ưu điểm về đảm bảo tính công bằng và ý nghĩa của nó trong đảm bảo chất lượng dịch vụ khi áp dụng thuật toán EDCF-DFS trên IEEE 802.11e EDCF

Về bố cục, nội dung của luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan về mạng WLAN với những điểm cơ bản của IEEE 802.11 MAC, đi sâu vào nghiên cứu phân tích những hạn chế QoS đối với IEEE 802.11 MAC và trình bày chi tiết hỗ trợ chất lượng dịch vụ đối với IEEE 802.11e

Chương 2: Trình bày vấn đề đảm bảo sự công bằng cho IEEE 802.11 bao gồm tổng quan, ảnh hưởng của sự mất công bằng, một số kỹ thuật đảm bảo sự công bằng trên IEEE 802.11 MAC DCF và IEEE 802.11e Chủ yếu là nghiên cứu một cách kỹ lưỡng thuật toán SCFQ và DFS đảm bảo sự công bằng trên 802.1 MAC DCF

Chương 3: Trình bày những nghiên cứu về đảm bảo tính công bằng cho IEEE 802.11e EDCF Cung cấp kỹ thuật EDCF-DFS đảm bảo sự công bằng trên IEEE 802.11e bằng kết hợp ưu tiên theo kiểu lưu lượng và trọng số tải

Chương 4: Tiến hành mô phỏng, đánh giá so sánh kết quả việc áp dụng thuật toán EDCF-DFS trên IEEE 802.11e với IEEE 802.11e chuẩn trên cơ chế truy cập kênh EDCF

Kết luận: Nêu đánh giá những kết quả mà Luận văn đã thực hiện, ý nghĩa của nó và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1: CHUẨN IEEE 802.11 VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ĐỐI VỚI CHUẨN IEEE 802.11 MAC

1.1 Tổng quan về mạng WLAN

1.1.1 Những tính năng vượt trội của mạng WLAN so với LAN

Mạng WLAN không dây ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công sở, trường học, sân bay, bện viện hay các khu vực công cộng, chuẩn IEEE 802.11 là công nghệ WLAN phổ biến nhất hiện nay, với những đặc trưng vượt trội

Tính không dây: Lợi thế rõ ràng nhất của WLAN so với LAN là tính không dây Với khả năng hỗ trợ di động của mạng không dây người dùng không bị ràng buộc bởi dây kết nối, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với bất

kỳ vị trí nào bên trong vùng phủ sóng của mạng

Tính linh hoạt: Sự triển khai mạng không dây là dễ dàng và nhanh chóng, thậm chí không cần lên kế hoạch trước như việc tạo một mạng riêng ad-hoc Tính linh hoạt của mạng không dây là một lợi thế nên được nó phổ dụng một cách nhanh chóng tại các nơi công cộng như sân ga, trường học, công sở… ngay cả những nơi như quán cà phê hay chỉ trong gia đình

Băng thông lớn: Một đặc trưng quan trọng của WLAN là tốc độ cao so với mạng di động sử dụng các công nghệ khác như GSM, CDMA (hiện nay IEEE 802.11a đã đến 54Mbs)

Chi phí thấp: Do sự bùng nổ và tính phổ biến của mạng không dây nên giá thành thiết bị không dây được giảm xuống một cách nhanh chóng

1.1.2 Kiến trúc mạng WLAN

Mạng WLAN [11] có các kiến trúc như sau:

 Dịch vụ độc lập IBSS (Independent Basic Service Set)

Một IBSS bao gồm một nhóm các trạm truyền thông trực tiếp với nhau Một IBSS cũng có thể gọi là một mạng ad-hoc hay một WLAN Mỗi trạm muốn giao tiếp được với trạm khác thì phải nằm trong phạm vi phủ sóng của

nhau Hình 1.1 minh họa mạng IBSS với 3 trạm truyền thông trực tiếp với nhau

 Mạng dịch vụ cơ bản BSS (Basic Service Set) và mạng dịch vụ mở rộng ESS (Extended Service Set)

BSS là khối cơ sở của IEEE 802.11 WLAN Trong BSS có một trạm đặc biệt gọi là Điểm truy cập AP (Access Point) AP là điểm trung tâm của truyền thông cho tất cả các trạm còn lại trong BSS Các trạm trong BSS liên lạc với nhau thông qua AP Trong mô hình mạng có kiến trúc, một BSS cơ bản gồm

ít nhất một trạm và một AP Hình 1.2 minh họa một 2 mạng BSS với AP

Cấu trúc mạng IBSS và BSS chỉ có thể hoạt động trong phạm vi hẹp Tuy nhiên ta có thể xây dựng mạng không dây có phạm vi lớn hơn bằng cách liên kết nhiều mạng BSS lại với nhau tạo thành mạng ESS Các mạng BSS được kết nối với nhau thông qua hệ thống phân phối DS (Distribution

System) DS có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau nhưng thông thường là một đường trục để chuyển tiếp các gói tin giữa các BSS Tất cả các trạm trong một ESS có thể liên lạc với nhau Để làm được điều này, các AP đóng vai trò như những cầu nối và việc liên lạc trực tiếp giữa các trạm trong ESS đòi hỏi phải

có mạng xương sống đường trục

Hình 1.2: Mạng ESS

1.2 Chuẩn IEEE 802.11 MAC (Medium Access Control)

Chuẩn IEEE 802.11 MAC [1] gồm hai cơ chế truy cập kênh: chức năng phối hợp phân tán DCF và chức năng phối hợp điểm PCF DCF sử dụng giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh tắc nghẽn CSMA/CA PCF sử dụng phương thức thăm dò với sự hỗ trợ của bộ phối hợp điểm PC Nếu cả hai phương thức được sử dụng trong cùng một mạng BSS thì chúng có thể cùng tồn tại và hai phương thức sẽ được sử dụng lần lượt Cơ chế DCF là bắt buộc trong khi PCF là tùy chọn Vì việc triển khai PCF phức tạp nên nhiều nhà sản xuất không hỗ trợ PCF

