Tăng khả năng thành công truyền dữ liệu trong mạng không dây bằng phương pháp mã hóa dữ liệu

Tăng khả năng thành công truyền dữ liệu trong mạng không dây bằng phương pháp mã hóa dữ liệu

Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu Lời mở đầu Ưu điểm mạng máy tính thể rõ lĩnh vực sống Đó trao đổi, chia sẻ, lưu trữ bảo vệ thông tin Bên cạnh tảng mạng máy tính hữu tuyến, mạng máy tính không dây từ đời thể nhiều ưu điểm bật độ linh hoạt, tính giản đơn, khả tiện dụng Trước đây, chi phí cịn cao nên mạng khơng dây cịn chưa phổ biến, ngày mà giá thành thiết bị phần cứng ngày hạ, khả xử lý ngày tăng mạng khơng dây triển khai rộng rãi, số nơi thay mạng máy tính có dây khó triển khai Do đặc điểm trao đổi thơng tin khơng gian truyền sóng nên khả truyền liệu mạng không dây phải ưu tiên hàng đầu Vì nói việc truyền liệu không dây gửi để nơi nhận nhận xác liệu gửi yêu cầu mạng máy tính khơng dây Chính em định chọn đề tài “Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phƣơng pháp mã hóa liệu” làm đề tài tốt nghiệp, với mong muốn tìm hiểu, nghiên cứu, hiểu biết thêm đề tài Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vƣơng Đạo Vy giúp đỡ em nhiệt tình suốt trình làm đồ án xin cảm ơn bạn bè góp ý, giúp đỡ em hồn thành đồ án Vì đề tài mới, nguồn tài liệu chủ yếu Tiếng Anh nên đồ án chắn không tránh sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn Hải Phịng, tháng 07/2010 Nguyễn Thị Hồng Hạnh SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu Mục lục CHƢƠNG 1: TRUYỀN DỮ LIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY: 1.1 Thế mạng máy tính khơng dây ? 1.1.1 Giới thiệu: 1.1.2 Ưu điểm mạng máy tính khơng dây: 1.1.3 Hoạt động mạng máy tính khơng dây: 1.1.4 Các mơ hình mạng máy tính không dây bản: Kiểu Ad – hoc: Kiểu Infrastructure 1.1.5 Cự ly truyền sóng, tốc độ truyền liệu: 1.2 Ứng dụng: 1.2.1 Ứng dụng quân sự, an ninh thiên nhiên: 1.2.2 Ứng dụng giám sát xe cộ thông tin liên quan: 1.2.3 Điều khiển thiết bị nhà: 1.2.4 Các tòa nhà tự động: 1.2.5 Quản lý q trình tự động cơng nghiệp: 10 1.2.6 Các ứng dụng y học: 10 TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA CÁC NÚT MẠNG, NGUYÊN TẮC: 10 TIẾT KIỆM VÀ TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG: 11 3.1 Kiến trúc giao thức mạng: 11 3.2 Giao thức chọn đƣờng: 12 3.2.1 Khó khăn giao thức chọn đường: 12 3.2.2 Các giao thức chọn đường: 14 3.3 Hoạt động truyền nhận không dây: 15 CHƢƠNG 2: MÃ SỬA LỖI 16 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN DỮ LIỆU: 16 1.1 Truyền liệu song song: 16 1.2 Truyền liệu tuần tự: 16 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu 1.3 Truyền bất đồng bộ: 16 1.4 Truyền đồng bộ: 18 VẤN ĐỀ XỬ LÝ LỖI 19 1.1 Các lỗi xẩy đƣờng truyền: 19 1.2 Cơ chế phát lỗi: 19 1.3 Phát lỗi bit parity: 20 1.4 Bộ mã phát lỗi 20 1.5 Những mã phát lỗi (Error-Detecting Codes) 21 1.2.1 Kiểm tra chẵn lẻ (Parity Check): 22 1.2.2 Kiểm tra thêm theo chiều dọc (Longitudinal Redundancy Check or Checksum) 22 1.2.3 Kiểm tra phần dư tuần hoàn (Cyclic Redundancy Check) 23 