Nghiên cứu và phát triển cơ sở hạ tầng mạng cục bộ vô tuyến

Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Lời nói đầu Việc sử dụng mạng cục vơ tuyến xuất phát từ nhu cầu quân đội mong muốn có phương thức truyền thơng tin đơn giản, dễ lắp đặt bảo mật để sử dụng chiến tranh Ngày việc ứng dụng mạng cục vô tuyến vào đời sống xã hội trở nên phổ biến chi phí ngày giảm, tính tiện lợi, khả di động, tốc độ ngày cao ổn định khơng so với mạng có dây Hầu hết doanh nghiệp, bệnh viện, trường học… triển khai phân đoạn mạng vô tuyến giúp tiết kiệm thời gian triển khai cài đặt, chi phí cho phép linh hoạt kết nối Công nghệ truyền thơng vơ tuyến phát triển khơng ngừng, việc tạo Wireless Controller cho phép mở rộng chuyển vùng mạng dễ dàng Tuy nhiên đặc thù mạng vô tuyến thiếu ổn định ảnh hưởng môi trường nhiễu, giao thoa, suy giảm tín hiệu tính bảo mật nên việc thiết kế mạng khơng tốt làm giảm hiệu mạng trí mạng không hoạt động Việc nghiên cứu phát triển sở hạ tầng mạng cục vô tuyến cần thiết để mang lại hiệu to lớn việc triển khai mạng, giải dễ dàng vấn đề sử dụng mạng đặc biệt vấn đề bảo mật thơng tin Trong q trình làm đề tài “Nghiên cứu phát triển sở hạ tầng mạng cục vô tuyến” hướng dẫn bảo giúp đỡ tận tình thầy cô khoa, trường, nhân viên lãnh đạo cơng ty thơng tin tín hiệu đường sắt Hà Nội đặc biệt thầy giáo hướng dẫn ThS Vương Hồng Nam Tơi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới Thầy giáo hướng dẫn TS Vương Hồng Nam, Bộ mơn Hệ thống Viễn thong, Khoa Điện tử Viễn thơng, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội;Ơng Hồng Trọng Kiên , Bộ phận IT cơng ty Thơng Tin Tín Hiệu Đường Sắt Hà Nội, thầy cô Khoa Điện tử Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; có giúp đỡ kịp thời ý kiến quí báu giúp tơi hồn thành đồ án Ngày 19 tháng 10 năm 2011 Trần Khắc Trung Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Tóm tắt đồ án Mục đích đồ án nghiên cứu phát triển sở hạ tầng mạng cục vô tuyến chuẩn IEEE 802.11a/b/g Đồ án trình bày cơng nghệ, thiết bị sử dụng, kiến trúc mạng, chuyển vùng, kênh việc sử dụng kênh, vấn đề nhiễu, suy giảm tín hiệu, vấn đề bảo mật, phương pháp thiết kế mạng cục vơ tuyến Trên thực tế khóa thực tập, cơng ty thơng tin tín hiệu đường sắt Hà nội tơi thiết kế thử nghiệm tìm hiểu nhiều mạng WLAN cơng ty Tiêu chí thiết kế mạng tối ưu vùng phủ sóng, giảm nhiễu, bảo mật cao, nâng cấp dễ dàng giảm chi phí Đồ án trình bày chương; đó: Chương 1: Giới thiệu chung; Chương 2: Nghiên cứu sở hạ tầng mạng cục vô tuyến; Chương 3: Thiết kế mạng cục vô tuyến Abstract The purpose of my thesis is to research and develop Wireless Local Area Network Infrastructure rely on IEEE 802.11a/b/g The thesis presents technologies, devices, architectures, roaming, channels and ways of using channels, interference, signal reduction, securities as well as designing method for a Wireless Local Area Network In practice during my internship course at the Compal corporation in China, I have designed a WLAN network for Compal’s office zone in China Criteria of network design are coverage area optimum, interference reducing, high security, easy to upgrade and low cost, etc My thesis includes chapters, in which: Chapter 1: General Introduction; Chapter : Research on Wirelees Local Area Network Infrastructure; Chapter 3: Design a Wireless Local Area Network Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Mục lục Lời nói đầu .1 Tóm tắt đồ án Abstract Mục lục Danh sách hình vẽ Danh sách bảng biểu Danh sách từ viết tắt 10 Chương GIỚI THIỆU CHUNG 12 1.1 Khái niệm mạng vô tuyến 12 1.2 Mạng cục vô tuyến WLAN 13 1.3 Các chuẩn IEEE 802.11 thông dụng 14 1.4 Truy cập môi trường WLAN .15 1.4.1 Kỹ thuật đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột 15 1.4.2 Phương pháp CSMA/CA với chế cảm nhận sóng mang ảo 17 1.5 Kĩ thuật trải phổ WLAN .18 1.5.1 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DSSS 19 1.5.2 Trải phổ nhảy tần FHSS .21 1.6 Kĩ thuật điều chế số WLAN 23 1.7 Giải tần hoạt động 24 1.8 Vai trị mạng cục vơ tuyến WLAN 25 1.8.1 Vai trò truy cập 25 1.8.2 Mở rộng mạng 26 1.8.3 Kết nối tòa nhà đến tòa nhà 27 1.8.4 Kết nối di động .28 1.8.5 Văn phòng lưu động 29 1.9 Vấn đề thiết kế mạng .30 Tóm tắt 30 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Chương NGHIÊN CỨU CƠ SỞ HẠ TẦNG MẠNG CỤC BỘ VÔ TUYẾN 31 2.1 Giới thiệu 31 2.2 Thiết bị .31 2.2.1 Access point 31 2.2.2 Các client WLAN .33 2.2.3 Controller 34 2.2.4 Anten 34 2.3 Kiến trúc mạng 38 2.3.1 Cấu trúc 38 2.3.2 Kiến trúc mở rộng 39 2.3.3 Cấu trúc độc lập 39 2.4 Sự chuyển vùng .40 2.4.1 Quy định chuẩn 802.11 41 2.4.2 Sử dụng VPN .41 2.4.3 Chuyển vùng qua lớp lớp 42 2.5 Vấn đề mạng WLAN 43 2.5.1 Đầu cuối ẩn, đầu cuối 43 2.5.2 Hiện tượng đa đường 44 2.5.3 Suy giảm đường truyền không gian tự 46 2.5.4 Suy giảm vật chắn 47 2.5.5 Nhiễu băng tần hẹp 47 2.5.6 Nhiễu toàn băng tần 49 2.5.7 Nhiễu xuyên kênh kênh liền kề .50 2.5.8 Thời tiết 52 2.6 Thông lượng hệ thống .52 2.6.1 Thay đổi tốc độ động 54 2.6.2 Thông lượng địa điểm 54 2.6.3 Thông lượng mạng WLAN 57 2.7 Xác thực 57 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung 2.7.1 Khái niệm .57 2.7.2 Các phương pháp xác thực 62 2.8 Bảo mật .66 2.8.1 Sử dụng WEP 66 2.8.2 Sử dụng phương pháp lọc .69 2.8.3 Các giải pháp bảo mật 69 Tóm tắt 73 Chương THIẾT KẾ MẠNG CỤC BỘ VÔ TUYẾN 74 3.1 Giới thiệu 74 3.2 Các bước thiết kế .75 3.2.1 Khảo sát vị trí .76 3.2.2 Khảo sát sóng vơ tuyến 80 3.2.3 Kế hoạch triển khai 84 3.2.4 Kế hoạch bảo mật 86 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Danh sách hình vẽ Hình 1.1: Phân chia mạng vô tuyến .12 Hình 1.2: Vị trí WLAN mơ hình OSI 13 Hình 1.3: Phương thức hoạt động CSMA/CA mơi trường bận .16 Hình 1.4: Phương thức hoạt động CSMA/CA môi trường rỗi 17 Hình 1.5: Sự giao dịch trạm việc thiết lập NAV trạm khác 17 Hình 1.6: Trải phổ băng hẹp .18 Hình 1.7: Nguyên lí trải phổ trực tiếp 19 Hình 1.8 : Vị trí kênh DSSS phổ .20 Hình 1.9: Các kênh không trùng lặp DSSS 20 Hình 1.10 : Trải phổ nhảy tần 21 Hình 1.11: Các kênh hệ thống FHSS 22 Hình 1.12: Vai trị truy cập mạng vơ tuyến 25 Hình 1.13: Vai trị mở rộng mạng 26 Hình 1.14: Vai trị kết nối tòa nhà đến tòa nhà 27 Hình 1.15: Vai trị ứng dụng di động 28 Hình 1.16: Văn phịng lưu động .29 Hình 2.1: Một access point mạng .31 Hình 2.2: Access point chế độ trạm gốc 32 Hình 2.3: Access point chế độ cầu 32 Hình 2.4: Access point chế độ lặp 33 Hình 2.5: Một số card vơ tuyến 34 Hình 2.6: Hình ảnh wireless controller 34 Hình 2.7: Năng lượng xạ anten dipole 35 Hình 2.8: Kết nối điểm đa điểm 36 Hình 2.9: Một số an ten bán định hướng 36 Hình 2.10 : Đồ thị phương hướng anten bán định hướng 36 Hình 2.11: Đường kết nối hai nhà sử dụng an-ten bán định hướng .37 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Hình 2.12: Dạng xạ an ten định hướng cao 37 Hình 2.13: Cấu trúc 38 Hình 2.14: Cấu trúc mở rộng 39 Hình 2.15 : Mơ hình adhoc 39 Hình 2.16 : Sự chuyển vùng 40 Hình 2.17: Chuyển vùng kênh VPN 41 Hình 2.18: Chuyển vùng VLAN 42 Hình 2.19: Hiện tượng đầu cuối ẩn………………………………………………… 43 Hình 2.20: Giải đầu cuối ẩn…………………………………………………….43 Hình 2.21: Đầu cuối hiện…………… ………………………………………………44 Hình 2.22: Giải đầu cuối hiện………………………………… …………… .44 Hình 2.23: Hiện tượng đa đường 45 Hình 2.24: Ví dụ an ten phân tập .45 Hình 2.25: Màn ảnh thị phổ tín hiêu 48 Hình 2.26: Nhiễu tồn băng tần 49 Hình 2.27: Nhiễu kênh liền