Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng LAN không dây

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ










Hà Nội – 2007


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

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

Hà Nội - 2007
i

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: CHUẨN IEEE 802.11 VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ ĐỐI VỚI
CHUẨN IEEE 802.11 MAC 4
1.1. Tổng quan về mạng WLAN 4
1.1.1 Những tính năng vượt trội của mạng WLAN so với LAN 4
1.1.2 Kiến trúc mạng WLAN 4
1.2. Chuẩn IEEE 802.11 MAC (Medium Access Control) 6
1.2.1 Các khoảng liên khung 7
1.2.2. Chức năng phối hợp phân tán DCF (Distributed Coordination
Function) 8
1.2.2.1 Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA 9
1.2.2.2 Thủ tục Random Backoff (quay lui ngẫu nhiên) 9
1.2.2.3 Thủ tục xác nhận ACK 11
1.2.3. Chức năng phối hợp điểm PCF 11
1.2.3.1 Chu kỳ không tranh chấp 12
1.2.3.2 Thủ tục truy cập PCF 13
1.3. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên chuẩn IEEE 802.11 MAC 14
1.3.1 Tổng quan về QoS 14
1.3.2 Giới hạn QoS của DCF 15
1.3.3 Giới hạn QoS của PCF 16

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

4.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá 48
4.5 Kết luận chương 57
KẾT LUẬN 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
Phụ lục 1: HƯỚNG DẪN CÀI ĐẶT NS-2.28/IEEE 802.11e 63
Phụ lục 2: THỦ TỤC BACKOFF CẦN SỬA ĐỔI ĐỂ MÔ PHỎNG VỚI
EDCF-DFS 65











iii

THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
AC
Access Category
ACK
Acknowledgement
AIFS
Arbitration Interframe Space
AP
Access Point
BSS

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

HCF Controlled Channel Access
HCF
Hybrid Coordination Function
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IBSS
Independent Basic Serivce Set
IFS
Interframe Space
MAC
Medium Access Control
NAV
Network Allocation Vector
PC
Point Coordinator
PCF
Point Coordination Function
PIFS
PCF Interframe Space
PHY
Physical layer
QoS
Quality of Service
RTS
Request To Send
SCFQ
Self-Clocked Fair Queuing
SIFS
Short Interframe Space
STA

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

Hình 2.1: Sự mất cân bằng về thông lượng đạt được giữa các STA 28
(1-6 Upload, 7-12 Download) 28
Hình 3.1: Thông lượng đạt được trên các AC với EDCF 37
Hình 3.2: Số gói tin TCP nhận được khi tăng dần số node dùng UDP từ 1 đến
9 node với EDCF 38
Hình 3.3: Mô hình hoạt động của EDCF 40
Hình 3.4: Mô hình hoạt động của EDCF-DFS 42
Hình 4.1: Tổng quan về NS 46
Hình 4.2 Kiến trúc mạng mô phỏng thực nghiệm thứ nhất 48
Hình 4.3a: Thông lượng đạt dược trên các AC với EDCF chuẩn 48
Hình 4.3b: Thông lượng đạt dược trên các AC với EDCF-DFS 49
Hình 4.4: Kiến trúc mạng mô phỏng thực nghiệm thứ hai và ba 50
Hình 4.5: Số gói tin nhận được trên các AC với 5 node 51
Hình 4.6: Chỉ số công bằng đạt được trên các AC với 5 node 52
v

Hình 4.7: Số gói tin nhận được trên AC[0] và AC[2] khi tăng dần số node từ 1
đến 12 node 53
Hình 4.8: Độ trễ trên AC[0] khi tăng dần số node từ 1 đến 12 node 54
Hình 4.9: Số gói tin TCP nhận được trên các AC khi tăng dần số node dùng
UDP từ 1 đến 9 node 55
Hình 4.10: Số gói tin TCP nhận được trên AC[2] khi tăng dần số node từ 1
đến 12 node 56

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

UDP từ 1 đến 9 node 55
Bảng 4.7: Số gói tin TCP nhận được trên AC[2] khi tăng dần số node từ 1 đến
12 node 56