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP TẠO RA TỪ MÃ 26 3.1 Phát lỗi truyền lại:: 26 3.2 Các phƣơng pháp tạo từ mã: 28 3.1.1 Mã hóa khối tuyến tính: 28 3.1.2 Mã Hamming: 30 a) Ví dụ dùng (11,7) mã Hamming: 33 b) Mã Hamming (7,4): 36 c) Ví dụ cách dùng ma trận thơng qua GF(2) [2] 36 d) Mã Hamming bit chẵn lẻ bổ sung: 39 3.3 Một vài ví dụ hình thành từ mã sửa lỗi: 41 KẾT LUẬN 45 Tài liệu tham khảo 46 SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu CHƢƠNG 1: TRUYỀN DỮ LIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY: 1.1 Thế mạng máy tính khơng dây ? 1.1.1 Giới thiệu: Thuật ngữ ―mạng máy tính khơng dây‖ nói đến cơng nghệ cho phép hai hay nhiều máy tính giao tiếp với dùng giao thức mạng chuẩn khơng cần dây cáp mạng Nó hệ thống mạng liệu linh hoạt thực mở rộng lựa chọn cho mạng máy tính hữu tuyến ( hay cịn gọi mạng có dây ) Các mạng máy tính khơng dây sử dụng sóng điện từ khơng gian (sóng vơ tuyến sóng ánh sáng) thu, phát liệu qua khơng khí, giảm thiểu nhu cầu kết nối dây Vì vậy, mạng máy tính khơng dây kết hợp liên kết liệu với tính di động người sử dụng Công nghệ bắt nguồn từ số chuẩn công nghiệp IEEE 802.11 tạo số giải pháp không dây có tính khả thi kinh doanh, cơng nghệ chế tạo, trường đại học… mà mạng hữu tuyến thực Ngày nay, mạng máy tính khơng dây trở nên quen thuộc hơn, công nhận lựa chọn kết nối đa cho phạm vi lớn khách hàng kinh doanh 1.1.2 Ưu điểm mạng máy tính khơng dây: Mạng máy tính khơng dây nhanh chóng trở thành mạng cốt lõi mạng máy tính phát triển vượt trội Với cơng nghệ này, người sử dụng truy cập thơng tin dùng chung mà khơng phải tìm kiếm chỗ để nối dây mạng, mở rộng phạm vi mạng mà không cần lắp đặt di chuyển dây Các mạng máy tính khơng dây có ưu điểm hiệu suất, thuận lợi, cụ thể sau: - Tính di động : người sử dụng mạng máy tính khơng dây truy nhập nguồn thơng tin nơi Tính di động tăng suất tính kịp thời thỏa mãn nhu cầu thông tin mà mạng hữu tuyến khơng thể có SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu - Tính đơn giản : lắp đặt, thiết lập, kết nối mạng máy tính khơng dây dễ dàng, đơn giản tránh việc kéo cáp qua tường trần nhà - Tính linh hoạt : triển khai nơi mà mạng hữu tuyến triển khai - Tiết kiệm chi phí lâu dài : Trong đầu tư cần thiết ban đầu phần cứng mạng máy tính khơng dây cao chi phí phần cứng mạng hữu tuyến tồn phí tổn lắp đặt chi phí thời gian tồn thấp đáng kể Chi phí dài hạn có lợi mơi trường động cần phải di chuyển thay đổi thường xuyên - Khả vơ hƣớng : mạng máy tính khơng dây cấu hình theo topo khác để đáp ứng nhu cầu ứng dụng lắp đặt cụ thể Các cấu hình dễ dàng thay đổi từ mạng ngang hàng thích hợp cho số lượng nhỏ người sử dụng đến mạng có sở hạ tầng đầy đủ dành cho hàng nghìn người sử dụng mà có khả di chuyển vùng rộng 1.1.3 Hoạt động mạng máy tính khơng dây: Các mạng máy tính khơng dây sử dụng sóng điện từ không gian (vô tuyến ánh sáng) để truyền thông tin từ điểm tới điểm khác Các sóng vơ tuyến thường xem sóng mang vô tuyến chúng thực chức cung cấp lượng cho máy thu xa Dữ liệu phát điều chế