Nghiên cứu kiến trúc mạng lưới không dây triển khai ứng dụng

Wifi Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩn kết nối không dây (IEEE 802.11), công nghệ sử dụng sóng radio để thiết lập hệ thống kết nối mạng không dây. Đây là công nghệ mạng đƣợc thƣơng mại hóa tiên tiến nhất thế giới hiện nay. Một mạng Internet không dây thƣờng gồm ba bộ phận cơ bản: điểm truy cập (Access Point AP); card giao tiếp mạng (Network Interface Card NIC); và bộ phận thu phát, kết nối thông tin tại các nút mạng gọi là Wireless CPE (Customer Premier Equipment). Trong đó, Access Point đóng vai trò trung tâm của toàn mạng, là điểm phát và thu sóng, trao đổi thông tin với tất cả các máy trạm trong mạng, cho phép duy trì kết nối hoặc ngăn chặn các máy trạm tham gia vào mạng. Một Access Point có thể cho phép tới hàng nghìn máy tính trong vùng phủ sóng truy cập mạng cùng lúc. Tuy nhiên, hê thông mang không dây tôn tai nhiêu han chê : Sóng của mạng không dây thực chất là sóng radio, thƣờng yếu dần khi khoảng cách giữa trạm phát và máy tính kết nối cách xa nhau. Sóng WiFi cũng bị yếu khi gặp vùng nhiễu hoặc các vật cản. Thông thƣờng các thiết bị truy nhập WiFi đƣợc trang bị hệ thống anten đa hƣớng (omnidirectional antennas). Các anten này đƣợc thiết kế để truyền và nhận sóng từ mọi hƣớng và mọi thời điểm. Nếu một điểm phát sóng (Access Point AP) giao tiếp với một ngƣời dùng (user) tại vị trí cụ thể, các nguồn nhiễu xung quanh sẽ ảnh hƣởng đến khả năng truyền sóng, từ đó làm giảm tốc độ truyền cũng nhƣ độ ổn định của kết nối. Trong các môi trƣờng văn phòng với nhiều vách ngăn và các thiết bị phát từ gây nhiễu, mức độ phủ sóng và khả năng duy trì kết nối của một AP có thể giảm, làm giảm hiệu suất truyền dữ liệu. Và hệ quả là trong phần lớn các doanh nghiêp đều tồn tại một hệ thống cáp mạng kết nối đến từng bàn làm việc, nhằm đảm bảo quá trình làm việc không bị gián đoạn. Ch́nh vì vậy, hệ thống mạng không dây thƣờng không đƣợc nhiêu doanh nghiệp lƣa chọn làm phƣơng tiện kết nối chính trong quy trình hoạt động. Môt giai phap đƣơc đƣa ra nhăm kh ắc phục các hạn chế của mạng không dây là xây dựng một hệ thông mang lƣơi không dây (Wireless Mesh network ) nhăm nâng cao hiêu suât mạng và tăng t́nh linh hoạt của mạng cục bộ. 1 Đối tƣ̣ng v̀ pḥm vi nghiên cứu 2.1. Đối tƣ̣ng Nghiên cƣu tông quan vê kiên truc hê thông mang lƣơi không dây. Bài toán đặt gateway trong mạng lƣới không dây. Tìm hiểu các vấn đề về mạng không dây để triển khai nâng cấp lên hệ thống mạng lƣới không dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Lời mở đầu

Wifi - Wireless Fidelity là tên gọi mà các nhà sản xuất đặt cho một chuẩn kết nối không dây (IEEE 802.11), công nghệ sử dụng sóng radio để thiết lập hệ thống kết nối mạng không dây Đây là công nghệ mạng được thương mại hóa tiên tiến nhất thế giới hiện nay

Một mạng Internet không dây thường gồm ba bộ phận cơ bản: điểm truy cập (Access Point - AP); card giao tiếp mạng (Network Interface Card - NIC); và bộ phận thu phát, kết nối thông tin tại các nút mạng gọi là Wireless CPE (Customer Premier Equipment) Trong đó, Access Point đóng vai trò trung tâm của toàn mạng, là điểm phát và thu sóng, trao đổi thông tin với tất cả các máy trạm trong mạng, cho phép duy trì kết nối hoặc ngăn chặn các máy trạm tham gia vào mạng Một Access Point có thể cho phép tới hàng nghìn máy tính trong vùng phủ sóng truy cập mạng cùng lúc

Tuy nhiên, hệ thống mạng không dây tồn tại nhiều hạn chế :

- Sóng của mạng không dây thực chất là sóng radio, thường yếu dần khi khoảng cách giữa trạm phát và máy tính kết nối cách xa nhau Sóng Wi-Fi cũng bị yếu khi gặp vùng nhiễu hoặc các vật cản Thông thường các thiết bị truy nhập Wi-Fi được trang bị hệ thống an-ten đa hướng (omni-directional antennas) Các an-ten này được thiết kế để truyền và nhận sóng từ mọi hướng và mọi thời điểm Nếu một điểm phát sóng (Access Point - AP) giao tiếp với một người dùng (user) tại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vị trí cụ thể, các nguồn nhiễu xung quanh sẽ ảnh hưởng đến khả năng truyền sóng, từ đó làm giảm tốc độ truyền cũng như độ ổn định của kết nối

- Trong các môi trường văn phòng với nhiều vách ngăn và các thiết bị phát từ gây nhiễu, mức độ phủ sóng và khả năng duy trì kết nối của một AP có thể giảm, làm giảm hiệu suất truyền dữ liệu Và hệ quả là trong phần lớn các doanh nghiệp đều tồn tại một hệ thống cáp mạng kết nối đến từng bàn làm việc, nhằm đảm bảo quá trình làm việc không bị gián đoạn

Chính vì vậy, hệ thống mạng không dây thường không được nhiều doanh nghiệp lựa chọn làm phương tiện kết nối chính trong quy trình hoạt động Một giải pháp được đưa ra nhằm kh ắc phục các hạn chế của mạng không dây là xây dựng một hệ thống mạng lưới không dây (Wireless Mesh network ) nhằm nâng cao hiệu suất mạng và tăng tính linh hoạt của mạng cục bộ

1- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Đối tượng

Nghiên cứu tổng quan về kiến trúc hệ thống mạng lưới không dây

Bài toán đặt gateway trong mạng lưới không dây

Tìm hiểu các vấn đề về mạng không dây để triển khai nâng cấp lên hệ thống mạng lưới không dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2 Phạm vi nghiên cứu

Hệ thống mạng không dây và hệ thống mạng lưới không dây

3- Hướng nghiên cứu luận văn

Tìm hiểu chi tiết về hệ thống mạng lưới không dây

Cách thức triển khai hệ thống

4- Phương pháp nghiên cứu

Thu thập, phân tích và tổng hợp các tài liệu, thông tin có liên quan đến luận văn

5- Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Là tài liệu tham khảo về lĩnh vực mạng lưới không dây

- Thử nghiệm và ứng dụng của việc triển khai tại Khoa Ngoại ngữ – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƯƠNG 1 KIẾN TRÚC CỦA MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu về mạng lưới không dây

