Nghiên cứu về mạng Internet không dây và ứng dụng thuật toán di truyền trong tối ưu hoá vùng phủ sóng

Nghiên cứu về mạng Internet không dây và ứng dụng thuật toán di truyền trong tối ưu hoá vùng phủ sóng Nghiên cứu về mạng Internet không dây và ứng dụng thuật toán di truyền trong tối ưu hoá vùng phủ sóng luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Trường đại học bách khoa hà nội

******************

Nguyễn hoàng sơn

nghiên cứu về mạng INTERNET

không dây và ứng dụng thuật toán di

truyền trong tối ưu hoá vùng phủ

sóng

Luận văn thạc sĩ Ngành xử lý tín hiệu và truyền thông

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Kim Khánh

Nội dung Trang

Lời mở đầu

Danh mục các ký hiệu,các chữ viết tắt 1

Danh mục các bảng 5

Danh mục các hình vẽ và đồ thị 6

Giới thiệu chung 8

1.1 Nhu cầu và sự bức thiết ra đời công nghệ LAN không dây 8

1.2 Giới thiệu về bản luận văn 9

1.3 Hướng phát triển của đề tài 10

Chương I : Tổng quan về mạng LAN không dây 11

1.1 Cấu hình của mạng và các chuẩn có liên quan của IEEE 12

1.2 Đặc điểm của quá trình truyền sóng phần vô tuyến 16

1.2.1 Phân loại các kích thước của CELL 17

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạng vô tuyến 18

1.2.3 Kỹ thuật điều khiển lưư lượng trung bình (Media Access Control) 21

1.3 Kết luận ……… 24

Chương II : Phủ sóng trong LAN không dây 25

2.1 Giới thiêu về phủ sóng trong LAN không dây 25

2.2 Mô hình hoá quá trình truyền sóng trong LAN không dây 27

2.3 Tóm tắt 30

Chương III : MOBILE IP 31

3.1 Những yêu cầu của giao thức 31

3.1.1 Các giả định 31

3.1.2 Một vài nét chung của giao thức MobileIP 33

3.1.3 Cấu trúc bản tin sử dụng trong giao thức 36

3.1.4 Tóm tắt 37

3.2 Phương pháp phát hiện trạm 37

3.2.1 Quảng cáo trạm 38

3.2.3 Phần mở rộng Prefix-Lengths 41

3.2.4 Byte đệm mở rộng (One-byte Padding) 42

3.2.5 Thông báo yêu cầu trạm 42

3.2.6 Đăng ký theo yêu cầu 44

3.2.7 Mobile Node trở về mạng gốc 45

3.2.8 Tóm tắt 46

3.3 Xác nhận 46

3.3.1 Yêu cầu đăng ký 47

3.3.2 Trả lời đăng ký 48

3.3.3 Các phần mở rộng của bản tin trao đổi 50

3.3.4 Gửi các yêu cầu đăng ký 53

3.3.5 Nhận các trả lời đăng ký 57

3.3.6 Gửi các yêu cầu đăng ký 60

3.3.7 Bảng cấu hình đăng ký 60

3.3.8 Nhận các yêu cầu đăng ký 61

3.3.9 Nhận các trả lời đăng ký 63

3.3.10 Các quá trình thực hiện của trạm gốc 65

3.3.11 Bảng cấu hình và đăng ký 65

3.3.12 Nhận các yêu cầu đăng ký 66

3.3.13 Gửi các trả lời đăng ký 69

3.3.14 Tóm tắt 70

3.4 Quá trình định hướng 71

3.4.1 Kiểu bao gói (Encapsulation) 71

3.4.2 Định hướng gói tin Unicast 71

3.4.3 Các bước định hướng thực hiện tại trạm ngoài 72

3.4.4 Các bước định hướng của trạm gốc 73

3.4.7 Các bộ định hướng di động 76

3.4.8 ARP, Proxy ARP và ARPG 77

3.4.9 Tóm tắ………… 81

3.5 Bảo mật trong Mobile IP 82

3.5.1 Mã số xác nhận của bản tin 82

3.5.2 Quản lý từ Mã 82

3.5.3 Mã ngẫu nhiên (Ramdom) 82

3.5.4 Mã Privacy 83

3.5.5 Bảo vệ các trả lời đăng ký 83

3.5.6 Bảo mật trả lời dùng Timestamps 84

3.5.7 Bảo mật trả lời Nonces 84

3.5.8 Tóm tắt 85

Chương IV: ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hoá vùng phủ sóng trong môi trường văn phòng

86 4.1 Giải thuật di truyền (GA) cơ bản 87

4.2 Các toán tử của GA 91

4.2.1 Giao hoán 91

4.2.2 Đột biến 92

4.2.3 Quá trình thay thế 92

4.2.4 Tóm tắt 93

4.3 ứng dụng thuật toán di truyền vào bài toán tối ưu hoá đặt vị trí các điểm thu phát 93

4.3.1 Xác lập đầu bài và phương pháp giải quyết cho bài toán tối ưu hoá vị trí đặt điểm thu phát 96

4.3.2 Lưu đồ thuật toán 97

4.3.3 Kết quảchạy thử và đánh giá 99

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Trang

Chương I : Tổng quan về mạng LAN không dây 11

Hình 1.1: Cấu hình kết nối 12

Hình 1.2: Cấu hình mạng LAN không dây sử dụng tường lửa kết nối với các mạng có dây

14 Hình 1.3 : Mạng Lan không dây sử dụng bộ lặp để phủ sóng tới những điểm xa nhất các môi trường có cấu trúc phức tạp

14 Hình 1.4 : Vị trí của MAC và LLC trong mô hình 7 lớp 15

Hình 1.5 : Các đặc tuyến suy hao trong môi trường truyền sóng trong nhà theo khoảng cách và các luật từ 02-06 19

Hình 1.6 : ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường trong môi trường trong nhà 19

Hình 1.7 : Tình trạng xung đột thể khi một Node nhận tin từ 02 Node khác 21 Hình 1.9 : Cơ chế truyền tin để tránh tình trạng xung đột dữ liệu 22

Hình 1.10 : Khả năng truyền tải của CSMA/TDMA 23

Hình 1.11 : Thông lượng phụ thuộc vào tải đối với các phương thức truy cập khác nhau 23

Chương III: MOBILE IP 31

Hình 3.1: Cấu trúc của mở rộng Type-Length-Value 36

Hình 3.2: Cấu trúc bản tin quảng cáo định hướng ………

Hình 3.3: Cấu trúc của bản tin mở rộng thuộc quảng cáo trạm di động… 39 40 Hình 3.4: Cấu trúc của mở rộng Prefix-Length 42

Hình 3.5 : Cấu trúc bản tin yêu cầu đăng ký 47

Hình 3.6 : Cấu trúc bản tin trả lời đăng ký 49

Hình 3.7 : Cấu trúc của phần mở rộng xác nhận của Mobile-Home…… 51

Hình 3.8: Cấu trúc của phần mở rộng xác nhận của Mobile-Foreign 52

Hình 3.9: Cấu trúc phần mở rộng của trạm ngoài 52 Chương IV : ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hoá vùng phủ sóng trong môi

