MỞ ĐẦU Tất cả mạng viễn thông ngày nay đều được giả định rằng thông tin là riêng rẽ. Dù là gói tin hay tín hiệu mạng điện thoại, thông tin được truyền theo cách tương tự như ô tô trên đường cao tốc hay các luồng nước trong ống dẫn. Đó là các luồng dữ liệu độc lập chia sẻ tài nguyên mạng, nhưng thông tin vẫn tách rời. Định tuyến, nguồn dữ liệu, điều khiển lỗi và các chức năng mạng đều dựa trên giả định này.
Tuy nhiên mã hóa mạng lại phá vỡ giả định này. Thay vì chỉ chuyển tiếp và lưu trữ dữ liệu, các nút mạng kết hợp một vài gói dữ liệu ở đầu vào thành một vài gói dữ liệu tại đầu ra. Mục đích của luận văn này xem lại khả năng ứng dụng mã hóa mạng trong các mạng multihop không dây. Đặc biệt, luận văn tập trung vào một topo hình sao kiểu như chuẩn 802.11, trong đó các nút bên ngoài trao đổi dữ liệu với nhau thông qua một nút trung tâm.
Câu hỏi đặt ra là làm sao tăng hiệu năng bằng cách áp dụng mã hóa mạng tại nút trung tâm. Để trả lời câu hỏi này, luận văn phân tích hiệu suất của slot-ALOHA cho một topo mạng hình sao. Với hai phiên bản slot-ALOHA là slot-ALOHA được xác định thông thường [12] và slot-ALOHA mã hóa [30] xác định cho giao thức slot-ALOHA nhưng có mã hóa mạng, nơi mà nút trung tâm thực hiện một mã hóa mạng với phép toán XOR để mã hóa hai hướng lưu lượng truy cập của các nút bên ngoài. Mô hình kiến trúc COPE được đề xuất trong [4, 31], thực hiện phương pháp slot-ALOHA mã hóa mạng, bằng cách tận dụng lợi thế để truyền quảng bá trên đường truyền vô tuyến, cho phép nhiều nút gần nhau cùng thu được một gói tin được quảng bá từ một nút nào đó.
Điều này thường bất lợi vì các nút gần nhau đôi khi không cần các gói tin thu được làm tiêu tốn băng thông vô ích. Truyền tin kiểu quảng bá được xem như là một trong những hạn chế cơ bản của mạng vô tuyến đa hop. Mạng dựa trên mô hình COPE hoạt động dựa trên sự chia sẻ đường truyền vô tuyến, quảng bá gói tin xung quanh đường truyền của một nút nào đấy. Mỗi nút chỉ lưu trữ các gói tin không cần thiết trong một khoảng thời gian ngắn, và thông báo tới nút lân cận các gói tin nó đã nhận được bằng chú thích trong gói nó gửi đi.
Khi một nút truyền gói tin, nó xem xét thông tin về các gói tin nút lân cận đã nhận được để thực hiện mã hóa cơ hội; nút thực hiện XOR nhiều gói tin và truyền gói tin kết quả, nếu một hop có đủ thông tin sẽ giải mã gói tin nhận được. Điều này mở rộng kiến trúc COPE với hai luồng truyền và XOR thực hiện với nhiều hơn một cặp gói tin. Thiết kế kiến trúc chuyển tiếp gói tin dựa trên mã hóa mạng ngoài việc thiết kế một thuật toán mã hóa và giải mã hiệu quả còn gặp phải một số thách thức nhất định. Đầu tiên, để mã hóa chính xác tập các gói tin, các nút phải học xem các nút lân cận đã nhận được những gói tin nào mà không tiêu tốn thêm đường truyền.