Hình 1.3: Kiến trúc IEEE 802.11 MAC

1.2.1 Các khoảng liên khung

Khoảng thời gian giữa các khung (frame) liên tiếp gọi là khoảng liên khung IFS [1] Có 4 loại IFS khác nhau được định nghĩa để cung cấp các mức

ưu tiên cho truy cập truyền thông không dây Các IFS dưới đây được sắp xếp

từ ngắn đến dài

 SIFS khoảng liên khung ngắn nhất

 PIFS khoảng liên khung PCF

 DIFS khoảng liên khung DCF

 EIFS khoảng liên khung mở rộng SIFS là khoảng liên khung ngắn nhất và được sử dụng cho các khung xác nhận ACK, khung CTS và các khung dữ liệu tiếp theo SIFS là khoảng thời gian từ khi kết thúc khung trước cho đến khi bắt đầu khung tiếp theo Sử dụng SIFS giữa các lần truyền trong chuỗi trao đổi các khung có tác dụng ngăn cản các trạm khác (các trạm chờ kênh truyền quá lâu) cố gắng sử dụng kênh truyền

PIFS được sử dụng bởi AP hoạt động trong PCF Khi bắt đầu chu kỳ không tranh chấp CFP (Contention Free Period), AP phải chờ một khoảng PIFS trước khi truyền AP có độ ưu tiên cao hơn các trạm khác do nó chỉ phải chờ khoảng PIFS ngắn hơn DIFS

DIFS được sử dụng trong chu kỳ tranh chấp CP (Contention Period) và

là khoảng thời gian mà các trạm phải chờ trước khi được phép truyền trong cơ chế DCF

EIFS sẽ bắt đầu sau khi PHY chỉ ra kênh truyền rỗi sau khi phát hiện frame không đúng mà không cần quan tâm đến kỹ thuật cảm nhận sóng mang EIFS được định nghĩa để cung cấp đủ thời gian cho các trạm khác xác nhận những frame nó đã nhận được

Hình 1.4: Các khoảng liên khung IFS trong 802.11

Khoảng thời gian IFS sẽ được cố định cho mỗi PHY Giá trị IFS được xác định từ các thuộc tính riêng bởi PHY

1.2.2 Chức năng phối hợp phân tán DCF (Distributed Coordination Function)

DCF là cơ chế truy cập cơ bản cho cả mạng ad-hoc và mạng có kiến trúc DCF sử dụng giao thức CSMA/CA và thủ tục quay lui ngẫu nhiên (backoff) Ngoài ra, tất cả các gói gửi đi đều được xác nhận (ACK) và bên gửi sẽ gửi lại gói tin nếu không nhận được ACK

Một trạm muốn truyền thì phải xác định xem kênh truyền có đang được

sử dụng bởi trạm khác hay không Các trạm xác định kênh truyền rỗi hay bận dựa trên giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA Nếu kênh truyền bận trạm sẽ phải chờ cho đến khi trạm khác kết thúc truyền Sau khi trì hoãn hoặc trước khi cố gắng truyền trở lại, trạm sẽ phải chọn một khoảng thời gian quay lui ngẫu nhiên dựa trên thủ tục quay lui ngẫu nhiên và sẽ giảm biến đếm backoff trong khi kênh truyền còn rỗi

1.2.2.1 Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA

CSMA/CA được dùng để giảm xung đột khi nhiều trạm cùng truy cập vào một kênh truyền Các trạm sẽ chờ trong khi kênh truyền bận Sau khi kênh truyền rỗi, các trạm đều muốn sử dụng kênh truyền Do đó, rất dễ dẫn đến xung đột Thủ tục quay lui ngẫu nhiên có thể giải quyết sự xung đột kênh truyền Cảm nhận sóng mang sử dụng cả đồng thời cả hai kỹ thuật vật lý và

ảo

Kỹ thuật cảm nhận sóng mang vật lý cung cấp bởi lớp PHY

Kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo được cung cấp bởi lớp MAC

Cảm nhận sóng mang ảo là thông báo thông tin về khoảng thời gian đặt trước kênh truyền đến các trạm khác Kỹ thuật này được thực hiện thông qua vector cấp phát mạng NAV (Network Allocation Vector) NAV là bộ định thời gian và được cập nhật bởi khung dữ liệu truyền trong môi trường Khi giá trị NAV bằng 0 thì kênh truyền rỗi, ngược lại kênh truyền là bận

Trạm nhận đúng frame sẽ cập nhật (update) lại giá trị NAV của nó với thông tin nhận được trong trường Duration/ID, nhưng chỉ khi giá trị NAV mới lớn hơn giá trị NAV hiện tại thì trạm mới cập nhật

1.2.2.2 Thủ tục Random Backoff (quay lui ngẫu nhiên)

Thủ tục quay lui ngẫu nhiên giúp tránh được sự xung đột kênh truyền Đầu tiên, các trạm kiểm tra xem kênh truyền có rỗi hay không (dùng giao thức CSMA/CA) Nếu kênh truyền bận, các trạm phải trì hoãn cho đến khi kênh rỗi Sau khi kênh rỗi một khoảng thời gian DIFS, các trạm sẽ sinh ra một khoảng thời gian ngẫu nhiên và sẽ giảm dần biến đếm backoff Khi biến đếm backoff giảm đến 0, trạm sẽ được phép truyền

Nếu kênh truyền được xác định là bận trong khoảng thời gian backoff thì thủ tục backoff sẽ tạm dừng, biến đếm backoff không giảm nữa Khi kênh truyền rỗi thì thủ tục backoff sẽ được phép bắt đầu lại Thủ tục backoff được thi hành ngay lập tức sau khi kết thúc việc truyền khung, thậm chí ngay cả khi không có trạm nào đang chờ truyền Việc các trạm chọn các khoảng thời gian

ngẫu nhiên khác nhau làm giảm khả năng xung đột giữa các trạm mà đã chờ kênh truyền ở cùng một thời điểm

Hình 1.5: Thủ tục backoff

Hình 1.5 minh họa việc sử dụng thủ tục backoff Nhìn vào hình ta có thể thấy, đầu tiên khi trạm A đang truyền thì các trạm B, C, D yêu cầu được truyền Ba trạm này cảm nhận thấy kênh truyền đang bận nên phải chờ cho đến khi kênh rỗi Sau khi A truyền xong, kênh truyền là rỗi, các trạm B, C và