1

MỞ ĐẦU

Chất lượng dịch vụ, một vấn đề chính cũng là một thách thức lớn đối
với giao thức mạng Internet hiện nay. Internet ngày càng phát triển và trở nên
không đồng nhất, do sự bùng nổ của mạng không dây trong những năm gần
đây. Song song với sự phát triển của mạng không dây, những ứng dụng đa
phương tiện cũng đã và đang trải qua thời kỳ bùng nổ. Người dùng đòi hỏi
các dịch vụ web, video, voice, . . với chất lượng cao ngay khi họ đang di
chuyển từ nơi này đến nơi khác.
Trong môi trường không dây sự thay đổi của môi trường truyền, biến
đổi về không gian, địa điểm dẫn đến tỷ lệ mất gói, độ trễ, biến thiên độ trễ
cao, băng thông hạn chế. Trong khi đó các dịch vụ yêu cầu thời gian thực
voice, multimedia, video, video conferencing, đòi hỏi băng thông lớn, độ
trễ, tỷ lệ mất gói thấp. Vì vậy, vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trong môi
trường mạng LAN không dây là quan trọng và cần thiết.
IEEE 802.11 là chuẩn áp dụng cho mạng WLAN đã được chấp nhận
rộng rãi trên thế giới và đóng vai trò chính trong giao tiếp không giây thế hệ
mới. Đặc điểm chính của IEEE 802.11 là tính đơn giản, linh hoạt và hiệu quả.
Công nghệ này cho phép người dùng có thể giao tiếp mọi nơi, mọi lúc với hai
kiến trúc mạng đơn giản là có kiến trúc hoặc không có kiến trúc ad-hoc.
Với những lý do trên, được sự đồng ý và hướng dẫn của TS. Nguyễn
Hoài Sơn, tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu về đảm bảo chất lượng dịch vụ
cho mạng LAN không dây” là đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp của
mình.

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.

Tác giả đã đánh giá cơ chế IEEE 802.11e EDCF có áp dụng EDCF-
DFS trên bộ mô phỏng NS-2. Với những kết quả thu được cho chúng ta thấy
rõ ưu điểm về đảm bảo tính công bằng và ý nghĩa của nó trong đảm bảo chất
lượng dịch vụ khi áp dụng thuật toán EDCF-DFS trên IEEE 802.11e EDCF.
Về bố cục, nội dung của luận văn gồm có 4 chương:
3

Chương 1: Trình bày tổng quan về mạng WLAN với những điểm cơ
bản của IEEE 802.11 MAC, đi sâu vào nghiên cứu phân tích những hạn chế
QoS đối với IEEE 802.11 MAC và trình bày chi tiết hỗ trợ chất lượng dịch vụ
đối với IEEE 802.11e.
Chương 2: Trình bày vấn đề đảm bảo sự công bằng cho IEEE 802.11
bao gồm tổng quan, ảnh hưởng của sự mất công bằng, một số kỹ thuật đảm
bảo sự công bằng trên IEEE 802.11 MAC DCF và IEEE 802.11e. Chủ yếu là
nghiên cứu một cách kỹ lưỡng thuật toán SCFQ và DFS đảm bảo sự công
bằng trên 802.1. MAC DCF.
Chương 3: Trình bày những nghiên cứu về đảm bảo tính công bằng cho
IEEE 802.11e EDCF. Cung cấp kỹ thuật EDCF-DFS đảm bảo sự công bằng
trên IEEE 802.11e bằng kết hợp ưu tiên theo kiểu lưu lượng và trọng số tải.
Chương 4: Tiến hành mô phỏng, đánh giá so sánh kết quả việc áp dụng
thuật toán EDCF-DFS trên IEEE 802.11e với IEEE 802.11e chuẩn trên cơ chế
truy cập kênh EDCF.
Kết luận: Nêu đánh giá những kết quả mà Luận văn đã thực hiện, ý
nghĩa của nó và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

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.

1.1.2 Kiến trúc mạng WLAN
Mạng WLAN [11] có các kiến trúc như sau:
 Dịch vụ độc lập IBSS (Independent Basic Service Set)
Một IBSS bao gồm một nhóm các trạm truyền thông trực tiếp với nhau.
Một IBSS cũng có thể gọi là một mạng ad-hoc hay một WLAN. Mỗi trạm
muốn giao tiếp được với trạm khác thì phải nằm trong phạm vi phủ sóng của
5

nhau. Hình 1.1 minh họa mạng IBSS với 3 trạm truyền thông trực tiếp với
nhau.