Hình 4.3 : Giao hoán tại một điểm của hai chuỗi nhiễm sắc thể 91

Hình 4.4 : Phân bố Pareto 94

Hình 4.6 : Phương pháp mã hoá 97

Hình 4.6 : Sơ đồ thuật toán 98

Hình 4.7 : Giao diện của chương trình và dặt điểm trước khi chạy 100

Hình 4.8 : Kết quả chạy thử với từng phương án tối ưu 101

Hình 4.9 : Ta lựa chọn phương án 08 điểm với tỷ lệ phủ sóng 98,91% 101

Trang

Chương I : Tổng quan về mạng LAN không dây 11

Hình 1.1: Cấu hình kết nối 12

Hình 1.2: Cấu hình mạng LAN không dây sử dụng tường lửa kết nối với các mạng có dây

14 Hình 1.3 : Mạng Lan không dây sử dụng bộ lặp để phủ sóng tới những điểm xa nhất các môi trường có cấu trúc phức tạp

14 Hình 1.4 : Vị trí của MAC và LLC trong mô hình 7 lớp 15

Hình 1.5 : Các đặc tuyến suy hao trong môi trường truyền sóng trong nhà theo khoảng cách và các luật từ 02-06 19

Hình 1.6 : ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường trong môi trường trong nhà 19

Hình 1.7 : Tình trạng xung đột thể khi một Node nhận tin từ 02 Node khác 21 Hình 1.9 : Cơ chế truyền tin để tránh tình trạng xung đột dữ liệu 22

Hình 1.10 : Khả năng truyền tải của CSMA/TDMA 23

Hình 1.11 : Thông lượng phụ thuộc vào tải đối với các phương thức truy cập khác nhau 23

Chương III: MOBILE IP 31

Hình 3.1: Cấu trúc của mở rộng Type-Length-Value 36

Hình 3.2: Cấu trúc bản tin quảng cáo định hướng ………

Hình 3.3: Cấu trúc của bản tin mở rộng thuộc quảng cáo trạm di động… 39 40 Hình 3.4: Cấu trúc của mở rộng Prefix-Length 42

Hình 3.5 : Cấu trúc bản tin yêu cầu đăng ký 47

Hình 3.6 : Cấu trúc bản tin trả lời đăng ký 49

Hình 3.7 : Cấu trúc của phần mở rộng xác nhận của Mobile-Home…… 51

Hình 3.8: Cấu trúc của phần mở rộng xác nhận của Mobile-Foreign 52

Hình 3.9: Cấu trúc phần mở rộng của trạm ngoài 52

Chương IV : ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hoá vùng phủ sóng trong môi trường văn phòng

Hình 4.3 : Giao hoán tại một điểm của hai chuỗi nhiễm sắc thể 91

Hình 4.4 : Phân bố Pareto 94

Hình 4.6 : Phương pháp mã hoá 97

Hình 4.6 : Sơ đồ thuật toán 98

Hình 4.7 : Giao diện của chương trình và dặt điểm trước khi chạy 100

Hình 4.8 : Kết quả chạy thử với từng phương án tối ưu 101

Hình 4.9 : Ta lựa chọn phương án 08 điểm với tỷ lệ phủ sóng 98,91% 101

giới thiệu chung

1.1 Nhu cầu và sự bức thiết ra đời công nghệ LAN không dây:

Hiện nay trên trên thế giới sự ra đời của công nghệ Internet đã tạo nên cuộc cách mạng trong thông tin trên thế giới ngày nay với sự trợ giúp của mạng Internet chúng ta có thể trao đổi thông tin với bất cứ nơi đâu trên thế giới một cách dễ dàng

và thuận tiện

Công nghệ thông tin di động giúp cho con người thể trao đổi thông tin một cách tức thời và nhanh chóng điều này đặc biệt hữu ích trong thương mại và kinh doanh khi mà cơ hội kinh doanh đến trong thời gian ngắn thì chúng ta cần trao đổi thông tin một cách nhanh chóng và kịp thời Tuy nhiên công nghệ di động cũng bộc lộ một số nhược điểm như giá thành cao cước phí chuyển vùng quốc tế lớn

Để kết hợp các ưu điểm của công nghệ Internet và công nghệ thông tin

di động công nghệ LAN không dây ra đời đã giải quyết được các nhu cầu thông tin với giá thành rẻ, tiện lợi do có khả năng kết nối không dây Ta có thể truy cập Internet bất cứ nơi đâu sân bay, khách sạn, những nơi nào có phủ sóng có thể biến bất cứ nơi nào có phủ sóng thành phòng làm việc do đó xuất hiện các khái niệm văn phòng ảo

Hiện nay thị trường về LAN không dây đang phát triển mạnh trên thế giới với thị phần ngày càng tăng trong mỗi năm

Kế thừa ưu điểm của hai công nghệ là công nghệ thông tin di động và công nghệ Internet, công nghệ LAN không dây cũng mang theo các đặc

điểm của 2 công nghệ này và những đặc điểm riêng Sau đây ta sẽ xem xét các đặc trưng cũng như sự khác biệt của công nghệ này

1.2 Giới thiệu về bản luận văn

Bản luận văn này có bốn chương, ba chương đầu nghiên cứu về các đặc

điểm của mạng LAN không dây như đặc điểm truyền sóng, phủ sóng cập và cơ chế cấp phát địa chỉ IP động Chương cuối nghiên cứu ứng dụng giải thuật di truyền vào tối ưu hoá vùng phủ sóng trong môi trường văn phòng

Sau đây là trình bày vắn tắt về nội dung của các chương :

Chương I: Tổng quan về công nghệ LAN không dây Chương này giới thiệu

về các mô hình kết nối của mạng LAN không dây, đặc điểm truyền sóng trong môi trường văn phòng, các chuẩn của IEEE về tốc độ, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cho phép trong mỗi băng tần, nêu lên hai khác biệt nổi bật đối với mạng Internet thông thường là cơ chế cấp phát địa chỉ IP động và phủ sóng phần vô tuyến Đó là cơ sở tiền để để ứng dụng giải thuật di truyền trong tối ưu hoá vùng phủ sóng tại chương 4

Chương II: Phủ sóng trong LAN không dây Chương này giới thiệu về phủ sóng trong LAN không dây và các công thức toán để mô hình hoá quá trình phủ sóng trong LAN không dây

Chương III: Mobile IP Trong công nghệ LAN không dây do tính di động của các thiết bị đầu cuối nên địa chỉ IP được cấp phát cho thiết bị cũng phải được cấp phát một cách động sao cho khi di chuyển từ mạng con này sang mạng con khác máy đầu cuối vẫn giữ nguyên được địa chỉ IP và vẫn có thể tránh được tình trạng đột nhập từ các máy khác

Chương IV: Nghiên cứu ứng dụng giải thuật di truyền vào tối ưu hoá vùng phủ sóng Chương này giới thiệu về giải thuật di truyền, một giải thuật mới và đang

được ứng dụng ngày một nhiều trong công nghệ thông tin di động, ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hoá vùng phủ sóng trong môi trường văn phòng sao cho vùng phủ là tối đa và số lượng điểm đặt là tối thiểu

Cuối cùng là chương trình ứng dụng giải thuật di truyền vào tối ưu hoá vùng phủ và kết quả chạy thử

1.3 Hướng phát triển của đề tài:

Những điều đã làm được:

Đề tài đã cơ bản mô tả được những đặc điểm kỹ thuật cũng như cơ chế hoạt

động của kỹ thuật LAN không dây

Mô tả được phương thức ứng dụng thuật toán di truyền vào tối ưu hoá vùng phủ sóng trong LAN không dây

Tuy nhiên khả năng áp dụng vào thực tế chưa cao nên chưa thể đánh giá

được những ưu và nhược điểm của chương trình khi ứng dụng vào thực tế

vị trí đặt trạm vv

Chương1

Tổng quan về mạng Internet không dây

Để nghiên cứu về công nghệ Internet không dây trước hết ta cần có cái nhìn tổng quan về các phần tử mạng lưới , sơ đồ kết nối phương thức truy cập và một số

