ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ VĂN CHIẾN
NGHIÊN CỨU VỀ
ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
CHO MẠNG LAN KHÔNG DÂY
NGHIÊN CỨU VỀ
ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
CHO MẠNG LAN KHÔNG DÂY
Ngành: Công Nghệ Thông Tin
Chuyên Ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số: 60.48.15
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC: TS. NGUYỄN HOÀI SƠN
1.3.4. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ với chuẩn IEEE 802.11e 16
1.3.4.1 Phân biệt lưu lượng (Traffic Differentiation) 17
1.3.4.2 HCF (Hybrid Coordination Function) 18
1.4 Kết luận chương 25
Chương 2: ĐẢM BẢO SỰ CÔNG BẰNG TRÊN IEEE 802.11 27
2.1 Tổng quan 27
2.2 Ảnh hưởng của sự mất công bằng 27
2.3 Đảm bảo công bằng trên IEEE 802.11 MAC 28
2.3.1. Thuật toán lập lịch công bằng trên mạng không dây 29
2.3.1.1 Thuật toán SCFQ (Self – Clocked Fair Queueing) 29
2.3.1.2 Thuật toán DFS (Distributed Fair Scheduling) 30
ii
2.3.2 Một số kỹ thuật đảm bảo công bằng trên IEEE 802.11e 34
2.4 Kết luận chương 35
Chương 3: LẬP LỊCH PHÂN TÁN HỖ TRỢ CÔNG BẰNG TRÊN IEEE
802.11e EDCF 36
3.1. Đảm bảo tính công bằng cho IEEE 802.11e 36
3.2 Thuật toán EDCF-DFS hỗ trợ sự công bằng trên IEEE 802.11e
EDCF 39
3.3 Phân tích ứng dụng thuật toán EDCF-DFS trên IEEE 802.11e
EDCF 42
3.4 Kết luận chương 44
Chương 4: ĐÁNH GIÁ HỖ TRỢ SỰ CÔNG BẰNG TRÊN IEEE 802.11e
EDCF 45
4.1. Mục đích 45
4.2. Phương pháp đánh giá 45
4.2.1 Bộ mô phỏng NS-2 45
4.2.2 Tiêu chí đánh giá 46
4.3. Tham số mô phỏng 47
Basic Service Set
CAP
Controlled Access Period
CFB
Contention Free Burst
CFP
Contention Free Period
CP
Contention Period
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CW
Contention Window
DCF
Distributed Coordination Function
DFS
Distributed Fair Scheduling
DIFS
DCF Interframe Space
EDCA
Enhanced Distributed Channel Access
EDCF
Enhanced DCF
EIFS
Extended Interframe Space
ESS
Extended Service Set
HC
Hybrid Coordinator
HCCA
Wireless Station
TSPEC
Traffic Specification
TXOP
Transmission Opportunity
WLAN
Wireless Local Area Network
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Mạng IBSS 5
Hình 1.2: Mạng ESS 6
Hình 1.3: Kiến trúc IEEE 802.11 MAC 7
Hình 1.4: Các khoảng liên khung IFS trong 802.11 8
Hình 1.5: Thủ tục backoff 10
Hình 1.6: Ví dụ về tăng theo cấp số mũ của CW 11
Hình 1.7: Chu kỳ tranh chấp và chu kỳ không tranh chấp 12
Hình 1.8a: Mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF 15
Hình 1.8b: Kết quả mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF 15
Hình 1.9a: Frame IEEE 802.11 17
Hình 1.9b: Frame IEEE 802.11e 17
Hình 1.9c: Trường điểu khiển QoS 17
Hình 1.10: HHĐịnh danh ưu tiên 18
Hình 1.11: Kiến trúc IEEE 801.11e MAC cho QoS 19
Hình 1.12: Ánh xạ giữa các AC và các mức ưu tiên 20
Hình 1.13: Các tham số QoS điển hình 21
Hình 1.14: AIFS và thời gian backoff với các độ ưu tiên khác nhau 21
Hình 1.15: Các trạm ảo hoạt động bên trong một trạm đơn 22
Hình 1.16: Khoảng thời gian beacon dùng trong thuật toán lập lịch HCF 23
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Các tham số đầu vào EDCF chuẩn 47
Bảng 4.2: Số gói tin nhận được trên các AC với 5 node 51
Bảng 4.3: Chỉ số công bằng đạt được trên các AC với 5 node 51
Bảng 4.4: Số gói tin nhận được trên AC[0] và AC[2] khi tăng dần số node từ 1
đến 12 node 52
Bảng 4.5: Độ trễ trên AC[0] khi tăng dần số node từ 1 đến 12 node 53
Bảng 4.6: Số gói tin TCP nhận được trên các AC khi tăng dần số node dùng
Vấn đề QoS (đảm bảo chất lượng dịch vụ) trên IEEE 802.11 MAC đã
được quan tâm nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Đảm bảo chất
lượng dịch vụ trên IEEE 802.11 MAC là vấn đề phức tạp và thách thức lớn.
