- 13 1.3 Các tình huống sử dụng. - 30 2.2.1 Các chuẩn cho mạng không dây WLAN 802.11. - 33 2.3 Giao thức điều khiển truy nhập môi trường IEEE 802.11 MAC. - 40 2.4 Giao thức điều khiển truy nhập môi trường IEEE 802.11e MAC. - 49 3.1.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a. - 50 3.1.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e. - 73 PHẦN 2: TÌM HIỂU MÔ PHỎNG MẠNG WLAN 802.11e TRONG MÔI TRƯỜNG NS2. - 76 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU MÔ PHỎNG MẠNG WLAN 802.11e TRONG MÔI TRƯỜNG NS2. - 53 Hình 13: Chức năng các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16. - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHẦN 2: TÌM HIỂU MÔ PHỎNG MẠNG WLAN TRONG MÔI TRƢỜNG NS2 CHƢƠNG 1: TÌM HIỂU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG NS2 CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU MÔ PHỎNG MẠNG WLAN 802.11e TRONG MÔI TRƢỜNG NS2 12 PHẦN 1. - Các RNC và các Node B đƣợc kết nối với nhau bằng giao diện Iub. - Nếu có nhiều hơn một RNC chúng có thể kết nối với nhau qua giao diện Iur. - 17 - Giao diện Iub: kết nối một Node B với một RNC. - UE tồn tại ở 3 trạng thái: tách riêng, kết nối và rỗi. - Kết nối mạng: quá trình kết nối mạng bắt đầu khi ngƣời sử dụng bật UE. - Thủ tục kết nối luôn luôn đƣợc thiết lập bởi UE. - Quá trình kết nối CS gồm thiết lập cuộc gọi và 18 nhận cuộc gọi. - Để thiết lập cuộc gọi, một kết nối CS phải đƣợc thiết lập trƣớc tiên. - Khi thuê bao nhắc máy thì kết nối đƣợc thông suốt. - Khi thuê bao nhắc máy, kết nối đƣợc thông suốt. - Để thiết lập cuộc gọi, kết nối PS phải đƣợc thiết lập. - Nếu UE không kết nối vào mạng thì cuộc gọi bị từ chối. - Khi liên kết truyền đƣợc thiết lập UE nhận cuộc gọi và kết nối PS đƣợc thông. - Một trong những tổ chức chuyên chuẩn hóa công nghệ này là IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers).Và các chuẩn không dây đƣợc chuẩn hóa thành họ các chuẩn 802.11. - Chuẩn này đƣợc công nhận và sử dụng phổ biến nên ngƣời ta thƣờng gọi mạng không dây cục bộ là mạng WLAN 802.11. - Trên thị trƣờng hiện nay có rất nhiều sản phẩm phục vụ cho WLAN theo các chuẩn khác nhau nhƣ: IrDA (Hồng ngoại), OpenAir, BlueTooth, HiperLAN 2, IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g. - Ngƣợc lại, HiperLAN và IEEE 802.11 là 2 mạng phục vụ cho kết nối phạm vi rộng hơn khoảng 100m, và cho phép kết nối 2 dạng: kết nối trực tiếp và kết nối dạng cơ sở (sử dụng Access Point). - Với khả năng tích hợp với các mạng thông dụng nhƣ (LAN, WAN), HiperLAN và IEEE 802.11 đƣợc xem là hai mạng có thể thay thế hoặc dùng mở rộng mạng LAN. - Năm 1997, Institute ò Electrical and Electronics Engineers (IEEE) đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng đƣợc biết với tên gọi WIFI (Wireless 27 Fidelity) cho các mạng WLAN. - Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phƣơng pháp truyền tín hiệu, trong đó có bao gồm phƣơng pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4 Ghz. - Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a