Quản lý chất lượng dịch vụ trong mạng Wireless LAN

- Hà Nội, tháng 3 năm 2008 Ngô Đặng Quý Dương Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN i Mục lục 1 Mở đầu Bối cảnh nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Cấu trúc luận văn Giới thiệu mạng cục bộ không dây Khái niệm mạng cục bộ không dây WLAN Phân loại mạng cục bộ không dây Các chuẩn của IEEE 802.11x về mạng WLAN Giao thức điều khiển truy nhập phương tiện 802.11MAC Khái niệm khung thời gian trống.
- 35 3.4 Định dạng Header gói tin VoIP trong mạng Kết chương Giới thiệu IEEE 802.11e Tổng quan Giao thức Hybrid Coordination Function Cơ chế phối hợp truy nhập kênh tăng cường EDCA Các loại truy nhập-AC.
- 40 4.3.3 Kiến trúc và định dạng những khung tin quan trọng của 802.11e.
- 65 5.5 Kết chương Các kết quả phân tích và đánh giá Bộ mô phỏng NS Triển khai mạng không dây IEEE 802.11 trong NS-2.
- 77 6.2.3 Thực hiện thoại VoIP với 802.11e.
- 7 Hình 2-5: Các thành phần chuẩn trong Hình 2-6: Các lớp trong giao thức MAC của 802.11.
- 50 Hình 4-7: Kiến trúc IEEE 802.11e MAC.
- 51 Hình 4-9: Vị trí của hai trường TID và QoS Control trong phần 802.11 MAC header.
- 74 Hình 6-5: Thời gian trễ trung bình tại AP khi sử dụng VoIP codec G.711 trên 802.11b.
- 75 Hình 6-6: Thời gian trễ trung bình tại AP khi sử dụng G.711 với 802.11g.
- 76 Hình 6-7: Thời gian trễ trung bình G.729 khi sử dụng 802.11g.
- 78 Hình 6-8: Tỉ lệ rớt gói tại AP khi thực hiện 802.11e theo codec G.729.
- 79 Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN vi Danh Mục Bảng Bảng 2-1: Một số phiên bản trong bộ chuẩn IEEE 802.11.
- 8 Bảng 2-2: Các tham số của 802.11 DCF protocol.
- 42 Bảng 4-3: Các giá trị mặc định cửa sổ phân tranh trong 802.11e.
- Thành công của IEEE 802.11 chủ yếu đến từ tính hiệu quả, giá thành rẻ, dễ dàng lắp đặt, triển khai và tốc độ truyền dữ liệu khá cao.
- Trên mạng WLAN, cơ chế giải quyết truy nhập phương tiện truyền thống 802.11 MAC không có khả năng hỗ trợ những ứng dụng đa phương tiện luôn đòi hỏi đảm bảo về chất lượng dịch vụ (QoS) cho những yêu cầu về tính ổn định, thời gian và độ tin cậy về truyền dữ liệu.
- Việc thiếu khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong 802.11 tạo ra một khiếm khuyết lớn khi ta muốn triển khai những ứng dụng Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 2 truyền thông đa phương tiện hiện đại trên nền công nghệ mạng không dây 802.11.
- Với những đòi hỏi cấp thiết như vậy, đã có khá nhiều nghiên cứu hướng vào việc tạo ra khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ cho 802.11 WLAN.
- Hiện nay cộng đồng IEEE 802.11 Working Group đã đề xuất một phiên bản cải tiến cho 802.11 – phiên bản 802.11e – có khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ.
- Với cơ chế truy nhập phương tiện Enhanced Distributed Channel Access (EDCA), phiên bản 802.11e đã có sự phân biệt loại dữ liệu bằng cách gán cho mỗi loại một mức ưu tiên tuỳ theo yêu cầu chất lượng dịch vụ của lưu lượng.
- Bằng cách này, 802.11e có thể cung cấp được khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ dựa trên việc phân phối truy nhập đường truyền.
- Tập hợp và đánh giá ảnh hưởng của 802.11 MAC lên chất lượng của VoIP.
- Các đặc tả của mạng WLAN được mô tả chi tiết bởi bộ chuẩn IEEE 802.11.
