Khóa luận đánh giá các giải pháp tối ưu hóa chuyển giao dọc kết hợp băng thông nhiều đường truyền trên các mạng không dây di động hỗn hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Minh Đức ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP TỐI ƢU HÓA CHUYỂN GIAO DỌC KẾT HỢP BĂNG THÔNG NHIỀU ĐƢỜNG TRUYỀN TRÊN CÁC MẠNG KHÔNG DÂY DI ĐỘNG HỖN HỢP KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Minh Đức ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP TỐI ƢU HÓA CHUYỂN GIAO DỌC KẾT HỢP BĂNG THÔNG NHIỀU ĐƢỜNG TRUYỀN TRÊN CÁC MẠNG KHÔNG DÂY DI ĐỘNG HỖN HỢP KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hƣớng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Hoài Sơn HÀ NỘI - 2010 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt 4 năm học qua để em có đủ kiến thức hoàn thành khóa luận này. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Hoài Sơn – ngƣời đã nhiệt tình động viên, giúp đỡ em trong quá trình định hình, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này. Em xin cảm ơn sự nhiệt tình chia sẻ kinh nghiệm, đóng góp ý kiến của các anh, chị và các bạn trong nhóm nghiên cứu của thầy Nguyễn Hoài Sơn trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này. Xin gửi lời cảm ơn thiết tha nhất tới những ngƣời thân trong gia đình đã tạo điều kiện và động viên cho con/em rất nhiều trong quá trình hoàn thành khóa luận này. Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thành khóa luận này với tất cả nỗ lực của bản thân, xong luận văn sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô tận tình chỉ bảo cho em những sai lầm cần khắc phục của mình. Một lần nữa em xin gửi tới tất cả mọi ngƣời lời cảm ơn chân thành nhất. Hà Nội, tháng 05 năm 2010 Sinh viên Bùi Minh Đức TÓM TẮT Khóa luận tìm hiểu một số giải pháp hỗ trợ chuyển giao dọc đồng thời kết hợp băng thông các đƣờng truyền. Mục đích chính của khóa luận là đánh giá các giải pháp tìm hiểu ở các khía cạnh nhƣ việc hỗ trợ cho quá trình chuyển giao dọc cũng nhƣ việc tận dụng băng thông các đƣờng truyền. Để đánh giá các giải pháp tìm hiểu khóa luận tiến hành thiết lập môi trƣờng thí nghiệm, đƣa ra các kịch bản thí nghiệm đo đạt và đánh giá các giải pháp đó trong nhiều kịch bản khác nhau nhằm đƣa ra đƣợc cái nhìn thực tế cho các giải pháp đó. Từ các kết quả đo đạt đƣợc trong quá trình thực nghiệm khóa luận cũng tiến hành so sánh, lập biểu đồ để chỉ ra những ƣu nhƣợc điểm của từng giải pháp so sánh chúng với nhau khi áp dụng thực tế. Để thuận tiện cho quá trình kiểm tra đánh giá, khóa luận cũng tiến hành mô tả chi tiết quá trình làm thí nghiệm, các bƣớc, thao tác thực hiện khi tiến hành các thí nghiệm cần thiết. Mục Lục Phần Mở Đầu .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN ........................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về mạng không dây ............................................................................... 4 1.2. Mobile IP và việc hỗ trợ di động ............................................................................. 6 1.3. Tổng quan về chuyển giao .................................................................................... 12 1.4. Chuyển giao dọc và vấn đề kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền .................... 17 1.4.1 Chuyển giao dọc trong mạng không dây di động ............................................. 17 1.4.2 Vấn đề kết hợp băng thông các đƣờng truyền .................................................. 20 CHƢƠNG 2 – CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN GIAO DỌC KẾT HỢP BĂNG THÔNG NHIỀU ĐƢỜNG TRUYỀN ........................................................................................... 22 2.1. Giải pháp hỗ trợ chuyển giao dọc đồng thời kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền. ......................................................................................................................... 