Thuật toán Roaming thiết bị di động Samsung

Phân tích chi tiết về thuật toán roaming cơ bản trong thiết bị di động Samsung

Roaming là quá trình khi một thiết bị di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của một Access Point (AP) và chuyển kết nối Wi-Fi sang AP tiếp theo trong cùng một Extended Service Set (ESS) mà không mất kết nối.

1. Thuật toán roaming cơ bản

Các yếu tố kích hoạt roaming trên thiết bị di động Samsung:

A. Yếu tín hiệu (Weak signal):

1. • Thiết bị di động sẽ kích hoạt quét roaming để tránh việc phải truyền lại thường xuyên các gói dữ liệu bị mất do tín hiệu yếu. Khi giá trị Received Signal Strength Indicator (RSSI) của AP hiện tại yếu (dưới -75dBm), thiết bị sẽ tìm kiếm một AP có tín hiệu mạnh hơn.

B. Mất beacon (Beacon loss):

1. • Khi không nhận được các gói beacon từ AP kết nối trong vòng 2 giây (hoặc 6 giây nếu màn hình tắt), thiết bị di động sẽ coi đó là mất beacon và kích hoạt quét roaming.

C. Sử dụng kênh (Channel Utilization - CU):

1. • Khi có nhiều thiết bị kết nối đến cùng một AP, khả năng kết nối có thể bị ảnh hưởng mặc dù tín hiệu vô tuyến mạnh, do tài nguyên bị giới hạn. AP sẽ thông báo cho các thiết bị khách về lưu lượng hiện tại qua chỉ số CU trong beacon của mình. Thiết bị di động sẽ kích hoạt quét roaming nếu giá trị CU nhận được lớn hơn 70% và giá trị RSSI hiện tại nằm trong khoảng -65dBm đến -75dBm.

Hiện tại, CU roaming được hỗ trợ trên các thiết bị Galaxy S và Note series phát hành từ Galaxy S8 trở về sau. Thiết bị di động sẽ chọn kết nối với AP mới có giá trị RSSI cao hơn ít nhất 10dBm so với AP hiện tại từ kết quả quét roaming được kích hoạt bởi các trường hợp đã nêu.

2. Lưu các kênh roaming

Mục đích của roaming là cung cấp trải nghiệm dữ liệu liền mạch. Tuy nhiên, dữ liệu có thể bị ngắt quãng trong quá trình quét roaming. Để khắc phục điều này, thiết bị di động Samsung hỗ trợ quét một phần (partial scanning) để cải thiện hiệu suất roaming.

Quá trình quét một phần:

• Thiết bị di động sẽ duy trì danh sách các kênh chứa cùng SSID trong mỗi lần quét. Trong quá trình roaming, thiết bị chỉ quét các kênh trong danh sách này thay vì quét toàn bộ các kênh. Điều này giúp thiết bị cập nhật danh sách quét nhanh hơn nhiều.

Ví dụ, trên dòng Galaxy S, một lần quét chủ động mất 40ms và một lần quét thụ động (trên các kênh DFS) mất 130ms. Với điều này, một lần quét toàn bộ kênh mất khoảng 2800ms, trong khi một lần quét một phần với 7 kênh đã lưu chỉ mất khoảng 280ms, cải thiện 90%.

3. Caching khóa cơ hội (Opportunistic Key Caching - OKC)

Trong quá trình roaming, dữ liệu bị ngắt quãng cho đến khi thiết bị di động hoàn thành kết nối với AP mới. Để tránh việc ảnh hưởng đến người dùng, các thiết bị di động Samsung sử dụng OKC để tăng tốc kết nối khi roaming.

Cơ chế của OKC:

• OKC cho phép client không dây và hạ tầng WLAN lưu trữ một PMK (Pairwise Master Key) trong suốt thời gian kết nối của client với WLAN này. Điều này vẫn đúng ngay cả khi roaming giữa nhiều AP cùng chia sẻ PMK ban đầu, được sử dụng làm seed cho tất cả các phiên WPA2 4-way handshake.

Lưu ý: Đây không phải là phương pháp roaming được chuẩn hóa theo 802.11.

4. Ưu điểm của 802.11r (Fast BSS Transition - FT)

IEEE 802.11r nhằm giảm thời gian mất kết nối giữa STA và DS trong quá trình BSS transition. Các giao thức FT là một phần của dịch vụ Re-Association và chỉ áp dụng cho các chuyển đổi STA giữa các AP trong cùng một miền di động của cùng một ESS.

Cơ chế của 802.11r:

• Re-Association cho phép thiết bị di động (như điện thoại thông minh) kết nối nhanh chóng và mượt mà với một AP mới mà nó chưa từng kết nối trước đó. Thay vì phải thực hiện quá trình xác thực và kết nối đầy đủ từ đầu, một thiết bị có thể sử dụng thông tin xác thực đã được chứng thực trước đó từ một AP trước để nhanh chóng kết nối với một AP mới mà cùng thuộc mạng Wi-Fi. 

• 802.11r định nghĩa lại giao thức đàm phán khóa bảo mật, cho phép đồng thời đàm phán và yêu cầu tài nguyên không dây.

• Giao thức đàm phán khóa trong 802.11i yêu cầu client phải đàm phán lại khóa của mình với RADIUS hoặc máy chủ xác thực khác hỗ trợ EAP trong mỗi lần chuyển AP, quá trình này mất thời gian. Để tiết kiệm thời gian, một phần khóa từ máy chủ được lưu trữ trong mạng không dây, cho phép số lượng kết nối tương lai hợp lý dựa trên khóa đã lưu thay vì chạy lại quá trình 802.11X mỗi lần.

5. Ưu điểm của 802.11k (Neighbor Report, Beacon Report)

IEEE 802.11k cho phép các STA hoặc AP nhận thông tin WLAN từ nhau. Các tính năng chính bao gồm:

Neighbor Report:

• Thiết bị di động duy trì danh sách kênh roaming để giảm thời gian quét. Trong trường hợp thiết bị không thể tìm thấy AP roaming từ danh sách kênh hiện tại, thiết bị có thể kích hoạt quét toàn bộ kênh để tìm AP roaming. Neighbor report giúp tránh các trường hợp phải quét toàn bộ kênh này bằng cách yêu cầu và nhận danh sách các AP lân cận từ AP hiện tại.

Beacon Report:

• Các AP có thể hỗ trợ roaming bằng cách chia sẻ danh sách các AP lân cận hoặc gửi yêu cầu BTM (BSS Transition Management). Khi thiết bị di động nhận yêu cầu beacon report, nó sẽ thực hiện quét để thu thập các khung beacon và trả lại cho AP. AP sau đó có thể chọn AP roaming tốt nhất bằng cách kết hợp thông tin nội bộ với báo cáo beacon nhận được.

6. Ưu điểm của 802.11v (BSS Transition Management - BTM)

IEEE 802.11v cho phép STA và AP trao đổi thông tin để cải thiện hiệu suất mạng tổng thể. Một tính năng quan trọng là BSS Transition Management (BTM).

Cơ chế của BTM:

• AP có thể yêu cầu thiết bị di động chuyển đến AP khác có điều kiện mạng tốt hơn. Khi nhận yêu cầu BTM, thiết bị di động sẽ kích hoạt quét roaming một phần. Nếu tìm thấy AP có kết nối tốt hơn (hiện tại khoảng 5%), thiết bị sẽ chuyển đến AP đó, ngược lại sẽ duy trì kết nối hiện tại.

• AP có thể sử dụng các yếu tố trong yêu cầu BTM để chỉ ra mức độ khuyến nghị roaming như “Abridged Bit” và “Disassociation Imminent Bit” để định hướng mức độ ưu tiên của roaming.

Ví dụ:

Khi số lượng thiết bị kết nối đến AP tăng, AP có thể quyết định chuyển một số thiết bị sang băng tần 5GHz của AP khác để cân bằng tải. Khi nhận được yêu cầu BTM, các thiết bị sẽ tính toán điểm roaming nội bộ và đưa ra quyết định roaming.

*Một số định nghĩa :

1. Basic Service Set (BSS)

• Định nghĩa: BSS là đơn vị cơ bản nhất của mạng Wi-Fi. Nó bao gồm một Access Point (AP) và tất cả các thiết bị (stations - STA) được kết nối với AP đó.

• Các loại BSS:

  • Independent BSS (IBSS): Còn gọi là mạng ad-hoc, không có AP, các thiết bị kết nối trực tiếp với nhau.

  • Infrastructure BSS: Có một AP đóng vai trò trung tâm và các thiết bị kết nối qua AP này. Đây là cấu hình phổ biến trong các mạng Wi-Fi hiện đại.

2. Extended Service Set (ESS)

• Định nghĩa: ESS là một nhóm nhiều BSS kết hợp lại với nhau để tạo thành một mạng lớn hơn. Các BSS trong ESS sử dụng cùng một SSID (Service Set Identifier) và cho phép các thiết bị di chuyển từ vùng phủ sóng của một AP này sang AP khác mà vẫn duy trì kết nối liền mạch.

• Thành phần: ESS bao gồm nhiều AP, mỗi AP tạo thành một BSS riêng lẻ, nhưng tất cả đều được liên kết với nhau thông qua một mạng phân phối (Distribution System - DS), chẳng hạn như một mạng có dây hoặc không dây.

• Lợi ích: ESS cho phép mở rộng vùng phủ sóng mạng Wi-Fi và hỗ trợ tính năng roaming, giúp các thiết bị di chuyển giữa các BSS mà không mất kết nối.