D bắt đầu thủ tục backoff sau khi chờ một khoảng DIFS Thời gian backoff của C là ngắn nhất nên khi biến đếm backoff về 0, C được phép truyền Các trạm khác lại phải trì hoãn cho đến khi C truyền xong thì thi hành thủ tục backoff Quá trình này được tiếp tục thực hiện cho đến khi các trạm truyền hết khung

Khoảng thời gian backoff được tính theo công thức sau:

BackoffTime = Random() * SlotTime

Trong đó Random() là một số nguyên dương ngẫu nhiên trong khoảng

[0,CW] CW là cửa sổ tranh chấp và CWmin ≤ CW ≤ Cwmax

SlotTime là giá trị tương ứng với đặc điểm của tầng PHY

CW lấy giá trị bắt đầu từ CWmin, mỗi khi việc truyền khung không thành

công, giá trị cửa sổ tranh chấp CW sẽ được tăng gấp đôi và thủ tục backoff mới sẽ bắt đầu CW sẽ tăng gấp đôi mỗi khi truyền không thành công cho tới khi nó đạt giá trị CWmax Lần đầu khi nó đạt giá trị CWmax, CW sẽ giữ

nguyên giá trị cho đến khi nó được xác lập lại Điều này làm tăng tính ổn định

của giao thức truy cập CW sẽ được xác lập lại sau khi trạm truyền thành công

sẽ chờ trong khoảng ACKTimeout, nếu không nhận được ACK trước khoảng thời gian đó trạm sẽ kết luận là quá trình truyền gói tin bị lỗi

1.2.3 Chức năng phối hợp điểm PCF

IEEE 802.11 MAC còn sử dụng một phương thức truy cập khác là PCF, chỉ sử dụng BSS (mạng có kiến trúc) bởi vì phương thức truyền này đòi hỏi phải có AP Phương thức này sử dụng bộ phối hợp điểm PC (Point Coordinator) để xác định trạm nào đã sẵn sàng để truyền Bộ phối hợp điểm

PC nằm trong AP sẽ điều khiển việc truyền dữ liệu Bộ phối hợp điểm cài đặt danh sách thăm dò và tiến hành việc thăm dò các trạm trong mạng

PCF sử dụng kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo được hỗ trợ bởi kỹ thuật

ưu tiên truy cập Ngoài ra, tất cả các khung truyền sử dụng PCF có thể sử dụng khoảng liên khung IFS mà nhỏ hơn IFS của khung truyền thông qua DCF Việc sử dụng IFS nhỏ hơn mang lại lợi ích là lưu lượng PCF sẽ có độ

ưu tiên truy cập kênh truyền hơn các trạm trong các BSS chồng nhau hoạt động dưới phương thức DCF

1.2.3.1 Chu kỳ không tranh chấp

PCF cung cấp truyền khung không tranh chấp Với PCF ta phân biệt chu

kỳ tranh chấp và chu kỳ không tranh chấp DCF được dùng trong chu kỳ tranh chấp CP, còn PCF được dùng trong chu kỳ không tranh chấp CFP Chu kỳ tranh chấp CP và chu kỳ không tranh chấp CFP luân phiên nhau Mỗi chu kỳ không tranh chấp bắt đầu với một khung quản lý đặc biệt gọi là khung Beacon

Độ dài của CFP được điều khiển bởi PC với khoảng thời gian tối đa được định rõ bởi giá trị của biến CFP-MaxDuration PC có thể kết thúc CFP tại thời điểm hoặc trước thời điểm CFPMaxDuration, dựa trên lưu lượng sẵn dùng và kích thước của danh sách thăm dò Bởi vì việc truyền beacon có thể bị trễ do kênh truyền bận nên chu kỳ không tranh chấp CFP có thể bị thu ngắn lại Trong trường hợp kênh bận do lưu lượng DCF, beacon sẽ bị trễ trong khoảng thời gian cần thiết để hoàn thành việc truyền frame DCF hiện tại

Hình 1.7: Chu kỳ tranh chấp và chu kỳ không tranh chấp

1.2.3.2 Thủ tục truy cập PCF

Các trạm và PC không sử dụng RTS/CTS trong chu kỳ không tranh chấp

Ở thời điểm bắt đầu mỗi CFP, PC sẽ cảm nhận kênh truyền Khi kênh truyền được xác định là rỗi sau một khoảng PIFS, PC sẽ truyền khung quản lý Beacon chứa thông tin CFPMaxDuration Các trạm khi nhận được khung Beacon sẽ điều chỉnh giá trị NAV của chúng theo giá trị CFPMaxDuration Điều này ngăn cản các trạm chiếm quyền điều khiển kênh truyền trong CFP Việc thiết lập NAV cũng làm giảm nguy cơ trạm ẩn xác định kênh truyền là rỗi trong CFP và có thể làm hỏng việc truyền hiện hành

Sau khi gửi khung beacon, PC sẽ chờ ít nhất một khoảng thời gian SIFS trước khi nó truyền khung thăm dò hoặc dữ liệu đến các trạm PC sẽ duy trì một danh sách thăm dò và sẽ thăm dò lần lượt các trạm trong danh sách đó

PC sẽ nhìn vào danh sách thăm dò của nó Và nếu nó kiểm tra thấy trong

bộ đệm có dữ liệu cần truyền cho trạm mà nó định thăm dò, PC sẽ gửi cho trạm đó khung: Data + CF-Poll (khung thăm dò) Nếu không có dữ liệu thì PC chỉ gửi khung thăm dò CF-Poll Trạm được thăm dò sẽ trả lời với khung Data/ACK sau khoảng SIFS đến PC hoặc đến các trạm khác ở trong mạng Nếu sau khoảng PIFS mà không thấy trả lời, PC sẽ giành quyền điều khiển và tiến hành thăm dò trạm tiếp theo trong danh sách thăm dò Đối với trạm không trả lời thì ở lần thăm dò tiếp theo, PC sẽ gửi lại dữ liệu

