Nghiên cứu các chiến lược đảm bảo chất lượng dịch vụ (qos) trong các mạng không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



------

------

Hà Minh Toản

NGHIÊN CỨU CÁC CHIẾN LƯỢC ĐẢM
BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS)
TRONG CÁC MẠNG KHÔNG DÂY

Ngành: Công Nghệ Thông Tin
Chuyên ngành: Truyền dữliêụ và mangg̣ máy tính
Mã số: 60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Nguyễn Đình Việt

HÀ NỘI – 2008

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................

DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................................................
GIỚI THIỆU CHUNG ..............................................................................................
CHƢƠNG I. CHẤT LƢỢNG VÀ YÊU CẦU CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ (QoS) . 11
I.1. Đại lượng cần đảm bảo chất lượng dịch vụ ..........................................................
I.2. Những ứng dụng yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ .........................................
I.3. Cơ chế đảm bảo dịch vụ trong mạng có dây .........................................................
I.4. Vấn đề phát sinh khi đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng không dây. ..............
I.5. Sự tiếp nhận của người sử dụng về chất lượng dịch vụ ........................................
CHƢƠNG II. CHUẨN MẠNG LAN KHÔNG DÂY IEEE 802.11 .......................
II.1. Cấu trúc hệ thống mạng WLAN .........................................................................
II.1.1. Mạng có cơ sở hạ tầng (Infrastructure-based network) .....................................
II.1.2. Mạng Ad-hoc ...................................................................................................
II.2. Kiến trúc giao thức .............................................................................................
II.2.1. Tầng vật lý .......................................................................................................
II.2.2. Lớp điều khiển truy cập môi trường truyền .......................................................
II.3. Hạn chế đảm bảo chất lượng dịch vụ của IEEE 802.11 DCF ..............................
II.4. Nhận xét chung khả năng đảm bảo QoS của mạng LAN theo chuẩn 802.11 .......
CHƢƠNG III. ĐẢM BẢO QoS TRONG CƠ CHẾ EDCA IEEE 802.11e ............
III.1. Cơ chế điều khiển truy cập kênh truyền phân tán nâng cao - EDCA ..................
III.1.1. Các loại ưu tiên truy cập..................................................................................
III.1.2. Chức năng điều khiển truy cập kênh truyền phân tán nâng cao - EDCAF ........
III.1.3. Các tham số EDCA .........................................................................................
III.2. Kiến trúc và định dạng những gói tin quan trọng ...............................................
III.3. Tóm tắt các đặc điểm chính của chuẩn IEEE 802.11e .......................................
CHƢƠNG IV. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ....................................
IV.1. Hệ mô phỏng NS-2 ...........................................................................................

2

IV.2. Sử dụng NS-2 thiết lập mô phỏng mạng.............................................................. 48
IV.2.1. Thiết lập các lựa chọn, tham số cho mô phỏng.................................................. 48
IV.2.2. Thiết lập topo và cơ chế định tuyến [14, 15, 16]............................................... 49
IV.2.3. Cấu hình trạm tham gia mạng mô phỏng.......................................................... 50
IV.2.4. Tạo các nguồn sinh lưu lượng........................................................................... 53
IV.3. Thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả........................................................... 55
IV.3.1. Thí nghiệm 4.1.................................................................................................. 55
IV.3.2. Thí nghiệm 4.2.................................................................................................. 63
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO........................................ 67
Tóm tắt các kết quả chính đã đạt được của luận văn.................................................... 67
Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài......................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 69

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
QoS
LAN
WLAN
IEEE

DCF

PCF
DIFS

SIFS

CSMA/CA

RTS

CTS


HCF
EDCA

HCCA

EDCAF

AIFS

TXOP
NS-2
CBR
UDP

TCP

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mạng không dây có cơ sở hạ tầng............................................................... 21
Hình 2.2: Mạng không dây ad-hoc.............................................................................. 22

Hình 2.3: Cấu trúc chuẩn IEEE 802.11 và cầu nối...................................................... 23
Hình 2.4: Tầng giao thức trong chuẩn IEEE 802.11.................................................... 23
Hình 2.5: Định dạng của một frame quy định trong FHSS 802.11 PHY.....................24
Hình 2.6: Định dạng của một frame quy định trong DSSS 802.11..............................25
Hình 2.7: Giao thức truy cập CSMA/CA..................................................................... 27
Hình 2.8: DCF sử dụng giao thức CSMA/CA............................................................. 28
Hình 2.9: DCF sử dụng RTS/CTS............................................................................... 28
Hình 2.10: DCF sử dụng RTS/CTS giải quyết vấn đề trạm ẩn....................................29
Hình 2.11: PCF sử dụng việc hỏi vòng........................................................................ 30
Hình 3.1: Loại AC với hàng đợi, AIFS, CW và đồng hồ quay lui................................ 35
Hình 3.2: Định độ ưu tiên dựa trên AIFS.................................................................... 37
Hình 3.3: Contention Free Bursting (CFB).................................................................. 40
Hình 3.4: Kiến trúc tầng MAC IEEE 802.11e............................................................. 41
Hình 3.5: Data frame tại tầng MAC và trường QoS.................................................... 42
Hình 3.6: Trường TID trong định nghĩa trong trường thông tin QoS........................... 43
Hình 3.7: Thành phần tập tham số EDCA................................................................... 44
Hình 3.8: Thành phần QoS Capability......................................................................... 44
Hình 4.1: Cấu trúc của bộ mô phỏng NS-2.................................................................. 47
Hình 4.2a: Mô hình mô phỏng khảo sát đảm bảo QoS trong trường hợp các lưu lươngg
đươcg sinh ra từ các ứng dungg chaỵ trên các traṃ không dây khác nhau .....................57

6


Hình 4.2b: Mô hình mô phỏng khảo sát đảm bảo QoS trong trường hợp các lưu lươngg
đươcg sinh ra từ các ứng dungg chaỵ trên cùng môṭtraṃ không dây............................... 57
Hình 4.3: Sư bg iến thiên thông lươngg và độ trễ đầu cuối – đầu cuối của các lưu lươngg
trong trường hơpg các lưu lươngg đươcg sinh từ các ứng dungg chaỵ trên các t rạm không
dây khác nhau.............................................................................................................. 59
Hình 4.4: Sư bg iến thiên thông lươngg và độ trễ đầu cuối – đẩu cuối của các lưu lươngg

trong trường hơpg các lưu lươngg đươcg sinh từ các ứng dungg cha g y trên cùng môṭtraṃ
không dây.................................................................................................................... 60
Hình 4.5: Sư bg iến thiên thông lươngg và độ trễ đầu cuối – đẩu cuối của các lưu lươngg
trong trường hơpg các lưu lươngg đươcg sinh từ các ứng dụng chạy trên cùng các trạm
không dây khác nhau................................................................................................... 61
Hình 4.6: Sư bg iến thiên thông lươngg và độ trễ đầu cuối – đẩu cuối của các lưu lươngg
trong trường hơpg các lưu lươngg đươcg sinh từ các ứng dungg chaỵ trên cùng các traṃ
không dây khác nhau................................................................................................... 62
Hình 4.7: Cấu hình mô phỏng thí nghiệm 4.2.............................................................. 63
Hình 4.8: Sư bg iến thiên thông lươngg của các lưu lượng theo tải đưa vào mạng..........64
Hình 4.9: Sư bg iến thiên độ trễ đầu cuối – đầu cuối các lưu lươngg theo tải đưa vào
mạng............................................................................................................................ 65