Hình 1.1 - Mạng IBSS
Ad-hoc/IBSS là một mạng được tạo ra khi các thiết bị người dùng thiết
lập một mạng độc lập không chứa điểm truy cập AP. Những mạng này không
có kế hoạch định trước hoặc điều tra phạm vi vùng, vì vậy mạng ad-hoc
thường rất nhỏ và chỉ trải rộng cần thiết đủ để truyền thông tin cần được chia
sẽ. Ad-hoc không có giới hạn chuẩn chung như số thiết bị có thể có trong
IBSS. Tuy nhiên bởi vì tất cả các thiết bị đều giao tiếp trực tiếp với nhau, nên
chắc chắn một số thành viên của IBSS không thể trao đổi trực tiếp với nhau
bởi vấn đề trạm ẩn. Không có phương thức cho tính năng chuyển tiếp trong
một IBSS.
 Mạng dịch vụ cơ bản BSS (Basic Service Set) và mạng dịch vụ mở
rộng ESS (Extended Service Set).
BSS là khối cơ sở của IEEE 802.11 WLAN. Trong BSS có một trạm đặc
biệt gọi là Điểm truy cập AP (Access Point). AP là điểm trung tâm của truyền
thông cho tất cả các trạm còn lại trong BSS. Các trạm trong BSS liên lạc với
nhau thông qua AP. Trong mô hình mạng có kiến trúc, một BSS cơ bản gồm
ít nhất một trạm và một AP. Hình 1.2 minh họa một 2 mạng BSS với AP.
Cấu trúc mạng IBSS và BSS chỉ có thể hoạt động trong phạm vi hẹp.
Tuy nhiên ta có thể xây dựng mạng không dây có phạm vi lớn hơn bằng cách

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

 PIFS khoảng liên khung PCF
 DIFS khoảng liên khung DCF
 EIFS khoảng liên khung mở rộng
SIFS là khoảng liên khung ngắn nhất và được sử dụng cho các khung xác
nhận ACK, khung CTS và các khung dữ liệu tiếp theo. SIFS là khoảng thời
gian từ khi kết thúc khung trước cho đến khi bắt đầu khung tiếp theo. Sử dụng
SIFS giữa các lần truyền trong chuỗi trao đổi các khung có tác dụng ngăn cản
các trạm khác (các trạm chờ kênh truyền quá lâu) cố gắng sử dụng kênh
truyền.
PIFS được sử dụng bởi AP hoạt động trong PCF. Khi bắt đầu chu kỳ
không tranh chấp CFP (Contention Free Period), AP phải chờ một khoảng
PIFS trước khi truyền. AP có độ ưu tiên cao hơn các trạm khác do nó chỉ phải
chờ khoảng PIFS ngắn hơn DIFS.
8

DIFS được sử dụng trong chu kỳ tranh chấp CP (Contention Period) và
là khoảng thời gian mà các trạm phải chờ trước khi được phép truyền trong cơ
chế DCF.
EIFS sẽ bắt đầu sau khi PHY chỉ ra kênh truyền rỗi sau khi phát hiện
frame không đúng mà không cần quan tâm đến kỹ thuật cảm nhận sóng mang.
EIFS được định nghĩa để cung cấp đủ thời gian cho các trạm khác xác nhận
những frame nó đã nhận được.

Hình 1.4: Các khoảng liên khung IFS trong 802.11
Khoảng thời gian IFS sẽ được cố định cho mỗi PHY. Giá trị IFS được
xác định từ các thuộc tính riêng bởi PHY.
1.2.2. Chức năng phối hợp phân tán DCF (Distributed
Coordination Function)
DCF là cơ chế truy cập cơ bản cho cả mạng ad-hoc và mạng có kiến trúc.
DCF sử dụng giao thức CSMA/CA và thủ tục quay lui ngẫu nhiên (backoff).

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.

Đầu tiên, các trạm kiểm tra xem kênh truyền có rỗi hay không (dùng giao
thức CSMA/CA). Nếu kênh truyền bận, các trạm phải trì hoãn cho đến khi
kênh rỗi. Sau khi kênh rỗi một khoảng thời gian DIFS, các trạm sẽ sinh ra một
khoảng thời gian ngẫu nhiên và sẽ giảm dần biến đếm backoff. Khi biến đếm
backoff giảm đến 0, trạm sẽ được phép truyền.
Nếu kênh truyền được xác định là bận trong khoảng thời gian backoff thì
thủ tục backoff sẽ tạm dừng, biến đếm backoff không giảm nữa. Khi kênh
truyền rỗi thì thủ tục backoff sẽ được phép bắt đầu lại. Thủ tục backoff được
thi hành ngay lập tức sau khi kết thúc việc truyền khung, thậm chí ngay cả khi
không có trạm nào đang chờ truyền. Việc các trạm chọn các khoảng thời gian
10

ngẫu nhiên khác nhau làm giảm khả năng xung đột giữa các trạm mà đã chờ
kênh truyền ở cùng một thời điểm.

Hình 1.5: Thủ tục backoff
Hình 1.5 minh họa việc sử dụng thủ tục backoff. Nhìn vào hình ta có thể
thấy, đầu tiên khi trạm A đang truyền thì các trạm B, C, D yêu cầu được
truyền. Ba trạm này cảm nhận thấy kênh truyền đang bận nên phải chờ cho
đến khi kênh rỗi. Sau khi A truyền xong, kênh truyền là rỗi, các trạm B, C và
D bắt đầu thủ tục backoff sau khi chờ một khoảng DIFS. Thời gian backoff
của C là ngắn nhất nên khi biến đếm backoff về 0, C được phép truyền. Các
trạm khác lại phải trì hoãn cho đến khi C truyền xong thì thi hành thủ tục
backoff. Quá trình này được tiếp tục thực hiện cho đến khi các trạm truyền hết
khung.
Khoảng thời gian backoff được tính theo công thức sau:
BackoffTime = Random() * SlotTime
Trong đó Random() là một số nguyên dương ngẫu nhiên trong khoảng
[0,CW]. CW là cửa sổ tranh chấp và CWmin ≤ CW ≤ Cwmax.
SlotTime là giá trị tương ứng với đặc điểm của tầng PHY.

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

ưu tiên truy cập. Ngoài ra, tất cả các khung truyền sử dụng PCF có thể sử
dụng khoảng liên khung IFS mà nhỏ hơn IFS của khung truyền thông qua
DCF. Việc sử dụng IFS nhỏ hơn mang lại lợi ích là lưu lượng PCF sẽ có độ
ưu tiên truy cập kênh truyền hơn các trạm trong các BSS chồng nhau hoạt
động dưới phương thức DCF.
1.2.3.1 Chu kỳ không tranh chấp
PCF cung cấp truyền khung không tranh chấp. Với PCF ta phân biệt chu
kỳ tranh chấp và chu kỳ không tranh chấp. DCF được dùng trong chu kỳ tranh
chấp CP, còn PCF được dùng trong chu kỳ không tranh chấp CFP. Chu kỳ
tranh chấp CP và chu kỳ không tranh chấp CFP luân phiên nhau. Mỗi chu kỳ
không tranh chấp bắt đầu với một khung quản lý đặc biệt gọi là khung
Beacon.
Độ dài của CFP được điều khiển bởi PC với khoảng thời gian tối đa được
định rõ bởi giá trị của biến CFP-MaxDuration. PC có thể kết thúc CFP tại thời
điểm hoặc trước thời điểm CFPMaxDuration, dựa trên lưu lượng sẵn dùng và
kích thước của danh sách thăm dò. Bởi vì việc truyền beacon có thể bị trễ do
kênh truyền bận nên chu kỳ không tranh chấp CFP có thể bị thu ngắn lại.
Trong trường hợp kênh bận do lưu lượng DCF, beacon sẽ bị trễ trong khoảng
thời gian cần thiết để hoàn thành việc truyền frame DCF hiện tại.

Hình 1.7: Chu kỳ tranh chấp và chu kỳ không tranh chấp
13

1.2.3.2 Thủ tục truy cập PCF
Các trạm và PC không sử dụng RTS/CTS trong chu kỳ không tranh chấp.
Ở thời điểm bắt đầu mỗi CFP, PC sẽ cảm nhận kênh truyền. Khi kênh truyền
được xác định là rỗi sau một khoảng PIFS, PC sẽ truyền khung quản lý
Beacon chứa thông tin CFPMaxDuration. Các trạm khi nhận được khung
Beacon sẽ điều chỉnh giá trị NAV của chúng theo giá trị CFPMaxDuration.
Điều này ngăn cản các trạm chiếm quyền điều khiển kênh truyền trong CFP.

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].