Khái niệm mạng hình lưới (Mesh Network) nói chung được sử dụng trong một

số lĩnh vực của ngành công nghệ thông tin Kỹ thuật mạng hình lưới là cách thức truyền tải dữ liệu, âm thanh và câu lệnh giữa các nút xử lý, cho phép truyền tải liên tục

và tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách “nhảy” từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối Mạng lưới có khả năng tự hàn gắn và tạo ra mạng có độ tin cậy cao; có thể hoạt động khi có một nút bị lỗi hoặc chất lượng kết nối mạng kém Trong lĩnh vực mạng không dây, mạng lưới được áp dụng để nới rộng phạm vi phủ sóng của mạng không dây truyền thống Các nút trong mạng truyền thông trực tiếp với các nút khác và tham gia trong mạng lưới Nếu một nút có thể kết nối với một nút lận cận khác thì sẽ có kết nối với toàn mạng

Mạng WMN chuyển tiếp dữ liệu gói thông qua các chặng vô tuyến Mỗi một nút lưới hoạt động giống như một điểm chuyển tiếp hay một router với các nút lưới khác trong mạng Mạng WMN được dùng trong những mô hình như mạng truy nhập công cộng và những mạng không dây trong thành phố nơi mà các điểm truy cập là các nút lưới của mạng

Mạng ngoài (Internet)

`

Gateway Mesh Router AP Station

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.1: Mô hình mạng lưới không dây

Sự tin cậy và hiệu năng của mạng là 2 tiêu chí chính của mạng WMN, đặc biệt trong môi trường kênh vô tuyến Tính di động của nút mạng thường không được xem xét đến Những nút cố định có thể nằm trên những đế đèn, hay gắn liền đối với nhà cửa, v.v… , nơi được cung cấp năng lượng đầy đủ Như vậy, các giao thức định tuyến

có thể được tối ưu theo sự tin cậy và hiệu năng của mạng Các giao thức định tuyến có thể được mở rộng để sử dụng những tham số định tuyến đặc biệt Và thậm chí chúng

có thể nằm trên lớp 2 để có thể truy cập tốt hơn thông tin lớp MAC và lớp vật lý

Các nút mắt lưới có thể có nhiều giao diện vô tuyến để gia tăng khả năng của mạng mắt lưới không dây Các giao diện vô tuyến giảm thiểu sự suy giảm thông lượng bởi các gói nhận và chuyển tiếp tuần tự trong các nút mắt lưới với chỉ một giao diện vô tuyến Điều này cũng có thể sử dụng nhiều kênh Dung lượng tuỳ biến của mạng WMN

là giới hạn nhưng sự cài đặt đơn giản và tính mềm dẻo vẫn là những ưu điểm của mạng

Gần đây các thiết bị khách hàng ngày càng đóng vai trò như là một nút mắt lưới Điều này mở rộng mạng WMN về vùng mạng tuỳ biến không dây cổ điển

Có 3 kiểu mạng WMN, đó là : WMN hạ tầng, WMN khách hàng, và WMN lai ghép WMN hạ tầng bao gồm các thiết bị chuyên dụng của hạ tầng mạng, như là các điểm truy nhập hay chuyển tiếp Các thiết bị khách hàng không tham gia vào việc định tuyến ở nút lưới Thay vào đó , chúng kết nối vào các điểm truy nhập bằng công nghệ truy nhập vô tuyến truyền thống WMN khách hàng bao gồm các thiết bị khách hàng như máy tính xách tay Các thiết bị khách hàng tham gia vào việc định tuyến ở nút lưới Hơn nữa chúng có thể thực hiện chức năng như một thiết bị hạ tầng WMN lai ghép bao gồm cả hai loại thiết bị trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Các mạng mesh không dây là tập hợp các node cố định và di động kết nối thông qua các liên kết không dây để tạo nên một mạng không dây đa chặng (multihop)

Trong khi các mạng không dây truyền thống như WLAN, WAN, mạng tế bào cần có một thiết bị trung tâm (điểm truy cập hoặc trạm cơ sở) cho truyền thông không dây, mạng WMN không cần một thiết bị trung tâm như vậy Trong mạng WMN, mỗi node đóng vai trò là máy khách và router Nó chuyển tiếp các gói tin tới các node khác khi máy nguồn và máy đích cách nhau nhiều hơn một chặng

Mạng WMN có khả năng tự cấu hình và tự tổ chức Khi một node tham gia vào mạng hay dời đi khỏi mạng, mạng có khả năng cấu hình lại để thích nghi với những thay đổi trong mạng Thiết lập mạng là tự động và trong suốt đối với người dùng Khi thêm một node vào mạng, node này sẽ tự động tìm các router không dây khác và đường tới mạng có dây Các router không dây trong mạng cũng tự cấu hình lại cho phù hợp Vì lý do này mà mạng WMN có thể dễ dàng mở rộng

Các lợi ích của mạng WMN

Ngày nay các kết nối Internet băng thông rộng sử dụng dây cáp hay các đường thuê bao số (DSL) Tuy nhiên, một số lượng lớn dân số (đặc biệt ở các vùng nông thôn, các thành phố lớn, thậm chí ở các nước đã phát triển) không có cơ sở hạ tầng băng thông rộng cần thiết (dây cáp vô tuyến hay dây cáp điện thoại chất lượng tốt) để kết nối Internet Hơn nữa việc cài đặt các cơ sở hạ tầng yêu cầu (đặc biệt là việc cài đặt các dây cáp mới) là cực kỳ đắt đặc biệt là đối với các nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP

Các mạng WMN cung cấp công nghệ truy cập Internet băng thông rộng với rất nhiều lợi ích:

Đầu tư ban đầu thấp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Vì không cần cài đặt cáp, kinh phí đầu tư ban đầu giảm đi đáng kể Một mạng WMN cơ bản cung cấp một vùng phủ tối thiểu có thể được sử dụng để phục vụ các khách hàng đầu tiên; khi số khách hàng tăng lên, mạng có thể được nâng cấp lên Ngoài ra, các sóng radio 802.11 đã trở nên khá rẻ nhưng các sóng radio vẫn là một trong những phần đắt nhất của một mạng Trong khi đó, mỗi node trong mạng mesh hoạt động vừa như một client vừa như một repeater, như vậy sẽ tiết kiệm được số các radio cần thiết

Độ phủ khách hàng cao

Vì khả năng định tuyến đa chặng của mạng, client không cần phải kết nối trực tiếp với một trạm cơ sở đơn miễn là một client có kết nối tới bất kỳ một client khác, nó có thể truy cập tới Internet

Người ta đã chỉ ra rằng, đặc biệt đối với các trường hợp có vật cản lớn (tòa nhà cao tầng hay cây cối), một mạng WMN có thể tăng độ phủ của mạng lên đáng kể so với một giải pháp điểm-tới-nhiều điểm (ví dụ IEEE 802.16)

Dễ dàng và đơn giản

Các router được cấu hình tự động, nên việc cài đặt là đơn giản Thêm một khác hàng mới tới vào một mạng WMN đã tồn tại có thể chỉ mất vài giờ đồng hồ thay vì vài tháng khi cài đặt các dây mới cho cáp hay DSL

Tin cậy

Đặc trưng của topo mesh và định tuyến adhoc làm cho mạng có khả năng đối phó được với những thay đổi của điều kiện môi trường và lỗi xảy ra ở các node Đặc biệt nếu đa gateway được sử dụng, tất cả các điểm lỗi đơn bị loại bỏ Một giao thức định tuyến có thể định tuyến lại nhanh chóng xung quanh điểm hoặc node bị lỗi, và trong trường hợp gateway lỗi, nó có thể phân phối lại các node cho gateway gần nhất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.2 Kiến trúc của mạng lưới không dây