22 2.2. Giải thuật DC(Distribution Counter). .................................................................... 25 2.3. Giải thuật lập lịch cho gói tin hỗ trợ cho chuyển giao dọc kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền. .............................................................................................................. 28 CHƢƠNG 3 – ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP BẰNG THỰC NGHIỆM ........................ 32 3.1. Mục tiêu đánh giá ................................................................................................ 32 3.2. Hệ thống thí nghiệm ............................................................................................ 33 3.3. Các kịch bản thí nghiệm ...................................................................................... 34 3.3.1. Kịch bản thí nghiệm đánh giá các giải pháp về hỗ trợ chuyển giao dọc ....... 34 3.3.2. Kịch bản thí nghiệm đánh giá các giải pháp về việc kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền ............................................................................................................ 36 3.4. Tiến hành thí nghiệm ........................................................................................... 38 3.4.1. Thiết lập hệ thống thí nghiệm ...................................................................... 38 3.4.2. Thực hiện các thí nghiệm. ........................................................................... 39 CHƢƠNG 4 – KẾT QUẢ TRIỂN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP ................ 40 4.1. Kết quả triển khai thí nghiệm ................................................................................ 40 4.1.1. Kết quả các thí nghiệm đánh giá việc kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền40 4.1.2. Kết quả đánh giá các giải pháp với việc chuyển giao dọc................................ 44 4.2. Đánh giá các giải pháp dựa trên thực tiễn ............................................................. 46 4.2.1. Giải thuật chia đều ......................................................................................... 46 4.1.2. Giải thuật lập lịch động .................................................................................. 47 4.1.3. Giải thuật DC ................................................................................................. 47 CHƢƠNG 5 – KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 49 Kết luận ....................................................................................................................... 49 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 50 1. Cầu hình địa chỉ IP và định tuyến cho các máy ....................................................... 50 2. Cầu hình hạn chế băng thông và độ trễ cho từng kết nối. ........................................ 52 3. Cài đặt ftp-server và ftp-client ở CN và MN ........................................................... 53 CHÚ THÍCH CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN ............................................................ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 55 Hình 1: Định tuyến tam giác trong Mobile IP ................................................................. 10 Hình 2: Định tuyến mobile IPv6 ..................................................................................... 11 Hình 3: một ví dụ về chuyển giao cứng ........................................................................... 13 Hình 4: một ví dụ về chuyển giao mềm. .......................................................................... 13 Hình 5: một ví dụ về chuyển giao ngang. ........................................................................ 14 Hình 6: Một ví dụ về chuyển giao dọc ............................................................................ 15 Hình 7: Hệ thống mạng 4G ............................................................................................. 