Luận văn Bảo đảm công bằng luồng trong các mạng ad hoc không dây

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG CHIẾN BẢO ĐẢM CÔNG BẰNG LUỒNG TRONG CÁC MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHÂN LỚP 802.11 MAC TRONG CÁC MẠNG KHÔNG DÂY...................................................................................3 1.1. Giới thiệu mô hình trong các mạng LAN không dây.........................3 1.1.1. Ad Hoc (IBSS- Independent Basic Service Set)..................................3 1.1.2. Tập dịch vụ cơ sở hạ tầng (IBSS - Infrastructure Basic Service Set)...4 1.1.3. Tập dịch vụ mở rộng (ESS - Extended Service Set)............................5 1.2. Mô tả chức năng phân lớp MAC ........................................................6 1.2.1. Kiến trúc MAC ...................................................................................6 1.2.1.1. Chức năng phối hợp phân tán (DCF) ...........................................6 1.2.1.2. Chức năng phối hợp điểm (PCF)..................................................7 1.2.1.3 Sự cùng tồn tại của DCF và PCF ..................................................8 1.2.1.4. Phân mảnh ...................................................................................8 1.2.1.5. Dịch vụ dữ liệu MAC ....................................................................9 1.2.1.6. Các kiểu khung.............................................................................9 1.2.1.6.1. Định dạng khung..................................................................10 1.2.1.6.2 Định dạng các khung thông thường ......................................14 1.2.2. DCF..................................................................................................16 1.2.2.1. Cơ chế cảm biến tần số...............................................................18 1.2.2.2. Các thông báo nhận tầng MAC ..................................................18 1.2.2.3. Interframe space (IFS) ...............................................................19 1.2.2.3.1. Short IFS (SIFS)...................................................................19 1.2.2.3.2. PCF IFS (PIFS) ...................................................................20 1.2.2.3.3. DCF IFS (DIFS) ..................................................................20 1.2.2.3.4. Extended IFS (EIFS) ............................................................21 1.2.2.4. Thời gian backoff ngẫu nhiên .....................................................21 1.2.2.5. Thủ tục truy cập DCF.................................................................22 1.2.2.5.1. Truy cập cơ sở......................................................................23 1.2.2.5.2. Thủ tục Backoff ....................................................................24 1.2.2.5.3. Thiết lập và cài đặt lại NAV .................................................25 iii 1.2.2.5.4. Điều khiển kênh....................................................................26 1.2.2.5.5. Cách sử dụng RTS/CTS với phân đoạn.................................28 1.2.2.5.6. Thủ tục CTS .........................................................................29 1.2.2.5.7. Thủ tục ACK ........................................................................30 1.2.2.5.8. Những quan hệ tính toán thời gian DCF ..............................31 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN CỦA SỰ KHÔNG CÔNG BẰNG LUỒNG TRONG CÁC MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY ............34 2.1. Vấn đề không công bằng luồng trong các mạng Ad Hoc không dây ...................................................................................................................34 2.1.1. Không cân bằng luồng gây ra bởi tầng liên kết .................................34 2.1.2. Không cân bằng luồng gây ra bởi tầng MAC ....................................36 2.2. Một số cơ chế đảm bảo