Đánh giá và so sánh hiệu suất giao thức tầng MAC theo chuẩn IEEE802 11, IEEE802 15 4 và IEEE802 15 3

Nguyên nhân chính không sử dụng được giao thức CSMA/CD trong WLAN Các giao thức được sử dụng trong mạng có dây như CSMA, CSMA/CD… khá hiệu quả nhưng đối với mạng không dây các giao thức

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VÕ VĂN HƯNG

ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU SUẤT GIAO THỨC

TẦNG MAC THEO CHUẨN IEEE802.11,

IEEE802.15.4 VÀ IEEE802.15.3

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội – 2009

MỤC LỤC

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 12

1.1 Mạng LAN không dây 13

1.1.1 Lịch sử của WLAN 13

1.1.2 Ưu, nhược điểm của WLAN: 14

1.1.3 Một số ứng dụng của WLAN 15

1.1.4 Nguyên nhân chính không sử dụng CSMA/CD trong WLAN 15

1.2 Một số mạng không dây khác 17

1.2.1 Mạng không dây 802.15.4 17

1.2.2 Mạng không dây 802.15.3 17

1.3 Các vấn đề mà luận văn tập trung nghiên cứu và giải quyết 17

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO CHUẨN IEEE 802.11 19

2.1 Kiến trúc giao thức mạng IEEE 802.11 19

2.1.1 Các thành phần kiến trúc của IEEE 802.11 19

2.1.2 Kiến trúc tầng MAC 21

2.1.3 Cấu trúc khung 21

2.2 Lớp Vật lý 28

2.3 Lớp MAC 29

2.3.1 Giao thức CSMA/CA 29

2.3.2 Giao thức CSMA/CA + ACK 30

2.3.3 Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS 31

2.3.4 Chức năng DCF, PCF 32

2.5 Một số chức năng quan trọng khác của tầng MAC 35

2.5.1 Phân mảnh và hợp nhất các mảnh 35

2.5.2 Đồng bộ hóa 37

2.5.3 Chuyển vùng 39

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO CHUẨN IEEE 802.15.4 40

3.1 Các thành phần của IEEE 802.15.4 WPAN 40

3.2 Tô-pô mạng sử dụng trong LR-WPAN 40

3.2.1 Tô-pô mạng hình sao 41

3.2.2 Tô-pô mạng ngang hàng 41

3.3 Kiến trúc của LR-WPAN 41

3.4 Mô hình truyền dữ liệu 42

3.4.1 Truyền dữ liệu đến Coordinator 42

3.4.2 Truyền dữ liệu từ Coordinator 43

3.4.3 Tryền dữ liệu trên các thiết bị ngang hàng 44

3.5 Cấu trúc khung 44

3.5.1 Cấu trúc chung của khung MAC 44

3.5.2 Cấu trúc các kiểu khung 45

3.6 Điều khiển truy cập môi trường truyền 47

3.6.1 Cấu trúc siêu khung 47

3.6.2 Thuật toán CSMA/CA 49

3.7 Một số chức năng của tầng MAC 53

3.7.1 Quét kênh 53

3.7.2 Liên kết với Coordinator 55

3.7.3 Ngắt liên kết với Coordinator 56

3.7.4 Sự đồng bộ hóa 56

CHƯƠNG 4: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO CHUẨN IEEE 802.15.3 59

4.1 Các thành phần của IEEE 802.15.4 WPAN 59

4.1.1 Các thành phần của Piconet 59

4.2 Các phương pháp trao đổi dữ liệu giữa các DEV 60

4.3 Cấu trúc của khung MAC 61

4.3.1 Cấu trúc chung 61

4.3.2 Cấu trúc khung Beacon 64

4.3.3 Cấu trúc các khung báo nhận 66

4.3.4 Cấu trúc khung Lệnh 67

4.3.5 Cấu trúc khung dữ liệu 68

4.4 Điều khiển truy cập môi trường truyền 68

4.4.1 Cấu trúc siêu khung 68

4.4.2 Interframe space (IFS) 69

4.4.3 Truy cập kênh truyền 70

4.5 Một số chức năng của tầng MAC 72

4.5.1 Quét kênh 72

4.5.2 Khởi tạo Piconet 73

4.5.3 Chuyển vùng PNC 74

4.5.4 Dừng piconet 76

4.5.5 Quá trình liên kết và phân tách với một piconet 77

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CÁC GIAO THỨC MAC 802.11, 802.15.4 VÀ 802.15.3 83

5.1 Giới thiệu về đánh giá hiệu suất giao thức 83

5.1.1 Khái niệm 83

5.1.2 Tầm quan trọng của đánh giá hiệu suất 83

5.1.3 Một số độ đo hiệu suất 84

5.2 Mô phỏng bằng chương trình máy tính 84

5.2.1 Khái niệm mô phỏng 84

5.2.2 Nhu cầu sử dụng mô phỏng 84

5.3 Bộ mô phỏng mạng NS-2 (Network Simulator 2) 85

5.3.1 Giới thiệu bộ mô phỏng NS-2 85

5.3.2 Cấu trúc NS-2 86

5.3.2 Khả năng mô phỏng cho IEEE 802.11 trong NS-2 87

5.3.3 Khả năng mô phỏng cho IEEE 802.15.3 trong NS2 88

5.3.4 Khả năng mô phỏng cho IEEE 802.15.4 trong NS2 90

5.4 Thực nghiệm mô phỏng 91

5.4.1 Thực nghiệm 1: Ảnh hưởng của RTS/CTS trong 802.11 91

5.4.2 Thực nghiệm 2 92

5.4.3 Thực nghiệm 3: Mô phỏng mạng hình sao 96

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

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

DS Distribution System

DSDV Destination-Sequenced Distance Vector

IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers

LR-WPAN Low-rate Wireless Personal Area Network

McstID Multicast Identifier

MLME-SAP MAC Layer Management Entity Service Access Point

PAN Personal Area Network

PLME-SAP Physical Layer Management Entity Service Access Point

SSCS Service-Specific Convergence Sublayer

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hinh 1.1: Vấn đề trạm ẩn 16

Hình 1.2: Vấn đề trạm lộ 17

Hình 2.1: Thành phần cơ bản của IEEE 802.11 20

Hình 2.2: Thành phần distribution system của IEEE 802.11 20

Hình 2.3: Kiến trúc chung của IEEE 802.11 21

Hình 2.4: Kiến trúc tầng MAC 802.11 21

Hình 2.5: Cấu trúc khung MAC 22

Hình 2.6: Cấu trúc trường Frame Control 22

Hình 2.7: Bảng giá trị của trường Duration/ID 23

Hình 2.8: Cấu trúc khung RTS 24

Hình 2.9: Cấu trúc khung CTS 25

Hình 2.10: Cấu trúc khung lệnh Power-Save Poll 25

Hình 2.11: Cấu trúc khung CF-End 26

Hình 2.12: Cấu trúc khung quản trị 27

Hình 2.13 : Giao thức CSMA/CA + ACK 30

Hình 2.14: Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS 31

Hình 2.15: RTS/CTS giải quyết vấn đề trạm ẩn 31

Hình 2.16: Các phân mảnh 36

Hình 2.17: Truyền gói tin Beacon trong mạng 38

Hình 2.18: Truyền gói tin Beacon trong mạng ad-hoc 38

Hình 3.1: Ví dụ về Topo mạng hình sao và mạng ngang hàng 41

Hình 3.2: Kiến trúc của LR- WPAN 42

Hình 3.3: Giao tiếp giữa thiết bị và Coordinator trong chế độ có Beacon 43

Hình 3.4: Giao tiếp giữa thiết bị và Coordinator trong chế độ không Beacon 43

Hình 3.5: Truyền dữ liệu từ Coordinator đến thiết bị trong chế độ có Beacon 44

Hình 3.6: Truyền dữ liệu từ Coordinator đến thiết bị trong chế độ không truyền Beacon 44

Hình 3.7: Cấu trúc khung MAC của IEEE 802.15.4 45

Hình 3.8: Cấu trúc khung Beacon 45

Hình 3.9: Cấu trúc khung dữ liệu 46

Hình 3.10: Cấu trúc khung báo nhận 46

Hình 3.11: Cấu trúc khung lệnh MAC 46

Hình 3.12: Cấu trúc siêu khung 48

Hình 3.13: Các khoảng IFS 49

Hình 3.14: Thuật toán của slotted CSMA/CA và Unslotted CSMA/CA 52

Hình 4.1: Ví dụ về mạng 802.15.3 60

Hình 4.2: Cấu trúc tiêu đề và thân khung MAC 61

Hình 4.3: Cấu trúc trường điều khiển khung 61

Hình 4.4: Cấu trúc trường điều khiển phân mảnh 63

Hình 4.5: Cấu trúc khung beacon 64

Hình 4.6: Bảng giá trị của Information Element 64

Hình 4.7: Cấu trúc của Information Element 65

Hình 4.8: Cấu trúc của trường con ―các biến đồng bộ piconet‖ 65

Hình 4.9: Cấu trúc của trường con Piconet Mode 65

Hình 4.10: Cấu trúc khung Beacon có bảo mật 66

Hình 4.11: Cấu trúc khung báo nhận tích lũy 67

Hình 4.12: Cấu trúc khung lệnh không bảo mật 67

Hình 4.13: Cấu trúc khung lệnh bảo mật 68

Hình 4.14: Cấu trúc khung dữ liệu không bảo mật 68

Hình 4.15: Cấu trúc khung dữ liệu có bảo mật 68

Hình 4.16: Cấu trúc siêu khung 69

Hình 4.17: Quá trình quét kênh 73

Hình 4.18: Quá trình bắt đầu Piconet 74

Hình 4.19: Kết thúc luồng 77

Hình 4.20: Quá trình liên kết với PNC 79

Hình 4.21: Quá trình thiết bị khởi tạo phân tách 80

Hình 4.22: Quá trình PNC khởi tạo phân tách 80

Hình 5.1 Cấu trúc của NS-2 86

Hình 5.2 Kiến trúc của NS-2 86

Hình 5.3: Thông lượng tích lũy tại node nhận trong trường hợp có và không sử dụng kỹ thuật RTS/CTS 92

