Chương 1 – Giới thiệu 1.1 Mạng Ad hoc đa chặng Vào năm 1997, Viện Kỹ nghệ điện và điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) tạo ra chuẩn WLAN đầu tiên, đó là chuẩn 802. Kiến trúc dựa trên hạ tầng cơ sở là chế độ thường dùng để xây dựng các điểm truy cập không dây (Wi-Fi hostpot) dựa trên một điểm truy cập mạng. Điều trở ngại với kiểu kiến trúc này là chi phí mua và cài đặt cơ sở hạ tầng, các chi phí loại này có thể không được chấp nhận trong các môi trường động, ở đó người và/hoặc các phương tiện chỉ cần kết nối tạm thời trong một vùng mà không cần một cơ sở hạ tầng truyền thông sẵn có, ví dụ như trường hợp cứu hộ khi có thảm họa động đất, sóng thần, lúc đó hạ tầng mạng gần như bị phá hủy hoàn toàn, hoặc trường hợp các sinh viên trong chuyến xe bus đi du lịch có nhu cầu muốn chia sẻ tài liệu hoặc chơi game tương tác với nhau trong lúc đi trên xe. Trong những trường hợp như vậy, một giải pháp hiệu quả hơn có thể được cung cấp, đó là chế độ hoạt động không cần hạ tầng cơ sở hay ad hoc.
Trong mạng ad hoc, kết nối được thiết lập cho khoảng thời gian tương ứng với một phiên làm việc và không cần trạm cơ sở (base station). Các thiết bị sẽ khám phá những thiết bị khác ở trong cùng một miền để hình thành nên mạng. Các thiết bị có thể sẽ tìm kiếm các trạm trong cùng miền bằng cách phát tràn (flooding) các thông điệp quảng bá mà được chuyển tiếp bởi mỗi trạm. Khi hoạt động ở chế độ này, các trạm được xem như đóng vai trò một tập dịch vụ cơ sở độc lập (Independent Basic Service Set – IBSS).
Bất kỳ trạm nào ở trong miền phát (transmission range) của trạm khác, sau một bước đồng bộ hóa, đều có thể bắt đầu truyền thông. Điểm truy cập (Acess Point – AP) không cần thiết với chế độ mạng này, nhưng nếu một trong số các trạm đang hoạt động ở chế độ ad hoc có kết nối với mạng có dây, các trạm trong mạng ad hoc sẽ có truy cập không dây đến Internet. Mạng ad hoc đa chặng (multi-hop ad hoc networks) [3, 4, 5] là các mạng ad hoc mà các kết nối của chúng có thể qua nhiều trạm. Các giao thức định tuyến do đó sẽ cung cấp các kết nối ổn định cho dù các trạm chuyển động liên tục.
Mỗi trạm sẽ cố gắng chuyển tiếp dữ liệu đến các trạm khác, và do đó việc xác định trạm nào chuyển tiếp dữ liệu được thực hiện tự động dựa trên kết nối mạng. Điều này ngược lại với các công nghệ mạng truyền thống ở đó một vài trạm được thiết kế trước, thông thường với các thiết bị phần cứng như router, switch, hub và firewall, sẽ thực hiện nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Hiệu năng của các mạng ad hoc đa chặng [19, 22, 23] Giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 cho việc truy cập đường truyền trong WLANs là một chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng không dây ad hoc.11 là một nền tảng tốt để cài đặt các mạng ad hoc đơn chặng (single- hop) bởi tính đơn giản của nó. Tính đơn chặng có nghĩa là các trạm phải ở trong cùng miền phát (thường từ 100-200 mét) để có thể truyền thông trực tiếp với nhau.