Kiến trúc của mạng lưới là một bước đầu tiên để hướng tới việc cung cấp chi phí hiệu quả và năng động cao hơn một khu vực phủ sóng cụ thể Kiến trúc lưới duy trì cường độ tín hiệu bằng cách phá vỡ những khoảng cách xa vào một loạt các bước nhảy ngắn hơn

Mạng lưới không dây có một cấu trúc liên kết tương đối ổn định, ngoại trừ cho sự thất bại thường xuyên của các nút, bổ sung các nút mới

Giao thức truyền thông giữa các nút là yếu tố kỹ thuật cốt lõi của mạng Mạng có khả năng tự phục hồi tốt cũng như tìm được đường đi tối ưu hay không là nhờ vào giao thức truyền dữ liệu giữa các nút xử lý trong mạng Có một số kỹ thuật đang được đề xuất làm giao thức truyền thông cho mạng lưới như: AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector), PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), OLSR (Optimized Link State Routing Protocol), TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm), Mạng Mesh thường sử dụng sơ đồ kết nối dạng “ từ người sử dụng đến người sử dụng” (peer to peer) hoặc “ thông tin đa chiều – vừa gửi vừa nhận” (many to many)

Để có thể cập nhật và tối ưu hóa mỗi kết nối liên tục theo thời gian thì về lý thuyết, một mạng Mesh cho phép tất cả các thiết bị trong mạng hoạt động như một router và một

bộ lặp repeater đối với tất cả các thuê bao Do đó, thêm một bước nhảy nữa từ một bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

định tuyến đến một bộ định tuyến kế tiếp trước khi đạt đến điểm backhaul để kết nối tới một mạng lớn hơn

Mạng Mesh có thể được triển khai với một trong hai cấu hình: dạng mesh toàn phần và dạng mesh một phần Trong một mạng Mesh toàn phần, mỗi một nút được kết nối trực tiếp với những nút khác; trong khi đó, trong cấu hình Mesh một phần, mỗi một nút được kết nối trực tiếp tới chỉ một số nút khác

Mạng WMN bao gồm hai loại node: mesh router và mesh client

Mesh router: Có chức năng định tuyến các gói tin trong mạng Chúng có một số

giao diện không dây có thể có công nghệ giống nhau hoặc khác nhau Hơn nữa chúng

có chức năng của gate/bridge làm cho mạng có khả năng tích hợp với các mạng không dây đã có như mạng tế bào, Wi-Fi, Wi-MAX, mạng cảm biến (sensor network)

Mesh client: Là các thiết bị không dây như laptop, máy tính để bàn, PDA, Pocket

PC, điện thoại cầm tay được trang bị một card giao diện mạng không dây (NIC) và có thể kết nối trực tiếp tới các mesh router Các máy khách không có NIC không dây có thể truy cập vào mạng bằng cách kết nối với các mesh router thông qua Ethernet

Có 3 loại kiến trúc mạng WMN: mạng infrastructure mesh, mạng client mesh và mạng mesh lai

Mạng Infrastructure mesh

Trong kiến trúc này các mesh router hình thành nên mạng mesh cung cấp đường backbone cho các máy client và có khả năng tích hợp các mạng không dây đã có như mạng Wi-Max, Wi-Fi, mạng tế bào, mạng cảm biến Các client có thể kết nối với mạng WMN thông qua kết nối có dây hoặc không dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.2: Mạng Infrastructure mesh Mạng client mesh

Trong mạng client mesh, các client kết nối trực tiếp với nhau và hình thành nên mạng ngang hàng Không cần có mesh router trong kiến trúc này Các client có chức năng của cả các router nhƣ định tuyến và tự cấu hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.3: Mạng client mesh

Mạng mesh lai

Mạng mesh lai là kết hợp của kiến trúc infrastruture mesh và client mesh Các mesh router cung cấp đường backbone cho kết nối tới các mạng không dây khác Các client khong dây có thể truy cập tới mạng WMN bằng việc kết nối trực tiếp tới các mesh router hoặc các client khác

Hình 1.4: Mạng mesh lai

Định tuyến trong WMN

Dù đã có nhiều giao thức định tuyến cho mạng tuỳ biến không dây, những giao thức định tuyến cho WMN vẫn được tích cực nghiên cứu vì vài lý do sau:

 Trong đa số WMN, nhiều nút ở một chỗ hay ít di chuyển và không phụ thuộc vào nguồn pin Do đó, những thuật toán định tuyến không cần chú ý vào việc đối phó với sự di động hay tối thiểu dùng nguồn nuôi

 Khoảng cách giữa những nút có lẽ đã được ngắn lại ở một WMN, do vậy gia tăng chất lượng liên kết và tốc độ truyền Tuy nhiên, những khoảng cách ngắn cũng tăng ảnh hưởng giữa các chặng, giảm bớt dải thông sẵn có trên mỗi mối liên kết Bởi vậy, những tham số định tuyến mới cần được tìm hiểu và dùng để

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cải thiện hiệu năng của những giao thức định tuyến ở một mạng WMN với nhiều chặng và nhiều đường truyền vô tuyến

 Đối với mạng WMN có nhiều kênh và nhiều đường truyền vô tuyến, giao thức định tuyến không những cần thiết để lựa chọn đường đi trong những nút khác nhau, mà còn cần thiết để lựa chọn kênh thích hợp nhất hay đường truyền vô tuyến cho mỗi nút lưới Bởi vậy, những tham số định tuyến cần được tìm hiểu

và được dùng để tận dụng nhiều kênh, nhiều đường vô tuyến trong một mạng mắt lưới không dây

 Trong một mạng WMN, sự thiết kế xuyên lớp là cần thiết vì sự thay đổi của một đường định tuyến sẽ liên quan đến chuyển mạch kênh vô tuyến trong nút lưới nhiều kênh và nhiều đường truyền vô tuyến

Dựa trên hiệu năng của các giao thức định tuyến đang dùng cho mạng tuỳ biến và những yêu cầu đặc biệt của mạng WMN, giao thức định tuyến tối ưu cho WMN cần đạt được những yêu cầu sau:

Dung sai lỗi: Một vấn đề quan trọng của các mạng là khả năng sống của mạng

Khả năng sống của mạng là khả năng hoạt động của mạng thậm chí khi có nút hoặc liên kết bị lỗi WMN có thể bảo đảm chắc chắn chống lại lỗi liên kết bởi tự nhiên gây ra Tương ứng là giao thức định tuyến cũng nên hỗ trợ chọn đường lại tuỳ vào các liên kết lỗi

Cân bằng tải: Các bộ định tuyến vô tuyến cho mạng mắt lưới tốt cho cân bằng tải

bởi vì chúng có thể lựa chọn đường đi hiệu quả nhất cho dữ liệu

Giảm thiểu tiêu đề định tuyến: Sự bảo vệ băng thông là bắt buộc cho sự thành

công của bất kì mạng vô tuyến nào Giảm thiểu tiêu đề định tuyến là điều quan trọng, đặc biệt bởi một nguyên nhân tái quảng bá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Khả năng mở rộng: Mạng mắt lưới có khả năng mở rộng và có thể kiểm soát hàng

trăm hàng nghìn nút Bởi vì nhà điều hành mạng không phụ thuộc vào một điểm điều khiển trung tâm, cộng thêm các điểm thu thập dữ liệu hoặc gateway là rất tiện lợi Điều quan trọng cho mạng WMN với hàng nghìn nút là hỗ trợ khả năng mở rộng trong các giao thức định tuyến

Hỗ trợ QoS: Để giới hạn dung lượng kênh, ảnh hưởng của xuyên nhiễu, số lượng

lớn các người dùng và sự nổi trội của các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực, việc hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trở nên một yêu cầu quyết định trong các mạng như vậy

