Đánh giá hiệu năng mạng không dây theo chuẩn

Một số khác biệt quan trọng của mô hình TCP/IP so với mô hình OSI đó là: Hình 1: Mô hình quy chiếu OSI và mô hình TCPIP TCP/IP có cấu trúc tương tự như mô hình OSI, tuy nhiên để đảm bảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐINH ANH TUẤN

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG KHÔNG DÂY

THEO CHUẨN 802.15.3

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội – 2009

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ MẠNG KHÔNG DÂY 12

1.1 Sự ra đời của mạng máy tính và mạng Internet 12

1.2 Mô hình quy chiếu OSI và Mô hình TCP/IP 13

1.3 Mạng LAN và mạng LAN không dây (WLAN) 17

1.3.1 Mạng cục bộ - LAN 17

1.3.2 Mạng LAN không dây -WLAN 18

1.3.3 Các loại mạng không dây và một số chuẩn an ninh 19

1.3.4 Các mô hình WLAN 25

1.3.5 Ưu điểm của mạng WLAN so với mạng LA N: 27

1.3.6 Nhược điểm của WLAN so với mạng LAN: 28

1.4 Xu hướng phát triển Internet và mục tiêu nghiên cứu của luận văn 28

CHƯƠNG 2: CÁC CHUẨN VỀ CÁC MẠNG LAN CƠ BẢN 30

2.1 Chuẩn về mạng LAN có dây 802.3 30

2.1.1 Giao thức CSMA/CD 30

2.1.2 Chuẩn 802.3 cho mạng LAN có dây 30

2.2 Chuẩn về mạng LAN không dây 802.11 31

2.3 Chuẩn không dây IEEE 802.15.4 36

2.3.1 Phương thức kết nối của chuẩn 802.15.4 36

2.3.2 Giao thức và các kiểu xác thực 37

2.3.3 An ninh 38

CHƯƠNG 3: MẠNG THEO CHUẨN 802.15.3 39

3.1 Giới thiệu chuẩn 802.15.3 39

3.1.1 Sự ra đời của chuẩn 802.15.3 39

3.1.2 Kiến trúc giao thức 43

3.1.3 Các thành phần của mạng 45

3.2 Chức năng của các tầng của chuẩn 802.15.3 45

3.2.1 Tầng vật lý 46

3.2.2 Tầng điều khiển truy nhập MAC 54

3.3 Piconet trong chuẩn 802.15.3 68

3.4 Tổ chức kênh 70

3.5 Phương thư ́ c lựa cho ̣n tra ̣m điều khiển trong Piconet 72

3.5.1 Mô tả phương thức lựa chọn trạm điều khiển trong Piconet 72

3.5.2 Cách chọn trạm điều khiển có bình phương khoảng cách nhỏ nhất 74

3.6 So sánh mạng theo chuẩn 802.15.3 với 802.11 và 802.15.4 78

3.6.1 Các đặc điểm giống với 802.11 và 802.15.4 79

3.6.2 Các đặc điểm khác với 802.11 và 802.15.4 80

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA MẠNG 802.15.3 82

4.1 Bộ mô phỏng mạng NS-2 82

4.1.1 Kiến trúc của NS-2 83

4.1.2 Môi trường mô phỏng 85

4.1.3 Kịch bản mô phỏng 86

4.2 Triển khai mô phỏng và các kết quả 87

4.2.1 Mục đích mô phỏng 87

4.2.2 Mô hình và các thông số mô phỏng 88

4.2.3 Thiết lập mô phỏng 90

KẾT LUẬN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

A - Tài liệu tiếng Việt 107

B - Tài liệu tiếng Anh 107

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACL Access control list

ADC Analogue-to-Digital Converter

AGC Automatic Gain Control

API Application Programming Interface

BPSK Binary Phase-Shift Keying

BSS Basic Service Set

CAP Contention Access Period

CBR Constant Bit Rate

CBS Constant Bandwitdh Server

CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance

Avoidance CTA Channel Time Allocation

CTAP Channel Time Allocation Period

CTS Clear to send

DRP Distributed Reservation Protocol

DRR Distance Report Request

DSN Data Sequence Number

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

DS-UWB Direct Sequence UWB

ECMA European association for standardizing information and

communication systems

ESS Extended Service Set

FCC Federal Communication Commission

FEQ Frequency Domain Equalizer

FFD Full-Function Device

FFI Fixed-Frequency Interleaving

FFT Fast Fourier Transform

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

FWA Fixed Wireless Access

GTS Guaranteed Time Slot

HDR High Dynamic Range

HR-WPAN High Rate-Wireless Personal Area Network

IBSS Independent Basic Service Set

IE Information Exchange

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

IRSA Intelligent Reactive Scheduling Architecture

ITU International Telecommunications Union

LAN Location Area Network

LLC Logical Link Control

LNA Low-Noise Amplifier

LQI Link Quality Interface

LR-WPAN Low Rate-Wireless Personal Area Network

MAC Medium Access Control

MBOA Multiband OFDM Alliance

MBOFD Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing MMC Microscheduled Management Command

NAV Network Allocation Vector

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying

OSI Open System Interconnection

Otcl Object Tool Command Language

PAL Programming Application Layer

PAL Protocol Adaptation Layer

PAN Personal Area Network

PCA Prioritized Contention Access

PNC Piconet coordinator

PPM Pulse Positioning Modulation

PSC PBC Selection Counter

PSF Pre-Select Filter

SAP Service Access Point

SIG Special Interest Group

SNR Signal to Noise Ratio

SRPT Shortest Remaining Processing Time

SSID Service Set ID

TCP Transmission Control Protocol

TDMA Time Division Multi Access

TFC Time-Frequency Code

TFI Time–Frequency Interleaving

TKIP Temporal Key Integrity Protocol encryption

UDP User Datagram Protocol

UITS University Information Technology Services USB Universal Serial Bus

UTP Unshielded Twisted Pair

VLC Visible Light Communications

WEP Wired Equivalent Privacy

WIFI Wireless Fidelity

WLAN Wireless Local Area Network

WPA Wi-Fi Protected Access

WPA2 Wi-Fi Protected Access 2

WPAN Wireless Personal Area Network

WRR Weighted Round Robin

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1: Mô hình quy chiếu OSI và mô hình TCPIP 14

Hình 2: Kiến trúc mạng LAN 16

Hình 3: Peer-to-Peer or ad-hoc wireless LAN 25

Hình 4: Mô hình mạng IBSS và BSS 26

Hình 5: Mô hình mạng ESS 27

Hình 6: Hiện tượng Hidden Terminal trong WLAN 32

Hình 7: Hiện tượng Exposed Terminal trong WLAN 33

Hình 8 – kết nối hình sao và ngang hàng 37

Hình 9– Kết hợp giữa kết nối ngang hàng và kết nối hình sao 37

Hình 10 : Kết nối các thiết bị trong gia đình bằng WUSB 40

Hình 11: Tốc độ truyền dữ liệu và phạm vi không gian sử dụng 41

Hình 12– FCC mask for indoor communications 42

Hình 13: Mô hình OSI và IEEE 802.15 43

Hình 14 - Kiến trúc của IEEE 802.15.3 44

Hình 15: Phương thức kết nối 45

Hình 16: Nền tảng sóng vô tuyến WiMedia 46

Hình 17: Phân chia phổ tần UWB trong các băng thông và nhóm băng thông 47

Hình 18 - Dải phổ của tầng vật lý theo đề xuất của MB-OFDM 48

Bảng 19 – Thông số của MB – OFDM 48

Hình 20: Sơ đồ khối MB-OFDM 48

Hình 21: Băng thông hẹp - NB, băng thông rộng - SS và cực rộng - UWB 49

Hình 22: UWB xem xét ở dạng 1 band và nhiều band 51

Hình 23: Bảng ký hiệu Time-frequency cho hệ thống multi-band OFDM 52

Hình 24: Khoảng đặt time-frenquency và fixed-frenquency 53

Hình 25: Tầng MAC điều khiển dòng dữ liệu truyền vào môi trường không khí và thực hiện các quy tắc công bằng để điều chỉnh giữa các giao thức tranh chấp sử dụng đường truyền không dây 54