Tổ chức IEEE đã phát triển chuẩn IEEE 802.11e mở rộng từ chuẩn IEEE
802.11 MAC với mục đích chính là hỗ trợ các ứng dụng có yêu cầu QoS.
2
Chuẩn IEEE 802.11e ra đời đã cung cấp khả năng phục vụ tốt hơn cho các
dịch vụ yêu cầu QoS voice, multimedia, video, video conferencing, ngoài ra
còn cải thiện một cách đáng kể về hiệu năng mạng.
Luận văn nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ trên chuẩn IEEE
802.11 MAC và chuẩn IEEE 802.11e với trọng tâm nghiên cứu là đảm bảo
tính công bằng trên IEEE 802.11e EDCF (cải tiến từ DCF). Đảm bảo tính
công bằng là một kỹ thuật đảm bảo chất lượng dịch vụ dựa trên một chính
sách nào đó như ưu tiên về tải, ưu tiên về độ trễ,…. Đã có nhiều nghiên cứu
về đảm bảo tính công bằng về thông lượng (tải) trên trên IEEE 802.11 MAC
như lập lịch công bằng SCFQ [15] với tư tưởng phân chia thời gian tranh
kênh truyền hợp lý, DFS [10] kết hợp DCF và SCFQ với tư tưởng là tính toán
backoff interval phù hợp với thời gian truyền trước đó. Nhưng các kỹ thuật
này chỉ dừng lại ở IEEE 802.11 MAC DCF, chưa áp dụng được cho IEEE
802.11e.
Luận văn chỉ ra sự mất công bằng về tải (thông lượng) trên IEEE
802.11e EDCF. Để giải quyết vấn đề này, luận văn đã đưa ra kỹ thuật EDCF-
DFS đảm bảo tính công bằng trên IEEE 802.11e EDCF kết hợp sự ưu tiên
theo kiểu lưu lượng (thời gian) và ưu tiên theo trọng số của tải. Tư tưởng
chính của kỹ thuật này là trên mỗi AC ngoài sự ưu tiên theo kiểu lưu lượng
của IEEE 802.11e, chúng ta gắn thêm một tiêu chí ưu tiên mới đó là trọng số
của tải tương ứng cho từng AC. Như vậy, chúng ta có thể đảm bảo công bằng
về tải bằng cách tính toán backoff interval dựa trên trọng số của tải theo thuật
toán EDCF-DFS thay vì tính backoff interval như IEEE 802.11e trước đây.
4
Chương 1: CHUẨN IEEE 802.11 VÀ CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ ĐỐI VỚI CHUẨN IEEE 802.11 MAC
1.1. Tổng quan về mạng WLAN
1.1.1 Những tính năng vượt trội của mạng WLAN so với LAN
Mạng WLAN không dây ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các
công sở, trường học, sân bay, bện viện hay các khu vực công cộng, . . . chuẩn
IEEE 802.11 là công nghệ WLAN phổ biến nhất hiện nay, với những đặc
trưng vượt trội.
Tính không dây: Lợi thế rõ ràng nhất của WLAN so với LAN là tính
không dây. Với khả năng hỗ trợ di động của mạng không dây người dùng
không bị ràng buộc bởi dây kết nối, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với bất
kỳ vị trí nào bên trong vùng phủ sóng của mạng.
