ĐÁNH GIÁ CHUYỂN VÙNG KHÔNG GIÁN ĐOẠN TRONG HỆ THỐNG MẠNG KHÔNG DÂY MẬT ĐỘ CAO

Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Kỹ thuật và Công nghệ; pISSN 2588-1175 | eISSN 2615-9732 Tập 131, Số 2A, 2022, Tr. 135–148; DOI: 10.26459/hueunijtt.v131i2A.6593 * Liên hệ: duypn@vimaru.edu.vn Nhận bài: 12–11–2021; Ngày nhận đăng: 27–02–2022 ĐÁ NH GIÁ CHUYỂN VÙNG KHÔNG GIÁ N ĐOẠ N TRONG HỆ THỐNG MẠNG KHÔNG DÂY MẬT ĐỘ CAO Phạ m Ngọ c Duy1*, Nguyễ n Phương Đông2 1 Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 2 Sinh viên việ n Đào tạo chấ t lượ ng cao, Trường Đại học Hàng hải Việ t Nam Tóm tắt. Bài bá o đề cậ p về chủ đề chuyể n vù ng trong mạng không dây ở môi trường mậ t độ cao với hai phương thức chuyển vùng sóng bao g ồ m chuyể n vù ng nhanh (Fast roaming) và chuyể n vù ng không giá n đoạn (Seamless roaming). Thông qua việ c xây dự ng mộ t mô hì nh hệ thố ng mạng không dây thự c nghiệ m và đá nh giá hai phương thức chuyể n vù ng sóng nêu trên, chúng tôi gợ i ý việc triển khai các h ệ thố ng mạng không dây mật độ cao cho các môi trường như trường học, ký túc xá và doanh nghiệp nhỏ và vừa. K ế t quả đá nh giá cho thấ y chuyể n vù ng không giá n đoạn với cá c tiêu chuẩ n 802.11k/r/v có nhữ ng ưu điể m lớn so với chuyể n vù ng nhanh khi gầ n như không có độ trễ , đảm bảo cho kế t nố i Internet củ a cá c thiế t bị không dây luôn thông suố t và ổ n đị nh. Từ khóa: mạng không dây, môi trường mật độ cao, chuyển vùng sóng Evaluation of seamless roaming in high-density wireless network Pham Ngoc Duy1*, Nguyen Phuong Dong2

1 Faculty of Information Technology, Vietnam Maritime University 2 School of Excellent Education (SEE), Vietnam Maritime University Abstract. The paper deals with roaming in wireless networks in high-density environments. Two roaming methods include fast roaming and seamless roaming. Through building an experimental wireless network model and comparing and evaluating the performance of the two methods, we provide several suggestions for implementing wireless network systems within high-density environments, such as schools, dormitories, and small and medium enterprises. The evaluation results show that seamless roaming with 802.11k/r/v standards has great advantages over fast roaming when there is almost no latency in seamless roaming, which ensures that all connections of wireless devices are smooth and stable. Keywords: wireless networks, high-density environments, roaming

Phạm Ngọc Duy và Nguyễn Phương Đông Tập 131, Số 2A, 2022 136 1 Mở đầ u Cường độ và mậ t độ sử dụng các thiết bị đi ệ n tử để kế t nố i và sử dụng mạng không dây tăng nhanh đã tăng thêm gá nh nặ ng cho những điể m truy cậ p (Access Point – AP) thông thường. Mạng không dây, vốn dĩ trư ớc đây chỉ thiết kế để đáp ứng nhu cầu sử dụng máy tính xách tay và điện thoại thông minh, nay phải kiêm thêm việc h ỗ trợ kế t nố i cho hàng loạt ứng dụng và thiết bị di động hi ệ n đại (má y tính bảng, đồ ng hồ thông minh hay các thiết bị IoT khác) v ố n yêu cầu vùng phủ sóng r ộ ng, băng thông cao. Ngoài ra, cá c AP cầ n đảm bảo mọi kế t nố i luôn thông suố t và ổ n đị nh khi cá c thiế t bị di chuyể n từ vù ng phủ sóng này sang vù ng khá c. Hệ quả là những người quản trị mạng phải đương đầu với nh ữ ng thá ch thức trong việc thiết kế và triển khai hệ thống mạng không dây có thể đáp ứng tốt cho các thiết bị hiện tại về lâu dài. Trong bài b á o này, chúng tôi cung cấ p cá c kiế n thức về mạng không dây trong môi trường mậ t độ cao, chuyển vùng sóng, tầ m quan trọng của việc chuyển vùng sóng đối với người dùng và m ộ t số phương thức chuyển vùng sóng hi ệ n nay như chuyể n vù ng nhanh (Fast roaming) và chuyể n vù ng không giá n đoạn (Seamless roaming). Đồ ng thời, chúng tôi giả xây dự ng mộ t mô hì nh hệ thố ng mạng không dây thự c nghiệ m và đá nh giá hai phương thức chuyể n vù ng sóng nêu trên. Qua đó, chúng tôi