Sự hạn chế đó có thể được khắc phục bởi mạng ad hoc đa chặng. Trong môi trường mạng ad hoc, các thiết bị di động của người dùng hình thành nên mạng và chúng phải cộng tác với nhau để cung cấp chức năng thông thường được cung cấp bởi cơ sở hạ tầng mạng (ví dụ routers, switches, và servers). Cách tiếp cận này đòi hỏi mật độ người dùng phải đủ lớn để đảm bảo việc chuyển tiếp các gói tin giữa bên gửi và bên nhận. Nếu mật độ người dùng thấp, mạng có thể trở nên không hoạt động được.
Tuy nhiên, nếu mật độ người dùng cao thì hiệu năng của mạng như độ trễ, tính công bằng sẽ suy giảm nghiêm trọng. Trong các mạng ad hoc đa chặng, các trạm cộng tác để chuyển tiếp các gói tin từ các trạm khác qua mạng. Do đó, một trạm phải truyền đi cả luồng trực tiếp (direct flow), sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp (forwarding flows), được sinh ra bởi các trạm hàng xóm, do đó nó chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm hàng xóm của nó. Hiệu ứng của sự tranh chấp tại tầng MAC và tầng liên kết sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng, đặc biệt là sự công bằng.
Chức năng cộng tác phân tán (Distributed Coordination Function – DCF) là một kỹ thuật tầng MAC cơ bản trong IEEE 802.11, nó được thiết kế để cung cấp cơ hội công bằng cho mọi trạm để truyền đi các frames trong ngữ cảnh phân tán. DCF sử dụng giao thức đa truy cập sử dụng sóng mạng có tránh xung đột (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – CSMA/CA) với cách truy cập dựa trên kỹ thuật quay lui hàm mũ nhị phân (Binary Exponential Back-off – BEB). Kỹ thuật BEB điều khiển tần suất truy cập kênh truyền của mỗi trạm bằng cách chọn ngẫu nhiên một giá tri quay lui từ một đến CW dựa trên phân phối ngẫu nhiên chuẩn, với CW là kích thước cửa sổ tranh chấp (Contention Window – CW). Do đó, dường như toàn bộ các trạm đang tranh chấp sẽ có cùng cơ hội để truy cập kênh truyền được chia sẻ, tuy nhiên, trong cấu hình mạng đa chặng bất đối xứng, kỹ thuật BEB lại gặp phải vấn đề không công bằng (unfairness) và lưu lượng thấp (low throughput), đặc biệt trong trường hợp tải đề xuất (offered load) có lưu lượng lớn.
Kỹ thuật BEB xác định kích thước cửa sổ tranh chấp tương ứng với điều kiện tắc nghẽn. Kỹ thuật này sẽ nhân đôi giá trị CW sau mỗi lần đụng độ cho đến khi đạt ngưỡng CWmax và đặt lại (reset) giá trị CW thành CWmin với mỗi lần phát thành công. Tuy nhiên, kỹ thuật BEB không xem xét các điều kiện khác về các trạm hàng xóm, thông tin tầng trên,… số luồng trong kênh truyền hoặc số người dùng trong hệ thống. Do đó, giá trị CW sau vài lần tắc nghẽn có thể sẽ không phải là giá trị tối ưu cho tính TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 công bằng, đặc biệt trong các mạng đa chặng bất đối xứng.
Thêm nữa, bởi vì giá trị CW là như nhau với tất cả các luồng được sinh ra từ một trạm, mọi luồng sẽ truy cập kênh truyền với cùng độ ưu tiên. Sẽ có sự không công bằng giữa các luồng trong không gian bộ đệm (buffer space), vì vậy các giá trị CW khác nhau nên được gán cho mỗi luồng để giảm bớt sự tranh chấp giữa chúng. Nếu giá trị CW tối ưu được xác định và gán cho mỗi luồng riêng lẻ, kỹ thuật BEB có thể giúp cấp phát băng thông công bằng giữa các luồng. Thêm nữa, nếu giá trị CW khác nhau được gán cho mỗi luồng thì việc tranh chấp giữa các luồng sẽ điều khiển được.