công bằng luồng trong các mạng không dây ...................................................................................................................38 2.2.1. Mô hình lập lịch tập trung.................................................................38 2.2.1.1 Mô hình mạng và các vấn đề liên quan đến sự công bằng ...........39 2.2.1.1.1. Mô hình mạng ......................................................................39 2.2.1.1.2. Vấn đề tranh chấp phụ thuộc vị trí và sử dụng lại không gian ............................................................................................................39 2.2.1.1.3. Vấn đề xung đột giữa sự công bằng và sử dụng kênh tối đa .40 2.2.1.1.4. Giải pháp không gian...........................................................40 2.2.1.2. Mô hình lập lịch gói tin ..............................................................42 2.2.1.2.1. Mô hình fluid và đồ thị tranh chấp luồng .............................42 2.2.1.2.2. Đạt được công bằng tối thiểu thông qua chia sẻ hàng đợi công bằng ............................................................................................43 2.2.1.2.3 Các hàng đợi khe và các hàng đợi gói tin .............................45 2.2.2. Cơ chế phối hợp hàng đợi cho mỗi luồng .........................................46 2.2.2.1. Cô lập lưu lượng dữ liệu nguồn..................................................47 2.2.2.2. Trọng số khác nhau trên lưu lượng dữ liệu chuyển tiếp ..............48 2.2.2.3. Hàng đợi cho mỗi luồng .............................................................49 2.2.3. Cơ chế phối hợp điều khiển truyền ...................................................50 2.2.3.1. Cơ chế nghe ...............................................................................50 2.2.3.2. Cơ chế backoff............................................................................51 2.2.3.3. Cơ chế tranh chấp cơ sở.............................................................51 iv 2.2.3.4. Cơ chế điều khiển tốc độ ............................................................52 2.2.3.5. Vấn đề nút ẩn đa chặng ..............................................................54 2.2.4. Cơ chế MACAW( Media Access Protocol for Wireless LAN’s) ......55 2.2.4.1. Các quy tắc điều khiển và trao đổi thông báo.............................55 2.2.4.2. Các quy tắc Backoff và sao chép ................................................57 2.2.5. Chuẩn IEEE 802.11 e MAC..............................................................60 CHƯƠNG III: GIẢI PHÁP CẢI THIỆN SỰ CÔNG BẰNG TRONG CÁC MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY .......................................................61 3.1. Giải pháp cải thiện sự công bằng cho mỗi luồng trong tầng liên kết ...................................................................................................................61 3.2. Giải pháp cải thiện sự công bằng cho mỗi luồng trong tầng MAC .63 3.3. Phân tích những đặc trưng của giải pháp cải thiện sự công bằng ..65 3.3.1. Đánh giá phân tích sự công bằng cho mỗi luồng...............................65 3.3.2. Đánh giá phân tích đối với môi trường tiện ích .................................67 3.4. Đánh giá các giải pháp thông qua mô phỏng ...................................68 3.4.1. Mô hình đơn chặng ...........................................................................69 3.4.2. Mô hình đa chặng .............................................................................73 KẾT LUẬN ..................................................................................................77 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ACK Acknownledgement Báo nhận AP Access Point Điểm truy nhập BSS Basic Service Set Tập dịch vụ cơ sở CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định CFP Contention Free Period Chu kỳ không xung đột CP Contention Period Chu kỳ xung đột