1.3 Vấn đề đặt Gateway trong mạng lưới không dây

Mạng lưới không dây (WMN) đang ngày càng trở nên phổ biến như một phương tiện kết nối internet đơn giản và tiện lợi hơn m ạng dây dành cho người sử dụng Trong những mạng đa chặng (multi-hop) kiểu này, dữ liệu được chuyển từ các nút mạng đến cổng hoặc từ cổng đến các nút mạng Vị trí của cổng thực sự có ảnh hưởng quan trọng đến lưu lượng thông tin của mạng Vì thế, vị trí của cổng trở nên rất quan trọng trong hệ thống mạng lưới không dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.5: Mạng WMN với các nút mạng được sắp xếp ngẫu nhiên

Mạng WMN với các nút mạng được sắp xếp ngẫu nhiên

Giả sử rằng tất cả các nút đều có khả năng như nhau, tất cả các nút đều sử dụng ăng ten đẳng hướng với khả năng truyền dữ liệu và tần số như nhau Ta có thể nhậ n thấy lưu lượng dữ liệu tối đa và lưu lượng dữ liệu tối thiểu của một mang WMN có giới hạn trên là A/N (A là lượng thông tin tối đa có sẵn trong một nút mạng ), và lưu lượng tối đa có thể đạt tới ko phụ thuộc và vị trí của cổng Tuy nhiên, giới hạn này chỉ

có thể đạt tới khi có một năng lượng truyền tải cực lớn Nhìn chung, các nút không thể

sử dụng năng lượng quá lớn vì chúng bị giới hạn bởi các quy tắc Khi năng lượng truyền tải được sử dụng ở mức thấp hoặc trung bình, lưu lượng dữ liệu tối đa và tối thiểu thấp hơn nhiều so với giới hạn ở trên Với các loại mạng khác nhau, vị trí của cổng có ảnh hưởng quan trọng đến lưu lượng dữ liệu có thể đạt tới ở mức độ năng lượng thấp đến trung bình Tuy nhiên, cần rất nhiều những phép toán phức tạp để có thể tìm ra vị trí tốt nhất cho cổng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.4 Kết luận

Wireless mesh network là một hệ thống mạng đảm bảo được yêu cầu kết nối linh động về số lượng và vị trí ở mức cao Trong WMN, vấn đề định tuyếncó thể được di ễn giải thành hai phần Đó là sử dụng an-ten phát sóng có định hướng đến user trong từng

AP, đồng thời sử dụng nhóm các AP tự động định tuyến với nhau trong cùng hệ thống mạng Mục đích chính của công nghệ này nhằm tối ưu hóa khả năng kết nối giữa AP

và user, cũng như thiết lập kết nối không dây tối ưu giữa các AP với nhau, từ đó giảm

số lượng AP cần thiết và tiết kiệm chi phí cho DN

Để định hướng đến user, các AP thông minh (SmartAP) trong hệ thống Wireless

Mesh Network có cấu tạo tích hợp hệ thống “an-ten rắn” với nhiều thành tố an-ten

khác nhau, có khả năng kết hợp thành nhiều dạng thức an-ten chuyên biệt (antenna patterns) Các dạng thức này cho phép SmartAP tập trung tín hiệu radio hướng trực tiếp đến từng user, thay vì phát tán trên một vùng rộng như mô hình AP truyền thống Điều này cũng tương tự như việc tập trung ánh sáng thành luồng của đèn pin so với phát tán ánh sáng của bóng đèn tròn

Kiến trúc của hệ thống WMN bao gồm 03 kiến trúc cơ bản là mạng Infrastructure , mạng client mesh và mạng mesh lai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC MẠNG WLAN – WIMAX 2.1 Đặt vấn đề

Do mạng WMN được phát triển dựa trên nền tảng cở sở của 2 mạng Wlan và Wimax nên trong luận văn này tôi xây dựng hệ thống mạng lưới không dây WMN trên

cơ sở kiến trúc của 2 hệ thống mạng trên

2.2 Kiến trúc mạng Wlan

2.2.1 Mạng WLAN theo chuẩn 802.11

WLAN có hai dạng cơ bản là WLAN có cơ sở hạ tầng based) và WLAN không có cơ sở hạ tầng (mạng adhoc) Mạng không dây có tính linh hoạt cao do hai dạng này luôn được sử dụng kết hợp với nhau Nghĩa là các máy tính

(infrastructured-có thể trao đổi dữ liệu qua một Base Station hoặc cũng (infrastructured-có thể truyền thông trực tiếp với nhau

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình2.1:mô hình mạng WLAN

2.2.2 Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng

Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng, các nút mạng truyền thông được với nhau đều phải thông qua điểm truy cập chung AP (Access Point), nó còn có một tên gọi khác nữa là trạm cơ sở - BS (Base Station) Các base station không chỉ cung cấp khả năng kết nối mạng mà nó còn có chức năng chuyển tiếp, điều khiển các truy cập đường truyền Ngoài ra, các base station còn thường được kết nối với các mạng có dây nên nó đóng vai trò như là cầu nối các mạng không dây và có dây với nhau tạo thành một mạng diện rộng Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của các nút mạng mà còn phụ thuộc vào bán kính phủ sóng của các AP Các nút mạng càng gần AP thì tốc độ truyền dữ liệu càng cao Do đó, việc lựa chọn tốc độ truyền và phạm vi hoạt động cần phải cân nhắc, khi đó ảnh hưởng trực tiếp tới sự bố trí của các

AP

2.2.3 Mạng adhoc

Các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng Các thiết bị này có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không cần phải quản trị mạng Vì việc thiết lập các mạng adhoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên chúng thường được thiết lập mà không cần một công cụ hay kỹ năng đặc biệt nào vì

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vậy nó rất thích hợp để sử dụng trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nằm trong vùng có thể “nghe” được lẫn nhau

2.2.4 Kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11

802.11 là một trong những chuẩn thuộc họ 802.x – là họ chuẩn cho các mạng LAN IEEE802.11 có nhiều chuẩn nhưng phổ biến nhất hiện nay là ba chuẩn 802.11 a/b/g:

 Chuẩn 802.11b: Hoạt động ở dải tần 2.4 GHz, tốc độ truyền dữ liệu là 11Mbps,

là dải tần dành cho công nghiệp, khoa học và y tế - ISM (Industrial, Scientific và Medical) Ở Mỹ, thiết bị hoạt động ở dải tần này không cần phải đăng ký và được đảm bảo bởi tổ chức WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance)

 Chuẩn 802.11a: Hoạt động ở dải tần 5-6 GHz, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps, chuẩn này đang được một số hãng đầu tư nghiên cứu thực hiện, nhằm hy vọng thay thế cho chuẩn 802.11b Chuẩn này có đặc điểm

là tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, nhưng có điểm yếu là vùng phủ sóng hẹp

do chuẩn này sử dụng dải tần 5GHz (dải tần càng cao thì vùng truyền tín hiệu càng nhỏ)

 Chuẩn 802.11g: Là phiên bản nâng cấp của 802.11b, được thông qua bởi

tổ chức IEEE Nó cũng hoạt động ở dải tần 2.4GHz nhưng tốc độ truyền có thể lên tới 54Mbps Những sản phẩm áp dụng chuẩn này đều có thể tương thích được với sản phẩm áp dụng chuẩn 802.11b Tuy nhiên điểm hạn chế của nó là chỉ truyền thông được giữa những đối tượng nằm trong khoảng cách ngắn với nhau

