Nghiên cứu về tối ưu hóa việc chuyển giao dọc giữa các môi trường mạng không dây di động khác nhau

  • 50 trang
  • file .pdf
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ QUỲNH HOA
NGHIÊNCỨU VỀ TỐI ƯU HOÁ VIỆC CHUYỂN
GIAO DỌC GIỮA CÁC MÔI TRƯỜNG MẠNG
KHÔNG DÂY DI ĐỘNG KHÁC NHAU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI – 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ QUỲNH HOA
NGHIÊNCỨU VỀ TỐI ƯU HOÁ VIỆC CHUYỂN
GIAO DỌC GIỮA CÁC MÔI TRƯỜNG MẠNG
KHÔNG DÂY DI ĐỘNG KHÁC NHAU
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 HỌC: Tiến sĩ Nguyễn Hoài Sơn
HÀ NỘI – 2010
4
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ................................................................................... 10
1.1 Mạng không dây ................................................................................................... 10
1.2 Giao thức Mobile IP ............................................................................................. 11
1.2.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 11
1.2.2 Các thành phần của Mobile IP .......................................................................... 12
1.2.3 Cơ chế hoạt động của Mobile IP ....................................................................... 13
1.2.4 Các cải tiến của Mobile IP ................................................................................ 15
CHƯƠNG 2: CHUYỂN GIAO DỌC TRONG MẠNG KHÔNG DÂY DI ĐỘNG19
2.1 Các khái niệm chuyển giao: .................................................................................. 19
2.1.1 Chuyển giao cứng: ............................................................................................ 19
2.1.2 Chuyển giao mềm: ............................................................................................ 19
2.1.3 Chuyển giao ngang: .......................................................................................... 20
2.1.4 Chuyển giao dọc: .............................................................................................. 21
2.2 Chuyển giao dọc trong mạng không dây di động ................................................... 22
2.2.1 Sự cần thiết của chuyển giao dọc ..................................................................... 22
2.2.2 Các bước cơ bản của quá trình chuyển giao dọc: ............................................... 23
2.2.3 Các nghiên cứu liên quan .................................................................................. 26
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP LẬP LỊCH TRONG MÔ HÌNH MẠNG HỖ TRỢ
CHUYỂN GIAO DỌC KẾT HỢP BĂNG THÔNG NHIỀU ĐƯỜNG TRUYỀN
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY DI ĐỘNG ............................................................ 33
3.1 Đề xuất giải pháp .................................................................................................. 33
3.1.1 Bài toán cần giải quyết ...................................................................................... 33
3.1.2 Ý tưởng đề xuất để giải quyết bài toán .............................................................. 34
3.2 Hoạt động của giải thuật ....................................................................................... 35
3.3 Triển khai thực thi giải pháp ................................................................................. 39
3.3.1 Các yêu cầu cần thiết ........................................................................................ 39
3.3.2 Thiết kế kiến trúc cơ bản của chương trình mô phỏng giải thuật ........................ 39
3.4 Nhận xét, đánh giá giải pháp ................................................................................. 42
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ44
4.1 Triển khai chương trình mô phỏng thực tế ............................................................ 44
4.2 Thí nghiệm và kết quả đạt được ............................................................................ 44
4.2.1 Bố trí thí nghiệm ............................................................................................... 44
4.2.2 Mô tả thí nghiệm .............................................................................................. 45
4.2.3 Kết quả đạt được............................................................................................... 45
4.3 Nhận xét đánh giá chương trình ............................................................................ 47
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 48
CHÚ THÍCH ............................................................................................................ 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 50
5
DANH MỤC HÌNH
STT Tên danh mục hình Trang
Hình 1 Bảng ánh xạ giữa IP cố định và IP tạm thời của các nút mạng 12
Hình 2 Danh sánh các nút khách 12
Hình 3 Hoạt động của giao thức Mobile IP 15
Hình 4 Định tuyến tam giác 16
Hình 5 Chuyển giao mềm và chuyển giao cứng 20
Hình 6 Một ví dụ về chuyển giao ngang 20
Hình 7 Một ví dụ về chuyển giao dọc 21
Hình 8 Kiến trúc OMNICon 24
Hình 9 Mô hình hỗ trợ sử dụng nhiều đường truyền trong giải pháp BAG 26
Sử dụng DC để đánh giá khả năng chuyển tải gói tin của các kết
Hình 10 28
nối
Kiến trúc mạng hỗ trợ chuyển giao dọc và kết hợ băng thông nhiều
Hình 11 32
đuờng truyền
Hình 12 Mô hình lập lịch kết hợp băng thông nhiều đường truyền 33
Hình 13 Hoạt động của giải thuật 36
Hình 14 Hoạt động của giải thuật ở Mobile Node 37
Hình 15 Hoạt động của giải thuật ở Mobile Agent 38
Hình 16 Kiến trúc cơ bản của chương trình 39
Hình 17 Bố trí thí nghiệm 40
Hình 18 Kết quả thí nghiệm 45
6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ Mô tả
CN Correspondent Node
CoA Care of Address
FA Foreign Agent
GPRS General Packet Radio Service
HA Home Agent
HoA Home of Address
IPv4 Internet Protocol version 4
IPv6 Internet Protocol version 6
UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems
WLAN Wireless LAN
3G 3th Generation
4G 4th Generation
7
PHẦN MỞ ĐẦU
Với sự hỗ trợ của các công nghệ mạng không dây, người sử dụng đầu cuối ngày
nay không còn bị bó buộc với dây dẫn vật lý như cáp mạng để có thể kết nối vào
Internet mà thay vào đó, họ có thể dùng sóng vô tuyến, hồng ngoại hay vệ tinh v.v…
Điều này giúp cho người dùng có nhiều cơ hội hơn để truy cập vào Internet ngay cả ở
những nơi không thể sử dụng dây dẫn vật lý và quan trọng hơn cả là họ có thể di
chuyển trong khi vẫn đang trao đổi thông tin. Việc giải quyết các bài toán liên quan
đến vấn đề các nút mạng di chuyển trong khi vẫn đang kết nối với Internet chính vì thế
ngày càng trở nên quan trọng bởi sự gia tăng mạnh mẽ của số lượng người dùng đầu
cuối di động và ước muốn được duy trì các phiên ứng dụng trong khi người dùng thay
đổi địa điểm truy cập vào Internet.