18 Hình 8: Mô hình mạng đề xuất........................................................................................ 22 Hình 9: sử dụng DC đánh giá khả năng chuyển gói tin của kết nối .................................. 26 Hình 10: Mô hình lập lich kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền ................................. 28 Hình 11: Hoạt động của giải thuật lập lịch động ............................................................. 29 Hình 12: Lƣu đồ trao đổi gói tin giữa Mobile Agent và Mobile Node ............................. 30 Hình 13: Mô hình hệ thống thí nghiệm ........................................................................... 33 Hình 14:Bố trí thí nghiệm hỗ trợ chuyển giao dọc........................................................... 35 Hình 15: Bố trí thí nghiệm hỗ trợ kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền ...................... 37 Hình 16 : Biểu đồ so sánh các giải thuật khi sử dụng 1 đƣờng truyền có dây và một đƣờng truyền không dây. ........................................................................................................... 41 Hình 17: Đồ thị so sánh các giải pháp khí sử dụng 2 đƣờng truyền có dây. ..................... 42 Hình 18: so sánh 3 giải thuật khi sử dụng 2 đƣờng truyền có cùng băng thông. .............. 43 Hình 19: Biểu đồ so sánh 3 giải thuật khi sử dụng 3 đƣờng truyền cùng một lúc ............. 44 Hình 20: biểu đồ miêu tả giải thuật chia đều với việc hỗ trợ chuyển giao dọc ................. 45 Hình 21: giải thuật lập lịch động với chuyển giao dọc. .................................................... 45 Hình 22 giải thuật DC với chuyển giao dọc..................................................................... 46 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Dạng đầy đủ 1. GSM Global System for Mobile Communications 2. MN Mobile Node 3. HA Home Agent 4. CN Correspondent Node 5. FA Foreign Agent 6. 3G 3 th Generation 7. 4G 4 th Generation 8. IPv4 Internet Protocol version 4 9. IPv6 Internet Protocol version 6 10. HoA Home of Address 11. CoA Care of Address 12. WLAN Wireless LAN 13. GPRS General Packet Radio Service 14. CDMA Code Division Multiple Access 15. WLAN Wireless Local Area Network 1 Phần Mở Đầu Với sự hỗ trợ của các công nghệ mạng không dây ngƣời sử dụng đầu cuối ngày này không còn bị bó buộc với dây dẫn vật lý để có thể kết nốivới mà thay vào đó, họ có thể dùng song vô tuyến, hồng ngoại… Điều này giúp cho ngƣời dùng có thể kết nối với nhau ngay cả ở những nơi không thể sử dụng dây dẫn vật lý và quan trọng hơn là họ có thể di chuyển trong khi vẫn đang tiến hành trao đổi thông tin. Việc giải quyết các bài toán liên quan đến các vấn đề các nút mạng di chuyển trong khi vẫn đang kết nối chính vì thế ngày càng trở lên quan trọng với sự gia tăng mạnh mẽ của số lƣợng ngƣời dùng đầu cuối di động và nhu cầu đƣợc duy trì các phiên ứng dụng trong khi ngƣời dùng thay đổi địa điểm truy cập Internet. Các thiết bị đầu cuối càng ngày càng đƣợc trang bị nhiều giao diện mạng cùng với đó là sự xuất hiện của nhiều công nghệ mạng không dây khác nhau. Hơn nữa, sự phát triển của mạng 4G[5] trong tƣơng lai sẽ cung cấp một môi trƣờng phủ sóng chồng chéo hỗn hợp của nhiều mạng không dây sử dụng các công nghệ mạng khác nhau, cung cấp các dịch vụ khác nhau. Những điều kiện trên làm nảy sinh yêu cầu chuyển giao giữa các mạng không dây khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu dịch vụ của các ứng dụng trên thiết bị di động. Bên cạnh đó là yêu cầu về duy trì các kết nối vào Internet trong quá trình di chuyển thiết bị từ vị trí này sang vị trí khác; từ vùng mạng này sang vùng mạng khác. Giao thức IP ban đầu chƣa giải quyết đƣợc vấn đề này, do đó yêu cầu cần thiết là phải đƣa ra giải pháp hỗ trợ chuyển giao cho thiết bị của ngƣời dùng sử dụng giao thức IP hiện tại. Mặt khác, các ứng dụng yêu cầu băng thông truyền tải lớn nhƣ các ứng dụng thời gian thực, truyền tin đa phƣơng tiện,…xuất