Quản trị mạng - Chapter 6: Mạng không dây và mạng di động (Wireless and Mobile Networks)

Chapter 6 Mạng không dây và mạng di động (Wireless and Mobile Networks) Computer Networking: A Top Down Approach 6th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 A note on the use of these ppt slides: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following:  If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!)  If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright 1996-2012 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Mạng không dây, di động 6-1 Mạng không dây, di động 6-2 Chương 6: Mạng không dây và mạng di động Background:  Hiện nay, số lượng thuê bao mạng không dây (di động) vượt qua số lượng thuê bao mạng có dây (5 so với 1)!  Số lượng thiết bị được kết nối Internet không dây bằng với số lượng thiết bị được kết nối internet có dây  Máy tính xách tay, điện thoại Internet cho phép truy cập Internet bất cứ lúc nào  2 thách thức quan trọng (nhưng khác nhau)  Không dây: truyền thông trên kết nối không dây  Di động (mobility): quản lý người dùng di động, là người sẽ thay đổi vị trí kết nối mạng Mạng không dây, di động 6-3 Chương 6 Nội dung 6.1 Giới thiệu Wireless (không dây) 6.2 Các kết nối không dây, đặc tính  CDMA 6.3 Mạng LAN không dây (“Wi-Fi”) 6.4 Truy cập cellular Internet  Kiến trúc  Các chuẩn (ví dụ GSM) Mobility (tính di động) 6.5 Các nguyên lý: định địa chỉ và định tuyến tới người dùng di động 6.6 Mobile IP 6.7 quản lý sự di động trong mạng cellular 6.8 Tính di động và các giao thức tầng cao hơn 6.9 Tổng kết Mạng không dây, di động 6-4 Các thành phần của mạng di động hạ tầng mạng Mạng không dây, di động 6-5 Các host không dây  laptop, smartphone  Chạy các ứng dụng  Có thể cố định hoặc di động  Không dây không có nghĩa là luôn luôn di động Các thành phần của mạng di động hạ tầng mạng Mạng không dây, di động 6-6 base station  Thường được kết nối vào mạng có dây  relay – chịu trách nhiệm cho việc gửi các gói giữa mạng có dây và các host không dây trong “vùng” của nór  Ví dụ cell towers, 802.11 access points Các thành phần của mạng di động hạ tầng mạng Mạng không dây, di động 6-7 Kết nối không dây  Thường được sử dụng để kết nối các mobile tới base station  Cũng được sử dụng như là đường kết nối xương sống (backbone link)  Giao thức đa truy cập  Tốc độ dữ liệu và khoảng cách truyền khác nhau Các thành phần của mạng di động hạ tầng mạng Mạng không dây, di động 6-8 Các đặc điểm của các chuẩn kết nối không dây Indoor 10-30m Outdoor 50-200m Mid-range outdoor 200m – 4 Km Long-range outdoor 5Km – 20 Km .056 .384 1 4 5-11 54 2G: IS-95, CDMA, GSM 2.5G: UMTS/WCDMA, CDMA2000 802.15 802.11b 802.11a,g 3G: UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 4G: LTWE WIMAX 802.11a,g point-to-point 200 802.11n D a ta r a te ( M b p s ) Mạng không dây, di động 6-9 kiểu cơ sở hạ tầng  base station kết nối các mobile vào mạng có dây  handoff: mobile thay đổi base station cái mà cung cấp kết nối vào mạng có dây Các thành phần của mạng di động network infrastructure Mạng không dây, di động 6-10 Chế độ ad hoc  Không có base stations  Các node chỉ có thể truyền tới các node khác trong vùng phủ kết nối  Các node tự tổ chức thành 1 mạng: tự định tuyến giữa chúng Các thành phần của mạng di động Mạng không dây, di động 6-11 Phân loại mạng không dây single hop multiple hops infrastructure (ví dụ APs) no infrastructure host kết nối tới base station (WiFi, WiMAX, cellular) cái mà sẽ kết nối tới mạng Internet lớn hơn Không có base station, Không kết nối tới mạng Internet lớn hơn (Bluetooth, ad hoc nets) host có thể phải chuyển tiếp qua một vài node không dây để kết nối tới mạng Internet lớn hơn: mesh net Không có base station, không kết nối tới mạng Internet lớn