Đối với các trạm được thăm dò kể trên, nếu có dữ liệu trạm sẽ trả lời với khung Data + CF-ACK và nếu không có dữ liệu để gửi thì nó sẽ trả lời với khung CF-ACK Quá trình thăm dò, gửi dữ liệu và trả lời này sẽ tiếp tục cho đến khi PC không có khung dữ liệu nào để gửi và không có trạm nào để thăm

dò Khi đó PC sẽ gửi một khung kết thúc CF-End hoặc CF-End +CF-ACK (nếu cần xác nhận dữ liệu) để thông báo kết thúc chu kỳ không tranh chấp CFP Lúc đó tất cả các trạm sẽ xác lập lại giá trị NAV của chúng và chu kỳ tranh chấp CP sẽ bắt đầu

1.3 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên chuẩn IEEE 802.11 MAC

1.3.1 Tổng quan về QoS

Đối với mạng LAN, thường người ta không quan tâm đến QoS vì độ trễ, biến thiên độ trễ, tỷ lệ mất gói thấp và băng thông cao với kết nối phổ biến LAN là 100Mbs đến 1Gbps, và không lâu nữa mạng LAN chuẩn 802.3ae có băng thông cỡ 10Gbps sẽ xuất hiện [13]

Trong môi trường Wireless vấn đề QoS được quan tâm, do kết nối không dây có những đặc điểm riêng như tốc độ thấp, mất mát dữ liệu cao, bùng nổ mất mát, khả năng truyền lại cao, độ trễ và biến thiên độ trễ lớn Ngoài ra kết nối không dây còn mang tính không ổn định do thay đổi về không gian địa điểm, tính di động của người dùng, đặc biệt là khi đi vào các vùng giao thoa,

có thể khiến cho lỗi tại hai đầu mút thay đổi Điều này làm giảm chất lượng đối với các dịch vụ voice, video real-time và nhiều dịch vụ khác Trong khi dó người dùng muốn nhận được chất lượng dịch vụ giống nhau ngay khi thay đổi môi trường, điểm kết nối

Trong những năm lại đây đã có nhiều nghiên cứu về cung cấp dịch vụ QoS trên trên IEEE 802.11 MAC [2], [6], [16] với hai phương thức điều khiển môi trường truyền DCF và PCF

Với DCF: tính toán backoff interval, phân biệt lớp dịch vụ, phân biệt theo trọng số tải DFS, thay đổi khoảng liên khung DIFS, mở rộng DCF bằng thay đổi kích cở CW,

Với PCF: Sử dụng phân chia thời gian theo dồn kênh TDM với các timeslot khác nhau, chức năng phối hợp lai HCF cung cấp trực tiếp tập trung tại AP

Có nhiều cách để nhận biết đặc điểm của QoS trong WLAN như tham số hóa hoặc ưu tiên hóa Tham số hóa là thể hiện các yêu cầu nghiêm ngặt được biểu diễn bằng các giá trị định lượng như yêu cầu về băng thông, giới hạn về

độ trễ, biến thiên độ trễ, tỷ lệ mất gói các giá trị này thường được thực hiện ở tầng MAC

1.3.2 Giới hạn QoS của DCF

DCF chỉ hỗ trợ dịch vụ với nổ lực chuyển lưu lượng một cách tốt nhất (best-effort) chứ không có bất kỳ đảm bảo QoS nào Nhìn chung các dịch vụ

có giới hạn thời gian như VoIP (Voice over IP), hoặc audio/video conferencing cần đảm bảo băng thông và độ trễ, biến thiên độ trễ nhưng đều phải chịu mất mát

Trong cơ chế truy cập kênh DCF, tất các các STA trong một BSS cạnh tranh chiếm môi trường truyền cùng một quyền ưu tiên như nhau Không có

cơ chế phân biệt để đảm bảo băng thông, độ trễ, và xung đột cho các gói dữ liệu của các STA có độ ưu tiên cao hoặc lưu lượng đa phương tiện

Để chứng minh cho điều này tôi trình bày kết quả mô phỏng [13] trong NS-2 với:

+ Lược đồ, tham số mô phỏng và kết quả mô phỏng:

Hình 1.8a: Mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF

Hình 1.8b: Kết quả mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF

Qua kết quả mô phỏng cho chúng ta thấy lưu lượng cả ba loại lưu lượng

ổn định khi truy nhập kênh dưới 70%, độ trễ trung bình là dưới 4ms Khi số STA tăng trên 10 thì thông lượng cả ba loại đều giảm rất nhanh, độ trễ trung bình tăng nhanh đến 420ms và như nhau đối với cả ba loại lưu lượng

Mô phỏng đã cho chúng ta thấy không có sự chênh lệch giữa các loại lưu lượng về thông lượng hoặc độ trễ giữa các loại lưu lượng vì chỉ có một hàng đợi cho cả ba loại lưu lượng Do vậy không có cách nào để đảm bảo yêu cầu QoS cho các loại lưu lượng audio, video…

1.3.3 Giới hạn QoS của PCF

Mặc dù PCF được thiết kế để hỗ trợ ứng dụng đa phương tiện có hạn định về thời gian nhưng phương thức này có ba vấn đề chính dẫn đến kết quả QoS kém [16] đó là:

Vấn đề thứ nhất: kỹ thuật thăm dò tại trung tâm đáng ngờ Mọi giao tiếp giữa hai STA trong cùng một BSS đều phải đi qua AP, do vậy băng thông sẽ lãng phí khi dạng lưu lượng này tăng, nhiều nguồn kênh khác bị bỏ phí

Vấn đề thứ hai: Phối hợp giữa CF và CFP có thể gây ra thời gian trễ không thể dự đoán

Vấn đề cuối cùng là: thời gian truyền của một STA rất khó kiểm soát STA đã được thăm dò được phép giửi một khung có độ dài bất kỳ trong khoảng 0 đến 2346 byte Điều này tạo ra sự biến đổi về thời gian truyền, ngoài ra thời gian thăm dò tuỳ thuộc vào sự thay đổi của tình trạng kênh, do vậy thời gian truyền rất khó được AP dự đoán Vì vậy, đã ngăn cản AP đảm bảo dịch vụ QoS cho các STA khác nhau trong danh sách thăm dò trong thời gian rỗi của CFP