sóng mang vơ tuyến (thường gọi điều chế sóng mang nhờ thơng tin phát) cho khơi phục xác máy thu Nhiễu sóng mang vơ tuyến tồn khơng gian, thời điểm mà không can nhiễu lẫn sóng vơ tuyến phát tần số vô tuyến khác Để nhận lại liệu, máy thu vô tuyến thu tần số vô tuyến máy phát tương ứng Trong cấu hình mạng máy tính khơng dây tiêu chuẩn, thiết bị thu/phát (bộ thu/phát) gọi điểm truy cập, nối với mạng hữu tuyến từ vị trí cố định sử dụng cáp tiêu chuẩn Chức tối thiểu điểm truy cập thu, làm đệm, phát liệu mạng máy tính khơng dây sở hạ tầng mạng hữu tuyến Một điểm truy cập đơn hỗ trợ nhóm nhỏ người sử dụng thực chức SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu phạm vi từ trăm đến vài trăm feet Điểm truy cập (hoặc anten gắn vào điểm truy cập) thường đặt cao đặt chỗ miễn đạt vùng phủ sóng mong muốn Những người sử dụng truy cập vào mạng máy tính khơng dây thơng qua thích ứng máy tính khơng dây Card mạng khơng dây vi máy tính, máy Palm, PDA Các thích ứng máy tính không dây cung cấp giao diện hệ thống điều hành mạng (NOS – Network Operation System) máy khách sóng khơng gian qua anten Bản chất kết nối không dây suốt hệ điều hành mạng 1.1.4 Các mơ hình mạng máy tính khơng dây bản: Kiểu Ad – hoc: Mỗi máy tính mạng giao tiếp trực tiếp với thông qua thiết bị card mạng không dây mà không dùng đến thiết bị định tuyến hay thu phát không dây Wireless Station Wireless Station Wireless Station Wireless Station Hình I.1: Mơ hình mạng Ad – hoc ( hay mạng ngang hàng ) Kiểu Infrastructure Các máy tính hệ thống mạng sử dụng nhiều thiết bị định tuyến hay thiết bị thu phát để thực hoạt động trao đổi liệu với hoạt động khác SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu 1.1.5 Cự ly truyền sóng, tốc độ truyền liệu: Truyền sóng điện từ không gian gặp tượng suy hao Vì kết nối khơng dây nói chung, khoảng cách xa khả thu tín hiệu kém, tỷ lệ lỗi tăng lên, dẫn đến tốc độ truyền liệu phải giảm xuống Các tốc độ chuẩn không dây 11 Mbps hay 54 Mbps không liên quan đến tốc độ kết nối hay tốc độ download, tốc độ định nhà cung cấp dịch vụ Internet Với hệ thống mạng không dây, liệu giử qua sóng radio nên tốc độ bị ảnh hưởng tác nhân gây nhiễu vật thể lớn Thiết bị định tuyến không dây tự động điều chỉnh xuống mức tốc độ thấp (Ví dụ từ 11 Mbps giảm xuống cịn 5,5 Mbps Mbps chí Mbps) 1.2 Ứng dụng: Trong năm gần đây, nghiên cứu WSN đạt bước phát triển mạnh mẽ, bước tiến từ nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, mơi trường, lượng, an tồn thực phẩm sản xuất Các ứng dụng mạng WSN thực bị giới hạn tưởng tượng người Sau ứng dụng phổ biến WSN: 1.2.1 Ứng dụng quân sự, an ninh thiên nhiên: Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lượng lớn cảm biến thả từ không, mạng lưới cảm biến cho biết vị trí người sống sót, vùng nguy hiểm, giúp cho người giám sát có thơng tin xác đảm bảo hiệu an tồn cho hoạt động tìm kiếm Sử dụng mạng WSN hạn chế có mặt trực tiếp người môi trường nguy hiểm Ứng dụng an ninh bao gồm phát xâm nhập truy bắt tội phạm Mạng cảm biến quân phát có thông tin di chuyển đối