Nghiên cứu giải pháp phân chia tần số trong mạng Wifi sử dụng giao thức CAPWAP

CAPWAP Control and Provisioning of Wireless Access Points – Quản lý và Cung cấp kết nối cho các điểm truy cập không dây do tập đoàn Cisco phát triển và hỗ trợ là một bước đột phá mới tro

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 9

1 1 Giới thiệu 9

1.2 Mô tả bài toán 10

1.3 Vấn đề bảo mật 12

Chương 2 CÁC GIẢI PHÁP TRƯỚC CAPWAP 13

2.1 Giới thiệu 13

2.2 Kiến trúc tự trị 14

2.2.1 Giới thiệu 14

2.2.2 Bảo mật 15

2.3 Kiến trúc tập trung 16

2.3.1 Kết nối giữa WTP và AC 18

2.3.2 Ba biến thể của kiến trúc tập trung 19

2.4 Kiến trúc phân tán mạng lưới 21

Chương 3 GIAO THỨC CAPWAP 22

3.1 Tổng quan 22

3.1.1 Tổng quan về thiết lập phiên làm việc CAPWAP 23

3.1.2 Máy trạng thái của giao thức CAPWAP 26

3.1.2.1 Các bước chuyển trạng thái của giao thức CAPWAP 27

3.1.2.2 Giao diện CAPWAP/DTLS 36

3.2 Định dạng gói tin giao thức CAPWAP 38

3.2.1 CAPWAP Preamble 40

3.2.2 CAPWAP DTLS Header 41

3.2.3 CAPWAP Header 42

3.2.4 Thông điệp dữ liệu CAPWAP 44

3.2.4.1 CAPWAP Data Channel Keep – Alive 44

3.2.4.2 Data Payload 44

3.2.5 Thông điệp điều khiển của giao thức CAPWAP 45

3.2.5.1 Định dạng thông điệp điều khiển 46

3.2.5.2 Truyền lại gói tin bị mất 48

3.2.6 Các thành phần thông điệp CAPWAP 49

Chương 4 BÀI TOÁN PHÂN CHIA TẦN SỐ TRONG MẠNG WIFI VỚI CAPWAP 52

4.1 Giới thiệu 54

4.2 Phân chia tần số với vị trí AP được xác định 55

4.2.1 Hướng tiếp cận truyền thống 55

4.2.2 Sử dụng các kỹ thuật lập trình tuyến tính 55

4.3 Hướng tiếp cận không quan tâm tới vị trí các AP 56

4.3.1 Hướng tiếp cận tô màu đồ thị 56

4.4 Thuật toán phân chia tần số tập trung 57

4.5 Thí nghiệm 60

5 KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Tiếng Anh 63

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

dữ liệu, bằng 1 megabit trên 1 giây

không dây

không dây, hoạt động tương tự như 1 switch hoặc router trong mạng

có dây thông thường

không dây

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Ba biến thể của kiến trúc tập trung 20

Bảng 2 Các kiểu thông điệp điều khiển của giao thức CAPWAP 47

Bảng 3 Thuật toán phân chia tần số 59

Bảng 4 Kết quả so sánh thuật toán LCCS 61

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Kiến trúc tự trị mạng WLAN 14

Hình 2 Kiến trúc tập trung mạng WLAN 16

Hình 3 Kết nối trực tiếp giữa WTP và AC 18

Hình 4 Kết nối giữa WTP và AC thông qua switch 18

Hình 5 Kết nối giữa WTP và AC thông qua router 19

Hình 6 Kiến trúc phân tán lưới 21

Hình 7 Thiết lập phiên làm việc CAPWAP 25

Hình 8 Máy trạng thái của giao thức CAPWAP 26

Hình 9 Định dạng Discovery Request / Response 38

Hình 10 Định dạng gói tin điều khiển giao thức CAPWAP với DTLS 38

Hình 11 Định dạng gói tin dữ liệu CAPWAP không mã hóa 38

Hình 12 Định dạng gói tin dữ liệu CAPWAP với DTLS 39

Hình 13 CAPWAP Preamble 40

Hình 14 Định dạng CAPWAP DTLS Header 41

Hình 15 Định dạng CAPWAP Header 42

Hình 16 CAPWAP Data Payload theo chuẩn 802.3 44

Hình 17 Định dạng thông điệp điều khiển 46

Hình 18 Các kênh truyền ở dải tần 2.4GHz 52

Hình 19 Topo thông thường của một mạng Wifi 53

Hình 20 Đánh giá các thuật toán phân chia tần số 61

MỞ ĐẦU

Sau kỷ nguyên bùng nổ của máy tính để bàn cá nhân thì vào thập kỷ thứ 2 của thế

kỷ XXI, ngành công nghiệp máy tính đã chứng kiến sự đổ bộ ào ạt của các thiết bị di động như laptop, tablet hay smartphone

Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của các thiết bị di động thông minh kể trên, là khả năng kết nối Internet của nó Cho tới hôm nay, có thể nói hầu như các thiết

bị kể trên đều có khả năng kết nối Wifi – đối với nhiều thiết bị thì đó là kết nối duy nhất mà thiết bị sở hữu

Cùng với sự phát triển của các thiết bị như vậy, thì các mạng không dây cũng ngày càng phổ biến, và đóng vai trò quan trọng hơn trước Những mạng không dây với khu vực phủ sóng rất rộng không còn hiếm gặp nữa

Hoàn toàn khác với mạng có dây truyền thống, việc cấu hình và quản lý mạng không dây luôn luôn phải đối mặt với bài toán chống nhiễu và phân hoạch tài nguyên mạng Nếu trong mạng có dây, gần như không có nhiễu hay xung đột giữa hai dây cable mạng, thì việc này lại rất thường gặp trong mạng không dây