kề .50 Hình 2.28: Nhiễu xuyên kênh 51 Hình 2.29: Thay đổi tốc độ động 54 Hình 2.30: Sử dụng vị trí .55 Hình 2.31: Trùng lặp kênh DSSS 55 Hình 2.32 : Sử dụng access point 56 Hình 2.33: Thơng lượng mạng WLAN 57 Hình 2.34: Quá trình xác thực hệ thống mở 62 Hình 2.35: Thủ tục xác nhận khóa chia sẻ 63 Hình 2.36: Giao thức 802 1x 65 Hình 2.37: Access point kết hợp với VPN bên 66 Hình 2.38: Sơ đồ mã hóa sử dụng WEP 67 Hình 2.39: Sử dụng quản lí mã WEB tập chung 68 Hình 2.40: Lọc địa MAC 69 Mạng cục vơ tuyến WLAN Trần Khắc Trung Hình 2.41 : Giải pháp VPN 70 Hình 2.42: Tiến trình đăng nhập giao thức 802.1x EAP 73 Hình 3.1: Lưu đồ thiết kế .75 Hình 3.2:Ứng dụng khảo sát vị trí 81 Hình 3.3:Màn hình máy phân tích phổ 82 Hình 3.4:Kiểm tra vùng bao phủ access point .82 Hình 3.5:Các biên tốc độ liệu 83 Hình 3.6: Triển khai theo hướng bao phủ 85 Hình 3.7: Triển khai theo hướng dung lượng .85 Hình 3.8: Vùng cần phủ sóng tầng .87 Hình 3.9: Sơ đồ triển khai thông lượng 22Mbps .89 Hình 3.10: Sơ đồ triển khai tương lai 90 Hình 3.11: Mơ hình triển khai thực tế 91 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Danh sách bảng biểu Bảng 1.1 : Bảng tần số kênh DSSS 20 Bảng 1.2: Dải tần số không cần đăng kí sử dụng IEEE 802.11 .24 Bảng 1.3: Giới hạn công suất đầu với số dải tần 25 Bảng 2.1: Suy giảm không gian tự theo dB tần số 2.4Ghz 46 Bảng 2.2: Suy giảm số vật cản thông dụng 47 Bảng 3.1 : Số liệu khảo sát 88 Bảng 3.2: Bảng phân bố kênh cho thông lượng 22Mbps .89 Bảng 3.3: Bảng phân bố kênh tương lai .90 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Danh sách từ viết tắt Từ viết tắt Từ gốc tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AAA Authentication, authorization and Xác thực, cho phép tính accounting tốn ACK Acknowledgment Báo nhận AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến AP Access point Điểm truy cập ASK Amplitude Shift Keying Dịch khóa biên độ BPSK BS BSS CCA CCK CRC CSMA/CA Binary Phase Shift Keying Base station Basic service set Clear Channel Assessment Complementary Code Keying Cyclic Redundancy Code Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Contention Window Distributed coordination function DCF Interframe Space Dịch khóa pha nhị phân Trạm sở Thiết lập dịch vụ Giám sát kênh rỗi Khóa mã bù Mã vịng dư Cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột Cảm nhận sóng mang/phát xung đột Cửa sổ tranh chấp Chức tọa độ phân phối Khoảng cách liên khung DCF Trải phổ chuỗi trực tiếp Giao thức xác thực nâng cao Thiết lập dịch vụ mở rộng Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu Uỷ ban truyền thông liên bang Mỹ Khóa dịch tần số Trải phổ nhảy tần Thiết lập dịch vụ độc lập Viện kỹ sư điện-điện tử CSMA/CD CW DCF DIFS DSSS EAP ESS ETSI FCC Direct Sequence Spread Spectrum Extensible Authentication Protocol Extended Service Set Euro Telecommunications Standard Institute Federal Communications Commission FSK FHSS IBSS Frequency Shift Keying Frequency Hopping Spread Spectrum Independent Basic Service set IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol IP 10 Giao thức internet ... 29 1.9 Vấn đề thiết kế mạng .30 Tóm tắt 30 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Chương NGHIÊN CỨU CƠ SỞ HẠ TẦNG MẠNG CỤC BỘ VÔ TUYẾN 31 2.1 Giới thiệu ... Bluetooth Mạng vô tuyến diện rộng Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung 12 Mạng cục vô tuyến WLAN Trần Khắc Trung Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm mạng vơ tuyến Hình 1.1: Phân chia mạng vô tuyến. . .Mạng cục vơ tuyến WLAN Trần Khắc Trung Tóm tắt đồ án Mục đích đồ án nghiên cứu phát triển sở hạ tầng mạng cục vô tuyến chuẩn IEEE 802.11a/b/g Đồ án trình bày cơng nghệ, thiết