Mạng Internet gắn bó chặt chẽ với giao thức TCP/IP mà trong đó, mỗi thiết bị
đầu cuối khi tham gia đều được cấp phát một địa chỉ IP duy nhất. Điều đó có nghĩa là
khi nút mạng đó di chuyển từ nơi này sang nơi khác, nó không thể duy trì kết nối sẵn
có với mạng Internet. Điều này dẫn đến một thực tế là các phiên truyền dữ liệu giữa
thiết bị đầu cuối và Internet bị gián đoạn.
Mobile IP[1] là sự mở rộng của giao thức IP truyền thống, được khuyến nghị
bởi IETF[2] và được đặc tả trong RFC 3344. Mobile IP ra đời vào năm 1999 giúp cho
một người dùng với thiết bị đầu cuối có thể duy trì đựợc kết nối của mình với mạng
Internet trong khi di chuyển từ nơi này sang nơi khác mà không cần phải thay đổi địa
chỉ IP của mình. Để làm được điều đó, Mobile IP cho phép một nút mạng khi ra khỏi
mạng nhà của nó sẽ mang thêm một địa chỉ IP tạm trú. Đây là địa chỉ nhận dạng nút
mạng ở trong mạng khách mà nó đang lưu trú. Từ đây, các gói tin gửi đến cho nút
mạng sẽ được chuyển tiếp đến địa chỉ IP tạm trú này. Bằng cách đó, một nút mạng khi
ra khỏi mạng nhà vẫn có thể duy trì được các phiên truyền dữ liệu mà không phải thay
đổi địa chỉ IP cố định của mình.
Sự phát triển mạnh mẽ của Internet là động lực chính cho nhiều công nghệ
không dây ra đời như 802.11, Bluetooth, GPRS, CDMA2000, UMTS v.v… Bên cạnh
đó, ngành công nghiệp sản xuất các thiết bị đầu cuối trên thế giới cũng đạt được nhiều
thành tựu đáng kể trong những năm qua. Một thiết bị đầu cuối giờ đây có thể được
trang bị nhiều hơn một loại giao diện mạng, điều đó giúp cho một nút mạng có nhiều
cơ hội để kết nối vào Internet hơn, bởi vì tại một thời điểm nào đó nút mạng có thể tìm
được sóng của một công nghệ mạng thích hợp với một trong các giao diện mà nó có.
8
Đã có nhiều nghiên cứu liên quan [3] đến việc sử dụng các công nghệ mạng không dây
được trang bị tại các thiết bị đầu cuối ra đời. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này
đều đề cập đến việc sử dụng một giao diện đơn lẻ nào đó tại một thời điểm cho các yêu
cầu kết nối của các ứng dụng.
Như đã đề cập ở phần trên, với sự hỗ trợ của Mobile IP, các nút mạng giờ đây
đã có thể duy trì được các kết nối của mình trong khi đang di chuyển trong phạm vi
các vùng phủ sóng của các mạng không dây. Tuy nhiên, Mobile IP chỉ cho phép các
nút mạng di chuyển qua lại giữa các vùng phủ sóng của cùng một công nghệ mạng, ví
dụ như từ mạng WLAN này sang mạng WLAN khác. Trong thực tế, đôi khi người sử
dụng đầu cuối lại muốn di chuyển từ vùng phủ sóng của công nghệ mạng này sang
vùng phủ sóng của công nghệ mạng khác, ví dụ như từ mạng WLAN sang mạng
GPRS và ngược lại. Lúc đó, Mobile IP không thể đáp ứng được mong muốn của người
sử dụng. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các giải
pháp [4][5] để hỗ trợ người sử dụng với các thiết bị cầm tay của mình di chuyển qua
lại giữa các mạng khác nhau. Đó chính là bài toán chuyển giao dọc. Chuyển giao dọc
cho phép các nút mạng có thể kết hợp băng thông của các đường truyền mà nó có để
truyền tải một ứng dụng nào đó như là tải một tập tin từ một nút mạng khác qua mạng
Internet. Tuy nhiên, việc kết hợp băng thông nhiều đường truyền lại đặt ra một bài
toán mới, làm thế nào để các gói tin được chuyển đến cho một nút mạng trên nhiều
đường truyền khả dụng khác nhau mà nó có một cách nhanh chóng nhất.