Bài toán phân chia tần số nhằm tránh xung đột và tận dụng tối đa tài nguyên mạng

là một bài toán tương đối kinh điển trong mạng không dây

CAPWAP (Control and Provisioning of Wireless Access Points – Quản lý và Cung cấp kết nối cho các điểm truy cập không dây) do tập đoàn Cisco phát triển và hỗ trợ là một bước đột phá mới trong vấn đề này, và đã nhận được khá nhiều sự quan tâm của giới công nghiệp Cisco kỳ vọng sẽ đưa CAPWAP thành chuẩn chung để quản lý các mạng WLAN Tuy nhiên, giao thức này vẫn chỉ ở dạng bản nháp, và đang được tổ chức IETF xúc tiến hết sức khẩn trương để có thể đưa thành chuẩn

Luận văn sẽ nghiên cứu về giao thức CAPWAP, phát triển một sản phẩm demo để xem xét hiệu năng của giao thức, đề xuất các cải tiến và hướng nghiên cứu tiếp theo Luận văn sẽ tập trung vào việc cấu hình tần số phát sóng cho các AP trong mạng không dây được quản trị bởi CAPWAP

Luận văn được tổ chức như sau:

Chương 1, giới thiệu tổng quan về các yêu cầu và vấn đề đặt ra cho giao thức

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1 1 Giới thiệu

Năm 1997, IEEE giới thiệu chuẩn mạng không dây (wireless LANs - WLANs)2

Sau thời gian khởi động chậm chạp, chuẩn 802.11 đã nhanh chóng trở nên quen thuộc

và phổ biến trong cả lĩnh vực công nghiệp và dân dụng

Trong những phiên bản đầu tiên, chuẩn 802.11 chỉ cung cấp một tốc độ truy cập tương đối hạn chế, chỉ có 1 hoặc 2 Mbps, khiến cho việc sử dụng công nghệ không dây tương đối bị hạn chế Tuy nhiên, một số doanh nghiệp đã bắt đầu tiên phong sử dụng 802.11, mặc dù mục đích chủ yếu là để thử nghiệm

Vào năm 1999, IEEE đã thông qua chuẩn 802.11a3

và 802.11b4, tăng băng thông tối

đa của các chuẩn 802.11 lên tương ứng là 54 Mbps và 11Mbps, và sử dụng thêm các dải tần radio Những hạn chế căn bản trong việc ngăn chặn 802.11 trở thành một chuẩn được ứng dụng rộng rãi đã bị gỡ bỏ Tuy nhiên, việc phổ cập 802.11 trong công nghiệp cũng bị giới hạn bởi các đặc tả về chức năng mà chuẩn 802.11 đã mô tả về AP Những đặc tả này yêu cầu việc sử dụng rộng rãi các chức năng chuyển mạch ở lớp 2 của mô hình OSI và các VLAN để đảm bảo sự hoạt động chính xác của các giao thức ở các lớp cao hơn Việc cài đặt một mạng WLAN 802.11 với khoảng vài ngàn AP cũng đã được mô tả trong thời gian này

Tuy nhiên, việc cài đặt mạng WLAN 802.11 trên diện rộng cũng đã dẫn tới các vấn

đề phát sinh, mà chúng ta sẽ xem xét trong mục này Giới nghiên cứu mạng máy tính hẳn sẽ không ngạc nhiên khi bắt gặp vấn đề khi mở rộng mạng LAN, bởi những vấn

đề này cũng đã phát sinh trong những năm đầu thập niên 1980 khi mạng LAN có dây được mở rộng và kết nối với nhau Xử lý việc triển khai một mạng WLAN trên diện rộng là đề tài chủ yếu của luận văn này

1.2 Mô tả bài toán

Như đã trình bày ở trên, việc triển khai một mạng WLAN trên diện rộng sẽ vấp phải một số vấn đề phát sinh

Đầu tiên, chúng ta có thể, và phải gán địa chỉ IP cho mỗi AP trong mạng WLAN, nên sẽ cần có các chức năng quản lý, giám sát và điều khiển Việc triển khải một mạng WLAN trên diện rộng thông thường sẽ nhân đôi số lượng các thiết bị cơ sở hạ tầng cần được quản lý Đồng nghĩa với đó, là tài nguyên mạng sẽ phải được tăng cường, và trở thành rào cản đối với việc sử dụng mạng WLAN Một phần nguyên nhân là các AP gần nhau thường có cấu hình tương tự nhau – tính chất này không mấy quan trọng trong mạng có dây, nhưng trong môi trường không dây, khi mà các AP có thể di chuyển vị trí, thì tính chất này sẽ dễ dàng dẫn tới việc cấu hình sai và hoạt động sai của mạng WLAN

Thứ hai, phân phối và duy trì một cấu hình thống nhất và phù hợp cho tất cả các AP trong mạng WLAN là một bài toán hóc búa Một cấu hình của AP bao gồm cả các thông tin tĩnh được sử dụng lâu dài, như các thông tin về địa chỉ và cấu hình của phần cứng, cũng như các thông tin mang tính chất động, như cấu hình của mạng WLAN và các tham số bảo mật Một mạng WLAN lớn cần phải cập nhật các thông tin động này cho tất cả các AP trong mạng Một mạng WLAN sẽ có nhiều cấu hình khác nhau, tương ứng với các AP khác nhau, và mạng WLAN cũng phải gửi các cấu hình này tới các AP tương ứng

Thứ ba, như chúng ta đã biết, bản chất của mạng WLAN là tính bất ổn và chia sẻ của kết nối Tính bất ổn của kết nối là một đặc trưng mà mạng WLAN thừa hưởng từ tính chất vật lý của các kết nối không dây, còn các kết nối WLAN có tính chia sẻ bởi

vì chúng ta phải phát sóng trong không gian, và không giống như mạng có dây, khi cable mạng được nối giữa 2 điểm cố định, có rất nhiều các thiết bị khác có thể bắt và truy cập sóng của mạng WLAN Kết nối WLAN được chia sẻ giữa các AP trong cùng một mạng WLAN, giữa các AP khác mạng WLAN, và các thiết bị khác không phải