hơn. Có thể phải chuyển tiếp để tới được các node khác MANET, VANET Mạng không dây, di động 6-12 Chương 6 Nội dung 6.1 Giới thiệu Wireless (không dây) 6.2 Các kết nối không dây, đặc tính  CDMA 6.3 Mạng LAN không dây (“Wi-Fi”) 6.4 Truy cập cellular Internet  Kiến trúc  Các chuẩn (ví dụ GSM) Mobility (tính di động) 6.5 Các nguyên lý: định địa chỉ và định tuyến tới người dùng di động 6.6 Mobile IP 6.7 quản lý sự di động trong mạng cellular 6.8 Tính di động và các giao thức tầng cao hơn 6.9 Tổng kết Mạng không dây, di động 6-13 Các đặc điểm kết nối không dây (1) Những điểm khác nhau quan trọng so với kết nối có dây.  Cường độ tín hiệu giảm: tín hiệu radio giảm khi nó lan truyền trên đường đi (mất mát trên đường truyền (path loss))  Nhiễu từ các nguồn khác: các tần số mạng không dây được chuẩn hóa (ví dụ 2.4 GHz) được chia sẽ bởi nhiều thiết bị (như là điện thoại); các thiết bị gây cũng gây nhiễu  multipath propagation (lan truyền nhiều hướng): sóng radio phản xạ với các vật xung quanh, vì vậy đến đích tại các thời điểm khác nhau . Làm cho truyền thông thông qua kết nối không dây (thậm chí cả điểm điểm) gặp nhiều khó khăn  Không dây Mạng không dây, di động 6-14 Các đặc điểm kết nối không dây (2)  SNR: signal-to-noise ratio  SNR lớn hơn – dễ dàng hơn trong việc lấy tín hiệu từ nhiễu (noise)  So sánh SNR và BER tradeoffs  given physical layer: tăng năng lượng -> tăng SNR-> giảm BER  given SNR: chọn tầng vật lý mà đáp ứng được yêu cầu của BER, cho thông lượng cao nhất • SNR có thể thay đổi với tính di động: tự động thích ứng tầng vật lý (kỹ thuật điều chế, tốc độ) 10 20 30 40 QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) SNR(dB) B E R 10-1 10-2 10-3 10-5 10-6 10-7 10-4 Mạng không dây, di động 6-15 Các đặc điểm kết nối không dây (2) Nhiều bên gửi và nhận không dây sinh ra nhiều vấn đề (ngoài vấn đề đa truy cập): A B C Vấn đề thiết bị đầu cuối bị ẩn (Hidden terminal problem)  B, A nghe lẫn nhau  B, C nghe lẫn nhau  A, C không thể nghe lẫn nhau. Có nghĩa là A, C không biết sự giao thoa (interference) của chúng tại B A B C A’s signal strength space C’s signal strength Sự suy giảm tín hiệu (Signal attenuation)  B, A nghe lẫn nhau  B, C nghe lẫn nhau  A, C không thể nghe lẫn nhau dù giao thoa tại B Mạng không dây, di động 6-16 Code Division Multiple Access (CDMA)  “mã” duy nhất được gán cho từng người dùng; assigned to each user; như là phân hoạch tập mã  Tất cả các user chia sẻ cùng tần số, nhưng mỗi user có chuỗi “chipping” (“chipping” sequence ) của riêng nó (mã) để mã hóa dữ liệu  Cho phép nhiều user “cùng tồn tại” và truyền đồng thời với nhiễu tối thiểu (nếu các mã là “trực giao”)  Tín hiệu được mã hóa (encoded signal )= (dữ liệu gốc) X (chipping sequence)  Giải mã: sản phẩm bên trong của tín hiệu đã được mã hóa và chipping sequence Mạng không dây, di động 6-17 CDMA mã hóa/giải mã slot 1 slot 0 d1 = -1 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- Zi,m= di .cm d0 = 1 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- 1 1 11 1-1- 1- 1- slot 0 channel output slot 1 channel output channel output Zi,m Bên gửi code data bits slot 1 slot 0 d1 = -1 d0 = 1 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- 1 1 1 1 1- 1- 1- 1- 1 1 11 1-1- 1- 1- slot 0 channel output slot 1 channel outputBên nhận code received input Di = SZi,m.cm m=1 M M Mạng không dây, di động 6-18 CDMA: nhiễu do 2 bên gửi (two-sender interference) Dùng chung mã như bên gửi 1, bên nhận không phục dữ liệu gốc của bên gửi 1 từ dữ liệu của kênh đã được tổng hợp Sender 1 Sender 2 Kênh tổng hợp việc truyền bởi người gửi 1 và 2 Mạng không dây, di động 6-19 Chương 6 Nội dung 6.1 Giới thiệu Wireless (không dây) 6.2 Các kết nối không dây, đặc tính  CDMA 6.3 Mạng LAN không dây (“Wi-Fi”) 6.4 Truy cập