Với bài toán đặt ra, luận văn này tập trung giải quyết vấn đề: xây dựng một giải
pháp lập lịch để chuyển các gói tin gửi đến cho một nút mạng thông qua nhiều đường
truyền khác nhau. Mục đích của bài toán là nhằm làm tăng tốc độ truyền tải các ứng
dụng của một nút mạng khi nó được trang bị nhiều loại giao diện mạng khác nhau và
các giao diện này đang có tín hiệu từ các nhà cung cấp mạng tương ứng. Điều này
nhằm tận dụng băng thông của các đường truyền khả dụng, đồng thời làm tăng tính an
toàn cho việc truyền tải các ứng dụng vì nếu có một giao diện mạng nào đó mất tín
hiệu, các giao diện còn lại sẽ đảm nhiệm công việc truyền tải các gói tin. Chương trình
mô phỏng thực thi giải pháp được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và sử dụng Hệ điều
hành Linux.
Nội dung của luận văn bao gồm 5 chương. Chương 1 giới thiệu tổng quan về
mạng không dây và vấn đề hỗ trợ tính di động trong mạng không dây, đồng thời giới
thiệu về Mobile IP, một giao thức hỗ trợ chuyển giao ngang giữa các vùng phủ sóng
trong cùng một công nghệ mạng nào đó. Chương 2 giới thiệu cơ chế chuyển giao dọc
9
trong mạng không dây di động. Chương này cũng đề cập các nghiên cứu liên quan đến
vấn đề nêu trên, đồng thời cũng đưa ra các nhận xét, đánh giá về các nghiên cứu đó.
Chương 3 đưa ra đề xuất để giải quyết tồn tại đã được trình bày ở cuối chương 2.
Chương 4 báo cáo tình hình triển khai chương trình mô phỏng trong thực tế để thực thi
giải pháp, kết quả đạt được và những nhận xét, đánh giá về chương trình mô phỏng.
Tiếp đó là phần tổng kết về luận văn và đề ra hướng phát triển của luận văn. Cuối luận
văn là phần thuật ngữ liên quan và các tài liệu tham khảo.
10
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1 Mạng không dây
Ngày nay, việc kết nối các thiết bị đầu cuối với nhau như máy tính để bàn, máy
tính xách tay, máy in, máy quét hay các thiết bị cá nhân khác nhằm chia sẻ tài nguyên,
dữ liệu giữa chúng không còn xa lạ. Các thiết bị đầu cuối đó kết nối với nhau qua môi
trường truyền dẫn tạo thành mạng. Xét về phương thức kết nối, có thể chia thành hai
loại mạng: mạng có dây và mạng không dây.
Được xem là kiểu mạng truyền thống, mạng có dây là mạng sử dụng cáp mạng để
kết nối các thiết bị đầu cuối với nhau. Các thiết bị đầu cuối có thể nối trực tiếp với
nhau, cũng có thể thông qua môi trường truyễn dẫn nào đó. Tuy nhiên, trong những
môi trường không cho phép thi công cáp, dây dẫn thì mạng không dây là một giải pháp
đáng để lựa chọn. Mạng không dây là mạng được thiết lập bằng cách sử dụng tần số
sóng vô tuyến, sóng hồng ngoại, sóng vệ tinh hay để truyền thông giữa các thiết bị đầu
cuối. Ưu điểm nổi bật của mạng không dây so với mạng có dây truyền thống là các
thiết bị đầu cuối không cần sử dụng dây cắm vật lý giữa chúng và với nhà cung cấp
mạng, điều này mang lại những lợi điểm mà mạng có dây truyền thống không có được
như dễ thi công, nhất là ở những nơi không thể kéo cáp như nhà ga, sân bay, sân vận
động,… Cũng chính vì dễ thi công, dễ triển khai nên mạng không dây cũng dễ dàng để
mở rộng, bởi vì việc làm tăng một phạm vi phủ sóng ở một vị trí địa lý nào đó đôi khi
chỉ đơn giản là thiết lập thêm một Access Point ở khu vực đó. Mạng không dây có thể
là mạng số liệu không dây hay mạng viễn thông không dây.
Có một số mạng dữ liệu không dây dựa trên mạng tiếng nói không dây như mạng
điện thoại vô tuyến. Các mạng CPDP (Cellular Digital Packet Data), HSCSD (High
Speed Circuit Switched Data), PDP-C (Packet Data Cellular), GPRS (General Packet
Radio Service) là những ví dụ về loại mạng này. Một số mạng không dây khác được
thiết lập trên chính các kết nối ở lớp vật lý của chúng, sử dụng các ăng-ten được lắp
trong các thiết bị cầm tay để liên lạc với các ăng-ten thu phát sóng trong các khu dân
cư, ví dụ như các mạng 802.11, LMDS (Local Multipoint Distribution Service),
MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service). Một vài mạng khác là sự kết
nối của các thiết bị nhỏ với một khoảng cách gần như là mạng Bluetooth.