AP Xử lý một cách hiệu quả vấn đề này cũng là một bài toán khó Các tham số quản

lý mạng WLAN trên mỗi AP phải được theo dõi thường xuyên và điều chỉnh một cách tương tác với nhau để mạng WLAN đạt được hiệu suất tối đa Như vậy, bản thân các

AP cũng phải có sự tương tác với nhau Nếu các công việc theo dõi và hiệu chỉnh này được làm thủ công thì sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian và công sức

Thứ tư, việc bảo mật các thông tin được truyền qua mạng WLAN, cũng như ngăn các AP không được phép truy cập vào mạng, cũng là một thách thức cho các nhà thiết

kế mạng WLAN Xét ví dụ mạng LAN có dây, chúng ta có thể đưa tất cả các thiết bị cần được bảo vệ vào trong một căn phòng, và việc truy cập vào mạng LAN giữa các thiết bị này sẽ cần tới các tấn công về mặt vật lý như là đột nhập Tuy nhiên, điều này

bất khả thi trong mạng WLAN Chúng ta không thể giới hạn việc phát sóng không dây, đặc biệt trong các khu vực địa hình phức tạp

Đã có một vài đề xuất từ các hãng công nghiệp nhằm xử lý một số, hoặc tất cả các bài toán được đặt ra ở trên Những đề xuất này bao gồm các công nghệ chuyển mạch, quản lý và điều khiển tập trung, cũng như phát sóng không dây cho các thiết bị có những nền tảng khác nhau Các nhà quản trị mạng đã có nhiều sự lựa chọn hơn, nhưng đồng thời cũng xuất hiện nhu cầu chuẩn hóa các giải pháp này Chương 2 của luận văn

sẽ trình bày tổng quan về các giải pháp này

Xem xét một mô hình thực tế, một mạng WLAN thông thường bao gồm một hoặc nhiều AP có hỗ trợ chuẩn 802.11, và một hoặc nhiều thiết bị điều khiển trung tâm, thông thường được mô tả bằng khái niệm AC Lưu ý rằng, các AP và AC có thể thuộc nhiều hãng khác nhau

Trong khuôn khổ giới hạn của mình, luận văn không thể giải quyết tất cả các bài toán trên, mà chỉ tập trung vào bài toán phân chia tần số trong mạng Wifi, sử dụng giao thức CAPWAP

Trước khi CAPWAP ra đời, các mạng WLAN đều sử dụng các giải pháp thương mại, đồng thời các giải pháp này cũng không tương thích lẫn nhau Nhiệm vụ của CAPWAP là thống nhất và tối ưu các giải pháp quản lý mạng WLAN đã tồn tại

1.3 Vấn đề bảo mật

Cũng giống như các mạng LAN thông thường, các AP trong mạng WLAN cũng sử dụng mạng này để trao đổi các gói tin, cũng như truy cập Internet CAPWAP cần cung cấp các giải pháp để ngăn ngừa và phòng chống việc sử dụng sai mục đích của các AP Một số yêu cầu có thể kể ra, đó là: tính tinh tưởng, tính tích hợp, và xác thực Những yêu cầu này sẽ dẫn tới quản lý tập trung, giám sát và điều khiển các AP từ AC Một khi mà AC và AP xác thực lẫn nhau thành công, ở mức cơ bản của công việc xác thực sẽ cho phép giám sát, điều khiển và cung cấp truy cập giữa các thiết bị này Nếu

có thể, chúng ta cũng cần thêm các mức xác thực cao hơn, kèm thêm các giải pháp bảo mật ở lớp phần cứng

Nhằm tăng cường khả năng hội tụ của sóng radio, các AP thường được đặt ở các vị trí khó khăn cho giữ gìn, và khả năng AP bị mất cắp hoàn toàn có thể xảy ra Như vậy, CAPWAP cần hỗ trợ việc bảo mật nếu một AP nào đó bị đánh cắp, với các tham số bảo mật vẫn còn lưu trong thiết bị Đương nhiên, chúng ta cần lưu giữ các AC tại các địa điểm an toàn, được bảo vệ vật lý

Chương 2 CÁC GIẢI PHÁP TRƯỚC CAPWAP

2.1 Giới thiệu

Mục này sẽ trình bày các kiến trúc và giải pháp đã được các hãng công nghiệp đề xuất trước khi CAPWAP ra đời, qua đó chúng ta thấy rõ hơn mục tiêu chuẩn hóa và thống nhất các giải pháp công nghiệp trong quản lý mạng không dây của CAPWAP Chuẩn 802.11 là chuẩn mạng không dây định nghĩa một giao thức truyền qua không khí giữa các STA và AP Chuẩn 802.11 còn mô tả cách một thiết bị di động có thể tương tác với tập các dịch vụ cơ bản (BSS – Basic Service Set) Một BSS được định danh bởi BSSID (Basic Service Set Identifier) hoặc tên của BSS Kiến trúc mạng WLAN có thể được xem xét như là một dạng kiến trúc kiểu “ô”, trong đó mỗi ô là một BSS, và mỗi BSS được điều khiển bởi một AP Khi hai hoặc nhiều hơn các AP kết nối với nhau thông qua các giao thức broadcast ở tầng 2 và tất cả các AP này đều sử dụng chung một SSID, ta sử dụng khái niệm tập dịch vụ mở rộng (ESS – Extended Service Set)

Chúng ta sử dụng một hệ thống phân tán (DS – Distributed System) để kết nối các BSS với nhau Một AP, về bản chất là một STA, nhưng có thêm chức năng cung cấp truy cập Một mô hình khác, không sử dụng hệ thống phân tán, mà sử dụng hệ thống tập trung, nhằm tích hợp chức năng của mạng WLAN vào mạng LAN có dây truyền thống