Tính linh hoạt: Sự triển khai mạng không dây là dễ dàng và nhanh
chóng, thậm chí không cần lên kế hoạch trước như việc tạo một mạng riêng
ad-hoc. Tính linh hoạt của mạng không dây là một lợi thế nên được nó phổ
dụng một cách nhanh chóng tại các nơi công cộng như sân ga, trường học,
công sở… ngay cả những nơi như quán cà phê hay chỉ trong gia đình.
Băng thông lớn: Một đặc trưng quan trọng của WLAN là tốc độ cao so
với mạng di động sử dụng các công nghệ khác như GSM, CDMA (hiện nay
IEEE 802.11a đã đến 54Mbs).
Chi phí thấp: Do sự bùng nổ và tính phổ biến của mạng không dây nên
giá thành thiết bị không dây được giảm xuống một cách nhanh chóng.
liên kết nhiều mạng BSS lại với nhau tạo thành mạng ESS. Các mạng BSS
được kết nối với nhau thông qua hệ thống phân phối DS (Distribution
6
System). DS có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau nhưng thông thường là một
đường trục để chuyển tiếp các gói tin giữa các BSS. Tất cả các trạm trong một
ESS có thể liên lạc với nhau. Để làm được điều này, các AP đóng vai trò như
những cầu nối và việc liên lạc trực tiếp giữa các trạm trong ESS đòi hỏi phải
có mạng xương sống đường trục.
Hình 1.2: Mạng ESS
1.2. Chuẩn IEEE 802.11 MAC (Medium Access Control)
Chuẩn IEEE 802.11 MAC [1] gồm hai cơ chế truy cập kênh: chức năng
phối hợp phân tán DCF và chức năng phối hợp điểm PCF. DCF sử dụng giao
thức đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh tắc nghẽn CSMA/CA. PCF sử
dụng phương thức thăm dò với sự hỗ trợ của bộ phối hợp điểm PC. Nếu cả
hai phương thức được sử dụng trong cùng một mạng BSS thì chúng có thể
cùng tồn tại và hai phương thức sẽ được sử dụng lần lượt. Cơ chế DCF là bắt
buộc trong khi PCF là tùy chọn. Vì việc triển khai PCF phức tạp nên nhiều
nhà sản xuất không hỗ trợ PCF.
7 Hình 1.3: Kiến trúc IEEE 802.11 MAC
1.2.1. Các khoảng liên khung
Khoảng thời gian giữa các khung (frame) liên tiếp gọi là khoảng liên
khung IFS [1]. Có 4 loại IFS khác nhau được định nghĩa để cung cấp các mức
ưu tiên cho truy cập truyền thông không dây. Các IFS dưới đây được sắp xếp
từ ngắn đến dài.
SIFS khoảng liên khung ngắn nhất
Ngoài ra, tất cả các gói gửi đi đều được xác nhận (ACK) và bên gửi sẽ gửi lại
gói tin nếu không nhận được ACK.
Một trạm muốn truyền thì phải xác định xem kênh truyền có đang được
sử dụng bởi trạm khác hay không. Các trạm xác định kênh truyền rỗi hay bận
dựa trên giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột
CSMA/CA. Nếu kênh truyền bận trạm sẽ phải chờ cho đến khi trạm khác kết
thúc truyền. Sau khi trì hoãn hoặc trước khi cố gắng truyền trở lại, trạm sẽ
phải chọn một khoảng thời gian quay lui ngẫu nhiên dựa trên thủ tục quay lui
ngẫu nhiên và sẽ giảm biến đếm backoff trong khi kênh truyền còn rỗi.
9
1.2.2.1 Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA
CSMA/CA được dùng để giảm xung đột khi nhiều trạm cùng truy cập
vào một kênh truyền. Các trạm sẽ chờ trong khi kênh truyền bận. Sau khi
kênh truyền rỗi, các trạm đều muốn sử dụng kênh truyền. Do đó, rất dễ dẫn
đến xung đột. Thủ tục quay lui ngẫu nhiên có thể giải quyết sự xung đột kênh
truyền. Cảm nhận sóng mang sử dụng cả đồng thời cả hai kỹ thuật vật lý và
ảo.
Kỹ thuật cảm nhận sóng mang vật lý cung cấp bởi lớp PHY.
Kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo được cung cấp bởi lớp MAC.