1.3.4 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ với chuẩn IEEE 802.11e

Với sự phổ biến của WLAN, các dịch vụ đa phương phương tiện: VoiIP, audio/video conferencing, ngày càng phát triển, cần đảm bảo về băng thông,

độ trễ, biến thiên độ trễ và sự mất mát ở một mức cho phép nào dó Như chúng ta đã biết, hạn chế lớn nhất của IEEE 802.11 MAC là không cung cấp

dịch vụ QoS Nhằm khắc phục hạn chế trên trong những năm gần đây đã có rất nhiều dự án nghiên cứu về đảm bảo QoS cho IEEE 802.11 MAC đã được triển khai, tổ chức IEEE đã phát triển chuẩn IEEE 802.11e [2] mở rộng chuẩn 802.11 để hỗ trợ các ứng dụng có yêu cầu QoS

1.3.4.1 Phân biệt lưu lượng (Traffic Differentiation)

IEEE 802.11e [2] cung cấp dịch vụ QoS cơ bản dựa trên phân biệt lưu lượng, bằng việc bổ sung thêm trường QoS thể hiện ở hình 1.9b:

Hình 1.9a: Frame IEEE 802.11

Hình 1.9b: Frame IEEE 802.11e

Hình 1.9c: Trường điểu khiển QoS

Việc bổ sung thêm trường QoS trong frame data đã giúp cho IEEE 802.11e thực hiện việc cung cấp dịch vụ QoS IEEE 802.11e cung cấp sự ưu tiên thông qua phân biệt TID (Traffic Identifier) và chỉ rõ ưu tiên theo hai kiểu là sử dụng ưu tiên UP (User priority) và TSPEC Traffic Specification

Trường hợp sử dụng UP thì sử dụng 8 mức ưu tiên như sau:

Hình 1.10: HHĐịnh danh ưu tiên

Trường hợp sử dụng TSPEC: Giá trị QoS được thiết lập và thống nhất giữa QSTA và HC của AP AP có quyền chấp nhận hoặc loại bỏ yêu cầu TSPEC dựa trên điều kiện của mạng

1.3.4.2 HCF (Hybrid Coordination Function)

IEEE 802.11e [2] cung cấp một cơ chế truy cập kênh truyền mới gọi là chức năng phối hợp lai HCF (Hybrid Coordination Function) HCF có cả phương thức truy cập kênh không tranh chấp và dựa trên tranh chấp HCF kết hợp DCF và PCF với một số mở rộng, do đó nó có tên là chức năng phối hợp lai HCF sử dụng phương thức truy cập kênh dựa trên tranh chấp gọi là EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) hoặc còn gọi là DCF nâng cao (EDCF - Enhanced DCF) hoạt động đồng thời với cơ chế truy cập kênh có điều khiển dựa trên kỹ thuật thăm dò HCCA (HCF Controlled Channel Access) EDCF chỉ được sử dụng trong chu kỳ tranh chấp, trong khi HCCA

sử dụng trong cả chu kỳ tranh chấp và không tranh chấp

Hình 1.11: Kiến trúc IEEE 801.11e MAC cho QoS

a XTOP (Transmission Opportunity )

Một đặc điểm mới của IEEE 802.11e đó là sử dụng thuật ngữ cơ hội truyền (TXOP - Transmission Opportunity) TXOP là khoảng thời gian một trạm có quyền truyền, được định nghĩa bởi thời gian bắt đầu và khoảng thời gian tối đa Do đó, vấn đề không dự đoán được thời gian truyền của các trạm được thăm dò có thể được giải quyết Nếu việc trao đổi các khung hoàn tất mà trạm vẫn còn thời gian trong TXOP, trạm có thể tiếp tục truyền những khung khác Nhưng trạm phải đảm bảo rằng việc truyền các khung và nhận các ACK cần thiết là vừa trong khoảng thời gian còn lại đó

TXOP được cấp phát thông qua tranh chấp (EDCF-TXOP) hoặc qua thăm dò (polled-TXOP) Khoảng thời gian của EDCF-TXOP được giới hạn bởi TXOPlimit ở trong khung Beacon, còn khoảng thời gian của polled-TXOP được định rõ bởi trường Duration bên trong khung thăm dò Đặc điểm mới này hướng tới việc cung cấp sự công bằng dựa trên thời gian cho các trạm

b EDCF (Enhanced DCF)

EDCF là phương thức truy cập dựa trên tranh chấp và là phương thức cơ bản của HCF Hỗ trợ QoS được thực hiện với việc giới thiệu các loại lưu lượng TC (Traffic Category) EDCF cung cấp 8 mức ưu tiên khác nhau cho các trạm (đánh số từ 0 đến 7) EDCF định nghĩa các loại truy cập AC (Access Category) cung cấp hỗ trợ các mức ưu tiên tại các trạm Mỗi trạm có thể có 4

AC để hỗ trợ 8 mức ưu tiên Một hay nhiều mức ưu tiên được gán cho một

AC Hình 1.2 ánh xạ các mức ưu tiên với các AC

Hình 1.12: Ánh xạ giữa các AC và các mức ưu tiên

Các khung thuộc những loại lưu lượng khác nhau sẽ được ánh xạ vào trong những AC khác nhau phụ thuộc vào những yêu cầu QoS khác nhau của từng loại lưu lượng Việc gán độ ưu tiên cho từng khung là vấn đề được triển khai ở tầng trên Bốn AC có tên là AC_BK, AC_BE, AC_VI và AC_VO lần lượt tương ứng với các loại lưu lượng Background, Best Effort, Video và Voice Trong đó, AC_BK có độ ưu tiên thấp nhất và AC_VO có độ ưu tiên cao nhất