Chuẩn 802.11 không định nghĩa cụ thể và tường minh về DS Thay vào đó, chuẩn này định nghĩa các dịch vụ để cung cấp các chức năng cho phép lớp LLC (Link Layer Control) gửi các MSDU (MAC Service Data Unit) giữa hai node trong mạng Những dịch vụ này có thể chia thành 2 nhóm chính: nhóm các dịch vụ trạm SS (Station Service) và nhóm các dịch vụ phân tán DSS (Distribution System Service) Cả hai nhóm dịch vụ này đều được sử dụng bởi các lớp con của tầng 2 trong chuẩn 802.11 Cũng tương tự như với DS, chuẩn 802.11 không định nghĩa cách lập trình và cài đặt các dịch vụ này

Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét ba dạng kiến trúc cơ bản của mạng WLAN sử dụng chuẩn 802.11

2.2 Kiến trúc tự trị

2.2.1 Giới thiệu

Trong Hình 1, chúng ta thấy một ví dụ về mạng WLAN theo kiến trúc tự trị.Kiến trúc này thực hiện tất cả các chức năng của chuẩn 802.11 trên một thiết bị vật lý, mà chúng ta gọi là WTP – Wireless Termination Point Trong kiến trúc này, WTP sẽ đóng vai trò trung gian chuyển đổi giữa các frame của chuẩn 802.11 và frame của chuẩn 802.3 thông thường

Ethernet switch Ethernet connection

Hình 1 Kiến trúc tự trị mạng WLAN

Chúng ta có thể cấu hình thiết bị WTP vật lý hoạt động như nhiều WTP logic, qua

đó hỗ trợ nhiều hơn một SSID Trong một số trường hợp, việc cấu hình này có thể yêu cầu gắn thêm các tag VLAN cho các frame được gửi từ mạng WLAN tới mạng Ethernet, và đồng thời xóa bỏ các tag của chuẩn 802.1Q

Việc định danh của chuẩn 802.11 trong kiến trúc tự trị có thể được thực hiện tại WTP hoặc sử dụng một server định danh khác

2.2.2 Bảo mật

Do tất cả chức năng của mạng WLAN được thực hiện bởi WTP, nên các vấn đề về bảo mật cũng sẽ tập trung tại thiết bị này Như vậy, các thiết bị nằm trong cùng BSS với WTP không cần thiết phải tăng cường các chức năng an ninh như là xác thực và

mã hóa WTP sẽ thực hiện các công việc như AAA5 và sinh khóa được quy định trong chuẩn 802.11i

Một vấn đề khác về bảo mật cần được xem xét trong kiến trúc tự trị, là việc xác thực hai chiều giữa WTP và cơ sở hạ tầng Ethernet Đương nhiên, vì đây là nhiệm vụ bảo mật trên mạng Ethernet, nên chúng ta có thể sử dụng các giải pháp có sẵn như giao thức 802.1X dùng để bảo mật kết nối giữa WTP và switch của mạng Ethernet Một vấn đề khác, rất nghiêm trọng, mà chúng ta cần xem xét, là việc WTP có thể bị đánh cắp, trong khi các thông tin về bảo mật vẫn được lưu trong WTP, làm tăng cao các nguy cơ về bảo mật

5

http://en.wikipedia.org/wiki/AAA_protocol

2.3 Kiến trúc tập trung

Như chúng ta đã xem xét ở trên, nhược điểm cơ bản của kiến trúc tự trị là việc tập trung toàn bộ chức năng của mạng WLAN vào WTP, bao gồm cả việc cung cấp kết nối cũng như quản trị hệ thống WLAN Thay vào đó, trong kiến trúc tập trung, các chức năng của mạng WLAN sẽ được cài đặt trên một hoặc nhiều các thiết bị điều khiển tập trung AC (Access Controller), nhằm tăng cường khả năng giám sát trên mạng diện rộng, khả năng quản lý và cấu hình một cách mềm dẻo

Hình 2 cho chúng ta một ví dụ về kiến trúc tập trung trong mạng WLAN, trong đó một AC sẽ kết nối tới nhiều WTP Kết nối giữa AC và WTP có thể là kết nối trực tiếp, thông qua các switch tầng 2, hoặc thông qua các router tầng 3, như được mô tả tại mục 2.3.1 AC sẽ trao đổi thông tin cấu hình và điều khiển với các WTP, như vậy sẽ cho phép quản trị mạng WLAN từ một điểm tập trung

Interconnection

AC

Hình 2 Kiến trúc tập trung mạng WLAN

Trong hình 2, chúng ta có thể thấy rằng, AC trở thành một thiết bị vật lý duy nhất cung cấp tất cả các chức năng của mạng, và đóng vai trò gần tương tự WTP trong kiến trúc tự trị Tuy nhiên, chúng ta có thể có nhiều AC để phân tán chức năng của thiết bị này Một lý do để chúng ta sử dụng nhiều AC là do những giới hạn về hiệu năng của

phần cứng Những thuật toán điều khiển sóng radio phức tạp sẽ tiêu tốn rất nhiều khả năng xử lý của CPU, và yêu cầu những tài nguyên khác nữa như bộ nhớ RAM trên

AC Lưu trữ hay download những file image sẽ yêu cầu tới dung lượng bộ nhớ ngoài

Do đó, phân tán những chức năng của mạng WLAN trên nhiều AC sẽ giúp tận dụng được tài nguyên phần cứng tốt hơn Ngoài ra, chúng ta có thể cài đặt những chức năng khác nhau trên những thiết bị phần cứng đặc thù, nhờ đó làm tăng hiệu năng xử lý Như vậy, trong hình 2, chúng ta có thể coi hình chữ nhật có chữ AC là một tập hợp

về mặt logic các chức năng của WLAN, chứ không phải một thiết bị duy nhất AC có thể tự thực hiện tất cả, hoặc chỉ một số chức năng nhất định, và yêu cầu những chức năng khác (ví dụ, hỗ trợ giao thức SNMP, hay thực hiện các thủ tục xác thực và định danh, …) từ những thiết bị khác