phương, chất nổ thông tin khác Phát phân loại chất hóa chất, sinh hóa, sóng vơ tuyến, phóng xạ hạt nhân, chất nổ… Giám sát thay đổi khí hậu, rừng, biển… SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu Giám sát xe cộ đường Giám sát an ninh khu vực dân cư, thương mại… Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh… Hình I.2: Ứng dụng WSN an ninh quốc gia luật pháp SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu 1.2.2 Ứng dụng giám sát xe cộ thông tin liên quan: Mục tiêu hệ thống thu thập thông tin thông qua mạng cảm biến, xử lý lưu trữ liệu trung tâm, sử dụng liệu cho ứng dụng cần thiết Hệ thống lắp đặt dọc theo đường chính, mạng cảm biến số tập hợp liệu tốc độ lưu thông, mật độ xe, số lượng xe đường Dữ liệu sau truyền đến trung tâm liệu để xử lý Mạng theo dõi liên tục, cung cấp thông tin cập nhật thường xuyên theo thời gian thực Các thông tin thu dùng để giám sát lưu lượng , điều phối giao thông cho mục đích khác 1.2.3 Điều khiển thiết bị nhà: Điều khiển thiết bị nhà: Hình I.3: Các ứng dụng điều khiển Các node cảm biến lắp thiết bị , vị trí cần thiết, sau kết nối thành mạng truyền liệu node trung tâm Một khả phát triển cảm biến theo dõi y tế gắn trực tiếp lên thể người bệnh để đo đạc thường xuyên thông số huyết áp, nhịp tim,… 1.2.4 Các tòa nhà tự động: Ứng dụng cung cấp khả điều khiển, quản lý, tạo tiện lợi kiểm soát, an ninh…Quản lý nhiều hệ thống lúc, hệ thống chiếu sáng, nhiệt độ, an ninh, giám sát nhân viên, quản lý hiệu tiêu thụ lượng tịa nhà, gắn chip lên hàng hóa,giảm thời gian kiểm tra…có thể dễ dàng thực SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu C2WSNs công nghệ ZigBee đặc điểm bật dùng cơng nghệ microsensor tiêu thụ công suất, thu phát vô tuyến , kỹ thuật liên lạc vả cảm biến không dây đa chức 1.2.5 Quản lý q trình tự động cơng nghiệp: Các ứng dụng sản xuất công nghiệp gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất an toàn Các cảm biến đặt mơi trường làm việc giám sát q trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, kiểm sốt mơi trường làm việc, quản lý nhân viên,…dữ liệu đưa trung tâm để người quản lý đưa định kịp thời 1.2.6 Các ứng dụng y học: Một số bệnh viện trung tâm y tế ứng dụng công nghệ WSNs vào tiền chẩn đốn, chăm sóc sức khỏe, đối phó với dịch bệnh phục hồi chức cho người bệnh WSNs cho phép theo dõi tình trạng bệnh nhân kinh niên nhà, làm cho việc phân tích điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian điều trị bệnh viện WSNs cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian dài thành sở liệu quan trọng, biện pháp can thiệp hiệu TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA CÁC NÚT MẠNG, NGUYÊN TẮC: Một nút cảm nhận không dây giao tiếp với nút cảm nhận khác việc sử dụng net work - stack - Ở lớp ứng dụng (Application), liệu gửi dạng gói, chip radio lớp phần cứng truyền nhận liệu dạng byte nên gói tin cần phân đoạn trước chúng gửi phải ghép lại sau chúng nhận Lớp điều khiển đa truy cập Media - Access - Control (MAC) chuyển tiếp lớp ứng dụng với radio chip: + Khi