Các mạng không dây dựa trên các mạng không dây khác thì thuờng sử dụng các
mạng ở lớp thấp để thực hiện bảo mật và mã hoá, trong khi các mạng không dây độc
lập thì hoặc là tự cung cấp tính năng bảo mật và mã hoá hoặc là dựa vào mạng riêng ảo
để thực hiện các tính năng này.
11
Một vài mạng không dây là cố định, có nghĩa là các thiết bị đầu cuối không thể di
chuyển từ nơi này sang nơi khác. Một số khác lại là mạng không dây di động, nghĩa là
các thiết bị đầu cuối có thể di chuyển một cách liên tục mà vẫn duy trì được kết nối
sẵn có. Điều này được quyết định bởi đặc điểm riêng biệt của từng loại mạng không
dây. Vấn đề hỗ trợ các nút mạng không dây di chuyển từ nơi này sang nơi khác sẽ
được trình bày trong phần tiếp theo của chương này.
1.2 Giao thức Mobile IP
1.2.1 Giới thiệu
Việc hỗ trợ các thiết bị đầu cuối di chuyển trong khi đang kết nối vào Internet
ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới, nó phù hợp
với mong muốn của rất nhiều người dùng đầu cuối với thiết bị cầm tay của mình có
thể tự do di chuyển trong vùng phủ sóng của các mạng không dây. Mạng Internet được
xây dựng dựa trên giao thức nổi tiếng là TCP/IP. Giao thức IP đòi hỏi mỗi nút mạng
khi truy cập vào Internet phải được gắn với một địa chỉ cố định. Bên cạnh đó, một
chặng tiếp theo của một gói tin sẽ được định nghĩa trong phần địa chỉ đích của gói tin
đó. Mặt khác, ở các lớp cao hơn như TCP, các thông tin duy trì một kết nối bao gồm
cả địa chỉ nguồn, điạ chỉ đích của gói tin và số cổng mà ứng dụng đang chạy sử dụng.
Do đó, việc giải quyết bài toán di động theo giao thức IP thông thường sẽ làm phát
sinh hai vấn đề có tính chất mâu thuẫn nhau, đó là: nút mạng phải thay đổi điạ chỉ IP
của mình mỗi khi nó thay đổi điểm truy cập Internet, thế nhưng, để duy trì được kết
nối TCP hiện tại, nút mạng lại phải giữ địa chỉ IP đang dùng. Việc thay đổi địa chỉ IP
sẽ làm cho kết nối này bị ngắt. Vậy làm thế nào để một nút mạng dù thay đổi điểm
truy cập Internet vẫn duy trì được các phiên truyền dữ liệu ở tầng ứng dụng? Đó chính
là một trong những vấn đề cần khắc phục của giao thức IP
Mobile Internet Protocol (gọi tắt là Mobile IP) là sự mở rộng của giao thức IP
được khuyến nghị bởi IETF và được trình bày cụ thể trong RFC 3344 đã giải quyết
được vấn đề nêu trên. Mobile IP cho phép các thiết bị đầu cuối có thể di chuyển trong
khi vẫn đang kết nối với Internet mà không cần phải thay đổi địa chỉ IP của mình.
Chính vì thế mà Mobile IP được mệnh danh là giao thức kết nối thế giới.
Mobile IP có nhiều phiên bản mở rộng và phát triển khác nhau như: MIPv4,
MIPv6, Fast MIP, Hierarchical MIP, Multiple CoA MIP, Proxy MIP, MobileNetwork
Mobility (NEMO), Hawaii,...
12
1.2.2 Các thành phần của Mobile IP
Theo RFC 3344, Mobile IP bao gồm một số thành phần sau:
Mobile Node: là một nút mạng có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Mỗi
Mobile Node được gắn hai địa chỉ IP, một địa chỉ IP là điạ chỉ cố định gọi là home
address do mạng nhà của nút mạng cung cấp, nó được sử dụng để định danh một đầu
cuối liên kết; địa chỉ IP còn lại là địa chỉ tạm thời gọi là care_of_address, nó chỉ ra vị
trí hiện tại của Mobile Node. Có một cơ chế ánh xạ giữa hai địa chỉ này, nó được thực
hiện bởi một vài router đặc biệt thường được gọi là Mobility Agent. Có hai loại
Mobility Agent là Home Agent và Foreign Agent.
Home Agent: là một router thuộc mạng nhà của Mobile Node, nó duy trì việc ánh
xạ giữa hai địa chỉ IP cố định và IP tạm thời của các nút mạng trong bảng ánh xạ di
chuyển. Mỗi một dòng trong bảng ánh xạ di chuyển bao gồm các trường: địa chỉ IP cố
định, địạ chỉ IP tạm thời và thời gian sống của kết nối. Hình 1 chỉ ra bảng ánh xạ giữa
địa chỉ IP cố định và địa chỉ IP tạm thời do Home Agent lưu giữ.