Hình 26: Cấu trúc Superframe của WiMedia MAC 58

Hình 27: Các giao thức sử dụng sóng Vô tuyến điện UWB 65

Hình 28_b: Trao đổi dữ liệu và bản tin giữa trạm điều khiển và trạm làm việc 69

Hình 29 – Truyền thông giữa 2 Piconet 70

Hình 30 - Kiến trúc của siêu khung IEEE 802.15.3 71

Hình 31: Thủ tục truyền (PNC truyền dữ liệu tới DEV) 71

Hình 32 – Không gian Piconet trong mạng WPAN 72

Hình 33 - Thủ tục lựa chọn PNC 77

Hình 34: Tổ chức mạng không dây của chuẩn 802 78

Hình 35 Sư ̣ tương đồng giữa C++ và OTcl 84

Hình 36 Tổng quan về NS từ góc nhìn của người sử dụng 84

Hình 37: Mô hình mạng của chuẩn 802.15.3 88

Hình 38: Mô hình hàng đợi 89

Hình 39: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi WRR 93

Hình 40: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi SRPT 95

Hình 41: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi CBS 97

Hình 42: Kết quả mô phỏng cơ chế hàng đợi IRSA 99

Hình 43: Kết quả tổng hợp so sánh các cơ chế hàng đợi 100

Hình 44: Kết quả tổng hợp so sánh 4 flow 102

Hình 45: Kết quả tổng hợp so sánh 3 chuẩn không dây 104

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đã có những quá trình phát triển vượt bậc đặc biệt là mạng không dây Mạng không dây được phát triển mạnh

mẽ do quá trình trao đổi dữ liệu gia tăng mãnh liệt ở môi trường không dây

Chuẩn mạng không dây 802.15.3 ra đời bởi sự mong mỏi của đại đa số người

sử dụng – cá nhân, gia đình đó là giá thành thấp, các thiết bị sử dụng các công nghệ không dây được chuẩn hoá mang tính cộng đồng Mạng cá nhân sử dụng công nghệ không dây “wireless personal area networks (WPAN)” 802.15.3 là chuẩn cho các mạng LAN không dây (WLAN) nhằm cho đối tượng là người sử dụng trong gia đình, nhằm đạt được việc kết nối có giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, dải thông lớn, tốc độ cao, có thể tới 480 Mbps trong cự ly 3m Mạng LAN theo chuẩn không dây 802.15.3 giúp chúng ta có thể kết nối mọi nơi trong khu vực được triển khai (nhà hay văn phòng) vì chuẩn 802.15.3 được xây dựng cho các thiết bị USB không dây, các thiết bị có tính chất di động (như máy chiếu, camera, ) nên rất thuận tiện trong việc di chuyển Mạng LAN theo chuẩn không dây 802.15.3 giúp chúng ta kết nối bất kỳ khi nào và trong tương lai nó là yếu tố hình thành “ngôi nhà thông minh”

vì các thiết bị gia đình có thể tích hợp chuẩn không dây 802.15.3 dễ dàng Các mạng LAN theo chuẩn 802.15.3 rất có triển vọng trong tương lai gần Đó là lý do thúc đẩy tôi chọn đề tài nghiên cứu này

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng Internet và mạng không dây

Chương 2: Các chuẩn về mạng LAN cơ bản

Chương 3: Mạng theo Chuẩn 802.15.3

Chương 4: Đánh giá hiệu suất của mạng 802.15.3 bằng mô phỏng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ MẠNG

KHÔNG DÂY 1.1 Sự ra đời của mạng máy tính và mạng Internet

Những tiến bộ nhanh chóng của công nghiệp điện tử và vi điện tử dẫn đến sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử Các thế hệ máy tính liên tục phát triển và khẳng định được vị trí của mình trong hầu hết các lĩnh vực kinh

tế, văn hóa và xã hội Các dịch vụ trên máy tính phát triển rất nhanh trên nhiều lĩnh vực, nên nhu cầu trao đổi thông tin, chia sẻ tài nguyên giữa các máy tính cũng trở nên hết sức cấp thiết Chính nhu cầu này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu xây dựng nên một công cụ nhằm trợ giúp con người trao đổi, khai thác thông tin một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả - đó là mạng máy tính

Tiền thân của mạng Internet ngày nay là mạng máy tính ARPANET Cơ quan quản lý các dự án nghiên cứu cấp cao ARPA thuộc bộ quốc phòng Mỹ liên kết 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 bao gồm: Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học California, Santa Barbara Đó chính là mạng liên khu vực (Wide Area Network - WAN) đầu tiên được xây dựng

Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974 Lúc đó mạng vẫn được gọi là ARPANET Năm 1983, giao thức TCP/IP chính thức được coi như một chuẩn đối với ngành quân sự Mỹ và tất cả các máy tính nối với ARPANET phải sử dụng chuẩn mới này Năm 1984, ARPANET được chia ra thành hai phần: phần thứ nhất vẫn được gọi là ARPANET, dành cho việc nghiên cứu và phát triển; phần thứ hai được gọi là MILNET, là mạng dùng cho các mục đích quân sự

Mốc lịch sử quan trọng của Internet được xác lập vào giữa thập niên

1980 khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET Nhiều doanh nghiệp đã

chuyển từ ARPANET sang NSFNET và do đó sau gần 20 năm hoạt động, ARPANET không còn hiệu quả đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990 Ngày nay, với hơn 1.5 tỷ người sử dụng trên toàn thế giới, mạng Internet hiện nay là 1 thành công lớn về kết nối mọi người và cộng đồng

Trong Internet giao thức được sử dụng là IP (Internet Protocol) IP là một giao thức sử dụng Datagram để thực hiện trong chuyển mạch gói (packet-switch network) Sử dụng truyền Datagram, mỗi gói được coi như một thực thể riêng biệt và có tiêu đề với đầy đủ thông tin về nơi gửi và nơi nhận Một mạng lưới Datagram gửi đi một thông điệp tương tự như một loạt các bưu thiếp được gửi đi thông qua hệ thống bưu điện Mỗi bưu thiếp được gửi đến đích theo cách độc lập Để nhận được thông báo toàn bộ, người nhận phải thu thập toàn bộ các bưu thiếp và sắp xếp chúng lại theo thứ tự của bản gốc Trong mạng sử dụng gói Datagram là không tin cậy vì nó không có kiểm soát các vấn đề như bên nhận đã nhận đủ chưa, có trùng lặp không, đúng thứ

tự không … Do đó, các ứng dụng không cần độ tin cậy cao mới sử dụng giao thức UDP, ví dụ như Video trên Internet, bài hát trên Internet vv… Hầu hết các ứng dụng trên Internet đều bổ sung thêm chức năng để tăng độ tin cậy Ví

dụ như gửi email, duyệt WEB hoặc truyền file bằng giao thức FTP Độ tin cậy được nhắc đến đó là đảm bảo cho bên nhận sẽ nhận đủ các gói tin, không trùng lặp và đúng thứ tự Chức năng bổ sung hay được nhắc đến đó là giao thức TCP Trong giao thức TCP sử dụng thuật ngữ segment để chỉ đơn vị dữ liệu của giao thức, các segment được đánh số thứ tự để bên nhận có thể ghép

dữ liệu lại một cách chính xác

Mục tiếp theo chúng ta sẽ đề cập chi tiết mô hình TCP/IP và so sánh với mô hình OSI để hiểu rõ hơn về TCP/IP được chọn làm chuẩn giao tiếp trong Internet

1.2 Mô hình quy chiếu OSI và Mô hình TCP/IP

Chúng ta biết rằng việc thông qua mô hình TCP/IP không xung đột với

mô hình quy chiếu OSI Trong một số cách thức, mô hình TCP/IP đã đóng

góp cho mô hình OSI và ngược lại Một số khác biệt quan trọng của mô hình TCP/IP so với mô hình OSI đó là:

Hình 1: Mô hình quy chiếu OSI và mô hình TCPIP TCP/IP có cấu trúc tương tự như mô hình OSI, tuy nhiên để đảm bảo tính tương thích giữa các mạng và sự tin cậy của việc truyền thông tin trên mạng,

bộ giao thức TCP/IP được chia thành 2 phần riêng biệt: giao thức IP sử dụng cho việc kết nối mạng và giao thức TCP để đảm bảo việc truyền dữ liệu một cách tin cậy

Tầng ứng dụng: Tại mức cao nhất này, người sử dụng thực hiện các chương

trình ứng dụng truy cập đến các dịch vụ hiện hữu trên Internet Tầng ứng dụng tương tác với một trong những giao thức ở tầng giao vận để gửi hoặc nhận dữ liệu Mỗi chương trình ứng dụng chọn một kiểu giao thức giao vận

mà nó cần, có thể là một dãy tuần tự từng thông điệp (nếu sử dụng UDP) hoặc một chuỗi các byte liên tục (nếu sử dụng TCP) Chương trình ứng dụng sẽ gửi

dữ liệu đi dưới dạng nào đó mà nó yêu cầu đến tầng giao vận

Tầng giao vận: Nhiệm vụ cơ bản của tầng giao vận là cung cấp phương tiện

liên lạc từ một chương trình ứng dụng chạy trên máy tính này đến một chương trình ứng dụng chạy trên một máy tính khác Việc thông tin liên lạc