làm rõ việc triển khai các h ệ thố ng mạng không dây mật độ cao cho các môi trường như trường học, ký túc xá và doanh nghiệp. 2 Triể n khai mạ ng không dây và môi trườ ng mậ t độ cao IEEE 802.11 là mộ t tiêu chuẩ n mạng cục bộ không dây (WLAN), mộ t phầ n củ a tậ p cá c tiêu chuẩ n kỹ thuậ t mạng cục bộ (LAN) do Việ n Kỹ sư điệ n và điệ n tử quố c tế (IEEE) phá t triể n. Phiên bản cơ sở củ a tiêu chuẩ n 802.11 đượ c phá t hành vào năm 1997 và có nhữ ng phiên bản nâng cấp sau đó, hì nh thành nên họ cá c giao thức IEEE 802.11. Wi-Fi là mộ t thuậ t ngữ đã đượ c đăng ký nhãn hiệ u, dự a trên họ cá c tiêu chuẩ n IEEE 802.11 và là mộ t công nghệ truyề n dẫ n không dây tầ m ngắ n. Wi-Fi là công nghệ sử dụng phương tiệ n không dây để kế t nố i cá c má y tính cá nhân, thiế t bị cầ m tay (PDA, điệ n thoại di độ ng, v.v.) và cá c thiế t bị đầ u cuố i khá c. Nhì n chung, để thiế t lậ p và triể n khai mộ t mạng không dây WLAN cơ bản, cầ n tới mộ t điể m truy cậ p và cá c bộ chuyển đổi (adapter) m ạng không dây. Thiế t bị đầ u cuố i có thể nhậ n tín hiệ u Wi-Fi từ AP hoặ c bộ đị nh tuyế n (router) để truy cậ p Internet. Vai trò củ a AP và bộ đị nh tuyế n trong trường hợ p này là chuyể n đổ i mạng có dây thành mạng không dây và hỗ trợ nhiề u người dù ng kế t nố i hơn. Bằ ng cá ch này, Wi-Fi có thể sử dụng phương tiệ n không dây và phố i hợ p với cấ u trúc mạng có dây hiệ n có để chia sẻ tài nguyên mạng.

Tồn tại hai m ô hì nh triể n khai mạng không dây cơ bản: dự a trên vù ng phủ sóng và dự a trên khả năng đá p ứng. Trong mô hì nh dự a trên vù ng phủ sóng, mục tiêu là cung cấ p chấ t lượ ng

jos.hueuni.edu.vn Tập 131, Số 2A, 2022 137 dị ch vụ (QoS) cao trong mộ t phạm vi lớn nhấ t có thể với mộ t hoặ c nhiề u AP. Việ c triể n khai này thường đượ c thự c hiệ n ở cá c khu vự c có diệ n tích lớn với số lượ ng thiế t bị Wi-Fi trên số người dù ng thấ p, ví dụ như nhà kho, phân xưở ng, bệ nh việ n và khá ch sạn. Trong hầ u hế t cá c mô hì nh dạng này, số lượ ng AP đượ c xá c đị nh bở i cường độ tín hiệ u AP (là sự kế t hợ p củ a công suấ t đầ u ra AP và độ lợ i anten). Đố i với mô hì nh dự a trên khả năng đá p ứng, mục tiêu là cung cấ p chấ t lượ ng dị ch vụ không dây tố t cho mộ t nhóm người dù ng đồ ng thời, tậ p trung trong mộ t khu vự c hạn chế về không gian. Ví dụ, triể n khai tại cá c đị a điể m như trường học, giảng đường, ký túc xá , thư việ n, hộ i trường và sân vậ n độ ng. Mộ t số yế u tố cầ n đượ c xem xé t khi thiế t kế mạng không dây dạng này là số lượ ng người dù ng trong mộ t vù ng không gian xá c đị nh đượ c bao phủ bở i mộ t AP duy nhấ t, số lượ ng thiế t bị Wi-Fi trên mỗ i người dù ng, tỉ lệ phầ n trăm người dù ng (hay thiế t bị ) hoạt độ ng tại cù ng mộ t thời điể m; loại ứng dụng, hỗ n hợ p ứng dụng và băng thông cầ n thiế t; cá c loại thiế t bị trong mạng và công nghệ đượ c hỗ trợ và cá c thiế t bị cũ không hỗ trợ cá c giao thức mới. Trong môi trường trường học hoặ c doanh nghiệ p, có thể có sự kế t hợ p củ a cá c

khu vự c yêu cầ u cả hai loại mô hì nh trên. Khi có mộ t lượ ng lớn người dù ng – cụ thể hơn, khi có khoảng 30 người dù ng trở lên cù ng hoạt độ ng trong vù ng phủ sóng đượ c đá p ứng bở i mộ t AP duy nhấ t – truy cậ p vào hệ thố ng Wi-Fi và yêu cầ u băng thông đồ ng thời; đó đượ c coi là môi trường có mậ t độ cao (high-density environment). 3 Cá c kỹ thuậ t mở rộ ng và chuyể n vù ng sóng trong mạ ng không dây 3.1 Mở rộ ng vù ng phủ sóng mạ ng không dây Trong mạng không dây, mộ t điểm truy cập hay b ộ đị nh tuyế n không dây được kết nối với Internet để cung cấp dịch vụ mạng cho người dùng di động. Một hệ thống như vậy có phạm vi phủ sóng hạn chế do kh ả năng phá t sóng củ a mộ t AP có giới hạn so với nhu cầ u thự c tế . Mộ t số giải phá p để gi ải quyế t vấ n đề này là sử dụng bộ tăng cường Wi-Fi (gồ m bộ lặ p hoặ c bộ mở rộ ng nế u chỉ muố n mở rộ ng vù ng phủ sóng mà không cầ n thay thế thiế t lậ p không dây hiệ n tại) hoặ c bổ sung thêm cá c AP (xây dự ng mạng mesh hay xây dự ng hệ thố ng nhiề u AP). Mỗ i AP có mộ t phạm vi phủ sóng nhấ t đị nh; khi tăng số lượ ng AP và phân bố chúng ở nhiề u vị trí, tổ ng diệ n tích vù ng phủ sóng sẽ tăng. Điề u này dẫ n tới vấ n đề là cầ n đảm bảo người dù ng và cá c thiế t bị không dây khi di chuyể n từ vù ng phủ sóng này sang mộ t vù ng phủ sóng khá c sẽ không gặ p tì nh trạng giá n đoạn và suy giảm chấ t lượ ng kế t nố i mạng.

Tồn tại ba phương phá p mở rộ ng vù ng phủ sóng mạng không dây: • Sử dụng bộ tăng cường Wi -Fi (Wi-Fi Booster), bao gồ m hai loại thiế t bị : bộ lặp (Repeater) và bộ mở rộng phạm vi (Range extender).

Phạm Ngọc Duy và Nguyễn Phương Đông Tập 131, Số 2A, 2022 138 • Có thể kế t hợ p một số AP ho ạt độ ng với nhau tạo thành một m ạng lưới (Mesh network) không dây và các gói tin được chuyển tiếp từ AP này sang AP khác bằng các kết nối đặc biệt. Theo cách này, vùng phủ sóng WLAN có thể được mở rộng một cách hiệu quả về chi phí, miễn là một AP được gắn v ới cơ sở hạ tầng có dây. Mesh Wi -Fi phù hợp để thiết lập hệ thống Wi -Fi cho gia đình hoặc văn phòng với phạm vi phủ sóng đồng nhất trên nhiều phòng, trải dài nhiều tầng. M ạng mesh tạo ra một mạng bao gồm tất cả các nút (như mộ t đơn vị không dây) riêng lẻ, để mỗi nút trong mạng c ó khả năng nhận biết được mọi nút và thiết bị khách khác đang hoạt động trong toàn bộ mạng. Kh ả năng nhận thức về mạng như vậ y khiế n hệ thống mesh vượt trội hơn nhiều so với b ộ tăng cường Wi-Fi. • Có thể xây dự ng hệ thố ng AP không dây (WAP system). Cá c điểm truy cập là các nút Wi-Fi thông minh được kết nối với một hub trung tâm thông qua kết nối có dây. Chúng thường được sử dụng trên các mạng văn phòng lớn và trong các thiết lập doanh nghiệp. Tương tự như trong hệ thống Wi-Fi dạng mesh, các AP nhận biết được mạng và thường chạy phần mềm quản lý (c ó khả năng tùy chỉnh) để kiểm soát các thông số khác nhau liên quan đến mạng cũng như các thiết bị khách kết nối với nó. C ầ n trá nh nhầm lẫn m ộ t hệ thống điểm truy cập không dây với nhữ ng điểm truy cập thông thường v ố n hoạt động

riêng lẻ mà không cần một trung tâm điều khiển tập trung. Quá trì nh chuyể n vù ng sóng (Roaming) diễ n ra khi má y khá ch xá c thự c với BSSID mới và hủ y xá c thự c với BSSID hiệ n tại. Hiệ u suấ t chuyể n vù ng là lượ ng thời gian mà mộ t má y khá ch cầ n để xá c thự c thành công với BSSID mới. Khoảng thời gian mà quá trì nh chuyể n vù ng diễ n ra liên quan đế n phương thức bảo mậ t và xá c thự c đượ c sử dụng. Để xá c thự c, má y khá ch phải tì m kiế m mộ t ứng viên chuyể n vù ng hợ p lệ , sau đó hoàn tấ t quá trì nh chuyể n vù ng mộ t cá ch nhanh chóng, nế u không, người dù ng sẽ bị giá n đoạn dị ch vụ. Nếu sử dụng xác thực dựa trên 802.1X, máy khách phải hoàn t hành trao đổi khóa EAP trước khi hủy xác thực từ BSSID. Quá trình này có thể mất vài giây, tùy thuộc vào cơ sở hạ tầng xác thực của môi trường. Nếu sử dụng xác thực dựa trên 802.11r, máy khách có thể xác thực trước đối với các điểm truy cập tiềm năng. Điều này làm giảm thời gian xác thực xuống mili giây và đây ch ính là chuyể n vù ng nhanh (Fast roaming). Chuyể n vù ng mạng không dây cung cấ p tính di động. Mộ t vấ n đề quan trọng là cá c quyế t đị nh chuyể n vù ng (kế t nố i hoặ c chuyể n đổ i giữ a cá c AP) sẽ đượ c thiết bị đầu cuối (hay m á y khá ch) thự c hiệ n. Sự khác biệt lớn gi ữ a cá c trình điều khiển v à thiết bị m ạng ảnh hưở ng đế n cá ch

jos.hueuni.edu.vn Tập 131, Số 2A, 2022 139 3.2 Chuyể n vù ng nhanh vớ i IEEE 802.11r Một máy khách/thi ế t bị không dây (chẳng hạn như máy tính xách tay, máy tính bả ng và điện thoại di động) sẽ quyết định chuyển vùng đến một AP mới khi nó phát hiện ra tín hiệu tốt hơn từ AP đó so với tín hiệu mà nó hiện đang liên kết. Hành vi này là bình thường, đặc biệt khi các thiết bị di chuyển bên trong một môi trường. Khi một máy khách chuyển vùng tới một AP mới, nó cần thiết lập mối quan hệ liên kết/xác thực với AP đó. Trong tình huống các AP hoạt động độc lập với nhau, toàn bộ quá trình này di ễ n ra mỗi khi má y khá ch chuyển sang một AP mới. Nếu không có các tiêu chuẩn như 802. 11r, máy khách sẽ ngắt kết nối khỏi AP hiện có của nó trước khi kết nối với AP mới. Điều này dẫn đến vi ệ c có một khoảng thời gian mà máy khách không có khả năng truy cập mạng, m à hệ quả có thể được biểu hiện dưới dạng mất m á t gói tin, giá n đoạn cuộc gọi, v.v. Tiêu chuẩn IEEE 802.11r [2], v ới công nghệ Fast BSS Transition (FT), được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2008, là một sửa đổi c ủ a họ tiêu chuẩn IEEE 802.11, giúp làm tăng diện tích vùng phủ sóng Wi -Fi, mang đến sự thuận tiện cho người dùn g thông qua việc chuyển đổi qua lại giữa các AP mà không cần xác thực lại. IEEE 802.11r đảm bảo kết nối nhanh chóng, an toàn và khả năng kết nối không gi á n đoạn. Điều này rất cần thiết trong môi trường cần vùng phủ sóng