và 802.11b (định nghĩa ra những phƣơng pháp truyền tín hiệu). - Và những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vƣợt trội. - Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4 Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps. - IEEE 802.11b đƣợc tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tình hiệu dụng, thông lƣợng (throughput) và bảo mật để so sánh với mạng có dây. - Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể truyền nhận thông tin cả ở hai dải tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ lên đến 54Mbps. - Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tƣơng thích với thiết bị chuẩn 802.11b. - Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps. - Những biến htể của 802.11 đƣợc liệt kê ở trên đều bao gồm những đặc điểm bảo mật chung đƣợc biết đến là giải pháp WEP (Wired Equivalent Privacy), nó đƣợc xem là giải pháp dựa trên những đặc điểm của mạgn LAN có dây. - Tuy nhiên cấu hình 802.11 dựa trên WEP đã xuất hiện những vấn đề bảo mật đã đƣợc minh chứng rõ ràng. - Vào tháng 6/2004, IEEE đƣa ra bản bổ sung cho 802.11 gọi là 802.11i, dùng để khắc phục những thiếu sót của WEP, IEEE 802.11i chỉ định ra nhữngthành phần bảo mật sẽ hoạt động chung với tất cả các chuẩn phát 802.11, chẳng hạn nhƣ 802.11a, 802.11b, 802.11g. - Tháng 11/2005 IEEE thông qua chuẩn 802.11e, cung cấp một sự cải tiếnchất lƣợng dịch vụ trong việc cải thiện khả năng truyền tải các nội dung đa phƣơng tiện. - Chuẩn 802.11n hiện tại cũng đang đƣợc xem xét để nâng thông lƣợng truyền dữ liệu lên tới thấp nhất là 100Mbps. - Khả năng di động: ngƣời sử dụng có thể di trì kết nối khi đi từ nơi này đến nơi khác. - Phạm vi: một mạng không dây chuẩn 802.11 chỉ đáp ứng trong phạm vi vài chục mét, nó chỉ phù hợp cho một căn nhà chứ không phù hợp cho một tòa nhà, để đáp ứng phải mua thêm repeater hoặc access point dẫn tới chi phí tăng. - Phƣơng thức kết nối thông qua đƣờng điện thoại công cộng đã đáp ứng đƣợc phần nào nhu cầu này nhƣng lại có tốc độ quá thấp so với 1 đƣờng truyền không dây thông thƣờng sử dụng chuẩn IEEE 802.11b. - 30 Các mạng không dây cũng cho phép ngƣời dùng thực hiện các phƣơng thức kết nối. - Mỗi Wireless Access Point hoạt động nhƣ là một điểm trung tâm để kết nối tới các máy trạm sử dụng card không dây. - 2.2 Đặc điểm kĩ thuật mạng WLAN 2.2.1 Các chuẩn cho mạng không dây WLAN 802.11 - IEEE 802.11 chƣa từng đƣợc ứng dụng trong thực tế và chỉ đƣợc xem là bƣớc đệm để hình thành nên kỉ nguyên Wi-Fi, sử dụng dải tần số 2,4GHz, tốc độ tối đa 2Mbps, tầm hoạt động không xác định. - IEEE 802.11b đƣợc phát triển năm 1999, ra đời trƣớc chuẩn 802.11a. - IEEE 802.11b hoạt động ở tầng tần số 2.3 GHz và tốc độ tăng dần 1Mbps, 2Mbps, 5.5Mbp và 11 Mbps. - 31 - 802.11a : hoạt động ở tầng tần số 5 GHz – 6 GHz và đạt tốc độ cao là 54Mbps (cho dù các công nghệ hiện tại truyền ở tốc độ 6 Mbps, 12 Mbps, 24 Mbps). - Tuy đạt đƣợc tốc độ cao nhƣng hầu hết các doanh nghiệp và ngƣời