Thạc Sĩ Sử dụng IP cho mạch di động thế hệ mới - Phạm Thanh Tuyền

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Các tham sốcủa cơchếDual-Stack
Bảng 4.2. Cấu trúc của phần header IPv4 khi thực hiện tunneling
Bảng 4.3. Tóm tắt phương thức lựa chọn cơchếchuyển đổi.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒTHỊ
Hình 1.1. Tổng quan vềhệthống vô tuyến
Hình 1.2. Các khu vực dịch vụcủa IMT-2000
Hình 1.3. Cấu trúc hệthống GPRS.
Hình 1.4. Cấu trúc hệthống UMTS
Hình 1.5. Cấu trúc hệthống cdma 2000 1X
Hình 1.6. Cấu trúc hệthống cdma 2000 1x EV DO
Hình 1.7. Băng thông và tốc độchip của UMTS và cdma 1x, 3Xrtt
Hình 1.8. Cấu trúc lớp mạng NGN.
Hình 1.9. Cấu trúc lớp và các thành phần chính trong mạng NGN.
Hình 1.10. Các thành phần chính trong mạng NGN.
Hình 2.1. Kiến trúc mạng Mobile IPv6
Hình 2.2. Minh họa cấu trúc bản tin thông báo.
Hình 2.3. Minh hoạthủtục đăng ký
Hình 2.4. Các xửlý của HA tại đầu vào kênh sốliệu.
Hình 2.5. minh hoạcấu trúc gói sốliệu trong ống dẫn
Hình 2.6. Mô tảquá trình mã hoá định tuyến chung.
Hình 2.7. Minh họa 4 bản tin: yêu cầu, cập nhật, xác nhận, cảnh báo liên kết.
Hình 2.8. Phác họa cơchếhoạt động của MIPv6.
Hình 2.9. Luồng vận chuyển của gói tin.
4
Hình 3.1: Tầm địa chỉIPv4
Hình 3.2. Kích thước bảng định tuyến.
Hình 3.3. Cấu trúc của gói tin multicast.
Hình 3.4. IPv6 header.
Hình 3.5. Định dạng địa chỉIPv6.
Hình 3.6. Các trường của subnet prefic.
Hình 3.7. Cấu trúc địa chỉAGU.
Hình 3.8. Phân phối địa chỉAGU.
Hình 3.9. IPv6 header.
Hình 3.10. IPv4 header.
Hình 3.11. Hop-by-hop option header
Hình 3.12. Mô tảmột packet gồm một router alert hop-by-hop option
Hình 3.13. Routing header
Hình 3.14. Routing header có kiểu định tuyến bằng 0.
Hình 3.15. Các gói với routing header.
Hình 3.16. Quá trình phân mảnh trong IPv6
Hình 3.17. Fragment header
Hình 3.18. Định dạng của AH.
Hình 3.19. AH hoạt động ởtransport mode.
Hình 3.20. Thứtựcủa các header khi áp AH vào tunnel mode.
Hình 3.21. Định dạng của ESP header
Hình 3.22. Thứtựcủa các header trong IPv6 khi hoạt động ởtransport mode.
Hình 3.23. Thứtựcủa các header trong IPv6 khi hoạt động ởtunnel mode.
Hình 4.1. Cơchếdual IP layer.
Hình 4.2. Cấu trúc địa chỉIPv4-compatible IPv6.
Hình 4.3. Cơchếtunneling.
Hình 4.4. Cơchế đóng gói thực hiện tunnel.
5
Hình 4.5. Cơchếmởgói IPv4 khi thực hiện tunnel.
Hình 4.6. Phân mảnh và tái hợp gói tin.
Hình 4.7. Giao thức MTU discovery.
Hình 4.8. Cấu trúc gói tin IPv4 đóng gói theo cơchế6to4.
Hình 4.9. Cơchế đóng mởgói.
Hình 4.10. IPv6 tại các hệthống viễn thông di động toàn cầu.
Hình 4.11. Các dịch vụhỗtrợIPv6 cho mạng WCDMA2000.
