Mạng cục bộ không dây (WLAN) và mạng Ad hoc (MANET)

Mạng cục bộ không dây (WLAN) và mạng Ad hoc (MANET)

Chương 5:

Mạng cục bộ không dây (WLAN)

và mạng Ad hoc (MANET)

Nội dung chương

• Giới thiệu

– Quyết định cho phép sử dụng công cộng băng ISM

đã kích hoạt sự phát triển của WLAN

– Các sản phẩm không tương thích dẫn đến yêu cầu của một tiêu chuẩn

– Nhóm làm việc 802.11 chịu trách nhiệm phát triển một chuẩn chung

– Ba tiêu chuẩn thuộc nhóm 802.11 hoàn thành vào cuối năm 1999

• Lợi ích của mạng LAN không dây

– Mạng có dây đòi hỏi kết nối cố định gây ra sự khó khăn cho việc cài đặt mạng và không đáp ứng

được nhu cầu di động

– Không phải đi dây mạng giảm thời gian cài đặt và giá thành mạng

– Sử dụng mạng LAN không dây giảm được các vấn

đề bảo trì đường dây như mạng ngừng hoạt động

và giá thành thay đổi dây

• Các vấn đề của mạng LAN không dây

– Nhược điểm chính của truyền không dây là tỉ lệ lỗi bit cao, gấp khoảng mười lần tỉ lệ đó của mạng LAN

– Nhược điểm thứ hai là tôpô của mạng không thể xác định do vấn đề trạm bị che giấu và trạm bị phô bày.

– Rất nhiều giao thức được thiết kế cho mạng có dây Ví

dụ TCP sẽ giảm hiệu suất hoạt động trong môi trường không dây

– Cài đặt WLAN đòi hỏi phải tính đến môi trường trong

đó tín hiệu lan truyền

– Bảo mật luôn là một vấn đề của mạng không dây

Các thành phần của 802.11

• Station (trạm)

– Wireless network interface

– Laptop, thiết bị cầm tay, desktop

• Access point (Điểm truy nhập)

– Các khuông (frame) của mạng

802.11 phải được chuyển thành các

dạng khuông khác trước khi gửi đi

– Cầu (bridge)

• Wireless medium (phương tiện

truyền dẫn không dây)

– Sóng radio (Radio Frequency – RF)

– Tia hồng ngoại

Tôpô của mạng WLAN

• Khối căn bản của mạng 802.11 là BSS (Basic Service Set) bao gồm một nhóm các trạm truyền thông với nhau

• BSS gồm có hai loại: Independent BSS (Ad hoc) và Infrastructure BSS (BSS)

Tôpô của mạng WLAN

• Ad hoc: Một số lượng không lớn các trạm lập ra mạng tạm thời để trao đổi dữ liệu, vd hội nghị, hội họp

• BSS

– Sử dụng AP (Access Point)

– Hai trạm truyền thông cho nhau qua AP: cần 2 hop, từ MH đến AP và từ AP đến MH

– Các trạm phải nằm trong tầm phủ của AP

– Ưu điểm của BSS

• Sử dụng AP làm giảm sự phức tạp tại MH do không phải duy trì mối quan hệ với các nốt liền kề trong mạng

• AP có thể hỗ trợ các trạm giảm tiêu thụ điện bằng cách yêu cầu các trạm tắt thiết bị thu phát

Tôpô của mạng WLAN

• Extended Service Set –

Tầng vật lý của 802.11

• Phổ điện từ

– Phần phổ điện từ được sử dụng trải từ 107 đến 1011 MHz

có thể tăng vùng phủ sóng nhưng giảm khả năng bảo mật

và tăng sự giao thoa

– Khoảng phổ này được sử dụng bởi rất nhiều thiết bị, tăng thêm sự giao thoa

• Các sản phẩm của WLAN hoạt động với các băng tần ISM và bắt buộc sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ và điện năng truyền phát thấp để giảm giao thoa

• Các băng có tần số cao hơn ít nhiễu hơn và tác dụng sử dụng tốt hơn

• Phổ trải rộng được sử dụng trong WLAN do các ưu

điểm của nó Thông tin truyền đi trải trên một băng

thông rộng.