dùng cảm thấy không tin tƣởng tuyệt đối với chuẩn IEEE 802.11a nhƣ chuẩn IEEE 802.11b trƣớc đó. - Vì vậy họ vẫn tiếp tục sử dụng và triển khai mới chuẩn IEEE 802.11b. - Một vấn đề khác nữa của chuẩn IEEE 802.11a đó là không tƣơng thích với những hệ thống có sẵn sử dụng chuẩn IEEE 802.11b. - IEE 802.11g : Với tốc độ truyền dẫn từ 20Mbps – 54Mbps. - Tƣơng tự nhƣ chuẩn IEEE 802.11b, chuẩn IEEE 802.11g hoạt động ở tầng tần số 2.4 GHz cho nên có thể tƣơng thích với hệ thống theo chuẩn IEEE 802.11b, đây là một đặc điểm thuận lợi hơn chuẩn IEEE 802.11a. - Chuẩn IEEE 802.11g hiện tại đƣợc sử dụng rất phổ biến ở mọi nơi, vì tính ổn định và bảo mật cao. - IEEE 802.11e: Đƣa QoS (Quality of Service) vào Wi-Fi, qua đó sẵp đặt thứ tự ƣu tiên cho các gói tin, đặc biệt quan trọng trong trƣờng hợp băng thông giới hạn hoặc quá tải. - IEEE 802.11c: hỗ trợ các khung thông tin của 802.11 - IEEE 802.11d: cũng hỗ trợ các khung thông tin của 802.11 nhƣng tuân theo những tiêu chuẩn mới. - IEEE 802.11h: có thêm tính năng lựa chọn kênh tự động, Dynamic Channel Selection (DCS) và điều khiển công suất truyền dẫn (Transmit Power Control. - IEEE 802.11i: những bổ sung về bảo mật. - Chỉ những thiết bị IEEE 802.11g mới nhất mới bổ sung khả năng bảo mật này. - Chuẩn này thực hiện trên thực tế tách ra từ IEEE 802.11e. - 32 - IEEE 802.11n: là một chuẩn đang đƣợc hoàn thiện và dự kiến sẽ công bố vào cuối năm 2008. - Đây là một chuẩn rất đƣợc chờ đợi và với những tính năng mới của nó thì có thể thay thế hoàn toàn cho các chuẩn 802.11 b/g. - Chuẩn 802.11n làm việc ở cả 2 dải tần 2.4 GHz và 5 GHz, tốc độ có thể lên tới 600Mbps, tầm hoạt động 50-125m. - Access Points (các điểm truy cập): các khung dữ liệu trên mạng 802.11 phải đƣợc chuyển thành dạng khung dữ liệu khác để phân phối trong các mạng khác. - Nhiều lớp vật lý đƣợc phát triển để hỗ trợ 802.11 MAC, lớp vật lý vô tuyến (radio frequency) và lớp vật lý hồng ngoại đƣợc chuẩn hóa. - Hệ thống phân tán là một thành phần logic của 802.11 đƣợc dùng để chuyển các khung dữ liệu đến đích, 802.11 không yêu cầu bất cứ kỹ thuật riêng biệt nào cho hệ thống phân tán. - Mạng nhỏ nhất theo chuẩn 802.11 này bao gồm 2 máy liên lạc trực tiếp với nhau. - Là mô hình sử dụng từ 2 AP trở lên để kết nối mạng. - Hình 4: Mô hình mạng ESS 35 2.3 Giao thức điều khiển truy nhập môi trƣờng IEEE 802.11 MAC Giao thức điều khiển truy nhập đƣờng truyền đƣợc IEEE xác định cho chuẩn 802.11 là DCF (Distributed Coordination Function), chức năng điều phối phân bổ. - 802.11 sử dụng thuật toán backoff: các trạm sẽ xác định một biến đếm backoff (backoff counter) lấy ngẫu nhiên trong [0,CW] (CW: Contention Window, đƣợc xác định sẵn bởi nhà sản xuất card mạng) đếm lùi cho tới 0 mà môi trƣờng vẫn rỗi thì bắt đầu truyền dữ liệu. - Để giải quyết vấn đề này 802.11 dùng 2 frame RTS/CTS (Request To Send/ Clear To Send) nhƣ là một sự lựa chọn trong trƣờng hợp có thể xảy ra hiện tƣợng hidden node. - Sản phẩm hàng điện tử tiêu dùng thế hệ mới đang trông chờ vào 802.11 nhƣ là một sự thay thế cho dây dẫn - Các sản phẩm nhƣ DVD player, cáp hay đầu thu vệ tinh một ngày nào đó sẽ gửi tín hiệu TiVi độ phân giải cao (HDTV) qua 802.11 tới các Tivi. - 2.4 Giao thức điều khiển truy nhập môi trƣờng IEEE 802.11e MAC - Đây là sự phát triển hay mở rộng của chuẩn 802.11 với mục đích hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ đối với các ứng dụng khác nhau trong mạng. - IEEE 802.11e đƣa ra cơ chế HCF (Hybrid Coordination Function), chức năng điều phối lai, đây là cơ chế dựa trên sự kết hợp các phƣơng thức DCF và PCF. - 41 - Trong cơ chế truy nhập 802.11e thời gian đƣợc chia thành các superframe, tƣơng tự nhƣ trong 802.11 gồm có CP và CFP. - Cơ chế truy nhập 802.11e sử dụng một trạm điều phối trung tâm gọi là Hybrid Coordinator (HC), và trạm này thƣờng đƣợc gán cho 802.11e AP. - BSS chứa 802.11e AP đƣợc gọi là QoS BSS (QBSS. - Không giống nhƣ trong cơ chế 802.11, tại các điểm TBTT (Target Beacon Transmission Time) không trạm nào đƣợc phép truyền dữ liệu, các trạm chỉ có thể truyền frame dữ liệu nếu nó kết thúc trƣớc thời điểm TBTT. - 802.11e định nghĩa thời gian truyền của một trạm là Transmission Opportunity (TXOP), là thời gian mà một trạm khi giành đƣợc đƣờng truyền không đƣợc truyền lâu hơn thời gian giới hạn (TXOPlimit) này. - 802.11e cho phép truyền frame trực tiếp giữa các trạm (backoff entity) mà không cần qua AP, sử dụng direct link protocol (DLP), điều này giảm sự sử dụng kênh truyền khi phải truy nhập đƣờng truyền tới 2 lần khi gửi qua AP. - Mỗi trạm 802.11e sẽ có 4 42 backoff entity độc lập hoạt động song song phân phối dữ liệu với 4 mức ƣu tiên khác nhau, bằng cách sử dụng tập các tham số tranh chấp AC riêng, gọi là tập tham số EDCA. - Nhƣ vậy AIFS[AC] nhỏ nhất bằng DIFS, phù hợp với các trạm chuẩn 802.11 trƣớc đó. - Các giá trị CWmin,max tƣơng ứng với các AC thể hiện trong bảng sau: Bảng 1: Giá trị AIFSN, CW min, max tƣơng ứng với các mức ƣu tiên - Qua bảng này ta có thể thấy dữ liệu voice và video có AIFS[AC] bằng DIFS, nhƣng có CWmin và CWmax rất bé, dễ dành đƣợc đƣờng truyền trƣớc các trạm chuẩn 802.11, tuy nhiên sự xung đột cũng rất dễ xảy ra giữa các backoff entity cùng AC ở các trạm khác nhau. - 44 - Cơ chế làm việc EDCA tƣơng tự nhƣ DCF, khi các backoff entity truy nhập đƣờng truyền nhƣ các trạm 802.11 - Khi một backoff entity giành đƣợc quyền truy nhập đƣờng truyền trong thời gian EDCA-TXOPlimit[AC] tƣơng ứng (một trong các tham số EDCA), nó sẽ truyền các MSDU liên tiếp, và đƣợc xác nhận liên tiếp, các frame này cách nhau 1 khoảng thời gian SIFS mà không cần đấu tranh giành đƣờng truyền. - 76 PHẦN 2: TÌM HIỂU MÔ PHỎNG MẠNG WLAN 802.11e TRONG MÔI TRƢỜNG NS2 CHƢƠNG 1: TÌM HIỂU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG NS2 NS2 (Network Simulation) là phần mềm mô phỏng mạng điều khiển sự kiện riêng lẻ hƣớng đối tƣợng, đƣợc phát triển tại UC Berkely, viết bằng ngôn ngữ C++ và Otcl. - File nam trace (file.nam) đƣợc dùng cho công cụ Minh họa