Cảm nhận sóng mang ảo là thông báo thông tin về khoảng thời gian đặt
trước kênh truyền đến các trạm khác. Kỹ thuật này được thực hiện thông qua
vector cấp phát mạng NAV (Network Allocation Vector). NAV là bộ định
thời gian và được cập nhật bởi khung dữ liệu truyền trong môi trường. Khi giá
trị NAV bằng 0 thì kênh truyền rỗi, ngược lại kênh truyền là bận.
Trạm nhận đúng frame sẽ cập nhật (update) lại giá trị NAV của nó với
thông tin nhận được trong trường Duration/ID, nhưng chỉ khi giá trị NAV mới
lớn hơn giá trị NAV hiện tại thì trạm mới cập nhật.
1.2.2.2 Thủ tục Random Backoff (quay lui ngẫu nhiên)
Thủ tục quay lui ngẫu nhiên giúp tránh được sự xung đột kênh truyền.
CW lấy giá trị bắt đầu từ CWmin, mỗi khi việc truyền khung không thành
công, giá trị cửa sổ tranh chấp CW sẽ được tăng gấp đôi và thủ tục backoff
mới sẽ bắt đầu. CW sẽ tăng gấp đôi mỗi khi truyền không thành công cho tới
khi nó đạt giá trị CWmax. Lần đầu khi nó đạt giá trị CWmax, CW sẽ giữ
nguyên giá trị cho đến khi nó được xác lập lại. Điều này làm tăng tính ổn định
11
của giao thức truy cập. CW sẽ được xác lập lại sau khi trạm truyền thành công
dữ liệu.
Hình 1.6: Ví dụ về tăng theo cấp số mũ của CW
1.2.2.3 Thủ tục xác nhận ACK
Một trạm khi nhận được khung không bị lỗi sẽ xác nhận khung đó với
trạm gửi bằng cách gửi một khung xác nhận ACK tới trạm gửi. Nhưng khung
ACK không được dùng để xác nhận các gói tin broadcast/multicast. Khung
xác nhận ACK chỉ phải đợi khoảng thời gian SIFS trước khi truyền mà không
phải thực hiện thủ tục quay lui ngẫu nhiên. Nó đảm bảo trạm nhận có cơ hội
truyền ACK trước khi các trạm khác có thể tranh kênh và truyền tin. Trạm gửi
sẽ chờ trong khoảng ACKTimeout, nếu không nhận được ACK trước khoảng
thời gian đó trạm sẽ kết luận là quá trình truyền gói tin bị lỗi.
1.2.3. Chức năng phối hợp điểm PCF
IEEE 802.11 MAC còn sử dụng một phương thức truy cập khác là PCF,
chỉ sử dụng BSS (mạng có kiến trúc) bởi vì phương thức truyền này đòi hỏi
phải có AP. Phương thức này sử dụng bộ phối hợp điểm PC (Point
Coordinator) để xác định trạm nào đã sẵn sàng để truyền. Bộ phối hợp điểm
12
PC nằm trong AP sẽ điều khiển việc truyền dữ liệu. Bộ phối hợp điểm cài đặt
danh sách thăm dò và tiến hành việc thăm dò các trạm trong mạng.
PCF sử dụng kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo được hỗ trợ bởi kỹ thuật
Việc thiết lập NAV cũng làm giảm nguy cơ trạm ẩn xác định kênh truyền là
rỗi trong CFP và có thể làm hỏng việc truyền hiện hành.
Sau khi gửi khung beacon, PC sẽ chờ ít nhất một khoảng thời gian SIFS
trước khi nó truyền khung thăm dò hoặc dữ liệu đến các trạm. PC sẽ duy trì
một danh sách thăm dò và sẽ thăm dò lần lượt các trạm trong danh sách đó.
PC sẽ nhìn vào danh sách thăm dò của nó. Và nếu nó kiểm tra thấy trong
bộ đệm có dữ liệu cần truyền cho trạm mà nó định thăm dò, PC sẽ gửi cho
trạm đó khung: Data + CF-Poll (khung thăm dò). Nếu không có dữ liệu thì PC
chỉ gửi khung thăm dò CF-Poll. Trạm được thăm dò sẽ trả lời với khung
Data/ACK sau khoảng SIFS đến PC hoặc đến các trạm khác ở trong mạng.