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Về kiến trúc, chuẩn 802.11 được chia làm 2 lớp là lớp vật lý và lớp điều khiển truy cập môi trường truyền MAC Trong đó, tầng MAC có nhiệm vụ là thực hiện cơ chế điều khiển truy nhập môi trường truyền, phân mảnh dữ liệu của ứng dụng người dùng

và mã hóa Tầng vật lý được chia làm hai tầng con (sublayer) với hai chức năng khác nhau Đầu tiên là tầng giao thức hội tụ vật lý (Physical Layer Convergence Protocol - PLCP) có nhiệm vụ cảm nhận sóng mang và cung cấp điểm truy cập dịch vụ vật lý chung Thứ hai là tầng phụ thuộc môi trường truyền (Physical Medium Dependent - PMD) có nhiệm vụ quản lý việc điều chế (mudulation) tín hiệu

Hình2.2: Mô hình phân lớp WLAN theo chuẩn 802.11

2.2.4.1 Lớp vật lý

Chuẩn IEEE hỗ trợ 3 phiên bản khác nhau của tầng vật lý: hai loại sử dụng công nghệ sóng radio (dải tần 2.4GHz) và loại còn lại sử dụng công nghệ hồng ngoại

Cả ba loại đều có chức năng là đánh giá kênh truyền rỗi - CCA (Clear Channel Assessment) và điểm truy cập dịch vụ vật lý Chức năng CCA xác định cho tầng trên biết môi trường truyền có rỗi hay không Điều này rất cần thiết cho việc điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

khiển truy nhập môi trường truyền Chức năng điểm truy cập dịch vụ vật lý cung cấp thông tin về tốc độ truyền, độc lập với công nghệ truyền thông

Khi mà tài nguyên tần số sóng vô tuyến ngày càng trở lên cạn kiệt thì người ta phải

sử dụng kĩ thuật trải phổ nhằm nâng cao hiệu năng sử dụng tần số Chúng ta có thể so sánh với công nghệ truyền thông băng hẹp, công nghệ truyền thông ra đời trước công nghệ trải phổ Với truyền thông băng hẹp, mạng chỉ sử dụng phổ tần số ở một mức đủ hoàn thành công việc Đặc điểm đáng chú ý ở truyền thông băng hẹp là công suất đỉnh (peak power) cao Và dải tần số được sử dụng để truyền dữ liệu càng nhỏ thì công suất đỉnh lại càng lớn Điều đó là để đảm bảo cho việc tiếp nhận tín hiệu trong băng hẹp không bị lỗi Một đặc điểm nữa của truyền thông băng hẹp là tín hiệu truyền rất dễ bị tắc nghẽn hay nhiễu Đây chính là điểm bất lợi của truyền thông băng hẹp Trong khi

đó, công nghệ trải phổ cho phép chúng ta truyền cùng một lượng thông tin như băng hẹp nhưng trải phổ chúng trên một vùng tần số lớn hơn nhiều Ngoài ra, chúng

ta có thể giảm được nhiễu và tắc nghẽn trong quá trình truyền dữ liệu Do băng tần của trải phổ là tương đối rộng nên công suất đỉnh của nó rất thấp Như vậy, đặc trưng của

kĩ thuật trải phổ là băng thông rộng và công suất thấp Cũng chính nhờ hai đặc điểm này mà bên nhận không mong muốn sẽ xem chúng như những tín hiệu nhiễu (tín hiệu nhiễu cũng có đặc điểm băng thông rộng và công suất thấp), do đó có thể tránh được

“sự tò mò” không cần thiết, làm tăng thêm tính bảo mật khi truyền dữ liệu

Có hai kĩ thuật trải phổ thông dụng nhất hiện nay là kĩ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) và kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DSSS -Direct Sequence Spread Spectrum )

 Kĩ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS)

Kĩ thuật trải phổ nhảy tần là công nghệ cho phép nhiều mạng không dây có thể đồng thời hoạt động trong cùng một vùng phủ sóng bằng cách phân chia cho các mạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

sử dụng những dãy dải tần khác nhau Trong hệ thống này, sóng mang sẽ thay đổi tần

số tùy thuộc vào một bảng gồm nhiều tần số mà sóng mang có thể nhảy trong một khoảng thời gian xác định Bảng này được gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudorandom), bên gửi sử dụng chuỗi này để tìm tần số truyền cho nó Khoảng thời gian mà sóng mang tồn tại ở một tần số nào đó được gọi là dwell time (tính bằng mili giây), khoảng thời gian mà sóng mang nhảy từ tần số này sang tần số khác được gọi là hop time (tính bằng micro giây) Sau khi danh sách tần số được nhảy hết, phía gửi sẽ lặp lại chuỗi Pseudorandom từ đầu Tất nhiên, việc sử dụng trải phổ nhảy tần không tránh khỏi việc nhiễu, mất mát trong khi truyền Tuy nhiên, do trải phổ trên nhiều băng tần nên nếu tín hiệu bị nhiễu trên một băng tần nào đó vẫn có thể được truyền lại ở tần

số khác Chuẩn 802.11 xác định tốc độ truyền dữ liệu của FHSS là 1-2 Mbps

Để tránh hiện tượng xung đột trong môi trường dùng chung, hệ thống nhảy tần sử dụng một khái niệm gọi là kênh (channel) Channel thực chất là một dạng nhảy (hop pattern) xác định được quy định bởi một tổ chức có thẩm quyền (ở MỸ là FCC - Federal Communication Commission) hoặc do đồng bộ hóa hệ thống giữa các

mạng tạo ra

 Kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DSSS)

DSSS là kĩ thuật trải phổ được sử dụng rỗng rãi nhất trong các các kĩ thuật trải phổ

vì nó dễ cài đặt và có tốc độ cao Hệ thống truyền và hệ thống nhận của DSSS đều sử dụng một tập hợp các tần số có độ rộng là 22 MHz Các kênh rộng này cho phép hệ thống DSSS có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn hệ thống FHSS nhiều

Về nguyên tắc hoạt động, DSSS kết hợp tín hiệu dữ liệu tại trạm truyền với một chuỗi bit dữ liệu tốc độ cao, gọi là chip sequence, mỗi chip tương ứng với 1 bit trong dãy đó Mỗi chip sequence bao gồm tối thiểu là 11 chip, từng bit của dãy bit số liệu cần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

truyền đƣợc kết hợp với một chip sequence, tạo thành một mã đƣợc gọi là mã Baker Kỹ thuật DSSS làm giảm khả năng bị nhiễu của tín hiệu

Tiến trình DSSS bắt đầu với một sóng mang đƣợc điều chế với một chuỗi mã Số lƣợng chip trong một chip sequence sẽ xác định độ trải rộng phổ của hệ thống và tốc độ của dãy bit đặc biệt này (tính bằng chip trên giây) sẽ xác định tốc độ truyền dữ liệu IEEE 802.11 xác định tốc độ truyền dữ liệu của DSSS cũng là 1-2 Mbps

Giống nhƣ FHSS, hệ thống DSSS cũng sử dụng khái niệm kênh Nhƣng nếu nhƣ FHSS sử dụng chuỗi nhảy để xác định kênh thì khái niệm kênh trong DSSS lại đƣợc quy ƣớc sẵn Mỗi kênh trong DSSS là một dải tần số liên tục rộng 22 MHz, có tần số sóng mang cách nhau MHz (giống FHSS) Ví dụ: Kênh 1 hoạt động trong dải tần từ 2.401GHz đến 2.423GHz Nhƣ vậy, các tần số đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu trong kênh 1 là 2.412 GHz +/- 11 MHz, 2.412GHz +/- 10 MHz, , 2.412 GHz +/-1MHz