7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Ánh xạ giữa UP và AC tương ứng............................................................... 34
Bảng 3.2: Giá trị mặc định của những tham số EDCA................................................ 36
Bảng 3.3: Tham số cửa sổ tranh chấp sử dụng với các tầng vật lý khác nhau.............38
Bảng 4.1: Các tham số hệ thống sử dụng trong mô phỏng..........................................64

8


GIỚI THIỆU CHUNG
Internet ngày nay trở thành một thành phần không thể thiếu cho sự phát triển của
xã hội. Con người dùng Internet ở khắp mọi nơi, trong thời điểm, mọi hoàn cảnh. Nó
là công cụ trao đổi, tìm kiếm thông tin nhanh chóng và thuận lợi nhất, giúp nâng cao
hiệu suất làm việc của con người. Chính vì lẽ đó, nhiều chính phủ, tổ chức và công ty

coi nó là một nền tảng nhất thiết phải xây dựng nhằm thúc đẩy và đảm bảo tính bền
vững của sự phát triển. Cùng với phát triển của Internet, các ứng dụng đa phương tiện
ra đời là một nhu cầu tất yếu của con người giúp biểu diễn thông tin trực quan, sinh
động, phong phú và dễ hiểu hơn. Tuy vậy, các ứng dụng này thường đòi hỏi phải được
đảm bảo những yêu cầu về băng thông, độ trễ rất khắt khe. Đảm bảo chất lượng dịch
vụ (QoS) từ đó trở thành một lĩnh vực nghiên cứu, phát triển và ứng dụng thu hút được
nhiều sự quan tâm của các tổ chức, viện nghiên cứu, trường đại học và các nhà khoa
học trên toàn thế giới. Đối với mạng có dây, do khả năng cung cấp được băng thông
lớn, đường truyền ít lỗi, vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trở nên khá dễ dàng.
Nhằm đáp ứng nhu cầu của con người sử dụng mạng trong khi di chuyển hoặc tại
những nơi mà không thể thiết lập đường truyền có dây, mạng không dây được phát
triển. Việc đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng không dây khó khăn hơn rất nhiều do
đặc tính truyền môi trường truyền của mạng không dây không đồng đều, không được
bảo vệ nên tỉ lệ lỗi lớn; các thiết bị không dây thường sử dụng năng lượng dự trữ công
suất thấp; công nghệ truyền thông phát triển trong một thời gian ngắn chưa cung cấp
được một băng thông rộng.
Mạng LAN không dây IEEE 802.11 tuy mới được phát triển và sử dụng gần đây
nhưng đã trở nên rất phổ biến. Ta có thể thấy nó ở trong các gia đình, công sở và các
trung tâm công cộng. Trong một số nghiên cứu, các tác giả đã cho thấy sự kém hiệu
quả của chuẩn mạng này trong đảm bảo chất lượng dịch vụ. IEEE 802.11e, một phiên
bản nâng cấp của IEEE 802.11, được IEEE công bố gần đây là một mạng tương lai,
khắc phục được những thiếu sót của mạng LAN không dây IEEE 802.11. Đây sẽ là
một vấn đề được tôi nghiên cứu trong nội dung của luận văn này.
Luận văn “Nghiên cứu các chiến lược đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trong các
mạng không dây” của tôi gồm 5 chương. Nội dung chính của các chương như sau:
 Chương I: Giới thiệu tổng quan một số vấn đề chọn lọc của đảm bảo chất

lượng dịch vụ. Trong chương này, chúng ta cùng tìm hiểu chất lượng dịch vụ là
gì; sự cần thiết phải đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng hiện đại; các

9


đại lượng chất lượng dịch vụ và các ứng dụng khác nhau cần đảm bảo các đại
lượng với yêu cầu khác nhau như thế nào; những khó khăn trong việc phát triển
các chiến lược đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các mạng có dây và không dây;
và một số những cơ chế đảm bảo dịch vụ tiêu biểu;
 Chương II: Ở chương thứ hai này, chúng ta cùng tìm hiểu về mạng IEEE

802.11 – mạng LAN không dây đang được sử dụng phổ biến nhất trong cuộc
sống. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết về hai chức năng điều khiển truy cập
môi trường truyền: cộng tác phân tán DCF (Distributed Coordination Function)
và cộng tác theo điểm PCF (Point Coordination Function). Sau đó, dưạ trên
nghiên cứu lý thuyết về nguyên lýhoaṭđôngg của hai chức năng DCF , tôi đưa ra
môṭsốluâṇ cứ vềsư hg aṇ chếtrong đảm bảo chất lươngg dicḥ vu gcủa chức năng
này.
 Chương III: Trong chương này, tôi trình bày về các chiến lược đảm bảo chất

lượng dịch vụ áp dụng trong mạng LAN không dây IEEE 802.11e, tập chung
nghiên cứu hoạt động của cơ chế điều khiển truy cập kênh truyền phân tán nâng
cao (Enhanced Distributed Channel Access - EDCA) trong chức năng cộng tác
lai (Hybrid Coordination Function - HCF) mà IEEE 802.11e cung cấp. Cùng
với đó, tôi sẽ giới thiệu và phân tích vai trò của các tham số EDCA trong việc
phân loại và xử lý ưu tiên các lưu lượng để làm sáng tỏ cơ chếhoạt động đảm
bảo chất lượng dịch vụ của EDCA.
 Chương IV: Chương này nghiên cứu khả năng mô phỏng mạng không dây sử
dụng bộ mô phỏng NS-2, các cách thức xây dựng và cấu hình mạng mô phỏng.
Nôịdung chinh́ trong chương này , tôi trinh̀ bày các thí nghiệm mô phỏng với
mục đích khảo sát sự hạn chế trong đả m bảo chất lươngg của mangg LAN không
dây IEEE 802.11; chưng thưcg kha năng đam bao c hất lươngg dicḥ vu cg ua cơ chế

́

EDCA sử dungg trong
đôngg đam bao chất lươngg dicḥ vu gcua EDCA khi tai cua mangg thay đổi .
̉

• Chương V: Chương V la chương cuối cung cua luâṇ văn . Tôi se
dung đã thực hiện trong luận văn và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

10


CHƢƠNG I. CHẤT LƢỢNG VÀ YÊU CẦU CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ
(QoS)
ARPANET, tiền thân của Internet hiện nay, bắt nguồn từ một mạng dữ liệu thử
nghiệm thuộc dự án nghiên cứu phòng thủ cấp cao DARPA (Defense Advanced
Research Projects Agency) của Mỹ vào đầu những năm 60, được xây dựng trên mô
hình mạng chuyển mạch gói (datagram). Theo đó, mỗi gói tin mang địa chỉ nguồn và
địa chỉ đích, sẽ được truyền độc lập từ nguồn đến đích thông qua một mạng máy tính.
Chồng giao thức TCP/IP được phát triển vào những năm giữa thập kỉ 80 cho phép các
mạng khác nhau trên thế giới liên kết tạo thành một mạng dịch vụ toàn cầu. Mạng
Internet chính là một tập hợp của các mạng trên toàn thế giới liên kết lại với nhau. Ban
đầu, mạng Internet được các nhà khoa học sử dụng cho việc nghiên cứu và trao đổi
thông tin. Truy cập từ xa, truyền tệp, e-mail là các ứng dụng phổ biến và mô hình
mạng datagram đáp ứng được tốt cho các ứng dụng này. Cho đến hiện nay, Internet
cung cấp các dịch vụ kiểu best-effort (nỗ lực tối đa) - loại dịch vụ đơn giản nhất mà
một mạng có thể cung cấp, không hỗ trợ bất kì hình thức bảo đảm chất lượng nào cho
các lưu lượng truyền thông trên mạng. Khi xảy ra tắc nghẽn, các gói tin sẽ bị xóa khỏi
hàng đợi tại các router khi kích thước hàng đợi là quá lớn và giao thức TCP đảm bảo
cho các gói tin bị mất này sẽ được truyền lại. Do cơ chế hoạt động của mạng xử lý