cellular Internet  Kiến trúc  Các chuẩn (ví dụ GSM) Mobility (tính di động) 6.5 Các nguyên lý: định địa chỉ và định tuyến tới người dùng di động 6.6 Mobile IP 6.7 quản lý sự di động trong mạng cellular 6.8 Tính di động và các giao thức tầng cao hơn 6.9 Tổng kết Mạng không dây, di động 6-20 IEEE 802.11 Wireless LAN 802.11b  2.4-5 GHz phổ sóng không cần license  Lên đến 11 Mbps  direct sequence spread spectrum (DSSS) trong tầng layer  Tất cả các host dùng cùng mã chipping 802.11a  5-6 GHz  Lên đến 54 Mbps 802.11g  2.4-5 GHz  Lên đến 54 Mbps 802.11n: nhiều antennae  2.4-5 GHz  Lên đến 200 Mbps  Tất cả sử dụng CSMA/CA cho đa truy cập  Tất cả đều có các phiên bản mạng base-station và ad-hoc Mạng không dây, di động 6-21 Kiến trúc 802.11 LAN  Host không dây truyền thông với base station  base station = access point (AP)  Basic Service Set (BSS) (gọi là “cell”) trong infrastructure mode chứa:  Các host không dây  access point (AP): base station  ad hoc mode: chỉ có các host BSS 1 BSS 2 Internet hub, switch Hoặc router Mạng không dây, di động 6-22 802.11: kênh và sự liên kết  802.11b: phổ từ 2.4GHz-2.485GHz được chia thành 11 kênh tại các tầng số khác nhau  Quản trị AP chọn tầng số cho for AP  Có thể nhiễu: kênh có thể giống với AP bên cạnh!  host: phải liên kết với 1 AP  Quét các kênh, lắng nghe các beacon frame chứa tên của AP (SSID) và địa chỉ MAC  Chọn AP để liên kết  Có thể thực hiện chứng thực [chương 8]  Thông thường sẽ chạy DHCP để lấy địa chỉ IP trong subnet của AP Mạng không dây, di động 6-23 802.11: quét thụ động/chủ động AP 2AP 1 H1 BBS 2BBS 1 1 2 3 1 Quét thụ động: (1) Các beacon frame được gửi từ APs (2) Frame yêu cầu liên kết được gửi: H1 tới AP được lựa chọn (3) frame đáp ứng liên kết được gửi từ AP được chọn lựa tới H1 AP 2 AP 1 H1 BBS 2BBS 1 1 22 3 4 Quét chủ động: (1) Quảng bá Probe Request frame từ H1 (2) Các Probe Response frame được gửi từ các AP (3) Association Request frame được gửi: H1 tới AP được lựa chọn (4) Association Response frame được gửi từ AP được chọn lựa tới H1 Mạng không dây, di động 6-24 IEEE 802.11: đa truy cập  Tránh đụng độ: hơn 2 node truyền tại cùng 1 thời điểm  802.11: CSMA – cảm nhận trước khi truyền  Không đụng độ với quá trình đang truyền của node khác  802.11: không phát hiện đụng độ!  Khó khăn để cảm nhận (cảm nhận đụng độ) khi truyền bởi vì tín hiệu được nhận yếu (fading)  Không thể cảm nhận tất cả các đụng độ trong những trường hợp: hidden terminal, fading  Mục tiêu: tránh đụng độ: CSMA/C(ollision)A(voidance) space A B C A B C A’s signal strength C’s signal strength Mạng không dây, di động 6-25 Giao thức MAC IEEE 802.11: CSMA/CA Bên gửi 802.11 1 nếu cảm nhận kênh rãnh rỗi trong khoảng thời gian DIFS thì truyền toàn bộ frame (không có phát hiện đụng độ) 2 nếu cảm nhận kênh bận thì Khởi tạo thời gian chờ ngẫu nhiên (random backoff time) Bộ định thì giảm xuống trong khi kênh rãnh Truyền khi bộ định thì kết thúc if không có ACK, tăng thời gian chờ ngẫu nhiên, lặp lại bước 2 Bên nhận 802.11 - nếu frame được nhận thành công trả lại tín hiệu ACK sau khoảng thời gian SIFS (ACK được cần vì vấn đề hidden terminal) sender receiver DIFS data SIFS ACK Mạng không dây, di động 6-26 Tránh đụng độ (tt) Ý tưởng: cho phép bên gửi được “đăng ký trước” kênh hơn là truy cập ngẫu nhiên của các frame dữ liệu: tránh đụng độ với các frame dữ liệu dài  Đầu tiên, bên gửi truyền các packet nhỏ được gọi là request-to-send (RTS) tới base station dùng cơ chế CSMA  Các RTS có thể vẫn đụng độ lẫn nhau (tuy nhiên chúng rất ngắn)  Base station quảng bá clear-to-send CTS để trả lời cho RTS  CTS được nghe bởi tất cả các node  Bên gửi truyền frame dữ liệu  Các trạm khác trì hoãn việc truyền Tránh đụng độ frame dữ liệu một cách triệt đểdùng các packet nhỏ để đăng