Lý do để chúng ta vẽ duy nhất một AC trong hình 2, là vì chúng ta đang cần mô tả kiến trúc tập trung Lưu ý rằng, chữ “tập trung” ở đây được hiểu với nghĩa quản lý tập trung về mặt logic, chứ không phải tập trung chức năng vào một thiết bị vật lý – đó là kiến trúc tự trị

Ethernet LAN

Hình 4 Kết nối giữa WTP và AC thông qua switch

Hình 5 Kết nối giữa WTP và AC thông qua router

2.3.2 Ba biến thể của kiến trúc tập trung

Quản lý mạng WLAN một cách linh động và phù hợp là một trong những mục tiêu quan trọng nhất khi đề xuất kiến trúc mạng tập trung Để có thể thỏa mãn một tập hợp lớn nhất những yêu cầu từ phía nhà quản trị mạng, đã xuất hiện các biến thể khác nhau của kiến trúc tập trung Chúng ta sẽ lần lượt xem xét các biến thể này, bao gồm các cách tiếp cận MAC cục bộ (Local MAC), MAC phân chia (Split MAC), và MAC từ

xa (Remote MAC) Với mỗi cách tiếp cận trên, ta sẽ đưa ra đặc trưng ánh xạ của các chức năng khác nhau từ các nhà sản xuất vào các thành phần mạng

Tên gọi của các cách tiếp cận được đưa ra tương ứng với cách mà, các chức năng của lớp MAC, đặc biệt là lớp MAC của chuẩn 802.11 được cài đặt trên các thiết bị thực tế Cái tên MAC cục bộ chỉ ra rằng, các chức năng của lớp MAC được cài đặt tại WTP, trong khi với MAC từ xa, các chức năng này được cài đặt tại AC, còn với MAC phân chia, thì chức năng này được chia ra ở cả WTP và AC Thông thường, trong cách tiếp cận MAC phân chia, các chức năng thời gian thực được thực hiện tại WTP, trong khi các chức năng không yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian được thực hiện tại AC Cũng lưu ý rằng, chuẩn 802.11 không đưa ra định nghĩa về các chức năng thời gian thực, và do đó, việc lựa chọn các chức năng để cài đặt tại WTP hay AC hoàn toàn phụ thuộc vào nhà sản xuất Đương nhiên, có những chuẩn mực chung mà các nhà sản xuất đều tuân theo

Bảng 1 tóm tắt ngắn gọn về các biến thể của kiến trúc tập trung

CAPWAP CAPWAP CAPWAP

802.11

MAC

WTP

Các chức năng lớp MAC không thời gian thực (Non - realtime)

802.11 MAC

802.11 PHY

Các chức năng lớp MAC thời gian thực

802.11 PHY MAC cục bộ

(Local MAC)

MAC phân chia (Split MAC)

MAC từ xa (Remote MAC)

Bảng 1 Ba biến thể của kiến trúc tập trung

2.4 Kiến trúc phân tán mạng lưới

Một ví dụ về kiến trúc phân tán mạng lưới (Distributed Mesh Architecture) được trình bày ở Hình 6

wireless link

wireless link

Hình 6 Kiến trúc phân tán lưới

Mỗi một node mesh có thể hoạt động như một AP trong BSS của nó, đồng thời cung cấp kết nối tới node mesh bên cạnh Đương nhiên, cũng có thể tồn tại những node mesh không phục vụ một BSS nào cả, mà chỉ làm nhiệm vụ cung cấp kết nối tới các node mesh khác Như vậy, thay vì phải cung cấp kết nối có dây tới từng AP, chúng

ta đã giảm được độ phức tạp khi thiết lập mạng về mặt vật lý

Các node mesh có thể lưu giữ thông tin trạng thái về node kế bên, cũng như các node xa hơn nữa, bằng cách trao đổi thông tin định kỳ Nhờ đó, kiến trúc phân tán này

hỗ trợ rất tốt cho các cấu hình mạng hay thay đổi Đây cũng là điểm khác nhau căn bản giữa kiến trúc phân tán và kiến trúc tập trung – các chức năng CAPWAP được cài đặt thông qua mạng các node mesh phân tán, chứ không phải thông qua một điểm quản lý tập trung

Chương 3 GIAO THỨC CAPWAP

3.1 Tổng quan

Giao thức CAPWAP định nghĩa giao tiếp giữa AC và WTP thông qua các cơ chế giao tiếp của CAPWAP Các thông điệp điều khiển CAPWAP (CAPWAP Control messages), và có thể là các thông điệp dữ liệu CAPWAP (CAPWAP Data messages) được bảo mật bởi giao thức DTLS

Như vậy, tầng giao vận của giao thức CAPWAP bao gồm hai loại thông điệp: thông điệp điều khiển và thông điệp dữ liệu Thông điệp dữ liệu được đóng gói trong các frame của mạng không dây Thông điệp điều khiển là thông điệp quản lý được trao đổi giữa WTP và AC Các gói tin điều khiển và dữ liệu này được gửi bởi các cổng UDP riêng biệt Độ dài tối đa của các thông điệp dữ liệu và điều khiển có thể vượt qua MTU, nên chúng có thể bị phân mảnh

Bước đầu tiên của giao thức CAPWAP là Khám phá (Discovery) Các WTP gửi các thông điệp Discovery Request AC nào nhận được Discovery Request sẽ trả lời bằng thông điệp Discovery Response WTP sẽ lựa chọn giữa các Discovery Response mà nó nhận được, và thiết lập kết nối DTLS tới AC đã được chọn Sau khi kết nối DTLS được thiết lập, hai thiết bị sẽ trao đổi với nhau các thông tin cấu hình