Trong môi trường Wireless vấn đề QoS được quan tâm, do kết nối không
dây có những đặc điểm riêng như tốc độ thấp, mất mát dữ liệu cao, bùng nổ
mất mát, khả năng truyền lại cao, độ trễ và biến thiên độ trễ lớn. Ngoài ra kết
nối không dây còn mang tính không ổn định do thay đổi về không gian địa
điểm, tính di động của người dùng, đặc biệt là khi đi vào các vùng giao thoa,
có thể khiến cho lỗi tại hai đầu mút thay đổi. Điều này làm giảm chất lượng
đối với các dịch vụ voice, video real-time và nhiều dịch vụ khác. Trong khi dó
người dùng muốn nhận được chất lượng dịch vụ giống nhau ngay khi thay đổi
môi trường, điểm kết nối.
Trong những năm lại đây đã có nhiều nghiên cứu về cung cấp dịch vụ
QoS trên trên IEEE 802.11 MAC [2], [6], [16] với hai phương thức điều
khiển môi trường truyền DCF và PCF.
Với DCF: tính toán backoff interval, phân biệt lớp dịch vụ, phân biệt
theo trọng số tải DFS, thay đổi khoảng liên khung DIFS, mở rộng DCF bằng
thay đổi kích cở CW,
Với PCF: Sử dụng phân chia thời gian theo dồn kênh TDM với các
timeslot khác nhau, chức năng phối hợp lai HCF cung cấp trực tiếp tập trung
tại AP.
Có nhiều cách để nhận biết đặc điểm của QoS trong WLAN như tham số
hóa hoặc ưu tiên hóa. Tham số hóa là thể hiện các yêu cầu nghiêm ngặt được
biểu diễn bằng các giá trị định lượng như yêu cầu về băng thông, giới hạn về
độ trễ, biến thiên độ trễ, tỷ lệ mất gói các giá trị này thường được thực hiện ở
tầng MAC.
15

1.3.2 Giới hạn QoS của DCF
DCF chỉ hỗ trợ dịch vụ với nổ lực chuyển lưu lượng một cách tốt nhất
(best-effort) chứ không có bất kỳ đảm bảo QoS nào. Nhìn chung các dịch vụ
có giới hạn thời gian như VoIP (Voice over IP), hoặc audio/video
conferencing cần đảm bảo băng thông và độ trễ, biến thiên độ trễ nhưng đều

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

không thể dự đoán.
Vấn đề cuối cùng là: thời gian truyền của một STA rất khó kiểm soát.
STA đã được thăm dò được phép giửi một khung có độ dài bất kỳ trong
khoảng 0 đến 2346 byte. Điều này tạo ra sự biến đổi về thời gian truyền,
ngoài ra thời gian thăm dò tuỳ thuộc vào sự thay đổi của tình trạng kênh, do
vậy thời gian truyền rất khó được AP dự đoán. Vì vậy, đã ngăn cản AP đảm
bảo dịch vụ QoS cho các STA khác nhau trong danh sách thăm dò trong thời
gian rỗi của CFP.
1.3.4 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ với chuẩn IEEE 802.11e
Với sự phổ biến của WLAN, các dịch vụ đa phương phương tiện: VoiIP,
audio/video conferencing, ngày càng phát triển, cần đảm bảo về băng thông,
độ trễ, biến thiên độ trễ và sự mất mát ở một mức cho phép nào dó. Như
chúng ta đã biết, hạn chế lớn nhất của IEEE 802.11 MAC là không cung cấp
17

dịch vụ QoS. Nhằm khắc phục hạn chế trên trong những năm gần đây đã có
rất nhiều dự án nghiên cứu về đảm bảo QoS cho IEEE 802.11 MAC đã được
triển khai, tổ chức IEEE đã phát triển chuẩn IEEE 802.11e [2] mở rộng chuẩn
802.11 để hỗ trợ các ứng dụng có yêu cầu QoS.
1.3.4.1 Phân biệt lưu lượng (Traffic Differentiation)
IEEE 802.11e [2] cung cấp dịch vụ QoS cơ bản dựa trên phân biệt lưu
lượng, bằng việc bổ sung thêm trường QoS thể hiện ở hình 1.9b:


Hình 1.9a: Frame IEEE 802.11

Hình 1.9b: Frame IEEE 802.11e

Hình 1.9c: Trường điểu khiển QoS
Việc bổ sung thêm trường QoS trong frame data đã giúp cho IEEE

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.