Nếu sau khoảng PIFS mà không thấy trả lời, PC sẽ giành quyền điều khiển và
tiến hành thăm dò trạm tiếp theo trong danh sách thăm dò. Đối với trạm
không trả lời thì ở lần thăm dò tiếp theo, PC sẽ gửi lại dữ liệu.
Đối với các trạm được thăm dò kể trên, nếu có dữ liệu trạm sẽ trả lời với
khung Data + CF-ACK và nếu không có dữ liệu để gửi thì nó sẽ trả lời với
khung CF-ACK. Quá trình thăm dò, gửi dữ liệu và trả lời này sẽ tiếp tục cho
đến khi PC không có khung dữ liệu nào để gửi và không có trạm nào để thăm
dò. Khi đó PC sẽ gửi một khung kết thúc CF-End hoặc CF-End +CF-ACK
(nếu cần xác nhận dữ liệu) để thông báo kết thúc chu kỳ không tranh chấp
CFP. Lúc đó tất cả các trạm sẽ xác lập lại giá trị NAV của chúng và chu kỳ
tranh chấp CP sẽ bắt đầu.
14
1.3. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên chuẩn IEEE 802.11 MAC
1.3.1 Tổng quan về QoS
Đối với mạng LAN, thường người ta không quan tâm đến QoS vì độ trễ,
biến thiên độ trễ, tỷ lệ mất gói thấp và băng thông cao với kết nối phổ biến
LAN là 100Mbs đến 1Gbps, và không lâu nữa mạng LAN chuẩn 802.3ae có
băng thông cỡ 10Gbps sẽ xuất hiện [13].
phải chịu mất mát.
Trong cơ chế truy cập kênh DCF, tất các các STA trong một BSS cạnh
tranh chiếm môi trường truyền cùng một quyền ưu tiên như nhau. Không có
cơ chế phân biệt để đảm bảo băng thông, độ trễ, và xung đột cho các gói dữ
liệu của các STA có độ ưu tiên cao hoặc lưu lượng đa phương tiện.
Để chứng minh cho điều này tôi trình bày kết quả mô phỏng [13] trong
NS-2 với:
+ Lược đồ, tham số mô phỏng và kết quả mô phỏng:
Hình 1.8a: Mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF
Hình 1.8b: Kết quả mô phỏng vấn đề QoS 802.11 DCF
16
Qua kết quả mô phỏng cho chúng ta thấy lưu lượng cả ba loại lưu lượng
ổn định khi truy nhập kênh dưới 70%, độ trễ trung bình là dưới 4ms. Khi số
STA tăng trên 10 thì thông lượng cả ba loại đều giảm rất nhanh, độ trễ trung
bình tăng nhanh đến 420ms và như nhau đối với cả ba loại lưu lượng.
Mô phỏng đã cho chúng ta thấy không có sự chênh lệch giữa các loại lưu
lượng về thông lượng hoặc độ trễ giữa các loại lưu lượng vì chỉ có một hàng
đợi cho cả ba loại lưu lượng. Do vậy không có cách nào để đảm bảo yêu cầu
QoS cho các loại lưu lượng audio, video…
1.3.3 Giới hạn QoS của PCF
Mặc dù PCF được thiết kế để hỗ trợ ứng dụng đa phương tiện có hạn
định về thời gian nhưng phương thức này có ba vấn đề chính dẫn đến kết quả
QoS kém [16] đó là:
Vấn đề thứ nhất: kỹ thuật thăm dò tại trung tâm đáng ngờ. Mọi giao tiếp
giữa hai STA trong cùng một BSS đều phải đi qua AP, do vậy băng thông sẽ
lãng phí khi dạng lưu lượng này tăng, nhiều nguồn kênh khác bị bỏ phí.
Vấn đề thứ hai: Phối hợp giữa CF và CFP có thể gây ra thời gian trễ
802.11e thực hiện việc cung cấp dịch vụ QoS. IEEE 802.11e cung cấp sự ưu
tiên thông qua phân biệt TID (Traffic Identifier) và chỉ rõ ưu tiên theo hai
kiểu là sử dụng ưu tiên UP (User priority) và TSPEC Traffic Specification.
Copyright: Tài liệu đại học ©