H×nh 4.12. Qu¶n lý di ®éng trong c¸c hÖ thèng v« tuyÕn IPv6.
6
MỞ ĐẦU
Từnhững thời gian đầu vào những năm 70 và 80 của Internet và cho đến
ngày nay, Internet đã tạo lập cho mình một vịtrí thống trịtrong truyền thông
toàn cầu cho phép tạo ra một sốlượng rất đa dạng các ứng dụng máy tính.
Các ứng dụng Internet hiển nhiên là hết sức cần thiết xét từgóc độInternet,
nhưng tất cảcác dựbáo đều cho thấy các ứng dụng này cũng trởnên cần
thiết với hầu hết các mạng vô tuyến trong tương lai. Ngành công nghiệp này
cũng đã nhận thức được rất rõ các hạn chếcủa giao thức IPv4, các nhà cung
cấp mạng di động thếhệsau cũng nhưcác nhà cung cấp thiết bịcho biết họ
cần sốlượng địa chỉIP cho hàng triệu thiết bị. Một trong những tiêu chí
chính của các nhà khai thác mạng di động tương lai là khảnăng luôn luôn
kết nối với mạng của người sửdụng. Điều này đòi hỏi một sốlượng lớn địa
chỉIP. IPv6 cung cấp thêm nhiều khảnăng trong đó đáng chú ý nhất là sự
mởrộng vềkhông gian địa chỉ, IPv6 có không gian địa chỉlà 128 bit trong
khi IPv4 chỉsửdụng 32 bit.
Việc tổhợp IPv6 và các hệthống di động (nhưGSM/GPRS và UMTS) sẽ
giảm thiểu được các vấn đềhiện tại vềsựthiếu hụt của cảhai bên IP và mạng
di động: thiếu địa chỉIP, chất lượng dịch vụvà bảo mật trong IP và sựthiếu
hụt phổtần trong mạng di động. Bằng cách tổhợp hai công nghệnày, có thể
đảm bảo cung cấp lợi ích tốt nhất cho người sửdụng di động đầu cuối.
Trong luận văn này trình bày các vấn đềcần thiết khi đưa IPv6 vào mạng
di động tương lai. Chương 1 trình bày tổng quan vềmạng 3G, chương 2 giới
thiệu vềmobile IP, chương 3 trình bày vềIPv6 và chương 4 đưa ra các giải
pháp thực hiện IPv6 trên nền IPv4.
7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀMẠNG 3G
1.1. Lịch sửphát triển.
Những hệthống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thếhệthứ
nhất (1G), sửdụng công nghệanalog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số
(FDMA) đểtruyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di
động. Nhược điểm của các hệthống này là chất lượng thấp, vùng phủsóng
hẹp và dung lượng nhỏ. Vào cuối thập niên 1980, các hệthống thếhệthứhai
(2G) được đưa vào khai thác sửdụng công nghệsố đa truy nhập phân chia
theo thời gian (TDMA). Đến đầu thập niên 1990, công nghệTDMA được
dùng cho hệthống thông tin di động toàn cầu GSM ởChâu Âu. Đến giữa thập
kỷ1990, đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trởthành loại hệthống 2G
thứhai khi người Mỹ đưa ra Tiêu chuẩn nội địa - 95 (IS-95), nay gọi là
cdmaOne.
Tất cảcác hệthống 2G đều có khảnăng cung cấp chất lượng và dung
lượng cao hơn. Chuyển vùng trởthành một phần của dịch vụvà vùng phủ
sóng cũng ngày một rộng hơn, nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đềhạn chế
vềdung lượng trên nhiều thịtrường. Thông tin di động ngày nay đang tiến tới
một hệthống thếhệthứba hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữliệu
di động tốc độcao hơn và sửdụng các ứng dụng đa phương tiện. Các hệ
thống vô tuyến thếhệthứ3 (3G) cần cung cấp dịch vụthoại với chất lượng
tương đương các hệthống hữu tuyến và dịch vụtruyền sốliệu có tốc độtừ
144kbit/s đến 2 Mbit/s.
Hiện đang có 2 hệthống tiêu chuẩn hoá: một chuẩn dựa trên hệthống
CDMA băng hẹp IS-95, được gọi là cdma2000. Chuẩn kia là sựkết hợp của
các tiêu chuẩn Nhật Bản và Châu Âu do Dựán Hợp tác Thếhệthứ3 (3GPP)
tổchức. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn vô tuyến tên là truy nhập vô tuyến
8
Hình 1.1. Tổng quan vềhệthống vô tuyến
mặt đất (UTRA-UMTS Terrestrial Radio Access) UMTS. Tiêu chuẩn này có
2 sơ đồtruy nhập vô tuyến. Một trong số đó sắp xếp các cặp dải tần thông qua
ghép song công phân chia theo tần số(FDD)-thường gọi là CDMA băng
thông rộng (WCDMA).
1.1.1. Các kỹthuật đa truy nhập (FDMA, TDMA VÀ CDMA).
Trước khi xem xét tương lai 3G, cũng cần khảo sát hoạt động của từng
giao diện nói trên. Thứnhất, các kênh này được ghép cặp sao cho một kênh đi
từtrạm di động đến trạm gốc và kênh kia đi từtrạm gốc đến trạm di động, tạo
điều kiện cho liên lạc song công. Hình 1.1 minh hoạgiao diện không gian với
đường lên và đường xuống. Thứhai, có một tập các kênh điều khiển 2 chiều
dùng để điều khiển các kênh thoại. Cuối cùng, giao diện không gian cần một
quy trình mà ở đó, các kênh thoại được phân bổcho nhiều người dùng đồng
thời. FDMA, TDMA và CDMA là các phương thức phân bổkênh của giao
diện không gian.
- FDMA là phương thức phân bổ đầu tiên và ra đời sớm nhất. Một thuê bao
muốn tạo một cuộc gọi sẽphải nhập số điện thoại cần gọi và nhấn phím gửi.
9
Nếu còn dung lượng thoại cho tếbào, một cặp kênh sẽ được phân bổcho trạm
di động đểphục vụ đàm thoại - mỗi kênh cho một chiều thoại. Xét trên một sơ
đồphân bổtếbào điển hình, sốchiều thoại tối đa của một tếbào bất kỳlà
khoảng 60. Rõ ràng là không thểphục vụhàng triệu người dùng với một dung
lượng hạn chếnhưthế.
- Các hệthống TDMA khắc phục vấn đềdung lượng kênh bằng cách
chia kênh vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ1 khe thời gian
cho mỗi thuê bao. Ví dụ, hệthống TDMA của Hoa Kỳcó 3 khe thời gian trên
mỗi kênh trong khi hệthống GSM có 8 khe thời gian trên mỗi kênh. Đểsử
dụng các khe thời gian, tín hiệu thoại tương tựcần được chuyển sang dạng số.
Một bộmã hoá thoại, được gọi là vocoder, thực hiện công việc này. Dung
lượng có được ban đầu hơi nhỏsong với việc dùng các vocoder tốc độbít
thấp, sốkênh thoại trên mỗi kênh vô tuyến có thể được tăng lên đáng kể
Công nghệnày đòi hỏi vốn đầu tưban đầu ít tốn kém hơn CDMA.
- Còn công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là công nghệ
trải phổcho phép nhiều tần số được sửdụng đồng thời; mã hóa từng gói tín
hiệu sốbằng một mã khóa duy nhất trước khi đưa lên kênh vật lý và gửi đi.
Quá trình này còn được gọi là điều chếtạp âm vì tín hiệu đầu ra của nó giống
nhưtạp âm nền. Bộnhận CDMA chỉbiết nhận và giải mã. Công nghệnày có
tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA. Theo các chuyên gia CNTT Việt Nam,
xét ởgóc độbảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn.
Nhờhệthống kích hoạt thoại, hiệu suất tái sửdụng tần sốtrải phổcao và
điều khiển năng lượng, nên nó cho phép quản lý sốlượng thuê bao cao gấp 5 -
20 lần so với công nghệGSM. Áp dụng kỹthuật mã hóa thoại mới, CDMA
nâng chất lượng thoại lên ngang bằng với hệthống điện thoại hữu tuyến. Đối
với điện thoại di động, để đảm bảo tính di động, các trạm phát phải được đặt
rải rác khắp nơi. Mỗi trạm sẽphủsóng một vùng nhất định và chịu trách
10
nhiệm với các thuê bao trong vùng đó. Với CDMA, ởvùng chuyển giao, thuê
bao có thểliên lạc với 2 hoặc 3 trạm thu phát cùng một lúc, do đó cuộc gọi
không bịngắt quãng, làm giảm đáng kểxác suất rớt cuộc gọi.
Một ưu điểm khác nữa của CDMA là nhờsửdụng các thuật toán điều
khiển nhanh và chính xác, thuê bao chỉphát ởmức công suất vừa đủ để đảm
bảo chất lượng tín hiệu, giúp tăng tuổi thọcủa pin, thời gian chờvà đàm
thoại. Máy điện thoại di động CDMA cũng có thểsửdụng pin nhỏhơn, nên
trọng lượng máy nhẹ, kích thước gọn và dễsửdụng.
Trong thông tin di động, thuê bao di động di chuyển khắp nơi với nhiều
tốc độkhác nhau, vì thếtín hiệu phát ra có thểbịsụt giảm một cách ngẫu
nhiên. Đểbù cho sựsụt giảm này, hệthống phải điều khiển cho thuê bao tăng
mức công suất phát. Các hệthống analog và GSM hiện nay có khảnăng điều
khiển chậm và đơn giản, thuê bao không thểthay đổi mức công suất đủ
nhanh, do đó phải luôn luôn phát ởcông suất cao hơn vài dB so với mức cần
thiết. Tuy nhiên, đểsửdụng mạng điện thoại di động CDMA, người dùng
phải trang bịthiết bị đầu cuối phù hợp với công nghệcủa mạng. Trong vấn đề
bảo mật, CDMA cung cấp chế độbảo mật cao nhờsửdụng tín hiệu trải băng
phổrộng. Các tín hiệu băng rộng khó bịrò ra vì nó xuất hiện ởmức nhiễu,
những người có ý định nghe trộm sẽchỉnghe được những tín hiệu vô nghĩa.
Ngoài ra, với tốc độtruyền nhanh hơn các công nghệhiện có, nhà cung cấp
dịch vụcó thểtriển khai nhiều tùy chọn dịch vụnhưthoại, thoại và dữliệu,
fax, Internet .
Không chỉ ứng dụng trong hệthống thông tin di động, CDMA còn thích
hợp sửdụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất
lượng ngang bằng với hệthống hữu tuyến, nhờáp dụng kỹthuật mã hóa mới.
Đặc biệt các hệthống này có thểtriển khai và mởrộng nhanh và chi phí hiện
thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát.
11
Tuy nhiên, những máy điện thoại di động đang sửdụng chuẩn GSM hiện
nay không thểsửdụng chuẩn CDMA. Nếu tiếp tục phát triển GSM, hệthống
thông tin di động này sẽphải phát triển lên WTDMA mới đáp ứng được nhu
cầu truy cập di động các loại thông tin từmạng Internet với tốc độcao, thay
vì với tốc độ9.600 bit/giây nhưhiện nay, và so với tốc độ144.000 bit/giây
của CDMA
Trong hơn một tỷthuê bao điện thoại di động trên thếgiới, khoảng 863,6
triệu thuê bao sửdụng công nghệGSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu
còn lại dùng FDMA hoặc TDMA. Khi tiến tới 3G, các hệthống GSM và
CDMA sẽtiếp tục phát triển trong khi TDMA và FDMA sẽchìm dần vào
quên lãng. Con đường GSM sẽtới là CDMA băng thông rộng (WCDMA)
trong khi CDMA sẽlà cdma2000.
1.1.2. Mạng di động 3G
Từthập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát
triển một nền tảng chung cho các hệthống viễn thông di động. Kết quảlà một
sản phẩm được gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000). Con số
2000 có nghĩa là sản phẩm này sẽcó mặt vào khoảng năm 2000, nhưng thực
tếlà chậm đến 2, 3 năm. IMT-2000 không chỉlà một bộdịch vụ, nó đáp ứng
ước mơliên lạc từbất cứnơi đâu và vào bất cứlúc nào. Để được nhưvậy,
IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất và (hoặc) vệtinh. Hơn thế
nữa, IMT-2000 cũng đềcập đến Internet không dây, hội tụcác mạng cố định
và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di
động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng.
Như đã nói, các hệthống 3G cần phải hoạt động trên một dải phổ đủrộng
và cung cấp được các dịch vụthoại, dữliệu, đa phương tiện. Đối với một thuê
bao hoạt động trên một ô siêu nhỏ(picrocell), tốc độdữliệu có thể đến 2,048
Mbit/s. Với một thuê bao di động với tốc độchậm hoạt động trên một ô cực
12
nhỏ(microcell), tốc độdữliệu có thể đạt tới 348 kbit/s. Với một người dùng
di động trên phương tiện giao thông hoạt động trên một ô lớn (macrocell), tốc
độdữliệu có thể đạt tới 144 kbit/s. Hình 1.2 minh hoạmối quan hệgiữa các
khu vực dịch vụkhác nhau của IMT-2000. Một phần quan trọng của hệthống
này là dịch vụchuyển mạch gói dữliệu. Con đường tiến lên 3G từ2G bắt đầu
từsựra đời của các dịch vụdữliệu bùng nổvà theo gói.
Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng.
Trên thịtrường châu Âu, WCDMA được gọi là Hệthống viễn thông di động
toàn cầu (UMTS). Trong cấu trúc dịch vụ3G, cần có băng thông rất lớn và
nhưthếcần nhiều phổtần hơn. Các nhà cung cấp dịch vụchâu Âu dùng hơn
100 tỷUSD đểmua phổtần cho các dịch vụ3G, các nhà cung cấp dịch vụ
khác trên thếgiới cũng đã phân bổphổ3G. ỞHoa Kỳ, FCC chưa thểnhanh
chóng phân bổbất cứphổnào cho các dịch vụ3G. Hoa Kỳcó khoảng
190MHz phổtần phân bổcho các dịch vụvô tuyến di động trong khi phần
còn lại của thếgiới chỉ được phân bổ400 MHz. Vì thếcó thểtin rằng sựphát
triển lên 3G ởHoa Kỳsẽrất khác với phần còn lại của thếgiới.
Hình 1.2. Các khu vực dịch vụcủa IMT-2000
13
Để đến 3G có lẽcần phải đi qua giai đoạn 2,5G. Nói chung, 2,5G bao
gồm một hoặc tất cảcác công nghệsau: Dữliệu chuyển mạch gói tốc độcao
(HSCSD), Dịch vụvô tuyến gói chung (GPRS), Tốc độdữliệu nâng cao cho
sựphát triển GSM hay toàn cầu (EDGE).
- HSCSD là phương thức đơn giản nhất đểnâng cao tốc độ. Thay vì một
khe thời gian, một trạm di động có thểsửdụng một sốkhe thời gian đểkết
nối dữliệu. Trong các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sửdụng
tối đa 4 khe thời gian, một khe thời gian có thểsửdụng hoặc tốc độ9,6kbit/s
hoặc 14,4kbit/s. Đây là cách không tốn kém nhằm tăng dung lượng dữliệu chỉ
bằng cách nâng cấp phần mềm của mạng (dĩnhiên là cảcác máy tương thích
HSCSD). Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách sửdụng tài nguyên vô
tuyến. Bởi đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sửdụng
các khe thời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cảkhi không có tín hiệu
trên đường truyền.
Hình 1.3. Cấu trúc hệthống GPRS.
14