gói tin gửi nhờ ứng dụng, gói tin phân nhỏ thành byte chuỗi liên tiếp byte đặc biệt gọi Preamble (phần mở đầu) gửi trước byte liệu phía thu đồng xác định phần bắt đầu gói tin + Sau nhận byte, radio chip mã hóa bit liệu truyền chúng Ở phía nhận, radio chip báo hiệu việc đến byte sau xác định giải mã cácbit liệu SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 10 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu Hamming phát vấn đề với việc đảo giá trị hai hai bit nữa, miêu tả "khoảng cách" (distance) (hiện gọi khoảng cách Hamming (Hamming distance) - theo tên ơng) Mã chẵn lẻ có khoảng cách 2, có bit bị đảo ngược lỗi truyền thơng trở nên vơ hình, khơng phát Mã tái diễn (3,1) có khoảng cách 3, bit, ba, phải bị đổi ngược trước từ mã khác Mã tái diễn (4,1) (mỗi bit nhắc lại lần) có khoảng cách 4, nên bit nhóm bị đảo ngược lỗi đảo ngược mà khơng bị phát Cùng lúc, Hamming quan tâm đến hai vấn đề; tăng khoảng cách đồng thời tăng tỷ lệ thông tin lên, nhiều tốt Trong năm thuộc niên kỷ 1940, ông xây dựng mơt số kế hoạch mã hóa Những kế hoạch dựa mã tồn song nâng cấp tiến cách sâu sắc Bí chìa khóa cho tất hệ thống ông việc cho bit chẵn lẻ gối lên (overlap), cho chúng có khả tự kiểm tra lẫn kiểm tra liệu Thuật toán cho việc sử dụng bit chẵn lẻ 'mã Hamming' thông thường tương đối đơn giản: Tất bit vị trí số mũ (powers of two) dùng làm bit chẵn lẻ (các vị trí 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 v.v hay nói cách khác 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 v.v.) Tất vị trí bit khác dùng cho liệu mã hóa (các vị trí 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, etc.) Mỗi bit chẵn lẻ tính giá trị chẵn lẻ cho số bit từ mã (code word) Vị trí bit chẵn lẻ định chuỗi bit mà luân phiên kiểm tra bỏ qua (skips) o Vị trí (n=1): bỏ qua bit(n-1), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), v.v o Vị trí 2(n=2): bỏ qua bit(n-1), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), v.v o Vị trí 4(n=4): bỏ qua bit(n-1), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), v.v SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 32 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu o Vị trí 8(n=8): bỏ qua bit(n-1), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), kiểm bit(n), bỏ qua bit(n), v.v o Vị trí 16(n=16): bỏ qua 15 bit(n-1), kiểm 16 bit(n), bỏ qua 16 bit(n), kiểm 16 bit(n), bỏ qua 16 bit(n), v.v o Vị trí 32(n=32): bỏ qua 31 bit(n-1), kiểm 32 bit(n), bỏ qua 32 bit(n), kiểm 32 bit(n), bỏ qua 32 bit(n), v.v o tiếp tục Nói cách khác, bit chẵn lẻ vị trí 2k kiểm bit bit vị trí t có giá trị logic phép toán AND k t khác a) Ví dụ dùng (11,7) mã Hamming: Lấy ví dụ có từ liệu dài bit với giá trị "0110101" Để chứng minh phương pháp mã Hamming tính tốn sử dụng để kiểm tra lỗi, xin xem bảng liệt kê Chữ d (DỮ LIỆU) dùng để biểu thị bit liệu chữ p (parity) để biểu thị bit chẵn lẻ (parity bits) Đầu tiên, bit liệu đặt vào vị trí tương thích chúng, sau bit chẵn lẻ cho trường hợp tính tốn dùng quy luật bit chẵn lẻ số chẵn[1] Thứ tự bit 10 