Một AC với độ ưu tiên cao hơn sẽ được gán một giá trị CW nhỏ hơn

Điều này đảm bảo rằng AC có độ ưu tiên cao hơn sẽ được truyền trước AC có

độ ưu tiên thấp hơn Điều này được thực hiện bằng cách đặt giới hạn cửa sổ

tranh chấp CWmin[AC] và CWmax[AC] CW[AC] được tính toán sao cho nó

có giá trị khác nhau với mỗi AC khác nhau

Bên cạnh đó mỗi AC khác nhau sẽ có các khoảng liên khung IFS khác nhau Trong EDCF, khoảng liên khung AIFS (Arbitration Interframe Space) được sử dụng thay cho DIFS AIFS có giá trị tối thiểu bằng DIFS và có thể được mở rộng một cách riêng biệt đối với mỗi AC Tức là AC có độ ưu tiên cao hơn sẽ có AIFS tương ứng nhỏ hơn Giá trị AIFS nhỏ đảm bảo AC có độ

ưu tiên cao hơn sẽ có độ trễ ngắn hơn Mà độ trễ thấp là một trong những yêu cầu quan trọng của các ứng dụng đa phương tiện

Hình 1.13: Các tham số QoS điển hình

c Thủ tục EDCF Backoff

Tương tự như DCF nếu kênh truyền được xác định là bận, các trạm sẽ phải trì hoãn cho đến khi kênh truyền rỗi Sau khi trì hoãn, các trạm sẽ chờ một khoảng thời gian AIFS rồi thực hiện thủ tục backoff một cách độc lập

Biến đếm backoff là một số ngẫu nhiên trong khoảng [1, CW[AC]+1] khác với DCF là trong khoảng [0,CW] Nếu kênh truyền bận trước khi biến đếm

bằng 0, thủ tục backoff sẽ dừng lại và chờ cho đến khi kênh truyền rỗi sau một khoảng AIFS để tiếp tục giảm biến đếm backoff Sau mỗi lần truyền

không thành công, giá trị CW mới sẽ được tính lại Việc tăng CW sẽ giúp làm giảm khả năng xảy ra xung đột tiếp Khác với trong 802.11 CW luôn luôn

được tăng gấp đôi sau khi truyền không thành công, IEEE 802.11e sử dụng

giá trị PF (do một bộ quản lý quản lý) để tăng CW khác nhau đối với mỗi loại lưu lượng khác nhau Chú ý giá trị CW không bao giờ được vượt quá giá trị

CWmax[TC]:

newCW[AC] >= ((oldCW[AC] + 1) * PF) – 1

Hình 1.14: AIFS và thời gian backoff với các độ ưu tiên khác nhau

Trong EDCF, mỗi trạm đơn đều duy trì bốn hàng đợi truyền tương ứng với bốn AC Bốn hàng đợi này có các mức ưu tiên khác nhau và được coi như

là bốn trạm ảo hoạt động bên trong một trạm đơn Bốn hàng đợi này cảm nhận kênh truyền sử dụng cơ chế CSMA/CA và thủ tục backoff một cách riêng biệt Nếu biến đếm backoff của hai hay nhiều hàng đợi truyền trong một trạm đạt giá trị 0 tại cùng một thời điểm, thì sẽ xảy ra xung đột Như vậy, tồn tại hai kiểu xung đột: xung đột bên trong giữa các loại lưu lượng trong cùng 1 trạm và xung đột bên ngoài giữa các trạm khác nhau Sự xung đột bên trong (xung đột ảo) sẽ được giải quyết bởi bộ lập lịch Bộ lập lịch sẽ cấp TXOP cho

AC có độ ưu tiên cao nhất và AC này sẽ được quyền truyền Còn AC có độ

ưu tiên thấp hơn sẽ phải tăng giá trị CW của nó và chọn giá trị backoff mới

AC[0] AC[1] AC[2] AC[3]

Hình 1.15: Các trạm ảo hoạt động bên trong một trạm đơn

Tóm lại, truy cập kênh truyền dựa trên độ ưu tiên của EDCF trong IEEE 802.11e được thực hiện bằng cách gán giá trị AIFS khác nhau và cửa sổ tranh

chấp khác nhau cho các AC khác nhau Cụ thể là CW và AIFS càng nhỏ thì độ

ưu tiên càng cao Ngoài ra, AC có độ ưu tiên cao sẽ được ưu tiên cấp TXOP

để có quyền truy cập kênh truyền

d HCCA (HCF Controlled Channel Access)

HCCA sử dụng bộ phối hợp lai HC (Hybrid Coordinator), HC hoạt động theo quy tắc khác với bộ phối hợp điểm PC của PCF HC có độ ưu tiên truy cập kênh cao hơn so với các trạm khác, do HC chỉ phải chờ một khoảng thời gian PIFS ngắn hơn so với các trạm sử dụng DCF hay EDCF Điều này cho phép HC có thể cấp phát TXOP cho các trạm và truyền dữ liệu đến các trạm HCCA giải quyết được những nhược điểm của PCF:

 Các loại lưu lượng khác nhau được định nghĩa trong HCCA Các nhà sản xuất có thể thiết kế các thuật toán lập lịch để hỗ trợ các kiểu ứng dụng khác nhau Thêm vào đó, các thuật toán lập lịch được triển khai độc lập trong HCCA và có thể được mở rộng bởi nhà sản xuất mà không cần phải lo lắng về các vấn đề phức tạp

 Các trạm trong IEEE 802.11e không được phép truyền gói nếu việc truyền khung không thể kết thúc trước khi đến beacon tiếp theo Điều này giải quyết được vấn đề trễ beacon của PCF

 TXOPlimit được sử dụng để giới hạn thời gian truyền của trạm được thăm dò Nhờ đó giải quyết được vấn đề AP không dự đoán được thời gian truyền của các trạm trong PCF

Hình 1.16: Khoảng thời gian beacon dùng trong thuật toán lập lịch

HCF

Hình 1.16 cho thấy ví dụ về khoảng thời gian beacon IEEE 802.11e Trong khoảng thời gian beacon, AP được cho phép để bắt đầu chu kỳ truy cập

có điều khiển CAP (Controlled Access Period) sử dụng HCCA sau khi phát hiện kênh truyền là rỗi sau một khoảng PIFS HCCA mềm dẻo hơn PCF, bởi

vì PCF chỉ được dùng trong chu kỳ không tranh chấp, trong khi AP có thể khởi tạo HCCA bất cứ khi nào nó muốn trong khoảng beacon Để đủ không gian cho EDCF, khoảng thời gian tối đa của HCCA trong khoảng beacon được giới hạn bởi biến TCAPLimit