Home Address Care-of-Address Life Time (in sec)
192.149.5.194 10.204.68.97 250
192.149.5.226 190.10.10.56 150
Hình 1. Bảng ánh xạ giữa IP cố định và IP tạm thời của các nút mạng
Foreign Agent: là một router đặc biệt trong mạng khách, lưu giữ một danh sách
các nút khách hiện đang lưu trú trong mạng của nó. Mỗi một dòng trong danh sách nút
khách bao gồm các trường: địa chỉ IP cố định của nút, địa chỉ IP của Home Agent, địa
chỉ media và thời gian sống của kết nối. Hình 2 minh họa một danh sách các nút khách
được lưu giữ bởi Foreign Agent.
Home Address Home Agent Address Media Address Life Time (in sec)
190.16.44.12 190.16.44.7 00-60-08-95-66-E1 100
190.16.33.18 190.16.33.1 00-60-08-68-A2-56 200
Hình 2. Danh sánh các nút khách
13
Thông thường, care-of-address chính là địa chỉ IP của Foreign Agent. Tuy nhiên,
trong một số trường hợp, địa chỉ care-of-address có thể có được nhờ vào các cơ chế
cấp phát địa chỉ đặc biệt khác, nó được gọi là địa chỉ colocated care-of address.
Trong Mobile IP còn có một thành phần được gọi là Correspondent Node. Đó là
một nút mạng đang kết nối và trao đổi thông tin với Mobile Node. Correspondent
Node có thể là nút mạng di động hoặc không di động.
1.2.3 Cơ chế hoạt động của Mobile IP
Cơ chế hoạt động của Mobile IP được trình bày cụ thể trong RFC 3344. Có thể
tóm tắt hoạt động của Mobile IP như sau.
Khi một Mobile Node đăng nhập vào một mạng đầu tiên nào đó, nó được cấp một
địa chỉ IP cố định, gọi là home address. Địa chỉ này được Mobile Node sử dụng để gửi
và nhận các gói tin khi nó vẫn đang ở trong mạng nhà. Trong quá trình kết nối với
mạng, Mobile Node luôn lắng nghe các bản tin quảng bá được phát theo chu kỳ từ các
Mobility Agent. Các bản tin quảng bá luôn kèm theo thông tin về địa chỉ IP của
Mobile Agent, nhờ đó mà Mobile Node biết là nó có ở trong cùng một mạng với
Mobile Agent hay không và do đó, Mobile Node sẽ biết mình có đang ở trong mạng
nhà nữa hay không. Nếu phát hiện mình đã ra khỏi mạng nhà, Mobile Node sẽ tiến
hành quá trình tìm kiếm đại diện tạm trú Foreign Agent.
Ngoài ra, Mobile Node cũng có thể tự mình gửi bản tin tìm kiếm đại diện tạm trú
lên Mobility Agent nếu nó không muốn chờ đợi các các bản tin quảng bá được phát
theo chu kỳ. Khi đã tìm được một đại diện tạm trú Foreign Agent, Mobile Node bắt
đầu quá trình đăng ký.
Quá trình đăng ký bao gồm một số bước cơ bản như sau:
- Đầu tiên Mobile Node gửi một bản tin yêu cầu đăng ký bao gồm địa chỉ
home address của Mobile Node và địa chỉ IP của Home Agent đến Foreign
Agent mà nó vừa tìm được.
- Foreign Agent, thay mặt Mobile Node sẽ gửi bản tin yêu cầu đăng ký đến
Home Agent. Bản tin này bao gồm địa chỉ IP cố định của Mobile Node và
địa chỉ của Foreign Agent.
14
- Tiếp đó, Home Agent sẽ cập nhật các thông tin vừa nhận được trong bảng
ánh xạ địa chỉ của nó, đồng thời gửi bản tin xác nhận việc đăng ký đã thành
công cho Foreign Agent.
- Sau cùng, Foreign Agent thêm vào danh sách các nút khách của nó các thông
tin về Mobile Node và gửi bản tin xác nhận việc yêu cầu đăng ký cho Mobile
Node. Quá trình đăng ký đến đây đã hoàn tất.
Lúc này, nếu một Correspondent Node muốn gửi một gói tin cho Mobile
Node, nó sẽ gửi đến địa chỉ home address của Mobile Node đó bởi tại thời điểm này,
nó chỉ biết đến Mobile Node thông qua địa chỉ này mà thôi. Tại Home Agent của
Mobile Node, gói tin bị chặn lại. Home Agent sẽ kiểm tra trong bảng ánh xạ di chuyển
để tìm ra địa chỉ care-of-address của Mobile Node và gửi gói tin đến địa chỉ đó. Quá
trình này bao gồm việc Home Agent đóng gói gói tin trong một tiêu đề IP mới, trong
đó, địa chỉ nguồn là địa chỉ của Home Agent và địa chỉ đích là địa chỉ care-of-address.