- Bộ chuẩn 802.11 bao gồm các kỹ thuật điều chế vô tuyến sử dụng một số giao thức cơ bản.
- 802.11 cho phép xây dựng mạng không dây kích thước lớn bằng cách liên kết các BSS vào một ESS.
- IEEE 802.11 không đặc tả một kỹ thuật đường trục đặc biệt, nó chỉ yêu cầu mạng đường trục cung cấp một tập các dịch vụ cụ thể.
- 802.11a Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 9 Phiên bản 802.11a, mô tả các thông số và giao thức cho tầng vật lí, sử dụng chung các giao thức core như bản chuẩn nguyên gốc ban đầu.
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 10 2.4 Giao thc điu khin truy nhp phng tin 802.11MAC Các giao thức 802.11 có vai trò giống như các giao thức khác trong lớp 802.x, nó bao phủ hai lớp MAC và Physical trong mô hình OSI.
- Trong giao thức 802.11 tầng MAC định nghĩa hai phương thức truy nhập đường truyền.
- 2.4.1 Khái niệm khung thời gian trống Như đã trình bày ở trên, giao thức 802.11 xây dựng 2 cơ chế truy nhập đường truyền cơ bản: truy nhập ngẫu nhiên – Distributed Coordinator Function (DCF) và truy nhập chỉ định yêu cầu – Point Coordinator Function (PCF).
- Cả hai cơ chế này đều có chung khái niệm về khung thời gian trống Chuẩn IEEE 802.11định nghĩa bốn loại khung thời gian Inter Frame Space là các khoảng thời gian trống được chèn vào giữa các frame với những mức ưu tiên khác nhau: Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 11 Hình 2-7: Cơ chế truy nhập cơ bản • SIFS – Short Inter Frame Space: được dùng để phân tách việc truyền thông theo từng khối đơn (ví dụ cặp Frame – Ack) và là loại Inter Frame Space nhỏ nhất.
- Hệ thống chuẩn 802.11 định nghĩa giải thuật Exponential Backoff Alogrithm được sử dụng trong những trường hợp sau.
- Đặc điểm này sẽ được sử dụng trong IEEE 802.11e để quản lí chất lượng dịch vụ.
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 16 2.4.3 Giao thức điều khiển truy nhập phương tiện DCF Giao thức DCF – Distributed Coordination Function là giao thức cơ bản của lớp MAC 802.11.
- Để dễ hiểu chúng ta xem xét ví dụ dưới đây ( 802.11 DCF MAC protocol).
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 17 Hình DCF MAC protocol Trong đó có sự phân chia thời gian như sau.
- Phần trễ này được gọi là Distributed Interframe Spacing (DIFS) và trong 802.11g DIFS có giá trị 28.10-6s.
- 2.7 Nhc đim ca giao thc DCF Hệ thống IEEE 802.11 về cơ bản được xây dựng dựa trên mô hình dịch vụ best-effort.
- Trong 802.11 DCF không hề có khái niệm phân biệt phục Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 21 vụ.
- Hình 2-16: Thời gian trễ trung bình.
- Hệ thống mạng WLAN IEEE 802.11 sử dụng cơ chế truy nhập đường truyền CSMA/CA và cửa sổ phân tranh theo giải thuật backoff.
- Đó là những hiểu biết cơ bản giúp ta giải quyết vấn đề chất lượng dịch vụ VoIP trên môi trường không dây 802.11 Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 23 Chương 3 3 Chất lượng dịch vụ trên mạng WLAN 802.11 Trong chương này, chúng ta sẽ giải thích khái niệm chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) và các mô hình dịch vụ liên quan.
- Công nghệ không dây được sử dụng ở đây là WiFi với tên thường dùng là IEEE 802.11.
- Ví dụ: trong mạng 802.11b, số lượng tối đa chấp nhận được các kết nối VoIP G.711 thường là 6.
- Giao thức MAC trên nền 802.11 và các khía cạnh liên quan: đã được xem xét trong phần Các cơ chế truy nhập phương tiện.