đặc điểm liên quan đến phần vô tuyến

Công nghệ Internet không dây hiện nay được nhiều công ty lớn nghiên cứu phát triển và là một thị trường hấp dẫn đối với các nhà đầu tư Để tránh sự xung đột

và không tương thích về chuẩn của các công ty khác nhau, công nghệ này cần phải tuân theo các chuẩn chung được qui định bởi các tổ chức như IEEE, IETF

Hiện nay hầu hết các vấn đề về kỹ thuật của công nghệ này được qui định bởi IEEE và IETF

Trong chương mày ta sẽ trình bày các kỹ thuật cơ bản được ứng dụng trong công nghệ Internet không dây như :

- Các phần tử mạng lưới

- Đặc điểm truyền sóng

- Các chuẩn có liên quan của IEEE

- Các phương thức truy cập ứng dụng trong LAN không dây

1.1 Cấu hình của mạng và các chuẩn có liên quan của IEEE

Trong phần này ta sẽ xem xét qua các cấu hình mạng và các chuẩn của IEEE đối với LAN không dây và các lớp trong mô hình phân lớp giao thức của mạng LAN không dây

Ta biết rằng đối với mạng máy tính thông thường hiện nay các thiết bị mạng

và máy đầu cuối kết nối với nhau thông bằng cáp và các thiết bị mạng lưới theo cấu hình Ring, Star hoặc Bus thông qua các thiết bị như Hup, Switch, Router thông qua cơ chế truyền tin dựa trên giao thức TCP/IP, các mạng con kết nối với cổng Internet bằng đường kênh thuê

Hiện nay, mạng Internet đang phát triển với tốc độ bùng nổ với số lượng khách hàng lớn và giá thành rẻ Cùng với sự phát triển của mạng Internet là sự phát

triển mạnh mẽ của các mạng thông tin di động Mạng Internet không dây ra đời là

sự kế thừa các thành tựu của 2 công nghệ : công nghệ Internet và và công nghệ thông tin di động

Mạng Internet không dây sử dụng kết nối vô tuyến giữa các máy đầu cuối

và các phần tử mạng Phương pháp kết nối này có ưu điểm là người sử dụng có thể

di chuyển tuỳ ý mà không vẫn kết nối được với mạng Internet

Phần mạng lõi vẫn bao gồm các phần tử mạng thông thường như Hub, Switch, Router, Server với giao thức TCP/IP Tuy nhiên cơ chế cấp phát địa chỉ IP

có thay đổi cho phù hợp với môi trường di động của máy đầu cuối làm nảy sinh một số vấn đề sau:

Như vậy công nghệ Internet không dây làm nảy sinh một số vấn đề sau :

- Khi trạm thay đổi vị trí thì cấp phát địa chỉ IP như thế nào để có thể có

được cơ chế cấp phát địa chỉ IP trong khi trạm thay đổi vị trí

- Do sử dụng công nghệ không dây nên phần vô tuyến cần sử dụng các kỹ thuật phủ sóng của công nghệ thông tin di động

- Phưong thức truy cập sử dụng như thế nào để phù hợp với đặc điểm của mạng Internet

Ta có thể thấy kết nối của các điểm truy cập đến máy đầu cuối thông qua kết nối không dây sau đó thông qua máy chủ tới kết nối vào mạng Internet thông qua đường kênh thuê

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản của mạng LAN không dây

Trong hình 1.1 ta thấy cấu trúc của một mạng LAN không dây bao gồm:

- Các điểm truy cập (Access Point)

- Các thiết bị mạng như Hub, Switch, Router

- Máy chủ kết nối với Internet

Các thiết bị truy cập gồm có máy xách tay với Card không dây hoặc máy PDA

Do tính di động của thiết bị đầu cuối nên khả năng đột nhập tấn công của các tin tặc là rất lớn do đó vấn đề bảo mật và an toàn mạng là hết sức quan trọng Một trong các phương thức bảo mật đó là sử dụng tường lửa

Hình 1.2 Cấu hình mạng LAN không dây sử dụng

tường lửa kết nối với các mạng có dây

Trong hình trên ta thấy trước khi kết nối vào mạng máy đầu cuối phải đi qua Server với tường lửa và các phương thức bảo mật để đảm bảo an toàn an mạng, chống đột nhập và bảo mật (Hình 1.2)

Cũng như công nghệ thông tin di động để mở rộng vùng phủ sóng ta sử dụng các bộ lặp (Repeater) để khuyếch đại tín hiệu

Internal Wired Network

Access Point 1

Firewall

DMZ

Hình 1.3 Mạng LAN không dây sử dụng bộ lặp để phủ sóng tới

Trong LAN không dây các đặc tính kỹ thuật được tuân theo các chuẩn của

IEEE Sau đây sẽ là một số chuẩn của IEEE về một số lĩnh vực trong thông tin

trong đó có LAN không dây

802.1 Interetworking 802.2 Điều khiển kết nối logic(LLC)

802.5 Tokenring LAN 802.6 Chuẩn kỹ thuật cho mạng cáp

quang 802.7 Chuẩn kỹ thuật cho băng rộng 802.8 An toàn mạng

802.9 Mạng tích hợp thoại dữ liệu 802.10 Mạng tích hợp thoại dữ liệu

802.11 Mạng không dây 802.12 Đòi hỏi ưu tiên cho truy cập

LAN 802.15 Mạng không dây cho cá nhân 802.16 Các chuẩn cho thông tin di động

băng rộng

Bảng 1.1 Các chuẩn đối với mạng LAN của IEEE

Trên quan điểm của mô hình phân lớp ta thấy vẫn là mô hình 7 lớp nhưng

có những thay đổi trong lớp dữ liệu và lớp kết nối

IEEE 802

Hình 1.4 Vị trí của MAC và LLC trong mô hình 7 lớp

Băng tần số cũng được chia làm 13 băng tuân theo các chuẩn của IEEE

ứng dụng Trình bày Phiên Giao vận Mạng Dữ liệu Kết nối Vật lý

Logical Link Control (LLC)

802.11 B 802.11 A Phương thức

Tốc độ tối đa 11Mbps 54 Mbps Băng tần 2.4 GHZ 5GHZ

Bảng 1.3 Các chuẩn 802.11 băng tần cũng như phương thức

điều chế và tốc độ dữ liệu tối đa

1.2 Đặc điểm của quá trình truyền sóng phần vô tuyến

Trong phần này ta sẽ xét các đặc điểm của môi trường truyền sóng vô tuyến trong LAN khôngdây Trước hết ta sẽ xem xét kích thước của các Cell trong LAN không dây so sánh chúng với các phương thức thông tin khác như thông tin di

động hay thông tin vệ tinh

1.2.1 Phân loại các kích thước của Cell

Trong thông tin không dây ( thông tin di động và các hệ thống LAN không dây) ta sử dụng các Cell để phủ sóng trong các toà nhà sân bay hay khách sạn Các loại Cell có kích thước lớn có bán kính lớn hơn 50km thường được phủ sóng bằng

vệ tinh Các hệ thống Cell có kích thước vừa được sử dụng trong các vùng thưa dân với kích thước bán kính Cell biến đổi từ 10 km đến 50 Km

Các Cell có bán kính biến đổi từ 1 đến 10 Km tại các vùng đông dân cư Các Cell nhỏ có bán kính từ 100 đến 1000m thường được sử dụng để phục vụ những vùng có khu dân cư mật độ dân số cao

Các hệ thống thông tin di động sử dụng tất cả các loại Cell có kích thước nêu trên Ngoài ra ta có thể sử dụng các Micro Cell để phủ sóng bên trong các toà nhà hay khách sạn Kích thước Cell khoảng từ 10 đến 100 m

Các loại Cell đó cũng được ứng dụng cho hệ thống mạng LAN không dây Phân loại mạng LAN không dây phụ thuộc vào kích thước Cell trong phần vô tuyến

Sau đây ta có thể thấy phân loại các Cell sử dụng trong thông tin không dây

và kích thước của các loại Cell

Loại Cell Bán kính CCU Vùng phủ Dịch vụ

Từ bảng phân loại kích thước tế bào trên ta có thể lụa chọn các loại Cell phù

hợp cho hệ thống LAN không dây mà mình thiết kế Trong Lan không dây thường

trang bị các loại Cell có kích thước dưới 100 m Tuy nhiên hiện nay các hãng hàng

không trên thế giới đã trang bị các loại máy bay có thể truy cập LAN không dây từ

trên không Các hệ thống này thường sử dụng tín hiệu lấy từ vệ tinh và chuyển đổi

vào hệ thống mạng trong máy may cho khách hàng sử dụng

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạng vô tuyến

Hiện nay các kỹ thuật truy cập được ứng dụng trong LAN không dây là

phương pháp trải phổ của hai phương pháp là trải phổ nhảy tần (FHSS) và trải phổ

đếm trực tiếp (DSSS)

Ngoài ra ta không thể không nói đến kỹ thuật điều khiển truy

MAC(Medium Access Control ) để điều khiển lưu lượng trong mạng LAN không

dây

Cũng như MAC, CSMA(kỹ thuật lắng truy cập kênh ảo theo trạng thái của bước sóng), được ứng dụng cho công nghệ LAN không dây do các đặc điểm sau:

- Đơn giản

- Thời gian truy cập nhanh khi nhẹ tải

- Không cần chức năng định vị

- Cung cấp việc liên hệ giữa các mạng một cách đơn giản

Điểm bất lợi của kỹ thuật này là :

- Dung lượng tốc độ bị giới hạn tốc độ dữ liệu

- Hiệu quả sử dụng giảm mạnh trong trường hợp tải cao

Hiện nay hầu hết các hệ thống LAN không dây tại Việt Nam ngày nay sử dụng băng tần 2.4 GHZ với tốc độ từ 1 đến 11Mbps đối với chuẩn 802.11b Đối với băng tần 5GHZ tốc độ tối đa có thể lên đến 54 Mbps Các nghiên cứu ngày nay

đang được thực hiện để ngày một nâng cao tốc độ truyền dẫn cả trong lĩnh vực hồng ngoại Hiện nay các chuẩn đối với LAN không dây đã lên tới chuẩn 802.11 g

Sự thay đổi về chuẩn diễn ra nhanh chóng và đang là mục tiêu tranh chấp giữa các hãng lớn để áp đặt các chuẩn có lợi cho mình trong một thị trường đầy tiềm năng.Trong bản luận văn này chỉ đề cập đến chuẩn 802.11 b mới bắt đầu triển khai tại một số điểm tại Việt Nam

Sau đây ta sẽ xem xét đặc tuyến suy hao trong truyền sóng vô tuyến với môi trường văn phòng

Trong môi trường văn phòng là môi trường thuận lợi cho việc truyền sóng vô tuyến do không bị các yếu tố thời tiết tác động như mưa, đồi núi, nhà cửa

Tuy nhiên trong môi trường văn phòng sẽ bị tác động của các yếu tố như các vật thể, đồ đạc và các vật dụng trang trí cho căn phòng

Một số loại tường có cấu trúc trong suốt trong điều kiện truyền các tín hiệu vô tuyến dưới 10 GHZ, một số loại tường thì không Trong phần này ta chủ yếu xét

đến suy hao trong băng 2,4M

Suy hao trong băng 2.4 M được biểu diễn một cách định tính trong hình 1.7:

- 3 Mét đầu : Biến đổi suy hao theo đặc tuyến số D2

- Lớn hơn 3m : Biến đổi suy hao theo đặc tuyến D3

- Trong môi trường xuyên tường : Biến đổi suy hao theo đặc tuyến D4

- Xuyên tường và xuyên tầng : Biến đổi suy hao theo đặc tuyến D6

Đồ thị đặc tuyến suy hao có thể được thấy trong hình 1.7

Hình 1.5 Các đặc tuyến suy hao trong môi trường truyền sóng trong nhà theo khoảng cách và các luật từ D2-D6

Theo các đặc tuyến trong hình 1.5 ta thấy có thể phủ sóng khoảng 50m kể

từ điểm truy cập với chất lượng chấp nhận được

Ngoài ra ta cũng xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường đến chất lượng

tín hiệu hiệu ứng đa đường và ảnh của nó đến tốc độ truy cập dữ liệu

Hình 1.6 ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường trong môi trường trong

D2 D3 D4 D6

Khoảng cách (m)

Công suất(Db)

50m

Trong hình 1.6 ta thấy tín hiệu sau khi đến điểm nhận qua nhiều lần phản xạ

và do sai lệch về pha Do đó tín hiệu nhận được có thể bị méo dạng nhiều hay ít hiện tượng đó là hiện tượng đa đường Khi xảy ra hiện tượng đa đường các cụm đi sau quãng đường truyền khác pha với các cụm đi trước sẽ tạo ra nhiều ISI Khi sai pha của tín hiệu không đáng kể ảnh hưởng méo dạng của hiệu ứng đa đường sẽ không đáng kể ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường phụ thuộc vào sai pha của tín hiệu nhận được Sai pha tín hiệu lại phụ thuộc vào tốc độ bit của dữ liệu được truyền

Bây giờ ta sẽ xem tốc độ dữ liệu ảnh hưởng thế nào đến sai lệch pha tín hiệu Giả sử tốc độ bit là 1 Mbps Với tốc độ truyền là tốc độ ánh sáng, khoảng cách giữa các bit liền kề sẽ là 300 m Với tốc độ 2.4 Mbps khoảng cách giữa các bit liền kề là 125 m do đó trong môi trưưòng văn phòng với chiều dài của phòng khoảng dưới 10 m thì phải qua rất nhiều lầ phản xạ, các cụm đi trước mới bị trùm lên các cụm đi sau Do đó với tốc độ bit loại này thì ảnh hưởn của hiệu ứng đa

đường hay là nhiễu ISI là không đáng kể

Nhưng trong điều kiện truyền dẫn với tốc độ 10 Mbps khoảng cách giữa các cụm liền kề sẽ là 30 m và khi đó ISI có thể ảnh hưởng lớn chất lượng tín hiệu Do

đó với tốc độ truyền dữ liệu từ 1 đến 2 Mbps thì hiện tượng đa đường sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu nhận được, còn khi tốc độ của tín hiệu từ 5 đến 10 Mbps thì chất luợng tín hiệu sẽ giảm do nhiễu ISI

Vậy nếu chúng ta muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thì ta cần có các chức năng phụ để giảm hiệu ứng ISI chức năng đó gọi là các chức năng như cân bằng thích nghi hoặc bộ lọc RAKE

Đối với trường hợp ngoài trời thì các hệ thống thông tin di động và các hệ thống dữ liệu di động ảnh hưởng của ISI là rất lớn do độ dài truyền dẫn lớn Do đó trong các hệ thống ngoài trời ta thường sử dụng bộ cân bằng thích nghi hay bộ lọc RAKE

Trong luận văn này tôi sẽ không đi sâu nghiên cứu trường hợp tốc độ truyền cao và do đó khi xét đến chất lượng mạng ta không cần phải để ý đến nhiễu ISI

1.2.3 Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trung bình (Medium Access Control)

Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu về giao thức MAC- điều khiển truy cập trung bình cho LAN không dây

Trong LAN không dây thường xảy ra hiện tượng Node ẩn là trường hợp 01 nút nghe thông tin từ 2 Node lân cận Để tránh hiện tượng này cơ chế gửi nhận tin

được thực hiện như sau để tránh xung đột Thứ nhất Node gửi tin truyền đi các gói RTS (Ready to Send) tới các Node lân cận Các Node lân cận nhận được gói tin RTS và trả lời bằng bản tin CTS (Clear to Send) Nhận được bản tin CTS (sẵn sàng

để nhận) Node gửi sẽ gửi bản tin chứa dữ liệu đến Node nhận, Node nhận nhận

được thông tin và trả lời bằng một bản tin trả lời ACK Thông tin kiểu này tránh

được xung đột ở nút nhận khi nó đồng thời nhận thông tin từ nhiều Node lân cận Như vậy chỉ khi nào có trả lời CRS thì thông tin mới được gửi tới Node nhận

Station A Station B

RTS CTS Data

ACK

Hình 1.8 Cơ chế truyền tin để tránh tình trạng xung đột dữ liệu

Sau đây ta sẽ xem xét về cơ chế điều khiển lưu lượng trung bình MAC MAC (Medium Access Control ) là phương thức để điều khiển lưu lượng truy cập theo tải Để duy trì lưu lượng như mong muốn ta có thể kết hợp nhiều phương thức truy cập khác nhau để tăng được dung lượng tuỳ theo tình trạng của mạng

Hiện nay các phương thức truy cập được phân loại thành các phương thức khác nhau như trong hình 1.9 Mỗi phương thức truy cập có những ưu và nhược

điểm Để có thể kết hợp các phương thức truy cập sao cho thích hợp với lưu lượng tải đang sử dụng, người ta sử dụng phương thức điều khiển lưu lượng trung bình theo tải MAC

Kết hợp CSMA/TDMA, MAC :

ALOHA Token Bus FDMA FDMA/TDMA CSMA Token Ring TDMA CDMA/TDMA

CDMA TDMA/CSMA

Hình 1.9 Các phương thức truy cập được ứng dụng trong LAN không dây

MAC phương thức điểu khiển phương thức truy cập theo tải nó tính hợp các phương thức truy cập nêu trên và cho ta một phương án tối ưu tuỳ theo tình trạng của tải Bằng cách kết hợp các phương thức truy cập ta có thể đạt được thông lượng tối đa tuỳ theo tình trạng của tải

Trong hình 1.11 ta thấy đối với ALOHA không phân khe thông lượng cực

đại đạt được chỉ khoảng 20% đối với ALOHA phân khe thông lượng cực đại đạt

được khoảng 30% tổng băng thông còn đối với CSMA ta có thể có thông lượng cực

đại khoảng 60% băng thông

Để tăng thông lượng ta có thể sử dụng mô hình kết hợp giữa CSMA /TDMA

và ta có thể đạt được đường đặc tuyến thông lượng như trong hình 1.10

Hình 1.11 Thông lượng phụ thuộc vào tải đối với các phương thức truy

cập khác nhau

1.3 Kết luận

Trong chương này ta đã xem xét một số khía cạnh liên quan đến truyền sóng trong môi trường mạng LAN không dây, vấn đề xung đột dữ liệu, cơ chế truyền tin để tránh xung đột, và các phương thức truy cập để đạt được thông lượng một cách tối đa

Trong chương sau ta sẽ xét đến các vấn đề xuất hiện đối với phủ sóng trong LAN không dây Đối với các hệ thống thông tin không dây phủ sóng luôn là một vấn đề lớn ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng dịch vụ và giá thành đầu tư Ta sẽ úng dụng các phương trình toán để mô hình hoá phương trình truyền sóng thông qua đó làm cơ sở lý thuyết để tối ưu hoá vùng phủ (Chương 4) sao cho chất lượng phủ sóng tốt với vùng phủ lớn nhất và đầu tư tối thiểu

Chương 2

2.1 Giới thiệu về phủ sóng trong LAN không dây

Cũng như trong thông tin di động GSM, kỹ thuật LAN không dây có 2 phần phần mạng lõi và phần vô tuyến

Trong thông tin di động để đảm bảo phủ sóng với chất lượng tốt số lượng trạm tối thiểu và chất lượng phủ sóng tối đa là chìa khoá cho thành công trong kinh doanh Để đạt được hiệu quả phủ sóng tối đa, hạn chế nhiễu các công ty thông tin

di động sử dụng các phần mềm khác nhau để qui hoạch mạng vô tuyến

Trong thông tin di động qui hoạch mạng vô tuyến có 03 bước quan trọng để mạng vô tuyến đạt hiệu quả phủ sóng tối đa đó là :

- Qui hoạch vị trí đặt trạm

- Qui hoạch tần số

-Tối ưu hoá

Qui hoạch vị trí đặt trạm là bước đầu tiên trong qui hoạch mạng vô tuyến Nếu qui hoạch trạm tốt thì sẽ giúp cho dễ dàng cho việc qui hoạch tần số sau này bởi nếu qui hoạch vị trí đặt trạm không tốt sẽ dẫn tới khó khăn trong việc qui hoạch tần số và nhà khai thác sẽ phải trả giá đắt về sau Do đó hàng năm các công

ty thông tin di động chi một ngân sách lớn cho việc phát triển các công cụ phần mềm để qui hoạch tần số hoặc tối ưu hoá

Qui hoạch tần số là lựa chọn các phương thức ấn định tần số sao cho tránh

được nhiễu lớn nhất

Tối ưu hoá là phân chia lưu lượng giữa các trạm sao cho tối ưu giảm được tình trạng mất cân bằng lưu lượng giữa các trạm

Trong phần này ta chỉ chú trọng đến bước đầu tiên đó là qui hoạch vị trí đặt trạm bước đầu tiên của qui hoạch mạng vô tuyến

Cũng như trong thông tin di động trong LAN không dây cũng có phần vô tuyến ở tần số 2,4GHZ hoặc 5GHZ tuân theo các chuẩn của IEEE

Do phần vô tuyến trong LAN không dây chủ yếu trong môi trường văn phòng nơi không bị ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như mưa nắng, sự biến

đổi của thời tiết, địa hình đồi núi, nhà cửa và các toà cao ốc nên qui luật suy hao phần vô tuyến tương đối đơn giản hơn so với trong thông tin di động Tuy vậy những nghiên cứu về phần vô tuyến và các phương pháp loại bỏ nhiễu như Ăng Ten mảng, Ăng ten thông minh, bộ lọc RAKE, cũng như ứng dụng các thuật toán tối ưu hoá để qui hoạch tần số cũng như các phương pháp xử lý tín hiệu để loại bỏ nhiễu, tăng tốc độ truy cập vẫn là những vấn đề nóng bỏng trong nghiên cứu trên thế giới