Hình 5.4: Sự phụ thuộc của tỉ lệ phân phát gói tin vào tải 94

Hình 5.5: Chi phí của RTS/CTS của 802.11 95

Hình 5.6: Sự phụ thuộc của độ trễ chặng trung bình vào tải 95

Hình 5.7: Sự phụ thuộc của thông lượng vào tải 96

Hình 5.8: Sự phụ thuộc của độ trễ vào tải 97

MỞ ĐẦU

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Mạng MANET (Mobile Ad-hoc Network) hay Mạng tùy biến di động,

là hệ thống mạng tự cấu hình của các trạm di động sử dụng các kết nối không dây Các trạm này có thể di chuyển ngẫu nhiên, do đó topo của mạng có thể thay đổi nhanh chóng và không dự đoán được

Nhiều giao thức đã được phát triển cho mạng không dây nói chung và cho MANET nói riêng, trong đó một số giao thức đã được chuẩn hoá, thí dụ: 802.11, 802.15.4 và 802.15.3; nhiều giao thức khác vẫn đang được nghiên cứu và đề xuất Chính vì vậy, đánh giá hiệu suất của giao thức mạng là một vấn đề quan trọng và rất được quan tâm, giúp cho người nghiên cứu lựa chọn giao thức hiệu quả nhất theo các tiêu chí của mình

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về giao thức tầng MAC theo các chuẩn IEEE 802.11, IEEE 802.15.3 và IEEE 802.15.4, so sánh hiệu suất của giao thức của các chuẩn trên

3 Cấu trúc các chương

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Kiến trúc giao thức mạng theo chuẩn IEEE 802.11

Chương 3: Kiến trúc giao thức mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4

Chương 4: Kiến trúc giao thức mạng theo chuẩn IEEE 802.15.3

Chương 5: Đánh giá hiệu suất các giao thức MAC 802.11, 802.15.4 và 802.15.3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

Ngày nay, loài người đã tạo ra một lượng lớn về thông tin, do đó nhu cầu xử lý

và vận chuyển thông tin ngày càng cao Mạng máy tính hiện nay trở nên quá quen thuộc và phổ biến đối với chúng ta, trong mọi lĩnh của đời sống xã hội Hiện nay ở nhiều nơi mạng đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được Việc kết nối các máy tính thành mạng để sử dụng đã cho chúng ta thấy những khả năng mới to lớn như:

Sử dụng chung tài nguyên: Những tài nguyên của mạng khi trở thành các tài

nguyên dùng chung thì mọi thành viên của mạng đều có thể tiếp cận được mà không cần quan tâm tới những tài nguyên đó ở đâu

Tăng độ tin cậy của hệ thống: Người ta có thể dễ dàng bảo trì máy móc và lưu

trữ (backup) các dữ liệu chung và khi có trục trặc trong hệ thống thì chúng có thể được khôi phục nhanh chóng

Nâng cao chất lượng và hiệu quả khai thác thông tin: Khi thông tin có thể

được sử dụng chung thì nó mang lại cho người sử dụng khả năng tổ chức lại các công việc, sử dụng và khai thác thông tin một cách hiệu quả

Một số mạng máy tính hiện nay:

Mạng cục bộ: Một mạng cục bộ là sự kết nối một nhóm máy tính và các thiết bị

kết nối mạng được lắp đặt trên một phạm vị địa lý giới hạn, thường trong một toà nhà hoặc một khu công sở nào đó [1] Mạng này tốc độ truyền dữ liệu cao: 1Mbps – 100 Mbps Các công nghệ mạng cục bộ tiêu chuẩn được sử dụng nhiều nhất là công nghệ mạng CSMA/CD và Token Ring

Mạng diện rộng: Mạng diện rộng bao giờ cũng là sự kết nối của các mạng

LAN, mạng diện rộng có thể trải trên phạm vi một vùng, quốc gia hoặc cả một lục địa thậm chí trên phạm vi toàn cầu [1]

Mạng INTERNET: Tiền thân là mạng APARNET, với sự phát triển nhanh

chóng của công nghệ đã cho ra đời mạng INTERNET Mạng này là sự kết hợp của vô số các hệ thống truyền thông, máy chủ cung cấp thông tin và dịch vụ, các máy trạm khai thác thông tin

Hiện nay việc làm sao có được một hệ thống mạng chạy thật tốt, an toàn, người

sử dụng có thể kết nối mọi lúc mọi nơi kể cả khi di dộng đang rất được quan tâm Ðể giải quyết một vấn đề phải dựa trên những yêu cầu đặt ra và dựa trên công nghệ để giải quyết Công nghệ không dây đang là một giải pháp quan trọng nhất cho sự phát triển mạnh mẽ của mạng máy tính trong hiện tại và cả trong tương lai

Sự ra đời của mạng không dây là một trong những bước tiến lớn nhất của ngành mạng máy tính Lịch sử của các mạng không dây gắn liền với sự phát hiện của công nghệ sóng radio Năm 1888, tại Hamburg, Đức, nhà vật lý học tên là Heinrich Rudolf Hertz đã phát hiện ra sóng radio đầu tiên Đến 1894, sóng radio

đã được sử dụng để truyền thông Trong chiến tranh thế giới thứ 2, Mỹ đã lần đầu tiên sử dụng sóng radio để truyền dữ liệu Đến năm 1971, một nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự dẫn đầu của Norman Abramson, tại Đại học Hawaii, đã tạo

ra mạng chuyển mạch gói sử dụng sóng radio đầu tiên có tên gọi là "Alohanet" Mạng này là mạng cục bộ không dây đầu tiên và được biết đến như mạng WLAN bây giờ Các WLAN Alohanet đầu tiên chỉ bao gồm bảy máy tính truyền thông với nhau Đến năm 1972, Alohanet kết nối được với hệ thống mạng WLAN ARPANET trên đất liền Điều này đã phá vỡ khoảng cách trong việc truyền thông giữa các máy tính

Đến năm 1990, nhóm công tác 802.11 được thành lập để tiêu chuẩn hóa các giao thức truyền thông trong mạng WLAN Năm 1997, IEEE 802.11 đã được chấp nhận là chuẩn cho truyền thông trong mạng cục bộ không dây Công nghệ này tiếp tục được phát triển cho đến ngày hôm nay

Cùng với sự phát triển của mạng máy tính, các giao thức truyền thông trong mạng cũng phát triển theo Đầu tiên là sự ra đời của giao thức ALOHA, tiếp đến

là các giao thức cảm nhận sóng mang, cảm nhận sóng mang có dò xung đột, giao thức thẻ bài …Các giao thức này hoạt động khá hiệu quả trong mạng LAN

có dây tuy nhiên chúng lại không thích hợp để sử dụng trong mạng không dây

Vì thế, cần phát triển những giao thức mới để đáp ứng nhu cầu truyền thông trong mạng không dây

1.1 Mạng LAN không dây

1.1.1 Lịch sử của WLAN

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền

dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện thời

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 riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết

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

Năm 1997, viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 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, trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần

số 2.4Ghz

Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn

802.11a và 802.11b (định nghĩa những phương pháp truyền tín hiệu) Những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội 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 IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật tương đương với mạng có dây

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g, có thể truyền

nhận thông tin ở cả hai dải 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 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b Hiện nay chuẩn 802.11g

đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps

1.1.2 Ưu, nhược điểm của WLAN

a) Ƣu điểm:

Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường Nó cho

phép người dùng truy xuất 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), đó là một điều rất thuận lợi

Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng,

người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu

Hiệu quả trong việc chuyển vùng: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi

họ đi từ nơi này đến nơi khác

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

nhất 1 access point Với mạng có dây, 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 cao: Mạng không dây có thể đáp ứng nhanh chóng yêu cầu

kết nối mạng khi số lượng người dùng tăng lên Với hệ thống mạng dùng cáp

cần phải chạy thêm các đường cáp

Sử dụng được trong những vùng đặc biệt: Trong những vùng mà không thể triển khai cáp (Vùng ảnh hưởng của nơi nhiễm độc, hạt nhân,…) thì việc lựa chọn triển khai mạng không dây là hợp lý

b) Nhƣợc điểm:

-Tính bảo mật của hệ thống chưa cao: Môi trường kết nối không dây là không

khí nên khả năng bị tấn công của người dùng là rất cao

- Phạm vi hoạt động giới hạn: Một mạng chuẩn 802.11 với các thiết bị chuẩn chỉ

có thể hoạt động tốt trong phạm vi giới hạn, khoảng 50m trong điều kiện thực

tế Ngoài vùng phủ sóng cần lắp đặt thêm Repeater hay access point, dẫn đến

chi phí gia tăng

Độ tin cậy chưa cao: 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

1.1.3 Một số ứng dụng của WLAN

Giải pháp cho văn phòng di động: Với sự xuất hiện và phát triển của công nghệ

mạng không dây, các văn phòng làm việc đã thực sự trở thành 1 văn phòng mở Các kết nối mạng người dùng được duy trì một cách dễ dàng, liên tục mà không phụ thuộc vào sự thay đổi vị trí làm việc hay sự bổ sung các điểm kết nối mới Giải pháp này không chỉ đơn thuần là tăng khả năng trao đổi thông tin ở trong văn phòng mà còn giúp người sử dụng nâng cao năng lực làm việc và hiệu quả kinh doanh

Giải pháp liên kết các mạng (Building-to-Building): Đối với nhiều tổ chức và

doanh nghiệp lớn, ngoài văn phòng chính còn có rất nhiều các văn phòng chi nhánh, nhu cầu liên kết các hệ thống mạng thành viên với hệ thống mạng trung tâm được xem như 1 điều kiện tiên quyết cho việc đồng bộ hoá phương thức quản lý và các trao đổi thông tin, dữ liệu hoạt động Giải pháp kết nối không dây hiện nay đang được xem là giải pháp hợp lý nhất và kinh tế nhất cho các doanh nghiệp lớn, các khu công nghiệp trong việc liên kết các mạng thông tin

Với những ưu điểm vượt trội như kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng đi động cao, trong tương lại mạng không dây sẽ đáp ứng tối đa những nhu cầu cần thiết của con người trong công việc và giải trí

1.1.4 Nguyên nhân chính không sử dụng được giao thức CSMA/CD trong WLAN

Các giao thức được sử dụng trong mạng có dây như CSMA, CSMA/CD… khá hiệu quả nhưng đối với mạng không dây các giao thức này không được sử dụng bởi các lý do chính:

- Cài đặt kỹ thuật phát hiện lỗi đòi hỏi sử dụng các thiết bị truyền radio song công (full duplex radio) và phải có khả năng truyền, nhận đồng thời Điều này

có thể làm tăng đáng kể chi phí cài đặt mạng

- Đối với môi trường mạng không dây chúng ta không thể đảm bảo rằng tất cả các trạm đều nghe môi trường truyền (điều cơ bản của việc phát hiện lỗi) và

thực tế là mỗi trạm khi muốn truyền và cảm nhận được môi trường truyền rỗi không có nghĩa là môi trường truyền thực sự rỗi xung quanh vùng nhận dữ liệu

- Năng lượng tín hiệu phát có khả năng lấn át năng lượng tín hiệu thu được nên không thể phát hiện xung đột trong khi đang phát và do đó không thể huỷ bỏ gói tin đang truyền đã bị xung đột

- Có thể nhiễu giữa các trạm trong các mạng WLAN khác nhau nếu WLAN cùng sử dụng CSMA/CD

- Trong WLAN có một số vấn đề như trạm ẩn (Hidden-station), trạm lộ (Exposed Station) nếu sử dụng kỹ thuật CSMA/CD thì không giải quyết được những vấn đề này

+ Vấn đề trạm ẩn: Đây là hiện tượng xảy ra khi hai terminal A và C cùng muốn gửi frame đến một terminal B khác, nhưng do nằm ngoài vùng phủ sóng của nhau nên A và C không nhận thấy nhau Cả hai đều cho rằng đường truyền đang rỗi và gửi frame đến B dẫn đến tại B có xung đột xảy ra do có 2 trạm cùng gửi frame đến một lúc A là ẩn đối (hidden) với C và ngược lại

Hinh 1.1: Vấn đề trạm ẩn

+ Vấn đề trạm lộ: Đây là hiện tượng một terminal nhầm tưởng đường truyền bận

và tạm ngừng việc truyền tin dù cho điều này là không cần thiết Chẳng hạn, trạm B gửi tin cho trạm A và trạm C muốn truyền tin tới một trạm khác nằm ngoài vùng phủ sóng của A và B là D Do C nằm trong vùng phủ sóng của B nên

C cho rằng đường truyền đang bận và không gửi tin tới D Nhưng điều này là không cần thiết vì đường truyền còn rỗi đối với D do D nằm ngoài vùng phủ sóng của A và B C là trạm bị ―lộ‖ đối với B

dữ liệu tin cậy, hoạt động trong vùng nhỏ, chi phí thấp, kéo dài thời gian sử dụng nguồn năng lượng (thường là pin hoặc ắc-qui) Các thiết bị trong mạng chủ yếu hoạt động trong topo hình sao hoặc ngang hàng với tốc độ truyền dữ liệu là 250kb/s, 40kb/s và 20kb/s Để truy cập kênh truyền các thiết bị sử dụng kỹ thuật CSMA/CA Mạng sử dụng 16 kênh trong dải 2450MHz, 10 kênh trong dải 915 MHz, 1 kênh trong dải 868 MHz

1.2.2 Mạng không dây 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 cấu hình, dễ 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.…Mạng không dây 802.15.3 sử dụng cấu trúc siêu khung để truy cập kênh truyền cùng với kỹ thuật CSMA/CA, các thiết bị hoạt động trong mạng ngang hàng Đối với chuẩn 802.15.3 yêu cầu thiết

kế các kiến trúc giao thức nhằm đạt được các yếu tố như: Tối ưu hóa điện năng tiêu thụ và đảm bảo chất lượng dịch vụ Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không dây 802.15.3 là 11, 22, 33, 44 hoặc 55 Mbps và sử dụng 4 kênh truyền hoạt động trong giải 2.4GHz

1.3 Các vấn đề mà luận văn tập trung nghiên cứu và giải quyết

- Nghiên cứu sâu về kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 và các mạng LAN không dây theo chuẩn 802.15.4 và 802.15.3

- So sánh các đặc điểm khác nhau chủ yếu của các kiến trúc giao thức 802.11, 802.15.4 và 802.15.3: Kỹ thuật truy cập kênh truyền, các yếu tố vật lý sử dụng cho từng chuẩn,

- Nghiên cứu bằng mô phỏng để có được các kết quả định lượng, nhằm đưa ra được các kết luận và khuyến nghị có tính khoa học, định lượng Trong luận văn thực hiện mô phỏng và đưa ra một số độ đo như sau:

- Tỉ lệ phân phát gói tin: Là tỉ số giữa tổng các gói tin nhận thành công trên tổng

số gói tin gửi đi trong lớp con MAC

- Chi phí RTS/CTS: Là tỉ lệ của tổng số các gói RTS và CTS trên tổng số gói tin

gửi đi

- Độ trễ chặng trung bình: là giá trị trung bình của thời gian truyền 1 gói tin qua

một chặng

- Thông lượng chuẩn hóa:

Thông lượng trung bình (Mbps) = (Kích thước gói tin * Số gói tin) / Thời gian

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO

CHUẨN IEEE 802.11

IEEE 802.11 là chuẩn được phát triển để đặc tả tầng MAC và tầng vật lý cho các kết nối không dây đối với các trạm cố định, di động hay các thiết bị cầm tay hoạt động trong mạng LAN

Các mạng LAN không dây theo chuẩn 802.11 sử dụng mô hình hoạt động dưới đây:

• Mô hình mạng có cơ sở hạ tầng: là mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng

mạng có dây, trong đó việc truyền thông chủ yếu được thực hiện giữa các node không dây và điểm truy cập chung AP (Access Point)

• Mô hình mạng ad hoc: Ad-hoc network là mạng không dây trong đó không

cần cơ sở hạ tầng: mỗi node đều có chức năng của một router, chúng có thể liên lạc trực tiếp hoặc thông qua các node trung gian với các node khác trong mạng

mà không cần dựa trên điểm truy cập chung để điều khiển truy cập đường truyền

Chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ ba loại tầng vật lý khác nhau: một loại sử dụng công nghệ hồng ngoại và hai loại kia sử dụng công nghệ sóng radio Cả ba loại này đều cung cấp tốc độ truyền dữ liệu từ 1 – 2Mbps Công nghệ sóng radio sử dụng

2 kỹ thuật trải phổ: Kĩ thuật trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) và Kĩ thuật trải phổ thành dãy trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) trong giải tần 2.4 GHz Mạng 802.11 sử dụng kỹ thuật CSMA/CA để truy cập kênh truyền theo cơ chế DCF và kỹ thuật hỏi vòng theo

cơ chế PCF

2.1 Kiến trúc giao thức mạng IEEE 802.11

2.1.1 Các thành phần kiến trúc của IEEE 802.11

Kiến trúc 802.11 bao gồm các thành phần riêng, tương tác với nhau để tạo thành một mạng LAN không dây, hỗ trợ các trạm một cách linh hoạt và trong suốt đối với các lớp trên Mạng LAN 802.11 dựa trên kiến trúc của mạng tế bào,

ở đây hệ thống được chia nhỏ thành các cell, mỗi cell như vậy được gọi là Basic Service Set (BSS) và nó được điều khiển bởi một trạm cơ sở gọi là Access Point (AP) Ngoài BSS thông thuờng, 802.11 LAN có một thành phấn BSS đặc biệt

Đó là IBSS (independent BSS) IBSS là những BSS bao gồm chỉ có 2 trạm, ở đây các trạm có thể truyền thông trực tiếp với nhau

Hình 2.1: Thành phần cơ bản của IEEE 802.11

Một trạm trong BSS có thể bật, tắt, đi ra ngoài hay là đi vào trong BSS khác Do vậy, trong 802.11 việc sát nhập một trạm với một BSS có tính động

Hình 2.2: Thành phần distribution system của IEEE 802.11

Để các BSS có thể kết nối được với nhau, Các AP (Access Point) của các BSS này sẽ được nối với nhau thông qua một đường trục được gọi là

distribution system (DS) Dữ liệu di chuyển giữa BSS và DS phải qua AP Các

AP cũng là các trạm vì vậy chúng là một thực thể có địa chỉ, địa chỉ của AP sử dụng để truyền thông trên môi trường không dây không nhất thiết phải giống với địa chỉ truyền thông trên môi trường của DS DS và các BSS cho phép tạo ra một mạng không dây với kích thước tùy ý và phức tạp Trong IEEE 802.11,

mạng này được gọi là mạng extended service set

Trong chuẩn 802.11, định nghĩa thêm một khái niệm đó là Portal, một Portal là một thiết bị kết nối giữa mạng LAN 802.11 và 802 LAN khác Nhờ có Portal chúng ta có thể hợp nhất mạng LAN không theo chuẩn IEEE 802.11 vào

DS của IEEE 802.11 Tất cả dữ liệu từ LAN khác đi vào mạng theo kiến trúc

802.11 đều phải qua Portal Hiện nay có những thiết bị có thể cung cấp cả 2 chức năng vừa là AP vừa là Portal

Hình 2.3: Kiến trúc chung của IEEE 802.11

2.1.2 Kiến trúc tầng MAC

IEEE 802.11 MAC được chia làm hai lớp con: Lớp chức năng cộng tác phân tán – DCF (Distributed coordination function) và lớp chức năng công tác điểm – PCF (Point coordination function) DCF sử dụng các thuật toán cạnh tranh để truy cập môi trường, còn PCF sử dụng thuật toán truy cập môi trường truyền tập trung để cung cấp các dịch vụ không cạnh tranh

Hình 2.4: Kiến trúc tầng MAC 802.11

2.1.3 Cấu trúc khung

Mỗi một khung MAC bao gồm các thành phần cơ bản sau đây:

- Header: bao gồm các trường Frame Control, Duration/ID, các trường Address, Sequence Control

- Thân frame: bao gồm các thông tin cụ thể của kiểu frame

- FCS: Chứa đựng mã dư vòng 32 bit để kiểm tra khung

Hình 2.5: Cấu trúc khung MAC

- Trường Frame Control

Trường Frame Control bao gồm một tập các trường con: Protocol Version, Type, Subtype, To DS, From DS, More Fragments, Retry, Power

Management, More Data, Wired Equivalent Privacy (WEP) và Order

Hình 2.6: Cấu trúc trường Frame Control

Ý nghĩa các trường của Frame Control:

- Trường Protocol Version: Trường phiên bản giao thức có độ dài là 2 bit

và không thay đổi Với mỗi chuẩn nó sẽ có giá trị khác nhau và được đặt trước Đối với 802.11 (1999) nó có giá trị là 0 Trường Protocol Version

sẽ được thay đổi khi có sự thay đổi ở các phiên bản của chuẩn

- Trường Type và Subtype: Trường Type có độ dài là 2 bit và trường Subtype có độ dài 4 bít Hai trường này kết hợp với nhau để định danh các chức năng của khung Có 3 kiểu frame: khung điểu khiển, khung dữ liệu, khung quản trị Chăng hạn:

Kiểu frame Giá trị Type Giá trị Subtype

- Trường From DS có độ dài một 1 bít và được đặt là 1 trong khung dữ liệu

đi ra từ DS, được đặt là 0 trong các khung khác

- Trường More Fragments có độ dài 1 bít và được đặt là 1 trong tất cả các khung kiểu dữ liệu và các khung kiểu quản trị có các mảnh khác của MSDU hiện thời hay MMPDU hiện thời, nó được đặt là 0 trong tất cả các khung khác

- Trường Retry có độ dài 1 bít và được đặt là 1 trong bất kì khung có kiểu

dữ liệu hay kiểu quản trị nào mà nó là khung phát lại của khung phát trước Trạm nhận sử dụng thông tin này để xử lý loại trừ các khung lặp

- Power Management có độ dài là 1 bít, được sử dụng để cho biết kiểu quản trị năng lượng của một trạm Giá trị của trường này cho biết kiểu mà trạm

sẽ đặt sau khi trao đổi khung hoàn thành thành công Nó được đặt là 1 để thông báo rằng trạm sẽ ở trong kiểu tiết kiệm năng lượng, là 0 để thông báo rằng trạm ở trong kiểu kích hoạt Trường này luôn được đặt là 0 trong các khung được truyền bởi AP

- Trường Duration/ID: Trường này có độ dài 16 bít Trong kiểu khung PS-Poll

trường Duration/ID dùng ít nhất 14 bít để chứa định danh liên kết của trạm truyền khung, 2 bít cao nhất đều đặt là 1 Giá trị của định danh liên kết nằm trong khoảng (1, 2007) Trong tất cả các khung khác, trường Duration/ID sẽ được định nghĩa cho từng loại khung Đối với các khung truyền trong Contention-Free Period (CFP) trường Duration/ID sẽ được đặt là 32768.Trong các trường hợp còn lại, giá trị của Duration/ID sẽ nhỏ hơn 32768 Giá trị Duration được sử dụng để cập nhật bộ định thời cấp phát mạng

Hình 2.7: Bảng giá trị của trường Duration/ID

- Trường địa chỉ:

Có 4 trường địa chỉ trong khung MAC, các trường này được sử dụng để cho biết BSSID (Basic Service Set Identification), địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, địa chỉ trạm đang truyền và địa chỉ trạm đang nhận Một địa chỉ lớp MAC là 1 trong 2 loại sau:

1 Địa chỉ riêng: Là địa chỉ liên kết với một trạm liên quan trên mạng

2 Địa chỉ nhóm: Địa chỉ của nhiều trạm đích liên kết với một hoặc nhiều trạm trên một mạng nhất định Có 2 loại địa chỉ nhóm:

- Địa chỉ nhóm Multicast: một địa chỉ được kết hợp bởi những thỏa thuận ở mức cao hơn với một nhóm các trạm có liên quan một cách logic

- Địa chỉ Broadcast: là địa chỉ luôn chỉ rõ một tập tất cả các trạm trong một LAN nhất định Trường địa chỉ đích có tất cả các bít là 1 được hiểu là địa chỉ broadcast Nó được sử dụng để quảng bá đến tất cả các trạm chủ động trong môi trường truyền Tất cả các trạm đều có thể nhận ra địa chỉ broadcast

BSSID là một trường 48 bít Đây là trường duy nhất định danh cho mỗi BSS Giá trị của trường này là địa chỉ MAC hiện thời được sử dụng bởi trạm nằm trong vùng AP của BSS BSSID quảng bá sẽ có giá trị của tất cả các bit là

1

Trường SA (Source Address) chứa địa chỉ riêng để chỉ rõ thực thể tầng MAC truyền MSDU (hoặc các phân mảnh của MSDU) Bít Individual/Group luôn được đặt là 0 trong địa chỉ nguồn

Trường RA (Receiver Address) chứa địa chỉ nhóm hoặc địa chỉ riêng để chỉ rõ trạm nhận trên môi trường không dây

Trường TA (Transmitter Address) chứa địa chỉ riêng để chỉ rõ trạm đang truyền MPDU vào trong môi trường không dây Bít Individual/Group luôn được đặt là 0 trong địa chỉ bên truyền

- Trường Frame Body là trường có độ dài thay đổi Nhỏ nhất là 0 byte, độ dài

lớn nhất bằng độ dài lớn nhất của MSDU + ICV + IV ICV và IV được định nghĩa trong trường WEP

- Trường FCS: Có độ dài 32 bit, trường kiểm tra lỗi của toàn bộ khung, sử dụng

Duration là một khoảng thời gian được tính bằng micro giây Duration= khoảng thời gian yêu cầu để truyền frame dữ liệu hoặc frame quản trị + khoảng thời gian của một khung CTS + khoảng thời gian của một ACK + 3*SIFS Nếu sau khi tính nó có giá trị thập phân thì được làm tròn đến số nguyên cao hơn

b) Khung CTS

Hình 2.9: Cấu trúc khung CTS

Trường RA được sao chép từ trường TA của khung RTS Giá trị Duration được tính bằng microgiây Duration= Giá trị của Duration ở RTS - Thời gian yêu cầu để truyền CTS - 1*SIFS Nếu sau khi tính nó có giá trị thập phận thì làm tròn thành số nguyên cao hơn

c) Khung ACK

Các trường trong cấu trúc khung báo nhận ACK giống với các trường trong cấu trúc khung CTS Trường RA của khung ACK được sao chép từ trường Address 2 của khung dữ liệu trước đó, khung quản trị hoặc các khung điều khiển PS-Poll Nếu bít More fragment được đặt là 0 trong trường Frame Control của khung dữ liệu truớc đó hoặc khung quản trị thì trường Duration có giá trị là 0 Ngược lại, trường Duration sẽ có giá trị bằng trường Duration của khung dữ liệu trước đó hoặc bằng khung quản trị trừ đi thời gian yêu cầu truyền ACK và khoảng SIFS Nếu kết quả là một số thập phân thì sẽ được làm tròn lên số nguyên cao hơn

d) Khung Power-Save Poll

Hình 2.10: Cấu trúc khung lệnh Power-Save Poll

BSSID là địa chỉ của trạm trong AP TA là địa chỉ của trạm đang truyền khung AID là giá trị được khai báo cho trạm đang truyền bởi AP trong khung phản hồi

việc kết hợp đã được thiết lập của trạm được kết hợp hiện tại

Giá trị AID luôn có 2 bít cao nhất được đặt là 1 Tất cả các trạm, khi nhận được khung PS-Poll chúng sẽ cập nhật NAV một cách thích hợp trong CF bằng cách

sử dụng giá trị Duration được tính bằng thời gian yêu cầu để truyền ACK cộng với khoảng thời gian SIFS

e) Khung CF-End

Hình 2.11: Cấu trúc khung CF-End

BSSID là địa chỉ của trạm được lưu trong AP RA là địa chỉ Broadcast Duration được đặt là 0

f) Khung CF-End + CF-Ack

Cấu trúc khung CF-End + CF-Ack giống với cấu trúc của CF-End, trường

BSSID chứa địa chỉ của trạm được lưu trong AP RA là địa chỉ Broadcast Duration được đặt là 0

2.1.3.2 Khung dữ liệu

Cấu trúc khung dữ liệu giống với cấu trúc chung của khung (hình 2.5), khung dữ liệu được xác định bởi giá trị của trường Type và trường Subtype (giá trị của trường Type là 10 và giá trị của trường Subtype là 0000 )

Nội dung của trường địa chỉ trong khung dữ liệu phụ thuộc vào giá trị của trường ―To DS‖ và ―From DS‖ Địa chỉ 1 là địa chỉ bên nhận của bên nhận được mong đợi Địa chỉ 2 là địa chỉ của trạm đang truyền khung

Một trạm sử dụng nội dung của trường địa chỉ 1 để đối chiếu với địa chỉ của mình để quyết định nhận hay không Trong trường hợp trường địa chỉ 1 là trường địa chỉ nhóm thì trường BSSID sẽ được kiểm tra để đảm bảo việc truyền broadcast hay multicast được bắt đầu trong cùng một BSS Một trạm sẽ sử dụng nội dung của trường địa chỉ 2 để nhận báo nhận nếu việc báo nhận là cần thiết

DA là đích của MSDU ở trong trường thân khung SA là địa chỉ của thực thể MAC nơi bắt đầu của MSDU RA là địa chỉ của trạm trong AP ở trên DS không dây được mong đợi nhận khung ngay tức thì TA là địa chỉ của trạm trong AP trên DS không dây mà đang truyền khung

BSSID của khung dữ liệu được quyết định:

 Nếu một trạm là AP hoặc được kết hợp với AP thì BSSID là địa chỉ hiện nay đang được dùng bởi trạm đó trong AP

 Nếu một trạm là thành viên của IBSS thì BSSID là định danh của IBSS

Thân khung bao gồm MSDU hoặc phân mảnh cùng với WEP IV và ICV ( khi và chỉ khi trường WEP được đặt là 1) Thân khung có độ dài là 0 trong các khung không mang dữ liệu

Tất cả các kiểu khung dữ liệu được truyền trong CFP có trường Duration được đặt là 32768 Nếu được truyền trong CP, trường Duration sẽ được đặt theo quy tắc sau:

- Nếu trường địa chỉ 1 chứa địa chỉ nhóm thì Duration sẽ được đặt là 0

- Nếu trường More fragment = 0 và địa chỉ 1 chứa địa chỉ riêng thì Duration sẽ được đặt là thời gian yêu cầu để truyền 1 ACK cộng với một khoảng SIFS

- Nếu trường More fragment = 1 và địa chỉ 1 chứa địa chỉ riêng thì Duration sẽ được đặt là thời gian yêu cầu để truyền phân mảnh tiếp theo

và 2 ACK cộng với một khoảng SIFS

2.1.3.3 Khung quản trị

Hình 2.12: Cấu trúc khung quản trị

- DA là đích đến của khung

- SA là địa chỉ của trạm đang truyền khung

Một trạm sẽ sử dụng nội dung trường địa chỉ 1 để thực hiện so sánh địa chỉ để quyết định nhận hay không Nếu địa chỉ trường 1 là địa chỉ nhóm và khung không phải là khung Beacon thì BSSID cung được xác định để đảm bảo rằng việc truyền Broadcast hoặc multicast được bắt đầu từ cùng một BSS Các trường địa chỉ của khung quản trị không được thay đổi bởi các kiểu khung con BSSID của khung quản trị được xác định như sau:

a Nếu một trạm là AP hoặc được kết hợp với AP thì BSSID là địa chỉ hiện nay đang được dùng bởi trạm đó trong AP

b Nếu một trạm là thành viên của IBSS thì BSSID là định danh của IBSS

Tất cả các kiểu khung quản trị được truyền trong CFP có trường Duration được đặt là 32768 Nếu được truyền trong CP, trường Duration sẽ được đặt theo quy tắc sau:

- Nếu trường địa chỉ 1 chứa địa chỉ nhóm thì Duration sẽ được đặt là 0

- Nếu trường More fragment=0 và địa chỉ 1 chứa địa chỉ riêng thì Duration

sẽ được đặt là thời gian yêu cầu để truyền 1 ACK cộng với một khoảng SIFS

- Nếu trường More fragment=1 và địa chỉ 1 chứa địa chỉ riêng thì Duration

sẽ được đặt là thời gian yêu cầu để truyền phân mảnh tiếp theo và 2 ACK cộng với một khoảng SIFS

Một số khung quản trị:

- Khung Beacon

- Khung ngắt liên kết

- Khung yêu cầu liên kết

- Khung phản hồi liên kết

- Khung yêu cầu liên kết lại

- Khung phản hồi liên kết lại

- Khung yêu cầu thăm dò

- Khung phản hồi thăm dò

Chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ ba loại công nghệ ở tầng vật lý khác nhau: một loại sử dụng công nghệ hồng ngoại và hai loại kia sử dụng công nghệ sóng radio Cả ba loại này đều cung cấp các chức năng: Chức năng đánh giá kênh truyền rỗi và chức năng điểm truy cập dịch vụ vật lý Chức năng CCA rất cần thiết cho những cơ chế điểu khiển truy cập môi trường truyền vì nó xác định cho tầng trên biết môi trường có rỗi hay không Chức năng điểm truy cập dịch vụ vật

lý cung cấp thông tin về tốc độ truyền

 Kĩ thuật trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Kĩ thuật trải phổ nhảy tần là một công nghệ cho phép nhiều mạng không dây có thể cùng tồn tại trong cùng một vùng phủ sóng bằng cách phân chia cho các mạng sử dụng những dãy nhảy tần khác nhau Sự phân chia này phụ thuộc vào sự chuẩn hóa trong từng quốc gia Ví dụ ở Bắc Mỹ và châu Âu, chuẩn quy định 70 kênh nhảy tần (hopping channel) Trong khi đó ở Nhật Bản, chuẩn quy

định chỉ có 23 kênh nhảy tần Mỗi kênh nhảy tần có một băng thông 1MHz trong dải tần 2.4 GHz ISM Sự lựa chọn kênh tần số được thực hiện nhờ sử dụng một mẫu nhảy tần sinh ngẫu nhiên từ thông tin của mạng Kĩ thuật trải phổ nhảy tần sử dụng phương pháp khoá dịch tần dạng Gao-xơ GFSK (Gaussian shaped FSK Frequency Shift Keying) làm phương pháp điều chế

 Kĩ thuật trải phổ thành dãy tuần tự DSSS

DSSS là phương pháp trải phổ luân phiên xác định bởi mã: Theo chuẩn IEEE 8002.11, việc trải phổ được thực hiện bởi 11- chip tuần tự gọi là mã Barker Đặc điểm cơ bản của phương pháp này là khả năng chống nhiễu mạnh

và không ảnh hưởng bới đặc tính truyền sóng theo nhiều đường (multi-path) DSSS PHY sử dụng dải tần 2.4 GHz và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1 và 2 Mbps Giống như kĩ thuật trải phổ nhảy tần FHSS, các bit cần truyền được biến đổi phổ nhờ sử dụng đa thức s(z) = z7

+ z4 + 1

 Kĩ thuật sử dụng hồng ngoại

Tầng PHY sử dụng công nghệ truyền hồng ngoại có bước sóng từ 850 đến

950 nm Công nghệ này không yêu cầu đường truyền thẳng LoS (Line of sight) giữa bên nhận và bên gửi và có thể hoạt động trong môi trường có sự khếch tán

Kỹ thuật này cho phép truyền thông điểm – nhiều điểm (point-multipoint) và có bán kính truyền thông là 10m trong điều kiện môi trường không có ánh sánh mạnh như ánh sáng mặt trời hay từ một nguồn phát nhiệt mạnh

2.3 Lớp MAC

Phần này nghiên cứu về việc điều khiển truy cập môi trường truyền trong 802.11, đặc biệt, phần này tập trung nghiên cứu về giao thức CSMA/CA, các cải tiến của nó nhằm giải quyết một số vấn đề mới trong mạng 802.11, nghiên cứu các khoảng thời gian khung được sử dụng để truy cập kênh truyền và ý nghĩa

của chúng

2.3.1 Giao thức CSMA/CA

Giao thức thức truy cập cơ bản của mạng không dây là CSMA/CA CSMA/CA hoạt động gần giống như giao thức CSMA/CD (cảm nhận sóng mang có dò xung đột) được sử dụng phổ biến trong mạng có dây Trong mạng không dây, CSMA/CD không sử dụng được vì các nguyên nhân chính đã được trình bày trong mục 1.1.4 Giao thức CSMA/CA giúp tránh xung đột giữa các trạm khi chúng cùng muốn sử dụng môi trường truyền

Giao thức CSMA/CA có cơ chế làm việc ―nghe trước khi nói‖ như sau: Khi một trạm muốn truy cập môi trường truyền, trạm đó sẽ nghe xem môi trường truyền có bận hay không Nếu môi trường truyền rỗi, nghĩa là môi trường truyền không bị bất cứ trạm nào chiếm dụng, thì nó đợi một khoảng thời gian ít

nhất là DIFS (là khoảng thời gian đợi lâu nhất vì vậy có mức độ ưu tiên thấp nhất) để truy cập môi trường truyền Nếu môi trường truyền bận, trạm muốn truyền đó sẽ đợi một khoảng thời gian DIFS cộng thêm với thời gian backoff ngẫu nhiên trong cửa sổ tranh chấp Sau mỗi khoảng thời gian DIFS, nếu môi trường truyền rỗi, thời gian back-off này được giảm đi 1, ngược lại giá trị của nó được giữ nguyên cho khoảng thời gian DIFS tiếp theo Khi thời gian back-off giảm đến không, trạm bắt đầu truy cập môi trường truyền Tuy nhiên, nếu có một trạm bất kỳ khác đã truy cập môi trường truyền trước khi thời gian back-off của trạm này giảm đến không thì nó sẽ giữ lại giá trị của thời gian back-off hiện tại để sử dụng cho lần truy cập tiếp theo Giao thức này không giải quyết được vấn đề trạm ẩn và trạm lộ trong 802.11

2.3.2 Giao thức CSMA/CA + ACK

Trong giao thức CSMA/CA, bên gửi không biết chắc được rằng liệu dữ liệu của mình gửi đi có bị xung đột và có bị lỗi hay không Vì thế người ta đã thêm vào CSMA/CA cơ chế báo nhận để đảm bảo cho bên gửi biết các khung dữ liệu gửi đi đến bên nhận là không có lỗi

Các trạm trước khi muốn truyền sẽ lắng nghe đường truyền Nếu thấy môi trường truyền rỗi, trạm cần truyền sẽ đợi trong một khoảng thời gian DIFS trước khi thực hiện truyền Ngược lại nếu kênh truyền bận trạm cần truyền sẽ đợi trong một khoảng thời gian DIFS và thực hiện hiện thủ tục back-off ngẫu nhiên Khi nhận được khung dữ liệu bên nhận sẽ kiểm tra trường CRC trong khung, nếu thấy khung không bị lỗi nó sẽ đợi trong một khoảng thời gian SIFS rồi thực hiện truyền báo nhận ACK Nếu ACK bị mất việc truyền lại sẽ được thực hiện

Hình 2.13 : Giao thức CSMA/CA + ACK

Cũng giống với CSMA/CA, CSMA/CA+ACK không giải quyết được một số vấn đề trong WLAN như trạm ẩn, trậm lộ Việc sử dụng báo nhận đảm bảo rằng

việc truyền khung một cách tin cậy và việc này cũng nhằm gián tiếp thông báo với bên gửi rằng các khung của bên gửi gửi đi không xảy ra đụng độ

2.3.3 Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS

Như ta đã biết kỹ thuật CSMA/CA không có khả năng giải quyết vấn đề trạm ẩn trong mạng không dây 802.11, vì vậy để giảm thiểu đụng độ và giải quyết được vấn đề này, trong 802.11 đã đưa ra cải tiến với ý tưởng ―đặt trước‖ kênh truyền

Hình 2.14: Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS

Phía gửi sẽ gửi bản tin RTS (request to send) sau khi đường truyền rỗi sau khoảng thời gian lớn hơn DIFS Phía nhận trả lời bằng bản tin CTS (clear to send) sau khi đường truyền rỗi một khoảng thời gian SIFS Sau đó dữ liệu được truyền RTS/CTS được sử dụng cho việc đặt chỗ đuờng truyền vì vậy xung đột chỉ xảy ra với các bản tin điều khiển

Chúng ta dễ thấy rằng việc đặt trước kênh truyền bằng gói tin RTS/CTS

sẽ giải quyết được vấn đề trạm ẩn và trạm lộ trong 802.11

Hình 2.15: RTS/CTS giải quyết vấn đề trạm ẩn

CTS

CTS RTS

Khi A gửi gói tin RTS đến B (C không nhận được RTS từ A), sau đó B sẽ gửi trả lại gói CTS, vì C nằm trong vùng phủ sóng của B nên nó cũng nhận được gói tin CTS và nó sẽ không truyền cho B nữa Tương tự, nếu C muốn truyền cho một trạm D nằm ngoài vùng của B thì C vẫn truyền được bình thường nhờ vào những thông tin nhận được từ gói CTS từ B

Nếu môi trường bận thì trạm đó phải trì hoãn việc truyền của mình cho đến khi trạm đang truyền kết thúc Để giảm thiểu đụng độ xảy ra, trong DCF có một cải tiến, đó là trạm gửi và trạm nhận trao đổi với nhau các khung điều khiển RTS và CTS để đảm bảo môi trường là rỗi trước khi thực hiện truyền dữ liệu

Cảm nhận sóng mang sẽ được thực hiện qua cả cơ chế vật lý và cơ chế ảo

Kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo đạt được là nhờ vào việc phân phát các thông tin đặt trước để thông báo việc sử dụng đường truyền Trong RTS và CTS có trường Duration/ID, đây là trường chứa giá trị thời gian ưu tiên được đặt trước

để truyền khung dữ liệu thực và nhận lại khung ACK

Tất cả các trạm nằm trong vùng nhận RTS hoặc CTS sẽ được biết về việc đặt trước môi trường Vì thế các trạm ngoài trạm nguồn và trạm đích không có quyền nhận dữ liệu Ngoài ra việc trao đổi RTS/CTS còn thực hiện nhiệm vụ kết luận đụng độ nhanh và kiểm tra đường truyền

Kỹ thuật RTS/CTS có ưu điểm khi nhiều BSS sử dụng kênh truyền chồng lên nhau Kỹ thuật đặt trước môi trường truyền sẽ làm việc ở hai bên của vùng biên BSA (Base Station) Ngoài ra, kỹ thuật này còn cải tiến hoạt động trong trường hợp điển hình, đó là trường hợp tất cả các trạm nhận từ AP nhưng không nhận từ các trạm khác trong BSA Kỹ thuât này không được sử dụng cho các MPDU (MAC Protocol Data Unit) có địa chỉ nhóm, các khung dữ liệu ngắn Việc sử dụng kỹ thuật trao đổi RTS/CTS được điều khiển bởi thuộc tính dot11RTSThreshold Thuộc tính này được đặt trên các trạm ngang hàng Kỹ thuật này cho phép các trạm được cấu hình sử dụng RTS/CTS một cách thường

xuyên hoặc chỉ dành cho các khung lớn hơn giá trị ngưỡng Một trạm đã được cấu hình không khởi tạo kỹ thuật RTS/CTS sẽ vẫn cập nhật NAV (Network Allocation Vector) của nó nhờ vào thông tin trong trường Duration ở trong khung RTS hoặc CTS mà nó nhân được, và sẽ luôn phản hồi đến địa chỉ gửi RTS đến nó bằng một khung CTS

b) Lớp chức năng công tác điểm - PCF (Point Coordination Function)

PCF là một phương pháp thực hiện trên đỉnh của DCF, nó hoạt động bằng việc thăm dò Một trạm chủ sẽ tổ chức thăm dò tập trung, trạm này được gọi là

bộ phối hợp điểm Bộ phối hợp điểm sử dụng khoảng thời gian PIFS khi đưa ra những thăm dò Bởi vì PIFS nhỏ hơn DIFS nên bộ phối hợp điểm có thể chiếm được môi trường truyền nhanh hơn và đóng lại tất cả lưu lượng đồng bộ trong khi nó thăm dò và nhận phản hồi

Một mạng không dây được cấu hình với một số lượng các trạm được điều khiển bằng bộ phối hợp điểm, sử dụng kỹ thuật CSMA để truy cập Bộ phối hợp điểm

có thể phát ra những thăm dò trong một vòng đến tất cả các trạm được cấu hình

để thăm dò Khi một đợt thăm dò được phát ra, các trạm được thăm dò sẽ phản hồi sau khoảng SIFS Nếu bộ phối hợp điểm nhận được phản hồi nó sẽ phát ra các thăm dò khác sau khoảng PIFS Nếu không có phản hồi nào được nhận trong thời gian mong muốn thì nó lại sinh ra 1 đợt thăm dò mới

c) Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS, EIFS

Khoảng thời gian giữa các khung được gọi là IFS Một trạm sẽ quyết định môi trường là rỗi thông qua việc sử dụng kỹ thuật cảm nhận sóng mang trong khoảng thời gian đặc biệt này Có 4 khoảng thời gian IFS khác nhau được đưa ra

để cho biết mức độ ưu tiên truy cập môi trường truyền không dây trong chuẩn IEEE 802.11:

- SIFS: Short Interframe Space

- PIFS: PCF Interframe Space

- DIFS: DCF Interframe Space

- EIFS: Extended Interframe Space

Các khoảng thời gian IFS sẽ không phụ thuộc vào tốc độ bit của từng trạm

- Short IFS (SIFS): Sẽ được sử dụng cho các khung như: ACK, CTS, MPDU

thứ 2 hoặc dãy con của MPDU của dãy phân mảnh, hoặc để cho các khung phản hồi lại các đợt thăm dò của PC (Point Coornaditor) SIFS là khoảng ngắn nhất trong các IFS, nó được sử dụng khi trạm đang chiếm được đường truyền và giữ đường truyền trong khoảng thời gian trao đổi các khung, tránh xảy ra tranh chấp đường truyền Các trạm khác phải đợi kênh truyền rỗi trong khoảng thời gian lớn hơn

- PCF IFS (PIFS): Sẽ được sử dụng cho các trạm hoạt động trong PCF để nhận

quyền ưu tiên truy cập môi trường truyền tại thời điểm bắt đầu CFP nó có độ ưu tiên cao hơn DIFS nhưng thấp hơn SIFS PIFS có khoảng thời gian ngắn hơn DIFS, vì thế, AP sẽ luôn luôn chiếm quyền điều khiển đường truyền trước khi các trạm bắt đầu đấu tranh giành quyền truy cập trong chế độ DCF PCF chỉ làm việc với DCF, nó không phải là một chức năng hoạt động độc lập, vì thế, một khi AP kết thúc việc thăm dò, các trạm khác có thể tiếp tục tranh chấp giành

quyền truy cập đường truyền trong chế độ DCF

- DCF IFS (DIFS) : Sẽ được sử dụng cho các trạm hoat động dưới DCF để

truyền các khung dữ liệu và các khung quản trị Mỗi trạm trên mạng sử dụng chế

độ DCF đều phải đợi cho đến khi DIFS trôi qua trước khi bất kỳ một trạm nào

có thể tranh giành quyền truy cập Khoảng thời gian DIFS này làm cho việc truyền các khung sẽ có độ ưu tiên thấp hơn các khung trong chế độ PCF Thay vì tất cả các trạm đều cho rằng đường truyền đang rỗi và tùy ý bắt đầu việc truyền khung đồng thời ngay sau khi khoảng thời gian DIFS vừa kết thúc, điều này sẽ gây nên xung đột Mỗi trạm đều sử dụng 1 thuật toán gọi là thuật toán quay lui ngẫu nhiên để xác định xem phải đợi thêm bao lâu trước khi bắt đầu truyền dữ liệu của nó

- Extended IFS (EIFS): EIFS sử dụng cho các trạm hoạt động ở DCF, bất kể

khi nào tầng vật lý thông báo đến tầng MAC rằng việc nhận một khung đã bắt đầu nhưng không có kết quả Khoảng EIFS sẽ bắt đầu từ lúc tầng vật lý thông báo là môi trường rỗi sau khi phát hiện lỗi khung mà không liên quan đến kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo EIFS được định nghĩa để cung cấp đủ thời gian cho các trạm khác nhằm báo nhận rằng đã nhận được một khung không đúng trước khi trạm này bắt đầu phát Sau khi khoảng EIFS kết thúc, việc truy cập đường truyền trở lại bình thuờng

Trong WLAN có nhiều AP chồng sóng lên nhau, PC sẽ sử dụng các khoảng siêu khung kết hợp với kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo để giảm thiểu xung đột Bởi vì PCF hoạt động mà không sử dụng CSMA/CA như DCF, do vậy

có nhiều đụng độ sẽ lặp lại, Nếu có nhiều BSS chồng nhau với cùng một kênh truyền vật lý thì tỉ lệ lặp lại CFP và khoảng beacon trong siêu khung của chúng

là gần như nhau Để giảm thiểu mất khung do đụng độ, các bộ điều phối sẽ sử dụng khoảng DIFS cùng với một khoảng quay lui ngấu nhiên để bắt đầu CFP Nhờ đó khi khởi tạo beacon sẽ trễ hơn vì phải chờ Các bộ điều phối điểm sẽ sử dụng thủ tục quay lui ngẫu nhiên để truyền lại các khung không được báo nhận, các khung dữ liệu trực tiếp hay các khung quản trị Sau khoảng DIFS cộng khoảng thời gian quay lui ngẫu nhiên đó, bộ phối hợp điểm yêu cầu môi trường

phải được quyết định là rỗi trong một khoảng thời gian chiếm giữ môi trường truyền trong CPF Điều này làm mất quyền điều khiển môi trường truyền của các trạm ẩn và các AP chồng nhau

2.4 Kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo tại lớp MAC

CSMA/CA được dùng để giảm xung đột khi nhiều trạm cùng truy cập vào một kênh truyền Các trạm sẽ chờ trong khi kênh truyền bận Sau khi kênh truyền rỗi, các trạm đều muốn sử dụng kênh truyền Do đó, rất dễ dẫn đến xung đột Thủ tục quay lui ngẫu nhiên có thể giải quyết sự xung đột kênh truyền Tuy nhiên nó không giải quyết triệt để vấn đề Vì thế IEEE đã đưa ra một kỹ thuật nữa có thể giải quyết vấn đề tránh xung đột Đó là kỹ thuật cảm nhận sóng mang

ảo

- Kỹ thuật cảm nhận sóng mang vật lý cung cấp bởi lớp PHY

- Kỹ thuật cảm nhận sóng mang ảo được cung cấp bởi lớp MAC

Cảm nhận sóng mang ảo là thông báo thông tin về khoảng thời gian đặt trước kênh truyền đến các trạm khác Kỹ thuật này được thực hiện thông qua bộ định thời cấp phát mạng NAV (Network Allocation Vector) NAV được cập nhật bởi khung dữ liệu truyền trong môi trường Khi giá trị NAV bằng 0 thì kênh truyền rỗi, ngược lại kênh truyền là bận

Trạm nhận đúng khung sẽ cập nhật (update) lại giá trị NAV của nó với thông tin nhận được trong trường Duration/ID, nhưng chỉ khi giá trị NAV mới lớn hơn giá trị NAV hiện tại thì trạm đó mới cập nhật

2.5 Một số chức năng quan trọng khác của tầng MAC

2.5.1 Phân mảnh và hợp nhất các mảnh

a) Phân mảnh

Việc xử lý để chia các MSDU hoặc MMPDU thành các khung nhỏ hơn được gọi là phân mảnh Phân mảnh sẽ tạo ra những khung MPDU nhỏ hơn MSDU chính hay MMPDU, điều này sẽ tăng tính tin cậy và tăng xác suất truyền thành công MSDU hoặc MMPDU Việc phân mảnh sẽ được thực hiện tại bên truyền Quá trình kết hợp các MSDU đơn hay MMPDU đơn được gọi là hợp nhất các mảnh, công việc này sẽ được thực hiện tại bên nhận Chỉ có các MPDU

có địa chỉ bên nhận là unicast sẽ được phân mảnh, còn các khung Broadcast/Multicast sẽ không được phân mảnh thậm chí độ dài của nó vượt giá trị ngưỡng aFragmentationThreshold của một mảnh Khi một MSDU được nhận trực tiếp từ tầng LLC hoặc MMPDU được nhận trực tiếp từ thực thể quản lý tầng MAC (MLME) có chiều dài lớn hơn ngưỡng aFragmentationThreshold của một mảnh thì nó sẽ được phân mảnh MSDU, MMPDU sẽ được chia thành các MPDU, mỗi mảnh sẽ không lớn hơn giá trị ngưỡng

Hình 2.16: Các phân mảnh

Mỗi mảnh sẽ được truyền đi một cách độc lập, tương ứng sẽ có một báo nhận Độ dài của mỗi mảnh sẽ được tính bằng octet (byte) ngoại trừ mảnh cuối cùng, nó là một số chẵn byte và không bao giờ lớn hơn giá trị ngưỡng aFragmentationThreshold Khi dữ liệu được truyền, số lượng byte trong phân mảnh sẽ được quyết định bởi aFragmentationThreshold và số lượng các byte trong MPDU sẽ được khai báo trong phân mảnh tại lúc mảnh được xây dựng lần đầu Khi phân mảnh được truyền lần đầu tiên, nội dung thân khung và chiều dài

sẽ cố định cho đến khi nó được phát thành công đến trạm đang trực tiếp nhận Các trạm có thể nhận các phân mảnh với kích thước tùy ý Nếu một mảnh được yêu cầu truyền lại nội dung thân khung thì kích thước còn lại được sửa trong khoảng thời gian sống của MSDU hoặc MMPDU tại trạm đó Sau khi phân mảnh được truyền đi, nội dung và kích thước phân mảnh không được phép thay đổi để điều chỉnh giới hạn cận thời gian Mỗi phân mảnh sẽ chứa trường Sequence Control, đây là trường gồm dãy số định danh phân mảnh và số phân mảnh Khi một trạm đang truyền một MSDU hay MMPDU, dãy số định danh của các phân mảnh của MSDU hoặc MMPDU đó sẽ giống nhau

Các mảnh sẽ được gửi đi theo thứ tự từ số phân mảnh nhỏ nhất đến số phân mảnh lớn nhất Giá trị của số phân mảnh sẽ bắt đầu từ 0 và tăng thêm 1 cho mỗi phân mảnh gửi thành công Trường Frame Control cũng chứa một bit, đó là bit More Fragments được đặt là 0 để thông báo rằng đây là phân mảnh cuối cùng của MSDU hoặc của MMPDU Trạm nguồn sẽ duy trì đồng hồ truyền MSDU cho mỗi MSDU đang truyền Thuộc tính aMaxTransmitMSDULifetime sẽ cho biết thời gian tối đa cho phép truyền một MSDU Đồng hồ sẽ đếm bắt đầu từ lúc thử truyền phân mảnh đầu tiên của MSDU Nếu đồng hồ đạt đến aMaxTransmit- MSDULifetime thì các phân mảnh còn lại sẽ bị loại bỏ và trạm nguồn sẽ không

có gắng để hoàn thành việc truyền MSDU

b) Hợp nhất các mảnh

Mỗi phân mảnh chứa những thông tin cho phép hoàn thành việc hợp nhất các mảnh tạo thành MSDU hoặc MMPDU Trong phần đầu của mỗi phân mảnh chứa những thông tin sau được sử dụng để hợp nhất các mảnh:

- Kiểu khung

- Địa chỉ bên gửi, lấy được từ trường Address2

- Địa chỉ đích

- Trường Sequence Control: Trường này cho biết các phân mảnh thuộc

cùng một mảnh Số của phân mảnh cho biết thứ tự của các phân mảnh

- Bít More Fragments

Tất cả các trạm sẽ hỗ trợ việc nhận đồng thời ít nhất là 3 phân mảnh của cùng một MSDU hoặc của cùng một MMPDU Trạm đích sẽ duy trì một đồng hồ nhận cho mỗi MSDU hay MMPDU nhận được Một thuộc tính cho biết thời gian tối đa để nhận một MSDU đó là aMaxReceiveLifetime Khi đồng hồ vượt quá giá trị thuộc tính này, tất cả các phân mảnh sẽ bị từ chối nhận Hơn nữa, các phân mảnh của MSDU hay MMPDU trực tiếp được nhận sau khi thời gian đã vượt qua ngưỡng sẽ được báo nhận và từ chối Để hợp nhất các mảnh đúng, trạm đích sẽ từ chối các phân mảnh bị lặp Tuy nhiên đối với các phân mảnh lặp của MSDU trực tiếp sẽ được báo nhận để thông báo rằng các phân mảnh đã bị lặp

2.5.2 Đồng bộ hóa

Mỗi một trạm trong mạng IEEE 802.11 đều sử dụng một đồng hồ nội bộ riêng Để đồng bộ hóa các đồng hồ này, IEEE 802.11 đặc tả chức năng đồng bộ hóa theo thời gian (Timing Synchronization Function – TSF) Việc đồng bộ này rất quan trọng trong các chức năng của tầng liên kết dữ liệu như chức năng quản

lý năng lượng, chức năng cộng tác trong kĩ thuật PCF và chức năng đồng bộ nhảy tần trong hệ thống sử dụng kỹ thuật FHSS (các trạm cần sử dụng chung một mẫu nhảy tần để có thể truyền thông với BSS)

Trong một BSS, việc đồng bộ hóa thời gian giữa các trạm được thực hiện bằng việc gửi một gói tin Beacon (gói tin tín hiệu), trong mỗi khoảng Beacon (Beacon interval) có chứa nhãn thời gian và thông tin quản lý khác như quản lý năng lượng và quản lý chuyển vùng Nhãn thời gian trong các gói tin này giúp cho các trạm trong BSS điều chỉnh lại đồng hồ nội bộ của mình Một trạm không nhất thiết phải nghe tất cả các gói tin Beacon Tuy nhiên, theo thời gian đồng hồ nội bộ này có thể bị thay đổi, do đó các trạm phải chỉnh lại đồng hồ nội

bộ định kì Trong một số trường hợp, tại đầu khoảng Beacon môi trường có thể bận, gói tin Beacon sẽ được phát ngay sau khi môi trường rỗi trở lại Chính vì vậy, một trạm muốn nghe gói tin Beacon phải lắng nghe từ đầu khoảng Beacon đến khi nhận được gói tin này