Sau khi các thông tin cấu hình được trao đổi xong, WTP và AC sẽ sử dụng giao thức CAPWAP để đóng gói các frame được truyền giữa hai thiết bị Lưu ý rằng, trong toàn bộ quá trình trao đổi, các packet có thể bị phân mảnh để phù hợp với MTU

Thông qua giao thức CAPWAP, AC gửi các lệnh tới WTP nhằm quản lý các thiết bị đang kết nối với WTP CAPWAP cũng cung cấp các cơ chế nhằm kiểm tra sự tồn tại cũng như kiểm tra kết nối giữa WTP và AC (cơ chế keep – alive)

3.1.1 Tổng quan về thiết lập phiên làm việc CAPWAP

Hình 6 mô tả quá trình thiết lập và trao đổi thông tin giữa WTP và AC trong giao thức CAPWAP, với giả thiết kết nối được bảo mật bằng giao thức DTLS

<===============================

( - WTP yêu cầu xác thực AC -) Certificate (tùy chọn), ClientKeyExchange, CertificateVerify (tùy chọn), ChangeCipherSpec,

Finished*

=========================> ( - AC yêu cầu xác thực WTP -)

ChangeCipherSpec, Finished

<=========================== ( - Phiên làm việc DTLS được khởi tạo -)

Yêu cầu gia nhập

============================>

Trả lời yêu cầu

<============================= [ - Trạng thái gia nhập thành công -] ( - Giả thiết không cần cập nhật cấu hình -)

Yêu cầu tình trạng cấu hình

==============================>

Trả lời tình trạng cấu hình

<============================== [ - Trạng thái cấu hình thành công -] Yêu cầu sự kiện thay đổi trạng thái

===============================> Trả lời sự kiện thay đổi trạng thái

<=============================== [ - Trạng thái kiểm tra dữ liệu thành công -] ( - bước vào trạng thái hoạt động -)

:

: Yêu cầu Echo

============================>

Trả lời Echo

<============================

: : Yêu cầu sự kiện

=============================>

Trả lời sự kiện

<==============================

: :

Hình 7 Thiết lập phiên làm việc CAPWAP

3.1.2 Máy trạng thái của giao thức CAPWAP

Hình 8 Máy trạng thái của giao thức CAPWAP

Chú ý rằng máy trạng thái này được sử dụng đồng thời bởi WTP và AC Từng bước chuyển trạng thái sẽ được mô tả chi tiết ở dưới Với mỗi bước chuyển trạng thái, chỉ một thông điệp toàn vẹn mới được chấp thuận để gửi hoặc nhận

Như chúng ta đã biết, mỗi WTP chỉ kết nối với 1 AC, nên sẽ chỉ có 1 máy trạng thái như tại Hình 8 hoạt động trên 1 WTP Với AC, do có kết nối với nhiều WTP tại một thời điểm, nên sẽ có nhiều máy trạng thái cùng hoạt động trên AC Trên AC, chúng ta

có khái niệm các luồng xử lý (thread) hoạt động song song, nhưng cần lưu ý rằng khái niệm thread ở đây chỉ mang tính logic, chứ không phải khái niệm thread trong một ngôn ngữ lập trình cụ thể

Listener Thread: Listener Thread trên AC xử lý các yêu cầu khởi tạo phiên làm việc DTLS Listener Thread được khởi tạo ở trạng thái Setup trên máy trạng thái tại Hình 8 Khi phiên làm việc DTLS đã được thông qua, Listener Thread sẽ khởi tạo một Service Thread tương ứng với phiên làm việc DTLS Discovery Thread: Nhận và xử lý các thông điệp Discovery Request

Service Thread: Mỗi Service Thread đảm nhiệm xử lý một WTP, và tồn tại tới khi kết nối tới WTP bị hủy bỏ

3.1.2.1 Các bước chuyển trạng thái của giao thức CAPWAP

Phần này sẽ mô tả chi tiết các bước chuyển trạng thái trong máy trạng thái của giao thức CAPWAP, đã được trình bày tại Hình 8 Các con số và ký tự được lấy tương ứng

từ Hình 8, nhằm mục đích dễ theo dõi

(0) Start  Idle: Xảy ra khi quá trình khởi động thiết bị hoàn tất

WTP: Bước chuyển này được sử dụng để khởi động máy trạng thái CAPWAP trên WTP

AC: Trong bước chuyển này, AC tạo ra Discovery Thread và Listener Thread, cũng như khởi động máy trạng thái

(1) Idle  Discovery: Bước chuyển này nhằm hỗ trợ quá trình tìm kiếm của CAPWAP

WTP: chuyển đi thông điệp Discovery Request đầu tiên Đồng thời, WTP sẽ khởi tạo DiscoveryInternalTimer, dùng để xác định khoảng thời gian time-out cho các kết nối tới AC WTP cũng khởi tạo biến DiscoveryCount về giá trị 0, biến này được dùng

để đếm số lần cố gắng kết nối của WTP

AC: Bước chuyển này được thực hiện bởi Discovery Thread, khi Discovery Thread nhận được một thông điệp Discovery Request AC sẽ phản hồi lại Request này

(#) Discovery  Discovery: WTP xác định AC để kết nối

WTP: Nếu DiscoveryInternalTimer được khởi tạo tại bước (1) kết thúc, WTP sẽ gửi lại các Discovery Request cho các AC Mỗi một lần gửi lại các Discovery Request này, biến DiscoveryCount sẽ được tăng thêm 1 đơn vị

AC: Không tồn tại bước chuyển này

(2) Discovery  Idle: Xảy ra trên AC khi quá trình tìm kiếm kết thúc

AC: Không tồn tại bước chuyển này

(@) Sulking  Idle: Xảy ra khi WTP tái khởi động tiến trình tìm kiếm

WTP: Khi SilentTimerInterval tới hạn, WTP sẽ thực hiện bước chuyển này

AC: Không tồn tại bước chuyển này

(&) Sulking  Sulking: Trạng thái Sulking được thiết kế nhằm làm giảm các cuộc tấn công từ chối dịch vụ

