VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CDIT
Tóm tắt: Mô hình OSI dựa trên nguyên tắc phân lớp rõ ràng về mặt chức năng đã đóng một vai trò quan trọng trong các thiết kế của lĩnh vực Viễn thông/Internet. Nguyên tắc của mô hình OSI đó là các lớp thực hiện các chức năng riêng và chỉ các lớp liền nhau có thể trao đổi thông tin với nhau thông qua mặt cắt giao tiếp. Trên nguyên tắc này, mô hình OSI đã bỏ qua các tác động qua lại của các lớp chức năng không liền kề nhau, tuy nhiên, trong mạng không dây (wireless) sự tác động lẫn nhau giữa các lớp không lân cận lại quá lớn và ảnh hưởng qua lại rất rõ (ví dụ: chất lượng đường truyền sóng vô tuyến có thể làm thay đổi kết quả của việc chọn đường đi của lớp mạng). Do vậy, trong thiết kế của mạng không dây và nhất là trong những năm gần đây người ta rất quan tâm đến thiết kế xuyên lớp (cross-layer), ở đó nguời ta cho phép các lớp không lân cận có thể trao đổi thông tin với nhau. Bài báo này phân tích về thiết kế xuyên lớp trong mạng không dây nói chung và phân tích sâu hơn vào định tuyến xuyên lớp- một phần của thiết kế xuyên lớp của mạng không dây .
1. Giới thiệu
Mạng truy nhập sử dụng các công nghệ khác nhau: wireline (xDSL, LAN), wireless (GSM, CDMA, bluetooth, wifi, wiremax..) là một phần trong mạng hội tụ FMC. Trong số này mạng không dây dựa trên công nghệ IP (wifi, wimax) tiềm ẩn nhiều nguy cơ về chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng trên mạng này. Các yếu tố sóng yếu, vật cản, sự di động của trạm cuối.. tác động đến chất lượng dịch vụ như trong các mạng di động tế bào GSM, CDMA nhưng lại chưa được hỗ trợ các cơ chế kiểm soát, chuyển giao chặt chẽ như các mạng di động tế bào. Bài báo nghiên cứu, phân tích các vấn đề liên quan đến phần mạng không dây dựa trên công nghệ IP, gồm 3 loại chính: Sensor Networks, Ad-Hoc Networks, Mesh-Networks:
Việc đảm bảo QoS nói chung trong phân vùng mạng không dây ở đây có độ phức tạp của mạng IP cộng với sự phức tạp của các vấn đề liên quan đến di động:
Các tham số chính coá liên quan đến QoS được quan tâm trong mạng không dây gồm: Băng thông, trễ, rung phase, độ ổn định của đường, hiệu quả sử dụng năng lượng.
QoS là một cấn đề xuyên suốt trong các lớp của mô hình OSI:
Theo mô hình OSI, mỗi lớp có một chức năng xác định độc lập với các lớp khác, giữa các lớp được quy định tương đối rõ mặt cắt giao diện (SAP) và chỉ các lớp lân cận với nhau được phép trao đổi thông tin với nhau theo mắt cắt này. Tại mỗi lớp người ta cũng cố gắng cải thiện QoS hướng đến E2E QoS [1]
Nghiên cứu gần đây đã cho thấy việc áp dụng các lớp mô hình OSI một cách đơn lẻ trong mạng không dây sẽ rất hạn chế do thiếu sự hợp tác giữa các lớp không lân cận trong khi các tác động qua lại giữa các lớp không lân cận tồn tại một cách tự nhiên. (Ví dụ môi trường truyền sóng ở lớp vật lý nhưng có ảnh hưởng lớn và trực tiếp đến việc định tyến ở lớp mạng là lớp không lân cận).