ký trước! Mạng không dây, di động 6-27 Tránh đụng độ: trao đổi RTS-CTS AP A B time DATA (A) reservation collision defer Mạng không dây, di động 6-28 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payload CRC 2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4 seq control 802.11 frame: định địa chỉ Địa chỉ 2: địa chỉ MAC của host không dây hoặc AP để truyền frame này Địa chỉ 1: địa chỉ MAC của host không dây hoặc AP để nhận frame này Địa chỉ 3: địa chỉ MAC của interface của router mà AP được kết nối vào Địa chỉ 4: chỉ được sử trong chế độ ad hoc Mạng không dây, di động 6-29 Internet routerH1 R1 AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr Địa chỉ 1 Địa chỉ 2 Địa chỉ 3 802.11 frame R1 MAC addr H1 MAC addr Địa chỉ đích Địa chỉ nguồn 802.3 frame 802.11 frame: định địa chỉ Mạng không dây, di động 6-30 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payload CRC 2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4 seq control Type From AP Subtype To AP More frag WEP More data Power mgt Retry Rsvd Protocol version 2 2 4 1 1 1 1 1 11 1 khoảng thời gian truyền đã được đăng ký (RTS/CTS) frame seq # (for RDT) Kiểu frame (RTS, CTS, ACK, dữ liệu) 802.11 frame: định địa chỉ Mạng không dây, di động 6-31 802.11: tính di động trong cùng subnet  H1 vẫn còn trong cùng IP subnet: địa chỉ IP có thể duy trì giống vậy  switch: AP nào được liên kết với H1?  Tự học (Ch. 5): switch sẽ thấy frame từ H1 và “nhớ” port nào của switch có thể được sử dụng để tới H1 H1 BBS 2BBS 1 Mạng không dây, di động 6-32 802.11: các khả năng nâng cao Sự thích ứng tốc độ (Rate adaptation)  base station, mobile tự động thay đổi tốc độ truyền (kỹ thuật điều chế tầng physical) khi mobile di chuyển, thay đổi SNR QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 10 20 30 40 SNR(dB) B E R 10-1 10-2 10-3 10-5 10-6 10-7 10-4 operating point 1. SNR giảm, BER tăng khi node di chuyển ra xa base station 2. Khi BER quá cao, chuyển sang tốc độ truyền thấp hơn nhưng với BER thấp hơn Mạng không dây, di động 6-33 power management (Quản lý năng lượng)  node-tới-AP: “tôi đang chuẩn bị đi ngủ cho đến khi beacon frame kế tiếp”  AP biết là không truyền frame tới node này  node thức dậy trước khi beacon frame kế tiếp  beacon frame: chứa danh sách các mobile với các frame AP-tới-mobile đang đợi để được gửi  node sẽ vẫn thức nếu các frame từ AP-tới- mobile được gửi; nếu không ngủ lại cho tới khi beacon frame kế tiếp 802.11: các khả năng nâng cao Mạng không dây, di động 6-34 M radius of coverage S SS P P P P M S Thiết bị Master Thiết bị Slave Parked device (inactive)P 802.15: mạng vùng cá nhân  Đường kính ít hơn 10 m  Thay thế cho các loại cáp (mouse, keyboard, headphones)  ad hoc: no infrastructure  master/slaves:  Slave yêu cầu quyền để gửi (tới master)  master chấp nhận các yêu cầu  802.15: phát triển từ Bluetooth  Dải tần số radio từ 2.4-2.5 GHz  Tốc độ lên đến 721 kbps Mạng không dây, di động 6-35 Chương 6 Nội dung 6.1 Giới thiệu Wireless (không dây) 6.2 Các kết nối không dây, đặc tính  CDMA 6.3 Mạng LAN không dây (“Wi-Fi”) 6.4 Truy cập cellular Internet  Kiến trúc  Các chuẩn (ví dụ GSM) Mobility (tính di động) 6.5 Các nguyên lý: định địa chỉ và định tuyến tới người dùng di động 6.6 Mobile IP 6.7 quản lý sự di động trong mạng cellular 6.8 Tính di động và các giao thức tầng cao hơn 6.9 Tổng kết Mạng không dây, di động 6-36 Mobile Switching Center Public telephone network Mobile Switching Center Các thành phần của kiến trúc mạng cellular  kết nối các cell tới mạng điện thoại có dây  quản lý thiết lập cuộc gọi Quản lý tính di động MSC  bao trùm vùng địa lý  base station (BS) giống với 802.11 AP  user di động gắn vào mạng thông qua BS  air-interface: giao thức tầng link và physical giữa mobile và BS cell