mạng NAM - File Trace (file.tr) đƣợc dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát Mô phỏng XGRAPH hay TRACEGRAPH Hình 21: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS - NAM Visual Simulation: Mô phỏng ảo NAM - Tracing and Monitoring Simulation: Mô phỏng Lần vết và Giám sát 79 CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU MÔ PHỎNG MẠNG WLAN 802.11e TRONG MÔI TRƢỜNG NS2 Phần này tập trung vào chuẩn IEEE 802.11e. - Chuẩn IEEE 802.11e đƣợc chọn để mô phỏng vì chuẩn này đƣa QoS (Quality of Service) vào Wi-Fi, qua đó sẵp đặt thứ tự ƣu tiên cho các gói tin, đặc biệt quan trọng trong trƣờng hợp băng thông giới hạn hoặc quá tải. - Mục đích : Tạo một kịch bản mô phỏng việc truyền dữ liệu trong mạng với cấu hình mạng giống nhau sử dụng 2 cơ chế 802.11 DCF và 802.11e EDCF điều khiển truy nhập môi trƣờng cho phân lớp MAC. - Các mobile node nằm trong phạm vi quanh AP với bán kính 100m, lớp vật lý dựa trên chuẩn 802.11b với tốc độ truyền dữ liệu là 2Mbps. - 80 Hình 22: Cấu hình mạng mô phỏng Đối với trƣờng hợp sử dụng cơ chế 802.11e EDCF mỗi luồng đƣợc truyền với các mức ƣu tiên khác nhau. - Tác giả tham khảo script sẵn có, dựa trên cơ sở các kết quả đạt đƣợc để phân tích hoạt động và sự hỗ trợ QoS của cơ chế 802.11e EDCF 81 Kết quả mô phỏng trƣờng hợp sử dụng cơ chế DCF : Sau mô phỏng các thông số chất lƣợng dịch tƣơng ứng với 2 cơ chế trên đƣợc đo đạc tính toán và thể hiện trên các hình vẽ sau: Hình 23: Sơ đồ biểu thị thông lƣợng các luồng khi sƣ dụng cơ chế DCF Hình 24: Sơ đồ biểu thị trễ truyền gói các luồng khi sƣ dụng cơ chế DCF 82 Hình 25: Sơ đồ biểu thị số gói bị mất theo thời gian các luồng khi sƣ dụng cơ chế DCF Hình 26: Sơ đồ biểu thị biến thiên trễ truyền gói (jitter) các luồng khi sử dụng cơ chế DCF 83 Phân tích: Các luồng dữ liệu truyền cùng lúc có các thông số tƣơng đồng nhau thể hiện ở các hình vẽ. - Cơ chế 802.11 DCF đƣợc thiết kế để điều phối sự truyền dẫn công bằng giữa các trạm. - Kết quả mô phỏng với cơ chế 802.11e EDCF thể hiện trên các hình sau: 84 Hình 27: Sơ đồ biểu thị thông lƣợng các luồng khi sƣ dụng cơ chế EDCF Hình 28: Sơ đồ biểu thị số gói bị mất theo thời gian các luồng khi sử dụng cơ chế EDCF Hình 29: Sơ đồ biểu thị trễ truyền gói các luồng khi sƣ dụng cơ chế EDCF 85 Hình 30: Sơ đồ biểu thị biến thiên trễ truyền gói (jitter) các luồng khi sử dụng cơ chế DCF Phân tích: Có sự khác biệt khá lớn khi so sánh với các hình vẽ khi áp dụng cơ chế DCF. - 86 Cơ chế EDCF có hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ, các ứng dụng yêu cầu truyền dẫn thời gian thực nhƣ truyền voice hay video hoàn toàn có thể đƣợc hỗ trợ trong mạng 802.11e với các mức ƣu tiên thích hợp. - Nguyễn Văn Bằng (2006), Đánh giá và so sánh hiệu suất thông lƣợng, độ trễ và thăng giáng độ trễ trong các mạng LAN và 802.11, Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội [2]. - “IEEE 802.16 WiMAX Security”. - “WiMAX 802.16 Threat Analysis”
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt