Giới thiệu các chức năng và hoạt động của 802.11n ở lớp MAC

Sau đây là chi tiết các chuẩn: - IEEE 802.11: Sử dụng đa truy nhập cảm nhận sóng mang và tránh xung đột Carrier Sense Multiple Access/Collision Advoidance: CSMA/CA ở lớp MAC Media Access

Trang 1

Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và IEEE 802.11n

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi xã hội ngày càng phát triển, con người càng ngày càng có nhiều phương tiện hơn trong việc thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao về sinh hoạt và công việc Sự phát triển các ứng dụng công nghệ như mạng viễn thông ngày càng được quan tâm Dần dần xu hướng con người sử dụng mạng viễn thông mọi lúc mọi nơi với nhiều nhu cầu khác nhau Do vậy việc sử dụng mạng vô tuyến đã trở nên là một điều tất yếu trong xã hội hiện đại Các chuẩn mạng không dây cho tới nay đã thỏa mãn phần nào nhu cầu

của con người Đó là sự xuất hiện của các chuẩn mạng không dây IEEE 802.11 a/b/…

Tuy nhiên theo thời gian và sự phát triển của xã hội đòi hỏi phải có những mạng không dây đạt được các yêu cầu di động, độ tin cậy, tính sẵn sàng, thông lượng và bảo mật tốt Nhận thấy điều đó tổ chức IEEE đã thành lập TGn năm 2004 với mục đích xây

dựng một chuẩn 802.11n mới đáp ứng nhu cầu về thông lượng có thể lên tới 600

Mbps

Báo cáo này sẽ giới thiệu các đặc tính cơ bản của 802.11n ở lớp MAC trong tầng liên kết dữ liệu Báo cáo được trình bày thành 3 chương:

Chương I: Giới thiệu chung về IEEE 802.11 và 802.11n

Chương II: Giới thiệu các chức năng và hoạt động của 802.11n ở lớp MAC

Chương III: Cải tiến thông lượng mạng trong 802.11n

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và tạo điều kiện của thầy Hoàng Trọng Minh trong quá trình chúng em làm báo cáo này

Trang 2

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 1

Mục lục hình vẽ 4

Danh mục thuật ngữ viết tắt 6

CHƯƠNG I 8

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IEEE 802.11 VÀ 802.11n 8

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ RA ĐỜI CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY 8

1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA 802.11 12

1.3 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VỀ THÔNG LƯỢNG TỐC ĐỘ CAO VÀ CHUẨN 802.11n.15 1.3.1 Nhóm nghiên cứu thông lượng tốc độ cao 15

1.3.2 Các thiết bị cầm tay (handheld devices) 15

1.3.3 Môi trường và ứng dụng với 802.11n 16

1.4 KẾT LUẬN 20

CHƯƠNG II 21

PHÂN LỚP MAC TRONG CHUẨN 802.11n 21

2.1 PHÂN LỚP GIAO THỨC 22

2.2 CÁC CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN 23

2.2.2 Dò quét 24

2.4.1 Khoảng cách liên khung ngắn SIFS (The short inter-frame space) 33

2.4.2 Khe thời gian (Slot time) 34

2.4.3 Khoảng cách liên khung PIFS của PCF (The PCF inter-frame space) 34

2.5 TRAO ĐỔI KHUNG DỮ LIỆU VÀ KHUNG ACK XÁC NHẬN 35

2.5.1 Phân đoạn khung (Fragmentation) 36

2.6 HIỆN TƯỢNG ẨN NÚT (HIDDEN NODE) 39

2.6.1 Network allocation vector (Vecto định vị mạng) 39

2.7 TĂNG CƯỜNG TRUY NHẬP KÊNH PHÂN TÁN 41

2.7.1 Thời điểm truyền tải 43

2.7.3 Các tham số truy cập EDCA 44

2.7.4 Khoảng cách liên khung mở rộng EIFS (Extended Inter-frame Space) 45

CHƯƠNG III 50

3.1 NHỮNG LÝ DO CHO SỰ CẢI TIẾN 50

3.1.1 Thông lượng cao mà không cần thay đổi MAC 50

3.1.2 Những cải tiến thông lượng của lớp MAC 52

Trang 3

3.2 Móc nối,liên hợp (Aggregation) 54

3.2.1 Liên hợp các MSDU (A-MSDU) 55

3.2.2 Liên hợp các MPDU (A-MPDU) 56

3.2.3 Móc nối PSDU (A-PSDU) 59

3.3 Xác nhận khối (Block Acknowledgement) 60

3.3.1 ACK xác nhận khối tức thời và trễ 60

3.3.2 Sự khởi tạo phiên ACK xác nhận khối 62

3.3.3 Truyền dữ liệu ở phiên Ack xác nhận khối 63

3.3.4 Làm đứt (tear down) phiên ACK xác nhận khối 64

3.3.5 Chính sách ack xác nhận thông thường trong một bất liên hợp (non-aggregate) 64

3.3.6 Quá trình hoạt động của bộ đệm tái sắp xếp 64

3.4 Ack xác nhận khối tức thời thông lượng cao (HT-immediate block ack) 66

3.4.1 Chính sách của Normal Ack trong một quá trinh liên kết khung 66

3.4.2 Nén ack xác nhận khối 67

3.4.3 Trạng thái đầy đủ và một phần của ack xác nhận khối 68

3.5 HT Ack xác nhận khối trễ 73

3.5.1 Các chuỗi TXOP trong HT ack xác nhận khối trễ 74

3.6 Kết Luận 74

KẾT LUẬN 79

Tài liệu tham khảo 80

Trang 4

Mục lục hình vẽ

Hình 1.3 biểu đồ tốc độ và băng tần của các chuẩn 802.11 14

Hình 1.5 BSS tại nhà riêng 17

Hình 2.1 Hoạt động giữa các lớp LLC, MAC, PHY 23

Hình 2.2 Vị trí khung Beacon 24

Hình 2.3 Quét bị động 24

Hình 2.4 Quét chủ động 25

Hình 2.6 Xác thực khóa chia sẻ 28

Hình 2.7 Hoạt động của RTS/CTS 30

Hình 2.8 Hoạt động của RTS/CTS với hai máy trạm không dây 31

Hình 2.9 Hoạt động của RTS/CTS giữa máy trạm có dây và máy trạm không dây 31

Hình 2.10 Sơ đồ cách thức hoạt động của NAV 32

Hình 2.11 Một số loại IFS 33

Hình 2.12 Thời gian trễ do quá trình xử lý hồi đáp khung ở tầng vật lý và lớp MAC 33

Hình 2.13 Trao đổi khung dữ liệu và khung xác nhận ACK 35

Hình 2.14 Mô tả phân đoạn khung 37

Hình 2.15 Hai trạm cạnh tranh truy nhập 38

Hình 2.16 Vấn đề ẩn nút (hidden node) 39

Hình 2.17 Trao đổi khung RTS/CTS 40

Hình 2.21 TXOP với các tốc độ vật lý khác nhau 43

Hình 2.22 Một số TXOP theo các kênh truy nhập ưu tiên khác nhau 44

Hình 3.1 Thông lượng và tốc độ truyền tầng vật lý giả định khi chưa có thay đổi ở lớp MAC (giới hạn 3ms/TXOP, xác nhận khối (block ack), 10% mất gói (PER)) 50

Hình 3.2 Hiệu quả ở lớp MAC và tốc độ truyền tầng vật lý giả định khi chưa có thay đổi ở lớp MAC (giới hạn 3ms/TXOP, xác nhận khối (block ack), 10% mất gói (PER)) 51

Hình 3.3 Tổng quan tương đối về đoạn đầu của một khung 1500 byte trên các tốc độ vật lý khác nhau 52

Hình 3.4 Các cải tiến cơ bản của thông lượng trong 802.11 MAC 52

Hình 3.7 Hai mức liên hợp Aggreation trong trình tự chắc năng ở lớp MAC 55

Hình 3.8 Quá trình đóng gói A-MSDU 56

Hình 3.9 Quá trình đóng gói A-MPDU 57

Hình 2.10 Đề xuất về quá trình đóng gói A-PSDU 59

Hình 3.11 Các phiên ACK xác nhận khối tức thời và trễ 61

Hình 3.12 Hoạt động của bộ đệm tái sắp xếp với các phân đoạn MSDU 65

Hình 3.13 Chính sách Normal Ack trong một liên kết và không liên kết khung 66

Hình 3.14 Sử dụng BAR để làm giảm bộ đệm tái sắp xếp 67

Hình 3.15 Chức năng chia nhỏ thông thường cho quá trình thực hiện ack xác nhận khối tức thời ở trạm nhận 70

Hình 3.16 Quá trinh hoạt động bảng điểm (scoreboard) 71

Hình 3.17 Các chuỗi TXOP có HT ack xác nhận tức thời thông thường 73

Trang 5

Trang 6

Danh mục thuật ngữ viết tắt

data unit

Đơn vị dữ liệu giao thức MAC

CFP Contention free period Khoảng thời gian tranh chấp

định kì

CSMA Carrier sense multiple access Đa truy cập cảm nhận sóng

mang CSMA/CA Carrier sense multiple access

with collision avoidance

Đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh đụng độ CSMA/CD Carrier sense multiple access

with collision detection

Đa truy cập cảm nhận sóng mang dò đụng độ

FTP File transfer protocol Giao thức truyền file

HTSG High throughput study Group Tổ chức nghiên cứu thông

lượng cao HTTP Hypertext transfer protocol Giao thức truyền siêu văn

Trang 7

ghép

HC Hybrid coordinator điều phối viên lai ghép

multiple-output

Công nghệ MIMO

MPDU MAC protocol data unit Đơn vị dữ liệu giao thức

MAC MSDU MAC service data unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC NAV Network allocation vector Véc tơ định vị mạng

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo Tần số trực giao

PC Point coordinator Điểm điều phối

protocol

Giao thức hội tụ tầng vật lý

PCF Point coordination function Tùy chọn chức năng phối

hợp điểm

PPDU PLCP protocol data unit Đơn vị dữ liệu giao thức

PLCP PSMP Power-save multi-poll Đa thăm dò tiết kiệm năng

lượng

TCLAS Trafﬁc classiﬁcation Luồng lưu lượng truy cập

TSID Trafﬁc stream identiﬁer Thông tin nhận dạng lưu

lượng TSPEC Trafﬁc speciﬁcation Đặc tả kỹ thuật lưu lượng

WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây

Trang 8

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ IEEE 802.11 VÀ 802.11n

1.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ RA ĐỜI CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY

WLANs(Wireless Local Area Networks) là một thuật ngữ mà trước đây ít được biết

tới, nó cũng mới chỉ xuất hiện trong khoảng 2 thập niên trở lại đây Tính ra quá trình thâm nhập này diễn ra đầy bất ngờ nhờ sự phát triển của viễn thông di động và bùng

nổ Internet toàn cầu

Đầu tiên ta phải nói tới khám phá của Hertz về sóng radio từ năm 1888, tiếp theo

đó là thử nghiệm của Marconi với truyền và nhận sóng radio qua khoảng cách lớn năm

1894 Sau đó cho tới thế kỉ 20, truyền thông radio và radar được sử dụng trong quân đội, bao gồm cả sự phát triển của công nghệ trải phổ.Năm 1971, lần đầu tiên nền tảng

về mạng không dây đã được thiết lập với tên gọi ALOHANET ở đại học Hawaii Bảy máy tính đã được triển khai trên 4 đảo và liên lạc với một máy trung tâm theo một mô

hình sao hai chiều (bi-directional)

Vào năm 1985, một sự kiện đánh dấu mốc cho WLANs thương mại hóa khi tổ

chức United States Federal Communications Commission (FCC) cho phép sử dụng

các băng tần radio trong thí nghiệm công nghiệp, nghiên cứu khoa học, y học

(industrial, scientific, and medical: ISM) với công nghệ trải phổ Một vài thế hệ thiết

bị WLAN độc quyền đã được phát triển sử dụng các băng tần này, bao gồm WaveLAN của hãng Bell Labs Các hệ thống ban đầu này còn rất đắt tiền và triển khai được chỉ khi có cả chạy dây cáp, điều này thật khó để thực hiện

Nhiều tiến bộ trong công nghệ bán dẫn và chuẩn WLAN với IEEE 802.11 led đã

làm giảm giá thành và mang đến sự lựa chọn cho công nghệ WLAN

Các chuẩn của WLAN xuất hiện kể từ khi chuẩn IEEE 802.11 ra đời cuối nhưng

năm 1990 Trong lúc đó một vài chuẩn WLANs cũng xuất hiện vi dụ như High Performance Radio Local Area Network-Type 2 (HIPERLAN/2) và HomeRF nhưng

không được chấp nhận

Trang 9

Năm 1999 tổ chức Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) ra đời Mục

đích của tổ chức này nhằm kiểm tra giữa các chuẩn IEEE 802.11 của các hãng khác

nhau Tổ chức WECA này đã phát triển một bài kiểm tra Wireless-Fidelity (Wi-Fi) và

cung cấp logo cho nhà sản xuất nào vượt qua được bài test đó Ngày nay Wi-Fi đã trở

thành từ đồng nghĩa với IEEE 802.11 và tổ chức này hiện giờ có tên là liên minh Wi-Fi (Wi-Fi Alliance)

Liên minh này cũng cung cấp các bài test cho IEEE 802.11a,b,g Nó đã và đang phát triển một nhà cung cấp wireless có tên gọi là Wireless Internet service Provider (WISP)

WLAN có thể dùng để kết nối mạng trong nhưng vùng khó có thể triển khai dây cáp, nó có thể cho ta sự linh hoạt trong di chuyển và có thể mở rộng mạng WLAN cho phép người di chuyển khi làm việc với ứng dụng như khi sử dụng mạng dây cáp WLAN mang đến cho ta nhiều lợi ích hơn so với mạng có dây Trong một gia đình hoặc công sở đã có sẵn, việc triển khai hệ thống dây cáp cho việc truy cập mạng đòi hỏi phải đi dây mắc cáp trên tường, sàn nhà, hay trần nhà, việc này khá bất tiện và có thể rất tốn kém

Ngược lại, với việc cung cấp kết nối mạng không dây trong những hoàn cảnh này thường khá đơn giản chỉ với việc cài đặt một thiết bị access point đơn giản Có lẽ điều quan trọng hơn là sự gia tăng nhanh chóng các thiết bị mang tính di động cao như laptop và handheld, nhờ đó con người có thể truy cập mạng mọi lúc mọi nơi, điều mà chỉ có mạng không dây vô tuyến có thể làm được Kết nối mạng trong phòng hội nghị hay ngồi trên ghế sofa trong phòng khách chỉ là 2 ví dụ cho khả năng mềm dẻo linh hoạt của WLAN

Nhờ thuận lợi trong khả năng di động cao, ngày nay WLAN cho phép truy cập Internet chỉ với rất ít chi phí hoặc miễn phí trong mạng không dây công cộng Năm

2005 tại San Francisco, Google đã triển khai dịch vụ Wi-Fi miễn phí trên toàn thành phố Không những thế sự gia tăng nhanh chóng các điểm truy cập Internet nhỏ lẻ hơn như quán café, sân bay, khách sạn, vân vân… Ngoài ra khi các mạng này được liên kết với công nghệ VPN, người lao động có thể truy cập an toàn tới mạng của công ty từ bất kì đâu

Trang 10

Rất nhiều sản phẩm và hệ thống WLAN khác nhau hiện nay phần lớn dựa trên chuẩn 802.11b, 802.11g, 802.11a, các chuẩn này cung cấp thông lượng nâng cao dựa trên nguyên bản 802.11

IEEE 802.11b làm việc trên băng tần 2.4 Ghz, giống như 802.11g, trong khi IEEE 802.11a làm việc trên dải tần 5 Ghz Các dải phổ này hoàn toàn miễn phí

Sau đây là chi tiết các chuẩn:

- IEEE 802.11: Sử dụng đa truy nhập cảm nhận sóng mang và tránh xung đột

(Carrier Sense Multiple Access/Collision Advoidance: CSMA/CA) ở lớp MAC (Media Access Control) thuộc tầng liên kết dữ liệu (Data Link) trong

mô hình mạng OSI, với 1 và 2 Mbps cho trải phổ chuỗi trực tiếp (Directed

Sequence Spread Spectrum: DSSS), trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum: FHSS) trên băng tần 2.4 Ghz, phê chuẩn năm 1997

- IEEE 802.11a: Làm việc ở tốc độ 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 và 54 Mbps trên băng tần 5 Ghz, phê chuẩn năm 1999

- IEEE 802.11b: Làm việc từ 5.5 đến 11 Mbps trên băng tần 2.4 Ghz, phê chuẩn năm 1999

- IEEE 802.11e: Cải tiến tại lớp MAC cho Chất lượng dịch vụ (Quality of

Service: QoS), đang được nghiên cứu

- IEEE 802.11f: Inter Access Point Protocol (IAPP) thông qua năm 2003

- IEEE 802.11g: Làm việc với tốc độ giống 802.11a và cũng làm việc trên băng 2.4 Ghz như 802.11b, phê chuẩn năm 2003

- IEEE 802.11n: Đang được cải tiến để đẩy nhanh thông lượng của 802.11 (100Mbps+)

- Và còn rất nhiều chuẩn 802.11 khác…

Sự tiến bộ trong công nghệ WLAN tiếp tục với chuẩn 802.11n mới Tốc độ truyền dữ liệu được cải thiện với khái niệm đa nhập đa xuất của công nghệ MIMO, ra đời bởi Foschini năm 1996 ở Bell Labs Vào năm 2004, Atheros đã chứng minh các thiết bị 40 MHz có thể đưa ra được giá thành bằng với thiết bị 20MHz Trong cùng

khoảng thời gian đó, tổ chức FCC và ETSI (European Telecommunications Standards Institute) chấp nhận khung chuẩn mới trong băng tần 5 GHz và thêm vào 400 MHz

Trang 11

Bảng 1.1a: Các băng tần và mức tiêu thụ điện năng của một số chuẩn 802.11

Băng tần điều khiển

dữ liệu

Năm 2003, có một sự kiện đáng chú ý đó là Broadcom cho ra đời chipset dựa trên một bản nháp của 802.11g, trước lần cuối cùng cho ra mắt chuẩn g Đó chính là tiền đề cho cơn bão ra đời tiền chuẩn n và bản nháp chuẩn n vào năm 2005 và 2006 Hầu hết

tất cả các sản phẩm này đều có xử lý dựa trên công nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output), hoặc dựa trên bản nháp 1.0 của 802.11n, và do đó vẫn chưa có bản

nào phù hợp với bản chuẩn cuối cùng để cho ra mắt

Tháng 6 năm 2007 tổ chức Wifi Alliance đã đưa ra bản nháp 2.0 cho 802.11n xác định các thông số cơ bản với các thiết bị tuân theo chuẩn này Trong một tương lai gần chắc chắn chuẩn 802.11n sẽ trở thành hiện thực đáp ứng được nhu cầu của con người

Trang 12

1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA 802.11

IEEE 802.11 là một nhóm các chuẩn bắt đầu phát triển từ một lớp MAC chung cho tới tầng vật lý để chuẩn hóa mạng không dây WLAN Cũng là một thành viên của họ chuẩn IEEE 802 như chuẩn mạng LAN và MAN, 802.11 giao tiếp với kiến trúc 802.1, quản lý, làm việc phối hợp, và 802.2 logic link control (LLC) Sự kết hợp giữa 802.2 LLC và 802.11 MAC và tầng vật lý đã tạo nên tầng liên kết dữ liệu (data link) và tầng vật lý trong mô hình OSI, ta có thể mô tả theo hình 1.2

Phiên bản ban đầu của chuẩn 802.11 được hoàn thành năm 1997 Bị ảnh hưởng bởi thành công rất lớn của công nghệ Ethernet (802.3), 802.11 MAC cũng dựa trên

giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Với CSMA, một trạm muốn truyền phải nghe trước trên đường truyền trong một khoảng thời gian nhất định Nếu đường truyền rỗi trong khi thời gian nghe thì trạm đó

sẽ cho phép truyền Nếu như đường truyền bận, trạm đó phải hoãn việc đang truyền dữ

liệu Ethernet sử dụng một loại biến thể khác của CSMA là CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) Sau khi xác định được rằng đường truyền rỗi và

truyền dữ liệu, trạm đó vẫn tiếp tục nhận tin hiệu truyền và chống đụng độ Nếu có đụng độ xảy ra, 2 trạm xảy ra đụng độ chỉnh lùi lại khoảng một thời gian ngẫu nhiên đợi để truyền lần sau Thời gian đếm lùi ngẫu nhiên này đếm ngược từ lúc xảy ra đụng

độ

Với mạng không dây thì không thể chống được đụng độ trực tiếp khi truyền được mà sử dụng một dạng khác là CSMA/CA Với CSMA/CA , nếu trạm đó phát hiện trên đường truyền bận, nó sẽ hoãn việc truyền dữ liệu và cho một khoảng thời gian đếm ngược ngẫu nhiên cho tới khi đường truyền rỗi Việc này lặp lại cho tới khi phát hiện đường truyền rỗi Khi có đụng độ sẽ phát hiện ra ngày lập tức nhờ mạch điện

tử kiểm tra, lúc đó đụng độ trong WLAN sẽ được dự đoán thông qua bản tin ACK hoặc tin hồi đáp khác từ trạm điều khiển truyền

Bản 802.11 đời đầu (1997) bao gồm 3 yếu tố vật lý: tia hồng ngoại

(infrared:IR), trải phổ nhảy tần tần số 2.4 Ghz (FHSS), và trải phổ liên tục 2.4 GHz

(DSSS) Theo đó 2 chuẩn ra đời năm 1999: 802.11b dựa trên DSSS tăng tốc độ truyền trên băng tần 2.4 GHz và 802.11a được tạo ra trên bằng tần mới 5 GHz 802.11b dựa

trên DSSS với sự bổ sung mã khóa (complementary code keying: CCK), tăng cường

Trang 13

khả thi cao hơn là IR và FHSS

Hình 1.2 Mô hình mạng OSI

Sự phát triển của 802.11a được giới thiệu dựa trên công nghệ ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao (orthogonal frequency division multiplexing: OFDM) trong 802.11

Thậm chí ngay cả khi 802.11a giới thiệu với tốc độ truyền 54 Mbps, chạy trên tần số 5 GHz, tuy nhiên kết quả vẫn thông qua khá chậm Nhiều thiết bị mới mong muốn có được tốc độ cao như chuẩn 802.11a nhưng vẫn giữ lại khả năng tương thích cao của chuẩn 802.11b, vừa có thể tương thích với các thiết bị chuẩn b cũ vừa, như vậy có thể chạy trên cả 2 băng tần radio của

cả 2 chuẩn a và b Hơn thế nữa bằng tần thông dụng 2.4 GHz còn cho phép sử dụng qua thương mại, ngược lại trong năm 1999 và 2000 băng tần 5 GHz được sử dụng ngoài quân đội

đã đến giới hạn để chọn kênh ở nước Mỹ

Vào năm 2001, FCC đã cho phép sử dụng công nghệ OFDM trên băng tần 2.4 GHz Sau đó, nhóm nghiên cứu 802.11 đã phát triển 802.11g, kết hợp giữa 802.11a

PHYSICAL

Trang 14

OFDM trong băng tần 2.4 GHz, và cho chuẩn này ra đời năm 2003 Ngoài ra, còn có các thiết bị kết hợp có thể chạy cả 2 loại chuẩn 802.11b và g Điều này cho phép 802.11g làm việc cùng 802.11b, hoặc nhúng 802.11b vào các thiết bị mới hơn như AP 802.11g mới Nhờ có điều này và tốc độ được nâng lên 54 Mbps Tuy nhiên với sự ra đời của 802.11n sẽ còn hứa hẹn sẽ mang đến cơ hội rất lớn cho tốc độ còn cao hơn lên tới 300 Mbps trên 20MHz và 600 Mbps trên 40 MHz

Bảng 1.1b tổng quan về các chuẩn 802.11

802.11 802.11b 802.11a 802.11g 802.11n Công nghệ

5.5 – 11 Mbps 6 – 54

Mbps

1 – 54 Mbps

6 – 600 Mbps

Trang 15

1.3 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VỀ THÔNG LƯỢNG TỐC ĐỘ CAO VÀ CHUẨN 802.11n

1.3.1 Nhóm nghiên cứu thông lượng tốc độ cao

Tháng 1 năm 2002, đường truyền tốc độ cao bắt đầu xuất hiện từ khi 802.11a ra đời với sự giới thiệu của nhóm Wireless Next Generation Standing Committee (WNC SC) của IEEE 802.11 Từ đây đã có những ý kiến cho rằng cần đẩy nhanh tốc độ truyền dữ liệu của WLAN, thậm còn cao hơn cả tốc độ mạng LAN có dây sử dụng công nghệ Ethernet là 100 Mbps+ Và sau nhiều lần giới thiệu, tháng 9 năm 2002 Nhóm nghiên cứu thông lượng tốc độ cao (the High Throughput Study Group: HTSG)

đã ra mắt với buổi họp đầu tiên Mục đích hàng đầu của HTSG là hoàn thành 2 văn

bản cần thiết để tạo ra nhóm High Throughput Task Group (TGn), bao gồm mẫu dự thảo PAR (the project authorization request) và năm tiêu chuẩn

Ở đây, việc bổ sung chuẩn hóa được phát triển bởi TGn phải bao gồm cả việc

xử lý sao cho thông lượng thực ít nhất phải đạt 100 Mbps Thông lượng (throughput)

là sự đo lường của lượng thông tin sử dụng phát ra bởi hệ thống, sử dụng thông lượng

để làm số đo, ở cả MAC và PHY, nó cần phải được xem xét kĩ lưỡng Ở hệ thống sử dụng 802.11a /g thường có thông lượng cao nhất vào khoảng 25 Mbps; theo như yêu cần đạt ít nhất 100 Mbps thì phải tăng gấp 4 lần thông lượng

Ngoài vấn đề thông lượng ra còn nhiều vấn đề khác cần phải tính tới như tổng hợp dung lượng mạng, tiêu hao điện năng, sự linh hoạt của phổ, độ giao động của chi phí, khả năng tương thích với các thiết bị cũ

Nhóm nghiên cứu chứng minh sự cần thiết phải bổ sung hệ thống qui chuẩn với năm tiêu chuẩn, bao gồm (1) điện năng, (2) khả năng tương thích với kiến trúc IEEE 802.1, (3) phân biệt rõ ràng với các chuẩn 802 khác, (4) công nghệ mang tính khả thi cao và (5) mang tính kinh tế cao

1.3.2 Các thiết bị cầm tay (handheld devices)

Ngày nay nổi bật lên trong xu thế chung của mạng viễn thông là sự hội tụ giữa mạng không dây Wi-Fi và các thiết bị di động cầm tay Với nhu cầu ngày càng lớn trong tương lai chắc chắn mạng Internet sẽ phát triển trên cả các thiết bị di động

Do đó việc phát sinh tranh chấp giữa các nhà cung cấp thiết bị cầm tay trong quá trình yêu cầu thông lượng cao như 100 Mbps là khó tránh khỏi Thật khó có thể yêu cầu một thiết bị cầm tay có thể chứa hết các loại sóng và các ăng-ten cho các loại

Trang 16

sóng 2G, 3G, Bluetooth và một số loại GPS Như vậy một thách thức lớn cho các thiết

bị dùng chuẩn 802.11n là làm sao có thể cùng tồn tại với các thiết bị khác chạy theo 802.11a/g…

1.3.3 Môi trường và ứng dụng với 802.11n

Tập dịch vụ cơ bản (Basic service set: BSS) là khối kiến trúc cơ bản của một

802.11 LAN Các trạm bên trong một vùng phủ sóng nhất định và tạo ra hình thái liên kết mềm của một BSS Kể cả hình thái liên kết cơ bản nhất, nơi các trạm liên lạc trực tiếp với một mạng ad-hoc, cũng được qui vào thành một BSS hoặc IBSS Ta có thể xem hình 1.4 để thấy rõ hơn

Mặc dù thông thường hơn, các trạm liên kết với một trạm trung tâm được dùng

làm nơi điều khiển BSS và ta thường thấy đó là một thiết bị access point (AP) Một

BSS được hình thành quanh một AP được gọi là một BSS cơ bản và trong hình 1.4 chính là BSS 2 và 3 Các BSS cơ sở có thể được liên hệ với nhau thông qua các AP

của chúng qua một hệ thống phân phối (Distribution system: DS)

Hình 1.4 BSS, DS, ESS

Các BSS kết nối với nhau bởi một DS và nó tạo ra một vùng mở rộng gọi là tập

dịch vụ mở rộng (Extended Service Set: ESS) Một khái niệm khóa của ESS là các

trạm nằm trong một ESS có thể gửi trực tiếp cho nhau qua lớp MAC ESS được hình

Trang 17

khiển tới DS Tuy nhiên trong thực tế DS thường là một mạng LAN Ethernet (802.3)

và chức năng của AP giống như một thiết bị cầu (brigde) Ethernet Vì thế các trạm trong một BSS cũng có thể gửi được địa chỉ MAC vào trong mạng LAN theo phân lớp MAC

Trong quá trình phát triển của 802.11n, có ba môi trường cơ bản được xem như

để nghiên cứu và xem khả năng của hệ thống: Nhà riêng, công sở và các điểm công cộng Trong mỗi môi trường này lại mô tả một số lượng người sử dụng các ứng dụng khác nhau Ví dụ có thể là xem tivi điều khiển từ xa từ dây cáp hoặc một hộp giải trí trong nhà, hay nói chuyện qua điện thoại điều khiển từ xa trên một cái bàn trong khi làm việc Ngoài ra, cách thức sử dụng được phát triển để mỗi môi trường lại kết hợp nhiều trường hợp và ứng dụng đan xen khác nhau

Hình 1.5 BSS tại nhà riêng

Cuối cùng, một kịch bản giả định được tạo cho mỗi mô hình sử dụng và môi trường Các giả định này được dùng để tác động lên chức năng của MAC khi so sánh các đề xuất với nhau Mỗi giả định bao gồm một kênh liên kết với với môi trường cụ thể Thêm vào đó, vị trí của AP và các trạm đã xác định sẽ đưa cho ta vị trí các thành phần cụ thể với mô hình được sử dụng trong giới hạn của khoảng cách từ AP đến các trạm Với mỗi ứng dụng, các tham số hệ thống được xác định dựa trên kích thước gói

Trang 18

tin (packet),ví dụ như mức độ mất gói lớn nhất được cho phép bởi ứng dụng đó, độ trễ lớn nhất, mức độ chạy giao thức tầng mạng (như UDP hoặc TCP), và mức độ tải

Với mô hình sử dụng ở nhà riêng gồm một BSS, như hình 1.5 Trường hợp này thường chỉ bao gồm một AP và nhiều trạm máy client Thường thường cấu hình trạm

AP để sử dụng các ứng dụng bao gồm truy cập Internet và tải âm thanh và video Ngoài ra với một số ứng dụng cho mạng nội bộ như truyền file, backup dữ liệu và in

ấn cần dữ liệu truyền với tốc độ cao Hiện nay còn nhiều ứng dụng mới khác như voice over IP (VoIP) và điện thoại hình (video phones) cũng có thế được sử dụng tại nhà

riêng

Hình 1.6 BSS tại công sở, cơ quan.

Với đường truyền thông lượng cao, chỉ với một AP cũng có thể mang lại giải

Trang 19

DVD và chuẩn HD TV Tiện ích đem lại từ các ứng dụng không dây tốc độ cao bao gồm cả việc tải từ một máy quay video máy ảnh Bên cạnh đó ảnh hưởng của Game cũng dần tác động tới công nghệ không dây Game thủ sẽ được

lợi hơn từ việc tự do hơn không phải phụ thuộc tới dây cáp để kết nối giữa tay cầm

máy console, máy console và màn hình, giờ đây tất cả đã có thể kết nối bằng sóng

không dây

Đối với trường hợp môi trường công sở cần phải cung cấp kết nối mạng bởi nhiều BSS để bao phủ hết tòa nhà và các tầng, ta có thể xem hình 1.6 để hiểu rõ Các BSS được kết nối thông qua hệ thống phân phối, thông thường là dùng Ethernet để tạo

ra vùng mở rộng ESS Mạng ở đây sẽ được triển khai theo tế bào, mỗi một AP thêm vào sẽ tăng cường mức độ phủ sóng và dung lượng mạng

Các ứng dụng mạng như truyền file và backup dữ liệu ổ sẽ có lợi hơn khi sử dụng đường truyền tốc độ cao của 802.11n Tốc độ truyền cao hơn sẽ tăng cường cho dung lượng mạng nhờ đó sẽ có nhiều máy client hơn được hỗ trợ Thông lượng cao cũng sẽ cho phép nhiều ứng dụng mới như điều khiển màn hình từ xa thông qua kết nối không dây giữa một laptop với một máy chiếu, điều này sẽ làm đơn giản hóa trong quá trình trình chiếu ở phòng họp Ngoài ra video không dây và VoIP cũng có thể được hỗ trợ

Hình 1.7 BSS tại một sân bay

Trang 20

Cuối cùng với trường hợp tại những điểm nóng mật độ người lớn như sân bay mật độ di chuyển cao (hình 1.7), quán café, thư viện, khách sạn, và trung tâm hội nghị Một vài đô thị cũng có một số nơi được phủ sóng Wi-Fi Một vài điểm nóng có thể được xác định được cả trong hoặc ngoài nhà (indoor và outdoor) và cần phải phủ sóng trên một vùng rộng Bởi vậy trường hợp này khá rộng bản chất khác nhiều so với nhà riêng và công sở Tại một điểm nóng, phần lớn lưu lượng đi qua Internet và một phiên kết nối thông thường kéo dài ít nhất phải hơn 2 tiếng

Các ứng dụng bao gồm duyệt web, truyền file qua Internet, gửi email Cũng như vậy các ứng dụng mới thường xuất hiện ở các điểm nóng như xem tivi trực tuyến hoặc xem phim trên laptop hoặc các loại màn hình khác, hơn thế nữa còn cả xử lý âm thanh và video chất lượng cao đòi hỏi tốc độ đường truyền cao

1.4 KẾT LUẬN

Như vậy ở chương I này, chúng ta đã có phần nào cái nhìn tổng quan về mạng không dây với chuẩn 802.11 và 802.11n: Từ lịch sử phát triển cho tới các công nghệ, kĩ thuật được sử dụng trong 802.11 và 802.11n Từ đó giúp ta có bước đầu làm quen với các

thuật ngữ, công nghệ cũng như kĩ thuật sử dụng trong 802.11 và 802.11n

Ở chương II, Hoạt động của các kĩ thuật được sử dụng ở lớp MAC trong chuẩn 802.11

và 802.11n sẽ được đi sâu hơn, giúp ta có cái nhìn rõ ràng hơn về chuẩn 802.11 và 802.11n

Trang 21

Phân lớp MAC trong chuẩn 802.11n

CHƯƠNG II PHÂN LỚP MAC TRONG CHUẨN 802.11n

Phân lớp MAC cung cấp địa chỉ vật lý và điều khiển truy nhập kênh giúp cho các trạm nằm trên cùng một mạng có thể liên lạc được với nhau IEEE 802.11 thường được xem như mạng Ethernet không dây, ít ra trong khía cạnh dung địa chỉ vật lý vào truy nhập kênh, 802.11 rất giống với Ethernet, IEEE 802.3 Giống như một thành viên trong họ qui chuẩn 802, IEEE 802.11 sử dụng 48 bit ô địa chỉ, vì vậy nó có khả năng tương thích với mạng Ethernet ở tầng liên kết dữ liệu 802.11 MAC cũng hộ trợ chia sẻ truy nhập mạng không dây thông qua một công nghệ gọi là đa truy nhập cảm nhận

sóng mang tránh đụng độ, carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA), cũng tương tự với CSMA/CD của Ethernet Với cả 2 công nghệ trên, nếu

kênh truyền rỗi, một trạm sẽ được phép truyền dữ liệu, nhưng nếu kênh truyền bận thì sau đó trạm phải ngừng truyền dữ liệu Tuy nhiên trong quá trình xử lý thì Ethernet và 802.11 có điểm khác nhau

Với giao thức truy nhập kênh của Ethernet về bản chất là đợi đường truyền rỗi mới bắt đầu truyền, và nếu có đụng độ xảy ra trong khi truyền thi ngưng truyền và bắt đầu đếm lùi theo một khoảng thời gian ngẫu nhiên Điều đó là không khả thi để một thiết bị truyền có thể phát hiện một đụng độ trong khi truyền ở môi trường truyền không dây Do đó giao thức truy nhập kênh của 802.11 phải cố gắng tránh các đụng

độ Khi đường truyền rỗi, một trạm sẽ đợi theo 1 khoảng thời gian ngẫu nhiên trong khi nó tiếp tục nghe trên đường truyền, và nếu kết thúc khoảng thời gian đếm ngẫu nhiên đó, đường truyền vẫn rỗi thì lúc đó mới bắt đầu truyền Khoảng thời gian ngẫu nhiên đó sẽ làm giảm đi cơ hội cho đụng độ xảy ra vì khi một trạm khác đợi để truy cập vào đường truyền sẽ có một khoảng đếm ngược khác nhau, đó là cách tránh đụng

độ của CSMA/CA

Nói đơn giản, cơ sở để hỗ trợ công nghệ CSMA/CA cũng dựa trên giao thức 802.11 MAC và cũng gần giống với Ethernet Tuy vậy do đường truyền không dây khác với có dây nên cũng có một số điểm khác nhau:

- Đường truyền không dây dễ bị lỗi và lợi ích nội bật của nó độ trễ thấp, dễ sửa lỗi đường truyền hơn so với có dây

Trang 22

- Trên một đường truyền không dây không phải tất cả các trạm đều có thể nghe thấy các trạm khác Một vài trạm có thể nghe được các trạm ở gần, nhưng không nghe được các trạm xa hơn (hiện tượng ẩn nút)

- Tốc độ truyền mà một kênh có thể hỗ trợ bị ảnh hưởng rất lớn bởi khoảng cách và tuy theo môi trường truyền Cũng như vậy điều kiện kênh có thể thay đổi với theo khoảng thời gian từ trạm phát đến trạm nhận và phụ thuộc theo môi trường Các trạm cần phải liên tục điều chỉnh tốc độ truyền trao đổi thông tin để tối ưu thông lượng

- Các trạm hay di chuyển cần các cơ chế quản lý để liên kết với nhau hay tách

ra từ các WLAN mà chúng vừa thay đổi vị trí

Sau đây trong chương này ta sẽ giới thiệu tổng quan về phân lớp MAC trong 802.11 mà ưu tiên là giới thiệu 802.11n Sau đó giới thiệu về phân lớp giao thức, cách thức điều khiển trong 802.11 Và theo đó giới thiệu chi tiết về kênh truy nhập và tốc

độ truyền

2.1 PHÂN LỚP GIAO THỨC

Một vài khái niệm cơ bản về phân lớp giao thức và truyền tin ta có thể xem trong hình 2.1 để có thể hiểu được vài trò của lớp MAC Trong cách phân lớp này, mỗi thực thể, tầng vật lý và lớp MAC, cung cấp các dịch vụ tới các thực thể trong lớp, dữ

liệu được truyền giữa các lớp được gọi là đơn vị dữ liệu dịch vụ (Service data unit:

SDU) Lớp MAC nhận dữ liệu từ lớp LLC và trả lại dữ liệu cho lớp LLC thông qua

đơn vị dữ liệu lớp MAC (MAC SDU: MSDU) Tầng vật lý nhận dữ liệu từ lớp MAC

và trả lại dữ liệu cho lớp MAC trong một đơn vị dữ liệu tầng vật lý (PHY SDU:

PSDU)

Vậy một giao thức chính là trung gian để các khối thực thể trong các lớp hay tầng trao đổi dữ liệu và điều khiển thông tin với các khối ngang hàng Sự trao đổi này

thông qua các thông tin điều khiển PDU (protocol data unit) được thêm vào trong quá

trình đóng gói dữ liệu qua các tầng Lớp MAC trao đổi các MPDU với các khối ngang hàng và tầng vật lý trao đổi các PPDU với các khối ngang hàng

Một ví dụ khác thường thấy trong chuẩn 802.11 là khi các trạm giao tiếp với nhau qua lớp MAC và tầng vật lý trong các thiết bị cũng trên cơ sở các khối này

Trang 23

Hình 2.1 Hoạt động giữa các lớp LLC, MAC, PHY

2.2 CÁC CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN

Trong chương I, BSS là khối kiến trúc cơ bản của 802.11 WLAN Có hai loại

BSS, BSS độc lập (Independent BSS: IBSS), đây loại mạng tùy biến (ad-hoc) kết hợp

của các trạm, chúng liên lạc trực tiếp với nhau Loại thứ hai là BSS có hạ tầng mạng, loại này được xây dựng bởi một AP có thể đã được kết nối với trung tâm điều phối (DS) và thông qua đó truyền tải đến các nơi, từ trạm tới trạm tới trạm rồi tới DS Ở đây chúng ta chỉ đề cập tới loại mạng có hạ tầng dù trên thực tế phần lớn là loại mạng IBSS

Một trạm sẽ nhận biết được sự tồn tại của BSS thông qua dò quét bởi bản tin

thụ động Beacon sẽ được truyền đi để thăm dò sự tồn tại của một AP thông qua một

thăm dò Request/Response trao đổi

Một trạm là thành viên của một BSS theo một cách linh hoạt Trạm này có thể bật hoặc tắt, hay có thể di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của BSS Một trạm có thể trở thành 1 thành viên của một BSS bằng cách liên kết với BSS, và cũng có thể tái liên kết với một BSS Trong một ESS bao gồm hạ tầng của nhiều BSS, một trạm có thể di chuyển từ BSS này sang một BSS khác mà vẫn nằm trong ESS thông qua việc liên kết lại

Trang 24

2.2.1 Beacon

AP trong một BSS có hạ tầng định kì phát ra khung các Beacon quảng bá

Khoảng thời gian định kì phát ra Beacon xác định một lịch trình cố định của khoảng

thời gian truyền tín hiệu Beacon (target beacon transmission time: TBTT) và khung

tin Beacon tự động truyền trên hoặc gần sát TBTT để có thể truyền được trên đường

truyền trong khoảng rỗi Sau đây hình 2.2 sẽ cho thấy rõ hơn:

Trang 25

Quét bị động là chỉ xử lý nhận, đó là sự tự tương thích với tất cả các miền Với

quét bị động trạm sẽ tìm các khung truyền dẫn Beacon và chuyển các kênh để tìm kiếm các khung truyền dẫn này Khung Beacon bao gồm thông tin mã vùng, điện năng

truyền tải tối đa cho phép, và các kênh dùng để miền điều khiển Một trạm tìm thấy AP

thông qua khung Beacon của nó và thông tin điều khiển này, nó có thể chứng tỏ AP trực tiếp thêm thông tin khi sử dụng một trao đổi thăm dò Probe Request/Response nếu thông tin bổ sung không được hiện diện ở khung Beacon

Hình 2.4 Quét chủ động

Quét chủ động có thể được dùng khi nó được cho phép bởi miền điều khiển khi

trạm xử lý Với quét chủ động một trạm truyền các khung Probe Request trên mỗi kênh để tìm một BSS Phụ thuộc vào phần lớn quá trình tìm kiếm, khung Probe Request bao gồm các thông tin địa chỉ như sau:

- SSID (service set identifier): SSID trong Probe Request có thể chính là

SSID trong ESS nơi trạm tìm kiếm BSS hoặc có thể là SSID đại diện

- BSSID (BSS identifier): BSSID trong khung Probe Request có thể chính là

một BSS cụ thể hoặc có thể là BSSID đại diện

- DA (destination address): DA của khung Probe Request là địa chỉ quảng bá

hoặc một địa chỉ MAC cụ thế của trạm phát sóng AP

Trang 26

Một AP khi nhận một Probe Request quảng bá sẽ gửi lại một Probe Response tới

trạm đã yêu cầu nếu các điều kiện sau đúng:

(a) SSID là SSID đại diện hoặc là SSID của ESS

(b) BSSID là BSSID đại diện hoặc BSSID của AP

Các AP có thể sẽ hồi đáp Probe Request bằng cách dùng các thủ tục truy nhập

kênh thông thường để tránh đụng độ

a Máy trạm gửi yêu cầu xác thực đến AP

b AP gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận

c AP gửi khung xác thực về phía máy trạm để khẳng định quá trinh xác thực hợp lệ

d Máy trạm gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận Quá trình xác thực kết thúc

Trang 27

WEP có thể được dùng cùng xác thực OSA Tuy nhiên WEP chỉ được dùng để

mã hóa các dữ liệu lớp trên sau quá trình xác thực và quá trình liên kết hoàn chỉnh Chính nhờ sự đơn giản của mình mà OSA thường được sử dụng cùng một vài phương pháp bảo mật khác tiên tiến hơn như WPA, 802.1X/EAP cho các mạng yêu cầu bảo mật cao

B Xác thực khóa chia sẻ (SKA)

Xác thực SKA sử dụng WEP để xác thực các máy trạm và yêu cầu các khóa WEP tĩnh phải được cấu hình trên tất cả các máy trạm và AP Quá trình xác thực diễn

ra như sau:

a Máy trạm gửi khung tin yêu cầu xác thực đến AP

b AP gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận

c AP gửi tiếp một khung xác thực thứ 2 trong đó có chứa một đoạn bản tin 128 octet dưới dạng không mã hóa

d Máy trạm gửi bằng ACK báo nhận

e Máy trạm dùng WEP của mình thực hiện mã hóa đoạn bản tin 128 octet nhận được từ AP sau đó gửi bản tin đã mã hóa vào khung xác thứ 3 trở về AP

f AP gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận

g AP thực hiện giải mã đoạn bản tin mã hóa nhận được từ máy trạm Nếu đoạn bản tin sau khi giải mã phù hợp với đoạn bản tin 128 octet khởi tạo lúc đầu thì

AP sẽ gửi khung xác thực cuối cùng về phía trạm khẳng định quá trình xác thực hợp lệ Trong trường hợp không phù hợp, AP sẽ gửi khung xác thực chỉ ra rằng khóa WEP không hợp lệ, quá trình xác thực không thành công.Máy trạm gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận Quá trinh xác thực kết thúc

h Máy trạm gửi trả lời bằng khung ACK báo nhận Quá trinh xác thực kết thúc

Xác thực SKA bảo mật kém hơn xác thực OSA Trong quá trình xác thực SKA, khóa WEP được dùng để mã hóa đoạn bản tin 128 octet Nếu có người muốn xâm nhập trái phép vào mạng, người đó có thể dùng thiết bị nghe trộm để bắt và phân tích các khung xác thực trao đổi giữa máy trạm và AP để tìm ra khóa WEP được dùng, sau đó dùng chính khóa này kết nối vào mạng

Trang 28

Hình 2.6 Xác thực khóa chia sẻ

2.2.4 Quá trình liên kết (Association)

Trước khi một trạm được cho phép gửi dữ liệu thông qua AP nó phải liên kết với AP Quá trình liên kết cung cấp một ánh xạ giữa trạm đó với AP, cho phép tin nhắn trong DS tới được AP mà trạm đó được liên kết và cuối cùng là tới chính trạm

đó Khi đưa ra một trạm bất kì dĩ nhiên trong một thời điểm nó chỉ có thể liên kết với một AP

Quá trình liên kết được bắt đầu từ trạm khi trạm gửi một yêu cầu liên kết

(Association Request) tới AP Nếu trạm này được kết nạp, AP sẽ hồi đáp bằng liên kết hồi phản hồi (Association Response) Bằng trao đổi Association Request và Response,

trạm và AP có thể trao đổi thông tin và AP sẽ đưa thông tin của trạm đó vào trong BSS

2.2.5 Tái liên kết (Reassociation)

Quá trình tái liên kết hỗ trợ cho BSS về khả năng di động, cho phép một trạm di chuyển từ vùng đang có liên kết với một AP để sang một vùng có AP khác nhưng vẫn thuộc một ESS Điều này DS luôn giữ được ánh xạ giữa AP và trạm Tái liên kết có thể thay đổi một số thông tin liên kết của trạm như thông tin dung lượng trạm

Quá trình tái liên kết được bắt đầu khi trạm gửi một yêu cầu tái liên kết

(Reassociation Request) tới AP AP sẽ hồi đáp bằng liên kết một phản hồi (Reassociation Response)

2.2.6 Ngắt liên kết (Disassociation)

Quá trình này có thể được thực hiện bởi cả AP và trạm Trạm ngắt liên kết khi rời khỏi mạng Tuy nhiên khi mất kết nối, một khoảng thời gian sẽ cho phép AP ngắt

Trang 29

Để ngắt liên kết với một máy trạm từ BSS, AP hoặc trạm đó sẽ gửi một khung

tin ngắt liên kết (Disassociation) Khung tin Disassociation không phải là một yêu

cầu, như vậy phía đầu kia chỉ nhận khung tin, không cần đáp lại

2.3 TRUY NHẬP KÊNH PHÂN PHỐI

Trong 802.11 MAC bao gồm 2 chức năng: Khối chức năng DCF (Distributed Coordination Function) và PCF (Point Coordination Function)

DCF là phương pháp truy nhập cho phép tất cả các trạm trong một WLAN tranh chấp nhau nhằm danh quyền truy nhập vào môi trường truyền dẫn có tính chất chia sẻ nhờ giao thức CSMA/CA Các mô hình mạng BSS - mô hình có duy nhất một

AP và các máy trạm -, ESS - mô hình mở rộng của BSS cho phép nhiều AP và các máy trạm -, IBSS – mô hình này có thể không có AP mà chỉ có các máy trạm kết nối trực tiếp với nhau – đều có thể sử dụng DCF Các AP trong những mô hình này hoạt động tương tự như hub ở mạng LAN 802.3 để truyền dữ liệu

PCF là một chế độ truyền dẫn cho phép truyền các khung không xung đột trong mạng WLAN bằng cách sử dụng thuật toán thăm dò Ưu điểm của PCF là đảm bảo khoảng thời gian trễ xác định vì vậy các ứng dụng yêu cầu về QoS (như ứng dụng thoại hay truyền hình thời gian thực) có thể sử dụng trên nền chế độ này Khi sử dụng PCF, AP sẽ đảm nhiệm chức năng thực hiện thuật toán thăm dò do đó các mạng ad-hoc (có thể không có AP) không thể dùng được chế độ này PCF phải được kết hợp sử dụng với DCF

Do môi trường truyền dẫn là không dây nên môi trường truyền là half –duplex

vì vậy cần đảm bảo cùng 1 thời điểm chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trong môi trường CSMA/CA là giao thức nhằm đảm bảo điều đó, tuy nhiên thực tế vẫn xảy ra khi hai thiết bị cùng truyền dẫn tại một thời điểm CSMA/CA thực hiện nhiều biện pháp để có thể giảm thiểu tối đa hiện tượng đó

Chức năng cảm nhận sóng mang để xác định môi trường truyền dẫn bận hay rỗi, bao gồm cảm nhận vật lý nhờ mạch điện tử kiểm tra về cường độ và tần số sóng phản hồi để nhận ra sự xung đột hoặc cảm nhận logic nhờ vào sử dụng giao thức RTS/CTS, trường NAV, báo nhận ACK Chức năng đa truy nhập nhằm đảm bảo tất cả các trạm trong mạng WLAN đều có cơ hội ngang hàng nhau trong tranh chấp Chức

Trang 30

năng tránh xung đột nhằm đảm bảo tại một thời điểm chỉ có một thiết bị được quyền truyền dữ liệu tránh tối đa xung đột nhờ sử dụng thời gian chờ ngẫu nhiên

Giao thức RTS/CTS nhằm thực hiện chức năng cảm nhận sóng mang logic Cảm nhận sóng mang logic làm việc bằng cách sử dụng trường NAV (Network Allocation Vector: Vecto định vị mạng) hoạt động như một bộ định giờ trên mỗi máy trạm

Khi một trạm muốn truyền dữ liệu, nó phải gửi một khung tin RTS dưới dạng quảng bá, khung này chứa trường NAV thiết lập trên tất cả các trạm nghe được nó một khoảng thời gian cần thiết để trạm này có thể hoàn thành quá trình truyền dữ liệu của mình công thời gian nhận khung tin ACK trả lời từ trạm thu Trạm thu sau khi nhận được khung tin RTS sẽ đợi một SIFS (khoảng cách liên khung ngắn) và gửi trả lời trạm phát bằng khung CTS dưới dạng quảng bá

Trạm phát nhận được CTS từ trạm thu lại đợi hết một SIFS và bắt đầu truyền

dữ liệu Sau khi nhận được khung dữ liệu, trạm thu đợi hết một SIFS sẽ gửi trả lời về trạm phát bằng khung ACK báo rằng mình đã nhận đủ dữ liệu

Lúc này khoảng thời gian NAV ở các trạm khác vừa hết và tất cả lại tiếp tục tham gia vào quá trình tranh chấp mới để dành quyền chiếm dụng môi trường truyền thông

Hình 2.7 Hoạt động của RTS/CTS

Nhược điểm của giao thức RTS/CTS là chiếm dụng băng thông do truyền các bản tin RTS và CTS dưới dạng quảng bá Vì lý do đó mặc định giao thức RTS/CTS không được phép hoạt động, chỉ trong một số trường hợp cần thiết giao thức này mới

Trang 31

đột làm giảm băng thông xuống mức bất thường thì RTS/CTS sẽ được sử dụng (thường là hậu quả của hiện tượng hidden node)

Hình 2.8 Hoạt động của RTS/CTS với hai máy trạm không dây

Hình 2.9 Hoạt động của RTS/CTS giữa máy trạm có dây và máy trạm không dây

Đối với thời gian chờ ngẫu nhiên NAV, sau khi máy trạm thực hiện cảm nhận sóng mang theo các phương pháp logic và vật lý, phát hiện thấy đường truyền rỗi và giá trị NAV = 0 thì nó bắt đầu quá trình tranh chấp đường truyền trong một khoảng thời gian gọi là một cửa sổ tranh chấp Bắt đầu lúc này NAV chọn một khoảng thời gian ngẫu nhiên Giá trị này được chọn ngẫu nhiên từ 0 đến giá trị cửa sổ tranh chấp được khởi tạo ban đầu Giá trị cửa sổ tranh chấp khởi tạo khác nhau phụ thuộc vào kĩ

Trang 32

thuật trải phổ, như DSSS là 31 khe thời gian hay FSSS là 15 khe thời gian.Cũng cần lưu ý giá trị mỗi khe thời gian đối với FSSS là 50µs còn DSSS là 20µs Sau khi chọn được một giá trị thời gian chờ, nó bắt đầu đếm ngược, sau mỗi khe thời gian giá trị thời gian này sẽ giảm một đơn vị

Hình 2.10 Sơ đồ cách thức hoạt động của NAV

Trong suốt quá trình này, máy trạm liên tục thực hiện cảm nhận sóng mang qua mỗi khe thời gian Nếu phát hiện đường truyền bận hay giá trị NAV được thiết lập thì quá trình đếm lùi này sẽ ngừng và máy trạm sẽ quay lại giai đoạn cảm nhận sóng mang Nếu đến khi giá trị thời gian chờ này được đếm ngược về 0 mà vẫn không có sự thay đổi trạng thái đường truyền thì máy trạm sẽ bắt đầu truyền dữ liệu Nếu sau khi truyền dữ liệu mà máy trạm không nhận được bản tin ACK trả lời từ trạm thu thì máy trạm này sẽ coi như đường truyền có xung đột xảy ra

Lúc này giá trị cửa sổ tranh chấp trong lần tiếp sau sẽ tăng lên theo công thức:

Tn=2*Tn-1+1 Giá trị lớn nhất của cửa sổ tranh chấp là 1023 khe thời gian

Trang 33

2.4 Khoảng thời gian cơ bản truy nhập kênh

Chuẩn 802.11 có một số khoảng thời gian cơ bản xảy ra Ta có thể xem hình 2.11 Khoảng cách liên khung (The different inter-frame space: IFS) là thời lượng cung cấp truy nhập một cách hiệu quả trên đường truyền không dây tùy theo mức độ ưu tiên khác nhau

Hình 2.11 Một số loại IFS

2.4.1 Khoảng cách liên khung ngắn SIFS (The short inter-frame space)

Khoảng cách liên khung ngắn SIFS dùng để tách riêng một khung hồi đáp từ khung xin được hồi đáp, ví dụ khoảng giữa một khung dữ liệu và một bản tin phản hồi ACK SIFS được thiết kế ngắn nhất có thể nhưng vẫn đủ để chứa các khoảng thời gian chờ phát sinh trong khi thực thi một nhiệm vụ nào đó Các khoảng phát sinh này bao gồm giải quyết độ trễ trong tầng vật lý để giải điều chế các khung tin nhận, Xử lý thời gian ở lớp MAC để nhận khung tin và xây dựng hồi đáp, thiết bị truyền khởi động thời gian để gửi hồi đáp

Hình 2.12 Thời gian trễ do quá trình xử lý hồi đáp khung ở tầng vật lý và lớp MAC.

Trang 34

SIFS cũng được dùng để tách riêng các khung trong khi bùng nổ dữ liệu Các trạm đang truy nhập trên đường truyền sử dụng SIFS không cần phải kiểm tra nếu đường truyền bận, nhưng đơn giản là chuyển sang trạng thái truyền (nếu không ở trạng thái truyền) và bắt đầu truyền tại ranh giới của SIFS

Khoảng thời gian SIFS cho các chuẩn 802.11a, 802.11g và 802.11n có giá trị bằng 16 µs

2.4.2 Khe thời gian (Slot time)

Khe thời gian à khoảng thời gian cho các khoảng IFS như SIFS cộng thêm vào khi bắt đầu truyền Trong thực tế, do độ trễ khi truyền, ở mức nhỏ, sẽ làm cho mỗi trạm thấy ranh giới của khe thời gian sai khác đi một chút Khe thời gian được thiết kế

để chứa các biến sai khác do trễ này và cung cấp đủ thời gian để việc bắt đầu truyền của trạm này sẽ được phát hiện bởi các trạm khác trước khi tới ranh giới khe thời gian tiếp theo Trong mỗi khe thời gian, trạm chưa truyền dữ liệu vẫn trong trạng thái nhận

và vẫn kiểm tra xem đường truyền có rỗi không

Khe thời gian cho các chuẩn 802.11a, 802.11g và 802.11n có giá trị bằng 9 µs

2.4.3 Khoảng cách liên khung PIFS của PCF (The PCF inter-frame space)

Khoảng cách liên khung PCF trì hoãn việc cung cấp các ưu tiên truy cập cao nhất tiếp theo sau SIFS và được sử dụng để đạt được ưu tiên truy cập vào đường truyền PIFS được xác định theo công thức sau:

PIFS = aSIFSTime + aSlotTime

AP dùng PIFS trì hoãn để truy cập vào đường truyền rồi gửi một khung Beacon,

để bắt đầu lại tranh chấp, hoặc để lấy lại quyền truy cập vào đường truyền nếu một khung hồi đáp dự kiến không nhận được khoảng thời gian tranh chấp Dù tên gọi của

nó như vậy vì ban đầu để dùng cho khối PCF Hiện nay nó dùng để xử lý các quyền ưu tiên ví dụ như một trạm cần gửi một khung Channel Switch Announcement (802.11h)

2.4.4 Khoảng cách liên khung DIFS của DCF (The DCF inter-frame space)

Khoảng cách liên khung DCF được sử dụng bởi các trạm hoạt động theo DCF

Trang 35

DIFS = sSIFSTime + 2 * aSlotTime

Một trạm sử dụng DCF được phép truyền tải nếu nó xác định được đường truyền rỗi trong khoảng DIFS, hoặc nếu nó xác định được đường truyền rỗi trong khoảng DIFS cộng với thời gian đếm ngược còn lại sau khi tiếp nhận một khung chính xác

2.5 TRAO ĐỔI KHUNG DỮ LIỆU VÀ KHUNG ACK XÁC NHẬN

Truyền tải trên môi trường không dây rất dễ xảy ra lỗi Dữ liệu truyền có lợi từ việc có độ trễ thấp, cơ chế cho phép truyền lại các khung không được giải điều chế thành công lúc nhận Cơ chế này khá đơn giản: Máy trạm nhận được chính xác một khung dữ liệu thì ngay lập tức gửi lại một khung tin cho bên phát một khung xác nhận gọi là khung ACK Nếu trạm gửi dữ liệu không nhận được khung ACK, nó sẽ tự hiểu

là khung dữ liệu truyền đi chưa nhận được và sẽ truyền lại

Không phải tất cả các khung tin dữ liệu đều có thể được xác nhận theo cách

này Khung tin quảng bá broadcast và đa hướng multicast được gửi cho tất cả hoặc

một số máy trạm khác trong mạng WLAN và không được xác nhận theo cách này

Trong 802.11 WLAN, khung tin broadcast và multicast không có lợi từ việc tăng độ

tin cậy bằng cách thêm cơ chế xác nhận

Truyền dữ liệu sử dụng trao đổi khung dữ liệu và xác nhận ACK được mô tả trong ví dụ ở hình 2.13 sau đây:

Hình 2.13 Trao đổi khung dữ liệu và khung xác nhận ACK

Ta kí hiệu các máy trạm là STA (station) Ở đây máy trạm STA 1 truyền dữ

liệu cho máy trạm STA 2 STA 1 truy cập thành vào đường truyền sau khi tranh chấp, theo đó xuất hiện DIFS và khoảng thời gian ngẫu nhiên đếm ngược Nếu đường truyền rỗi, STA 1 bắt đầu truyền một khung dữ liệu gửi tới STA 2 Nếu STA 2 phát hiện và giải điều chế thành công khung tin đó nó sẽ gửi một khung ACK tới STA 1 để xác

Trang 36

nhận đã truyền thành công Nếu STA 1 nhận được khung tin ACK do STA 2 gửi tới nó

sẽ biết đã truyền dữ liệu thành công và lại truyền khung tiếp theo Nếu với khung dữ liệu thứ 2 trong hình 2.13 , STA 2 thất bại trong giải điều chế khung tin đó, sau đó STA 1 không nhận được khung tin ACK và sẽ bắt đầu truyền lại khung tin vừa bị hỏng cho STA 2

Số lượng khung tái phát sóng trên một MSDU cụ thể là có giới hạn Máy trạm đang truyền sẽ liệt kê số lượng phải truyền lại trên một MSDU và khi đếm tới số lượng vượt quá số cho phép, MSDU sẽ bị hủy

Để nâng cao độ tin cậy mà thông tin xác nhận phản hồi được cung cấp, khung ACK cần phải được điều chế mạnh và tăng khả năng phục hồi ví dụ như khung ACK phải được gửi đi với tốc độ thấp các khung dữ liệu từ cùng trạm Ngoài ra các vấn đề phát sinh thêm hầu như rất ít bởi bản thân khung ACK rất nhỏ

2.5.1 Phân đoạn khung (Fragmentation)

Phân đoạn khung dùng để cắt nhỏ các MSDU lớn để có thể truyền MSDU được trên môi trường không dây Ở tốc độ truyền thấp, một MSDU chưa cắt có thể chiếm dung lượng khá lớn trong môi trường không khí Ví dụ một khung dữ liệu 1500 byte được truyền trên tốc độ 1 Mbps của 802.11b mất gần 12 ms để truyền, như vậy dễ bị thay đổi do ngoại cảnh Một bit hỏng trên khung sẽ làm cho cả khung đó phải truyền lại Vì thế việc cắt nhỏ MSDU thành nhiều phần nhỏ và mỗi phần nhỏ sẽ được đóng gói thành một MPDU Mỗi MPDU được gửi trong một PPDU cụ thế có thể cung cấp một kênh mới một bit hỏng thì chỉ hỏng trên một MPDU hỏng, sau đó đoạn hỏng sẽ được truyền lại

Các mảnh nhỏ của MSDU được gửi như các MPDU riêng biệt Một máy trạm

có thể gửi mỗi phần trên một kênh truy nhập riêng biệt, hoặc các phần nhỏ của MSDU

có thể được gửi như nhiều MPDU theo một kênh truy nhập, ta có thể xem hình 2.14 để

rõ hơn

Một MSDU bị phân nhỏ khi độ dài vượt quá một mức qui định cụ thể Mỗi mảnh

có chứa một số chẵn các byte và tất cả các mảnh này có kích thước tương tự, trừ mảnh cuối cùng, có thể nhỏ hơn Các mảnh nhỏ này được gửi theo thứ tự

Các thiết bị phát của MSDU bị phân nhỏ sẽ duy trì một bộ đếm thời gian Nó sẽ qui định một thời gian truyền tải tối đa cho một MSDU Các trạm nguồn bắt đầu hẹn

Trang 37

giờ vào việc thử đầu tiên truyền tải các đoạn đầu tiên của MSDU Nếu tính giờ vượt quá khoảng thời gian qui định thì tất cả các mảnh còn lại là bỏ đi

Hình 2.14 Mô tả phân đoạn khung

Việc cắt nhỏ này cũng làm tăng độ tin cậy khi có hiện tượng giao thoa sóng xảy

ra Giao thoa trong mạng thường được gây ra bởi nhiều nguồn khác nhau Giao thoa trong mạng thường xuất hiện bởi các sóng có tần số khoảng 2.4 GHz Sóng điện từ sinh ra bởi ống magnetron và luôn biến đổi theo hình sin, vì thế các sóng phát ra thường giao thoa nửa thời gian Ngay có sóng điện thoại di dộng cũng có thể gây ra giao thoa Ngoài ra khi phát sóng ở môi trường khác nhau cũng giao thoa khác nhau do

độ rộng khác nhau

2.5.2 Phát hiện trùng lặp (Duplicate detection)

Với trường hợp truyền lại, có khả năng một khung đã được xác nhận lại được truyền lại lần nữa Ví dụ như nếu thiết bị truyền sẽ truyền lại khung bởi ACK xác nhận không giải điều chế được Để chống lại hiện tượng trùng lặp khung dữ liệu, khung dữ

liệu bao gồm một bit Retry và một trường Sequence Control để đánh dấu số các phân đoạn và số thứ tự phân đoạn đó Bit Retry sẽ được bật lên khi bất cứ khung nào được

truyền lại Các số thứ tự được tạo ra như là một chuỗi tăng dần các số nguyên được qui định bởi các MSDU và khung quản lý Nếu MSDU hoặc khung quản lý được phân đoạn sau đó mỗi phần nhỏ sẽ nhận được số thứ tự với số đoạn tăng dần

Để phát hiện trùng lặp khung, trạm tiếp nhận sẽ theo dõi những số thứ tự, số đoạn của MSDU cuối hoặc khung quản lý mà nó nhận được từ mỗi trạm giao tiếp với

nó Nói cách khác, nó duy trì một bộ nhớ đệm của bộ dữ liệu <địa chỉ truyền (transmit

Trang 38

address), số thứ tự ( sequence number), số lượng đoạn phân nhỏ (fragment number)>

cho từng mảnh nhận được cho các số thứ tự cuối nhìn thấy từ mỗi địa chỉ khác với địa

chỉ broadcast hoặc multicast Nếu trạm nhận được một MPDU với bit Retry được bật ,

sau đó sẽ đối chiếu trong bộ nhớ đệm xem MPDU có bị trùng lặp không

2.5.3 Tiêu đề và sự bình đẳng thứ tự dữ liệu/ACK

Trao đổi khung dữ liệu/ACK cơ bản có một tiêu đề cố định liên hệ với nó Từ lúc khung dữ liệu được truyền thành công, tiêu đề này bao gồm quá trình cạnh tranh để dành lấy đường truyền rỗi, các thông tin liên quan đến truyền khung dữ liệu cụ thể, các sóng radio xung quanh thời điểm nhận (SIFS), và quá trình truyền khung ACK xác nhận Trong khi tiêu đề này là cố định thì khoảng thời gian khung dữ liệu là không cố định bởi nó còn phụ thuộc vào quá trình điều chế và mã hóa để đưa xuống tầng vật lý

Cơ chế phân phối kênh truy nhập thúc đẩy sự bình đẳng trong khi nghe với tất

cả các trạm trong mạng: trung bình mỗi lần gửi đi số lượng khung dữ liệu thường bằng nhau giữa các trạm Nếu như giả sử kích thước các gói tin là bằng nhau ta sẽ thấy thông lượng giữa các trạm có tốc độ truyền không khác nhau Ví dụ với hình 2.15, ta thấy 2 trạm trên mạng, STA1 và STA 2, cả 2 đều truy nhập để gửi đến STA 3 STA 1

sử dụng tốc độ truyền cao trong khi STA 2 có tốc độ truyền thấp hơn

Hình 2.15 Hai trạm cạnh tranh truy nhập.

Mỗi trạm cạnh tranh để truy cập kênh để gửi một frame dữ liệu và mỗi trạm sẽ nhận được trung bình cùng một số cơ hội truyền Tuy nhiên do sử dụng tốc độ truyền thấp nên nó sẽ sử dụng không khí nhiều thời gian hơn tỷ lệ tương ứng để gửi dữ liệu của nó khung hơn STA 1

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	1,84 MB