đó thường được gọi là truyền thông end-to-end Tầng giao vận có thể điều khiển luồng thông tin Nó cũng có thể cung cấp sự giao vận có độ tin cậy, bảo đảm dữ liệu đến nơi mà không có lỗi và theo đúng thứ tự Để làm được điều

đó, tầng giao vận cung cấp giao thức TCP, trong quá trình trao đổi thông tin nơi nhận sẽ gửi ngược trở lại một gói tin xác nhận (ACK) và nơi gửi sẽ truyền lại những gói dữ liệu bị mất (không được xác nhận) Tuy nhiên trong những môi trường truyền dẫn tốt như cáp quang chẳng hạn thì việc xảy ra lỗi là rất nhỏ Tầng giao vận có cung cấp một giao thức khác đó là UDP

Tầng Internet: Nhiệm vụ cơ bản của tầng này là xử lý việc liên lạc của các

thiết bị trên mạng Nó nhận yêu cầu từ tầng giao vận cùng với định danh của máy mà gói dữ liệu phải gửi đến Nó sử dụng các giao thức định tuyến để chuyển gói tin đến đích của nó hoặc trạm kế tiếp Đối với những packet được router xác định máy gửi và máy nhận thuộc cùng mạng cục bộ, phần mềm Internet sẽ cắt bỏ phần đầu của packet, và chọn một trong các giao thức tầng chuyên trở thích hợp để xử lý chúng Cuối cùng, tầng Internet gửi và nhận các thông điệp kiểm soát và xử lý lỗi ICMP

Tầng truy nhập mạng: Tầng thấp nhất của mô hình TCP/IP chính là tầng

truy nhập mạng, có trách nhiệm nhận các IP datagram và truyền chúng trên một mạng nhất định Người ta lại chia tầng truy nhập mạng thành 2 tầng con là:

Tầng liên kết dữ liệu: Tại đây dữ liệu được tổ chức thành các khung (frame)

Phần đầu khung chứa địa chỉ và thông tin điều khiển, phần cuối khung dành cho viêc phát hiện lỗi Tầng liên kết dữ liệu lại được chia làm hai tầng con nhằm tách biệt việc giao tiếp giữa tầng trên và tầng dưới, đó là: tầng điều khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control) và tầng điều khiển Liên kết logic LLC (Logic Link Control)

TẦNG VẬT LÝ

Medium Access Control

Logic Link Control

TẦNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU

Hình 2: Kiến trúc mạng LAN Tầng MAC quy định về việc trao đổi thông tin trên mạng Điều khiển việc sử dụng tài nguyên một cách bình đẳng khi có nhiều thiết bị cùng muốn

sử dụng một hệ thống truyền dẫn chung Trong hệ thống truyền dẫn chung của mạng LAN, chức năng chuyển mạch và chuyển gói số liệu từ thiết bị nguồn cho đến thiết bị đích có thể được thực hiện ở tầng điều khiển truy nhập MAC mà không cần thiết phải có một tầng chức năng như tầng mạng của mô hình OSI Tầng liên kết logic LLC đảm bảo chuyển tiếp gói số liệu (frame) chính xác giữa các thực thể cuối của giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng dụng ở các tầng chức năng cao hơn

Tầng Vật lý: Thực hiện chức năng điều chế tín hiệu số và đồng bộ để phát và

nhận số liệu (thường là nối tiếp) trong hệ thống truyền dẫn chung một cách chính xác đối với từng hệ thống truyền dẫn

1.3 Mạng LAN và mạng LAN không dây (WLAN)

1.3.1 Mạng cục bộ - LAN

Mạng LAN là một nhóm các máy tính và thiết bị liên quan cùng sử dụng đường liên lạc bằng dây nối hoặc không dây để chia sẻ thông tin trong 1 vùng địa lý nhỏ (ví dụ như: trong văn phòng của tòa nhà) Thông thường, sẽ có 1 bộ

xử lý hoặc một máy tính chuyên phục vụ dùng chung được gọi là Server, Server sẽ được cài đặt các ứng dụng hoặc dữ liệu được lưu trữ trên nó nhằm phục vụ ít nhất là 2, 3 người (ví dụ trong gia đình) hoặc cả 1 văn phòng với số lượng người rất đông có thể là hàng nghìn

Ban đầu, để đáp ứng nhu cầu nối 2 máy tính với nhau để trao đổi dữ liệu, người ta sử dụng cáp thông qua cổng nối tiếp (RS232) hoặc cổng song song (cổng LPT cho máy in) Sau này, do nhu cầu nối giữa nhiều hơn 2 máy tính các nhà nghiên cứu đã sử dụng cáp đồng trục, nhưng mạng sử dụng cáp này không có tính mềm dẻo khi cần mở rộng và tốc độ không cao Các nhà nghiên cứu đã tìm đến giải pháp sử dụng cáp có dạng tựa đường dây điện thoại, đó là

4 cặp cáp xoắn gọi là UTP, với loại cáp này có thể dễ dàng tạo thành các kiến trúc mạng dạng sao phổ biến cho mạng LAN hiện nay Các kiến trúc mạng kiểu LAN thông dụng bao gồm:

Mạng bus hay mạng tuyến tính Tất cả các thiết bị nối mạng bằng một sợi cáp

đồng trục, với việc sử dụng các bộ nối T-connector, BNC-connector, cuối đường cáp cần nối với một bộ phối hợp trở kháng sóng là Terminator Ethernet (chuẩn 802.3) sử dụng kiến trúc mạng bus với cơ chế CSMA/CD nên khi tải mạng nặng, thường xảy ra ùn tắc bởi việc tranh chấp sử dụng đường truyền chung Do đó các nhà nghiên cứu đưa ra cơ chế Token (thẻ bài),

đó là 1 gói tin điều khiển để thực hiện việc kiểm soát truy cập mạng theo các mức ưu tiên khác nhau, đảm bảo tránh được xung đột trong mạng

Mạng vòng (Ring) Các thiết bị (trạm) được mắc nối tiếp với nhau tạo thành

một vòng khép kín, do đó, mỗi trạm được kết nối trực tiếp đến 2 trạm khác kề bên nó Kết nối kiểu mạng vòng khá tốn cáp nối nhưng nó cung cấp băng

thông cao và khoảng cách có thể lớn Mạng Token ring (chuẩn 802.5) có topo dạng vòng và sử dụng thẻ bài

o Mạng sao Các trạm (thiết bị) cùng nối vào 1 thiết bị trung gian Thiết bị

trung gian này có chức năng trung chuyển gói tin và định tuyến Ban đầu, Hub là thiết bị trung chuyển nhưng nó chuyển gói tin đi đến tất cả các trạm khác nối với Hub và không có định tuyến nên dễ xảy ra nghẽn mạng Sau này, các nhà nghiên cứu đã cải tiến đưa thêm vào khả năng định tuyến cho thiết bị trung gian mà ngày nay vẫn đang sử dụng phổ biết đó là switch, một loại thiết bị trung gian cao cấp hơn chính là router

1.3.2 Mạng LAN không dây -WLAN

WLAN là một loại mạng LAN, nó cung cấp tất cả các tính năng và lợi ích của mạng LAN truyền thống có dây như Ethernet, nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là không khí Các thành phần trong mạng sử dụng sóng điện từ hoặc hồng ngoại để truyền thông với nhau WLAN điển hình được sử dụng bởi những thiết bị bên trong một phạm vi có giới hạn rõ ràng, chẳng hạn như là một tòa nhà làm việc hay một khuôn viên đại học, và thường được xây dựng như là phần mở rộng cho những mạng hữu tuyến đã có sẵn để cung cấp tính di động cho người dùng

Kể từ thời kì đầu của mạng không dây, đã có rất nhiều chuẩn và công nghệ được phát triển cho WLAN Một trong những tổ chức chuyên về chuẩn hóa những công nghệ này là IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Các chuẩn cho mạng không dây WLAN được IEEE chuẩn hóa thành họ các chuẩn được ký hiệu là 802.11

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà cung cấp giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz Những giải pháp này (thường là độc quyền và không được thống nhất) đã cung cấp tốc độ truyền dữ liệu xấp xỉ 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng LAN thời kì đó

Vào năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN

sử dụng băng tần 2.4Ghz Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền

dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp độc quyền không được công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị

ở những giải tần số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung

Nói về tốc độ WLAN hiện nay thì tốc độ truyền dữ liệu cũng khác nhau,

từ 1 đến 54Mbps, với một số nhà sản xuất cung cấp độc quyền giải pháp 108Mbps Các tiêu chuẩn 802.11n có thể đạt 300 đến 600Mbps

Bởi vì các tín hiệu truyền trong không khí, phát sóng trong phạm vi nhất định để tất cả mọi người có thể chia sẻ nó, do đó các thiết bị WLAN đều cung cấp biện pháp phòng chống truy cập và biện pháp an ninh là cần thiết để bảo đảm chỉ những người dùng được cấp quyền mới có thể truy cập mạng WLAN của bạn

Một tín hiệu mạng WLAN có thể được phát sóng trải trong khu vực khác nhau, có kích thước từ một văn phòng nhỏ đến khuôn viên rộng lớn Phổ biến nhất, WLAN cung cấp truy cập trong vòng bán kính 20m -90m

1.3.3 Các loại mạng không dây và một số chuẩn an ninh

Việc phân loại các mạng không dây được các nhà khoa học thực hiện dựa trên các đặc điểm kỹ thuật và sử dụng, sau đây chúng ta sẽ xem xét các loại mạng không dây

WLAN này chủ yếu sử dụng một hoặc hai điểm truy cập (Access Point)

để truyền tín hiệu xung quanh bán kính 30m-60m Các thiết bị loại WLAN gia đình là Office Max, Radio Shack, Target, và Walmart Chuẩn an ninh WLAN gia đình thường tuân thủ theo chế độ WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2) Có 1 vài trường hợp ngoại lệ, phần cứng cũng có chuẩn 802.11a,b hoặc g Hiện nay, xuất hiện thêm chuẩn mới trong nhóm WLAN là 802.11n

 WLAN cho doanh nghiệp lớn

Loại này, sử dụng nhiều điểm truy cập (Access Point) để nối với nhau phục vụ cho khu vực rộng lớn (Wide Area) Do đó các Access Point có nhiều tính năng và yêu cầu cao hơn so với Access Point dành cho WLAN gia đình ví như việc xác thực phải tốt hơn, an ninh cao, quản lý

từ xa và công cụ để tích hợp với mạng hiện có Các Access Point phải phủ sóng được rộng hơn và được thiết kế để làm việc cùng nhau giữa các Access Point nhằm phủ được diện tích lớn gấp bội so với khả năng của 1 Access Point Do đó, các chuẩn phải được phổ biến để cùng tích hợp trong các thiết bị khi chia sẻ sẽ theo chuẩn chung và bây giờ ta biết đến nhiều như chuẩn 802.11a, b, g, hoặc chuẩn n ngoài ra vì là chuẩn không dây nên cần có chuẩn an ninh chung, hiện nay phổ biến chuẩn an ninh chung cho WLAN là dòng 802.1x và WPA2

 Mạng diện rộng không dây – WWAN (Wireless WAN)

WWAN là sự mở rộng của mạng WLAN cho vùng địa lý lớn hơn Hiện nay có thể coi các công ty điện thoại di động đang sử dụng công nghệ WWAN và người dùng cuối chính là người sử dụng điện thoại di động

Về các chuẩn không dây, chúng khác nhau như nào và chúng ta nên lựa chọn chuẩn nào phù hợp với nhu cầu sử dụng, chúng ta sẽ xem xét đến

sự khác nhau về các đặc điểm kỹ thuật của một số mạng không dây phổ biến nhất hiện nay mà các thiết bị phần cứng tuân theo, như các chuẩn 802.11a,b và g

Chuẩn 802.11a: Với khả năng truyền lên đến 54Mbps, nó nhanh hơn

chuẩn 802.11b và khả năng kết nối đồng thời cũng tốt hơn nhưng dễ bị nhiễu bởi sóng phát thanh và phạm vi của nó cũng ngắn nhất so với 802.11b và g, thường là từ 20m đến 90m Với tần số phát được sử dụng

là 5GHz, tín hiệu ít có khả năng xuyên qua vật cản

Chuẩn 802.11b: Chuẩn này hỗ trợ tốc độ truyền lên đến 11Mbps, có

khả năng xuyên vật cản tốt hơn 802.11a nhưng không hỗ trợ nhiều kết nối Phạm vi truyền của nó tốt hơn 802.11a, có thể lên đến 270m – trong môi trường lý tưởng; trên thực tế, phạm vi truyền thường là từ 21m đến 180m, nhưng các thiết bị mạng theo chuẩn này cũng dễ bị nhiễu do các thiết bị của các hệ thống điện thoại di động cũng hoạt động trên cùng 1 dải tần số 2.4GHz này, do đó nó không được coi là một công nghệ tốt cho những ứng dụng đòi hỏi kết nối tin cậy cao

Chuẩn 802.11g: Nhanh hơn 802.11b có thể đạt tới 54Mbps Nó có

phạm vi hoạt động ngắn hơn so với 802.11b những vẫn tốt hơn 802.11a thực nghiệm thường cho thấy vùng hoạt động trong 20m-160m Các thiết bị theo chuẩn 802.11g tương thích với các thiết bị theo chuẩn 802.11b nhưng chỉ chạy ở tốc độ của 802.11b khi cùng hoạt động Nó cùng chung tần số 2.4Ghz nên cũng có các nhược điểm như 802.11b

Chuẩn 802.11n: Tuy chưa được phê duyệt nhưng chuẩn này dự kiến

cho phép truyền với tốc độ lên tới 600Mbps và phạm vi gấp đôi so với chuẩn 802.11b/g

Nhìn chung, các thiết bị không dây phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất

và môi trường hơn là tiêu chuẩn Sau đây chúng ta tiếp tục xét đến 1 số chuẩn an ninh được sử dụng cho chuẩn 802.11x cung cấp

WEP (Wired Equivalent Privacy): đây là một trong những chuẩn an

ninh cho WLAN ra đời sớm nhất, WEP ban đầu được tạo cho 802.11b

để cung cấp mức độ đảm bảo an ninh tương đương như với các mạng LAN có dây, nhưng dần sử dụng phù hợp cho chuẩn 802.11a Nhiều nhà phân tích bảo mật cho rằng an ninh của WEP là yếu và dễ bẻ khóa bởi mức độ mã hóa của WEP tương đối yếu (chỉ 40-128bit)

WPA (Wi-Fi Protected Access): WPA thực hiện bảo mật cao hơn

WEP Nó là biện pháp trung gian để phát triển lên chuẩn 801.11i WPA

bao gồm một cặp tiêu chuẩn nhỏ hơn với công việc phục vụ thực hiện bảo mật ở khía cạnh khác nhau:

* TKIP (Temporal Key Integrity Protocol encryption), mã hóa tín hiệu không dây

* 802.1x dùng để xử lý các chứng thực của người sử dụng mạng

Thông thường, hệ thống không dây chỉ kiểm soát đăng nhập qua Access Point của cá nhân hoặc mạng chung, nhưng một số hệ thống cao cấp hơn chỉ cho truy cập vào mạng dữ liệu (ví dụ VPN) khi người đăng nhập cung cấp thêm chứng thực người dùng 802.1x dùng để xác thực trong mạng không dây Điều này làm tăng an ninh, do lưu lượng truy cập trái phép có thể bị từ chối ngay tại các điểm truy cập không dây

WPA2/802.11i: Hiệp hội mạng không dây đã đặt ra thuật ngữ “WPA2”

cho thuật tiện khi sử dụng Tuy nhiên, tên chuẩn của nó là 802.11i, mức

độ mã hóa của nó rất cao đòi hòi chíp chuyên dụng

Trong thực tế sử dụng, những thiết bị sử dụng chuẩn WPA2 đều có khả năng tương tác với các thiết bị sử dụng chuẩn WPA nhưng không giao tiếp với những chuẩn cũ hơn WPA như WEP

Đặc biệt đối với luận văn này, tôi sẽ trình bày sâu hơn về các chuẩn không dây dành cho cá nhân WPAN (Wireless Personal Area Network), WPAN thuộc nhóm 15 trong IEEE802, nó được xây dựng nhằm giải quyết 7 nhiệm vụ, được trình bày dưới đây

Nhóm thực hiện 1 (WPAN / Bluetooth): IEEE 802.15.1-2002 được

bắt nguồn từ chuẩn WPAN với kỹ thuật trên nền tảng Bluetoothv1.1 nhằm điều khiển media và xử lý ở tầng vật lý Sau này, được phát triển lên phiên bản Bluetoothv1.2 và được công bố là chuẩn IEEE 802.15.1-