Mạng có dây Mạng không dây, di động 6-37 Mạng Cellular: hop đầu tiên 2 kỹ thuật để chia sẽ phổ sóng radio từ mobile-tới-BS  FDMA/TDMA kết hợp: chia phổ thành các kênh tần số, chia mỗi kênh thành các time slot  CDMA: code division multiple access frequency bands time slots Mạng không dây, di động 6-38 BSCBTS Base transceiver station (BTS) Base station controller (BSC) Mobile Switching Center (MSC) Mobile subscribers Base station system (BSS) Legend 2G (voice) kiến trúc mạng MSC Public telephone network Gateway MSC G Mạng không dây, di động 6-39 3G (voice+data) kiến trúc mạng radio network controller MSC SGSN Public telephone network Gateway MSC G Serving GPRS Support Node (SGSN) Gateway GPRS Support Node (GGSN) Public Internet GGSN G Key insight: mạng dữ liệu cellular mới hoạt động song song (trừ mạng cạnh) với mạng voice cellular đang tồn tại  Mạng voice không thay đổi trong lõi  Mạng dữ liệu hoạt động song song Mạng không dây, di động 6-40 radio network controller MSC SGSN Public telephone network Gateway MSC G Public Internet GGSN G radio access network Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) core network General Packet Radio Service (GPRS) Core Network public Internet radio interface (WCDMA, HSPA) 3G (voice+data) kiến trúc mạng Mạng không dây, di động 6-41 Chương 6 Nội dung 6.1 Giới thiệu Wireless (không dây) 6.2 Các kết nối không dây, đặc tính  CDMA 6.3 Mạng LAN không dây (“Wi-Fi”) 6.4 Truy cập cellular Internet  Kiến trúc  Các chuẩn (ví dụ GSM) Mobility (tính di động) 6.5 Các nguyên lý: định địa chỉ và định tuyến tới người dùng di động 6.6 Mobile IP 6.7 quản lý sự di động trong mạng cellular 6.8 Tính di động và các giao thức tầng cao hơn 6.9 Tổng kết Mạng không dây, di động 6-42 Di động là gì  Quang phổ của tính di động, từ quan điểm mạng: no di động Di động high Người dùng không dây di động, sử dụng cùng access point Người dùng di động, mobile user, di chuyển sang nhiều access point trong khi vẫn duy trì kết nối liên tục (như điện di động) Người dùng di động, kết nối/ ngắt kết nối từ mạng dùng DHCP. wide area network Mạng không dây, di động 6-43 Tính di động: từ vựng Mạng gia đình: “gia đình” bền vững của các thiết bị di động (e.g., 128.119.40/24) Địa chỉ cố định (permanent address): địa chỉ trong mạng gia đình, có thể luôn luôn được sử dụng để tới được các thiết bị di động Ví dụ 128.119.40.186 home agent: thực thể sẽ thực hiện các chức năng di động với tư cách của thiết bị di động, khi thiết bị di động ở xa Mạng không dây, di động 6-44 Tính di động: từ vựng (tt) wide area network care-of-address: address in visited network. (e.g., 79,129.13.2) visited network: mạng mà thiết bị di động đang thường trú trong đó (ví dụ, 79.129.13/24) permanent address: giữ nguyên không đổi (ví dụ 128.119.40.186) foreign agent: là thực thể trong visited network cái mà thực hiện những chức năng di động với tư cách của thiết bị di động. correspondent: có nhu cầu truyền thông với mobile Mạng không dây, di động 6-45 Làm cách nào liên lạc với một người bạn dùng thiết bị di động:  Tìm tất cả danh bạ điện thoại?  Gọi cho cha mẹ cô ta?  Mong chờ cô ta sẽ cho bạn biết là cô ta đang ở đâu? Tôi tự hỏi Alice đã di chuyển tới đâu? Khảo sát trường hợp người bạn thường xuyên thay đổi địa chỉ, làm cách nào để tìm được cô ta? Mạng không dây, di động 6-46 Tính di động: cách tiếp cận  Để routing quản lý nó: router quảng cáo địa chỉ cố định của các node di động (mobile-nodes-in-residence ) thông qua việc trao đổi bảng định tuyến.  Các bảng định tuyến này chỉ ra từng thiết bị di động đang ở đâu  Không thay đổi gì ở các hệ thống đầu cuối  Để cho các hệ thống đầu cuối quản lý:  Định tuyến không trực tiếp (indirect routing): truyền thông từ correspondent tới thiết bị di động thông qua home agent, sau được chuyển tiếp đến thiết bị ở xa  Định tuyến trực tiếp: correspondent lấy địa chỉ ngoài của thiết bị di đông (foreign address), gửi trực tiếp đến thiết bị di động Mạng không dây, di động 6-47  Để routing quản lý nó: router quảng cáo địa chỉ cố định của các node di động (mobile-nodes-in-residence ) thông qua việc trao đổi bảng định tuyến.  Các bảng định tuyến này chỉ ra từng thiết bị di động đang ở đâu  Không thay đổi gì ở các hệ thống đầu cuối  Để cho các hệ thống đầu cuối quản lý:  Định tuyến không trực tiếp (indirect routing): truyền thông từ correspondent to thiết bị di động thông qua home agent, sau được chuyển tiếp đến thiết bị ở xa  Định tuyến trực tiếp: correspondent lấy địa chỉ ngoài của thiết bị di đông (foreign address), gửi trực tiếp đến thiết bị di động Không thể mở rộng tới hàng triệu thiết bị di động Tính di động: cách tiếp cận wide area network Mạng không dây, di động 6-48 Tính di động: đăng ký (registration) Kết quả cuối cùng:  foreign agent biết về thiết bị di động này  home agent biết vị trí của thiết bị di động home network visited network 1 Thiết bị di động liên hệ với foreign agent để đăng nhập vào visited network 2 foreign agent liên hệ home agent home: “thiết bị di động này thường trú trong mạng của tôi” Mạng không dây, di động 6-49 Tính di động thông qua định tuyến gián tiếp wide area network home network visited network 3 2 4 1 correspondent định vị packets dùng địa chỉ home của thiết bị di động home agent chặn các packet, chuyển tiếp đến cho foreign agent foreign agent nhận các packet, chuyển tiếp đến cho thiết bị di động Thiết bị di động phản hồi trực tiếp cho correspondent Mạng không dây, di động 6-50 Định tuyến gián tiếp: chú thích  Thiết bị di động dùng 2 địa chỉ:  permanent address: được sử dụng bởi correspondent (do đó vị trí của thiết bị di động là trong suốt (transparent ) đối với correspondent)  care-of-address: được dùng bởi home agent để chuyển tiếp datagram tới thiết bị di động  Các chức năng của foreign agent có thể được thực hiện bởi chính các thiết bị di động  Định tuyến tam giác (triangle routing): correspondent-home-network-mobile  Không hiệu quả khi correspondent, thiết bị di động ở cùng mạng Mạng không dây, di động 6-51 Định tuyến gián tiếp: di chuyển giữa các mạng  Giả sử người dùng di động di chuyển tới mạng khác  Đăng ký với foreign agent mới  foreign agent mới đăng ký với home agent  home agent cập nhật care-of-address cho thiết bị di động  Các packet tiếp tục được chuyển tiếp tới thiết bị di động (nhưng với care-of-address mới)  Tính di động, thay đổi mạng là trong suốt: các kết nối liên tục được duy trì! 1 2 3 4 Mạng không dây, di động 6-52 Tính di động thông qua định tuyến trực tiếp home network visited network correspondent yêu cầu, nhận địa chỉ của thiết bị di động Correspondent chuyển tiếp cho foreign agent foreign agent nhận các packet, chuyển tiếp cho thiết bị di động Thiết bị di động trả lời trực tiếp cho correspondent Mạng không dây, di động 6-53 Tính di động thông qua định tuyến trực tiếp: chú tích  Khắc phục vấn đề triangle routing  Không trong suốt đối với correspondent: correspondent phải lấy care-of-address từ home agent  Cái gì xảy ra nếu thiết bị di động thay đổi visited network? 