Trong phần này tôi muốn đề cập đến bước đầu tiên trong qui hoạch mạng vô tuyến trong LAN không dây đó là qui hoạch vị trí đặt điểm truy cập, vấn đề phủ sóng trong LAN không dây Tối ưu hoá phủ sóng sao cho số lượng điểm truy cập

là tối đa và tỷ lệ phủ sóng là tối thiểu

Việc đặt các điểm truy cập là bước đầu tiên trong qui hoạch mạng vô tuyến trong thông tin di động gọi là qui hoạch trạm Nếu bước này thực hiện tốt thì sẽ dẫn tới dễ dàng để thực hiện các bước tiếp theo sau là qui hoạch tần số và tối ưu hóa Nếu bước này thực hiện không tốt sẽ gây lãng phí trong đầu tư thêm vào đó gây nên những khó khăn không đáng có trong các bước tiếp theo trong qui hoạch mạng vô tuyến

Hiện nay việc thực hiện qui hoạch vị trí đặt trạm trong các công ty thông tin

di động chủ yếu thực hiện theo kinh nghiệm của người qui hoạch chứ không có công cụ nào để qui hoạch vị trí đặt trạm một theo một trình tự , logic nhất định và

do đó không thể đạt được hiệu quả tối ưu Nguyên nhân của việc đó là do sóng vô tuyến trong thông tin di động bị tác động bởi nhiều yếu tố như môi trường, đồi

núi, nhà cửa và môi trường đặt trạm rất rộng lớn do đó rất khó khăn cả các miền của trong việc mô hình hoá, toán hoá trong môi trường rộng lớn như vậy

Trong LAN không dây, ta chỉ cần phủ sóng trong một toà nhà hay khách sạn mà ít khi cần phủ sóng trong một diệt tích lớn ngoài trời do đó ảnh hưởng của môi trường lên quá trình truyền sóng vô tuyến giảm thiểu so với trong thông tin di

động Do tính đơn giản trong truyền sóng, ta có thể mô hình hoá quá trình truyền sóng trong LAN không dây và toán hoá các tác động của môi trường lên chất lượng của sóng vô tuyến

Từ mô hình toán học của quá trình truyền sóng nói trên, ta có thể áp dụng các thuật toán tối ưu để tối ưu hoá vị trí đặt điểm truy cập Từ đó ta có thể xây dựng các phần mềm với mục đích tối ưu hoá vị trí đặt điểm truy cập sao cho vùng phủ sóng là tối ưu và số lượng điểm đặt là tối thiểu

2.2 Mô hình hoá quá trình truyền sóng trong LAN không dây

Như ta đã biết trong truyền sóng vô tuyến chất lượng phủ sóng phụ thuộc rất nhiều bởi các yếu tố ngoại cảnh như môi trường truyền sóng, chất lượng của thiết

bị dùng để phủ sóng trong thông tin di động GSM do truyền sóng trong môi trường ngoài trời nên chất lượng phủ sóng phụ thuộc nhiều vào địa hình, thời tiết như mưa nắng, các địa hình đồi núi cách xa vị trí đặt trạm thường tạo ra hiện tượng ISI

Trong LAN không dây, nếu như không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố trên (như trong thông tin di động) thì sóng vô tuyến bị ảnh hưởng bởi các vật thể như

đồ đạc, các vật thể trang trí cho căn phòng cũng như các yếu tố như tường, trần nhà, vv

Do đó đối với phủ sóng người quan tân nhiều đề yếu tố môi trường là một yếu tố vô cùng quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sóng vô tuyến trong toà nhà

Trong các công cụ qui hoạch vô tuyến người ta phân chia các loại môi trường truyền sóng thành một số loại môi trường đặc trưng, mỗi loại có một đặc tuyến suy hao riêng biệt Như môi trường đồng bằng, đồi núi, duyên hải, đô thị

trên cơ sở của đặc tuyến này Trên thực tế thì suy hao sẽ gần giống như đặc tuyến chuẩn tuy nhiên cũng có những khác biệt Do đó qui hoạch mạng vô tuyến thường phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người qui hoạch Trong luận văn này tôi không đề cập đến khía cạnh kinh nghiệm của việc qui hoạch mạng vô tuyến mà muốn khái quát các yếu tố ảnh hưởng tới suy hao sóng vô tuyến cũng như các phương pháp để tối ưu hoá phủ sóng sao cho chất lượng phủ sóng là tốt nhất , vùng phủ tối đa với số điểm đặt là tối thiểu

Với tốc độ băng tần 5GHZ và với băng thông cao hơn người ta cần chú ý tới

ảnh hưởng của nhiễu ISI như đã nói ở chương 1

Trong phần này ta chỉ chú ý tới băng 2.4 GHZ với tốc độ 1GHZ Như trong Chương 1 ta đã ta đã thấy với tốc độ 1Mbps ta sẽ ít để ý tới ảnh hưởng của nhiễu ISI

Điều mà ta cần quan tâm đó là suy hao của môi trường đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Như ta đã biết tỷ số tín hiệu trên nhiễu luôn là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng sóng tại một điểm nào đó Theo như tiêu chuẩn 802.11b của IEEE , tỷ số tín hiệu trên nhiễu chấp nhận được của băng 2.4 GHZ với tốc độ 1Mbps là 1đến10 dB Để tính tỷ lệ phủ sóng trong toàn bộ căn phòng ta sẽ tính tỷ số SNR của tất cả các điểm trong căn phòng, những điểm có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR đạt tiêu chuẩn là những điểm được phủ sóng của căn phòng Tỷ lệ

số điểm có tỷ lệ SNR đạt tiêu chuẩn và số những điểm không đạt tiêu chuẩn sẽ tạo nên tỷ lệ phủ sóng của căn phòng Tỷ lệ này càng lớn thì hiệu quả phủ sóng càng cao

Vấn đề là ở chỗ ta sẽ tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu như thế nào

Trong phần này ta sẽ đề cập đến các phương án để toán hoá và mô hình hoá các ảnh hưởng của môi trường vào phương trình toán để có thể tính được tỷ lệ SNR tại một điểm bất kỳ trong căn phòng

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại một điểm cách điểm truy cập một khoảng cách d (tính theo mét) có thể được tính theo công thức :

SNR=SNRo-L-∑ NiWi (2.2.1)

i Trong đó:

- SNR(dB) là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu ở một điểm bất kỳ cách điểm truy cập một khoảng d

- SNRo (dB) là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu ở điểm đặt bộ thu phát

- L (dB) là suy hao của tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách giữa điểm khảo sát và điểm đặt bộ thu phát

- Ni là số lượng của các vật thể nằm giữa điểm khảo sát và điểm đặt bộ thu phát

- Wi là hệ số suy hao đối với vật thể thứ i

Trong công thức (2.2.1) L được định nghĩa theo công thức :

40+20logd nếu d<10

L = 40+20+10γlog(d/10) nếu d>=10 (2.2.2)

Trong đó d là khoảng cách truyền dẫn với đơn vị mét Gama là điểm gãy trong hệ số truyền sóng, trong trường hợp này được coi là bằng 3.5

SNR theo phương trình số 1 có thể được dùng để tính toán giá trị SNR tại các điểm khảo sát khi gây nên bởi 1 bộ thu phát Trong trường hợp có nhiều bộ thu phát giá trị SNR có thể được tính bằng cách tính toán giá trị SNR một cách độc lập đối với từng điểm thu phát và sau đó giá trị SNR lớn nhất sẽ được ấn định làm giá trị SNR của tất cả các điểm khảo sát tại điểm đó

Ngoài ra ta có thể sử dụng các phương trình tính suy hao truyền sóng khác

để tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

Như vậy ta đã có thể tính được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR tại một điểm bất kỳ bằng phương trình tính suy hao truyền sóng nói trên