CRC Cyclic redundancy code Mã dư vòng CCA Clear channel assessment Đánh giá kênh toàn bộ CW Contention window Cửa sổ xung đột CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang nhằm tránh xung đột DCF Distributed Coordination Function Chức năng phối hợp phân tán DIFS DCF interframe space Khoảng cách liên khung DCF DS Distribution system Hệ thống phân phối ESS Extended service sets Tập dịch vụ mở rộng EIFS Extended interframe space Khoảng cách liên khung mở rộng FCS Frame check sequence Chuỗi kiểm tra khung FIFO First in First out Vào trước ra trước IBSS Independent BSS BSS không phụ thuộc IFS Interframe space Khoảng cách liên khung IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện các kỹ sư điện điện tử LAN Local area network Mạng cục bộ LLC Logical link control Điều khiển liên kết logic MLME MAC sublayer Thực thể quản lý lớp con vi management entity MAC MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MMPDU MAC management protocol data unit Đơn vị dữ liệu giao thức quản lý MAC MPDU MAC protocol data unit Đơn vị dữ liệu giao thức MAC MSDU MAC service data unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC NAV Network Allocation Vector Vector định vị mạng PCF Point Coordination Function Chức năng phối hợp điểm PIFS PCF interframe space Khoảng cách liên khung ngắn PCF PLCP Physical layer convergence protocol Giao thức hội tụ tầng vật lý PS Power save (mode) Chế độ tiến kiệm năng lượng RA Receiver address Địa chỉ nhận RTS/CTS Request to Send/ Clear to Send Yêu cầu gửi/Sẵn sàng để nhận RR Round Robin Xoay vòng Rx Receive or receiver Nhận hoặc thiết bị nhận SA Source address Địa chỉ nguồn SFD Start frame delimiter Bắt đầu phạm vi khung SIFS Short interframe space Khoảng cách liên khung ngắn TA Transmitter address Địa chỉ thiết bị truyền Tx Transmit or transmitter Truyền hoặc thiết bị truyền WLAN Wireless LAN Mạng LAN không dây WEP Wired equivalent privacy Mã truy nhập tương đương có dây vii DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Tên bảng/ Hình vẽ Trang Hình 1.1. Mô hình dịch vụ cơ bản không có cơ sở hạ tầng 3 Hình 1.2. Mô hình mạng cơ sở hạ tầng 5 Hình 1.3. Tập hợp dịch vụ mở rộng 5 Hình 1.4. Mô hình OSI và kiến trúc phân lớp MAC 6 Hình 1.5. Phân đoạn 9 Hình 1.6. Định dạng khung MAC 11 Hình 1.7. Trường điều khiển khung 11 Bảng 1.1. Địa chỉ khác nhau của hai bit ToDS và FromDS 14 Hình 1.8. Khung RTS 14 Hình 1.9. Khung CTS 15 Hình 1.10. Khung ACK 15 Hình 1.11. Một vài mối quan hệ IFS 19 Hình 1.12. Phương thức truy nhập cơ sở 24 Hình 1.13. Thủ tục Backoff 25 Hình 1.14. RTS/CTS/DATA/ACK và thiết lập NAV 26 Hình 1.15. Minh họa việc truyền một đoạn MSDU sử dụng SIFS 27 Hình 1.16. RTS/CTS với các MSDU đã phân đoạn 28 Hình 1.17. RTS/CTS với độ ưu tiên truyền và thiếu báo nhận 29 Hình 1.18. Các mối quan hệ định thời DCF 32 Hình 2.1. Mô hình sự không công bằng xuất hiện tại tầng liên kết 35 viii Hình 2.2. Mô hình sự không công bằng xuất hiện tại tầng MAC 37 Hình 2.3. Mô hình truy nhập kênh của cơ chế gốc Hình 2.4. Một mạng không dây đa chặng đơn giản với bốn nút sử dụng và một gateway 47 Hình 2.5. Những sự phối hợp hàng đợi thích hợp cho các mạng không dây đa chặng. (a) Hàng đợi tầng mạng đơn.(b) Hai hàng đợi công bằng tại tầng mạng.(c) Hai trọng số hàng đợi tại tầng mạng.(d) Hàng đợi công bằng cho mỗi luồng tại tầng mạng. 48 Hình 3.1. Giải thuật xác định số lượng các luồng 62 Hình 3.2. Giải thuật truyền gói tin 64 Hình 3.3. Một thao tác truy nhập kênh đợi DIFS 64 Hình 3.4. FairnessIndex của mỗi cơ chế với mô hình mạng trong hình 2.1 67 Hình 3.5. FairnessIndex của mỗi cơ chế với mô hình mạng trong hình 2.2 67 Bảng 3.1. Các tham số mô phỏng 68 Bảng 3.2. Các đặc trưng riêng biệt của mỗi giải pháp 69 Hình 3.6. Mô hình đơn chặng 70 Hình 3.7. Thông lượng đạt được bởi mỗi luồng trong mô hình đơn chặng 70 Hình 3.8. So sánh FairnessIndex của mỗi cơ chế trong mô hình đơn chặng 71 Hình 3.9. So sánh FairnessIndex (CBR) với số luồng tại S2 bằng 4 72 Hình 3.10. So sánh môi trường tiện ích trong mô hình đơn chặng 73 Hình 3.11. Mô hình đa chặng 73 Hình 3.12. Thông lượng đạt được bởi mỗi luồng trong mô hình đa chặng 74 Hình 3.13. So sánh FairnessIndex của mỗi cơ chế trong mô hình đa chặng 75 Hình 3.14. So sánh môi trường tiện ích trong mô hình đa chặng 76 1 LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các mạng Ad Hoc di động thu hút sự chú ý về một hình mẫu của cấu hình mạng trong tương lai, với lợi ích là có khả năng triển khai nhanh vì chúng không cần thiết bị phụ thuộc đã tồn tại. Đồng thời, mạng Ad Hoc hiếm khi dựa vào các giao thức định tuyến đặc biệt, giao thức này phải được sửa lại nhằm đáp ứng với sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng. Trong những công nghệ mạng LAN không dây, tiêu chuẩn IEEE 802.11MAC được xem như một công nghệ nổi bật triển khai trong các mạng Ad Hoc. Sự nhận thức rõ về các mạng Ad Hoc di động, việc cung cấp QoS (Quality of Service) hỗ trợ trong các mạng Ad Hoc là một nhiệm vụ quan trọng. Trong số nhiều tham số của QoS, sự công bằng luồng là một vấn đề quan trọng trong các mạng Ad Hoc. Trong các mạng có dây truyền thống, sự không công bằng luồng xảy ra chủ yếu tại tầng liên kết. Tuy nhiên, trong các mạng Ad Hoc di động, ngoài tầng kết nối, tầng MAC có ảnh hưởng quan trọng trong vấn đề công bằng luồng. Mặc dù IEEE 802.11 MAC cung cấp sự phân chia băng thông hợp lý cho mỗi nút, nhưng để đạt được sự công bằng cho mỗi luồng, cần đến một phương thức đưa ra sự phân chia băng thông công bằng cho mỗi luồng. Đề tài “Bảo đảm công bằng luồng trong các mạng Ad Hoc không dây” được viết với mong muốn góp phần giải quyết vấn đề cấp thiết này. 2. Tình hình nghiên cứu Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu đưa ra nhiều phương pháp khác nhau nhằm đạt được sự công bằng trong các mạng không dây. Nhưng những kết quả đạt được không còn đúng nữa khi áp dụng vào trong các mạng Ad Hoc mà sự hoạt động của mạng không dựa trên sự tồn tại của cơ sở hạ tầng tập trung. Do đó, việc nghiên cứu một cách hệ thống các vấn đề về sự công bằng trong các mạng Ad Hoc không dây nhằm đưa ra các giải pháp để tăng cường QoS trên mỗi luồng sẽ tạo ra một cơ chế đáp ứng được sự công bằng trong các mạng Ad Hoc. 2 3. Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu một số vấn đề lý luận về nguyên lý, cơ chế hoạt động của giao thức 802.11 và kinh nghiệm dựa trên một số bài viết về sự công bằng trong mạng không dây, tác giả xác lập các luận cứ khoa học cho việc xây dựng một cơ chế nhằm đảm bảo sự công bằng trong các mạng Ad Hoc. Tìm hiểu nguyên nhân gây ra sự không công bằng thông qua việc phân tích cơ chế hoạt động của giao thức trong các mô hình ứng dụng cụ thể. Từ đó đưa ra giải pháp nhằm cải thiện sự công bằng cho mỗi luồng cũng như khả năng thực thi và tiện ích môi trường trên mạng 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu các vấn đề là: Lý luận liên quan đến mô hình, cấu trúc, hoạt động của phân lớp 802.11 MAC trong các mạng không dây; kinh nghiệm nghiên cứu sự công bằng trong các mạng không dây; các phân tích và kết quả đạt được trong việc nghiên cứu sự công bằng trong các mạng Ad Hoc. Phạm vi nghiên cứu: Cơ chế hoạt động DCF của phân lớp MAC và tầng liên kết trong chuẩn IEEE 802.11b. 5. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được các mục đích đề ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau: Phương pháp phân tích, phương pháp mô tả, phương pháp thống kê, mô phỏng ... 6. Kết cấu của luận văn Ngoài Lời mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương: Chương I: “Tổng quan về phân lớp 802.11 MAC trong các mạng không dây” Chương II: “Phân tích nguyên nhân của sự không công bằng luồng trong các mạng Ad Hoc không dây” Chương III: “Giải pháp cải thiện sự công bằng trong các mạng Ad Hoc không dây” 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHÂN LỚP 802.11 MAC TRONG CÁC MẠNG KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu mô hình trong các mạng LAN không dây Hai mô hình cơ bản sử dụng cho mạng LAN không dây là Ad Hoc và mạng cơ sở hạ tầng. Hai mô hình này có sự khác biệt nhau rõ ràng về giới hạn không gian sử dụng, cách quản lý mạng, kiến trúc mạng. 1.1.1. Ad Hoc (IBSS- Independent Basic Service Set) Tập dịch vụ cơ bản không có cơ sở hạ tầng còn gọi là mạng Ad Hoc. Ad Hoc là mô hình mạng mà trong đó chỉ bao gồm các máy trạm, không có Access Point (AP). Mỗi thiết bị kết nối trực tiếp với các thiết bị khác trong mạng. Mô hình này rất thích hợp cho việc kết nối một nhóm nhỏ các thiết bị và không cần phải giao tiếp với các hệ thống mạng khác. Hình 1.1. Mô hình dịch vụ cơ bản không có cơ sở hạ tầng Định tuyến trong mạng Ad Hoc được xử lý bởi giao thức định tuyến Ad Hoc, cài đặt ở tầng mạng. Trong giao thức định tuyến này, các nút mạng có chức năng như là router, chúng có khả năng khám phá và duy trì đường đi đến các nút mạng khác Giao thức định tuyến Ad Hoc được chia làm 2 loại: sử dụng bảng định tuyến và thiết lập đường đi theo yêu cầu của nút mạng nguồn. Bảng định tuyến lưu trữ thông tin về đường đi giữa hai máy và duy trì tính chất “mới” của 4 thông tin định tuyến phát định kỳ trong mạng. Các giao thức sử dụng bảng định tuyến bao gồm: DSDV (Destination- Sequenced Distance Vector Routing), CGSR (Clusterhead Gateway Switch Routing), WRP (Wireless Routing Protocol). Vấn đề chủ yếu đặt ra với giao thức kiểu này là: cập nhật bảng và số lượng các đường đi cần lưu trữ. Việc cập nhật thường xuyên dẫn đến tiêu hao nhiều năng lượng của các node và sinh ra nhiều gói tin định tuyến làm tăng tải mạng, nếu cập nhật không thường xuyên trong tình huống các nút mạng di chuyển nhanh sẽ dẫn đến định tuyến sai, do các thông tin đã cũ. Sử dụng giao thức “thiết lập đường đi theo yêu cầu nút nguồn” sẽ chỉ thiết lập đường đi khi cần thiết. Khi một máy muốn truyền tin nó gửi gói tin “khám phá đường đi” đến đích. Đường đi được thiết lập và duy trì cho đến khi hai máy tính không muốn sử dụng hoặc không thể truy cập được qua kết nối đó. Một số giao thức kiểu này là: AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing), DSR (Distance Source Routing), TORA (Temporally- Ordered Routing Algorithm), ABR (Associativity Based Routing), SSR (Signal Stability Routing). Giao thức loại này có điểm lợi là các nút mạng không phải duy trì thường xuyên đường đi đến các nút mạng khác. Nhược điểm là khi có nhu cầu gửi, các nút mạng phải đợi một thời gian để đường đi được thiết lập, do đó tăng độ trễ gói tin. 1.1.2. Tập dịch vụ cơ sở hạ tầng (IBSS - Infrastructure Basic Service Set) Tập dịch vụ cơ sở hạ tầng là một mô hình mở rộng của một mạng Wireless LAN (WLAN) đã có bằng cách sử dụng AP. AP đóng vai trò vừa là cầu nối của mạng WLAN với các mạng khác vừa là trung tâm điều khiển sự trao đổi thông tin trong mạng. Các AP sử dụng kĩ thuật “thăm dò” để điều khiển việc truyền thông trong một BSS, kỹ thuật này thường được gọi là PCF (Point Coordination Function), có nghĩa là thực hiện chức năng điều khiển truy cập tập trung. 5 Distribution System Hình 1.2. Mô hình mạng cơ sở hạ tầng 1.1.3. Tập dịch vụ mở rộng (ESS - Extended Service Set) Tiêu chuẩn 802.11 mở rộng phạm vi di động tới một phạm vi bất kỳ thông qua ESS. Một ESS là một tập hợp của các tập dịch vụ cơ sở hạ tầng nơi mà các AP giao tiếp với nhau để chuyển lưu lượng từ một BSS tới một BSS khác để làm cho việc di chuyển dễ dàng của các trạm giữa các BSS. Hình 1.3. Tập hợp dịch vụ mở rộng 6 1.2. Mô tả chức năng phân lớp MAC 1.2.1. Kiến trúc MAC Phân lớp MAC nằm trong lớp liên kết dữ liệu của mô hình OSI. Phân lớp MAC xác định cách thức truyền các khung dữ liệu trên môi trường truyền dẫn bằng cách kết hợp một địa chỉ vật lý cho mỗi thiết bị, xác định tôpô mạng và thăm dò đường truyền. Kiến trúc phân lớp MAC bao gồm hai khối chức năng: Khối chức năng DCF (Distri