- Perceptual evaluation of speech quality (PESQ), 1997, là một phương pháp đánh giá khách quan cho chất lượng thoại đầu cuối dùng cho mạng điện thoại ở băng hẹp với bộ codec tiếng nói Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 36 - Phân tích cấu trúc khung tin VoIP trên WiFi 802.11.
- 3.4 Đnh dng Header gói tin VoIP trong mng 802.11 Trong hệ thống mạng 802.11, các packet thường có phần header khá lớn (nguyên nhân chủ yếu là do các cơ chế MAC).
- o TCV: Thời gian truyền 1 gói tin Voice bị xung đột.
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 37 o PACKET: Thời gian truyền trung bình nội dung của 1 gói tin Voice.
- o PRE: Thời gian truyền phần preamble( mặc định PRE = 192µs với R= 1 Mbps hoặc 96 µs với các tốc độ truyền khác).
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 38 Chương 4 4 Giới thiệu IEEE 802.11e 4.1 Tng quan Hiện nay IEEE đang phát triển một phiên bản mới được gọi với cái tên 802.11e, phiên bản mở rộng từ phiên bản chính thức của IEEE 802.11 nhằm tăng cường thêm khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ.
- Phiên bản IEEE 802.11 sử dụng cơ chế phân mức ưu tiên để hỗ trợ chất lượng dịch vụ.
- IEEE 802.11e định nghĩa các AP, STA, BSS có dịch vụ QoS lần lượt QAP (QoS Acess Point), QSTA (QoS Station) và QBSSS (QoS Basic Service Set).
- Ngoài ra ra cũng còn có một cách đánh số AC[0], AC[1]..AC[4] tương ứng với AC_BK, AC_BE, AC_VI, AC_VO 2 Các gói tin 802.11 ở tầng MAC còn được gọi là các frame hay các khung tin Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 40 Mỗi frame từ các tầng trên đến tầng MAC cùng với một giá trị ưu tiên.
- Các AC có mức ưu tiên Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 42 thấp sẽ phải đợi với thời gian AIFS dài hơn các AC khác.
- Trong trường hợp nếu không có sự điều chỉnh nào thì các thiết bị có thể sử dụng các giá trị mặc định đã được định nghĩa trong phiên bản IEEE 802.11e.
- SIFS: Giá trị của thời gian SIFS được định nghĩa như ở IEEE 802.11 chuẩn.
- Điều này tránh cho các EDCAF ưu tiên thấp bị đứng ngoài cuộc vô thời gian theo cách thức giống như mà DCF ở phiên bản 802.11 nguyên gốc thực hiện với các trạm không dây khác nhau.
- Khi hiện tượng này xảy ra, cách thức xử lí vẫn giống như ở 802.11 nguyên gốc.
- 4.3.3 Kiến trúc và định dạng những khung tin quan trọng của 802.11e Bên cạnh HCF cùng hai cơ chế truy nhập EDCA và HCCA, để đảm bảo tính tương thích ngược thì trong phiên bản IEEE 802.11e cũng bao gồm hai bộ chức Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 51 năng phối hợp được kế thừa từ bản 802.11 nguyên gốc là DCF và PCF.
- Hình vẽ dưới đây sẽ minh hoạ kiến trúc của 802.11e MAC.
- Trường TID này được chứa trong trường Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 52 QoS Control – một trường mới được IEEE 802.11e thêm vào phần MAC header.
- Hình 4-11: Trường QoS Info và QoS Capability Element 4.4 Kt chng Chuẩn IEEE 802.11e là một phiên bản cải tiến của IEEE 802.11 WLAN nhằm hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS).
- Những giá trị mặc định theo chuẩn 802.11e sẽ không được AP quảng bá.
- Thời gian tiến hành CFB được giới hạn bởi giá trị TXOP Limit Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 56 Chương 5 5 Phân tích hiệu quả của chất lượng dịch vụ cho mạng Phân tích hiu năng cht lng dch v ca mng IEEE 802.11 DCF Trong phần này, tác giả xin được trình bày các nghiên cứu liên quan đến hiệu năng của IEEE 802.11.
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 59 Thời gian truyền gói tin trong trường hợp bị xung đột thành công.