Tầng vật lý của 802.11

• Frequency-hopping (FH) Spread Spectrum (SS)

• Direct-sequence (DS) Spread Spectrum (SS)

• Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

Phổ trải rộng, Spread Spectrum

• Là công nghệ truyền tín hiệu trên một khoảng tần số rộng

Frequency hopping (FH) Spread Spectrum (SS)

• Sự thay đổi tần số truyền dựa

trên một mẫu xác định trước,

vd {2, 8, 4, 6}

• Tần số thay đổi theo thời gian

• Mỗi tần số được sử dụng trong

một khoảng thời gian ngắn gọi

là thời gian chững (dwell time)

Direct Sequence Spread Spectrum DHSS

• Tín hiều truyền trên một dải tần rộng

– Sử dụng bộ trải tần spreader để làm mỏng biên độ của tín hiệu băng hẹp dọc theo dải tần rộng hơn

– Sử dụng bộ tương liên correlator để phục hồi lại tín hiệu ban đầu

 Quá trình tương liên trải rộng tín hiệu ồn noise

Direct Sequence Spread Spectrum DHSS

• Điều biến áp dụng dãy chip: 11 chip

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

802.11 MAC (Media Access

Control)

• 802.11 dùng CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision

Avoidance để điều khiển sự truy nhập đến đường truyền (không dây)

• Distributed Foundation Wireless MAC (DFWMAC) – Distributed

– Khi một trạm có dữ liệu truyền đi, trạm cảm nhận đường truyền và truyền nếu đường truyền rảnh – Khi truyền khuông trạm không nghe đường

truyền, khuông có thể bị hỏng

– Nếu trạm thấy đường truyền bận, chờ đến khi

rảnh và bắt đầu truyền

– Khi có xung đột, tạm chờ một thời gian ngẫu

nhiên cấp mũ (Ethernet binary exponential

backoff algorithm) và thử truyền lại sau

DCF - MACAW

• Khi C nghe thấy RTS, C tự thêm vào kênh bận ảo, gọi là NAV (Network Allocation Vector), chờ một thời gian bao gồm cả thời gian truyền dữ liệu và ACK

• D không nghe thấy RTS nhưng nghe thấy CTS, D cũng tự thêm NAV

Chế độ DCF Distributed Coordination

Function

• Do đường truyền không tin cậy, có tỉ lệ lỗi bit cao, khuông có thể được phân mảnh, các mảnh được đánh số và báo nhận

• BS thăm dò các trạm và hỏi xem trạm có cần truyền dữ liệu

• Không có xung đột

Chế độ PCF Point Coordination Function

• BS đều đặn truyền quảng bá khuông báo hiệu để mời các trạm mới đăng ký

• BS cũng có thể yêu cầu trạm đi ngủ để tiết kiệm nguồn điện

• DCF và PCF có thể cùng hoạt động nếu khoảng thời gian giữa các khuông được sắp xếp thích hợp

 SIFS (Short InterFrame Spacing): để gửi CTS, ACK

 PIFS (PCF InterFrame Spacing): để BS gửi khuông báo hiệu

 DIFS (DCF InterFrame Spacing): để các trạm có được kênh truyền

– Các host truyền tin sử dụng các

kênh không dây

Mạng ad hoc

• Tô pô của mạng ad hoc là một đồ thị trong đó các đỉnh là các host, cạnh giữa hai host biểu thị sự

trong phạm vi liên lạc của hai host

• Tên khác của mạng ad hoc là MANET (Mobile Ad hoc NETwork)

Một ví dụ của mạng ad hoc

• Một nhóm các robot có khả năng truyền tin có nhiệm vụ tìm hiểu địa hình và gửi các thông tin thu thập được

• Các robot di chuyển và một robot cố định liên lạc với bên ngoài

• Các robot tạo thành một mạng không có cơ sở hạ tầng

• Các robot gửi thông tin điều khiển cho robot cố định và gửi hình ảnh thu được về cho robot cố định

Một ví dụ của mạng ad hoc

• Các vấn đề có thể xảy ra trong dàn cảnh trên:

– Mạng bị phân tách do các host di chuyển hoặc mất gói tin

– Vùng truyền thông hạn chế, do đó cần có sự hợp tác giữa các nốt để gửi đi các gói tin

– Tính chất truyền rộng dễ gây ra các vấn đề về

an ninh

– Năng lượng của pin có giới hạn

Tầng mạng

• Vấn đề định tuyến tại tầng mạng được quan tâm đến nhiều nhất do tính chất di động của các nốt trong mạng MANET

• Tầng mạng cần giải quyết hai vấn đề cơ bản

– Tìm ra đường đi từ nốt phát đến nốt nhận

– Duy trì đường đi

• Tìm hiểu một giao thức định tuyến

– DSR Dynamic Source Routing

DSR - Giới thiệu

• DSR là giao thức định tuyến cho mạng ad hoc, mạng không dây không có

cơ sở hạ tầng

• DSR bao gồm hai cơ chế chính

– Phát hiện đường đi (route discovery)

– Duy trì đường đi (route maintenance)

• Giao thức hoạt động theo nhu cầu

– Định tuyến chỉ xảy ra khi có dữ liệu cần gửi

– Các host không định tuyến bằng cách trao đổi các gói tin định kỳ

• Cho phép có nhiều tuyến đến máy đích

• Trong quá trình định tuyến các host có thể phát hiện và lưu đệm các

tuyến đến máy đích

• Các nốt di chuyển với tốc độ vừa phải

• Các nốt có thể hoạt động ở chế độ không phân loại (promiscuous - phần

cứng gửi mọi gói tin nhận được lên tầng mạng mà không lọc gói tin dựa vào địa chỉ MAC)

DSR - Hoạt động của giao thức

• DSR dùng định tuyến nguồn: mỗi gói tin gửi đi có

trong phần tiêu đề danh sách theo thứ tự các nốt mà gói tin sẽ đi qua

• Phát hiện đường đi: là cơ chế để nốt S khi cần gửi dữ liệu cho nốt D có được tuyến đến D

• Duy trì đường đi: là cơ chế để nút S có thể phát hiện

ra sự thay đổi của tô pô mà tuyến đến D không thể

sử dụng vì một đoạn kết nối nào đó bị mất

Cơ chế phát hiện đường đi căn bản

• Khi nút nguồn có gói tin gửi đến nút đích:

– Nút nguồn tìm đường đi thích hợp trong bộ lưu đệm (route cache)– Thực hiện chu trình phát hiện đường đi nếu không tìm thấy tuyến trong bộ lưu đệm

• Nốt nguồn gửi đi gói tin yêu cầu tuyến (route request) cho mọi nốt trong tầm

– Gói tin yêu cầu tuyến chứa bản ghi tuyến (route record) liệt kê các nốt trên tuyến, ban đầu chỉ gồm địa chỉ của nốt nguồn

– Gói tin yêu cầu chứa địa chỉ của nút nguồn và định danh của yêu

cầu để phân biệt các gói tin yêu cầu, vd <A, 2>

Cơ chế phát hiện đường đi căn bản

• Khi một nốt nhận được gói tin yêu cầu tuyến, vd B

– Nếu nốt là địa chỉ đích, nốt gửi gói tin trả lời tuyến cho nốt khởi đầu định tuyến, máy khởi đầu định tuyến lưu đệm đường đi để gửi các gói tin sau

– Nếu nốt đã nhận được gói tin yêu cầu tuyến lặp lại, nốt loại bỏ gói tin không xử lý

– Nốt thêm địa chỉ của mình vào gói tin yêu cầu và truyền rộng đến các nốt trong tầm, vd B gửi cho C, C cho D, D cho E