công bằng đối với mọi gói tin, nên bất cứ dòng dữ liệu nào cũng có thể gặp phải tình
trạng tắc nghẽn. Dịch vụ best-effort phù hợp với một số ứng dụng chấp nhận được độ
trễ lớn, thông lượng thấp hay thăng giáng độ trễ cao song rõ ràng là nó không đáp ứng
được sự đòi hỏi của nhiều ứng dụng mới như những ứng dụng truyền thông đa phương
tiện. Chính vì thế, chúng ta cần có những kiến trúc mạng mới có thể phân bổ tài
nguyên với các mức độ đòi hỏi chất lượng dịch vụ khác nhau cho mạng Internet để
phát triển thành một mạng đa dịch vụ.
Vào cuối những năm 80, Hiệp hội viễn thông quốc tế (The International
Telecommunication Union - ITU) lựa chọn một mô hình hoạt động mạng mới là chế
độ truyền không đồng bộ (Asynchronous Transfer Mode - ATM) cho mạng kỹ thuật số
dịch vụ tích hợp băng thông rộng B-ISDN (Broadband-Integrated Service Digital
Network). Mục tiêu của ATM là cung cấp một mạng đa dịch vụ toàn cầu có khả năng
hỗ trợ các ứng dụng với yêu cầu hoạt động mạng đa dạng. Đây là một công nghệ dồn
kênh, chuyển mạch tế bào và có hiệu suất họat động cao tận dụng các gói tin có độ dài
cố định để mang các loại tải khác nhau. ATM được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng
truyền dữ liệu, âm thanh, hình ảnh theo thời gian thực và các ứng dụng đa phương tiện
mới sẽ suất hiện trong tương lai trong một mạng duy nhất. Tuy nhiên, ATM đã không

11


được triển khai một cách phổ biến và do vậy nó đã không thành công trong việc đưa ra
các dịch vụ mà nó hướng đến trên phạm vi toàn cầu.
Những năm tháng thập kỉ 90 đã chứng kiến sự bùng nổ sử dụng Internet do sự ra
đời của Web. Chính Web đã mang Internet đến với hàng triệu người trên khắp thế giới,
đến tới từng gia đình và các doanh nghiệp, tổ chức. Web về cơ bản đã thay đổi
Internet, làm cho nó trở thành mạng cộng đồng lớn nhất thế giới. Hoạt động của Web
cũng là nền tảng cho sự phát triển của các ứng dụng mới, như những ứng dụng thương
mại điện tử, các dịch vụ đa phương tiện, VoIP, giao tiếp trực tuyến, P2P (peer-to-peer),
v.v…

Sự phát triển mạnh mẽ và rộng khắp của Internet đã mang lại những thách thức
mới. Nhiều trong số các ứng dụng mới có những đòi hỏi khác so với những gì ban đầu
Internet được thiết kế. Mô hình datagram của Internet rất hạn chế về khả năng quản lý
tài nguyên nội mạng và không thể đưa ra bất kì bảo đảm tài nguyên nào cho người
dùng. Điều này có nghĩa là khi một điểm nào đó của Internet bị quả tải, hoạt động của
tất cả các lưu lượng truyền qua nó đều sẽ bị ảnh hưởng như nhau. Do Internet đã trở
nên không thể thiếu trong cuộc sống và công việc hàng ngày của chúng ta, tình trạng
không đảm bảo được chất lượng dịch vụ vận chuyển của nó là một vấn đề cần phải
giải quyết. Do vậy, trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng thiết kế lại
Internet để nó có thể vừa hỗ trợ được nhiều loại ứng dụng khác nhau đồng thời thỏa
mãn các yêu cầu về chất lượng dịch vụ của chúng. Chính điều này đã dẫn đến thuật
ngữ chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) mạng Internet
Chất lượng dịch vụ Internet được định nghĩa là việc quản lý các nguồn tài nguyên
mạng sẵn có để đảm bảo hoạt động nhất quán và có thể biết trước về độ trễ (latency),
thăng giáng độ trễ (jitter), tỉ lệ mất gói tin (loss), thông lượng (throughput) và tính sẵn
sàng (availability) theo yêu cầu của người dùng. Chất lượng dịch vụ Internet là một
khái niệm mà qua đó các ứng dụng có thể chỉ ra và đàm phán về yêu cầu cụ thể của họ
đối với mạng. Về cơ bản, chất lượng dịch vụ cho phép hoặc là đảm bảo các dịch vụ
được yêu cầu của tất cả các ứng dụng hoặc cung cấp dịch vụ tốt hơn cho các ứng dụng
nhất định để thỏa mãn yêu cầu chất lượng dịch vụ tối thiểu của người dùng. Điều này
có thể đạt được bằng cách cài đặt các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ trong các
thiết bị mạng.
Một cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ là một tập giao thức được thiết kế để cho
các thiết bị mạng để phục vụ các ứng dụng cạnh tranh trong Internet bằng cách làm
theo tập chính sách định sẵn. Nhiệm vụ của các chính sách trong cơ chế đảm bảo chất
lượng dịch vụ là xác định khi nào một thiết bị mạng nên phục vụ các gói tin của một

