Luận văn Khảo sát mạng lan với các phần mở rộng không dây

-1- Hà Nội – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SỸ -2- ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG VIẾT HUY KHẢO SÁT MẠNG LAN VỚI CÁC PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số : 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội – 2010 -1- MỤC LỤC MỞ ĐẦU.........................................................................................................................6 U CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU...........................................................................................7 U 1.1. Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính............................................................7 1.1.1. Sự ra đời của các mạng LAN (có dây)............................................................7 1.1.2. Sự ra đời của mạng Internet ............................................................................7 1.1.3. Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN.........................................8 1.2. Đường truyền không dây và các vấn đề phải giải quyết .....................................11 1.2.1. Đặc điểm của đường truyền không dây ........................................................11 1.2.2. Cơ chế điều khiển lưu lượng và phản ứng sai lầm của TCP.........................19 1.3. Mục đích nghiên cứu của luận văn. ....................................................................19 CHƯƠNG 2 - MẠNG WLAN VÀ VIỆC KẾT NỐI VỚI INTERNET .......................21 2.1. Giao thức MAC của mạng LAN - CSMA/CD...................................................21 2.2. Giao thức MAC của mạng WLAN - CSMA/CA. ...............................................23 2.2.1. CSMA/CD không thể sử dụng cho mạng WLAN ........................................23 2.2.2. Giao thức CSMA/CA....................................................................................24 2.2.3. Giao thức CSMA/CA + ACK .......................................................................25 2.2.4. Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS ...................................................26 2.3. Chức năng DCF, PCF .........................................................................................27 2.3.1. Chức năng cộng tác phân tán - DCF.............................................................27 2.3.2. Chức năng cộng tác tập trung - PCF .............................................................28 2.3.3. Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS.........................................................................29 2.4. Kết nối WLAN với Internet ................................................................................31 2.4.1. Chức năng của AP.........................................................................................31 2.4.2. Các mô hình kết nối ......................................................................................33 2.4.3. AP và kênh truyền sóng ................................................................................35 2.4.4. Vấn đề nút mạng di động. .............................................................................37 CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN TCP CHO MẠNG HỖN HỢP .............................................43 3.1. Giao thức TCP/IP đối với mạng có đường truyền không dây ............................43 3.2. Các tiêu chí đánh giá giao thức mạng .................................................................44 -2- 3.3. Một số giao thức cải tiến TCP dùng cho mạng hỗn hợp.....................................46 3.3.1. Split TCP ......................................................................................................46 3.3.2. Snoop TCP ....................................................................................................47 3.3.3. M-TCP ..........................................................................................................51 CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA CÁC GIAO THỨC GIAO VẬN TRONG MẠNG CÓ PHẦN MỞ RỘNG KHÔNG DÂY........................53 4.1. Giới thiệu bộ mô phỏng mạng NS-2 ...................................................................54 4.1.1. Mô phỏng mạng LAN...................................................................................57 4.1.2. Mô phỏng WLAN .........................................................................................59 4.2. Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng LAN............................... 68 4.3. Đánh giá hiệu suất giao thức TCP, UDP trong mạng hỗn hợp ...........................72 KẾT LUẬN ...................................................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................79 -3- CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AES Advanced Encryption Standard AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector AP Access Point BER Bit Error Ratio BSSs Independent Basic Service Sets CBR Constant Bit Rate CS Carrier Sense CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect CTS Clear To Send DCF Distributed Co-ordination Function DFS Dynamic Frequency Selection DIFS Distributed Co-ordinate Function Interframe Space DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum E-mail Electronic Mail ESSs Extended Service Sets FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum FTP File Transfer Protocol IAPP Inter-AP Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFS Interframe Spacing ISDN Integrated Services Digital Network ISM Industrial, Scientific and Medical LAN Local Area Network MAC Medium Access Control MAN Metropolitan Area Network -4- Modem modulator and demodulator NAM Network Animator NS2 Network Simulator AODV Adhoc On-demand Distance Vector OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Otcl Object Oriented Tool Command Language PCF Point Co-ordination Function PIFS Point Co-ordination Function Interframe Space PSM Power Saving Mode QoS Quality of Service REAL Realistic and Large RTP Real-time Transport Protocol RTS Request To Send RTT Round Trip Time SIFS Short Inter-Frame Space SW Switch TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TELNET TELecommunication NETwork TORA Temporally ordered Routing Algorithm TPC Transmission Power Control UDP User Datagram Protocol UNII Unlicensed National Information Infrastructure VBR Variable Bit Rate WAN Wide Area Network WEP Wired Equivalent Privacy WIFI Wireless Fidelity WLAN Wireless Local Area Network WWW World Wide Web -5- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chế độ tiết kiệm năng lượng ở 802.11 ................................................14 Hình 1.2: Mô hình lỗi Markov 2 trạng thái. .........................................................15 Hình 2.1: Điều khiển truy nhập CSMA ..............................................................21 Hình 2.2: Trạm A và C được xem là "ẩn" đối với nhau......................................23 Hình 2.3: Trạm C bị lộ đối với trạm B.................................................................23 Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK...............................................25 Hình 2.5: CSMA/CA sử dụng RTS/CTS và ACK...............................................26 Hình 2.6: Mô hình RTS/CTS ...............................................................................27 Hình 2.7: Mô hình Root mode .............................................................................32 Hình 2.8: Mô hình AP ở chế độ Bridge mode .....................................................32 Hình 2.9: Mô hình AP ở chế độ Repeater mode ..................................................32 Hình 2.10: Mô hình mạng Ad-hoc .......................................................................33 Hình 2.11: Mô hình mạng cơ sở...........................................................................34 Hình 2.12: Mô hình mạng mở rộng......................................................................34 Hình 2.13: Mô tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g.............................35 Hình 2.14: Minh họa phổ tín hiệu 802.11b .........................................................35 Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b.........................................................36 Hình 2.16: Không xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b ............................36 Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp ......................37 Hình 2.18: Phạm vi phủ sóng của các AP chồng lên nhau. .................................38 Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền ..................................................39 Hình 2.20: MH di chuyển từ AP1 sang AP2 khác kênh truyền ...........................39 Hình 3.1: Mô hình Split Connection ....................................................................46 Hình 3.2: Tiến trình xử lý dữ liệu từ FH đến MH................................................48 Hình 3.3: Tiến trình xử lý ACK ...........................................................................49 Hình 3.4: MH chỉ trao đổi gói tin với Primary AP ..............................................50 Hình 3.5: Mô hình kết nối M-TCP.......................................................................51 Hình 4.1: Ánh xạ trong cùng đối tượng giữa C++ và OTCL...............................55 Hình 4.2: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng..........................................55 Hình 4.3: Luồng các sự kiện mô phỏng được kết xuất ra file..............................57 Hình 4.4: Minh họa ngăn xếp mạng dùng cho LAN............................................58 Hình 4.5: Thực tế kết nối và thể hiện định tuyến trên NS2 .................................59 Hình 4.6: Lược đồ của một mobile node chuẩn 802.11 của Monarch trong NS. ..............................................................................Error! Bookmark not defined. Hình 4.7: Các vị trí chèn lỗi khi mô phỏng mạng không dây. .............................67 Hình 4.8: Mô hình khảo sát mạng LAN...............................................................68 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng TCP trong mạng LAN ...........................................71 Hình 4.10: Tôpô mạng hỗn hợp WLAN + Internet khi truyền TCP, UDP.........72 -6- MỞ ĐẦU Mạng LAN nói chung (LAN có dây) có đặc điểm là tốc độ cao, tỉ suất lỗi gói tin nhỏ, độ trễ của các gói tin truyền trong mạng nhỏ và thăng giáng độ trễ (jitter) không quá lớn. Ngày nay việc kết nối các mạng LAN không dây (WLAN) với mạng LAN có dây ngày càng trở nên phổ biến, các ứng dụng về mạng hỗn hợp hai loại truyền thông này đã mang lại cho cho xã hội thêm những mô hình kết nối mới đầy hiệu quả. Tuy nhiên, mạng WLAN có nhiều đặc điểm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất truyền thông, do đặc tính nhiều lỗi của đường truyền cũng như tính có thể di động của nút mạng. Khi kết nối LAN với WLAN, mạng tạo thành là hỗn hợp, nảy sinh nhiều vấn đề làm giảm hiệu suất truyền thông. Chính vì lý do đó, tôi đã lựa chọn đề tài "Khảo sát mạng LAN với các phần mở rộng không dây" để nghiên cứu. Để thực hiện những nội dung nghiên cứu trên, luận văn của tôi gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận. Nội dung của các chương được tóm tắt như sau: Chương 1: Tìm hiểu lịch sử các mạng LAN, WLAN, Internet; đặc điểm của đường truyền không dây và các vấn đề cần giải quyết; tóm tắt một số nghiên cứu theo hướng cải tiến giao thức TCP để phù hợp với mạng hỗn hợp. Trên các cơ sở đó để xác định mục tiêu của đề tài. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về mạng WLAN và các vấn đề liên quan đến hiệu suất truyền thông khi kết nối với Internet; nghiên cứu vấn đề nút mạng di động trong một hay nhiều vùng phủ sóng của 1 hay nhiều AP. Chương 3: Tìm hiểu, đánh giá một số cải tiến TCP cho mạng có đường truyền không dây, làm tiền đề cho những nghiên cứu của tôi theo hướng này. Chương 4: Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến mô phỏng mạng LAN, WLAN trong NS2; viết chương trình mô phỏng và phân tích kết quả một số thí nghiệm về các nút trong mạng hỗn hợp LAN và WLAN khi truyền ở hai hình thức TCP và UDP. Để hoàn thiện luận văn này, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS.TS Nguyễn Đình Việt – là người đã giảng dạy và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. -7- CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU 1.1. Sự ra đời và phát triển của mạng máy tính 1.1.1. Sự ra đời của các mạng LAN (có dây) Vào thời gian trước khi những máy tính cá nhân xuất hiện, một máy tính trung tâm chiếm trọn 1 căn phòng, người dùng truy nhập máy tính trung tâm thông qua thiết bị đầu cuối kết nối với máy tính trung tâm bằng cáp truyền dữ liệu tốc độ thấp. Cuối những năm 60, do nhu cầu tăng tốc độ truyền, phòng thì nghiệm Lawrence Berkeley thuộc bộ năng lượng Mỹ đã nghiên cứu và đưa ra báo cáo chi tiết vào năm 1970 về mạng lưới máy tính. Mạng cục bộ LAN đầu tiên đã được tạo ra vào cuối những năm 1970 thông qua cáp truyền tốc độ cao giữa vài máy tính trung tâm lớn đặt cùng một chỗ. Các nhà phát triển hệ điều hành cho mạng này bắt đầu cạnh tranh nhau trong đó Ethernet và ARCNET được biết đến nhiều nhất. Ethernet được Xerox PARC phát triển trong giai đoạn 1973-1975 và đã được cấp bằng sáng chế năm 1976 sau khi hệ thống này đã được triển khai tại PARC đồng thời Metcalfe và Boggs xuất bản bài báo "Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks" mở ra một hướng đi rõ ràng hơn cho mạng LAN. ARCNET được phát triển bởi công ty Datapoint năm 1976, tháng 12 năm 1977 nó được áp dụng cho ngân hàng Chase Manhattan ở New York. Như vậy, năm 1977, công ty Datapoint đã bắt đầu bán hệ điều hành mạng của mình là "Attached Resource Computer Network" (hay gọi tắt là Arcnet) ra thị trường. Mạng Arcnet cho phép liên kết các máy tính và các trạm đầu cuối lại bằng dây cáp mạng. Arcnet đã trở thành hệ điều hành mạng LAN đầu tiên. [23], [24] 1.1.2. Sự ra đời của mạng Internet Tiền thân của mạng Internet ngày nay là mạng ARPANET, đó chính là mạng liên khu vực (Wide Area Network - WAN) đầu tiên được xây dựng. ARPANET thuộc bộ quốc phòng Mỹ liên kết 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học California, Santa Barbara. Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974, lúc đó mạng vẫn được gọi là ARPANET. Đến năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức được coi như một chuẩn đối với lĩnh vực quân sự Mỹ. Mạng ARPANET và giao thức TCP/IP đã trở thành dấu mốc cho mạng Internet ra đời. -8- Năm 1984, ARPANET được chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn được gọi là ARPANET, dành cho việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai được gọi là MILNET, là mạng dùng cho các mục đích quân sự. Vào giữa thập niên 1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET. Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET không còn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990. Sự hình thành mạng xương sống của NSFNET và những mạng vùng khác đã tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của Internet. Tới năm 1995, NSFNET thu lại thành một mạng nghiên cứu còn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển. Internet được xem là mạng của các mạng mà thực chất là mạng của các mạng LAN thông qua các mạng WAN hoặc các mạng truyền thông khác. Các quốc gia có kết nối mạng Internet toàn cầu thường xây dựng mạng đường trục tốc độ cao, là một hệ thống mạng liên kết có tốc độ truyền cực cao so với tốc độ truyền của hệ thống mạng thông thường. Ngày nay, Internet đã trở thành mạng máy tính toàn cầu, xuất hiện trong mọi lĩnh vực thương mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội,... Mạng được kết nối với nhau dựa trên bộ giao thức trao đổi số liệu TCP/IP, đó là ngôn ngữ chung để cho tất cả các máy tính khác nhau kết nối trên mạng có thể "nói chuyện" được với nhau. Các dịch vụ dựa trên nền tảng Internet ngày càng phát triển mạnh. Sản phẩm chính mà Internet cung cấp cho người dùng là thông tin. Thông tin thường ở dạng tệp lưu trữ trong các máy tính chủ, máy tính cung cấp dịch vụ, và có thể trình bày bằng nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào loại dịch vụ của Internet được sử dụng. Các dịch vụ trên Internet thường được tổ chức theo mô hình quan hệ Client - Server (khách - chủ) nhằm phân phối quá trình xử lý giữa máy tính của người sử dụng (client) và máy tính chủ (server). Một số dịch vụ chính hiện đang được sử dụng trên Internet như: WWW, Email, FTP, đăng nhập từ xa,… 1.1.3. Sự ra đời của các mạng LAN không dây - WLAN Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz. -9- Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện thời. Mạng WLAN có 2 kiểu cơ bản đó là Ad-hoc và Infrastructure. Với kiểu Ad-hoc thì mỗi máy tính trong mạng giao tiếp trực tiếp với nhau thông qua các thiết bị Card mạng không dây mà không dùng đến các thiết bị định tuyến (Wireless Router) hay thu phát không dây (Wireless Access Point). Kiểu Infrastructure thì các máy tính trong hệ thống mạng sử dụng một hoặc nhiều các thiết bị định tuyến hay thiết bị thu phát để thực hiện các hoạt động trao đổi dữ liệu với nhau và các hoạt động khác. Mạng WLAN có cấu trúc kiểu Infrastructure có thể được coi là mạng LAN có phần mở rộng không dây. Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2.4Ghz. Mặc dù những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất mà không được công bố rộng rãi. Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dải tần số khác nhau đã dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung. Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI cho các mạng WLAN. Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz. Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a và 802.11b (định nghĩa những phương pháp truyền tín hiệu). Và những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội. Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps. IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật tương đương với mạng LAN có dây. Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g có thể truyền nhận thông tin ở cả hai dải tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps. Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b. Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps. -10- Như vậy, chuẩn 802.11 là một chuẩn chung dành cho mạng LAN không dây. Thực ra có nhiều chuẩn khác nhau cho mạng LAN không dây. Dưới đây là thống kê một số chuẩn được dùng rộng rãi trong thực tế: 802.11: Ra đời năm 1997. Đây là chuẩn sơ khai của mạng không dây, nó mô tả cách truyền thông trong mạng không dây sử dụng các phương thức như DSSS (trải phổ chuỗi trực tiếp), FHSS (trải phổ nh