• Nốt đích khi gửi gói tin trả lời tuyến:

– Tìm trong bộ lưu đệm tuyến đến nốt nguồn nếu có

– Đảo ngược đường đi trong gói yêu cầu tuyến

– Khởi động chu trình phát hiện đường đi đến nốt nguồn nhưng kèm theo gói tin trả lời tuyến vào gói tin yêu cầu tuyến

Cơ chế phát hiện đường đi căn bản

• Khi khởi động chu trình phát hiện đường đi:

– Nốt nguồn lưu đệm các gói tin cần gửi khi chưa có tuyến vào bộ đệm gửi (sending buffer) và đặt thời gian chấm dứt lưu (SendBufferTimeout)

– Nốt nguồn thỉnh thoảng khởi động lại chu trình phát hiện đường đi cho các gói tin trong bộ đệm gửi (exponential backoff: gấp đôi thời gian chờ cho mỗi lần khởi động sau)

Cơ chế duy trì đường đi căn bản

• Các nốt trên đường đi từ nguồn đến đích có trách nhiệm thông báo về tình hình dữ liệu có truyền đến nốt tiếp theo được không, vd A có trách nhiệm cho đường kết nối từ A đến B, C - từ C đến D …

• Nếu nốt không nhận được báo nhận từ nốt tiếp theo, sử dụng báo nhận của tầng MAC hoặc chính bản thân tầng mạng

– Nốt cần loại bỏ đường kết nối không hoạt động trong bộ lưu đệm tuyến

– Gửi gói tin tuyến lỗi (route error) cho tất cả các nốt đã gửi gói tin qua tuyến lỗi, vd cho A và cho các nốt sử dụng đường kết nối C-D

• A xóa tuyến lỗi trong bộ lưu đệm tuyến

– Tìm một tuyến mới trong bộ lưu đệm đến E

– Hoặc khởi động chu trình phát hiện tuyến

Một số khả năng bổ sung cho phát hiện tuyến

• Lưu đệm thông tin nghe được về tuyến:

– Nốt cần lưu đệm các tuyến trong:Gói tin dữ liệu, Gói tin yêu cầu tuyến, Gói tin trả lời tuyến

– Khi Nốt là nốt đích nhận được gói tin, Nốt là nốt trung

chuyển, Nốt nghe được thông tin truyền từ các nốt khác – Nếu đường truyền:

• Hai chiều: lưu đệm tuyến theo cả hai chiều

• Một chiều: chỉ lưu đệm tuyến từ nguồn đến đích

Một số khả năng bổ sung cho phát hiện tuyến

• Trả lời gói tin yêu cầu tuyến sử dụng các tuyến lưu đệm

– Khi nốt nhận được gói tin yêu cầu tuyến:

• Tìm tuyến yêu cầu trong bộ lưu đệm

• Kết hợp tuyến trong gói tin yêu cầu với tuyến đến đích tìm thấy

• Gửi gói tin trả lời tuyến cho nốt nguồn

– Không được trả lời nếu có tuyến đến đích nhưng bản thân đã có

trong tuyến của gói tin yêu cầu

Một số khả năng bổ sung cho phát hiện tuyến

• Giới hạn bước nhảy trong yêu cầu tuyến

– Giới hạn số các nốt trung chuyển được chuyển tiếp gói tin:

Sử dụng TTL (Time To Live)

– Vd TTL=1: tìm trong các nốt xung quanh tuyến đến đích

đã được lưu đệm: Nếu không nhận được trả lời, gửi yêu cầu tuyến rộng hơn

Một số khả năng bổ sung cho duy trì tuyến

• Cứu gói tin: Khi nốt trung chuyển phát hiện đường truyền lỗi đến nốt tiếp theo và nốt có tuyến lưu đệm đến đích, nốt có thể

sử dụng tuyến này để cứu gói tin

– Số lần được cứu cần giới hạn, max xác định

– Trước khi cứu gói tin, nốt trung chuyển cần gửi gói tin lỗi tuyến về cho nốt nguồn