12

ứng dụng cụ thể trong khi đã có gói tin của các ứng dụng cạnh tranh khác. Các cơ chế
chất lượng dịch vụ trong Internet đòi hỏi thay đổi hoặc là một phần hay tất cả mạng
Internet. Thế nên, để cung cấp chất lượng dịch vụ Internet, cần phải cung cấp hay định
cấu hình các thiết bị mạng để chúng có thể phân loại các dòng lưu lượng, ứng dụng
các cơ chế quản lý bộ nhớ đệm (buffer) và các thuật toán lập lịch gói tin. Nhìn chung,
các cơ chế chất lượng dịch vụ cho ta một bộ công cụ để quản lý việc sử dụng tài
nguyên mạng một cách hiệu quả và có kiểm soát.
Có nhiều cơ chế đã và đang được đề xuất cho việc đảm bảo chất lượng dịch vụ
Internet. Đầu tiên phải kể đến cơ chế sử dụng quy tắc lập lịch cụ thể cho các gói tin
trong bộ định tuyến (router) mạng. Các thuật toán lập lịch đã được nghiên cứu và phát
triển trong hàng thập kỷ. Trong hai thập kỉ trước, việc lập lịch gói tin trong bộ định
tuyến đã trở thành một vấn đề được tập trung nghiên cứu, trong đó hầu hết mọi sự chú
ý đều hướng vào loại hình thuật toán lập lịch chia sẻ bộ xử lý (processor sharing- PS).
Thuật toán chia sẻ bộ xử lý có nhiều điểm thú vị: Nó bảo đảm sự phân bổ băng
thông công bằng trong khoảng max-min giữa các dòng lưu lượng tranh chấp kênh
truyền; cung cấp khả năng phát hiện và loại trừ các dòng lưu lượng xấu (misbehave);
và cho phép thiết lập giới hạn độ trễ đầu cuối - đầu cuối cho các dòng lưu lượng riêng
lẻ. Mặc dù có các đặc tính tốt, lập lịch PS vẫn chưa được triển khai. Thay vào đó, các
bộ định tuyến vẫn thi hành cơ chế lập lịch first-in first-out (FIFO) (còn gọi là firstcome first-serve - FCFS) và những cơ chế quản lý hàng đợi như Random Early
Detection (RED).Ví dụ khác về đề xuất giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ bao gồm
dịch vụ tích hợp (Integrated services - Intserv), dịch vụ có phân biệt (Differentiated
services - Diffserv)....
Trong chương này, tôi xin được giới thiệu tổng quan về đảm bảo chất lượng dịch
vụ bao gồm: 1/ Những đại lượng cần đảm bảo chất lượng. 2/ Những ứng dụng đòi hỏi
cần đảm bảo chất lượng dịch vụ. 3/ Những vấn đề gặp phải khi thiết kế cơ chế đảm bảo
chất lượng dịch vụ trong mạng có dây, mạng không dây. 4/ Một vài cơ chế đảm bảo
chất lượng dịch vụ tiêu biểu. Trong đoạn kết của phần này, chúng ta cùng tìm hiểu
người dùng cảm nhận đối với từng đại lượng cần đảm bảo dịch vụ như thế nào.
I.1. Đại lƣợng cần đảm bảo chất lƣợng dịch vụ
Đảm bảo chất lượng dịch vụ chủ yếu là việc đảm bảo cho những tham số hiệu năng

mạng chính sau luôn nằm trong các miền giá trị xác định:
1. Băng thông: Băng thông là một trong những tham số quan trọng nhất được tính

bằng lượng dữ liệu được truyền trong một đơn vị thời gian. Một vài thuật ngữ

13


khác hay được dùng thay thế cho băng thông như: tốc độ dữ liệu (data rate), tốc
độ truyền thông (transmission rate), tốc độ bit (bit rate) hay dung lượng
(capacity). Đối với một ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu với tốc độ ổn định, bất
cứ sự suy giảm băng thông nào cũng có thể dẫn đến sự mất mát dữ liệu hay trễ
dữ liệu quá mức cho phép. Ứng dụng với đặc điểm như vậy được coi là ứng
dụng nhạy cảm với băng thông. Các ứng dụng truyền thông đa phương tiện điển
hình cho nhóm này là streaming media, Internet telephony hay VoIP và video
conferencing. Những ứng dụng này đòi hỏi băng thông ổn định và sự thay đổi
của băng thông có thể tác động mạnh đến chất lượng của những ứng dụng này.
Do đặc tính nhạy cảm với băng thông của các ứng dụng này, đôi khi chúng
được coi là các ứng dụng khó thích nghi. Mặt khác những ứng dụng có khả
năng thích nghi không đòi hỏi ràng buộc chặt chẽ về băng thông, nghĩa là chúng
chấp nhận được một mức độ biến thiên băng thông nhất định. Những ứng dụng
này thường là những ứng dụng truyền dữ liệu như email, truyền file, web và tin
nhắn nhanh (instant messaging). Băng thông thường được đo theo số bit được
truyền đi trong một giây. Khi đó, đảm bảo thông lượng là đảm bảo lượng dữ
liệu truyền từ bên gửi đến bên nhận trong một đơn vị thời gian không ít hơn
một giá trị xác định.
2. Độ trễ: Các ứng dụng tương tác thời gian thực như điện thoại Internet (VoIP),
hội thảo truyền hình (video conferencing), thực tế ảo (Virtual Reality), và game
online rất dễ bị ảnh hưởng bởi độ trễ và thăng giáng độ trễ. Độ trễ cao sẽ ảnh
hưởng nghiêm trọng tới chất lượng của các ứng dụng này. Một thông số đo

quan trọng là độ trễ đầu cuối - đầu cuối, tính bằng thời gian từ khi ứng dụng của
bên gửi tạo ra một gói tin tới khi ứng dụng bên nhận nhận được gói tin. Độ trễ
đầu cuối bao gồm tất cả các khoảng thời gian trễ có thể xảy ra trong suốt quá
trình truyền tải dữ liệu, cụ thể là độ trễ truyền (transmission), độ trễ lan truyền
(propagation), và độ trễ do xếp hàng tại các hàng đợi. Độ trễ truyền là quãng
thời gian để truyền dữ liệu vào kênh truyền và phụ thuộc trực tiếp băng thông
có sẵn của kênh truyền và độ dài gói tin. Ví dụ, 1 gói tin 1024 byte mất xấp xỉ
gần 8 microsecond để truyền lên đường truyền có băng thông 2 Mbps. Độ trễ
lan truyền (propagation delay) phụ thuộc vào tốc độ lan truyền của tín hiệu qua
đường truyền và độ dài của đường truyền đó. Ví dụ, sóng điện từ truyền trong
không gian có tốc độ tương đương với tốc độ của ánh sáng là 3x10 8 m/s. Độ trễ
do xếp hàng tại các hàng đợi là thời gian gói tin phải chờ trong hàng đợi trước
khi được truyền đi. Độ lớn của độ trễ do xếp hàng chờ của gói tin phụ thuộc số
lượng gói tin đến trước nó đã chờ sẵn trong hàng đợi. Các mức ràng buộc cho
độ trễ đầu cuối - đầu cuối được áp dụng chặt chẽ trong các ứng dụng âm thanh

14


và hình ảnh thời gian thực. Ví dụ điện thoại Internet chỉ chấp nhận độ trễ dưới
150 mili giây. Đảm bảo độ trễ là đảm bảo một gói dữ liệu truyền từ bên gửi tới
bên nhận với độ trễ không quá một khoảng thời gian được xác định trước.
3. Thăng giáng độ trễ: Một đại lượng khác liên quan đến độ trễ là thăng giáng độ
trễ, được định nghĩa là độ biến đổi của độ trễ, và rất quan trọng trong các ứng
dụng đa phương tiện cần tốc độ ổn định (constant bit rate). Đối với ứng dụng
cần tốc độ giải mã dữ liệu tại bên nhận đồng bộ với tốc độ mã hóa dữ liệu tại
bên gửi, thăng giáng độ trễ cao làm ảnh hưởng đến việc giải mã dữ liệu tại bên
nhận. Hầu hết các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực đều bị ảnh hưởng
mạnh bởi thăng giáng độ trễ. Việc áp dụng kỹ thuật nhớ đệm (buffer) sẽ làm
giảm sự ảnh hưởng của thăng giáng trễ. Khi đó, các gói tin nhận được sẽ được

lưu và sắp xếp tại vùng nhớ đệm, sau đó quá trình giải mã mới bắt đầu và giải
mã dữ liệu đã được lưu trong vùng nhớ đệm. Số lượng dữ liệu được lưu tạm tại
bộ nhớ đệm được xác định theo độ trễ tối đa và tốc độ dữ liệu thực. Đảm bảo
thăng giáng độ trễ là đảm bảo trong quá trình truyền thông, độ thăng giáng độ
trễ không vượt quá một giá trị cho phép.
4. Tỉ lệ mất mát dữ liệu: Các ứng dụng đa phương tiện nhìn chung được phân
loại theo sự ảnh hưởng của băng thông hoặc độ trễ và thăng giáng trễ, chúng có
thể chấp nhận sự mất mát dữ liệu thoát ở tỉ lệ nhất định. Tác động của tỉ lệ mất
mát dữ liệu đối với chất lượng ứng dụng phụ thuộc rất nhiều vào chính ứng
dụng và kỹ thuật mã hóa được sử dụng. Tuy vậy, các ứng dụng hướng dữ liệu
như email, truyền tệp, web thông thường rất nhạy cảm với sự mất mát dữ liệu.
Chúng có thể chấp nhận độ trễ lớn hoặc thông lượng nhỏ nhưng yêu cầu truyền
dữ liệu tin cậy.
I.2. Những ứng dụng yêu cầu đảm bảo chất lƣợng dịch vụ
Hiện nay, có nhiều ứng dụng để hoạt động chính xác yêu cầu cần phải được đảm
bảo chất lượng dịch vụ theo mức những xác định.
Thứ nhất, và có thể quan trọng nhất, cần có sự đảm bảo chất lượng dịch vụ cho
những ứng dụng truyền thông đa phương tiện. Trong những năm gần đây, một số nhà
cung cấp đã bắt đầu cung cấp một số dịch vụ truyền audio tương tác thời gian thực qua
mạng chuyển mạch gói như điện thoại internet, VoIP, các dịch vụ video trực tuyến …
Khó khăn đặc biệt cho việc truyền tải audio/video là: để đạt hiệu quả cao, một số
phương pháp nén mã hoá luồng dữ liệu với tốc độ biến thiên (Variable Bit Rate VBR), trong khi thông lượng yêu cầu lại cần được đảm bảo với tốc độ cao nhất của
luồng dữ liệu, như vậy sẽ làm lãng phí tài nguyên mạng. Cơ chế tốt hơn là có thể đảm

15


bảo thông lượng ở mức trung bình và cho phép truyền với lưu lượng thăng giáng với
độ trễ và tỉ lệ mất gói tin nhỏ.
Thứ hai ta phải kể đến các hệ thống thời gian thực (real-time system) sử dụng

mạng máy tính yêu cầu luồng dữ liệu ổn định (constant stream) với tốc độ lớn hơn
hoặc bằng thông lượng cần thiết, độ trễ nhỏ... Ví dụ các hệ thống live streaming video,
truyền hình trực tiếp một trận bóng đá, một live show ca nhạc hay một sự kiện xã hội
quan trọng qua mạng Internet, trong đó, luồng video và audio được truyền đi với tốc
độ không đổi. Nếu hệ thống mạng không có các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, có
thể thông lượng không đạt được mức cho phép; độ trễ truyền, thăng giáng độ trễ hay tỉ
lệ mất gói tin là lớn, chất lượng của hình ảnh và âm thanh truyền đến người xem có thể
là tồi, không thu hút được người theo dõi sự kiện đó trên Internet. Một ví dụ khác về
hệ thống thời gian thực đòi hỏi phải có các đảm bảo chất lượng dịch vụ là các hệ thống
các phương tiện giao thông quân sự được kết nối và liên lạc sử dụng một mạng máy
tính. Nếu mất quá nhiều thời gian để dữ liệu đến được phương tiện đó, hoặc nếu dữ
liệu bị thất lạc, lúc đó việc nhận thức được tình hình của người vận hành phương tiện
sẽ giảm. Vấn đề này còn lớn hơn khi các thiết bị hệ thống tự động, như là các vũ khí tự
động, cần có thông tin từ hệ thống máy tính để hỗ trợ chúng trong việc nhận biết và xử
lý được các tình huống.
Cuối cùng, người dùng Internet luôn mong muốn nhà cung cấp dịch vụ Internet
(ISPs) đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mình, nhất là khi họ chạy những ứng dụng cần
đảm bảo chất lượng dịch vụ. Khi người dùng đã đăng ký với nhà cung cấp dịch vụ gói
dịch đáp ứng được yêu cầu ứng dụng, mặc dù người dùng không có yêu cầu như vậy,
nhưng họ vẫn muốn nhà cung cấp dịch vụ Internet đáp ứng các yêu cầu đảm bảo dịch
vụ vì đó là những điều khoản được đưa ra trong thỏa thuận
I.3. Cơ chế đảm bảo dịch vụ trong mạng có dây
Khi thiết kế cơ chế cung cấp chất lượng dịch vụ cho một mạng, chúng ta sẽ gặp
phải những vấn đề khó khăn do các đặc tính vốn có của mạng. Trong đó, sự tắc nghẽn
mạng là vấn đề phức tạp nhất và chúng ta phải xử lý trước tiên. Một mạng bị tắc
nghẽn, các gói tin sẽ phải chờ đợi thời gian lớn hơn ở các hàng đợi tại các router, chính
vì vậy độ trễ đầu cuối tăng lên. Khi mà số lượng gói tin tại hàng đợi quá lớn, trình lập
lịch sẽ phải xóa gói tin tại hàng đợi và bỏ qua những gói tin đến, điều này gây ra sự
mất dữ liệu. Mạng càng tắc nghẽn, độ trễ càng lớn, tỉ lệ thất thoát dữ liệu lớn làm hạn
chế thông lượng và tất yếu không đảm bảo dịch vụ được cho ứng dụng. Một khó khăn

khác liên quan đến định tuyến nhiều đường (multi-path routing). Một nguồn gửi hai
gói tin cùng đến một đích, cơ chế định tuyến không bảo đảm là chúng đi cùng một

16


đường. Nếu một đường nào đó có nhiều chặng (hop) hay bị tắc nghẽn hơn đường kia
thì các gói tin sẽ không đến đích cùng lúc hay theo đúng tuần tự chúng được gửi đi.
Hiện tượng này có thể gây độ trễ và thăng giáng độ trễ vượt quá mức cho phép của
ứng dụng.
Trong vài thập kỷ gần đây, một số cơ chế được được áp dụng để cung cấp chất
lượng dịch vụ trong mạng truyền thống, một vài hệ thống cho phép đặt trước tài
nguyên mạng trong quá trình cài đặt, một số hệ thống khác cho phép đặt trước tài
nguyên mạng trên cơ sở tầng lớp của lưu lượng và cung cấp sự bảo đảm chất lượng
dịch vụ mang tính thống kê.
Một cơ chế cung cấp chất lượng dịch vụ được tích hợp vào trong phương thức
truyền không đồng bộ - ATM là sử dụng mạch ảo. Mạch ảo tạo ra trong giai đoạn thiết
lập đường truyền, trong đó đường đi từ bên gửi đến bên nhận được cố định và tài
nguyên được phân bổ tại từng chặng. Bất kỳ dịch vụ mạng nào cần đảm bảo chất
lượng cũng có thể được cung cấp trong mạng ATM vì những tài nguyên cần thiết cho
kết nối đã được dành riêng khi thiết lập mạch ảo. Tuy nhiên, ATM không hiệu quả lắm
xét về khía cạnh tận dụng tài nguyên vì trên thực tế tài nguyên được dành riêng ngay
cả khi kết nối không có dữ liệu để truyền.
Cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ khác là dịch vụ tích hợp (Integrated Services IntServ). Dịch vụ tích hợp sử dụng phương pháp thiết lập cuộc gọi để dành trước tài
nguyên trên đường truyền từ bên gửi đến bên nhận. Khá giống với ATM, dịch vụ tích
hợp dành trước tài nguyên cho từng luồng dữ liệu cơ sở mà trong đó bao gồm tất cả
lưu lượng của mạng (network traffic) đảm bảo cho ứng dụng. Khác với ATM, dịch vụ
tích hợp hoạt động trên một mạng không đồng nhất, ở đó có thể có cung cấp cả những
dịch vụ tích hợp và không tích hợp tại mỗi node. Do vậy, dịch vụ tích hợp phải có các
cơ chế để bảo đảm cận trên của độ trễ hàng đợi tại mỗi chặng (hop). Dịch vụ tích hợp

đồng thời cung cấp dịch vụ kiểm soát tải (controlled-load service) nhờ đó không tạo ra
sự bảo đảm dịch vụ cứng nhắc nào. Tuy vậy, dịch vụ tích hợp hiện nay chỉ được áp
dụng cho các ứng dụng truyền thông đa phương tiện thời gian thực trên mạng của một
số nhà cung cấp dịch vụ nhất định.
Chiến lược đảm bảo chất lượng dịch vụ tiếp theo là Dịch vụ có phân biệt
(DiffServ). Trong DiffServ, các trạm biên (Edge router) đánh dấu gói tin tương ứng với
lớp dịch vụ mà ứng dụng yêu cầu, đồng thời định hướng lưu lượng đảm bảo không gửi
quá nhiều dữ liệu tại một thời điểm. Bên phía trong lõi của mạng, các “Core router” sẽ
đọc và phân loại những gói tin được đánh dấu này theo từng lớp dịch vụ để sau đó,
những gói tin này được chuyển tiếp dựa trên cơ chế đáp ứng theo lớp dịch vụ

17


được cài đặt tại router. Ví dụ, một gói tin đánh dấu ưu tiên chuyển tiếp sẽ mất ít thời
gian chờ đợi tại hàng đợi router hơn một gói tin best-effort thông thường. Ưu điểm chủ
yếu dịch vụ phân biệt so với dịch vụ tích hợp là đơn giản và hiệu quả hơn, vì thực tế
router không cần lưu và xử lý thông tin một cách chi tiết cho từng luồng dữ liệu khác
nhau. Tuy nhiên, dịch vụ phân biệt có thể khó áp dụng cho các mạng không đồng nhất
(heterogeneous network), và khả năng bảo đảm dịch vụ có thể bị xâm phạm trong toàn
bộ mạng nếu trạm biên không đánh dấu hay hoặc định hướng lưu lượng một cách
chính xác.
I.4. Vấn đề phát sinh khi đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho mạng không dây.
Như đã đề cập ở trên, để cung cấp đảm bảo dịch vụ trong mạng có dây truyền
thống ta phải giải quyết rất nhiều vấn đề. Tất cả các vấn đề đó đều tồn tại trong mạng
không dây. Hơn nữa, do đặc tính không dây và di động, có rất nhiều những vấn đề mới
phát sinh làm cho những cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ áp dụng tốt cho các mạng
có dây truyền thống khả năng không áp dụng được trong các mạng không dây.
Vấn đề đầu tiên cần quan tâm khi thực hiện đảm bảo chất lượng dịch vụ trong
mạng không dây là tỉ lệ mất mát dữ liệu tương đối lớn, một phần do tắc nghẽn mạng,

một phần do tỉ lệ lỗi trong mạng không dây cao hơn nhiều lần so với tỉ lệ đó trong
mạng có dây. Ngoài ra, do bản chất của truyền không dây và tính di động của các nút
mạng, các hiện tượng trạm ẩn (Hidden terminal), trạm lộ (Exposed Terminal), tín hiệu
truyền theo nhiều đường (multi-path propagation) … làm giảm đáng kể thông lượng
của mạng không dây [1].
Một vấn đề khác là độ trễ truyền. Đối với những mạng không dây trải rộng với
khoảng cách tính bằng ki-lô-mét, độ trễ truyền tải có thể là gánh nặng rất lớn đối với
tất cả các truyền thông, nhưng đặc biệt vẫn là truyền thông mà đòi hỏi sự bảo đảm về
sự trì hoãn tổng thể (a guarantee on total delay). Vấn đề này có thể tồn tại ở một mức
độ nhất định trong các mạng đô thị (Metropolitan Area Networks - MANs), và nó là
một vấn đề quan trọng trong truyền thông vệ tinh (satellite communications).
Tiếp đó, cũng có những lúc người ta mong muốn có sự bảo đảm dịch vụ trong
mạng ad-hoc (MANET). Những mạng này cơ bản có thể không có một cơ sở hạ tầng
hay bộ điều phối để quyết định trạm nào được phép truy cập kênh chia sẻ. Thay vào
đó, các trạm phải tranh chấp với nhau để truy cập. Sự tranh chấp này dẫn đến rất nhiều
xung đột mà kết quả là tỷ lệ mất dữ liệu và độ trễ tương đối lớn. Cơ chế đảm bảo chất
lượng dịch vụ cho các mạng MANET nhìn chung đi theo hướng tạo ra các thứ tự ưu
tiên cho các lưu lượng và tối ưu khoảng thời gian lãng phí quá trình tranh chấp (Lưu
lượng có thứ tự ưu tiên cao sẽ thắng thế trong quá trình tranh chấp với lưu lượng ưu

18


tiên thấp. Cũng tương tự, lưu lượng có độ ưu tiên cao hơn sẽ truy cập kênh với thời
gian tranh chấp là ít hơn, kết quả là phải chịu độ trễ ít hơn).
Cuối cùng, sự di động của các trạm sẽ làm cho việc duy trì chất lượng dịch vụ
trong mạng trở lên khó khăn hơn. Ví dụ, một cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ dành
trước tài nguyên, nếu trạm gửi di chuyển, một định tuyến sẽ được thiết lập từ trạm gửi
đến trạm đích. Trong trường hợp này, rất có khả năng là không thể thiết lập một định
tuyến nào cung cấp mức độ bảo đảm dịch vụ chấp nhận được giống như định tuyến

trước, vì vậy kết nối bị đứt hoặc phải giảm xuống mức độ dịch vụ thấp hơn. Một vấn
đề tương tự có thể xảy ra nếu bất kỳ một trạm trên định tuyến từ bên gửi đến bên nhận
di chuyển hoặc trạm đích di chuyển cũng kéo theo việc phải thiết lập định tuyến mới.
I.5. Sự tiếp nhận của ngƣời sử dụng về chất lƣợng dịch vụ
Yếu tố cần xem xét cuối cùng khi thảo luận về chất lượng dịch vụ chính là sự tiếp
nhận của người dùng đối với chất lượng dịch vụ. Để tránh lãng phí tài nguyên để dành
cho mỗi ứng dụng cũng như đảm bảo được chất lượng cho mỗi ứng dụng ta cần phải
biết loại bảo đảm dịch vụ nào cần cho ứng dụng đó. Ngoài ra, nếu ta biết được đặc tính
dịch vụ nào ít quan trọng, các giao thức mạng có thể có những quyết định tốt hơn khi
xem xét phải hi sinh dịch vụ nào nếu cần. Các ứng dụng trên nền Internet hiện nay đều
có yêu cầu về chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào chúng xử lý dạng thông tin truyền tải
nào (dạng văn bản, hay dạng đa phương tiện…). Có những ứng dụng yêu cầu chất
lượng dịch vụ khắt khe cho video, audio. Nhưng lại có những ứng dụng chỉ mong
muốn một mức độ dịch vụ nhất định thậm chí đơn giản phụ vụ cho người dùng lướt
web hay đọc email. Đôi khi cũng không có cách định lượng nào để xác định chất
lượng dịch vụ cho một ứng dụng cụ thể, vì vậy cần phải có những người sử dụng ứng
dụng đó ở các mức độ chất lượng dịch vụ khác nhau và hỏi ý kiến phản hồi về những
trải nghiệm của họ. Với cách này, chúng ta có thể kết nối được yếu tố vô hình là nhận
thức về dịch vụ của người dùng và những yếu tố hữu hình đã được nghiên cứu, như là
thông lượng và độ trễ. Các nghiên cứu cho thấy rằng khi lướt web hay đọc email,
người dùng dễ chấp nhận đối với tỷ lệ mất dữ liệu hơn là việc giảm thông lượng
truyền. Những nghiên cứu tương tự cũng đã được tiến hành cho các ứng dụng khác
như audio và video.

19


CHƢƠNG II. CHUẨN MẠNG LAN KHÔNG DÂY IEEE 802.11
IEEE 802.11 MAC, một chuẩn trong họ 802.x LAN, đặc tả công nghệ truyền thông
ở tầng vật lý và lớp truy cập môi trường truyền tương thích với những yêu cầu cho

mạng LAN không dây. Chuẩn này định nghĩa hai chức năng cộng tác truy cập môi
trường truyền bao gồm chức năng cộng tác phân tán - DCF (Distributed Coordination
Function, chức năng được sử dụng phổ biến) và chức năng cộng tác điểm – PCF (Point
Coordination Function). DCF cung cấp một cơ chế truyền thông không đồng bộ dựa
trên CSMA/CA. PCF cung cấp cơ chế truyền thông đồng bộ dựa trên một điểm điều
khiển tập trung và dịch vụ không đồng bộ cung cấp nhờ DCF. Trong nội dung của
chương này, tôi trình bày tìm hiểu tổng quan về chuẩn IEEE 802.11 và những giới hạn
của chuẩn trong việc hỗ trợ đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
II.1. Cấu trúc hệ thống mạng WLAN
WLAN có hai cấu hình cơ bản là mạng dựa trên cơ sở hạ tầng (infrastructurebased) và mạng ad-hoc. Thực tế thì hai biến thể trên của mạng WLAN luôn được sử
dụng phối hợp với nhau. Điều này giúp cho mạng không dây mang tính linh hoạt cao,
không chỉ dựa vào các điểm truy cập chung cho các dịch vụ cơ bản như điều khiển
truy cập đường truyền ... mà còn cho phép truyền thông trực tiếp giữa các trạm không
dây.
II.1.1. Mạng có cơ sở hạ tầng (Infrastructure-based network)
Mạng có cơ sở hạ tầng là mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng mạng có dây,
trong đó việc truyền thông chủ yếu được thực hiện giữa các trạm không dây và điểm
truy cập chung AP (Access Point). Các trạm không dây không truyền thông được trực
tiếp với nhau mà thông qua AP. Hình 2.1 minh hoạ một mạng có cơ sở hạ tầng.

20


Hình 2.1: Mạng không dây có cơ sở hạ tầng

Các đặc trưng của mạng không dây có cơ sở hạ tầng:
 AP không chỉ cung cấp khả năng truy cập tới các mạng khác, mà còn cung cấp

các chức năng chuyển tiếp, điều khiển truy cập đường truyền.
 Thiết kế của mạng thực sự đơn giản do các chức năng mạng hầu hết được đặt

tại các điểm truy cập chung, vì vậy các điểm truy cập chung đóng vai trò rất
quan trọng trong cấu trúc này. Các AP hoạt động như một cầu nối tới các mạng
không dây và có dây khác, tạo thành một mạng diện rộng.
 Với việc sử dụng thiết bị điều khiển trung tâm, mạng không dây có cơ sở hạ

tầng có thể sử dụng các lược đồ truy cập khác nhau.
 Cấu trúc này có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ như thiết lập dải thông thấp
nhất cho các trạm và sau đó, AP có thể phân phối dải thông cho từng node
không dây nhằm đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu của chúng.
Nhìn chung, các mạng dựa trên cơ sở hạ tầng thường thiết kế đơn giản vì phần lớn
chức năng được cài đặt trên điểm truy cập, điều này làm cho các trạm di động truy cập
qua trạm cơ sở thường đơn giản. Cấu trúc này gần giống với mạng Ethernet dạng
switch hay các mạng hình sao, trong đó sử dụng trạm trung tâm điều khiển các lưu

21


lượng mạng. Những mạng kiểu này có thể sử dụng những cơ chế điều khiển truy cập
khác nhau: có điều khiển hay truy cập ngẫu nhiên [1, 2, 5].
II.1.2. Mạng Ad-hoc
Ad-hoc network là mạng không dây trong đó không cần dựa trên cơ sở hạ tầng
mạng có dây: mỗi trạm có thể liên lạc trực tiếp với các trạm khác mà không cần dựa
trên điểm truy cập chung điều khiển truy cập đường truyền. Các trạm trong mạng adhoc có thể liên lạc trực tiếp nếu chúng cùng nằm trong một vùng phủ sóng của nhau
(vùng mà các trạm có thể gửi nhận thông tin bằng sóng điện từ) mà không bị phụ
thuộc vào điểm truy cập chung như trong mạng không dây có cơ sở hạ tầng. Chính vì
không có điểm truy cập chung AP, các trạm trong mạng ad-hoc có thiết kế phức tạp
hơn so với các trạm trong mạng không dây có cơ sở hạ tầng bởi vì mọi trạm đều phải
cài đặt các kỹ thuật truy cập đường truyền, các kỹ thuật xử lý các vấn đề của mạng
không dây như hiện tượng trạm ẩn (hidden terminal) hay trạm lộ (exposed terminal),

mọi trạm đều phải thực hiện được chức năng của một router [1, 5]. Tuy nhiên, chính
điều này làm cho mạng ad-hoc có tính linh hoạt cao rất phù hợp với các ứng dụng có
tính mềm dẻo cao như trong các cuộc hội thảo, lớp học, hệ thống truyền thông trong
chiến tranh hay vùng có khả năng gặp thảm họa cao v.v . Hình 2.2 mô tả cấu trúc mạng
ad-hoc.

Hình 2.2: Mạng không dây ad-hoc

II.2. Kiến trúc giao thức
Chuẩn IEEE 802.11 là một trong những chuẩn đang được sử dụng phổ biến cho
các mạng LAN. Hình 2.3 mô tả một mô hình điển hình: Một mạng LAN 802.11 kết nối
với một LAN chuẩn IEEE 802.3 thông qua một cổng giao tiếp chuyển đổi (Portal).
Các ứng dụng lớp trên sẽ không cần quan tâm đến sự khác biệt giữa các mạng LAN
không dây và mạng LAN có dây như băng thông thấp hơn hay là thời gian truy cập
cao hơn … Nói một cách khác, ứng dụng lớp trên coi các trạm không dây như các trạm
có dây, lớp liên kết dữ liệu sẽ là trong suốt với lớp trên. Như ta thấy trên hình 2.3, trên

22


đỉnh của lớp liên kết dữ liệu là tầng con liên kết logic – LLC (Logical Link Control) có
chức năng “che” những sự khác biệt của tầng con MAC do những khác biệt về môi
trường truyền thông cũng như giao thức điều khiển truy cập môi trường truyền… Ngày
nay, khi các công nghệ mạng LAN phát triển thành nhiều chuẩn khác nhau, tầng liên
kết logic đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu. Tầng này mô tả chi tiết các giao
thức truy cập mạng con ( Sub-network Access Protocol - SNAP) và các công nghệ cầu
nối cần thiết để truyền thông giữa các mạng cùng hay khác chuẩn.

