Đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng IPv6 không dây
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Mạng không dây đã xuất hiện từ nhiều thập niên qua nhưng cho đến những năm gần đây, với sự bùng nổ của các thiết bị không dây thì nhu cầu nghiên cứu và phát triển hệ thống mạng không dây ngày càng trở nên cấp thiết. Mạng không dây WLAN sử dụng sóng để liên lạc với nhau và có tính linh hoạt cao nhưng đây cũng là điểm yếu của WLAN vì khoảng cách giữa thiết bị không dây và điểm truy cập (AP) thường gây ra ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng dịch vụ mạng nhất là các ứng dụng thời gian thực như là VoIP hay là Video có sự đòi hỏi cao về độ trễ, biến thiên trễ hay tỉ lệ mất gói tin. Vì vậy, hiện nay có nhiều công nghệ, giao thức, các chuẩn lần lượt ra đời và không ngừng được tiếp tục nghiên cứu và phát triển nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ cho WLAN.
Trong quá trình hoạt động địa chỉ IPv4 đã phát sinh một số vấn đề về bảo mật và chất lượng dịch vụ (QoS). Ngoài ra, tính tới tháng 4/2011 số lượng địa chỉ IPv4 trên toàn thế giới đã cạn kiệt. Vì vậy, việc cần thiết phải thay thế giao thức IPv4 là tất yếu. Giao thức IPv6 ra đời nhằm mục đích tối thiểu hóa ảnh hưởng qua lại giữa các giao thức lớp trên và lớp dưới. IP phiên bản 6 (IPv6) kết hợp việc mở rộng địa chỉ với một header hiệu quả và tính năng phong phú hơn để đáp ứng nhu cầu cho các mạng có thể mở rộng trong tương lai. IPv6 đáp ứng các yêu cầu ngày càng phức tạp địa chỉ phân cấp mà IP phiên bản 4 (IPv4) không cung cấp. Một lợi ích quan trọng là IPv6 có thể tạo lại kết nối end-to-end mà không cần công nghệ NAT là cho phép kết hợp một địa chỉ IP toàn cục duy nhất cho nhiều máy trong cùng một mạng riêng, NAT gây khó khăn trong quá trình truyền thông giữa các máy và cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng nhất là các ứng dụng thời gian thực. Các quốc gia đang đẩy nhanh việc đưa vào triển khai IPv6 song song với IPv4. Tại Việt Nam theo lộ trình trước năm 2020 toàn bộ mạng lưới và dịch vụ Internet Việt Nam được chuyển đổi để hoạt động một cách an toàn, tin cậy với địa chỉ IPv6. Lộ trình chuyển đổi được thực hiện với ba giai đoạn. Giai đoạn 1 (từ 2011-2012) còn gọi là giai đoạn chuẩn bị, đã thực hiện đánh giá thực trạng của hệ thống mạng tại Việt nam với mức độ sẵn sàng nhất định cho việc chuyển đổi sang IPv6, thử nghiệm công nghệ IPv6 tại Việt Nam, tuyên truyền và đào tạo nguồn nhân lực phục vụ cho việc chuyển đổi sang IPv6. Hiện nay Việt Nam đang bước vào giai đoạn 2 (từ 2013-2015) tức giai đoạn khởi động cho việc chuyển đổi mạng lưới từ IPv4 sang hỗ trợ đồng thời IPv4 và IPv6, cung cấp các dịch vụ IPv6 thử nghiệm đến người dùng. Giai đoạn 3 (từ 2016-2019) là giai đoạn hoàn thành chuyển đổi và đảm bảo hoạt động ổn định với địa chỉ IPv6. Các tổ chức, doanh nghiệp chính thức sử dụng và cung cấp dịch vụ trên nền tảng công nghệ IPv6 tại Việt Nam. Mặc dù vậy, hiện nay việc triển khai IPv6 tại Việt Nam đang rất hạn chế, mới chỉ có 5/27 doanh nghiệp công nghệ thông tin có kế hoạch triển khai và thành lập bộ phận triển khai IPv6 cho doanh nghiệp mình. Vì thế, dù cho Việt Nam là quốc gia triển khai IPv6 khá sớm nhưng lưu lượng và sự hiện diện còn nhiều hạn chế. Theo Trung tâm Internet Việt Nam (VNNIC), hiện Việt Nam đang đứng thứ 79/258 trong các quốc gia và vùng lãnh thổ triển khai IPv6.
Chất lượng dịch vụ (QoS) được nhìn nhận từ hai khía cạnh: người sử dụng dịch vụ và hệ thống mạng. Từ khía cạnh người sử dụng dịch vụ, QoS được coi là mức độ chấp nhận dịch vụ và mức độ hài lòng của người sử dụng dịch vụ. Chất lượng dịch vụ gắn với từng ứng dụng và được đánh giá bởi người sử dụng. Từ khía cạnh hệ thống mạng, QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu cầu chất lượng dịch vụ cho người sử dụng. Nghĩa là hệ thống mạng có khả năng cung cấp các lưu lượng với các điều kiện ràng buộc chất lượng thỏa mãn yêu cầu của dịch vụ. Các tham số đánh giá QoS như: băng thông, độ trễ, biến thiên trễ hay tỷ lệ tổn thất gói tin. Một hệ thống mạng có sử dụng các ứng thời gian thực như thoại VoIP chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố liên quan đến chất lượng dịch vụ như mất gói, độ trễ và biến thiên trễ.