Nhận thấy các hạn chế trên, các thiết kế trong phần mạng không dây có xu hướng xử dụng mô hình gọi là thiết kế xuyên lớp (Cross-layer design) nhằm khắc phục các điểm yếu đó
2. Thiết kế xuyên lớp trong mạng không dây
Ý tưởng của thiết kế xuyên lớp là coi trọng sự tác động qua lại giữa các lớp không lân cận bằng cách trong thiết kế cho phép các lớp không lân cận vẫn có thể trao đổi thông tin cho nhau trong khi chức năng chính của lớp vẫn được đảm bảo. Ví dụ, để tiết kiệm năng lượng của pin trong đầu cuối di động, ở lớp vật lý có thể giảm tốc độ truyền dữ liệu hoặc thay đổi mã hoá. Việc thay đổi này cũng đồng thời làm thay đổi tham số QoS của kênh tương ứng trong bảng tham số định tuyến lớp Mạng. Hình 1 so sánh mô hình OSI và mô hình xuyên lớp
Hình 1: Mô hình phân lớp OSI và mô hình xuyên lớp
Các lớp thường được xem xét kết hợp với nhau trong thiết kế xuyên lớp như: Physical (PHY), Medium Access Control (MAC), Network (NET) và lớp Transport (TRA). Quan hệ giữa 4 lớp này[9] được biểu diễn trong Hình 2.
Hình 3 là một ví dụ một kiến trúc thiết kế xuyên lớp cho thiết bị trong mạng không dây, ở đây có thể thấy các lớp không liền nhau có thể tương tác với nhau, ví dụ lớp chuyển tải (transport) có thể sử dụng thông tin từ lớp data link là lớp không lân cận nó
Hình 3: Ví dụ về một thiết kế xuyên lớp
Cơ chế trao đổi giữa các lớp không lân cận trong thực tế có thể sử dụng một trong số các phương pháp như:
Thiết kế xuyên lớp được đề cập trong tài liệu [7][8][9][10]. Phần tiếp theo bài báo sẽ đề cập sâu hơn vào vấn đề định tuyến QoS trên phần mạng không dây
3. Định tuyến trong mạng không dây
Trong mạng IP, định tuyến là một chức năng của lớp mạng (lớp 3) và được xác định rõ ràng trong mô hình phân lớp OSI
Định tuyến QoS trong mạng không dây nhằm tìm ra đường đi từ nguồn đến đích thoả mãn các yêu cầu về ràng buộc. Về yêu cầu, định tuyến trong mạng không dây cũng như định tuyến QoS trong phần mạng lõi IP tuy nhiên giải pháp thực hiện trong mạng không dây phức tạp hơn bởi :
Khác với các mạng di dộng tế bào ở đó các cơ chế kiểm soát sự di động của các trạm cuối được kiểm soát chặt chẽ. Ở đây, trong mạng không dây hầu như chưa có một giải pháp kiểm soát chính thức và chặt chẽ nào được đưa ra. Các đường truyền dữ liệu rất dễ bị tác động bởi các yếu tố như dã phân tích trên. Trong bài toán định tuyến QoS trên mạng không dây, các yêu cầu ràng buộc bao gồm: Băng thông tối thiểu, Trễ end-to-end tối đa cho phép, Rung pha (jitter) tối đa cho phép và Tỷ lệ mất gói tối đa cho phép
Với hạn chế về nguồn nuôi và các giới hạn của phần cứng các trạm đầu cuối,khi đóng vai trò nút định tuyến (ví dụ mạng adhoc) các nút này sẽ không thể có đủ tài nguyên dùng cho việc định tuyến với những cơ chế phức tạp đã nêu trong phần định tuyến QoS trên mạng IP chưa kể đến tác động của các yếu tố mới.
Bài toán định tuyến trong mạng không dây cũng thuộc dạng NP-Complete[13][14]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu xem xét định tuyến độc lập với các lớp khác sẽ có nhiều hạn chế và hầu như không giải quyết được mục tiêu và cũng khẳng định rằng định tuyến có sự tham gia của nhiều lớp là một xu hướng có tính khả thi[13][17].