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.3: Các kênh và dải tần số hoạt động

Các kênh nằm gần nhau trong DSSS sẽ có tần số trùng nhau một lƣợng đáng kể

Do đó, việc sử dụng DSSS với các kênh trùng lặp trong cùng một vị trí vật lý sẽ gây nên nhiễu hệ thống, băng thông của mạng sẽ bị giảm đáng kể Do tần số trung tâm của sóng mang đƣợc quy định cách nhau 5 MHz, độ rộng dải tần lại là 22 MHz, nên trên cũng một khu vực vật lý, các kênh đƣợc bố trí phải có số kênh cách nhau 5 kênh, để khoảng cách tần số trung tâm của 2 kênh gần nhau nhất tại một địa điểm là 25 MHz

Ví dụ: kênh 1 và kênh 6, kênh 2 và kênh 7, có thể đƣợc bố trí cùng nhau Vì thế, tối đa trên cùng một khu vực theo lý thuyết cũng chỉ có tối đa 3 kênh là kênh 1, kênh 6

và kênh 11 có thể đƣợc bố trí cùng nhau Trong thực tế, vẫn có thể xảy ra trùng một phần nhỏ giữa các kênh Điều này còn phụ thuộc vào thiết bị sử dụng và khoảng cách giữa các hệ thống

Hình 2.4: Các kênh không xung đột nhau khi cùng một khu vực

Về khả năng chống nhiễu khi truyền dữ liệu thì so với FHSS, hệ thống DSSS chống nhiễu kém hơn do độ rộng dải tần nhỏ hơn (22 MHz so với 79 MHz) và dữ liệu của DSSS đƣợc truyền đồng thời trên toàn bộ băng tần thay vì truyền trên một băng tần trong một thời điểm của FHSS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

 Kĩ thuật sử dụng hồng ngoại

Trong kĩ thuật sử dụng hồng ngoại, bước sóng của ánh sáng nằm khoảng

từ 850-900 nm Nó có thể hoạt động trong môi trường có ánh sáng khuếch tán, và bán kính có thể thực hiện truyền thông giữa các thiết bị là 10m Trong điều kiện có ánh sáng mạnh như ánh sáng mặt trời hay là ở những nơi phát nhiệt mạnh, kĩ thuật này không thể sử dụng được

2.2.4.2 Lớp điều khiển truy cập môi trường truyền MAC

 Giao thức CSMA/CA

Như chúng ta đã biết, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect) là cơ chế truy nhập đường truyền trong mạng LAN có dây và hoạt động rất hiệu Trong mạng có dây, một máy tính muốn truyền một gói tin, nó sẽ lắng nghe xem đường truyền có bận không Nếu đường truyền bận, nó sẽ tiếp tục lắng nghe cho đến khi đường truyền rỗi thì truyền gói tin đi với một xác suất nhất định Đồng thời, trong lúc truyền, nó vẫn tiếp tục lắng nghe để đảm bảo không có xung đột xảy ra với gói tin đang truyền Nếu xung đột được phát hiện trong quá trình truyền, máy sẽ tạm dừng truyền trong một khoảng thời gian nào đó, trước khi tiếp tục truyền gói tin bị xung đột Như vậy theo cơ chế này, máy tính có thể phát hiện ra xung đột trong khi truyền dữ liệu Nhưng với mạng không dây, do đặc điểm là truyền sóng trong không khí, nên điều này là không thể thực hiện được Do đó, mạng không dây phải sử dụng giao thức CSMA/CA (Carier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance), một giao thức

có nhiều đặc điểm tương tự như giao thức của mạng LAN có dây

Để tránh xung đột, giao thức CSMA/CA có những quy tắc nghiêm ngặt hơn so với CSMA/CD Khi một nút mạng trong mạng muốn truyền một gói tin, nó phải lắng nghe xem trong mạng có nút mạng nào đang thực hiện truyền tin hay không (cảm nhận sóng mang) Nếu môi trường mạng đang bị chiếm, nút mạng sẽ tính toán một khoảng trễ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ngẫu nhiên để lặp lại việc nghe đường truyền Ngay sau khoảng thời gian trễ đó, nút mạng lại lắng nghe xem môi trường mạng có rỗi hay không Chính nhờ khoảng thời gian trễ đó mà nhiều nút mạng trong mạng sẽ không cố gắng truyền tin vào cũng một thời điểm Đây chính là cách để mạng không dây tránh xung đột

Điểm khác biệt lớn nhất giữa hai giao thức này là CSMA/CA tránh xung đột (còn CSMA/CD phát hiện xung đột) và sử dụng gói tin ACK để xác nhận việc gửi gói tin thành công hay công Nếu bên gửi nhận được gói tin ACK sau khi truyền một gói tin thì có nghĩa gói tin đã đến bên nhận thành công, ngược lại, nếu không nhận được gói tin ACK, bên gửi sẽ coi như là có tắc nghẽn và sẽ truyền lại gói tin

Các thành phần chính của giao thức CSMA/CA:

- Cảm nhận sóng mạng (carrier sense):

Các nút mạng trong mạng không dây muốn truyền một gói tin phải kiểm tra xem đường truyền có bận hay không Nếu bận phải trì hoãn việc truyền lại cho đến khi đường truyền rỗi Các nút mạng xác định trạng thái của đường truyền dựa trên hai cơ chế:

 Kiểm tra lớp vật lý xem có sóng mạng hay không?

 Sử dụng chức năng carrier sense ảo là Network Allocation Vector (NAV)

Một nút mạng có thể kiểm tra đường truyền có rỗi hay không nhờ việc kiểm tra lớp vật lý Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, đường truyền có thể được đặt trước thông qua NAV NAV thực ra một đồng hồ đếm giờ được cập nhật bởi các frame dữ liệu được gửi đi trong đường truyền

Ví dụ, trong một hệ thống mạng WLAN có cơ sở hạ tầng gồm 3 nút mạng là N1, N2 và N3 Giả sử N1 đang truyền một frame đến N2 Do đường truyền không dây là đường truyền chia sẻ dựa trên quảng bá nên N3 cũng có thể nhận được frame Nhưng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trong các frame của chuẩn 802.11 có chứa một trường là trường thời gian (Duration Field) Giá trị của trường này là đủ lớn để cho frame có thể truyền được đến đích và gói tin ACK có thể về được nơi gửi Khi nhận được frame này, N3 sẽ cập nhật giá trị NAV của mình với giá trị của trường thời gian trong frame, và sẽ không thực hiện truyền ngay cho đến khi giá trị của duration trong frame là bằng 0 Một điểm cần lưu ý

ở đây đó là các nút mạng chỉ cập nhật NAV của mình khi mà trường thời gian của frame lớn hơn giá trị NAV mà nút mạng đang lưu giữ Ví dụ nếu N3 có NAV = 10mili giây thì N3 sẽ chỉ cập nhật NAV nếu duration của frame lớn hơn 10 Ngược lại, nó vẫn giữ nguyên giá trị của NAV

- Chức năng cộng phân tán (DCF-Distributed Coordination Function)

IEEE xác định cơ chế truy nhập cho mạng 802.11 là DCF hoặc PCF Cơ chế PCF dựa trên phương pháp truy nhập CSMA/CA Trong cơ chế hoạt động của DCF, một nút mạng muốn truyền frame phải đợi một khoảng thời gian xác định sau khi đường truyền rỗi Khoảng thời gian này được gọi là DIFS (DCF Interframe Space) Khi mà DIFS trôi qua, đường truyền đã có thể sẵn sàng cho các nút mạng truy nhập vào Trong ví dụ trên, giả sử N2 và N3 muốn truyền frame sau khi N1 đã truyền xong Mà N2 và N3 lại

có cùng giá trị NAV, cả hai cũng thấy đường truyền rỗi Lúc này khả năng xảy ra xung đột là rất lớn Và để giải quyết vấn đề này, DCF sử dụng thuật toán Random Back-Off timer

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.5: Chức năng cộng phân tán DCF

Thuật toán Random Back-Off sẽ chọn ngẫu nhiên một giá trị từ 0 đến giá trị của vùng cửa sổ tranh chấp (CW-Contention Window) – vùng màu hồng trong hình vẽ Giá trị của CW có thể khác nhau, tùy theo mặc định của nhà sản xuất và nó được lưu trữ trong NIC (Network Interface Card) của nút mạng Giá trị Random Back-off thực chất

là khoảng thời gian mà máy trạm phải chờ thêm sau khi đường truyền rỗi và DIFS đã trôi qua Giá trị của khoảng thời gian sẽ giảm đi 1 nếu sau mỗi khoảng thời gian DIFS, đường truyền vẫn rồi Đến khi giá trị của nó giảm xuống còn 0, nút mạng bắt đầu truyền frame Tuy nhiên, nếu có một nút mạng khác truy cập đường truyền trước khi giá trị Random Back-Off của nút mạng này giảm đến 0 thì nút mạng vẫn lưu giá trị đó lại (dừng đồng hồ) để sử dụng cho lần sau

Nút mạng nhận sau khi nhận được frame thành công sẽ gửi trở lại một frame biên nhận cho trạm truyền Muốn làm được điều đó, trạm nhận cần phải chiếm được đường truyền Để tránh khả năng frame ACK bị trì hoãn do phải giành đường truyền, frame ACK được phép bỏ qua quá trình Random Back-Off và chỉ phải đợi một khoảng thời gian ngắn được gọi là Short Interframe Space (SIFS) để có thể truyền Giá trị của SIFS nhỏ hơn DIFS để đảm bảo nút mạng nhận có nhiều cơ hội chiếm được đường truyền để gửi biên nhận trước các nút mạng khác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Vấn đề Hidden Terminal và việc sử dụng các gói tin RTS/CTS:

Trong cơ chế CSMA/CA, chúng ta cần quan tâm đến vấn đề là hiện tượng cuối ẩn (hidden terminal) và trạm cuối lộ (exposed terminal)

 Hiện tượng đầu cuối ẩn

Hình 2.6: Hiện tượng đầu cuối ẩn

Hiện tượng này có thể được mô tả như sau: nút mạng B nằm trong vùng phủ sóng của hai nút mạng A và C Hai nút mạng A và nút mạng C lại không nằm trong vùng phủ sóng của nhau Nút mạng A đang truyền một gói dữ liệu cho B C cảm nhận kênh truyền và do C nằm ngoài vùng phủ sóng của A nên C không cảm nhận được sóng mang của A Do đó, C cũng truyền dữ liệu cho B, dẫn đến tại B xảy ra xung đột

 Hiện tượng trạm cuối lộ

Hình2.7: Hiện tượng trạm cuối lộ

Nút mạng B đang truyền dữ liệu cho nút mạng A Cùng lúc đó, nút mạng C cũng muốn truyễn dữ liệu cho nút mạng D nhưng nút mạng C cảm nhận sóng mang thấy đường truyền đang bận nên không truyền nữa, trong khi nó hoàn toàn có thể truyền cho nút mạng D

 Chức năng cộng tác phân tán sử dụng gói tin điều khiển RTS/CTS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Gói tin RTS chứa địa chỉ nút mạng nhận và khoảng thời gian cần thiết cho quá trình truyền dữ liệu (bao gồm thời gian truyền toàn bộ dữ liệu và thời gian gói tin biên nhận của nút mạng nhận gửi lại) Khi nhận được gói tin RTS, nút mạng nhận sẽ gửi trả lại gói tin CTS sau khoảng thời gian SIFS Khi nút mạng gửi nhận được gói CTS, nó bắt đầu truyền dữ liệu cho nút mạng nhận sau khoảng thời gian chờ SIFS và chờ nút mạng nhận gửi trả về gói ACK xác nhận đã gửi thành công Sau khi nhận gói ACK, nút mạng

sẽ giải phóng NAV để bắt đầu một chu kì mới Sử dụng các gói tin RTS/CTS, vấn đề hidden terminal và exposed terminal có thể được khắc phục

Với hiện tượng đầu cuối ẩn, khi A truyền quảng bá gói tin RTS cho B, do C nằm ngoài vùng phủ sóng của A nên không cảm nhận được sóng mạng, cho rằng đường truyền rỗi Khi nhận được gói tin RTS từ A, B sẽ gửi phản hồi lại gói CTS Lúc này, C

do nằm trong vùng phủ sóng của B nên có thể cảm nhận được đường truyền bận, do đó

sẽ không truyền dữ liệu nữa

Hình2.8: Cơ chế RTS/CTS giải quyết vấn đề trạm cuối ẩn

Với hiện tượng trạm cuối lộ, khi B truyền gói tin RTS cho A, C cảm nhận được đường truyền đang bận nên hoãn lại không truyền dữ liệu cho D Nhưng sau khi A phản hồi lại gói tin CTS cho B, do C nằm ngoài vùng phủ sóng của A nên C sẽ không nhận được quảng bá gói tin CTS của A phát đi Vì thế, C có thể nghĩ rằng A đã ngoài vũng phủ sóng và có thể truyền dữ liệu cho D một cách bình thường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.9: Cơ chế RTS/CTS giải quyết vấn đề trạm cuối lộ

- Chức năng điều khiển tập trung (Point Coordination Function - PCF)

PCF là một cơ chế truy cập tùy chọn (ngoài DCF) của chuẩn 802.11 Nó cung cấp khả năng phân phát các frame đến và đi từ AP mà không cần phải cạnh tranh giành đường truyền (Contention Free).Cơ chế hoạt động của PCF cần phải có một điểm truy cập (Access Point) nên không được áp dụng được cho mạng adhoc

Hình2.10: PCF sử dụng việc hỏi vòng

Trong PCF, thời gian được chia thành các khoảng được gọi là các superframe, được bắt đầu với các frame dẫn đường (beacon frame) Mỗi superframe được chia thành hai phần là khoảng không tranh chấp (Contention-free period) và khoảng tranh chấp (Contention Period) Ở đây, AP đóng vai trò của một bộ điều phối trung tâm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(Point Coordinator), quyết định trạm nào phải chờ khoảng thời gian PIFS để truy cập môi trường truyền PIFS là khoảng thời gian được sử dụng trong các dịch vụ giới hạn thời gian, có giá trị lớn hơn SIFS nhưng nhỏ hơn DIFS Điều này cho phép các trạm PCF có thể truy nhập đường truyền trước các trạm DCF nhưng vẫn đảm bảo cho các frame điều khiển như ACK frame có cơ hội giành lấy đường truyền

Nhìn trên hình vẽ, ở thời điểm t0, khoảng không tranh chấp được bắt đầu Tuy nhiên, do đường truyền mạng đang bận, AP không truy cập môi trường truyền Đến thời điểm t1, khi đường truyền mạng rỗi, AP phải chờ một một khoảng thời gian PIFS nữa mới bắt đầu truy cập vào môi trường truyền Lúc này, có hai khả năng xảy ra: nếu trạm nhận được dữ liệu D từ AP gửi xuống và muốn truyền dữ liệu, nó sẽ gửi lại cho

AP dữ liệu cần gửi U Ngược lại, nếu trạm nhận không muốn gửi dữ liệu, sau khoảng thời gian SIFS, AP sẽ không nhận được dữ liệu nào từ trạm đó Trong hình, có 4 trạm không dây Ban đầu, AP cho phép trạm 1 truyền dữ liệu bằng cách gửi cho trạm 1 gói

dữ liệu D1, sau khoảng thời gian SIFS, AP nhận được gói U1 từ trạm 1 do trạm 1 cũng muốn truyền dữ liệu Sau khi nhận được dữ liệu từ trạm 1, chờ thêm khoảng thời gian SIFS nữa, AP chỉ định trạm 2 truyền dữ liệu Trạm 2 cũng muốn truyền dữ liệu nên truyền trở lại cho AP gói U2 Sau đó AP lại chỉ định cho trạm 3 truyền dữ liệu Nhưng trạm 3 không muốn truyền dữ liệu nên AP không nhận được dữ liệu từ trạm 3.Sau khoảng thời gian PIFS, AP lại cho phép trạm 4 truyền dữ liệu Trạm 4 cũng muốn gửi

dữ liệu nên gửi lại cho AP gói U4 Khi mà khoảng thời gian không tranh chấp sắp hết,

AP sử dụng tín hiệu Cfend (Contention Free end) Ta có thể thấy, tại mỗi thời điểm chỉ

có một trạm được truy cập môi trường truyền, nó có thể gửi hoặc không gửi dữ liệu Các trạm có khoảng thời gian truy cập môi trường truyền riêng, không trùng nhau

và do AP chỉ định Do đó, trong khoảng thời gian không tranh chấp, không có xung đột

xảy ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2.4.3 Lớp quản lý tầng MAC

Lớp quản lý tầng MAC đóng vai trò trung tâm trong các trạm IEEE 802.11 Nó cung cấp một vài chức năng như Đồng bộ hóa (Synchronization), Quản lý năng lượng (Power Management) và Quản lý chuyển vùng (Roaming)

 Đồng bộ hóa (Synchronization)

Đồng bộ hóa có vai trò 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 các hệ thống tầng vật lý sử dụng kỹ thuật FHSS Việc đồng bộ thời gian giữa các trạm trong một BS được thực hiện bằng việc gửi một gói tin beacon chứa nhãn thời gian và thông tin quản lý khác Nhãn thời gian trong gói tin Beacon giúp các trạm điều chỉnh lại đồng hồ của mình Theo thời gian, đồng hồ nội bộ này có thể thay đổi, do đó cứ sau một khoảng thời gian nhất định, các trạm lại phải điều chỉnh lại đồng hồ của mình Khoảng thời gian đó gọi là beacon interval

Đối với mạng có cơ sở hạ tầng, trạm truy cập cơ sở đảm nhận việc đồng bộ hóa bằng cách phát gói tin beacon theo định kì để mọi trạm trong một BS điều chỉnh lại đồng hồ nội bộ của mình

Đối với mạng adhoc, điều này có phần phức tạp hơn do mạng không có trạm truy cập cơ sở để thực hiện việc đồng bộ Mỗi nút mạng trong mạng sẽ phát đi gói tin beacon sau mỗi khoảng beacon Và để tránh xung đột, các thuật toán back off chuẩn được áp dụng để làm giảm khả năng đụng độ, đảm bảo một nút mạng có thể gửi được gói tin beacon và các nút mạng khác đồng bộ thời gian theo gói đó

 Quản lý năng lượng (Power Management)

Các thiết bị không dây sử dụng pin là nguồn cung cấp năng lượng Do đó, việc quản lý năng lượng nhằm tiết kiệm, tránh lãng phí đóng vai trò quan trọng trong việc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

kéo dài thời gian làm việc của thiết bị, tiện lợi cho người dùng Để tiết kiệm năng lượng, IEEE 802.11 đưa ra ý tưởng thiết lập hai trạng thái cho một trạm: trạng thái

“nghỉ” và trạng thái “làm việc”

Quá trình quản lý năng lượng của mạng không dây có cơ sở hạ tầng đơn giản hơn mạng adhoc nhiều Trạm truy cập cơ sở có nhiệm vụ lưu lại mọi frame cho các trạm sử dụng cơ chế tiết kiệm năng lượng trong mạng nó quản lý Khi đó, trạm truy cập cơ sở

sẽ gửi một gói tin beacon trong đó có chứa ánh xạ định danh truyền thông (Traffic map Indication Map – TIM) gồm danh sách các trạm có dữ liệu cần gửi đến Chức năng đồng bộ thời gian đảm bảo các trạm đều phải “thức” để nhận gói tin này Đồng thời đối chiếu xem mình có tên trong ánh xạ định danh truyền thông không Nếu có tồn tại, nó

sẽ giữ nguyên trạng thái “thức” và thực hiện quá trình nhận dữ liệu Ngược lại, trạm sẽ trở lại trạng thái “nghỉ” và chờ gói beacon kế tiếp

Đối với mạng adhoc, do không có trạm truy cập cơ sở nên các nút mạng phải tự lưu lại dữ liệu mình muốn gửi và gửi định danh của trạm cần gửi dữ liệu đến các trạm xung quanh trong giai đoạn nó thức nhờ sử dụng ánh xạ định danh truyền thông adhoc (Adhoc Traffic Indication Map – ATIM)

 Quản lý chuyển vùng (hand-off)

Trong một khu vực lớn, mạng không dây cần lắp nhiều trạm truy cập cơ sở để có thể mở rộng vùng phủ sóng, giúp người sử dụng có thể truy cập tại bất kì điểm nào trong khu vực đó Khi một thiết bị không dây di chuyển giữa các điểm trong khu vực, cần có một cơ chế quản lý việc chuyển vùng để đảm bảo tính truyền thông của thiết bị không bị gián đoạn Việc chuyển vùng này được thực hiện theo các bước:

- Một trạm nhận thấy tín hiệu liên kết giữa mình với trạm truy cập cơ sở là quá yếu (tín hiệu quá yếu), nó sẽ tìm kiếm một trạm cơ sở khác cung cấp dịch vụ với một liên kết tốt hơn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Trong quá trình quét tín hiệu mạng được chia làm hai dạng là quét chủ động và quét bị động Quét chủ động là máy trạm trực tiếp phát đi một gói tin tín hiệu đến mỗi kênh truyền và chờ đợi phản hồi từ các kênh truyền đó Quét thụ động

là máy trạm nghe môi trường truyền để tìm ra một BS mới

- Sau khi nhận được tín hiệu phản hồi, trạm cần chuyển vùng sẽ chọn máy trạm

cơ sở cung cấp dịch vụ liên kết tốt nhất đến nó và gửi một yêu cầu cung cấp dịch vụ

- Trạm truy cập cơ sở sẽ trả lời yêu cầu của máy trạm chuyển vùng Nếu chấp nhận thì máy trạm chuyển vùng sẽ gia nhập một BS mới Ngược lại, nó sẽ phải quét lại để tìm một máy trạm cơ sở mới chấp nhận cho nó tham gia vào BS mới

2.3 Kiến trúc mạng Wimax

2.3.1 Mô hình tham chiếu mạng Wimax