2005 Sau chuẩn 802.15.1-2005, nhóm IEEE group 1b đã bỏ phiếu 90-0

để chấm dứt mối quan hệ với Bluetooth SIG, do đó các phiên bản nâng cấp về sau của Bluetooth sẽ không phải là chuẩn của IEEE

Nhóm thực hiện 2 (Coexistence): IEEE 802.15.2-2003 giải quyến vấn

đề cùng tồn tại của mạng WPAN với các thiết bị không dây khác hoạt động trong dải tần số không được cấp phép như WLAN

Nhóm thực hiện 3 (High Rate WPAN): IEEE 802.15.3-2003 là chuẩn

cho tầng con MAC và tầng con PHY đối với WPAN tốc độ cao 55Mbit/s), bao gồm:

(11-3a (WPAN tốc độ cao ở mức PHY): 802.15.(11-3a là chuẩn được các nhà

nghiên cứu nỗ lực xây dựng, cung cấp tốc độ cao hơn cho các ứng dụng liên quan đến hình ảnh và Multimedia

IEEE 802.15.3a là chuẩn về tầng vật lý với dải thông cực rộng - UWB PHY với 2 đề xuất sử dụng: MB-OFDM UWB (được trình bày chi tiết trong chương 3, mục 3.2.1) hỗ trợ bởi hiệp hội liên minh mạng không dây và Direct Sequence - UWB (DS-UWB) được hỗ trợ bởi diễn đàn UWB

3b (Cải tiến MAC): IEEE 802.15.3b nhằm cải tạo 802.15.3 để phát

triển tính khả thi và tương tác bên trong của MAC Ngoài ra, phần này nhằm sửa các lỗi, các mục chưa rõ ràng và đưa thêm 1 số vấn đề khác

3c WPAN (mmWave WPAN): Nhóm làm việc 3c của IEEE (TG3c)

được thành lập tháng 3 năm 2005, nhằm phát triển tầng vật lý sử dụng sóng milimet cho chuẩn WPAN 802.15.3-2003 TG3c dự kiến hoàn thiện vào tháng 5/2008 mmWave WPAN xử lý trên dải tần 57-64GHz không cần cấp phép, được quy định bởi FCC, với ký hiệu FCC 47 CFR 15.255

Ngoài ra, mmWave WPAN cho phép các ứng dụng truyền dữ liệu với tốc độ cao trên 2Gbit/s như truy cập internet tốc độ cao Khả năng truyền dữ liệu ở mức 3Gbit/s sẽ đạt được trong thời gian tới

Nhóm thực hiện 4 – LR-WPAN (Low Rate WPAN)

Tương tự nhóm 3, nhóm 4 cũng được phát triển theo các giai đoạn khác nhau, được trình bày dưới đây

4 (Low Rate WPAN) ZigBee

IEEE 802.15.4-2003 (Low Rate WPAN) truyền dữ liệu với tốc độ thấp nhất nhưng tuổi thọ của PIN rất lâu (tháng, thậm chí cả năm) và độ phức tạp thấp Mạng ZigBee là mạng không dây cá nhân chi phí thấp, tiêu hao điện năng thấp Do chi phí thấp nên kỹ thuật này được phát triển rộng cho các ứng dụng điều khiển hoặc giám sát không dây

4a (WPAN Low Rate Alternative PHY) : Nhóm này tập trung nghiên

cứu việc cung cấp thông tin có độ chính xác cao, có thông lượng cao và tiêu thụ năng lượng thấp

Vào tháng 3/2007, 802.15.4a được phê duyệt như là một sửa đổi của IEEE Std 802.15.4-2006

4b (Revisions and Enhancements): nhóm 802.15.4b thực hiện dự án cải

tiến cụ thể và làm rõ cho tiêu chuẩn IEEE 802.15.4-2003, chẳng hạn như những vấn đề chưa được rõ ràng, giảm độ phức tạp không cần thiết, tăng tính linh hoạt trong việc bảo mật, cân nhắc phân bố tần số và những việc khác IEEE 802.15.4b đã được phê duyệt vào tháng 6/2006

và được công bố vào tháng 9/2006 là IEEE 802.15.4-2006

Nhóm thực hiện 5 (Mesh Networking): Nhóm này thực hiện dự án

nghiên cứu về mạng hỗn hợp (Mesh Networking) trong mạng WPAN

Nhóm thực hiện 6 (BAN -Body Area Network):Mục đích của dự án

nhằm xây dựng mạng không dây tiêu thụ năng lượng thấp và tần số thấp trong phạm vi rất ngắn

Nhóm thực hiện 7 (VLC) : Nhóm thực hiện viết về chuẩn MAC và

PHY phục vụ cho VLC(Visible Light Communications)

Để giúp chúng ta hiểu cách giao tiếp giữa các thiết bị không dây sau đây tôi trình bày về các mô hình được sử dụng trong WLAN

1.3.4 Các mô hình WLAN

a) Mô hình mạng dịch vụ cơ bản độc lập IBSS

Mô hình mạng dịch vụ cơ bản độc lập (IBSS) cho phép các thiết bị không dây trực tiếp giao tiếp với nhau Thiết bị không dây trong phạm vi truyền sóng radio của nhau có thể phát hiện ra nhau và giao tiếp trực tiếp mà không cần đến điểm trung gian (Access Point) Phương pháp này thường được sử dụng bởi 2 máy tính kết nối với nhau để tạo nên mạng

Hình 3: Peer-to-Peer or ad-hoc wireless LAN

b) Mô hình tập hợp dịch vụ cơ bản (Basic service sets (BSSs) )

Một mạng theo mô hình BSS sẽ tập trung giải quyết vấn đề truy cập và vấn đề kiểm soát một nhóm các thiết bị mạng không dây thông qua 1 thiết bị trung tâm gọi là Access Point – AP là là một thiết bị đóng vai trò trung tâm

Hình 4: Mô hình mạng IBSS và BSS

Bất kỳ thiết bị không dây nào muốn dùng hạ tầng mạng đầu tiên phải thực hiện một số bước để trở thành thành viên của AP và cần thỏa mãn một số yêu cầu sau:

- SSID phải giống nhau

- Có tốc độ truyền dữ liệu tương thích với AP

Mối quan hệ của một trạm với một AP được gọi là một kết hợp (association) Máy trạm phải gửi một thông điệp có chứa yêu cầu kết hợp Sau đó AP sẽ gán quyền hay từ chối yêu cầu trên bằng cách gửi ra một thông điệp trả lời Khi đã được kết hợp thành công, tất cả các truyền thông vào/ra từ máy trạm phải thông qua AP Hoạt động này minh họa ở hình B trong hình vẽ 4 bên trên Các máy trạm không còn có thể giao tiếp với nhau như trong mô hình adhoc trước đây nữa (mô hình IBSS)

Thiết bị AP không phải là một thiết bị hoàn toàn bị động giống như một Ethernet hub Một AP quản lý mạng không dây của nó, quảng bá sự tồn tại của chính nó sao cho các máy trạm có thể kết hợp, sau đó AP sẽ kiểm soát tiến trình kết hợp này

Ngoài ra, bất chấp trạng thái kết hợp là như thế nào, một máy trạm có khả năng lắng nghe hoặc nhận các frame được gửi thông qua hạ tầng không dây

Các frame thì “trôi nổi” trong không khí, và do đó có thể được bất cứ thiết bị nào hoạt động trong cùng dải tần số thu nhận

c) Mô hình tập hợp dịch vụ mở rộng ESSs ( Extended Service Set)

Một AP cũng có thể kết nối vào một hệ thống mạng Ethernet bởi vì trên

AP có hỗ trợ các kết nối không dây và có dây AP có thể được đặt tại các vị trí vật lý khác nhau và được kết nối vào mạng có dây như một thiết bị thông thường Mô hình kết nối này được gọi là mô hình dịch vụ mở rộng 802.11 ESSs

Hình 5: Mô hình mạng ESS Trong mô hình ESS, một máy trạm chỉ có thể kết nối vào một AP khi máy đó

ở gần AP đó Nếu máy trạm sau đó di chuyển sang vị trí khác, nó có thể kết nối với các AP gần đó Chuẩn 802.11 cũng định nghĩa một cách thức cho phép các máy trạm chuyển vùng (hand-off) từ AP này sang AP khác khi vị trí của máy trạm không dây thay đổi

1.3.5 Ƣu điểm của mạng WLAN so với mạng LA N:

Sự tiện lợi và hiệu quả: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông

thường Nó cho phép người dùng truy cập tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi

đâu trong khu vực được triển khai (nhà hay văn phòng) Với sự gia tăng số

người sử dụng máy tính xách tay (laptop) có tính chất di động thì mạng WLAN thực sự tiện lợi cho người sử dụng

Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất

1 AP Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong

việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà

Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì yêu cầu kết nối mạng khi số lượng người dùng tăng lên Với hệ thống mạng dùng cáp cần

phải gắn thêm cáp

1.3.6 Nhược điểm của WLAN so với mạng LAN:

Khó đảm bảo an ninh: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả

năng bị tấn công hoặc bị mất an toàn của người dùng là rất cao Bất cứ đối tượng nào có gắn thiết bị không dây nằm trong phạm vi gần các thiết bị đang truyền tín hiệu vô tuyến đều thu được tín hiệu đó, do đó nếu không có các cơ chế bảo mật thì thông tin rất dễ bị lộ

Phạm vi hạn chế: Một mạng với các thiết bị theo chuẩn 802.11g chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét Nó phù hợp trong 1 căn nhà,

nhưng với một tòa nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu Để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng

Độ tin cậy thấp hơn mạng có dây: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền

thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò

vi sóng,….) là không tránh khỏi Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng

Tốc độ truyền thấp hơn: Tốc độ của mạng không dây (1- 125 Mbps) nói

chung là chậm hơn so với mạng sử dụng cáp (100Mbps đến hàng Gbps)

1.4 Xu hướng phát triển Internet và mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Xã hội càng phát triển thì nhu cầu truyền thông của con người ở mọi nơi, mọi lúc ngày càng cao, chính vì vậy các chuẩn không dây ngày càng phát triển, mỗi chuẩn đều có những ưu và nhược điểm về phạm vi phủ sóng, tốc độ truyền dữ liệu, yêu cầu về thời gian thực và bảo đảm an ninh Hiện nay, về mặt ứng dụng, xu hướng phát triển Internet để phục vụ cho đời sống, giải trí rất mạnh, đặc biệt chúng ta đang thấy có rất nhiều nghiên cứu và thảo luận về vấn đề chuyển toàn bộ các dịch vụ viễn thông qua mạng Internet như điện thoại Internet (IP), Hội nghị trực tuyến và xem truyền hình qua Internet,… Ngoài ra con người cũng mong muốn có thể kết nối Internet ở mọi lúc, mọi nơi, chính vì vậy không thể không sử dụng các mạng không dây như một phần mở rộng của Internet

Mạng theo chuẩn 802.15.3 cho phép có thể truyền dữ liệu với tốc độ 55 Mbps ở cự ly khoảng 91m và hoạt động trên băng tần 2,4 GHz Những mạng

sử dụng chuẩn này cũng sẽ có thể tự động chuyển kênh nếu phát hiện có nhiễu từ điện thoại hoặc từ mạng khác Mạng 802.15.3 được thiết kế để có thể cùng tồn tại song song với những công nghệ không dây khác như Bluetooth, 802.11 hoặc WiFi

Do đó, mục tiêu của luận văn này nhằm nghiên cứu các đặc điểm của chuẩn 802.15.3 Trên cơ sở đó, so sánh chuẩn 802.15.3 với các chuẩn mạng không dây khác như 802.11 và 802.15.4 Từ những kiến thức thu được, luận văn còn chỉ ra khả năng ứng dụng thực tiễn của chuẩn 802.15.3 đối với đời sống con người, thí dụ các thiết bị trong gia đình sẽ được nối mạng theo chuẩn 802.15.3, đem lại cho con người đến cuộc sống hiện đại với ngôi nhà thông minh trong tương lai gần

CHƯƠNG 2: CÁC CHUẨN VỀ CÁC MẠNG LAN CƠ BẢN

Sau khi đã trình bày các kiến thức chung về mạng, để hiểu rõ hơn về hoạt động của mạng thì mấu chốt là nghiên cứu các chuẩn Chương này, tôi xin đi sâu vào nghiên cứu các chuẩn cơ bản cho các mạng LAN

2.1 Chuẩn về mạng LAN có dây 802.3

Khi nghiên cứu mạng LAN chúng ta chủ yếu cần nghiên cứu giao thức điều khiển truy cập môi trường truyền chung, đó là giao thức CSMA/CD Tại mục này tôi sẽ trình bày về giao thức CSMA/CD, sau đó tóm tắt một số đặc điểm chính của chuẩn 802.3

2.1.1 Giao thức CSMA/CD

CSMA/CD (viết tắt của Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) là giao thức truyền thông tin trong đó các thiết bị mạng tranh chấp

sử dụng đường truyền chung, có thể xảy ra đụng độ, nhưng đảm bảo sự chia

sẻ đường truyền là công bằng Thí dụ, Ethernet là một mạng LAN phố biến sử dụng giao thức CSMA/CD

Trong giao thức CSMA/CD, khi một thiết bị muốn truyền một gói tin,

nó phải lắng nghe xem có thiết bị nào đang sử dụng đường truyền hay không Nếu đường truyền đang rảnh, nó sẽ truyền gói dữ liệu lên đường truyền Trong quá trình truyền, nó đồng thời lắng nghe để xem có xảy ra sự đụng độ với gói dữ liệu của các thiết bị khác hay không Một cuộc đụng độ xảy ra nếu

cả hai thiết bị truyền gói dữ liệu của chúng một cách đồng thời; Khi đó, mỗi thiết bị sẽ tạm dừng một khoảng thời gian ngẫu nhiên nào đó trước khi thực hiện truyền lại gói dữ liệu bị đụng độ Khi tải đưa vào mạng càng cao thì tần suất đụng độ càng cao, dẫn đến việc hiệu suất của mạng giảm đi một cách nhanh chóng

2.1.2 Chuẩn 802.3 cho mạng LAN có dây

Với sự đòi hỏi nối mạng các máy tính, mạng LAN đã ra đời Cùng với đó

là các bộ giao thức cho phép kết nối LAN (Ethernet, FDDI, TokenRing ) tuy nhiên phát triển nhất vẫn là Ethernet Sau này, tổ chức IEEE đã chuẩn hóa Ethernet thành chuẩn IEEE 802.3, thực chất đó là tập hợp các chuẩn định

nghĩa tầng vật lý và tầng con MAC của tầng kết nối dữ liệu (data link) trong mạng Ethernet có dây Trong nhiều trường hợp chuẩn 802.3 cũng thường được gọi là chuẩn Ethernet

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, tốc độ kết nối trong Ethernet không ngừng được nâng lên Vào năm 1995, Fast Ethernet ra đời IEEE dùng 802.3u để quy chuẩn cho các tiêu chí có liên quan đến Fast Ethernet Tiếp đến

là 802.3z (10 Gbps qua cáp quang), 802.3ab (10 Gbps qua cáp UTP),

2.2 Chuẩn về mạng LAN không dây 802.11

Sau khi mạng có dây phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu sử dụng mạng LAN không dây cũng bùng nổ Bởi vậy, chuẩn cho mạng LAN không dây cũng được xây dựng, trong đó giao thức CSMA/CA được ứng dụng thay thế CSMA/CD Một trong những lý do không sử dụng CSMA/CD đó là trên WLAN, các trạm không có khả năng phát hiện tín hiệu sinh ra do đụng độ Sau đây tôi trình bày về các hiện tượng dẫn đến việc phải sử dụng giao thức CSMA/CA thay cho giao thức CSMA/CD, sau đó sẽ đi sâu vào giao thức cơ bản nhất của chuẩn 802.11 dành cho mạng LAN không dây là CSMA/CA và các bổ sung, cải tiến cho nó

2.2.1 Giao thức CSMA/CA và các hiện tƣợng trong WLAN

a) Hiện tƣợng trạm bị ẩn (Hidden Terminal) trong WLAN

Hiện tượng này là 1 trong 2 nguyên nhân chính dẫn đến việc không sử dụng được giao thức CMSA/CD trong mạng WLAN như đã nói ở trên, sau đây tôi trình bày cụ thể về hiện tượng này như sau:

Giả sử ta có 3 trạm phát không dây A, B và C và phạm vi hoạt động của nó là các hình tròn, như trên hình 6:

Hình 6: Hiện tượng Hidden Terminal trong WLAN Khi đó, hiện tượng Hidden Terminal xảy ra khi:

· A đang nói chuyện với B (A gửi gói tin cho B)