Như đã nói ở trên, thuật toán lập lịch được đề xuất trong IEEE 802.11e: trước khi truyền dữ liệu, dòng lưu lượng (TS-Traffic Stream) được thiết lập

và mỗi trạm không được phép có nhiều hơn 8 dòng lưu lượng với độ ưu tiên khác nhau Chú ý rằng dòng lưu lượng TS trong HCCA và loại truy cập AC trong EDCF có thể sử dụng những hàng đợi khác nhau Để bắt đầu, các trạm gửi khung yêu cầu QoS chứa đặc tả lưu lượng (TSPEC) đến AP Đặc tả lưu lượng TSPEC mô tả những yêu cầu QoS của TS, như là: tốc độ dữ liệu cao nhất, kích thước khung lớn nhất, giới hạn độ trễ và khoảng thời gian yêu cầu dịch vụ tối đa (RSI) AP có thể chấp nhận hoặc loại bỏ yêu cầu TSPEC mới dựa trên điều kiện của mạng Sau khi nhận tất cả các yêu cầu QoS, đầu tiên bộ lập lịch AP sẽ xác định khoảng thời gian dịch vụ được lựa chọn (SI), giá trị này không được lớn hơn RSI tối đa được yêu cầu bởi những TS khác nhau từ những trạm khác nhau Sau đó khoảng beacon được chia ra làm nhiều khoảng

SI và các trạm được thăm dò lần lượt trong mỗi SI (như trong hình 2.6) Cuối cùng, bộ lập lịch ở AP sẽ tính toán các giá trị HCCA-TXOP tương ứng cho các trạm khác nhau bằng cách sử dụng những yêu cầu QoS của chúng trong TSPEC và cấp cho các trạm

Thuật toán điều khiển admission HCCA cũng được đề xuất trong IEEE 802.11e [2] Sử dụng thông tin TSPEC, AP tính tỷ lệ thời gian truyền đặt trước cho HCCA của tất cả các trạm đang tồn tại trong SI theo công thức:

(1.1)

k

i i

TXOP SI





Để quyết định chấp nhận hay không yêu cầu từ dòng lưu lượng mới trong HCCA, bộ lập lịch AP chỉ cần kiểm tra nếu TXOPK+1 cộng với tất cả TXOP hiện tại nhỏ hơn hoặc bằng thời gian lớn nhất có thể sử dụng bởi HCCA:

1 1

(1.2)

k

i CAPLimit K

TXOP T XTOP





Trong đó: T CAPLimit là giới hạn khoảng thời gian tối đa của HCCA và

T Beacon thể hiện độ dài của khoảng beacon

1.4 Kết luận chương

IEEE 802.11 MAC điều khiển môi trường truyền với hai phương thức chính là: Chức năng cộng tác phân tán DCF và chức năng cộng tác phối hợp điểm PCF DCF dựa vào giao thức CSMA/CA hoạt động với tất cả cấu trúc của mạng, còn PCF dựa vào phương thức hỏi vòng không có xung đột nhằm cung cấp dịch vụ hạn định về thời gian chỉ hoạt động với mạng có kiến trúc IEEE 802.11 MAC đã hoạt động tốt trên môi trường vô tuyến, cung cấp vận chuyển lưu lượng một cách tốt nhất, đơn giản, hiệu quả Song một hạn chế lớn nhất của IEEE 802.11 MAC là chưa cung cấp dịch vụ QoS cho một loại dịch vụ, lưu lượng nào

IEEE 802.11e với việc bổ sung cung cấp dịch vụ QoS trên cơ sở phân biệt theo loại lưu lượng, sử dụng frame phân xử AIFS và cơ hội truyền XTOP

và sử dụng CWmin, CWmax khác nhau cho từng kiểu lưu lượng IEEE 802.11e với phương thức truy cập HCF dựa trên hai cơ chế EDCF (cải tiến DCF) và HCCA (cải tiến của PCF) đã giải quyết hạn chế lớn nhất của IEEE 802.11 là cung cấp dịch vụ QoS theo tám sự ưu tiên tương ứng bốn nhóm lưu lượng khác nhau theo từng mức ưu tiên từ Voice, Video, best-effort và background tương ứng với AC[0] đến AC[3]

Nhưng IEEE 802.11e còn hạn chế đó là khi lưu lượng ưu tiên cao gửi với một số lượng lớn thì các lưu lượng có ưu tiên thấp giảm nhanh chóng và

có lúc chết đói, chưa có cơ chế điều tiết đảm bảo công bằng giữa các lưu lượng, với ít nhất là tại một cận dưới nào đó Hay nói cách khác chưa có cơ chế đảm bảo cận dưới hoặc cận trên đối với một loại dịch vụ IEEE 802.11e chỉ cung cấp dịch vụ QoS dựa trên từng loại (nhóm) lưu lượng chứ chưa cung cấp sự kết hợp ưu tiên về loại lưu lượng (theo thời gian) và ưu tiên về tải

Chương 2: ĐẢM BẢO SỰ CÔNG BẰNG TRÊN IEEE

802.11

2.1 Tổng quan

Chương 1 cho chúng ta thấy việc cung cấp dịch vụ QoS trên môi trường WLAN là một vấn đề cần thiết Đảm bảo sự công bằng chia sẽ tài nguyên hợp lý là một kỹ thuật đảm bảo chất lượng hay cung cấp dịch vụ QoS IEEE 802.11 MAC

Công bằng là một khái niện trừu tượng có thể nói thường bắt gặp trong thực tế Công bằng chỉ đạt được trên một chính sách hay một quy định cụ thể nào đó Trong môi trường mạng chúng ta thường quan tâm đến hai tiêu chí cơ bản là thông lượng và độ trễ

Với tiêu chí đảm bảo công bằng về thông lượng, nghĩa là trong môi trường mạng đồng nhất các node đạt được thông lượng là như nhau trên cùng một khoảng thời gian