11 Vị trí bit chẵn lẻ bit liệu p1 p2 d1 p3 d2 d3 d4 p4 d5 d6 d7 Nhóm liệu (khơng có bit chẵn lẻ): p1 p2 p3 p4 Nhóm liệu (với bit chẵn lẻ): 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 Cách tính bit chẵn lẻ mã Hamming (từ trái sang phải) SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 33 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu Nhóm liệu (new DỮ LIỆU word) - bao gồm bit chẵn lẻ - "10001100101" Nếu thử cho bit cuối bị thối hóa (gets corrupted) bị lộn ngược từ sang Nhóm liệu "10001100100"; Dưới đây, phân tích quy luật kiến tạo mã Hamming cách cho bit chẵn lẻ giá trị kết kiểm tra dùng quy luật số chẵn bị sai Thứ tự bit Vị trí bit chẵn lẻ bit liệu 10 11 p1 p2 d1 p3 d2 d3 d4 p4 d5 d6 d7 Nhóm liệu nhận : 0 1 0 0 p1 p2 1 0 p3 Bit chẵn lẻ chẵn lẻ Sai 0 Sai Đúng 0 Sai 1 p4 Kiểm 0 Kiểm tra bit chẵn lẻ (bit bị đảo lộn có thẫm) Bước cuối định giá trị bit chẵn lẻ (nên nhớ bit nằm viết bên phải - viết ngược lại từ lên trên) Giá trị số nguyên bit chẵn lẻ 11(10), có nghĩa bit thứ 11 nhóm liệu (DỮ LIỆU word) - bao gồm bit chẵn lẻ - bit có giá trị khơng đúng, bit cần phải đổi ngược lại p4 p3 p2 p1 Nhị phân Thập phân SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 1 Σ = 11 34 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu Khi hai bit liệu (3,7) có bit chẵn lẻ kiểm tra vi trí 2k - ví dụ (1,2) biến đổi giá trị (lỗi truyền thơng) giá trị bit chẵn lẻ giá trị gốc (0,1) Việc đổi ngược giá trị bit thứ 11 làm cho nhóm 10001100100 trở lại thành 10001100101 Bằng việc bỏ phần mã Hamming, lấy phần liệu gốc với giá trị là: 0110101 Lưu ý, bit chẵn lẻ không kiểm tra lẫn nhau, bit chẵn lẻ bị sai thôi, tất bit khác đúng, có bit chẵn lẻ nói đến sai mà thơi khơng phải bit kiểm tra (not any bit it checks) Cuối cùng, giả sử có hai bit biến đổi, vị trí x y Nếu x y có bit vị trí 2k đại diện nhị phân chúng, bit chẵn lẻ tương ứng với vị trí kiểm tra hai bit, giữ ngun giá trị, khơng thay đổi Song số bit chẵn lẻ định phải bị thay đổi, x ≠ y, hai bit tương ứng có giá trị x y khác Do vậy, mã Hamming phát tất lỗi hai bit bị thay đổi — song khơng phân biệt chúng với lỗi bit bị thay đổi SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 35 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu b) Mã Hamming (7,4): Với nhóm bit liệu, mã Hamming thêm bit kiểm tra Thuật toán (7,4) Hamming sửa chữa bit lỗi nào, phát tất lỗi bit, lỗi bit gây Điều có nghĩa tất phương tiện truyền thơng khơng có chùm lỗi đột phát (burst errors) xảy ra, mã (7,4) Hamming có hiệu (trừ phi phương tiện truyền thơng có độ nhiễu cao gây cho bit số bit truyền bị đảo lộn) c) Ví dụ cách dùng ma trận thơng qua GF(2) [2] Nguyên lý mã Hamming bắt nguồn từ việc khai triển mở rộng quan điểm chẵn lẻ Việc khai triển bắt đầu việc nhân ma trận, gọi Ma trận Hamming (Hamming matrices), với Đối với mã Hamming (7,4), sử dụng hai mã trận có liên quan gần gũi, đặt tên cho chúng là: Các cột vectơ He nên tảng hạch Hd phần He (4 hàng đầu) ma trận đơn vị (identity matrix) Ma trận đơn vị cho phép vectơ liệu qua làm tính