· Trong lúc đó C cũng muốn nói chuyện với B, C cảm nhận kênh truyền,

C không nghe thấy A do C nằm ngoài vùng phủ sóng của A

· C quyết định nói chuyện với B

· Tại B xảy ra xung đột

Như vậy A là ẩn so với C và ngược lại

Để khắc phục hiện tượng hidden Terminal, người ta đã đề xuất sử dụng thêm

cặp gói tin điều khiển RTS/CTS, được sử dụng như sau:

· A muốn nói chuyện với B, trước hết A cần gửi RTS cho B

· B gửi lại cho A CTS nếu nó sẵn sàng nhận

· C nghe thấy CTS và biết rằng C chấp nhận nói chuyện với A

· C không nói chuyện với B và chờ đợi

· A gửi dữ liệu cho B, không xảy ra xung đột

Vấn đề đặt ra là C phải chờ bao lâu thì mới nói chuyện được với B, điều này được quyết định như sau:

Trong RTS mà A gửi cho B có chứa độ dài của DATA mà nó muốn gửi

B chứa thông tin chiều dài này trong gói CTS mà nó gửi lại A, C khi “ nghe” thấy gói CTS sẽ biết được chiều dài gói dữ liệu và sử dụng nó để đặt thời gian kìm hãm sự truyền

b) Hiện tƣợng trạm bị lộ (Exposed terminal) trong WLAN

Trong môi trường truyền không dây của WLAN, khi có sự tham ra của nhiều thiết bị không dây sẽ xuất hiện thêm vấn đề cần giải quyết đó là hiện tượng trạm đầu cuối bị lộ (Exposed Terminal) Giả sử trong mạng có 4 thiết bị không dây là A, B, C và D với phạm vi phát sóng và vị trí như được minh hoạ trên hình 7:

Hình 7: Hiện tượng Exposed Terminal trong WLAN Khi đó hiện tượng Exposed Terminal xảy ra khi:

· Trong khi B đang nói chuyện với A

· C muốn nói chuyện với D

· C cảm nhận kênh truyền và thấy kênh đang bận

· C giữ im lặng, trong khi nó hoàn toàn có thể nói chuyện với D Điều này gây lãng phí kênh truyền

Đối với hiện tượng Exposed Terminal ta cũng cần sử dụng thêm cặp gói tin

điều khiển RTS/CTS để giải quyết vấn đề này như sau:

· B gửi RTS cho A (bao trùm cả C)

· A gửi lại CTS cho B (nếu A rỗi)

· C không nghe thấy CTS của A

· C coi rằng A hoặc “chết” hoặc nó nằm ngoài phạm vi phát của A

· C nói chuyện bình thường với D

Các vấn đề này được khắc phục bằng cách tạo ra một khoảng thời gian trễ lặp lại ngẫu nhiên mà giao thức CMSA/CA được trình bày sau đây sử dụng trong mạng WLAN

c) Cơ chế đa truy nhập CSMA/CA:

CSMA/CA thuộc về lớp các giao thức đa truy cập CSMA/CA là viết tắt của: Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance CSMA/CA được phát triển từ giao thức CSMA và được bổ sung thêm chức năng tránh đụng độ CA (Collision Avoidance) để cải thiện hiệu suất thực hiện bằng cách hạn chế tối đa sự đụng độ trên kênh truyền Trong CSMA, một trạm không dây muốn truyền khung, đầu tiên nó sẽ nghe trên môi trường không dây để

xác định hiện có trạm nào đang truyền hay không (cảm nhận sóng mang) Nếu môi trường này hiện đang bị chiếm, trạm không dây tính toán một khoảng trễ lặp lại ngẫu nhiên Ngay sau khi thời gian trễ đó trôi qua, trạm không dây lại nghe xem liệu có trạm nào đang truyền hay không Bằng cách tạo ra thời gian trễ ngẫu nhiên, nhiều trạm đang muốn truyền tin sẽ không cố gắng truyền lại tại cùng một thời điểm Điều này làm giảm xác suất va chạm trên kênh

CSMA/CA được sử dụng trong WLAN 802.11 bởi bản chất của WLAN là không thể nghe trong khi gửi do đó nó không thể phát hiện được xung đột Một vấn đề khác nữa là hiện tượng “hidden terminal” và “Exposed terminal”

Để giải quyết vấn đề trên, CMSA/CA có những tùy chọn bổ sung bằng cách trao đổi gói Request to Send (RTS) được truyền từ trạm gửi S và Clear to Send (CTS) được truyền từ trạm nhận R, thông báo cho toàn bộ các node trong phạm vi của trạm nhận và gửi để chúng giữ yên lặng tránh đụng độ Điều này được gọi là chuẩn 802.11 RST/CTS

2.2.2 Chuẩn 802.11 trong mạng WLAN

Sau thời kỳ bùng nổ của mạng LAN, bắt đầu hình thành nhu cầu sử dụng mạng không dây WLAN Vào năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI (Wireless Fidelity) cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu:

- Omni-directional (truyền tín hiệu theo mọi hướng)

- Semi-directional (truyền tín hiệu theo một hướng)

- Highly-directional (truyền tín hiệu điểm-điểm)

Trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz Vào năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn con 802.11a và 802.11b Những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội về tốc độ và tính bảo mật so với chuẩn 802.11 Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps còn 802.11 chỉ tối đa chỉ 2Mbps IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật có thể so sánh được với mạng có dây

Vào năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g, theo chuẩn này có thể truyền nhận thông tin ở cả hai giải tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng chuẩn 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị theo chuẩn 802.11b

802.11a 54 50-100 5 Không tương thích với 802.11b

và giá thành cao hơn 802.11b

802.11b 11 50-100 2.4 Thiết bị dựa trên 802.11b đã trở

thành một công nghệ vượt trội 802.11g 54 50-100 2.4,5 Tương thích ngược với 802.11b Bảng trên không bao gồm hết tất cả các chuẩn bổ sung chưa chính thức Chẳng hạn như vào tháng 11/2005, IEEE thông qua chuẩn 802.11e, cung cấp một sự cải tiến chất lượng dịch vụ trong việc truyền tải các nội dung đa phương tiện Chuẩn 802.11n cũng hiện tại đang được xem xét để nâng thông lượng dữ liệu truyền lên tới thấp nhất là 100Mbps

Những biến thể của 802.11 được liệt kê ở trên tất cả đều bao gồm những đặc điểm bảo mật chung được biết đến là giải pháp WEP (Wired Equivalent Privacy), nó được xem là giải pháp dựa trên đặc điểm của mạng LAN có dây Tuy nhiên cấu hình 802.11 dựa trên WEP đã xuất hiện những vấn đề bảo mật (khiếm khuyết) đã được minh chứng rõ ràng Chính IEEE đã thừa nhận sự hạn chế này và đã vạch ra những kế hoach ngắn hạn cũng như dài hạn để khắc phục những vấn đề này

Vào tháng 6/2004, IEEE đưa ra bản bổ sung cho 802.11 gọi là 802.11i dùng để khắc phục những thiếu sót của WEP IEEE 802.11i chỉ định ra những thành phần bảo mật sẽ hoạt động chung với tất cả các chuẩn 802.11, chẳng hạn như 802.11a, 802.11b hay 802.11g

2.3 Chuẩn không dây IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 là một chuẩn về truyền thông k h ô n g d â y có tốc độ truyền dữ liệu thấp (LR-WPAN) nhằm đáp ứng các nhu cầu giá thành thấp, độ phức tạp thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ dàng di chuyển

Một vài đặc tính của IEEE 802.15.4 (LR-WPAN):

- Tốc độ truyền dữ liệu: 250 kbps, 40 kbps, và 20 kbps

- Phương thức kết nối hình sao hoặc ngang hàng

- Địa chỉ ngắn là 16 bit và địa chỉ mở rộng là 64 bit

- Phân phối các khe thời gian được bảo đảm (GTSs)

- Đa truy cập phát hiện sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA-CA)

- Giao thức được xác nhận đầy đủ để bảo đảm độ tin cậy của quá trình

truyền

- Tiêu thụ năng lượng thấp

- Dò tìm năng lượng trên kênh truyền (ED)

- Chỉ thị chất lượng kết nối (LQI)

- 16 kênh trong băng thông 2450 MHz, 10 Kênh trong băng thông 915

MHz, và 1 kênh trong băng thông 868 MHz

Hệ thống IEEE 802.15.4 (LR-WPAN) bao gồm rất nhiều các thành phần Nhưng thành phần cơ bản nhất là các trạm Trong đó trạm có thể là RFD (Trạm có chức năng hạn chế) hay là FFD (Trạm có chức năng đầy đủ) FFD

có thể hoạt động ở ba chế độ: Có thể là trạm điều khiển PAN, có thể là một trạm điều khiển, hoặc một trạm làm việc Một FFD có thể trao đổi với RFDs hoặc các FFD khác, trong khi một RFD chỉ có thể trao đổi với một FFD Tuy nhiên, mạng IEEE 802.15.4 yêu cầu ít nhất một FFD, FFD này hoạt động giống như một trạm điều khiển PAN