Thứ hai, vì các gói tin mã hóa là sử dụng cho ít nhất là hai hop, nút này phải bảo đảm truyền tin cậy các thông tin tương ứng tới tất cả các hop. Nhận phản hồi của lớp liên kết các gói tin mất hay đã truyền TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 2 thành công từ hop khác thường khó khăn, do đó ta phải thiết kế một kỹ thuật xác nhận và truyền lại hiệu quả hơn. Kỹ thuật mã hóa mạng dựa trên COPE đưa ra cách xử lý các vấn đề lý thuyết của mã hóa mạng khi có nhiều phiên unicast. Vấn đề cốt lõi của COPE là mã hóa mạng cục bộ, các router xử lý các gói tin cục bộ để cho chúng có thể giải mã được khi đương truyền các luồng unicast bị lệch.
Điều này bảo đảm rằng thông tin không định truyền trên một đường xác định sẽ không thể chuyển được và tránh lãng phí dung lượng. Với mô hình mạng vô tuyến 20 nút, các tác giả trong công trình [31] đã đưa ra được các kết luận sau: Mã hóa mạng có rất nhiều lợi ích thực tế và có thể cái thiện đáng kể thông lượng mạng vô tuyến. Khi đường truyền trong mạng vô tuyến bị tắc nghẽn và lưu lượng gồm nhiều luồng UDP, COPE sẽ tăng thông lượng mạng 3 - 4 lần. Nếu lưu lượng không có điều khiển luồng (như UDP), mô hình COPE có thể cải thiện thông lượng hơn nhiều so với lý thuyết mã hóa mạng bởi vì mã hóa mạng giúp hàng đợi trong router nhỏ hơn, giảm xác suất mà router phải loại bỏ gói tin đang truyền do tắc nghẽn.
Với mạng lưới kết nối với Internet qua access point, sự cải thiện về thông lượng sử dụng mô hình COPE sẽ biến đổi phụ thuộc vào tỉ lệ giữa tổng lưu lượng đường xuống (download) và đường lên (upload) truyền qua điểm truy cập (access point-AP), và biến đổi từ 5% tới 70%. Các thiết bị đầu cuối ẩn tạo ra sự xung đột cao không thể được đánh dấu thậm chí với số tối đa của kỹ thuật truyền lại theo chuẩn 802. Lúc này, TCP không gửi đủ dữ liệu, do đó không tạo ra cơ hội cho mã hóa mạng. Khi không có các thiết bị ẩn, thông lượng TCP sẽ tăng lên.
Bố cục của luận văn Nội dung của luận văn được bố cục như sau: hương 1: Những vấn đề cơ bản. Chương này giới thiệu tổng quan về mã hóa mạng và thiết kế mạng lưới không dây.1 giới thiệu về mã hóa mạng.2 lợi ích của mã hóa mạng.3 thảo luận kiến trúc và cách xây dựng mạng lưới không dây hiện tại. hương 2: Kỹ thuật đa truy cập. Giới thiệu giao thức đa truy cập: Giao thức đa truy cập không tranh chấp và Giao thức đa truy cập tranh chấp.
Nguyên tắc hoạt động của giao thức ALOHA và ảnh hưởng của hiệu ứng lấn át. Chương trình và kết quả mô phỏng thuật toán pure-ALOHA và slot-ALOHA. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 hương 3: ã hóa mạng không dây sử dụng giao thức ALOHA. Đầu tiên Chương này trình bày thiết kế, thực hiện và đánh giá hiệu năng dựa trên mô hình COPE sử dụng giao thức ALOHA, một kiến trúc mới cho truyền tin không dây sử dụng mã hóa mạng ở mức gói để cải thiện thông lượng mạng vô tuyến.
Kiến trúc COPE chèn thêm các mã đệm giữa lớp IP và lớp MAC, từ đó có thể truyền nhiều gói tin trong cùng một lần truyền. Tiếp theo trình bày giao thức ALOHA mã hóa. Luận văn tập trung vào một topo mạng hình sao, trong đó các nút bên ngoài trao đổi dữ liệu với nhau thông qua nút trung tâm. Một câu hỏi là có bao nhiêu thông lượng tăng lên bằng cách áp dụng mã hóa mạng tại nút trung tâm.