Vì những lý do như trên, tôi đề xuất chọn đề tài luận văn cao học: “Đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng IPv6 không dây ” để nghiên cứu.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
2.1. Mục tiêu: Nghiên cứu đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng IPv6 không dây.
2.2. Nội dung nghiên cứu: Tìm hiểu về mạng không dây, công nghệ IPv6 và phần mềm mô phỏng mạng OPNET.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu: Mạng không dây WLAN, công nghệ IPv6 và phần mềm mô phỏng mạng OPNET.
3.2. Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá chất lượng dịch vụ cho mạng IPv6 không dây và ứng dụng mô phỏng đánh giá hệ thống mạng không dây tại trường Đại học Quảng Nam và đề xuất mô hình cải tiến.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Phương pháp lý thuyết: Cơ sở lý thuyết về mạng không dây, về công nghệ IPv6, về phần mềm mô phỏng mạng OPNET
4.2. Phương pháp thực nghiệm: Mô phỏng và đánh giá bằng phần mềm OPNET.
5. Dự kiến kết quả đạt được
5.1. Về lý thuyết: Hiểu được khái niệm và tính chất cơ bản của mạng không dây, công nghệ IPv6và phương pháp đánh giá QoS cho mạng không dây.
5.2. Về thực nghiệm: Sử dụng được phần mềm mô phỏng mạng OPNET để đánh giá QoS mạng không dây.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
6.1. Ý nghĩa khoa học: Áp dụng đánh giá QoS cho mạng không dây.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất mô hình cải tiến góp phần đảm bảo nâng cao QoS trên đường truyền không dây tại trường Đại học Quảng Nam.
7. Bố cục của luận văn
Luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Hiệu suất mạng WLAN
Chương 3: Đánh giá chất lượng dịch vụ mạng WLAN IPv6
Kết luận và hướng phát triển
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này sẽ giới thiệu cơ sở lý thuyết về các giao thức cơ sở của mạng, mạng WLAN, chất lượng dịch vụ và các tham số đánh giá chất lượng dịch vụ mạng.
CÁC GIAO THỨC MẠNG
Mô hình TCP/IP
Địa chỉ IPv6
Internet phát triển mạnh, nhu cầu sử dụng địa chỉ IP tăng dẫn đến không gian địa chỉ ngày càng bị thu hẹp và tình trạng thiếu hụt địa chỉ IP tất yếu sẽ xảy ra. Trong quá trình hoạt động IPv4 đã phát sinh một số vấn đề về bảo mật và QoS. Vì vậy, nguy cơ thiếu hụt không gian địa chỉ, cùng những hạn chế của IPv4 thúc đẩy sự đầu tư nghiên cứu một giao thức internet mới. IETF quyết định thay thế IPv4 bằng IPv6 (Internet Protocol Version 6). Địa chỉ IPv6 có chiều dài gấp 4 lần chiều dài địa chỉ IPv4, gồm 128 bit.
Bảo mật cho IPv6
MẠNG WLAN
Tìm hiểu về mạng WLAN
Hoạt động của mạng WLAN
Các mô hình của mạng WLAN
Chuẩn IEEE 802.11 cho mạng WLAN
Quá trình hoạt động mạng WLAN cơ bản
Điểm truy cập (AP) quảng bá sự hiện diện của chính bản thân nó bằng cách gửi các thông báo vô tuyến ngắn liên tục khoảng 10 lần trong một giây. Những thông báo này được gọi là beacon và cho phép các thiết bị không dây phát hiện ra sự tồn tại của AP đó.
Máy trạm (STA) bắt đầu dò tìm các AP hoặc có thể được cấu hình để tìm kiếm một AP duy nhất, tuy nhiên, nó cũng có thể kết nối với một AP bất kỳ nào khác mà nó “nhìn thấy”. Có rất nhiều tần số khác nhau (được gọi là các kênh) mà STA có thể sử dụng để dò tìm các beacon. Quá trình này gọi là quét. STA này có thể phát hiện một vài AP xung quanh mà nó có thể truy cập và phải quyết định kết nối với AP nào, vì tại một thời điểm nó chỉ có thể kết nối tới một AP duy nhất, thường AP được lựa chọn có độ lớn tín hiệu lớn nhất. Khi STA đã sẵn sàng kết nối với một AP nào đó, trước hết, nó gửi một thông báo yêu cầu chứng thực tới AP. AP lập tức đáp ứng yêu cầu chứng thực bằng cách gửi thông báo đáp trả lại và chỉ ra rằng nó chấp nhận kết nối. Khi một STA kết nối với một AP, nó được phép gửi và nhận dữ liệu từ mạng đó. STA gửi một thông báo yêu cầu kết nối và AP gửi trả lại một thông báo thể hiện kết nối thành công.