WTP: Không hoạt động

AC: Không tồn tại bước chuyển này

(3) Idle  DTLS Setup: Thiết lập phiên làm việc bảo mật DTLS

WTP: Gọi tới lệnh DTLSStart, đồng thời khởi động WaitDTLSTimer Do quá trình tìm kiếm được bỏ qua, ta hiểu rằng WTP đã được cấu hình các AC từ trước

AC: Sau khi chuyển từ trạng thái Start sang trạng thái Idle, Listener Thread sẽ tự động chuyển AC qua trạng thái DTLS Setup, và gọi lệnh DTLSListen, đồng thời khởi động WaitDTLSTimer

(%) Discovery  DTLS Setup: Tương tự bước (3)

WTP: Tương tự bước (3), tuy nhiên việc thực hiện bước chuyển này là kết quả của quá trình tìm kiếm

AC: Không tồn tại bước chuyển này

($) DTLS Setup  Idle: Xảy ra khi quá trình thiết lập kết nối DTLS thất bại

WTP: WTP thực hiện bước chuyển này khi nhận được cảnh báo DTLSEstablishFail

từ DTLS, và 2 biến đếm FailedDTLSSessionCount hoặc FailedDTLSAuthFailCount chưa đạt tới giá trị MaxFailedDTLSSessionRetry WTP cũng thực hiện bước chuyển này khi WaitDTLSTimer tới hạn

AC: Không tồn tại bước chuyển này

(*) Sulking  Sulking: Khi các nỗ lực kết nối DTLS của WTP thất bại vượt quá số lần cho phép

WTP: WTP thực hiện bước chuyển này khi 1 trong 2 biến đếm FailedDTLSSessionCount hoặc FailedDTLSAuthFailCount đạt tới giá trị MaxFailedDTLSSessionRetry Khi bước vào trạng thái Sulking, WTP khởi động SilentIntervalTimer

AC: Không tồn tại bước chuyển này

(4) DTLS Setup  DTLS Setup: Khi việc thiết lập phiên làm việc DTLS thất bại WTP: Không tồn tại bước chuyển này

AC:Listener Thread thực hiện bước chuyển này khi nhận được cảnh báo DTLSEstablishFail từ DTLS Listener Thread tăng biến đếm FailedDTLSSessionCount lên 1, và gọi tới lệnh DTLSListen

(5) DTLS Setup  Authorize: Bước chuyển này xảy ra khi một phiên làm việc DTLS được khởi tạo, và cần được xác thực

WTP: Bước chuyển này xảy ra khi WTP nhận được thông báo DTLSPeerAuthorize Chi tiết về quá trình xác thực sẽ được trình bày ở các mục sau

AC: Module DTLS trên AC sẽ khởi tạo thông báo DTLSPeerAuthorize, và sau đó bước chuyển này sẽ được kiểm soát bởi Listener Thread Listener Thread sẽ sử dụng hàm fork để tạo ra 1 bản copy của Service Thread, sau đó Service Thread mới tạo này

sẽ tiến hành việc xác thực với WTP

(6) Authorize  DTLS Setup: Listener Thread sẽ thực hiện bước chuyển này để kích hoạt chức năng lắng nghe các phiên làm việc mới

WTP: Không tồn tại bước chuyển này

AC: Bước chuyển này xảy ra khi Listener Thread tạo ra Service Thread, sau đó gọi lệnh DTLSListen

(a) Authorize  DTLS Connect: Bước chuyển này diễn ra để thông báo cho stack DTLS rằng phiên làm việc đã được khởi tạo

WTP: Bước chuyển này diễn ra khi WTP đã xác thực thành công AC WTP sẽ gọi lệnh DTLSAccept để kết thúc bước chuyển

AC: Bước chuyển này diễn ra khi AC xác thực WTP thành công AC cũng gọi lệnh DTLSAccept để kết thúc bước chuyển

(b) Authorize  DTLS Teardown: Bước chuyển này diễn ra để thông báo cho stack DTLS biết rằng phiên làm việc đã bị hủy bỏ

WTP: Bước chuyển này diễn ra khi WTP không thể xác thực AC WTP sẽ gọi lệnh DTLSAbortSession Bước chuyển này cũng có thể diễn ra khi WaitDTLSTimer tới hạn WTP sẽ khởi động DTLSSessionDeleteTimer

AC: Tương tự, bước chuyển này diễn ra khi AC không thể xác thực WTP, hoặc WaitDTLSTimer tới hạn AC cũng gọi lệnh DTLSAbortSession và sau đó khởi động DTLSSessionDeleteTimer

(c) DTLS Connect  DTLS Teardown: Bước chuyển này xảy ra khi việc khởi tạo phiên làm việc DTLS thất bại

WTP: Xảy ra khi WTP nhận được thông báo DTLSAborted hoặc DTLSAuthenticateFail, hoặc WaitDTLSTimer tới hạn Tương ứng, WTP sẽ tăng các biến đếm FailedDTLSSessioncount hoặc FailedDTLSAuthFailCount, và khởi động DTLSSessionDeleteTimer

AC: Xảy ra khi AC nhận được thông báo DTLSAborted hoặc DTLSAuthenticateFail, và 2 biến đếm FailedDTLSSessionCount và FailedDTLSAuthFailCount chưa đạt tới giá trị MaxFailedDTLSSessionRetry Bước chuyển này cũng xảy ra trên AC khi WaitDTLSTimer tới hạn, và AC khởi động DTLSSessionDeleteTimer

(d) DTLS Connect  Join: Bước chuyển này xảy ra khi phiên làm việc DTLS được khởi tạo thành công