Bây giờ ta có thể tính được SNR tại bất kỳ điểm nào trong căn phòng do đó

có thể tính được tỷ lệ phủ sóng của căn phòng với số điểm truy cập và các dữ liệu



Để biết được những yếu tố đó cần nhiều khảo sát công phu sau đó có thể tập hợp lại và khái quát hoá lại thành các giá trị tiêu chuẩn Do trong công văn này ta không có điều kiện để tiến hành khảo sát nên ta chỉ có thể đặt trước một số giá trị như hệ số suy hao của vật thể, giá trị SNRo

Tuy nhiên, một cách khái quát ta đã có thể mô hình hoá, toán hoá phương trình truyền sóng trong LAN không dây theo các chuẩn của IEEE

Vấn đề bây giờ là với môt số lượng điểm truy cập cho trước ta phải tìm vị trí đặt sao cho tỷ lệ phủ sóng là tối đa

Để làm được việc này ta có thể chia căn phòng ra là nhiều ô và thử tất cả các trường hợp do hiện nay công cụ bằng máy tính phát triển nên việc này có thể thực hiện được nhưng trong luận văn này ta có thể sử dụng một thuật toán khác hiện đang thịnh hành là thuật toán di truyền GA thuật toán này có thể giảm thiểu

số lượng các phép tính so với thử tất cả các trường hợp Trong phần sau ta sẽ trình bày cụ thể hơn về thuật toán GA và cách ứng dụng thuật toán này trong tối ưu hoá vùng phủ sóng

2.3 Tóm tắt

Trong chương này ta đã giới thiệu về tầm quan trọng của phủ sóng trong LAN không dây nói riêng cũng như trong thông tin di động nói chung Các bước tiến hành qui hoạch mạng vô tuyến và toán hoá quá trình truyền sóng trong LAN không dây để làm cơ sở cho chương 4 ứng dụng thuật toán di truyền để giải bài toán tối ưu hoá vùng phủ sóng

Chương 3

Mobile ip

Trong mạng không dây khi một máy đầu cuối di chuyển từ một mạng con này sang mạng con khác nó cần thay đổi địa chỉ IP.Việc thay đổi địa chỉ IP này khiên các gói tin bị định tuyến sai đích Do đó cần có một cơ chế quản lý và cấp phát địa chỉ một cách đặc biệt sao cho khi máy thay đổi vị trí từ mạng con này sang mạng con khác các gói tin được chuyển tới đúng đích cần thiết và bảo mật

được thông tin khi có các máy mạo danh muốn đột nhập và thực hiện các hoạt

động phi pháp Cơ chế đó gọi là cơ chế cấp phát địa chỉ IP động hay MobileIP

Sau đây ta sẽ xem xét kỹ đến các cơ chế cấp phát địa chỉ IP động trong LAN không dây

3 1 Những yêu cầu của giao thức

Khi tạo ra một cơ chế cấp phát địa chỉ IP mới trong Mobile IP ta cần đặt ra các yêu cầu của Mobile IP Các yêu cầu đó bao gồm :

Một Mobile Node phải có khả năng giao tiếp với các Node khác sau khi thay đổi điểm kết nối của lớp liên kết với Internet mà vẫn không thay địa chỉ IP của nó

Một Mobile Node phải có khả năng giao tiếp với các Node khác khi những Node này không thực hiện chức năng di động

Mobile IP tạo điều kiện các Node di chuyển từ một mạng con này tới một mạng con khác Và khi máy di chuyển từ mạng con này tới mạng con khác thông tin trao đổi không bị gián đoạn

Tất cả mọi bản tin được sử dụng để cập nhật thông tin cho Node khác về vị

Các giả định :

Khi xây dựng lý thuyết về Mobile IP, các tính năng và giao thức được xây dựng với giả các giả định sau:

Một Mobile Node có thể được phân một địa chỉ IP từ tổ chức quản lý địa chỉ

IP (NIC - Network Information Center)

Các Mobile Node sẽ không thường xuyên thay đổi điểm liên kết của chúng với Internet nhiều hơn một lần trong một giây

Các gói tin Unicats IP được gửi đi dựa theo địa chỉ của điểm đến nằm trong phần mào đầu của gói tin

Các thuật ngữ

Trong Mobile IP có một số thuật ngữ riêng Chúng ta cần nắm được các thuật ngữ thường được sử dụng trong Mobile IP thể hiểu được các diễn giải về Mobile IP trong phần sau Các thuật ngữ đó là:

• Mobile node : thường là máy tính xách tay hay máy PDA có giao tiếp

không dây trong phần này ta sẽ gọi là “máy di động” hay “trạm di động”

• Quảng bá (Agent Advertisement): là bản tin quảng bá trạm được phát ra từ

các phần tử mạng định kỳ trong một thời gian nhất định dùng để phát hiện các Mobile Node nằm trong mạng đó

• Care-of address: là địa chỉ tạm thời cấp phát cho trạm di động khi trạm ở

mạng ngoài

• Node chuyển tiếp (Correspondent Node) : là Node trong mạng dùng để

chuyển tiếp thông tin (nhận hoặc gửi gói tin) tới Mobile Node Node chuyển tiếp có thể là một Mobile Node khác hoặc là một phần tử mạng

• Mạng ngoài hay mạng tạm trú : (Foreign Network) : là mạng mà Mobile

Node tạm thời cư trú, mạng này có thể cấp cho Mobile Node địa chỉ tạm thời

• Địa chỉ gốc (Home Address): là địa chỉ IP của Mobile Node tại mạng

thường trú, địa chỉ này không đổi bất kể điểm kết nối của Node với Internet

• Mạng thường trú (Home Network): là mạng gốc của Mobile Node nơi

Mobile Node có địa chỉ IP cố định

• Mobility Agent: là một phần tử mạng (thường là một Router đặc biệt)

dùng để quản lý địa chỉ của Mobile Node và các hỗ trợ khác, Mobility Agent có thể là thuộc mạng gốc (Home Agent) hoặc mạng ngoài (Foreign Agent)

• Mobility Binding: là bộ chứa các số liệu bao gồm địa chỉ gốc của Mobile

Node, địa chỉ tạm thời và thời gian sống của địa chỉ này và có thể kèm thêm nột số thông tin liên quan khác

• MSA (Mobility Security Association) : là tập hợp các thông số bảo mật,

giữa một cặp Node, MSA được sử dụng để bảo mật thông tin trao đổi giữa các Node

• Tunnel: là quá trình chuyển tiếp gói tin từ Home Agent tới Foreign Agent

các gói tin từ Home Agent được đóng gói và chuyển tới Foreign Agent tại

đây gói tin được mở gói và sau đó được chuyển tới Mobile Node

• Encapsulation : là quá trình chuyển đổi giao thức của một gói tin thường

có thể thêm một số byte mào đầu để có thể chuyển gói tin tới đích tường

từ Home Agent tới Foreign Agent khi chức thực hiện chức năng IP động

• Trạm ngoài (Foreign Agent): là một phần tử mạng (thường là một Router)

của mạng ngoài để quản lý cấp phát địa chỉ cho Mobile Node và các hỗ trợ khác

• Trạm gốc (Home Agent): là Node nằm trên mạng gốc có tác dụng quản lý

các thủ tục về địa chỉ đối với Mobile Node

• Đăng ký (Registration): là quá trình qua đó Mobile Node đăng nhập với

3.2 Phương thức hoạt động của Mobile IP

Trong IPv4 địa chỉ IP của một máy bao gồm 32 bit Các bit cao chỉ ra địa chỉ của mạng con mà máy đang kết nối Các bít thấp là địa chỉ của máy ở trong mạng con này Khi máy di chuyển từ mạng con này đến mạng con khác địa chỉ IP của máy tất yếu sẽ phải thay đổi Việc thay đổi địa chỉ này sẽ dẫn đến việc các gói tin sẽ bị định tuyến sai địa chỉ Vấn đề đặt ra là khi trạm di chuyển tới mạng tạm trú, làm thế nào để các gói tin được định tuyến tới đúng địa chỉ yêu cầu