- Pr_2Pr Trong đó: Air_Prop, DIFS, SIFS lần lượt là thời gian propagation time, DIFS time, SIFS time được định nghĩa ở trong chuẩn IEEE 802.11 Thời gian trễ truyền tin trong trường hợp truyền bị đụng độ: ccPayloadbascCWopAirDIFSTopdelay.
- Trong 802.11e, có 8 mức độ ưu tiên (priority) khác nhau với các loại catagories và traffic khác nhau truy cập kênh.
- Một mô phỏng khác về 802.11e do Mangold [17] đưa ra.
- Nghiên cứu này mô phỏng 2 cơ chế của 802.11e là EDCF và HCF.
- Ngoài ra, nghiên cứu còn mô phỏng 802.11a như là tầng vật lý.
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 65 Xác suất τ: Xác suất truyền tin trong một khe thời gian cho trước ở lần truyền lại thứ m.
- ]SVCVnnnmnnmnminnnCVnnSVnInnTE+TEcc+]c)c(+c)c([CWSE=dE)Tt(c+Tt+)Tc(=SE Trong đó: n lần lượt là A (trạm là Access Point), V (trạm là trạm voice) Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 67 o dn: Thời gian cần thiết để trạm n truyền đi một gói tin thoại ngay khi nó vừa mới đến.
- Các tham số TSV , TI , TCV được tính dựa trên phân tích ở phần Header gói tin VoIP trong mạng 802.11 Gọi DA: là khoảng thời gian bị trễ tính từ khi gói tin đến AP cho đến lúc nó được truyền hoàn toàn ra khỏi AP.
- )aasvcvaaamaaaaaacvaaaamaaaaaacvaaaamammamamammmaamaamaamaaAAccTTccmmcccccccTCWSEccmmcccccccTCWSEsvcccvcccccccccccccCWSEdETTm min222232min min222 Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 69 5.5 Kt chng Hiện nay, hệ thống mạng cục bộ không dây IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) là một trong những công nghệ mạng không dây được triển khai rộng rãi nhất trên toàn thế giới.
- Với giao thức 802.11 DCF thông thường: Kích thước cửa sổ phân tranh trung bình khi truyền tin thành công và không thành công: 2)1(min slotsTCWCW−= 2max slotcTCWCW = Thời gian trễ truyền tin trong trường hợp truyền tin thành công: sACKsPayloadbassCWSIFSDIFSopAirTTopdelay.
- Pr_Pr Thông lượng của kênh: copdelaySizePayloadThroughputPr_8∗= Thông lượng của kênh qui chuẩn: RopdelaySizePayloadThroughputNormalc∗∗=Pr_8_ Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 70 Hiệu suất sử dụng kênh: Chan_eff = Norm_Throughput * 100% Tương tự với 802.11e ta có.
- simulation time Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 74 6.1.2 Triển khai VoIP trong NS-2 Nhằm kiểm tra hiệu quả của VoIP trong hệ thống mạng IEEE 802.11, chúng ta sẽ tiến hành kiểm thử và đo đạc các số liệu khi tăng dần số lượng các trạm VoIP với lần lượt hai loại codec là G.711 và G.729 theo những trường hợp sau.
- Hình 6-4: Cấu hình hệ thống mạng mô phỏng 6.2 Kt qu ca vic trin khai VoIP trên IEEE 802.11 Trong phần này, tác giả sẽ trình bày các kết quả thực hiện theo từng phần bao gồm 802.11b, chỉ có thoại trong 802.11g, kết nối thoại và kết nối dữ liệu bão Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 75 hoà trong 802.11g và 802.11g+e.
- Dung lượng của G.711 khi sử dụng với 802.11b: tối đa 6 cuộc gọi.
- Dung lượng của G.711 khi sử dụng với 802.11g: tối đa 15 cuộc gọi.
- Average delay AP for G.711 voice with 802.11b Number of Voice conversationAverage Delay on AP (s) Hình 6-5: Thời gian trễ trung bình tại AP khi sử dụng VoIP codec G.711 trên 802.11b Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 76 Dễ thấy lượng thời gian trễ trung bình thu được tăng dần theo số lượng trạm tham gia thoại.