Hình 2.17: Truyền gói tin Beacon trong mạng

Đối với mạng dựa trên cơ sở hạ tầng, trạm truy cập cơ sở đảm nhận việc đồng bộ hóa thời gian bằng cách phát gói tin Beacon theo định kì để mọi trạm trong BSS điều chỉnh đồng hồ nội bộ của mình Hình 2.19 mô tả một kịch bản đơn giản Trạm truy cập cơ sở không phải lúc nào cũng phát gói tin Beacon (B) một cách định kì nếu môi trường khi đó là bận Tuy nhiên, nó luôn cố gắng lập lịch truyền thông theo khoảng Beacon mong muốn để khoảng Beacon không bị thay đổi việc phát gói tin Beacon bị trễ Do dó, nhãn thời gian của một becon luôn ứng với thời gian truyền thông, không phải là thời gian được lập lịch sẵn

Hình 2.18: Truyền gói tin Beacon trong mạng ad-hoc

Còn đối với mạng ad-hoc, việc đồng bộ hóa này phức tạp hơn rất nhiều do chúng không có trạm truy cập cơ sở đảm nhận việc đồng bộ hóa thời gian cho BSS Trong trường hợp này, mỗi trạm đều sử dụng một đồng hồ đồng bộ hóa riêng và bắt đầu truyền gói tin Beacon sau mỗi khoảng Beacon Khi đó có thể có nhiều trạm muốn gửi gói tin Beacon và xảy ra đụng độ Do đó, các thuật toán backoff chuẩn được áp dụng nhằm giảm khả năng đụng độ, đảm bảo chỉ có một trạm có thể gửi gói tin Beacon Mọi trạm điều chỉnh lại đồng hồ nội bộ theo nhãn thời gian nhận được trong gói tin Beacon và dừng việc gửi gói tin Beacon trong chu kì này

Trong trường hợp xảy ra đụng độ, gói tin Beacon bị mất Khoảng Beacon

có thể bị thay đổi do các đồng hồ thay đổi nên khoảng Beacon bắt đầu tại mỗi trạm là khác nhau Sau khi đồng bộ hóa lại, mọi trạm sẽ thống nhất cùng một thời điểm bắt đầu Beacon

2.5.3 Chuyển vùng

Trong một tòa nhà hay một công sở tương đối rộng, mạng không dây cần lắp đặt nhiều trạm cơ sở để tổng hợp thành một vùng phủ sóng đủ rộng cho phép người dùng có thể truy cập tại bất kì điểm nào trong đó Khi người sử dụng thiết

bị không dây di chuyển trong vùng, họ sẽ đi từ vùng phủ sóng của trạm truy cập

cơ sở này đến vùng phủ sóng của trạm truy cập cơ sở khác, do đó cần có những

cơ chế quản lý việc chuyển vùng đảm bảo rằng các kết nối của các thiết bị không dây không bị gián đoạn khi chúng di chuyển giữa các khu vực quản lý của các trạm truy cập cơ sở Việc quản lý chuyển vùng này được thực hiện theo các bước:

 Khi một trạm nhận thấy chất lượng liên kết hiện tại giữa mình và trạm truy cập cơ sở quá yếu, trạm đó sẽ ―quét‖ để tìm một trạm truy cập cơ sở khác cung cấp chất lượng liên kết tốt hơn Quá trình ―quét‖ này bao gồm việc tìm kiếm một BSS và thiết lập một BSS mới trong các mạng ad-hoc IEEE 802.11 đặc tả việc quét trên một hay nhiều kênh truyền thông bao gồm quét bị động và quét chủ động Đối với quét bị động, trạm đó sẽ nghe môi trường truyền để tìm ra BSS mới, còn quét chủ động trạm đó sẽ phát một gói tin tín hiệu (bao gồm những thông tin cần thiết để trạm đó có thể nhập vào BSS mới) trong mỗi kênh truyền và đợi tín hiệu phản hồi trong các kênh truyền đó

 Sau khi nhận được các tín hiệu phản hồi, trạm cần chuyển vùng sẽ chọn lựa trạm truy cập cơ sở tốt nhất và gửi một yêu cầu cung cấp dịch vụ Trạm truy cập cơ sở hồi đáp yêu cầu cung cấp dịch vụ của trạm đó Nếu việc hồi đáp thành công, trạm này sẽ chuyển vùng tới trạm truy cập cơ sở mới Nếu không, nó sẽ tiếp tục quét để tìm ra trạm truy cập cơ sở khác

 Trạm truy cập cơ sở chấp nhận yêu cầu cung cấp dịch vụ của một trạm sẽ gửi thông tin của trạm mới tới DS (Distribution System) DS sẽ cập nhật lại cơ sở dữ liệu về vị trí mới của trạm trong DS để giúp cho việc chuyển tiếp các gói tin giữa các BSS đồng thời báo cho trạm truy cập cơ sở cũ về

việc trạm này đã chuyển vùng và không trong sự quản lý của BSS cũ

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG THEO

CHUẨN IEEE 802.15.4

LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Networks) là một mạng giao tiếp với chi phí thấp, cho phép thực hiện các kết nối không dây, thực hiện các ứng dụng giới hạn về năng lượng và các yêu cầu thông lượng thấp Ưu điểm chính của LR-WPAN là dễ cài đặt, truyền dữ liệu tin cậy, hoạt động trong vùng nhỏ (10 m), chi phí thấp, kéo dài thời gian sử dụng năng lượng

Một số đặc điểm của LR-WPAN như sau [6]:

 Tốc độ truyền dữ liệu là 250kb/s, 40kb/s và 20kb/s

 Hoạt động trên topo hình sao hoặc ngang hàng

 Dùng 16 bit địa chỉ ngắn hoặc 64 bit địa chỉ mở rộng

 Sử dụng các khe thời gian

 Truy cập kênh truyền sử dụng CSMA/CA

 Giao thức có báo nhận đầy đủ đảm bảo cho việc truyền tin cậy

 Tiêu tốn ít năng lượng

 Sử dụng 16 kênh trong dải 2450MHz, 10 kênh trong dải 915 MHz, 1 kênh trong dải 868 MHz

3.1 Các thành phần của IEEE 802.15.4 WPAN

LR-WPAN có hai kiểu thiết bị khác nhau: Thiết bị đầy đủ chức năng FFD (Full-Function Device) và thiết bị được giảm bớt chức năng RFD (Reduce-Function Device) Thiết bị đầy đủ chức năng hoạt động dưới 3 dạng: Bộ phối hợp PAN, bộ phối hợp hoặc là một thiết bị khác Thiết bị đầy đủ chức năng có thể giao tiếp được với các RFD hoặc các FFD khác Trong khi đó, RFD chỉ giao tiếp được với các FFD mà không giao tiếp được với các RFD khác RFD được

sử dụng cho cách ứng dụng cực kỳ đơn giản sử dụng tối thiểu tài nguyên và bộ nhớ

Trong LR-WPAN bao gồm nhiều thành phần riêng, mỗi thành phần là một thiết bị hoặc là FFD hoặc RFD Hai hoặc nhiều thiết bị cùng giao tiếp trong một không gian hoạt động cá nhân sử dụng chung một kênh truyền vật lý Tuy nhiên một mạng có thể bao gồm ít nhất một thiết bị hoạt động như là Bộ điều phối (PAN Coordinator)

3.2 Tô-pô mạng sử dụng trong LR-WPAN

Phụ thuộc vào những yêu cầu của ứng dụng, LR-WPAN có thể hoạt động trong hai kiểu topo khác nhau: Topo hình sao và topo ngang hàng

3.2.1 Tô-pô mạng hình sao

Trong kiểu topo hình sao, các thiết bị được nối trực tiếp với bộ điều khiển tập trung được gọi là Bộ điều phối PAN (PAN Coordinator) Các thiết bị khác kết hợp với các ứng dụng để giao tiếp trong mạng, chúng có thể là các điểm khởi tạo hoặc các điểm kết thúc

3.2.2 Tô-pô mạng ngang hàng

Topo mạng ngang hàng cũng có PAN Coordinator, tuy nhiên nó khác với mạng hình sao ở chỗ bất kỳ một thiết bị nào cũng có thể giao tiếp với các thiết bị khác chỉ cần chúng nằm trong vùng phủ sóng của thiết bị đó Topo mạng ngang hàng cho phép hình thành mạng phức tạp Mạng ngang hàng có thể là mạng Ad-hoc, tự tổ chức, tự kết hợp Cho phép nhiều chặng định tuyến các thông báo từ thiết bị này sang thiết bị khác trong mạng

Hình 3.1: Ví dụ về Topo mạng hình sao và mạng ngang hàng

Tất cả các thiết bị hoạt động trên cùng một mạng sẽ có địa chỉ mở rộng 64 bít duy nhất Địa chỉ này có thể sử dụng để giao tiếp trực tiếp với PAN khác hoặc các PAN sử dụng để trao đổi với nhau nhằm xác định địa chỉ ngắn cho các thiết bị khi liên kết

3.3 Kiến trúc của LR-WPAN

Kiến trúc của LR-WPAN được định nghĩa thành các khối Mỗi khối được gọi là một lớp, mỗi lớp cung cấp các dịch vụ cho lớp cao hơn Một thiết bị LR – WPAN thuộc lớp vật lý sẽ có một thiết bị nhận tần số sóng radio thông qua kỹ thuật điều khiển mức thấp Lớp con MAC sẽ cung cấp các dịch vụ truy cập đến kênh vật lý cho tất cả các kiểu truyền của các thiết bị Lớp điều khiển liên kết logic IEEE 802.2™ Type 1 (logical link control - LLC) có thể truy cập lớp con MAC thông qua các dịch vụ của lớp con hội tụ dịch vụ riêng (service specific convergence sublayer - SSCS)