Giao thức điều khiển truy nhập 802.11 MAC
CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
Chất lượng dịch vụ (QoS) là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận từ nhiều góc độ khác nhau nên có nhiều định nghĩa khác nhau. Liên minh viễn thông quốc tế ITU-T định nghĩa chất lượng dịch vụ trong khuyến nghị E800 là “Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ”. Trong khi đó, Viện nghiên cứu viễn thông châu Âu ETSI định nghĩa QoS trong ETSI – TR102 là “Khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với các kiểu luồng lưu lượng, chất lượng dịch vụ bao trùm cả phân loại hoá dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ”. Chất lượng dịch vụ các ứng dụng chủ yếu được xác định bởi các phép đo như: băng thông, thông lượng, thời gian trễ, độ biến thiên, tỉ suất mất gói…
Băng thông
Băng thông được dùng để chỉ một khối lượng dữ liệu có thể truyền tải được trong một thời gian nhất định.
Thông lượng
Thông lượng là lượng dữ liệu đi qua đường truyền trong một đơn vị thời gian. Hay thông lượng là băng thông thực sự mà các ứng dụng mạng được sử dụng trong một thời gian cụ thể.
Độ trễ
Độ trễ là thời gian trung bình để vận chuyển một gói tin qua mạng, từ nguồn tới đích.
Biến thiên trễ
Biến thiên trễ là độ sai lệch về trễ giữa các gói tin khác nhau.
Mất gói
Mất gói là số lượng số gói tin bị lỗi trên tổng số gói tin được đưa lên đường truyền.
KẾT CHƯƠNG
CHƯƠNG 2
HIỆU SUẤT MẠNG WLAN
Chương này trình bày hiệu suất mạng và các cơ chế của mạng WLAN như DCF, PCF và cơ chế HCF_EDCA có hỗ trợ QoS.
HIỆU SUẤT MẠNG
Giới thiệu
Hiệu suất là nhân tố chính xác định công suất của một hệ thống. Đánh giá hiệu suất mạng là xác định về mặt định tính và định lượng chất lượng truyền tải.
Các phương pháp đánh giá hiệu suất của hệ thống mạng
YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT
Khoảng cách giữa máy trạm và điểm truy cập
Một điểm truy cập (AP) có thể cung cấp kết nối WLAN đến các máy trạm (STA) chỉ trong tầm vực phát sóng của nó.
Phạm vi tín hiệu có thể được định nghĩa một cách tương đối bởi loại ăng ten đang được dùng cho AP. Trong môi trường không khí và lý tưởng, phạm vi này là một hình cầu bao bọc xung quanh một ăng ten đẳng hướng, phạm vi phủ sóng là ba chiều, trên mặt phẳng phạm vi phủ sóng là một vòng tròn có tâm là vị trí của AP. Trong mạng WLAN, AP thường được đặt cố định và được tính toán kỹ lưỡng sao cho phạm vi phủ sóng đạt được mức tốt nhất. Phạm vi phủ sóng của một AP được gọi là một cell. Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng WLAN đó là cường độ tín hiệu tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ STA đến AP. Vì thế khi khoảng cách giữa STA và AP xa thì tín hiệu yếu đi và hiệu suất mạng vì thế cũng giảm xuống rõ rệt.
Hình 2.1. STA mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp
Sự di động của máy trạm
CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CỦA WLAN
Chức năng quan trọng nhất của tầng quản lý truy cập môi trường lan truyền (MAC) bao gồm việc quản lý truy cập kênh, đảm bảo chất lượng dịch vụ và cung cấp bảo mật. Liên kết không dây có một số đặc trưng nhất định như tốc độ mất gói tin cao, sự bùng nổ của các khung bị mất, sắp lại thứ tự gói và biến thiên độ trễ.
Cơ chế điều phối phân tán
Cơ chế điều phối phân tán (DCF) là cơ chế truy cập được chỉ rõ trong chuẩn 802.11 cho phép tất cả các STAs trong WLAN đấu tranh đề giành quyền truy cập đường truyền dùng chung là sóng vô tuyến sử dụng giao thức CSMA/CA. Môi trường truyền là một phần của băng tần sóng vô tuyến mà WLAN sử dụng để truyền dữ liệu, các mô hình WLAN đều có thể sử dụng cơ chế DCF. AP ở cơ chế DCF hoạt động tương tự như HUB trong môi trường Ethernet để truyền dữ liệu. Cơ chế DCF thực hiện việc truyền dữ liệu bằng giao thức CSMA/CA có sử dụng bản tin ACK trả lời từ STA nhận nên sẽ tránh được xung đột dữ liệu.
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2015\KHOA HOC MAY TINH\LE VAN CUONG