Mobile IP ra đời chính là để thực hiện các yêu cầu đó

Bây giờ ta sẽ xem xét xem trong Mobile IP, phương thức quản lý địa chỉ IP như thế nào để cho khi máy trạm thay đổi điểm truy cập nó vẫn có thế giữ được địa chỉ IP cũ Làm thế nào để các gói tin được phân phát đến đúng địa chỉ yêu cầu

Trong Mobile IP, một bảng quản lý địa chỉ được dùng để quản lý địa chỉ IP của trạm Khi máy ở mạng thường trú (Home Network) nó có địa chỉ IP thường trú hay địa chỉ IP cố định (Home Address) Địa chỉ này được quản lý bởi Home Agent (thường là một Router đặc biệt trong mạng thường trú) Khi máy được chuyển sang một mạng con mới nó được cấp phát một địa chỉ mới hay địa chỉ tạm thời (Care of Address)

Bằng một cơ chế trao đổi thông tin đặc biệt, mạng tạm trú thông báo cho Home Agent về sự hiện diện của máy trong mạng này và địa chỉ tạm thời(Care of Address) của máy trong mạng tạm trú

Home Agent nhận được thông báo trên sẽ cập nhật địa chỉ tạm thời của máy trong bảng địa chỉ như trong bảng 3.1

Trong bảng này ta thấy mỗi một địa chỉ cố định của máy sẽ tương ứng với một địa chỉ tạm thời tại mạng ngoài Thời gian sống chỉ ra thời gian tồn tại của địa chỉ tạm thời trong mạng ngoài Khi hết thời gian sống máy sẽ phải cập nhật lại địa chỉ mới

Bảng 3.1 Bảng quản lý địa chỉ tại Home Agent

Bây giờ ta sẽ xem xem trong mạng tạm trú cơ chế quản lý và cấp phát địa chỉ IP cho các máy đến từ các mạng khác (Visitors) như thế nào

Trong mạng tạm trú, địa chỉ của các máy di động tạm trú thường được quản

lý bởi một phần tử mạng đặc biệt gọi là Foreign Agent (thường là 1 Router đặc biệt trong mạng tạm trú dùng để quản lý địa chỉ của các máy đến từ các mạng ngoài) Trong Foreign Agent sẽ lưu trữ một bảng địa chỉ có nội dung như trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Bảng quản lý địa chỉ tại Foreign Agent

Trong bảng trên ta sẽ thấy địa chỉ tạm thời và địa chỉ cố định của mạng

được liên kết với nhau trong một bảng địa chỉ Thời gian sống là thời gian tồn tại của địa chỉ tạm thời trong mạng ngoài Khi thời gian này kết thúc trạm di động

Home Address Care of address Life time (s)

address Media Address Life time (s) 131.193.44.14 131.193.44.7 00-60-08-95-66-E1 150 131.193.33.19 131.193.44.7 00-60-08-68-A2-56 200

thấy có thể liên kết máy di động đối với các máy khác trong mạng thông qua Home Agent và Foreign Agent

Việc thiết lập và cập nhật các địa chỉ trong bảng quản lý địa chỉ được thực hiện bằng một quá trình gọi là quá trình đăng ký địa chỉ Quá trình đăng ký địa chỉ

sẽ được đề cập chi tiết ở trong phần 3.3.2

Hình 3.1 Quá trình đăng ký địa chỉ của Mobile IP

Qua hình 3.1, ta có thể thấy các thủ tục cơ bản trong quá trình đăng ký địa chỉ Quá trình đăng ký địa chỉ được thực hiện khi có một máy từ mạng ngoài đến

được phát hiện Quá trình đăng ký địa chỉ sẽ được thực hiện lặp đi lặp lại khi thời gian sống của địa chỉ tạm thời của máy ở mạng ngoài kết thúc Khi kết thúc quá trình đăng ký địa chỉ sẽ đến quá trình trao đổi thông tin

Quá trình định tuyến :

Khi một gói tin được được định tuyến trong mạng sẽ có 2 trường hợp xảy ra một là gói tin được gửi từ Mobile Node tới một Node chuyển tiếp và hai là gói tin

được gửi từ Node chuyển tiếp tới Mobile Node

Khi máy trong mạng thường trú muốn gửi một gói tin đến Node chuyển tiếp nó sẽ gửi thẳng gói tin tới đích theo cơ chế định tuyến thông thường Khi

Mobile Node ở mạng ngoài,nếu gói tin được gửi từ Mobile Node tới Nod chuyển tiếp nó sẽ thực hiện quá trình định tuyến thông thường để gửi tin tới Node chuyển tiếp Khi gói tin được gửi từ Node chuyển tiếp tới Mobile Node, gói tin sẽ được

định tuyến theo hình tam giác, trước hết gói tin được định tuyến tới Home Agent của Mobile Node nói trên Từ Home Agent của Mobile Node, thông qua bảng quản lý địa chỉ nó sẽ gửi gói tin tới Foreign Agent của Mobile Node nói trên và từ Foreign Agent gói tin sẽ được gửi tới địa chỉ tạm thời của máy(Hình 3.2)

Hình 3.2 Quá trình định tuyến trong Mobile IP

Theo cơ chế định tuyến nói trên trong 2 trường hợp khác nhau, gói tin sẽ

được gửi theo cơ chế định tuyến khác nhau Cơ chế gửi tin này sẽ tạo ra những quãng đường thừa trong quá trình định tuyến gọi là định tuyến hình tam gíac

Cơ chế định tuyến hình tam giác là cơ chế định tuyến cơ bản của Mobile IP,

nó có thể tạm thời giải quyết được vấn đề gửi được gói tin tới đích khi máy di chuyển đến một mạng khác

Tuy nhiên phương thức này cũng có một số nhược điểm là quá trình định tuyến tạo ra những quãng đường thừa không cần thiết và phương án định tuyến không tối ưu Trong phần sau ta sẽ xem xét cơ chế đinh tuyến tối ưu để giảm những quãng đường thừa trong cơ chế định tuyến nói trên

Bây giờ ta sẽ xét đến các thủ tục trao đổi thông tin trong Mobile IP, cách thức phát hiện ra sự di chuyển, cập nhật và quản lý địa chỉ của Mobile IP

3.3 Các thủ tục trao đổi thông tin trong Mobile IP

Để thực hiện cơ chế địa chỉ IP động cần phải thực hiện các thủ tục trao đổi thông tin

Các thủ tục đó bao gồm các quá trình:

- Quá trình phát hiện trạm

- Quá trình đăng ký trạm

- Quá trình trao đổi thông tin

- Quá trình chuyển đổi giao thức và chuyển gói tin tới đích (Encapsulation- tunneling)

- Quá trình hủy bỏ đăng ký địa chỉ

3.3.1 Quá trình phát hiện trạm

Phát bản tin quảng bá:

Để phát hiện các trạm di động (Mobile Node) nằm trong vùng phủ sóng của một mạng con, các Agent của mạng đó gửi các bản tin quảng bá gọi là bản tin ICMP tới tất cả các trạm nằm trong vùng phủ Bản tin quảng bá ICMP có cấu trúc như sau :