2.3.1 Phương thức kết nối của chuẩn 802.15.4

Có hai phương thức kết nối được sử dụng trong IEEE 802.15.4 là kết nối hình sao và kết nối ngang hàng (Hình 8)

Hình 8 – kết nối hình sao và ngang hàng

Hình 9– Kết hợp giữa kết nối ngang hàng và kết nối hình sao

2.3.2 Giao thức và các kiểu xác thực

IEEE 802.15.4 có các giao thức như CSMA/CA như đã được giới thiệu tại mục 2.2.1 bên trên, giao thức xác nhận khung và xác nhận dữ liệu để đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả cao trong quá trình truyền dữ liệu

IEEE 802.15.4 có hai giao thức truy nhập kênh khác nhau phụ thuộc vào cấu hình của mạng:

- Giao thức truy nhập kênh CSMA-CA không sử dụng khe thời gian

được thực hiện trong mạng không sử dụng khung “beacon”

- Gói tin “beacon” là gói đặc biệt chứa các thông tin về thời gian,

chất lượng dịch vụ, tiêu thụ năng lượng và điều khiển truy nhập

- Giao thức truy nhập kênh CSMA-CA sử dụng khe thời gian được

thực hiện trong mạng sử dụng khung “beacon”

2.3.3 An ninh

Do các dải ứng dụng khác nhau mà việc thực hiện kiểm tra quyền sẽ có các mức ranh giới khác nhau trong tầng MAC, mức danh giới này bao gồm các khả năng để duy trì danh sách điều khiển truy nhập (ACL) và sử dụng mật

mã đối xứng để bảo vệ khung được truyền Các tầng ở tầng trên sẽ xác định khi nào việc kiểm tra được thực hiện tại tầng MAC và cung cấp tất cả các khoá cần thiết để thực hiện việc kiểm tra quyền này Một vài kiểu kiểm tra được sử dụng trong chuẩn này là: khoá đối xứng được tạo bởi các tầng cao, điều khiển truy nhập (cung cấp khả năng để thiết bị có khả năng phát hiện các thiết bị khác), mã hoá dữ liệu (mật mã đối xứng), tính toàn vẹn khung tin, làm tươi chuỗi

Ngoài ra chúng ta còn có chuẩn 802.15.3, là phần trọng tâm của luận văn nghiên cứu, do đó tôi sẽ trình bày trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 3: MẠNG THEO CHUẨN 802.15.3

3.1 Giới thiệu chuẩn 802.15.3

3.1.1 Sự ra đời của chuẩn 802.15.3

Chuẩn IEEE 802.15.3 (HR-WPAN) là một chuẩn mới cho mạng cá nhân không dây có tốc độ truyền dữ liệu cao, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ dàng cấu hình, dễ dàng sử dụng Một điều quan trọng đối với chuẩn IEEE 802.15.3 đó là hệ thống hoạt động được và tương thích với các mạng không dây hiện tại, ví dụ như IEEE 802.11 WLAN, và các mạng WPANs khác.… Chuẩn 802.15.3 đã được hiệp hội truyền thông quốc tế chứng nhận vào tháng 5 năm 2005, đáp ứng được các nhu cầu về truyền thông Multimedia, kết nối các thiết bị AV để hiển thị, tải dữ liệu… Những điều này đã được minh chứng trong thực tế, tiêu biểu là công nghệ USB không dây Đây là một chuẩn kế thừa những ưu việt của chuẩn USB có dây Trước đây, các ứng dụng này đều được thực hiện qua các công nghệ sử dụng dây vừa chi phí cao, vừa không linh động, khó khăn về mặt không gian lại vừa kém phần mỹ quan Ngày nay, với việc ứng dụng Certified wireless USB (CWUSB) các thiết bị đã được kết nối không dây tạo ra một bước nhảy vọt trong lĩnh vực này, Công nghệ này có thể đáp ứng được tất cả các nhu cầu của con người trong các gia đình, trong công sở như đã được thể hiện trong hình vẽ 10:

Hình 10 : Kết nối các thiết bị trong gia đình bằng WUSB Công nghệ USB không dây (WUSB) của chuẩn 802.15.3 được thiết kế là công nghệ thay thế cáp (dây) được gắn vào trong PC, thiết bị ngoại vi và mobile Mục đích nhằm cung cấp tốc độ cao cho kết nối không dây trong phạm vi gần Các công cụ chính trong gia đình như: Máy quay kỹ thuật số, Thiết bị nghe nhạc cầm tay MP3, máy in, máy quét, ổ cứng ngoài, PDA, máy

để bàn PC và loa không dây, âm ly, HDTV, camera (hình vẽ 11) Mục tiêu trong ứng dụng doanh nghiệp bao gồm: Backup dữ liệu, kết nối máy in, kết nối máy scan và đồng bộ thiết bị mobile (giống như PDA với cellphone hoặc máy tính xách tay)

Chuẩn IEEE 802.15.3 – mạng không dây cá nhân - WPAN (Wireless Personnal Area Network), có tầng vật lý sử dụng công nghệ băng siêu rộng

- UWB (Ultra-Wide Band) WPAN là một chuẩn rất quan trọng đối với rất

nhiều ngành công nghiệp Hãy so sánh WPAN với các mạng không dây khác,

ví dụ như WLAN và mạng tế bào không dây, thì WPAN hoạt động trong khoảng không gian gia đình nhỏ hơn, khoảng cách của nó là nhỏ hơn 10m, có tốc độ truyền dữ liệu cao, nó có thể đạt được tốc độ lên tới 500 Mbps trong khoảng cách là 3m Mức năng lượng tiêu thụ thấp và tương thích với các thiết

bị được thiết kế theo chuẩn CMOS Điều này cho phép các thiết bị sử dụng theo chuẩn này có giá thành thấp Chúng ta có thể xem bảng thống kê và so sánh về tốc độ dữ liệu của các chuẩn không dây sau [27]:

Hình 11: Tốc độ truyền dữ liệu và phạm vi không gian sử dụng Nhìn vào hình biểu đồ trên ta thấy chuẩn 802.15.3 thuộc nhóm có tốc độ cao nhất cho tới nay và dành cho mạng cá nhân WPAN bởi vậy nó rất được đón nhận bởi người sử dụng

Sau khi thiết lập kế hoạch dải phổ mang tính chiến lược và các qui định tương ứng cho truyền thông có băng thông cực rộng bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang của nước Mỹ - FCC, UWB được mong đợi giống như một công nghệ đầy triển vọng đối với các ứng dụng truyền thông có khoảng cách ngắn trong mạng cá nhân không dây WPAN

FCC định nghĩa UWB có hệ số băng thông là lớn hơn 0.2 hoặc là

băng thông lớn hơn 500Mhz Hệ số băng thông này là kết quả của phân số được so sánh giữa truyền thông có băng thông cực rộng (UWB) và truyền thông có băng thông hẹp thông thường Phân số này được định nghĩa là (fH – fL)/fC, trong đó fH là tần số cao, fL là tần số thấp tại điểm 10 dB và fC là tần số trung tâm của dải phổ

Đồng thời, tổ chức FCC cũng chứng minh được băng thông dùng cho UWB nằm trong dải từ (3.1 10.6) GHz, dải tần số theo FCC dùng cho hệ

thống “indoor” của UWB được chỉ ra trong biểu đồ dưới đây [28]

Hình 12– FCC mask for indoor communications Hiện nay có hai công nghệ UWB khác nhau: thứ nhất là DS-UWB(Direct Sequence UWB -UWB trải phổ trực tiếp) do diễn đàn UWB đề xuất và thứ hai là multiband OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) do MBOA (Multiband OFDM Alliance – Liên minh OFDM) đề xuất Trong đó DS-UWB sử dụng toàn bộ dải phổ mà FCC đề xuất Có hai dải băng thông:

 Low Bandwidth: 1.75 GHz = (3.1 4.85) GHz (dải được đề xuất)

 High Bandwidth: 3.5 GHz = (6.2 9.7) GHz (dải tuỳ chọn)

Không giống như DS-UWB, multiband OFDM chia dải phổ (3.1 – 10.6) GHz thành nhiều dải khác nhau, mỗi dải có độ rộng băng thông là 528 MHz