1 2 3 4 Mạng không dây, di động 6-54 wide area network 1 foreign net visited at session start anchor foreign agent 2 4 Foreign agent mới 3 correspondent agent correspondent foreign Network mới Accommodating mobility with direct routing  anchor foreign agent: FA trong visited network đầu tiên  Đầu tiên, Dữ liệu luôn luôn được định tuyến tới anchor FA  Khi thiết bị di động di chuyển: FA mới sắp xếp để dữ liệu được chuyển tiếp từ FA cũ (dây chuyển) 5 Mạng không dây, di động 6-55 Chương 6 Nội dung 6.1 Giới thiệu Wireless (không dây) 6.2 Các kết nối không dây, đặc tính  CDMA 6.3 Mạng LAN không dây (“Wi-Fi”) 6.4 Truy cập cellular Internet  Kiến trúc  Các chuẩn (ví dụ GSM) Mobility (tính di động) 6.5 Các nguyên lý: định địa chỉ và định tuyến tới người dùng di động 6.6 Mobile IP 6.7 quản lý sự di động trong mạng cellular 6.8 Tính di động và các giao thức tầng cao hơn 6.9 Tổng kết Mạng không dây, di động 6-56 Mobile IP  RFC 3344  Có nhiều đặc tính chúng ta vừa xem qua:  home agents, foreign agents, foreign-agent registration, care-of-addresses, đóng gói (packet-bên trong-a-packet)  3 thành phần cần chuẩn hóa:  Định tuyến gián tiếp các datagram  Phát hiện agent  Đăng ký với home agent Mạng không dây, di động 6-57 Mobile IP: định tuyến gián tiếp Địa chỉ cố định: 128.119.40.186 Care-of address: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186 packet được gửi bởi correspondent dest: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186 packet được gửi bởi home agent tới foreign agent: 1 packet bên trong 1 packet dest: 128.119.40.186 foreign-agent-tới-mobile packet Mạng không dây, di động 6-58 Mobile IP: phát hiện agent  agent advertisement: foreign/home agents quảng cáo dịch vụ bằng cách broadcast ICMP messages (typefield = 9) RBHFMGV bits reserved type = 16 type = 9 code = 0 = 9 checksum router address standard ICMP fields mobility agent advertisement extension length sequence # registration lifetime 0 or more care-of- addresses 0 8 16 24 R bit: yêu cầu đăng ký H,F bits: home và/hoặc foreign agent Mạng không dây, di động 6-59 Mobile IP: ví dụ đăng ký visited network: 79.129.13/24 home agent HA: 128.119.40.7 foreign agent COA: 79.129.13.2 mobile agent MA: 128.119.40.186 registration req. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification:714 . registration reply HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format . registration reply HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 . time ICMP agent adv. COA: 79.129.13.2 . registration req. COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format . Mạng không dây, di động 6-60 Các thành phần kiến trúc mạng cellular correspondent MSC MSC MSC MSC MSC Mạng điện thoại công cộng có dây Các mạng cellular khác nhau, được điều hành bởi các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Ôn lại: Mạng không dây, di động 6-61 Quản lý tính di động trong mạng cellular  home network: mạng của nhà cung cấp cellular mà bạn đăng ký (ví dụ: Sprint PCS, Verizon)  home location register (HLR): cơ sở dữ liệu trong home network chứa số lượng cell phone cố định, thông tin hồ sơ(services, preferences, billing), thông tin về vị trí hiện tại (có thể đang ở trong mạng khác)  visited network: mạng mà trong đó thiết bị di động đang thường trú  visitor location register (VLR): cơ sở dữ liệu với entry cho mỗi user hiện tại trong mạng  Có thể là mạng Mạng không dây, di động 6-62 Public switched telephone network mobile user home Mobile Switching Center HLR home network visited network correspondent Mobile Switching Center VLR GSM: định tuyến gián tiếp tới thiết bị di động 1 Cuộc gọi được định tuyến tới home network 2 home MSC tra cứu HLR, lấy số hiệu roaming của thiết bị di động trong visited network 3 home MSC thiết lập chiều thứ 2 của cuộc gọi đến MSC trong visited network 4 MSC trong visited network hoàn tất cuộc gọi thông qua base station tới thiết bị di động Mạng không dây, di động 6-63 Mobile Switching Center VLR old BSS new BSS old routing new routing GSM: handoff với MSC  Mục tiêu handoff : định tuyến cuộc gọi thông qua base station mới (không gián đoạn)  Các lý do handoff:  Tín hiệu mạnh hơn đến/từ BSS mới (kết nối liên tục, ít tiêu hao nhiên liệu)  Cân bằng tải(load balance): giải phóng kênh trong BSS hiện