nhân, vậy, bit liệu nằm vị trí (sau nhân) Sau phép nhân hồn thành, khác với cách giải thích phần trước (các bit chẵn lẻ nằm vị trí 2k), trật tự bit từ mã (codewords) khác với cách bố trí nói (các bit liệu nằm trên, bit kiểm chẵn lẻ nằm dưới) Chúng ta dùng nhóm bit liệu (số tên mã vậy) chủ chốt, cộng thêm vào bit liệu thừa (vì 4+3=7 nên có số tên SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 36 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu mã) Để truyền gửi liệu, nhóm bit liệu mà muốn gửi thành vectơ Lấy ví dụ, liệu "1011" vectơ là: Giả sử, muốn truyền gửi liệu Chúng ta tìm tích He p, với giá trị môđulô [3]: Máy thu nhân Hd với r, để kiểm tra xem có lỗi xảy hay khơng Thi hành tính nhân này, máy thu (một lần nữa, giá trị đồng dư môđulô 2): Vì vectơ tồn số khơng máy thu kết luận khơng có lỗi xảy Sở dĩ vectơ tồn số khơng có nghĩa khơng có lỗi, He nhân với vectơ liệu, thay đổi tảng xảy không gian bên vectơ (vector subspace), tức hạch Hd Nếu khơng có vấn đề xảy truyền thông, r nằm nguyên hạch Hd phép nhân cho kết vectơ toàn số không SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 37 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu Trong trường hợp khác, giả sử lỗi bit xảy Trong toán học, viết: mơđulơ 2, ei vectơ đơn vị đứng thứ i (ith unit vector), có nghĩa là, vectơ số có giá trị vị trí i (tính từ tính đi) Biểu thức nói cho biết có bit bị lỗi vị trí i Nếu nhân Hd với hai vectơ này: Vì r liệu thu nhận khơng có lỗi, tích Hd r Do Vậy, tích Hd với vectơ chuẩn cột thứ i (the ith standard basis vector) làm lộ cột Hd, mà biết lỗi xảy vị trí cột Hd Vì kiến tạo Hd hình thức định, hiểu giá trị cột số nhị phân - ví dụ, (1,0,1) cột Hd, tương đồng giá trị với cột thứ 5, biết lỗi xảy đâu sửa Lấy ví dụ, giả sử có: Nếu thi hành phép nhân: SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 38 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu Tích phép nhân cho kết tương đương với cột thứ ("010" tương đương với giá trị số thập phân), đó, biết lỗi xảy vị trí thứ hàng liệu, sửa lỗi Chúng ta dễ dàng thấy rằng, việc sửa lỗi bit bị đảo lộn gây ra, dùng phương pháp việc thực Bên cạnh đó, mã Hamming cịn phát lỗi bit bit bị đảo lộn gây ra, dùng tích Hd tích khơng cho vectơ số khơng Tuy thế, song mã Hamming khơng thể hồn thành hai việc d) Mã Hamming bit chẵn lẻ bổ sung: Nếu bổ sung thêm bit vào mã Hamming, mã dùng để phát lỗi gây bit bị lỗi, đồng thời khơng cản trở việc sửa lỗi bit gây [1] Nếu không bổ sung bit vào thêm, mã phát lỗi bit, hai bit, ba bit gây ra, song cản trở việc sửa lỗi bit bị đảo lộn Bit bổ sung bit áp dụng cho tất bit sau tất bit kiểm mã Hamming thêm vào Khi sử dụng tính sửa lỗi mã, lỗi bit chẵn lẻ bị phát mã Hamming báo hiệu có lỗi xảy sửa lỗi này, song không phát lỗi bit chẵn lẻ, mã Hamming báo hiệu có lỗi xảy ra, cho lỗi bit bị đổi lúc Tuy phát nó, sửa lỗi SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 39 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu byte có bit chẵn lẻ bit liệu Quy luật số chẵn Quy luật số lẻ 0000000 00000000 