Hình 2.3: Cấu trúc chuẩn IEEE 802.11 và cầu nối
Chuẩn IEEE 802.11 mô tả tầng vật lý và tầng điều khiển truy cập môi trường truyền

MAC như các chuẩn 802.x LAN khác. Trong đó, tầng vật lý được chia thành hai thành
phần là giao thức hội tụ vật lý (Physical Layer Convergence Protocol - PLCP) và thành
phần độc lập môi trường truyền (Physical Medium Dependent - PMD) như mô tả trên hình
2.4. Tầng PLCP cung cấp chức năng cảm nhận sóng mang, hay còn gọi là đánh giá nhiễu
kênh truyền - CCA (Clear Channel Assessment), và cung cấp điểm truy cập dịch vụ vật lý
chung (PHY Service Access Point - SAP) độc lập với công nghệ truyền thông. Tầng PMD
quản lý việc điều chế sóng mang. Nhiệm vụ cơ bản của tầng MAC bao gồm điều khiển
truy cập môi trường truyền, phân mảnh dữ liệu người dùng và mã hóa [1, 5]. Chúng ta sẽ
tìm hiểu chi tiết hơn về tầng MAC trong mục sau của cùng chương này.

Hình 2.4: Tầng giao thức trong chuẩn IEEE 802.11

23


II.2.1. Tầng vật lý
Chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ ba loại tầng vật lý khác nhau: một loại sử dụng công nghệ
hồng ngoại và hai loại kia sử dụng công nghệ sóng radio. Cả ba loại này đều cung cấp các
chức năng như đã nêu ở trên bao gồm chức năng đánh giá nhiễu kênh truyền và chức năng
điểm truy cập dịch vụ vật lý. Chức năng đánh giá nhiễu kênh truyền rất cần thiết cho
những cơ chế điểu khiển truy cập môi trường truyền vì nó xác định cho tầng trên biết môi
trường có rỗi hay không. Chức năng điểm truy cập dịch vụ tầng vật lý cung cấp thông tin
về tốc độ truyền, độc lập với công nghệ truyền thông [1, 5].

II.2.1.1 Kĩ thuật trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
[1, 5, 4]
Kĩ thuật trải phổ nhảy tần là một công nghệ cho phép nhiều mạng không dây sử dụng
chung một dải tần số có thể cùng tồn tại trong cùng một vùng phủ sóng bằng cách phân
chia cho các mạng sử dụng những dãy nhảy tần khác nhau. Sự phân chia này phụ thuộc
vào sự chuẩn hóa trong từng quốc gia. Ví dụ ở Bắc Mỹ và châu Âu, chuẩn quy định 70

kênh nhảy tần (hopping channel), trong khi đó ở Nhật Bản, chuẩn quy định chỉ có 23 kênh
nhảy tần. Mỗi kênh nhảy tần có một băng thông 1MHz trong dải tần 2.4 GHz ISM. Sự lựa
chọn kênh tần số được thực hiện nhờ sử dụng một mẫu nhảy tần sinh ngẫu nhiên từ thông
tin của mạng. Kĩ thuật trải phổ nhảy tần sử dụng phương pháp khoá dịch tần nhiễu Gao-xơ
GFSK (Gaussian shaped Frequency Shift Keying) làm phương pháp điều chế.

Hình 2.5: Định dạng của một frame quy định trong FHSS 802.11 PHY
Hình 2.5 mô tả cấu trúc của một frame theo kĩ thuật FHSS PHY. Frame này gồm hai
phần cơ bản. Phần giao thức hội tụ vật lý PLCP bao gồm phần mở đầu (PLCP preamble)
của frame và phần PLCP header luôn được truyền đi với tốc độ 1 Mbps. Sau đó là phần
payload chứa dữ liệu của tầng trên cần gửi đi, có thể sử dụng tốc độ truyền 1 hoặc 2
Mbps, được truyền đi sử dụng đa thức s(z) = z 7+z4+1 trong quá trình trải phổ. Phần PLCP
bao gồm 5 trường với những đặc điểm và chức năng sau:
 Sự đồng bộ hóa (Synchronization): Đây là trường đầu trong phần PLCP bao gồm

80 bit đồng bộ, với bit pattern là 010101 …. Khối bit theo mẫu này được sử dụng
để bên nhận phát hiện tín hiệu truyền trên môi trường và đồng bộ hóa tín hiệu đó.

24


 Đoạn phân cách đầu frame SFD (Start Frame Delimiter): Gồm 16 bits với

pattern là 00001100100111101. Trường này để chỉ ra phần bắt đầu của frame, theo
sau trường synchronization để cung cấp sự đồng bộ hóa frame.
 Độ dài PLW (PLCF_DPU Length Word): Là trường con đầu tiên trong trường
PLCP header, để chỉ ra độ dài của payload (tính theo byte) bao gồm cả 32 bit CRC
ở cuối phần payload. PLW có thể lấy giá trị trong khoảng từ 0 đến 4096.
 Trường PSF (PLCP Signalling): Gồm 4 bit nhưng chỉ có 1 được đặc tả để xác

định tốc độ truyền dữ liệu trong phần payload (1 hay 2 Mbps).
 Trường kiểm tra lỗi Header - HEC (Header Error Check): Là trường cuối trong
PLCP, bao gồm 16 bit kiểm tra tổng (checksum) theo chuẩn ITU-T sử dụng đa
thức sinh G(x) = x16+x12+x5+1.

II.2.1.2 Kĩ thuật trải phổ điều khiển tuần tự DSSS [1, 5, 4]
DSSS là phương pháp trải phổ luân phiên xác định bởi mã, được đặc tả trong IEEE
8002.11, theo phương pháp này, việc trải phổ được thực hiện bởi 11- chip tuần tự gọi là
mã Barker. Đặc điểm cơ bản của phương pháp này là khả năng chống nhiễu mạnh và
không bị ảnh hưởng bởi đặc tính truyền sóng theo nhiều đường (multi-path propagation).
Theo chuẩn IEEE 802.11, DSSS sử dụng dải tần 2.4 GHz và cung cấp tốc độ truyền dữ
liệu 1 và 2 Mbps. Giống như kĩ thuật trải phổ nhảy tần FHSS, các bit được truyền sử dụng
đa thức s(z) = z7+z4+1 trong quá trình trải phổ.

Hình 2.6: Định dạng của một frame quy định trong DSSS 802.11
Định dạng của một frame theo chuẩn DSSS 802.11 PHY được mô tả như hình 2.6, bao
gồm hai phần giống như một frame theo chuẩn FHSS 802.11 PHY. Mỗi trường trong phần
PLCP có những đặc điểm sau:
 Trường đồng bộ hóa (Synchronization): dài 128 bit gồm toàn bit 1, sử dụng để

đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận. Ngoài ra trường này còn được sử dụng để
phát hiện năng lượng sóng mang (cho CCA).
 Đoạn phân cách đầu frame SFD (Start Frame Delimiter): dài 16 bit có dạng

1111001110100000 được sử dụng cho việc đồng bộ hóa bắt đầu của một frame.

25