tại  GSM không ủy quyền làm sao thực hiện handoff (chính sách), chỉ biết làm cách nào (cơ chế)  handoff được khởi tạo bởi BSS cũ Mạng không dây, di động 6-64 Mobile Switching Center VLR old BSS 1 3 2 4 5 6 7 8 new BSS 1. BSS cũ thông báo với MSC để handoff, cung cấp danh sách các BSSs 1+ mới 2. MSC thiết lập đường đi (cung cấp tài nguyên) tới BSS mới 3. BSS mới cấp phát kênh radio cho sử dụng bởi thiết bị di động 4. BSS mới thông báo MSC, BSS cũ: sẵn sàng 5. BSS cũ nói cho thiết bị di động: thực hiện handoff với BSS mới 6. Thiết bị di động, tín hiệu BSS mới tới channel mới kích hoạt 7. Các tín hiệu của thiết bị di động thông qua BSS mới to MSC: handoff hoàn tất. MSC định tuyến lại cuộc gọi 8. Các tài nguyên MSC-cũ-BSS được giải phóng GSM: handoff với MSC Mạng không dây, di động 6-65 home network Home MSC PSTN correspondent MSC anchor MSC MSCMSC (a) Trước khi handoff GSM: handoff giữa các MSC  anchor MSC: MSC đầu tiên trong suốt cuộc gọi  cuộc gọi vẫn còn được định tuyến thông qua MSC  Các MSC mới thêm vào cuối dây chuyền MSC khi thiết bị di động di chuyển tới MSC mới  Bước giảm thiểu đường đi tùy chọn để thu ngắn các dây chuyền MSC Mạng không dây, di động 6-66 home network Home MSC PSTN correspondent MSC anchor MSC MSCMSC (b) Sau khi handoff  anchor MSC: MSC đầu tiên trong suốt cuộc gọi  Cuộc gọi vẫn còn được định tuyến thông qua anchor MSC  Các MSCs mới thêm vào cuối dây chuyền MSC chain khi thiết bị di động di chuyển tới MSC mới  Bước giảm thiểu đường đi tùy chọn để thu ngắn các dây chuyền MSC GSM: handoff giữa các MSC Mạng không dây, di động 6-67 Tính di động : GSM với Mobile IP GSM element Comment on GSM element Mobile IP element Home system Mạng chứa các số điện thoại cố định của user di động Home network Gateway Mobile Switching Center, or “home MSC”. Home Location Register (HLR) Home MSC: điểm tiếp xúc để lấy được địa chỉ có thể định tuyến được của user di động. HLR: cơ sở dữ liệu trong home system chứa số điện thoại cố định, thông tin hồ sơ, vị trí hiện tại của người dùng di động, thông tin thuê bao Home agent Visited System Mạng khác với home system, trong đó user di động đang thường trú Visited network Visited Mobile services Switching Center. Visitor Location Record (VLR) Visited MSC: chịu trách nhiệm cho việc thiết lập cuộc gọi đến/từ các node di động trong các cell kết nối với MSC. VLR: entry cơ sở dữ liệu tạm thời trong visited system, chứa thông tin đăng ký cho mỗi người dùng di động đến thăm (visiting mobile user) Foreign agent Mobile Station Roaming Number (MSRN), or “roaming number” Địa chỉ có thể định tuyến được cho mỗi phân đoạn cuộc gọi điện thoại giữa home MSC và visited MSC Care-of- address Mạng không dây, di động 6-68 Không dây, tính di động: ảnh hưởng đến các giao thức tầng cao hơn  Một cách hợp lý, ảnh hưởng sẽ là tối thiểu  Mô hình dịch vụ best effort vẫn không thay đổi  TCP và UDP có thể (và đang thực hiện) chạy trên mạng không dây và di động  nhưng hiệu quả:  Mất và trễ packet vì các lỗi bit (bit-errors) (các packet bị hủy, trễ do sự truyền lại ở tầng link), và handoff  TCP cho rằng mất gói khi tắc nghẽn, sẽ giảm congestion window một cách không cần thiết  Trễ làm suy giảm lưu thông thời gian thực  Băng thông giới hạn của các kết nối không dây Mạng không dây, di động 6-69 Chương 6: tóm tắt Không dây  Kết nối không dây:  Năng suất, khoảng cách  Sự suy giảm kênh truyền  CDMA  IEEE 802.11 (“Wi-Fi”)  CSMA/CA phản ánh các đặc điểm của kênh truyền không dây  Truy cập cellular  Kiến trúc  Các chuẩn (e.g., GSM, 3G, 4G LTE) Tính di động  Các nguyên lý: định địa chỉ, định tuyến tới người dùng di động  home, visited networks  direct, indirect routing  care-of-addresses  Nghiên cứu  mobile IP  mobility in GSM  Tác động lên các giao thức tầng cao hơn