Foreign Agent khi nhận được gói tin sẽ loại bỏ tiêu đề IP để tìm ra địa chỉ đích của gói
tin, đấy chính là địa chỉ home address của Mobile Node. Tiếp đó, Foreign Agent kiểm
tra trong danh sách nút khách mà nó đang lưu giữ để tìm ra địa chỉ hiện thời của
Mobile Node và phát gói tin đến Mobile Node đó.
Khi vẫn đang ở trong mạng khách, nếu Mobile Node gửi một gói tin tới
Correspondent Node, gói tin sẽ được chuyển tới Foreign Agent, sau đó Foreign Agent
sẽ gửi gói tin trực tiếp đến Correspondent Node mà không cần qua Home Agent.
Hình 3 minh họa việc gửi một gói tin từ Correspondent Node đến Mobile Node
khi Mobile Node đang ở trong mạng khách với sự hỗ trợ của giao thức Mobile IP.
15
Src Dst
Correspondent
CN MN Payload Node (CN)
Header
Original IP Packet
Home Agent
Header Payload
(HA)
HA COA Original IP packet
Encapsulated IP Packet
TUNNEL
Foreign Agent
(FA)
Src Dst
CN MN Payload
Mobile Node Header
Original IP Packet
(decapsulated)
Hình 3. Hoạt động của giao thức Mobile IP
1.2.4 Các cải tiến của Mobile IP
Như vậy, với giao thức Mobile IP, một mút mạng giờ đây có thể thay đổi điểm kết
nối vào Internet mà vẫn duy trì được các kết nối sẵn có nhưng không cần thay đổi địa
chỉ IP cố định của mình, điều mà giao thức IP truyền thống không làm được. Chính vì
lợi điểm đó mà Mobile IP ngày càng trở nên không thể thiếu trong thế giới di động.
Tuy nhiên, cho đến nay người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu để cải tiến Mobile IP bởi
nó thực sự cần thiết cho các mạng kế tiếp, ví dụ như 4G. Hai trong những vấn đề của
Mobile IP cần được cải tiến là định tuyến tam giác và chuyển tiếp gói tin.
Đầu tiên là vấn đề định tuyến tam giác. Trong giao thức Mobile-IP, các gói tin
được gửi từ Correspondent Node tới Mobile Node đều đến Home Agent. Tiếp đó,
Home Agent đóng gói gói tin trong một đường hầm và gửi tới Foreign Agent. Trong
khi đó, các gói tin được gửi từ Mobile Node tới Correspondent Node được gửi trực
tiếp từ Foreign Agent tới Correspondent Node mà không cần thông qua Home Agent
vì Mobile Node biết rõ địa chỉ IP của Correspondent Node. Cơ chế truyền tin như vậy
16
được gọi là định tuyến tam giác. Hình 4 mô phỏng cơ chế định tuyến tam giác trong
Mobile IP.
Correspondent
Node
Home Agent
Foreign Agent
Mobile Node
Hình 4. Định tuyến tam giác
Cơ chế đinh tuyến tam giác khiến cho độ trễ của gói tin tăng lên, đồng thời trong
một số trường hợp cụ thể, cơ chế này hoạt động không hiệu quả. Ví dụ như khi Mobile
Node và Correspondent Node cùng nằm trong một mạng nhưng không nằm trong cùng
mạng với Home Agent thì việc gửi gói tin từ Correspondent Node đến Mobile Node
phải thông qua Home Agent là không cần thiết.
Để khắc phục nhược điểm của vấn đề định tuyến tam giác, người ta đã làm như
sau.
- Khi gói tin đầu tiên gửi từ Correspondent Node đến được Mobile Node,
Mobile Node sẽ gửi cho Correspondent Node một bản tin được gọi là
binding update thông báo địa chỉ care-of-address hiện thời của nó.
- Correspondent Node sẽ duy trì bảng ánh xạ giữa địa chỉ home address với
địa chỉ care-of-address của Mobile Node mà nó muốn gửi tin. Mỗi một phép
ánh xạ trong bảng ánh xạ này đều có thời gian sống của nó. Nếu thời gian
17
sống của một ánh xạ vẫn còn thì Correspondent Node sẽ gửi các bản tin trực
tiếp đến địa chỉ care-of-address của Mobile Node mà không thông qua Home
Agent. Nếu thời gian sống của một phép ánh xạ đã hết, Correspondent Node
sẽ gửi gói tin đến Home Agent, sau đó Home Agent chuyển tiếp gói tin đến
địa chỉ care-of-address theo cách thông thường. Tiếp đó, Mobile Node lại gửi
bản tin binding update đến cho Correspondent Node.
- Các gói tin Mobile Node gửi cho Correspondent Node vẫn được gửi trực tiếp
mà không qua Home Agent.
Bằng cách này, người ta đã giải quyết được vấn đề định tuyến tam giác trong
Mobile IP.
Vấn đề thứ hai cần được đặt ra để cải tiến trong Mobile IP là làm thế nào để giảm
thiểu việc mất các gói tin chuyển đến cho Mobile Node khi nó di chuyển từ mạng
khách cũ sang mạng khách mới?