4. Định tuyến xuyên lớp trong mạng không dây
Nếu xem xét định tuyến chỉ là chức năng riêng của lớp mạng (network) thì sẽ rất không hiệu quả do trong mạng không dây việc định tuyến QoS phụ thuộc khá nhiều vào các lớp khác. Một số các tham số thuộc các lớp cần được quan tâm trong việc định tuyến:
– Tham số lớp mạng: (IP network layer)
– Tham số lớp Link và MAC
– Tham số lớp vật lý
Tuy có nhiều đề xuất liên quan đến định tuyến trên mạng wireless được đưa ra gần đây nhưng mỗi trong số chúng chỉ giải quyết các vấn đề riêng chẳng hạn: tính đơn giản, tính hội tụ nhanh, tính tự nhiên của kiến trúc phân bố, tính tự thích nghi.. Nói chung, các đề xuất này dựa trên một số nguyên tắc:
Hình 4 minh hoạ một số tham số QoS được quan tâm trong định tuyến xuyên lớp cũng như các tham số được đề cấp trong giải pháp định tuyến cụ thể:
Hình 4: Một số tham số QoS trong mạng không dây và giải pháp sử dụng
5. Nhận xét chung
Dựa trên phân tích từ một số đề xuất trên cơ sở định tuyến xuyên lớp cho mạng không dây ta có thể có một số nhận xét sau:
– Trong định tuyến không dây, các yếu tố như môi trường truyền sóng, sự di chuyển của các nút mạng.. được quan tâm. Các yếu tố này được diễn tả bằng các cách thức khác nhau và cố gắng mô hình hoá và diễn đạt dưới các biểu thức toán học nhằm đưa vào bài toán định tuyến
– Định tuyến xuyên lớp thường tạo ra các tham số QoS mới đại diện cho tác động của các lớp dưới PHY, MAC (SNR, fading, link capability, mobility model, power used..) và đưa tham số này thêm vào bài toán MC(O)P. Bài toán MC(O)P được giải bằng cách sử dụng các giải thuật heuristic hay trí tuệ nhân tạo
– Các đề xuất thường hướng đến định tuyến phân bố, nhiều nút mạng cùng tham gia việc xác định đường đi, lý do của việc này là do các nút trong mạng có tài nguyên hạn chế không thể tính toán độc lập với khối lượng tính toán quá lớn
– Các giải pháp thường tập trung vào các mạng cụ thể như Adhoc hay Mesh, sensor mà chưa có sự phối hợp chúng với nhau. Trong mạng FMC, sự kết hợp giữa các mạng này và mạng tế bào hình thành một cách tự nhiên và cần được xem xét kỹ hơn
– Trong số các mạng không dây thì mạng wireless mesh (Wifi, wimax) được xem là có triển vọng trong việc làm cơ sở hạ tầng cho các dịch vụ có yêu cầu QoS. Mạng Adhoc nói chung chỉ mới đạt đến khả năng truyền dữ liệu best-effort. Mạng sensor lại hướng vào các ứng dụng có tính đặc thù riêng hơn là các dịch vụ viễn thông thông thường
Định tuyến xuyên lớp là một hướng tuy có triển vọng nhưng cũng mới bước đầu được nghiên cứu, các khó khăn cố hữu cần giải quyết vẫn còn khá nan giải bởi vì nó kế thừa các tồn tại mà mạng wireline đang gặp phải và cộng thêm những khó khăn mới do đặc tính của môi trường không dây mang lại. Hiện tại, việc định tuyến xuyên lớp trong mạng không dây vẫn còn một số vấn đề mở như:
6. Kết luận
Thiết kế xuyên lớp nói chung và định tuyến xuyên lớp nói riêng là một xu hướng được áp dụng trong phần mạng không dây. Kỹ thuật này cũng đã chứng tỏ được sự ưu việt của mình so với kiến trúc phân lớp truyền thống. Sự hình thành nguyên tắc thiết kế xuyên lớp mang tính tự nhiên khi xét tới các yếu tố tác dộng đến việc trao đổi thông tin trong phân vùng mạng này.
Nhìn chung, trong phần mạng không dây Adhoc hay Sensor, do những hạn chế có tính cố hữu QoS mạng này mới đạt ở mức độ QoS yếu, các ứng dụng chính trên phần mạng này được khuyến nghị vẫn chủ yếu là truyền dữ liệu hay một vài loại hình multimedia đơn giản như Voice. Mạng Mesh wireless được kỳ vọng nhất trong số mạng không dây trong việc cung cấp các dịch vụ multimedia trong mạng FMC, công nghệ trong mạng này vẫn đang được cải tiến. Xét về mặt ứng dụng, các ứng dụng đầu tiên của mạng FMC có liên quan đến mạng không dây dựa trên IP và mạng tế bào cũng đã được thử nghiệm như dịch vụ VCC (Voice Call Continuity) của các nhà cung cấp thiết bị Viễn thông lớn như: Erisson, Siemens, Huawei..
Tài liệu tham khảo
[1] Hoàng Đăng Hải-Truyền thông đa phương tiện qua mạng di động: vấn đề và giải pháp-www.tapchibcvt.gov.vn
[2] Praphul Chandra and Lide-Wi-Fi Telephony Challenges and Solutions for Voice over WLANs-Newnes is an imprint of Elsevier-Copyright © 2007, Elsevier Inc.
[3] http://www.stanford.edu/~zhuxq/adhoc_project/adhoc_project.html
[4] Zhikui Chen, Paul Christ – Cross layer strategy for 4G wireless realtime Video Communication – ASWN 2006 Berlin, Gemany- May 19-21 2006
[5] Chao-Lieh Chen, Hsin-Long Yang, and Yao-De Huang-A Cross-Layer Control Based on Fuzzy Automata for Ad-Hoc WLAN QoS – Department of Electronic Engineering Kun-Shan University Yung-Kang, Tainan County, TAIWAN
[6] Bo Marleau-QoS in Ad-Hoc Networks-bo.marleau@rogers.com
[7] Samarth H. Shah, Kai Chen, Klara Nahrstedt – Cross-layer design for data accessibility in mobile adhoc network – Department of Computer Science University of Illinois at Urbana-Champaign Champaign, IL 61820, U.S.A.
[8] Marco Di Felice-Cross-Layer Optimizations in Multi-HopAd Hoc Networks – Technical Report UBLCS-2008-08 March 2008:
[9] Vijay T.Raisinghani and Srridhar Iyer – Cross layer design optimizations in wireless protocol stack –Tata Infotech – Bombay
[10] Frank Aune – Cross-Layer Design Tutorial- Norwegian University of Science and Technology,Dept. of Electronics and Telecommunications, Trondheim, Norway.-Published under Creative Commons License. 26.11.2004
[11] http://www.argreenhouse.com/society/J-SAC/Calls/cross_layer.html
[12] Yevgeni Koucheryavy – Multimedia Traffic Delivery over Next- Generation Telecommunications Networks-e Book -Tampere 2004 (Chapter 3)
[13] L. Hanzo and R. Tafazolli- A Survey of QoS Routing Solutions for Mobile Ad hoc Networks – Centre for Communication Systems Research (CCSR) University of Surrey, UK
[14] M. Scott Corson and Allan O`Neill – An Approach to Fixed/Mobile Converged Routing – Institute for Systems Research Technical Report: TR-2000-5
[15] Piotr Pacyna – An IP QoS Architecture for 4G Networks on behalf of Moby Dick -Department of Telecommunications AGH University of Technology Kraków, Poland
[16] Haowei Bai, Mohammed Atiquzzaman and David J. Lilja – Layered view of QoS issues in IP-based mobile wireless networks – INTERNATIONAL JOURNAL OF COMMUNICATION SYSTEMS Int. J. Commun. Syst. 2006; 19:141–161
[17] X. Masip-Bruina, M. Yannuzzib, J. Domingo-Pascuala, A. Fonteb, M. Curadob E. Monteirob, F. Kuipersc, P. Van Mieghemc, S. Avallone – Research challenges in QoS routing- Computer Communications 29 (2006) 563–581
[18] R. Chellappa and L. Pan. A case for cross layer design: The impact of physical layer properties on routing protocol performance in manets. Technical report, 2002.
[19] Z. Fan, QoS routing using lower layer information in ad hoc networks,. in Proc. Personal, Indoor and Mobile Radio Communications Conf., pp. 135.139, Sep. 2004.
[20] Chi Harold Liu, Athanasios Gkelias, and Kin K. Leung-A Cross-Layer Framework of QoS Routing and Distributed Scheduling for Mesh Networks-Department of Electrical and Electronic Engineering, Imperial College London Exhibition Road, London, SW7 2BT, United Kingdom
[21] Chi Harold Liu, Athanasios Gkelias, and Kin K. Leung-A Novel Cross-Layer QoS Routing Algorithm for Wireless Mesh Networks -Department of Electrical and Electronic Engineering, Imperial College London Exhibition Road, London, SW7 2BT, United Kingdom
[22] Noureddine Kettaf, Hafid Abouaissa, Thang Vuduong and Pascal Lorenz – A Cross-layer Admission Control On-demand Routing Protocol for QoS Applications -University of Haute Alsace 34, rue de Grillenbreit 68008 Colmar Cedex, France †France Telecom 2, Avenue Pierre Marzin, 22307 Lannion Cedex, France
[23] Golnaz Karbaschi Luigi Iannone – Designing and Implementing Cross Layer Routing for wireless multi hop networks – Euronetlab Meeting 10th May 2006
[24] C. Barrett, M. Drozda, and A. Marathe. Charactering the interaction between routing and mac protocols in ad-hoc networks. In Proc. Of MOBIHOC 2002, pages 92–103. Lausanne, Switzerland, 2002
[25] M. Di Felice and L. Bononi. Performance analysis of cross-layered multipath routing and mac layer solutions for multi-hop ad hoc networks. In Proc. of MobiWAC 2006, pages 190–197. Torremolinos, Spain, October 2006
[26] Luigi Iannone Ramin Khalili Kav´e Salamatian Serge Fdida – Cross Layer Routing in Wireless Mesh Networks – LIP6/CNRS – Universit´e Pierre et Marie Curie 8, rue du Capitaine Scott – 75015 – Paris – France
[27] Hongxia Sun-Adaptive QoS Routing by Cross-Layer Cooperation in Ad Hoc Networks -Department of Computer Science, University of Calgary, Calgary, AB, Canada T2N 1N4
[28] Qi Xue and Aura Ganz – QoS routing for Mesh-based Wireless LANs – Multimedia Networks Laboratory Department of Electrical and Computer Engineering University of Massachusetts Amherst, MA 01003
[29] Luigi Iannone and Serge Fdida-Evaluating a cross layer approach for routing in Wireless Mesh Networks-LIP6/CNRS University Pierre et Marie Curie Paris- France
Thông tin về tác giả:
Họ tên: Nguyễn Trung Kiên
Tốt nghiệp kỹ sư Ngành Điện tử Viễn thông ĐHBKHN năm 1997
Tốt nghiệp cao học Điện tử Viễn thông tại Học viện CNBCVT năm 2003
Công tác tại Trung tâm Công nghệ Thông tin – Học viện CNBCVT từ năm 1997 đến nay
Lĩnh vực nghiên cứu: NGN(Next Generation Network), FMC (Fixed Mobile Convergence Network)
Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Trung Kiên – số 9-Đào