Tuy nhiên, việc xác định giá trị CW tối ưu cần thông tin toàn cục về mạng, điều gần như không thể thực hiện trong mạng ad hoc đa chặng bởi mỗi trạm đều làm việc phân tán. Luận văn này sẽ tìm hiểu một mô hình xuyên tầng, ở đó thông tin được thu thập từ các tầng vật lý, MAC và liên kết, nhằm mục đích xác định một giá trị CW tốt hơn để đạt được tính công bằng trên mỗi luồng mà không cần thông tin toàn cục. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 15 Chương 2 – Kiến trúc mạng không dây 2.11 Giao thức MAC 802.11 dùng cho việc điều khiển truy cập đường truyền trong các mạng không dây cục bộ (Wireless Local Area Networks – WLANs) là chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng không dây ad hoc.11 chi tiết hóa cả hai tầng MAC và vật lý (hình vẽ 2. Tầng MAC đề xuất hai kiểu dịch vụ: chức năng cộng tác phân tán (Distributed Coordination Function – DCF) và chức năng cộng tác điểm (Point Coordination Function – PCF).
Các dịch vụ này nằm trên một sự đa dạng các tầng vật lý, đặc biệt có ba công nghệ đã được chuẩn hóa: hồng ngoại (Infrared), trải phổ điều khiển tuần tự (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS), trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS); ngoài ra kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OFDM) cũng được dùng nhiều trong những năm gần đây.1 Tầng vật lý Tầng vật lý (PHY) là giao diện giữa MAC và thiết bị không dây ở đó các khung tin (frames) được truyền và nhận. PHY cung cấp ba chức năng. Thứ nhất, PHY cung cấp một giao diện để trao đổi các khung tin với tầng MAC ở trên phục vụ việc truyền và nhận dữ liệu. Thứ hai, PHY sử dụng tín hiệu vận chuyển (signal carrier) và điều chế trải phổ (spread spectrum modulation) để truyền các khung dữ liệu qua thiết bị truyền.
Thứ ba, PHY cung cấp một dấu hiệu sóng mang (carrier sense indication) trở lại MAC để xác nhận hoạt động trên thiết bị truyền.11 cung cấp ba định nghĩa PHY khác nhau: hồng ngoại, DSSS và FHSS. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Hồng ngoại Các hệ thống hồng ngoại (Infrared – IR) có thiết kế đơn giản và do đó giá thành rẻ. Chúng sử dụng các tần số tín hiệu giống nhau được dùng trong các liên kết quang học. Các hệ thống này chỉ phát hiện biên độ của tín hiệu và nhờ đó sự nhiễu được giảm đi đáng kể.
Băng thông trong các hệ thống hồng ngoại không có giới hạn và do vậy có thể đạt được tốc độ truyền nhanh hơn các hệ thống khác. Việc truyền hồng ngoại thực hiện theo phổ quang học và không cần giấy phép từ các cơ quan quản lý viễn thông, đó là một tính năng thú vị của của hồng ngoại. Có hai cách thiết lập một mạng IR LAN. Cách thứ nhất là truyền hồng ngoại, nó cung cấp một miền truyền khá lớn lên đến hàng kilô-mét và có thể sử dụng bên ngoài (outdoors), nó cũng cung cấp băng thông (bandwith) và thông lượng (throughput) lớn nhất.
Cách thứ hai là truyền theo mọi hướng (omni-directionally) và làm các tín hiệu có thể bị chặn bởi mọi vật cản theo mọi hướng. Công nghệ hồng ngoại ban đầu rất phổ biến bởi nó vận chuyển được tỷ lệ dữ liệu cao và giá thành tương đối rẻ. Nhược điểm của các hệ thống hồng ngoại là phổ truyền được chia sẻ bởi các nguồn sáng mặt trời và huỳnh quang. Nếu có đủ giao thoa từ các nguồn khác, nó có thể làm cho mạng LAN trở nên không thể sử dụng.