Với tiêu chí đảm bảo về độ trễ, nghĩa là đảm bảo các gói tin có yêu cầu

độ trễ thấp phải được truyền trước những gói tin có yêu cầu về độ trễ lớn hơn

Như chúng ta đã đề cập ở chương 1, IEEE 802.11 MAC với hai phương thức truy cập môi trường truyền DCF và PCF không đề cập hay không có cơ chế nào để đảm bảo sự công bằng

2.2 Ảnh hưởng của sự mất công bằng

Xét một ví dụ cho một mạng WLAN chỉ có hai STA là a và

STA-b sử dụng 802.11STA-b với phương thức chiếm môi trường truyền là DCF

Để truyền frame, STA phải cảm nhận môi trường truyền và chiếm kênh truyền Trong quá trình trên phụ thuộc vào việc chọn giá trị CWmin và backoff ban đầu Nếu xét trong khoảng thời gian ngắn với tiêu chí là đảm bảo công bằng về thông lượng

Giả sử a, b là giá trị STA-a và STA-b chọn tương ứng thuộc {0,1, CW-1}*slottime Ban đầu a1<b và STA-a truyền, sau khi truyền STA-a chọn

a2 mà a1+a2<, a1+a2+a3<b, a1+a2+a3+ an<b Như vậy chỉ có STA-a được truyền và mất công bằng xảy ra giữa STA-a và STB-b Điều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ của trạm STA-b

Để làm rõ hơn ảnh hưởng của công bằng đến chất lượng dịch vụ trên môi trường 802.11 MAC chúng ta xem xét thực nghiệm của D J Leith, P Clifford, D Malone, and A Ng [4] về quan sát gửi và nhận dữ liệu trên 12 STA sử dụng 802.11b sử dụng TCP Upload và Download Kết quả thực nghiện như hình 2.1

Hình 2.1: Sự mất cân bằng về thông lượng đạt được giữa các STA

(1-6 Upload, 7-12 Download)

Kết quả hình 2.1, nếu chúng ta chỉ xem các STA upload sự mất công bằng về tải đã xảy ra Chất lượng sẽ không được đảm bảo tại các STA-2 và STA-3, qua thực nghiệm này cho chúng ta thấy ảnh hưởng của sự mất công bằng đến chất lượng dịch vụ trên IEEE 802.11 MAC Có thể nói việc chia sẽ công bằng (hợp lý) tài nguyên của mạng có ý nghĩa quan trọng trong cải thiện

về chất lượng dịch vụ và hiệu năng

2.3 Đảm bảo công bằng trên IEEE 802.11 MAC

IEEE 802.11 MAC không cung cấp đảm bảo sự công bằng dẫn đến ảnh hưởng chất lượng dịch vụ [13],[6] Từ đó đã có nhiều nghiên cứu đảm bảo

công bằng trên IEEE 802.11 MAC như [2,6,18,19] tập trung vào hai phương pháp dựa trên hai cơ chế truy cập kênh đó là DCF và PCF

Phương pháp tiếp cận dựa trên PCF thường xử lý tập trung chủ yếu xây dựng lịch biểu hợp lý tập trung tại AP [19], vị dụ như thuật toán SCFQ [15]

Phương pháp tiếp cận phân tán dựa trên cơ chế truy cập kênh phân tán DCF chủ yếu điều chỉnh các than số như CWmin [17], Backoff interval tiêu biểu là thuật toán DFS[10]

2.3.1 Thuật toán lập lịch công bằng trên mạng không dây

2.3.1.1 Thuật toán SCFQ (Self – Clocked Fair Queueing)

Thuật toán SCFQ [15] đề xuất việc cạnh tranh kênh dựa trên đồng hồ logic, tư tưởng chính của thuật toán là xây dựng lịch biểu đảm bảo phân chia kênh truyền một cách hợp lý dựa trên trọng số về tải Điểm quan trọng cần chú ý là phương pháp đề xất thực thi lịch biểu công bằng phân tán có thể mở rộng công bằng trên hàng đợi đã được minh chứng bằng SCQ (Star-Time Fair Queueing)

Thuật toán được trình bày tóm tắt và ngắn gọn như sau:

 Hệ thống gồm có một đồng logic được duy trì ở tâm chức năng cộng tác, và v t( ) là giá trị thời gian thực của đồng hô logic tại thời điểm t

k

P i là gói tin thứ k đến trên kênh i A i k là thời gian thực tại thời điểm gói tin P i k đến kênh i L k i kích cở gói tin P i k S i k là nhãn thời gian bắt đầu và F i k là nhãn thời gian kết thúc được kết hợp với gói tin

k

P i Với ban đầu thì F i k = 0 với mọi k

1 Trên mỗi gói tin P i k khi đến kênh được gán nhãn thời gian bắt đầu là

k

S i , và S i k được xác định theo công thức sau:

1{ ( ), } (2.1)

S i macximum v A i F i 

Ở đây F i k là nhãn thời gian kết thúc của gói tin P i k , được tính với công thức sau:

(2.2)

k L

2 Ban đầu, đồng hồ logic được thiết lập bằng 0 nghĩa là v(0)=0 Đồng

hồ được cập nhật khi có gói tin mới được truyền đi Khi gói tin vừa ra khỏi hàng thì đồng hồ thiết lập giá trị bằng thời gian của F i k

3 Gói được truyền trên các kết nối tăng dần theo thứ tự chứa thẻ thời gian hoàn thành F i k

Việc đưa thuật toán này áp dụng được trên hàng thì ta cần chú ý như sau: gói tin đến kênh được truyền đầu tiên chính là gói tin đứng đầu hàng front Giá trị của F i k và F i k được tính toán lại như sau:

Giã sử f i k là thời gian thực của gói tin P i k đạt được ở đàu hàng của

2.3.1.2 Thuật toán DFS (Distributed Fair Scheduling)

Thuật toán DFS [10] với ý tưởng cơ bản dựa trên IEEE 802.11 MAC và thuật toán SCFQ:

 Thuật toán DFS mượn ý tưởng của SCFQ truyền gói tin với thời gian hoàn thành bé nhất, và kỹ thuật cập nhật đồng hồ logic

 Phương pháp xác định thời gian hoàn thành bé nhất và sử dụng backoff interval của IEEE 802.11 MAC Với ý tưởng cốt yếu (quan