- Với 802.11b và đơn thoại, chúng ta xác định được ngưỡng này là 6 cuộc thoại.
- 6.2.1.2 Kết quả thực hiện với 802.11g Tiến hành đo đạc với mạng IEEE 802.11g.
- Average delay AP for G.711 voice with 802.11g Number of Voice conversationAverage Delay on AP (s) Hình 6-6: Thời gian trễ trung bình tại AP khi sử dụng G.711 với 802.11g Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 77 Kết quả này cho thấy dung lượng VoIP của AP khi sử dụng ở chuẩn IEEE 802.11g đã được cải thiện hơn so với 802.11b.
- Average delay AP for G.729 voice with 802.11g Number of Voice conversationAverage Delay on AP (s)1 Mbps36 Mbps54 Mbps Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 78 Hình 6-7: Thời gian trễ trung bình G.729 khi sử dụng 802.11g 6.2.2.2 Thực hiện thoại kết hợp với truyền dữ liệu theo TCP Bây giờ chúng ta tiếp tục đo đạc thời gian trễ của những gói tin VoIP trong trường hợp có kết nối truyền dữ liệu theo giao thức TCP.
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 79 Average loss at AP for G.729 voice with 802.11g Number of Voice conversationAverage Loss on AP (%)1 Mbps36 Mbps54 Mbps Hình 6-8: Tỉ lệ rớt gói tại AP khi thực hiện 802.11e theo codec G Chỉ thực hiện thoại kết hợp truyền dữ liệu theo TCP Ta đặt giả thiết, kết nối nguồn TCP các gói tin với kích thước 1500 bytes.
- Mạng 802.11b: Trường hợp không có ứng dụng truyền dữ liệu thông thường, thì số cuộc gọi VoIP tối đa là: 6 (với codec G.711).
- Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 83 Chương 7 7 Tổng kết 7.1 Tng kt Trên mạng WLAN, cơ chế giải quyết truy nhập phương tiện truyền thống 802.11 MAC không có khả năng hỗ trợ những ứng dụng đa phương tiện luôn đòi hỏi đảm bảo về chất lượng dịch vụ (QoS) cho những yêu cầu về tính ổn định, thời gian và độ tin cậy về truyền dữ liệu.
- Việc thiếu khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong 802.11 tạo ra một khiếm khuyết lớn khi ta muốn triển khai những ứng dụng truyền thông đa phương tiện hiện đại trên nền công nghệ mạng không dây 802.11.
- Xuất phát từ những lí do như vậy nghiên cứu đã tập trung vào khảo sát hiệu quả của chất lượng dịch vụ trên nền 802.11 với những tiêu chí sau.
- Khảo sát hiệu năng chất lượng dịch vụ với mạng 802.11 thường khi chưa có hỗ trợ chất lượng dịch vụ.
- Khảo sát hiệu năng chất lượng dịch vụ với mạng 802.11e có hỗ trợ chất lượng dịch vụ - Khảo sát hiệu năng chất lượng dịch vụ riêng cho ứng dụng thời gian thực mà ta lấy VoIP làm đối tượng nghiên cứu.
- Nó chống lại toàn bộ các đối tượng yêu cầu truyền tin trong lúc đang xảy ra xung đột IFS Inter Frame Space Ngô Đặng Quý Dương Cao học XLTT 2005-2007 QoS trong mạng Wireless LAN 87 Tài liệu tham khảo [1] Giuseppe Bianchi, Performance Analysic of IEEE 802.11 DCF, 2000 [2] A Techincal Turtorial IEEE 802.11 Standard, www.breeze.com [3] A.
- Roberts, Evaluating the voice capacity of 802.11 WLAN under distributed control, in Proc.
- [5] Jessica M.Yeah, Performance of Voice and Data Transmission Using IEEE 802.11 MAC protocol, MIT June 2002.
- Varaiya, Us Berkeley, Throughput Formulation and WLAN Optimization in Mixed Data Rates for IEEE 802.11 DCF Mode.
- Vitsas, V., Packet Delay Analysis of IEEE 802.11 MAC Protocol.
- Walke, Analysis of 802.11E for QoS Support in Wireless LANs Zhu, H

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt