Mã hóa mạng khơng dây sử dụng giao thức ALOHA Đỗ Văn Mạnh Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Luận văn Ths Kỹ thuật điện tử; Mã Số: 60 52 70 Nghd: TS Nguyễn Quốc Tuấn Năm bảo vệ: 2013 Abstract: Tổng quan mã hóa mạng thiết kế mạng lưới khơng dây: giới thiệu mã hóa mạng ; Lợi ích mã hóa mạng; Thảo luận kiến trúc cách xây dựng mạng lưới không dây Giới thiệu giao thức đa truy cập: Giao thức đa truy cập không tranh chấp Giao thức đa truy cập tranh chấp; Nguyên tắc hoạt động giao thức ALOHA ảnh hưởng hiệu ứng lấn át; Chương trình kết mơ thuật tốn pure-ALOHA slot-ALOHA Trình bày thiết kế, thực đánh giá hiệu dựa mơ hình COPE sử dụng giao thức ALOHA, kiến trúc cho truyền tin không dây sử dụng mã hóa mạng mức gói để cải thiện thơng lượng mạng vô tuyến Kiến trúc COPE chèn thêm mã đệm lớp IP lớp MAC, từ truyền nhiều gói tin lần truyền Tiếp theo trình bày giao thức ALOHA mã hóa Tập trung vào topo mạng hình sao, nút bên ngồi trao đổi liệu với thơng qua nút trung tâm Một câu hỏi có thông lượng tăng lên cách áp dụng mã hóa mạng nút trung tâm Bằng cách phân tích topo mạng hình sao, kiểm sốt nút tắc nghẽn mạng multihop không dây, nơi mà nhiều lưu lượng truy cập qua nút trung tâm, thực tối ưu hóa xuyên lớp qua lớp vật lý lớp MAC Keywords: Mã hóa ; Mạng không dây ; Giao thức Aloha ; Kỹ thuật điện tử Contents: Mở đầu Tất mạng viễn thông ngày giả định thông tin riêng rẽ Dù gói tin hay tín hiệu mạng điện thoại, thông tin truyền theo cách tương tự ô tô đường cao tốc hay luồng nước ống dẫn Đó luồng liệu độc lập chia sẻ tài nguyên mạng, thông tin tách rời Định tuyến, nguồn liệu, điều khiển lỗi chức mạng dựa giả định Tuy nhiên mã hóa mạng lại phá vỡ giả định Thay chuyển tiếp lưu trữ liệu, nút mạng kết hợp vài gói liệu đầu vào thành vài gói liệu đầu Mục đích luận văn xem lại khả ứng dụng mã hóa mạng mạng multihop không dây Đặc biệt, luận văn tập trung vào topo hình kiểu chuẩn 802.11, nút bên ngồi trao đổi liệu với thông qua nút trung tâm Câu hỏi đặt tăng hiệu cách áp dụng mã hóa mạng nút trung tâm Để trả lời câu hỏi này, luận văn phân tích hiệu suất slot-ALOHA cho topo mạng hình Với hai phiên slot-ALOHA slot-ALOHA xác định thông thường [12] slot-ALOHA mã hóa [30] xác định cho giao thức slot-ALOHA có mã hóa mạng, nơi mà nút trung tâm thực mã hóa mạng với phép tốn XOR để mã hóa hai hướng lưu lượng truy cập nút bên ngồi Mơ hình kiến trúc COPE đề xuất [4, 31], thực phương pháp slot-ALOHA mã hóa mạng, cách tận dụng lợi để truyền quảng bá đường truyền vô tuyến, cho phép nhiều nút gần thu gói tin quảng bá từ nút Điều thường bất lợi nút gần đơi khơng cần gói tin thu làm tiêu tốn băng thơng vơ ích Truyền tin kiểu quảng bá xem hạn chế mạng vô tuyến đa hop Mạng dựa mơ hình COPE hoạt động dựa chia sẻ đường truyền vơ tuyến, quảng bá gói tin xung quanh đường truyền nút Mỗi nút lưu trữ gói tin khơng cần thiết khoảng thời gian ngắn, thông báo tới nút lân cận gói tin nhận thích gói gửi Khi nút truyền gói tin, xem xét thơng tin gói tin nút lân cận nhận để thực mã hóa hội; nút thực XOR nhiều gói tin truyền gói tin kết quả, hop có đủ thơng tin giải mã gói tin nhận Điều mở rộng kiến trúc COPE với hai luồng truyền XOR thực với nhiều cặp gói tin Thiết kế kiến trúc chuyển tiếp gói tin dựa mã hóa mạng ngồi việc thiết kế thuật tốn mã hóa giải mã hiệu gặp phải số thách thức định Đầu tiên, để mã hóa xác tập gói tin, nút phải học xem nút lân cận nhận gói tin mà khơng tiêu tốn thêm đường truyền Thứ hai, gói tin mã hóa sử dụng cho hai hop, nút phải bảo đảm truyền tin cậy thông tin tương ứng tới tất hop Nhận phản hồi lớp liên kết gói tin hay truyền thành công từ hop khác thường khó khăn, ta phải thiết kế kỹ thuật xác nhận truyền lại hiệu Kỹ thuật mã hóa mạng dựa COPE đưa cách xử lý vấn đề lý thuyết mã hóa mạng có nhiều phiên unicast Vấn đề cốt lõi COPE mã hóa mạng cục bộ, router xử lý gói tin cục chúng giải mã đương truyền luồng unicast bị lệch Điều bảo đảm thông tin không định truyền đường xác định chuyển tránh lãng phí dung lượng Với mơ hình mạng vơ tuyến 20 nút, tác giả cơng trình [31] đưa kết luận sau:  Mã hóa mạng có nhiều lợi ích thực tế thiện đáng kể thông lượng mạng vô tuyến  Khi đường truyền mạng vô tuyến bị tắc nghẽn lưu lượng gồm nhiều luồng UDP, COPE tăng thông lượng mạng - lần  Nếu lưu lượng khơng có điều khiển luồng (như UDP), mơ hình COPE cải thiện thông lượng nhiều so với lý thuyết mã hóa mạng mã hóa mạng giúp hàng đợi router nhỏ hơn, giảm xác suất mà router phải loại bỏ gói tin truyền tắc nghẽn  Với mạng lưới kết nối với Internet qua access point, cải thiện thơng lượng sử dụng mơ hình COPE biến đổi phụ thuộc vào tỉ lệ tổng lưu lượng đường xuống (download) đường lên (upload) truyền qua điểm truy cập (access point-AP), biến đổi từ 5% tới 70%  Các thiết bị đầu cuối ẩn tạo xung đột cao đánh dấu chí với số tối đa kỹ thuật truyền lại theo chuẩn 802.11 Lúc này, TCP không gửi đủ liệu, khơng tạo hội cho mã hóa mạng Khi khơng có thiết bị ẩn, thông lượng TCP tăng lên Bố cục luận văn Nội dung luận văn bố cục sau: Chương 1: Những vấn đề Chương giới thiệu tổng quan mã hóa mạng thiết kế mạng lưới không dây Mục 1.1 giới thiệu mã hóa mạng Mục 1.2 lợi ích mã hóa mạng Mục 1.3 thảo luận kiến trúc cách xây dựng mạng lưới không dây Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập Giới thiệu giao thức đa truy cập: Giao thức đa truy cập không tranh chấp Giao thức đa truy cập tranh chấp Nguyên tắc hoạt động giao thức ALOHA ảnh hưởng hiệu ứng lấn át Chương trình kết mơ thuật tốn pureALOHA slot-ALOHA Chương 3: Mã hóa mạng khơng dây sử dụng giao thức ALOHA Đầu tiên Chương trình bày thiết kế, thực đánh giá hiệu dựa mơ hình COPE sử dụng giao thức ALOHA, kiến trúc cho truyền tin khơng dây sử dụng mã hóa mạng mức gói để cải thiện thơng lượng mạng vơ tuyến Kiến trúc COPE chèn thêm mã đệm lớp IP lớp MAC, từ truyền nhiều gói tin lần truyền Tiếp theo trình bày giao thức ALOHA mã hóa Luận văn tập trung vào topo mạng hình sao, nút bên ngồi trao đổi liệu với thơng qua nút trung tâm Một câu hỏi có thơng lượng tăng lên cách áp dụng mã hóa mạng nút trung tâm Bằng cách phân tích topo mạng hình sao, kiểm sốt nút tắc nghẽn mạng multihop không dây, nơi mà nhiều lưu lượng truy cập qua nút trung tâm Trong phân tích luận văn, chúng tơi thực tối ưu hóa xuyên lớp qua lớp vật lý lớp MAC T I LI U THAM KH O Tiếng Anh [1] R Ahlswede, N Cai, S.-Y R Li, and R W Yeung (2000), “Network information flow”, IEEE Trans Inform Theory, Vol 46 (4), pp 1204-1216 [2] Z Li, B Li, D Jiang, and L Lau (2005), “On achieving optimal throughput with network coding”, IEEE INFOCOM, pp 2184-2194 [3] S R Li, R W Yeung, and N Cai (2005), “Linear network coding”, IEEE Trans Infrom Theory, Vol 49 (2), pp 371-381 [4] S Katti, H Rahul, D Katabi, W hu, M Medard, and J Crowcroft (2008), “XORs in the air: practical wireless network coding”, IEEE/ACM Trans Networking, Vol 16 (3), pp 497-510 [5] C H Liu and F Xue (2008), “Network coding for two-way relaying: rate region, sum rate and opportunistic scheduling”, IEEE ICC, pp 1044-1049 [6] J Hwang and S.-L Kim (2008), “Cross-layer optimization and network coding in CSMA/CA based wireless multihop networks”, revised and resubmitted to IEEE/ACM Trans Networking [7] Y E Sagduyu and A Ephremides (2007), “On joint MAC and network coding in wireless ad hoc networks”, IEEE Trans Infrom Theory, Vol 53 (10), pp 3697-3713 [8] S Sengupta, S Rayanchu, and S Banerjee (2007), “An analysis of wireless network coding for unicast sessions: the case for coding-aware routing”, IEEE INFOCOM, pp 1028-1036 [9] Y Huang, M Ghaderi, D Towsley, and W Gong (2008), “TCP performance in coded wireless mesh networks”, IEEE SECON, pp 179-187 [10] N Abramson (1970), “The ALOHA system - another alternative for computer communication”, AFIPS Computer Conference, pp 281-285 [11] L.G Roberts (1975), “ALOHA packet system with and without slots and capture”, Comput Commun Rev., Vol (2), pp 28-42 [12] I Gitman (1975), “On the capacity of slotted ALOHA networks and some design problems”, IEEE Trans Comm., Vol 23 (3), pp 305-317 [13] D Traskov, D S Lun, R Koetter, and M Medard (2007), “Network coding in wireless networks with random access”, IEEE Trans Inform Theory, Vol 48 (3), pp 2726-2730 [14] X Liu and M Haenggi (2005), “Throughput analysis of fading sensor networks with regular and random topologies”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol (4), pp 554-564 [15] D Aguayo, J Bicket, S Biswas, G Judd, and R Morris (2004), “Link-level measurements from an 802.11b mesh network”, In Proceedings of the ACM SIGCOMM, Portland, Oregon [16] H Balakrishnan, V Padmanabhan, S Seshan, and R Katz (1997), “A comparison of mechanisms for improving TCP performance over wireless links”, IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(6):756–769 [17] V Bharghavan, A J Demers, S Shenker, and L Zhang MACAW (1994), “A media access protocol for wireless LAN’s ”, In ACM SIGCOMM [18] J Bicket (2005), Bit-rate selection in wireless networks, Master’s thesis, Massachusetts Institute of Technology [19] S Biswas and R Morris (2005), “Opportunistic routing in multi-hop wireless networks”, in ACM SIGCOMM, Philadelphia, PA, USA [20] J Byers, M Luby, and M Mitzenmacher (2002), “A digital fountain approach to asynchronous reliable multicast”, IEEE Journal on Selected Areas of Communications, 20(8):1528–1540 [21] S Chachulski, M Jennings, S Katti, and D Katabi (2007), “Trading structure for randomness in wireless opportunistic routing”, In ACM SIGCOMM, Kyoto, Japan [22] R Choudhury, X Yang, R Ramanathan, and N Vaidya (2006), “On designing MAC protocols for wireless networks using directional antennas”, IEEE Transactions on Mobile Communications, 5(5):477–491 [23] I C S L M S Committee (1997), “Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications”, IEEE Std 802.11, New York, New York [24] D S J De Couto, D Aguayo, J Bicket, and R Morris (2003), “A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing”, In 9th ACM International Conference on Mobile Computing and Networking, MobiCom, San Diego, CA, USA [25] T Ho, M Medard, R Koetter, D Karger, M Effros, J Shi, and B Leong (2006), “A random linear network coding approach to multicast”, IEEE Transactions on Information Theory, 52(10):4413–4430 [26] E.-S Jung and N H Vaidya (2002), “A power control MAC protocol for ad hoc networks”, In 8th Annual International Conference on Mobile computing and Networking, pages 36– 47, Atlanta, Georgia, USA [27] R Sinha (2005), Internet packet size distributions: Some observations http://netweb.usc.edu/ rsinha/pkt-sizes/ [28] A Tsirigos and Z Haas (2004), “Analysis of multipath routing, part 2: Mitigation of the effects of frequently changing network topologies”, IEEE Transactions on Wireless Communications, 3(2):500–511 [29] M Vutukuru, K Jamieson, and H Balakrishnan (2008), “Harnessing exposed terminals in wireless networks”, In 5th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation, San Francisco, CA [30] H.-K Lee and S.-L Kim (2009), “Network coded ALOHA for wireless multihop networks”, in Proc IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Budaphest, Hungary [31] Sachin Rajsekhar Katti (2008), Network Coded Wireless Architecture, Ph.D Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts, USA  ... thuật tốn pureALOHA slot -ALOHA Chương 3: Mã hóa mạng không dây sử dụng giao thức ALOHA Đầu tiên Chương trình bày thiết kế, thực đánh giá hiệu dựa mơ hình COPE sử dụng giao thức ALOHA, kiến trúc... thiệu tổng quan mã hóa mạng thiết kế mạng lưới không dây Mục 1.1 giới thiệu mã hóa mạng Mục 1.2 lợi ích mã hóa mạng Mục 1.3 thảo luận kiến trúc cách xây dựng mạng lưới không dây Chương 2: Kỹ... thường [12] slot -ALOHA mã hóa [30] xác định cho giao thức slot -ALOHA có mã hóa mạng, nơi mà nút trung tâm thực mã hóa mạng với phép tốn XOR để mã hóa hai hướng lưu lượng truy cập nút bên ngồi Mơ