Bằng cách phân tích topo mạng hình sao, chúng ta có thể kiểm soát nút tắc nghẽn trong một mạng multihop không dây, nơi mà rất nhiều lưu lượng truy cập đi qua nút trung tâm. Trong phân tích của luận văn, chúng tôi thực hiện tối ưu hóa xuyên lớp qua lớp vật lý và lớp MAC. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. NHỮNG VẤN ĐỀ Ơ BẢN 1.
ã hóa mạng Xét mô hình mạng Hình 1.1 sao cho Hình 1.1 Ví dụ đơn giản sử dụng mã hóa mạng nhằm nâng cao thông lượng. Nguồn S1 cần truyền gói P1 tới cả D1 và D2, và nguồn S2 cần truyền gói P2 cũng tới D1, D2. Cho rằng tất cả đường truyền có khả năng truyền một gói trên giây. Nếu router R1 và R2 chỉ chuyển tiếp gói tin chúng nhận được, đường truyền ở giữa sẽ bị tắc nghẽn.
Tại mọi thời điểm, hai router hoặc là gửi P1 tới D2 hoặc P2 tới D1. Ngược lại, nếu router gửi lên đường truyền gói tin P1⊕P2 (hoặc bất kỳ tổ hợp tuyến tính nào của P1 và P2) xem Hình 1.1, cả hai đích sẽ nhận được hai gói. D1 sẽ có được P2 sau khi thực hiện phép toán XOR gói P1 (nhận được trực tiếp từ S1) với P1⊕P2 và tương tự D2 sẽ tái tạo được P1. Do đó, mã hóa mạng có thể đạt tới thông lượng multicast của 2 gói trên giây, tốt hơn phương pháp định tuyến chỉ đạt được tối đa là 1,5 gói trên giây.
Mặt khác nếu trạm D1 nhận P1 trực tiếp với xác suất lỗi bằng 1 và nhận được P1⊕P2 với xác suất lỗi 2 thì tổng hợp dữ liệu sẽ có P1 với thấp hơn và bằng 1(1 - 2) + 2(1 - 1). Một cách tổng quát, mã hóa mạng tuyến tính là tương tự với ví dụ này, chỉ thay thế phép toán XOR bởi phép tuyến tính khác. Điều này tạo nên sự linh hoạt trong cách thức mà các gói tin kết hợp với nhau. Do đó, router thay vì chỉ chuyển tiếp gói tin thì sẽ tạo ra tổ hợp tuyến tính của các gói tin đến tạo ra gói tin mã hóa rồi mới gửi đi.
Chúng ta sẽ miêu tả ngắn gọn quá trình mã hóa và giải mã trong những mục sau. ã hóa Giả sử mỗi gói có L bit. Khi các gói có kích thước khác nhau kết hợp với nhau, thì gói nào có ít bit hơn sẽ được thêm vào các bit 0. Ta xem s bit liên tiếp nhau như là một ký TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 tự của tập hữu hạn F2 , mỗi gói là một véc tơ của L/s ký tự.
Với mã hóa tuyến tính, các s gói tin lối ra là tổ hợp tuyến tính của các gói ban đầu, ở đây cộng và nhân được thực hiện trên trường hữu hạn F2. s Gọi P1, P2, …, Pn là n gói tin ban đầu từ một hoặc nhiều nguồn khác nhau. Với mã hóa tuyến tính, mỗi gói tin X được xem như một véc tơ của các hệ số g g (1), g (2).g (n) trong trường F2 gọi là véc tơ mã. Véc tơ mã chỉ ra cách gói tin X đạt được từ các gói tin s nguồn: n X g (i ) Pi (1.1) i 1 Tổng này được xác định tại mọi vị trí ký tự, X (k ) i 1 g (i) Pi (k ) với Pi(k) và X(k) n là ký tự thứ k’ của Pi và X.
Trong ví dụ ở Hình 1.1, trường F2 ={0,1}, một ký tự là một bit và biến đổi tuyến tính gửi bởi R1 sau khi nhận được P1 và P2 là P1⊕ P2. Véc tơ mã được mang trong tiêu đề của gói tin đã mã hóa X. Véc tơ được sử dụng tại bên nhận để giải mã dữ liệu, sẽ giải thích ở mục sau.