WTP: Bước chuyển này xảy ra khi WTP nhận được thông báo DTLSEstablished Khi đó, biến đếm FailedDTLSSessionCount được xác định giá trị về 0 WTP chuyển vào trạng thái Join bằng cách truyền đi Join Request tới AC WTP ngừng WaitDTLSTimer

AC: Bước chuyển này xảy ra khi AC nhận được thông báo DTLSEstablished AC xác định lại FailedDTLSSessionCount về 0, dừng WaitDTLSTimer, và khởi động WaitJoinTimer

(e) Join  DTLS Teardown: Bước chuyển này xảy ra khi tiến trình Join thất bại WTP: Bước chuyển này xảy ra khi WTP nhận được thông điệp Join Response với Result Code chứa lỗi, hoặc WTP nhận được một trong các thông báo: DTLSAborted, DTLSReassemblyFailure, hoặc DTLSPeerDisconnect WTP sẽ gọi lệnh DTLSShutdown, và khởi động DTLSSessionDeleteTimer

AC: Bước chuyển này xảy ra khi WaitJoinTimer tới hạn, hoặc AC trả về thông điệp JoinRespone với mã lỗi cho WTP AC gọi lệnh DTLSShutdown AC cũng thực hiện bước chuyển khi nhận được một trong các thông báo: DTLSAborted, DTLSReassemblyFailure, hoặc DTLSPeerDisconnect, và sau đó sẽ khởi động DTLSSessionDeleteTimer

(f) Join  Image Data: Bước chuyển này được sử dụng bởi WTP và AC để download firmware

WTP: WTP bước vào trạng thái Image Data khi nó nhận được một thông điệp Join Respone với trạng thái thành công, và xác định được phiên bản của firmware trong thông điệp khác với phiên bản mà WTP đang có, cũng như trong các bộ nhớ khác mà WTP có thể truy cập WTP khởi tạo EchoIntervaltimer, và gửi ImageDataRequest tới

AC, để yêu cầu bắt đầu việc download firmware

AC: Khi AC nhận được ImageDataRequest từ WTP thì AC sẽ thực hiện bước chuyển này AC bắt buộc phải trả lời bằng ImageDataRespone cho WTP

(g) Join  Configure: WTP và AC sử dụng bước chuyển này để trao đổi các thông tin cấu hình

WTP: WTP bước vào trạng thái Configure khi nó nhận được JoinRespone với mã thành công, và xác định được rằng nó không cần cập nhật firmware WTP sẽ gửi thông điệp ConfigurationStatusRequest tới AC trong đó mô tả chi tiết cấu hình hiện tại của WTP

AC: Bước chuyển này xảy ra khi AC nhận được ConfigurationStatusRequest từ WTP AC ngừng WaitJoinTimer AC sẽ gửi đi ConfigurationStatusRespone, và khởi động ChangeStatePendingTimer

(h) Configure  Reset: Bước chuyển này được sử dụng để reset kết nối giữa WTP

và AC, có thể bởi vì xuất hiện lỗi trong quá trình kết nối, cũng có thể vì WTP cần khởi động lại để các cấu hình mới có hiệu lực

WTP: WTP thực hiện bước chuyển này khi nó nhận được một ConfigurationStatusRespone thông báo lỗi, hoặc WTP cần khởi động lại để áp dụng các cấu hình mới

AC: AC bước vào trạng thái Reset khi nó nhận được ChangeStateEvent từ WTP, hoặc ChangeStatePendingTimer tới hạn

(i) Configure  DTLS Teardown: Bước chuyển này xảy ra khi tiến trình cấu hình

bị hủy bởi lỗi DTLS

WTP: WTP bước vào trạng thái này khi nó nhận được một trong các thông báo sau của DTLS: DTLSAborted, DTLSReassemblyFailure, DTLSPeerDisconnect WTP cũng có thể thực hiện bước chuyển này nếu nó thường xuyên nhận được thông báo DTLSDecapFailure WTP khởi động DTLSSessionDeleteTimer

AC: AC bước vào trạng thái này khi nó nhận được một trong các thông báo sau của DTLS: DTLSAborted, DTLSReassemblyFailure, DTLSPeerDisconnect, hoặc có thể thực hiện bước chuyển khi thường xuyên nhận được thông báo DTLSDecapFailure

AC cũng khởi động DTLSSessionDeleteTimer

(j) Image Data  Image Data: Trạng thái Image Data được sử dụng bởi WTP và

AC trong suốt quá trình download firmware

WTP: WTP bước vào trạng thái Image Data khi nó nhận được thông điệp ImageDataResponse, có nghĩa rằng AC vẫn còn dữ liệu chưa gửi Bước chuyển này cũng xảy ra khi WTP nhận được các ImageDataRequest kế tiếp, khi đó WTP sẽ reset giá trị của ImageDataStartTimer để chắc chắn rằng ImageDataRequest tiếp theo sẽ được gửi từ AC Bước chuyển này cũng có thể xảy ra khi EchoIntervalTimer tới hạn, trong trường hợp WTP gửi EchoRequest và reset EchoIntervalTimer Bước chuyển này cũng có thể xảy ra khi WTP nhận EchoResponse từ AC

AC: Bước chuyển trạng thái này xảy ra khi AC nhận được thông điệp ImageDataResponse từ WTP trong khi AC đang ở trạng thái Image Data Bước chuyển trạng thái này cũng xảy ra khi AC nhận EchoRequest từ WTP, trong trường hợp nó trả lời bằng EchoResponse, và reset EchoIntervalTimer

(k) Image Data  Reset: Bước chuyển này được sử dụng để reset kết nối DTLS trước khi khởi động lại WTP sau khi download firmware

WTP: Khi quá trình download hoàn tất, hoặc ImageDataStartTimer tới hạn, WTP bước vào trạng thái Reset WTP có thể chuyển tới trạng thái này nếu nhận được thông báo lỗi qua ImageDataRequestRespone từ AC