hiện ngày càng nhiều với băng thông yêu cầu ngày càng cao. Việc sử dụng một đƣờng truyền duy nhất tại một thời điểm cho tất cả các ứng dụng trên thiết bị không những làm giảm khả năng đáp ứng băng thông mà còn sử dụng một cách không tối ƣu các tài nguyên về đƣờng truyền ra Internet của thiết bị. Từ đó vấn đề đƣa ra cần giải quyết là làm sao kết hợp đƣợc băng thông của nhiều đƣờng truyền khác nhau tại cùng một thời điểm để làm tăng khả năng đáp ứng băng thông cho các ứng dụng trên thiết bị di động và giảm thiểu khả năng kết nối bị gián đoạn khi tín hiệu của một trong các đƣờng truyền bị mất. 2 Đã có nhiều giải pháp đƣợc đƣa ra để tối ƣu hóa việc chuyển giao dọc kết hợp với băng thông nhiều đƣờng truyền nhằm tận dụng đƣợc tối đa băng thông của các đƣờng truyền cũng nhƣ hỗ trợ tốt cho quá trình chuyển giao dọc. Với các vấn đề nêu trên, đề tài này sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề chính: Thứ nhất, tìm hiểu các giải pháp tối ƣu hóa chuyển giao dọc kết hợp với băng thông nhiều đƣờng truyền. Trong phần này sẽ đi sâu để tìm hiểu cách thức, ý tƣởng, khả năng triển khai cũng nhƣ hiệu năng lý thuyết của từng giải pháp sẽ tìm hiểu . Thứ hai, Đánh giá các giải pháp tối ƣu hóa chuyển giao dọc kết hợp với băng thông nhiều đƣờng truyền về mặt tận dụng băng thông các đƣờng truyền cũng nhƣ khẳ năng hỗ trợ chuyển giao dọc trong thực tế. Để thực hiện đƣợc hai nhiệm vụ trên khóa luận sẽ tiến hành việc xem xét và đánh giá các giải pháp qua thực tế thí nghiệm. Bằng cách mô tả chi tiết quá trình thí nghiệm cũng nhƣ các kịch bản thực hiện, tiến hành đo đạt các thông số nhằm đảm bảo có đƣợc cái nhìn chính xác nhất khi so sánh các giải pháp trong thực tế mà quan trọng nhất là so sánh các giải pháp về việc hỗ trợ chuyển giao dọc và hiệu quả sử dụng khi kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền. Nội dung khóa luận sẽ đƣợc trình bày dƣới 5 chƣơng:  Chƣơng 1 trình bày tổng quan về mạng không dây, vấn đề kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền, bên cạnh đó là vấn đề chuyển giao dọc, ý nghĩa tầm quan trọng của chuyển giao dọc và kết hợp băng thông trong mạng không dây  Chƣơng 2 sẽ giới thiệu về các giải pháp tối ƣu hóa việc chuyển giao dọc và kết hợp băng thông cũng nhƣ đƣa ra cái nhìn tổng quan về các giải pháp đó..  Chƣơng 3 sẽ đƣa ra chi tiết quá trình thí nghiệm, các kịch bản thí nghiệm cũng nhƣ cách thức đo đạt và đánh giá, đồng thời cũng nêu mục đích của thí nghiệm tiến hành .  Chƣơng thứ 4 sẽ trình bày về kết quả thí nghiệm thu đƣợc đồng thời đánh giá các giải pháp tối ƣu hóa chuyển giao dọc với kết hợp băng thông nhiều đƣờng truyền qua thực tế thí nghiệm. 3  Chƣơng 5 là chƣơng tổng kết lại về toàn bộ khóa luận và đề xuất hƣớng phát triển tiếp theo của khóa luận. Các tài liệu tham khảo của khóa luận này đƣợc liệt kê trong phần cuối cùng của khóa luận. 4 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về mạng không dây Ngày nay, việc kết nối các thiết bị đầu cuối với nhau nhƣ máy tính để bàn, máy tính xách tay, máy in , máy quét hay các thiết bị cá nhân khác nhằm chi sẻ các tài nguyên, dữ liệu giữa chúng đang ngày càng phổ biến. Công nghệ không dây sử dụng sóng điện tử để truyền thông tin qua lại từ điểm này tới điểm khác, công nghệ này có thể ứng dụng cho máy tính và các thiết bị khác nhƣ điện thoại di động hay thiết bị gia dụng… có thể kết nối với nhau. Sau khi IEEE[4] định nghĩa các chuẩn 802.11 cho mạng không dây vào những năm 1990, mạng không dây dựa trên nền tảng IP có điều kiện phát triển rộng rãi cho các ứng dụng thƣơng mại cũng nhƣ cá nhân. Mạng không dây bộc lộ nhiều lợi điểm vƣợt trội đủ để thuyết phục ngƣời dùng chấp nhận nó nhƣ là một sự thay thế hợp lý với mạng có dây truyền thống. Trong các lợi điểm này có thể kể đến nhƣ khả năng di động của thiết bị, khả năng kết nối liên tục khi di chuyển, khả năng thích ứng với mạng truyền thống, dễ dàng thi công , lắp đặt và mở rộng . Đặc biệt là việc ứng dụng nó dễ dàng vào môi trƣờng không có khả năng kéo dây cắm vật lý. Các trƣờng đại học, sân bay và hầu hết các khu công cộng hiện nay đều ứng dụng sự thuận lợi của công nghệ không dây vào mục đích truy cập mạng; rất nhiều doanh nghiệp, nhiều thành phố đang phát triển các mạng không dây cho riêng họ…Mạng không dây đang trở nên ngày càng phổ biến với mục đích truy cập tại nhà và giá thành của chúng đang giảm nhanh chóng trong những năm gần đây. Có một số mạng dữ liệu không dây khá phổ biến nhƣ mạng điện thoại vô tuyến, các mạng CPDP( Cellular Digital Packet Data), GPRS (General Packet Radio Service). Một số mạng không dây khác đƣợc thiết lập dựa trên chính các kết nối ở lớp vật lý của chúng, sử dụng các ăngten đƣợc lắp đặt trong các thiết bị cầm tay để liên lạc với các ăngten thu phát song khác nhƣ mạng 802.11. Có một vài mạng khác là sự kết hợp của các thiết bị nhỏ với một khoảng cách gần nhƣ là mạng Bluetooth. Đã có nhiều nghiên cứu đƣợc xây dựng và đánh giá trên mạng không dây trong các năm gần đây, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung trên lĩnh vực làm tăng hiệu quả thực thi của mạng. Các nghiên cứu này hiện nay vẫn đang đƣợc tiếp tục với các kết quả đáng ghi nhận nhƣ sự tăng tốc độ đƣờng truyền không dây lên tới vài Gigabyte một giây. Một vài nghiên cứu lại tập trung giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lƣợng cho thiết bị trong quá trình truyền tin. Các nghiên cứu này đã đạt đƣợc một số thành tựu đầy ý nghĩa và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị mạng không dây hiện nay (các laptop đều có cơ 5 chế tiết kiệm năng lƣợng là một ví dụ của việc ứng dụng các thành tựu này trong thực tế). Bên cạnh đó lại có những nghiên cứu giải quyết vấn đề quan trọng khác của mạng không dây là vấn đề bảo mật. Trong thời gian qua các nhà nghiên cứu tập trung khá nhiều trên khái niệm hỗ trợ di động cho mạng không dây và vấn đề kết hợp các đƣờng truyền khác nhau cho việc duy trì kết nối và chất lƣợng dịch vụ của kết nối. Dƣới góc độ của đề tài này khái niệm mạng không dây tập trung chủ yếu vào công nghệ mạng không dây dựa trên mạng IP (chuyển mạch gói), không tập trung về các công nghệ mạng chuyển mạch kênh. 6 1.2. Mobile IP và việc hỗ trợ di động Khi kết nối Internet ngày càng trở nên phổ biến thì tính di động là một nhân tố quan trọng không thể thiếu của mạng không dây. Tính di động cho phép ngƣời dùng duy trì các kết nối đã có của họ, cũng nhƣ khả năng kết nối tới một máy tính khác ngay cả khi họ thay đổi điểm truy cập mạng trong quá trình di chuyển. Tính di động trong một mạng không dây phải đảm bảo một vài yêu cầu cơ bản:  Phải có khả năng xác định đúng địa chỉ IP hiện thời của thiết bị, vị trí của nó trong mạng Internet (thuộc mạng nào quản lý).  Phải có khả năng giúp đỡ thiết bị có thể duy trì các kết nối đang có ngay cả khi di chuyển giữa các vùng mạng khác nhau. Phải biết đƣợc việc thay đổi vị trí kết nối của thiết bị. Hai khái niệm cơ bản của tính di động trong mạng không dây là tự do di chuyển (roaming) và chuyển giao (handovers). Roaming có thể đƣợc định nghĩa là sự di chuyển của thiết bị di động từ mạng này sang một mạng khác và sử dụng tín hiệu sóng của mạng đích khi tín hiệu sóng của mạng ban đầu bị mất. Roaming không đảm bảo cho thiết bị di động giữ đƣợc các kết nối đã có của họ vì nó ngắt toàn bộ các kết nối trƣớc khi chuyển giao (break before make). Để đạt đƣợc mục đích này các nhà cung cấp dịch vụ mạng phải cho phép một thiết bị ở vùng mạng khác kết nối và truy cập các dịch vụ trong mạng của họ. Handover là một quá trình chuyển giao một kết nối hiện có từ kênh truyền vật lý này sang kênh truyền vật lý khác. Handover đƣợc chia làm hai loại chính là nội miền và liên miền. Chuyển giao nội miền là di chuyển một kết nối từ kênh truyền này sang một kênh truyền khác trong cùng một mạng, trong khi đó chuyển giao liên miền là việc di chuyển một kết nối từ mạng này sang mạng khác. Trong cấu trúc địa chỉ Ipv4 đều giả định rằng