Để giải quyết vấn đề này, người ta đã đưa ra cơ chế chuyển tiếp gói tin
(forwarding). Các gói tin được gửi đến Mobile Node trong quá trình Mobile Node di
chuyển sang mạng khách mới sẽ được lưu tại bộ đệm của Foreign Agent ở mạng
khách cũ. Khi Mobile Node gửi yêu cầu đăng ký tại mạng mới, nó sẽ yêu cầu Foreign
Agent ở mạng mới thông báo không những cho Home Agent mà còn cho cả Foreign
Agent ở mạng cũ biết về địa chỉ care-of-address hiện thời của mình. Nhờ đó, khi việc
đăng ký hoàn tất, các gói tin đang được lưu giữ ở Foreign Agent cũ sẽ được gửi tới
cho Foreign Agent mới trong một đường hầm. Tại Foreign Agent mới, các gói tin
được loại bỏ tiêu đề IP mà Foreign Agent cũ đã đóng thêm vào và được gửi đến cho
Mobile Node.
Kết luận
Là một mở rộng của giao thức IP, Mobile IP đã giải quyết được bài toán di chuyển
của các thiết bị đầu cuối trong khi vẫn đang kết nối với mạng mà không cần thay đổi
địa chỉ IP cố định của mình. Chính vì tầm quan trọng và hiệu quả thực tế đạt được là
rất lớn nên đến nay Mobile IP vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và cải tiến để có thể
phát huy các điểm mạnh của nó trong các mạng thế hệ tiếp theo như mạng 4G.
Trong các mạng thế hệ tiếp theo, nhiều loại công nghệ mạng khác nhau được phủ
sóng chồng lấn lên nhau, điều đó cho phép một thiết bị đầu cuối với các loại giao tiếp
18
mạng khác nhau có thể sử dụng đồng thời nhiều công nghệ mạng. Tuy nhiên, Mobile
IP truyền thống không thể hỗ trợ các nút mạng di chuyển qua lại giữa các vùng phủ
sóng của các công nghệ mạng khác nhau. Vậy làm thế nào để hỗ trợ các thiết bị đầu
cuối di chuyển từ vùng phủ sóng của công nghệ mạng này sang vùng phủ sóng của
công nghệ mạng khác? Đó chính là vấn đề của bài toán chuyển giao dọc sẽ được trình
bày trong chương 2 của luận văn này.
19
CHƢƠNG 2: CHUYỂN GIAO DỌC TRONG MẠNG KHÔNG DÂY DI
ĐỘNG
Chuyển giao (handoff) là một thuật ngữ được dùng trong các hệ thống thông tin di
động như GSM, CDMA, UTMS, WLAN,…. Chuyển giao là quá trình chuyển một
phiên truyền ứng dụng từ một đường liên kết cũ sang một đường liên kết mới khi các
giao diện mạng của thiết bị đầu cuối trở nên khả dụng, tức là thu được tín hiệu từ các
thiết bị phát sóng tương ứng. Chuyển giao cho phép một nút mạng đang thực hiện quá
trình trao đổi thông tin thay đổi điểm kết nối vào mạng mà không làm gián đoạn quá
trình trao đổi thông tin đó. Lấy ví dụ trong mạng điện thoại di động, chuyển giao là
quá trình một thuê bao di động đang đàm thoại hay đang truyền số liệu di chuyển từ
vùng phủ sóng của phân hệ trạm gốc này sang phân hệ trạm gốc khác của cùng hay
không cùng một tổng đài chuyển mạch. Trong mạng Wireless LAN, một nút mạng
trong khi đang kết nối vào Internet và đang tải một tập tin di chuyển từ vùng phủ sóng
của Access Point này sang vùng phủ sóng của Access Point khác mà vẫn duy trì được
việc tải tập tin đó là một ví dụ đơn giản về chuyển giao.
Việc di chuyển của các nút mạng có thể xảy ra giữa các vùng phủ sóng khác nhau
của cùng một công nghệ mạng hoặc giữa các vùng phủ sóng của các công nghệ mạng
khác nhau như WLAN, GPRS, Bluetooth, … Tùy vào cơ chế chuyển giao mà người ta
chia ra các loại chuyển giao khác nhau như chuyển chuyển giao cứng, chuyển giao
mềm, giao ngang, chuyển giao dọc ...
2.1 Các khái niệm chuyển giao:
2.1.1 Chuyển giao cứng:
Chuyển giao cứng còn được gọi là “ngắt trước khi chuyển”. Với cơ chế này, các
kết nối đang có sẽ bị ngắt trước khi thiết bị đầu cuối chuyển sang một vùng phủ sóng
mới. Các vùng phủ sóng này có thể sử dụng cùng hoặc khác công nghệ mạng với
nhau.
2.1.2 Chuyển giao mềm:
Khác với chuyển giao cứng, trong chuyển giao mềm, các kết nối hiện có vẫn được
duy trì nhờ vào cơ chế “chuyển trước khi ngắt”. Với cơ chế này, các kết nối thay thế
cho các kết nối cũ được thiết lập trước khi việc chuyển giao thực sự xảy ra. Trong
trường hợp này, các vùng phủ sóng thường chồng lấn lên nhau, do đó, tại khu vực
chồng lấn của các vùng phủ sóng, thiết bị đầu cuối có thể dễ dàng bắt được sóng của
20
nhiều mạng khác nhau. Nhờ đó, thiết bị đầu cuối sẽ lựa chọn mạng nào mà nó cho là
tốt nhất để tiếp tục quá trình truyền tin.
Hình 5 minh họa cơ chế chuyển giao mềm và chuyển giao cứng khi Mobile Node
di chuyển qua vùng phủ sóng của các trạm thu phát sóng trong một mạng tế bào.
BS1 BS2 BS1 BS2
Chuyển giao mềm Chuyển giao cứng
Hình 5. Ví dụ về chuyển giao mềm và chuyển giao cứng
Chuyển giao cứng và chuyển giao mềm là hai khái niệm thường được dùng trong
mạng điện thoại di động. Chuyển giao cứng không đảm bảo cho chất lượng cuộc gọi
thoại bằng chuyển giao mềm, tuy nhiên nó tiết kiệm được tài nguyên mạng hơn do
không phải thiết lập sẵn một kênh kết nối ở trong mạng mà thiết bị đầu cuối di chuyển
tới.
Phần tiếp theo sẽ trình bày hai cơ chế chuyển giao thường được dùng trong mạng
máy tính không dây, đó là chuyển giao ngang và chuyển giao dọc.
2.1.3 Chuyển giao ngang:
Chuyển giao ngang là việc chuyển giao giữa hai vùng phủ sóng sử dụng cùng một
công nghệ mạng, ví dụ từ vùng phủ sóng của Access Point này sang vùng phủ sóng
của Access Point khác. Hình 6 là một ví dụ minh họa cho trường hợp này.
Chuyển giao ngang bao gồm ba giai đoạn chính: Theo dõi chất lượng đường
truyền, ra quyết định chuyển giao, thực hiện chuyển giao.
Trong quá trình liên lạc, thiết bị đầu cuối luôn đo năng lượng thu được từ trạm
phát sóng mà nó kết nối vào và các trạm lân cận xung quanh, đồng thời gửi các giá trị
đo đạc được về cho các trạm phát sóng (BTS trong GSM, NodeB trong UMTS) và
thiết bị quản lý vô truyến (BSC trong GSM, RNC trong UMTS). Nếu giá trị đo đuợc
21
này giảm xuống dưới một ngưỡng cho phép, mạng sẽ ra quyết định chuyển giao phiên
làm việc của thiết bị đầu cuối sang trạm phát sóng lân cận mà nó cho là tốt nhất đối
với thiết bị đầu cuối. Thiết bị đầu cuối thiết lập kênh truyền ở mạng mới, các kênh
truyền dành riêng cho nó ở mạng cũ sẽ được giải phóng.
Hình 6. Một ví dụ về chuyển giao ngang
2.1.4 Chuyển giao dọc:
Chuyển giao dọc là việc chuyển giao giữa các vùng phủ sóng sử dụng các công
nghệ mạng khác nhau thuộc cùng hoặc không thuộc cùng một nhà cung cấp mạng. Lấy
ví dụ như một thiết bị hỗ trợ cá nhân PDA được trang bị cả hai loại giao diện mạng sử
dụng công nghệ WLAN và GPRS. Khi người sử dụng PDA di chuyển từ vùng phủ
sóng của WLAN sang vùng phủ sóng của GPRS và cường độ sóng của WLAN giảm
xuống dưới mức cho phép, một cơ chế chuyển giao dọc sẽ được thực hiện ở tầng lên
kết nhằm duy trì các ứng dụng đang hoạt động ở tầng phía trên. Tuy nhiên, để có thể
thực hiện được công việc chuyển giao dọc, cần phải có các cơ chế hỗ trợ chuyển giao
dọc giữa các mạng mà Mobile Node di chuyển qua lại. Hình 7 là một ví dụ về chuyển
giao dọc giữa mạng GPRS và WLAN.
Ngày nay, khi một thiết bị đầu cuối có thể được trang bị nhiều hơn một loại giao
diện mạng và các vùng phủ sóng của nhiều công nghệ mạng tồn tại hỗn hợp, chồng lấn
lên nhau thì việc chuyển giao dọc mở ra một cơ hội cho những người sử dụng đầu cuối
có thể di chuyển qua lại giữa các mạng khác nhau trong khi vẫn đang kết nối vào
Internet và sử dụng các dịch vụ trên đó. Việc chuyển giao còn mang đến một lợi điểm
là làm tăng tính an toàn cho các phiên truyền ứng dụng, bởi vì khi một giao diện nào
dó đột nhiên mất tín hiệu, phiên làm việc đó có thể được đảm nhiệm bởi một giao diện
mạng khả dụng khác. Chính vì những lợi điểm đó mà chuyển giao dọc đã và đang thu
hút sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu. Trong phần tiếp theo của chương này,