rộng, so với việc sử dụng nhiều SS ID khác nhau, vố n có thể dẫn đến khó khăn cho người dùng khi truy cập trong môi trường nhiều mạng không dây. Chuyển v ù ng nhanh (Fast roaming) là một khái niệm c ải tiế n củ a chuyển vùng. Qu á trì nh bắt tay ban đầu với m ộ t AP mới diễ n ra trước khi máy khách chuyển vùng tới AP mục tiêu, được gọi là chuyển tiếp nhanh (FT). Bắt tay ban đầu cho phép m á y khách và các AP thực hiện tính toán trước Pairwise Master Key (PMK). Khi máy khách thực hiện trao đ ổ i cá c yêu cầu hoặ c phản hồ i tá i liên kết (Reass ociation request/response) với AP mới, các khóa PMK được á p dụng cho máy khách và AP. Hệ thống phân cấp khóa FT cho phép máy khách thực hiện chuyển đổi BSS nhanh chóng giữa các AP mà không cần tá i xác thực v ới mọi AP. 802.11r loại bỏ chi phí củ a việ c bắt tay trong khi chuyển vùng và do đó giảm thời gian ngắt kết nối giữa các AP, cung cấp bảo mật và QoS. Đi ề u này hữu ích cho các thiết bị khách có các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ (như đ àm thoại và video qua Wi-Fi). 3.3 Chuyể n vù ng không giá n đoạ n vớ i IEEE 802.11k/r/v Nhằ m tố i ưu hóa hiệ u suấ t chuyể n vù ng sóng trên mạng Wi-Fi doanh nghiệ p hay môi trường mậ t độ cao, các tiêu chuẩn 802.11r v à 802.11v đượ c kế t hợ p với 802.11r để tăng tố c quá trì nh tì m kiế m AP mục tiêu tố t nhấ t củ a thiế t bị khá ch, cho phép các máy khách chuyển vùng liên

tục hơn, gầ n như không có độ trễ . Đây chính là điể m mấ u chố t củ a chuyể n vù ng không giá n đoạn (Seamless roaming).

Phạm Ngọc Duy và Nguyễn Phương Đông Tập 131, Số 2A, 2022 140 IEEE 802.11k [3] là một sửa đổi c ủ a tiêu chuẩn IEEE 802.11, cho phé p đo lường tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management – RRM). 802.11k cho phép các máy khách (thỏa mãn tiêu chuẩ n 802.11k) yêu cầu mộ t bản báo cáo lân cậ n chứa thông tin về nhữ ng AP lân cậ n đã biết, là ứng viên để chuyển vùng t ới. Nhằ m tạo điều kiện chuyển vùng, một m á y khách đ ã được liên kết với một AP sẽ gửi yêu cầu đến danh s á ch nhữ ng AP lân cậ n. Yêu cầu được gửi dưới dạng khung (frame) quản lý 802.11. AP phản hồi bằng danh sách các AP lân c ậ n trên cùng một mạng WLAN với chỉ số kê nh Wi-Fi (channel) của chúng. Yêu cầ u và đá p ứng đề u là cá c khung hành độ ng. Máy khách xác định các ứng viên AP cho lần chuyển vùng tiếp theo từ khung phản hồi. Việc sử dụng quy trình quản lý tài nguyên vô tuyến 802.11k cho phép máy khách chuyển v ù ng hiệu quả và nhanh chóng. Để tìm một AP chuyển vùng từ thông tin danh sách lân c ậ n, má y khách không thăm dò tất cả các kênh 2,4 GHz và 5 GHz. Vi ệ c này nhằ m giảm sử dụng kênh, từ đó, làm tăng băng thông trên tất cả các kênh, đ ồ ng thời, làm giảm thời gian chuyển vùng và cải thiện các quyết định củ a má y khá ch. Ngoài ra, nó cũ ng làm tăng tuổi thọ pin của thiết bị di đ ộ ng vì không thay đổi cấu hình radio cho từng kênh, cũng như không gửi yêu cầu thăm dò trên mỗi kênh. Nó tránh việ c thiết bị ph ải xử lý tất cả các khung phản hồi thăm dò.

IEEE 802.11v [4] là tiêu chuẩn quản lý mạng không dây (Wireless Network Management) củ a tiêu chuẩn IEEE 802.11. 802.11v cho phép các m á y khách trao đổi thông tin về cấu trúc liên kết (Topology) mạng, bao gồm thô ng tin về môi trường RF, làm cho từng má y khách nhận biết được m ạng, tạo điều kiện cải thiện tổng thể mạng không dây. 802.11v mô tả các cải tiến đối với quản lý mạng không dây, như: • Tiết kiệm điện năng được hỗ trợ b ở i mạng – Giúp má y khá ch cải thiện tuổi thọ pin bằng cách cho phép chúng “ngủ ” lâu hơn. (Ví dụ, thiết bị di động sử dụng một khoảng thời gian nhàn rỗi nhất định để ki ể m tra và đảm bảo rằng chúng vẫn được kết nối với c ác AP; do đó, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn khi thực hiện các tác vụ ti ế p theo trong mạng không dây). • Chuyển vùng được hỗ trợ bởi mạng – Cho phép mạng WLAN gửi thông điệ p đến các máy khách đ ã được liên kết để các AP liên k ế t với máy khách tốt hơn. Kh ả năng này hữu ích cho cả việ c cân bằng tải và điều hướng các máy khách c ó kết nối kém. Ngoài ra, cò n có mộ t số tiêu chuẩ n 802.11 giúp cải thiệ n hiệ u suấ t chuyể n vù ng: • 802.11i (2004) – Tăng cường bảo mật MAC, xác thực và quản lý khóa, Robu st Network Security (RSN), 802.1X /PSK, PMK caching /Sticky Key Caching SKC và Xác thực trước. • 802.11e (2005) – Tăng cường QoS MAC, kiểm soát truy nhập, các chỉ số QBSS liên quan đến chuyển vùng: m ức sử dụng kênh, số lượ ng má y khá ch và năng lự c khả dụng.

jos.hueuni.edu.vn Tập 131, Số 2A, 2022 141 • 802.21 (2008) – Media Independent handover, chuyể n dù ng giữ a mạng Wifi và mạng di độ ng. • 802.11u (2011) – Làm việc v ới các mạng bên ngoài, Hotspot 2.0, tìm mạng của lân c ậ n chuyển vùng đ ể kết nối tự động và an toàn và chuyển vùng li ề n mạch di động. • 802.11ai (2016) – Thiết lập liên kết kh ở i đầu nhanh chóng, giúp thiết lập kết nối ban đầu nhanh hơn để xác thực Radius, cải tiến đối với quét chủ động và thụ động và giải quyết các Probing storm. Bảng 1. Nhữ ng đặ c điể m củ a cá c tiêu chuẩ n 802.11k/v/r đố i với quá trì nh chuyể n vù ng [1] 802.11r Fast BSS Transition (FT) (2008) 802.11k Radio Resource Management/Neighbor Report (2011) 802.11v Wireless Network Management (WNM)/BSS Transition Management (2008) Fast Secure Transition – Phương thứ c tiêu chuẩ n hóa + Làm việ c với cả Pre-shared key (PSK) và 802.1X. + Bắ t tay ban đầ u với AP đượ c thự c hiệ n trước khi má y khá ch chuyể n vù ng tới AP mục tiêu. + Không cầ n xá c thự c với Radius vào thời điể m chuyể n vù ng. + Đặ c biệ t hữ u ích với voice call và video stream. Cải thiện chuyển vùng với dữ liệu đo lường – Không chỉ là tiêu chuẩ n liên quan đế n chuyển vùng. – Báo cáo lân cậ n thường được sử dụng cho chuyể n vù ng. – Khi được hỗ t rợ, cá c thông tin liên quan sẽ đượ c gửi kè m phần tử beacon IE. – Nhiều cải tiến chuyển vùng khác. – Thử nghiệm đo lường giữa các beacon để quét thụ động tốt hơn, bộ đếm traffic th ể hiệ n chất lượng,

vị trí thiết bị. – Không chỉ là tiêu chuẩ n liên quan đế n chuyển vùng. – Cho phép má y khá ch trao đổi thông tin nhằm mục đích cải thiện hiệu suất của mạng không dây. – Cho phép quản lý thông số RF của máy khách dựa trên điều kiện mạng. – Ngoài ra cò n có: Thông tin vị trí, số lượ ng BSSID, chế độ ngủ WNM. – Hai phiên bản + Không yêu cầ u tài nguyên. + Yêu cầ u tài nguyên. – Hai phương thứ c + Over-the-Air (thông qua Wi- Fi) + Over-the-DS (thông qua mạng dây). Lợ i í ch + Chuyển vùng nhanh hơn. + Quyết định chuyển vùng tốt hơn. + Tiế t kiệ m pin (ít thăm dò hơn). + Giảm mức sử dụng kênh (ít thăm dò hơn). Lợ i í ch + Mạng có thể hướng dẫn m á y khá ch chuyển vùng. + Mạng có thể buộc m á y khá ch chuyển vùng. + Má y khá ch có thể h ỏi AP nào tốt hơn. + Quyết định chuyển vùng tốt hơn. Hai pha – Liên kế t Miề n di độ ng khở i đầ u 802.11r. + Kế t nố i lầ n đầ u không nhanh hơn EAP đầy đủ. + Chuẩn bị mạng và máy khách cho FT. Cá c đo lườ ng 802.11k + Báo cáo lân cậ n. + Beacon (đo lường và báo cáo của má y khá ch). + Khung (bộ đếm AP). + Mức sử dụng kênh. + Histogram nhiễu. Cá c chứ c năng 802.11v Quản lý chuyển đổi BSS, xxBSS Quản lý thời gian rỗi tối đa, Sử dụng kênh, Báo cáo giao thoa kế t hợ p, Báo cáo chẩn đoán, Dịch vụ đa hướng trự c tiế p (DMS), Báo cáo sự kiện, Dịch vụ đa hướng linh hoạt (FMS), Dịch vụ định vị, Báo cáo chẩn đoán đa hướng, Khả năng đa BSSID, Proxy ARP,

Phạm Ngọc Duy và Nguyễn Phương Đông Tập 131, Số 2A, 2022 142 802.11r Fast BSS Transition (FT) (2008) 802.11k Radio Resource Management/Neighbor Report (2011) 802.11v Wireless Network Management (WNM)/BSS Transition Management (2008) – Tá i liên kế t 802.11r. + Chuyển vùng nhanh chóng, sử dụng các khóa được lưu s ẵ n. + Xác thực mở, liên kết lại và kết hợp bắ t tay 4 bước. + Mục tiêu độ trễ qu á trì nh handoff dưới 50ms. + Thống kê STA (Bộ đếm STA). + Vị trí. + Thông tin cấu hình. + Đo lường kế t nố i. + Luồng truyền /danh m ục. Khả năng lưu lượng QoS, Danh sách SSID, Số liệu thống kê STA được kích hoạt, quảng bá TIM, Đo thời gian, Dịch vụ lọc lưu lượ ng, U -APSD Coexistence, WNM- Notification, Chế độ ngủ WNM. Hỗ trợ – Hỗ trợ rộng rãi b ở i cá c AP, tính năng có thể không được bật mặc định. – Nhiều máy khách cũ có thể không kết nối với mạng 802.11r. Cá c má y khá ch có thể gặp khó khăn khi nhận ra các beacon 802.11r và các phản hồi thăm dò. – Cần đảm bảo tính tương thích trước khi bật. – Các giải pháp thay thế c ủ a cá c hãng giúp tương thích. Vậ n hà nh + Má y khá ch yêu cầu báo cáo lân cậ n với Khung hành động. + AP phản hồi bằng Khung hành động, bao gồm các AP lân cận trong cùng một SSID k è m theo kênh củ a AP. + Má y khá ch có thể ch ỉ quét các kênh cầ n thiế t nhấ t. + Danh sách lân cậ n được tạo theo yêu cầu. + Danh sách băng tần đơn (hiện tại) hoặc băng tần kép. Vậ n hà nh + Solicited request – Má y khá ch yêu cầu AP tốt hơn.

+ Unsolicited Load Balancing request – AP khuyể n cá o má y khá ch chuyể n vù ng do tải hoạt độ ng. + Unsolicited Optimized Roaming request – AP khuyế n cá o chuyển vùng m á y khá ch do RSSI hoặc tốc độ dữ liệu thấp. + 802.11v BSS Transition Management Request – AP khuyế n cá o má y khá ch chuyển vùng hoặc buộc chuyển vùng khi sắp xảy ra ngắt kết nối. 4 Thự c nghiệm vớ i hệ thố ng mạ ng không dây trong môi trườ ng mậ t độ cao 4.1 Thiế t kế và xây dự ng mô hì nh mạ ng không dây Nhóm nghiên cứu thiế t kế , xây dự ng và triể n khai mộ t hệ thố ng mạng không dây cho khu vự c ký túc xá củ a trường đại học. Mô tả môi trường triể n khai hệ thố ng: Ký túc xá Trường Đại học Y Dược Hải Phòng đư ợ c xây dự ng trên diệ n tích 1.775 m2, bao gồ m một tòa nhà 15 t ầ ng (có 396 phò ng) với sức chứa 2.500 chỗ ở cho sinh viên (c ó ba loại phò ng cho hai, bốn v à tám ngư ời tương ứng với 30, 52 và 41 m2). Tầng 1 được sử dụng làm nh à để xe cho sinh viên; tầng 2 phục vụ ăn uống với sức chứa hàng nghìn người đ ảm bảo việ c phục vụ ăn uố ng và sinh hoạt cho sinh viên khu ký túc xá ; Tầ ng 3 là khu vui chơi thể thao, phòng Internet; từ tầng 4 đến tầng 15 là khu nhà ở ; khu ph ục vụ vui chơi giải trí gồ m: sân bóng đá mini (đang xây dựng), một sân b óng chuyề n, một sân b óng rổ , hai sân cầu lông... Hệ thống Wi -Fi với bốn đường truyền 1 Gbps (Viettel) bao phủ từ tầng 1 tới tầng 15 của toà nhà. Đây l à môi trường với đặ c điể m mậ t độ cao

(số lượ ng người dù ng lớn, tỉ lệ thiế t bị trên người dù ng lớn, mậ t độ người dù ng cao, loại ứng dụng và thiế t bị đượ c sử dụng rấ t đa dạng, bao gồ m cả thiế t bị không dây cố đị nh và thiế t bị di

jos.hueuni.edu.vn Tập 131, Số 2A, 2022 143 độ ng, yêu cầ u đá p ứng băng thông cao), với nhiề u phò ng, nhiề u tầ ng và nhiề u khu vự c chức năng. Hình 1. Topology mạng củ a hệ thố ng thự c nghiệ m (A); Sơ đồ kế t nố i thiế t bị củ a mộ t phầ n hệ thố ng thự c nghiệ m (B); Số lượ ng thiế t bị khá ch truy cậ p đồ ng thời vào hệ thố ng mạng (C) Hì nh 1A mô tả hì nh trạng mạng củ a hệ thố ng mạng không dây thự c nghiệ m. Hệ thố ng bao gồ m một Router (model CCR1016 -12G củ a Mikrotik, rackmount 1U, 12 cổ ng Gigabit Ethernet, CPU 16 lõ i × 1,2 GHz, bộ nhớ RAM 2 GB, fastpath 17,8 mpps; thông lượ ng đạt đế n 12 Gbit/s, RouterOS L6, PSU đôi), một Switch (model S1920 -24GT4S FP/2GT củ a Ruijie, switch quản lý thông minh, 24 cổ ng 10/100/1000BASE-T, 4 cổ ng SFP), tám Switch (model RG-ES126G-P-L củ a Ruijie, 24 cổ ng 10/100/1000BASE-T, 2 cổ ng SFP) và 144 AP (model AP710 củ a Ruijie, AP 802.11ac trong nhà, sóng đôi, băng tầ n ké p, hai spatial-stream, tỉ lệ truy cậ p lên tới 1,167 Gbps, một cổ ng uplink 10/100/1000BASE-T). Việ c kế t nố i cá c thiế t bị đượ c mô tả mộ t phầ n trên Hì nh 1B. Hì nh 1C cho biết tổ ng số má y khá ch/thiế t bị không dây mà hệ thố ng mạng đá p ứng đồ ng thời tại mộ t thời điể m, đượ c cậ p nhậ t trong khoảng thời gian một ng ày. Có thể thấ y, hệ thố ng có khả năng xử lý lượ ng kế t nố i lớn (với trên 450 má y khá ch/thiế t bị truy cậ p). 4.2 Đá nh giá hiệu suấ t chuyể n vù ng củ a hệ thố ng vớ i Fast Roaming và Seamless Roaming

Việ c so sá nh được thực hiện trên cùng một hệ thống m ạng không dây thự c nghiệ m, sử dụng hai chế độ chuyển vùng và cùng sử dụng một máy khách (đi ệ n thoại di độ ng/hệ điề u hành iOS) để so sánh. Hai sơ đ ồ (Hì nh 3 và Hì nh 4) cung cấ p cá c thông số thu đượ c, bao gồ m độ trễ

Phạm Ngọc Duy và Nguyễn Phương Đông Tập 131, Số 2A, 2022 144 (Delay), tỉ lệ rớt gói tin (Pkt loss), cường độ tín hiệ u (RSSI) và Uplink/Downlink, trong quá trì nh chuyể n vù ng với chế độ Fast Roaming và Seamless Roaming. Đá nh giá hệ thố ng vớ i phương thứ c Fast Roaming Hệ thố ng mạng không dây thử nghiệ m với phương thức Fast Roaming. Từ cá c thông số đo lường thu đượ c (Hì nh 2), có thể thấy việc chuyển vùng nhanh giữa các điểm truy cập của thiết bị có độ trễ th ấ p (thông số Delay – độ trễ trong khoảng 8–24 ms). Tuy nhiên, trong khi quá trình chuyển vùng diễn ra, v ẫ n cò n xuấ t hiệ n tình trạng rớt gói tin (thông số Pkt Loss biế n độ ng và trên 10%), không giữ được t ín hiệ u và băng thông ổ n định (thông s ố RSSI – cường độ tín hiệ u không ổ n đị nh, thông số Speed – tố c độ đường truyề n cho cả Down/Uplink không đạt mộ t nửa so với mức tố i đa và có nhữ ng thời điể m giảm sâu). Hình 2. Kế t quả đo lường quá trì nh chuyể n vù ng với Fast Roaming Đá nh giá hệ thố ng vớ i phương thứ c Seamless Roaming Hệ thố ng mạng không dây đượ c chuyể n sang phương thức Seamless Roaming. Từ cá c thông số đo lường thu đượ c (Hì nh 3), chuyển vùng không gi á n đoạn với thời gian chuyển vùng cực nhanh (thông số Delay – độ trễ dưới 0,5 ms, cao nhấ t 2 ms và gần như không có độ trễ); đ ồ ng thời, không có hiện tượng rớt gói tin (thông s ố Pkt Loss gầ n như bằ ng 0%) và đảm bảo cung cấ p

tín hiệ u và băng thông ổ n định cho máy khách trong môi trường c ó mật độ thiết bị lớn (thông s ố RSSI – cường độ tín hiệ u ổ n đị nh, thông số Speed – tố c độ đường truyề n cho cả Down/Uplink ổ n đị nh và đạt mức gầ n như tố i đa).

jos.hueuni.edu.vn Tập 131, Số 2A, 2022 145 Hình 3. Kế t quả đo lường quá trì nh chuyể n vù ng với Seamless Roaming 4.3 Đá nh giá khả năng đá p ứ ng củ a hệ thố ng trong môi trườ ng mậ t độ cao Hệ thố ng mạng không dây đượ c triể n khai trong mộ t môi trường mậ t độ cao điể n hì nh (Ký túc xá ). Kế t quả đo lường cho thấ y khả năng củ a hệ thố ng khi đá p ứng tố t yêu cầ u củ a số lượ ng lớn má y khá ch. Hì nh 4A cho thấ y tổ ng lưu lượ ng đá p ứng củ a hệ thố ng trong khoảng thời gian mộ t tuầ n đạt trên 16 Tb cho gầ n 2.000 má y khá ch (Hì nh 4A). Tổ ng lưu lượ ng theo từng ngày trong khoảng 1,6–2,4 Tb đố i với kế t nố i tải xuố ng (Downlink) và khoảng 0,2–0,3 Tb đố i với kế t nố i tải lên (Uplink) (Hì nh 5A). Hình 4. Tổ ng lưu lượ ng và số má y khách mà hệ thống đáp ứng trong m ộ t tuầ n (A); Số lượng má y khá ch hoạt động theo t ừng ngày (B) Trung bì nh mỗ i ngày, có khoảng 1.200 má y khá ch hoạt độ ng (Hì nh 4B). Hì nh 5B cung cấ p thông tin chi tiế t hơn về mức độ má y khá ch hoạt độ ng theo từng ngày (Mức độ hoạt độ ng đượ c đá nh giá dự a trên thời gian trự c tuyế n và lưu lượ ng truy cậ p). Có thể thấ y, số lượ ng má y trạm hoạt độ ng ở mức Rấ t cao (Extreme – thời gian trự c tuyế n trên 8 h/ngày và lưu lượ ng truy cậ p trên 10 MB) chiế m tỉ lệ mộ t nửa trong tổ ng số gầ n 1.200 người dù ng. Cũ ng theo kế t quả thố ng kê, tổ ng cộ ng có gầ n 30 nghì n lượ t má y khá ch thự c hiệ n chuyể n vù ng trong mộ t thá ng (trên cả hai băng

tầ n 2,4 GHz và 5 GHz).

Phạm Ngọc Duy và Nguyễn Phương Đông Tập 131, Số 2A, 2022 146 Hình 5. Tổ ng lưu lượ ng theo từng ngày (A); Mức độ má y khá ch hoạt độ ng theo ngày (B); Tổ ng số lượ t má y khá ch chuyể n vù ng trong mộ t thá ng (C) 4.4 Thảo luậ n Hệ thố ng mạng không dây thử nghiệ m với phương thức Fast Roaming giúp các máy trạm chuyển vùng nhanh chóng giữa các thiết bị phát nhằm đạt mức tín hiệu tốt hơn, băng thông ổ n định. Sau khi việc xác thực giữa máy khách và thiết bị phát sóng hoàn tất, 802.11r sử dụng dịch vụ chuyển đổi nhanh (Fast BSS transition) nhằm lưu khoá đã được mã hoá trên toàn bộ thiết bị phát sóng trong mạng. Tính năng này giúp máy khách toàn tất việc xác thực trước khi chuyển tiếp sang các thiết bị phát sóng khác và lúc này có thể bỏ qua bước xác thực kết nối khi chuyển tiếp. Hệ thố ng mạng không dây đượ c chuyể n sang phương thức Seamless Roaming – một cải tiến của Fast Roaming. Ngoài việc sử dụng chuẩn IEEE 802.11r, chuyển vùng không gi á n đoạn còn sử dụng thêm chuẩn IEEE 802.11k và IEEE 802.11v nhằm tạo trải nghiệm liền mạch khi chuyển vùng cho người dùng. Ngoài việc đạt mức tín hiệu tốt và băng thông cao, chuyển vùng liền mạch có thể tối ưu hoá khả năng tải của từng thiết bị phát sóng bằng việc điều chỉnh số lượng người dùng trên mỗi thiết bị. Nguyên lý hoạt động của chuyển vùng liền mạch giống với chuyển vùng nhanh. Tuy nhiên, khi kế t hợ p với IEEE 802.11k, thiết bị phát sóng có thể cho máy khách

một danh sách các điểm truy cập khác và cho máy khách hiểu môi trường sóng xung quanh. Nhờ đó, máy khách lựa chọn tín hiệu tốt hơn, giảm thời gian quét các điểm truy cập và chuyển vùng tốt hơn. Kết hợp với việc sử dụng IEEE 802.11v, bộ điều khiển điểm truy cập sẽ đánh giá chất lượng kết nối của máy khách và hướng dẫn cho máy khá ch chuyển vùng sang điểm truy cập cung cấp trải nghiệm tốt hơn và tối ưu khả năng tải của các thiết bị trong mạng không dây. Như vậ y, so với phương thức Fast roaming chỉ sử dụng tiêu chuẩ n 802.11r, phương thức Seamless roaming kết hợp thêm khả năn g tăng tốc độ tìm kiếm AP mục tiêu tốt nhất của hai tiêu chuẩ n 802.11k và 802.11v với khả năng liên kết AP nhanh hơn m à FT (802.11r) cung cấ p, giúp các ứng dụng có thể hoạt động nhanh hơn và ngư ời dù ng có được trải nghiệm Wi -Fi tốt hơn. Cuố i cù ng, yế u tố quan trọng nhấ t quyế t đị nh đế n việ c chuyể n đổ i giữ a cá c AP chính là má y khá ch/thiết bị không dây, ch ứ không phải bở i AP, bộ đị nh tuyế n, v.v. Cầ n kiể m tra tính

jos.hueuni.edu.vn Tập 131, Số 2A, 2022 147 tương thích củ a má y khá ch với cá c tiêu chuẩ n 802.11k/v/r. Từng mạng không dây cụ thể lại có thiế t kế khác nhau; do đ ó, không phải tất cả các triển khai 802.11k, 802.11v hay 802.11r đều tương tự nhau. Các tiêu chuẩn này cung c ấ p sự tự do nhấ t đị nh khi thiế t lậ p với nhiều tính năng c ó thể tùy chọn. Việ c hệ thống Wi -Fi và thiết bị đư ợ c hỗ trợ v à kích hoạt một hoặc nhiều công nghệ hỗ trợ chuyển vùng nêu trên không có nghĩa l à quá trì nh chuyển vùng di ễ n ra nhanh chóng và suôn sẻ. Thậ m chí, sẽ có trường hợ p trải nghiệm chuyển vùng v ẫ n tố t nếu không s ử dụng chúng. 5 Kế t luậ n Cá c hệ thố ng mạng không dây hiệ n nay phải hỗ trợ kế t nố i cho hàng loạt ứng dụng và thiết bị di động hi ệ n đại vố n yêu cầu vùng phủ sóng r ộ ng, băng thông cao. Trong môi trường có mậ t độ cao như trường học hoặ c doanh nghiệ p, mộ t lượ ng lớn người dù ng, cù ng hoạt độ ng trong vù ng phủ sóng đượ c đá p ứng từ mỗ i điểm truy cập, truy c ậ p vào hệ thố ng Wi-Fi và yêu cầ u băng thông đồ ng thời. Ngoài ra, cá c điểm truy cập c ầ n đảm bảo mọi kế t nố i củ a ứng dụng luôn đượ c giữ thông suố t và ổ n đị nh khi cá c thiế t bị di chuyể n từ vù ng phủ sóng này sang vù ng khá c. Với những ưu điểm n ổ i trội so với chuyển vùng nhanh như thời gian chuyển vùng cực ngắn (gần như không có độ trễ), không x ảy ra hiện tượng rớt gói tin và đảm bảo cung c ấ p băng thông ổ n

định cho máy khách, gi ải phá p chuyển vùng không gi á n đoạn với cá c tiêu chuẩ n 802.11k/r/v là mộ t sự lự a chọn cầ n thiế t cho các nhà quản trị trong việc thiế t kế , xây dựng v à triển khai vậ n hành hệ thống mạng không dây mật độ cao. Lời cảm ơn Nhóm tá c giả chân thành gửi lời cảm ơn tới Bộ môn Truyề n thông mạng má y tính (Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Hàng hải Việ t Nam), quý công ty VTS Việt Nam cùng dự án. Bài bá o là mộ t sản phẩ m củ a công trì nh nghiên cứu khoa học sinh viên trường Đại học Hàng hải Việ t Nam năm học 2021–2022. Tài liệu tham khảo 1. 7signal, Mysteries of Wi-Fi roaming revealed, Truy cậ p: 21/09/2021. [Online]. Đị a chỉ: < https://cdn2.hubspot.net/hubfs/353374/Knowledge%20Base/MYSTERIES%20of%20Wi- Fi%20Roaming%20Revealed%20-%207SIGNAL%20Whitepaper.pdf> 2. IEEE, IEEE 802.11r-2008 - IEEE Standard for Information technology-- Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-- Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 2: Fast Basic Service Set (BSS) Transition.

Phạm Ngọc Duy và Nguyễn Phương Đông Tập 131, Số 2A, 2022 148 3. IEEE, IEEE 802.11k-2008 - IEEE Standard for Information technology-- Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-- Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 1: Radio Resource Measurement of Wireless LANs. 4. IEEE, IEEE 802.11v-2011 - IEEE Standard for Information technology-- Local and metropolitan area networks-- Specific requirements-- Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 8: IEEE 802.11 Wireless Network Management. 5. SAMSUNG Knox, Enhanced Roaming Algorithm, Truy cậ p: 21/09/2021. [Online]. Đị a chỉ: <https://docs.samsungknox.com/admin/knox-platform-for-enterprise/kbas/kba-115013403768.htm> 6. CISCO, Enterprise Mobility 8.1 Design Guide - Chapter: 802.11r, 802.11k, 802.11v, 802.11w Fast Transition Roaming, Truy cậ p: 21/09/2021. [Online]. Đị a chỉ: <https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/wireless/controller/8-1/Enterprise-Mobility-8-1-Design- Guide/Enterprise_Mobility_8-1_Deployment_Guide/Chapter-11.html> 7. Apple, Wi-Fi network roaming with 802.11k, 802.11r, and 802.11v on iOS, Truy cậ p: 21/09/2021. [Online]. Đị a chỉ: <https://support.apple.com/en-us/HT202628> 8. A. Viviano, Fast Roaming with 802.11k, 802.11v, and 802.11r, Microsoft Docs, Truy cậ p: 21/09/2021. [Online]. Đị a chỉ: <https://docs.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/network/fast- roaming-with-802-11k--802-11v--and-802-11r>.