00000001 1010001 10100011 10100010 1101001 11010010 11010011 1111111 11111111 11111110 Cách tính bit chẵn lẻ nhóm bit liệu, dùng quy luật số chẵn sau: số lượng bit có giá trị (the bit is set) số lẻ, bit chẵn lẻ 1(2) (và việc cộng thêm bit có giá trị 1(2) vào liệu, tổng số bit có giá trị 1(2) số chẵn - bao gồm bit chẵn lẻ, cịn khơng bit chẵn lẻ có giá trị (2) Ngược lại, bit chẵn lẻ dùng quy luật số lẻ có giá trị 1(2) số lượng bit có giá trị 1(2) số chẵn - việc thêm bit chẵn lẻ có giá trị 1(2) vào nhóm liểu, tổng số bit có giá trị 1(2) số lẻ - ngược lại SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 40 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu 3.3 Một vài ví dụ v hỡnh thnh t mó v sa li: Sơ đồ minh họa qua trình truyền tin nút mạng sư dơng giao thøc SPP cã ACK Ngun lý truyền dẫn nút mạng mô tả sau: Với giao thức SPP (simple packet protocol) có ACK đường truyền nút hlf duplex, có bên truyền Quá trình truyền diễn sau phía truyền nhận gói ACK từ phía nhận Q trình truyền: Nếu thu phát trạng thái rỗi (sẵn sàng truyền) thành phần phát kích hoạt Q trình truyền thực RF ISR nút truyền chờ nhận ack (nếu yêu cầu) Nếu phát (nút truyền) cấp u cầu truyền lại với sppSetting.TXAttempts=n) gói tin truyền lại (n-1) lần nhận gói tin phản hồi ack Q trình truyền nhận diễn liên tục UART q trình nhận, suốt q truyền đặt vào chế độ TX_Mode (chế độ truyền) chờ nhận ACK (TXACK_MODE) Kết thúc hoạt động truyền trạng thái đường truyền sppStatus ( ) trở lại trạng thái rỗi (spp_IDLE_MODE) Quá trình nhận: SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 41 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu Nếu thu phát rỗi (ở trạng thái sẵn sàng truyền nhận (spp_IDLE_MODE); nhận u cầu nhận, thành phần nhận nút mạng kích hoạt Quá trình nhận thực nhờ RF ISR (radio-Frequency Interrupt-ServiceRoutine) thực truyền ACK (nếu yêu cầu) Kết thúc lần nhận Bộ nhận tắt nguồn Nhưng chức nhận kích hoạt trở lại ứng dụng yêu cầu Trong suốt q trình nhận nhận ln trạng thái chờ nhận gói tin (RX-MODE) truyền ACK (RXACK_MODE) Kết thúc hoạt động truyền, trạng thái đường truyền spp Status ( ) trở lại trạng thái rỗi ban đầu (spp_IDLE_MODE) Giữa hai nút mạng cảm biến q trình truyền nhận ln chuyển đổi qua lại Do đường truyền bán song công nên thời điểm có bên phép truyền, kết thúc trình truyền nhận thường thu phát thiết lập lại giá trị: Hệ thống truyền dẫn RF, thời gian time out vv Dưới minh họa cấu trúc chương trình truyền nhận RF thực vòng lặp While: While (TRUE) { //Receive a packet - Nếu nhận tin if (sppReceive(&RXI) ==SPP_RX_STARTED) { //thực truyền bên nhận sẵn sàng Nhưng cần kiểm tra đường truyền RF có gói tin truyền cần chờ cho truyền xong thực Vịng lặp thực SPP_Status ( ) không rỗi { if (txRequest && (TXI.status == SPP_TX_FINISHED) && (RXI.status == SPP_RX_WAITING)) { sppReset (); } } while (SPP_STATUS()!=SPP_IDLE_MODE SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 42 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu // gói tin sau nhận hồn chỉnh đưa vào UART //Check the results (ignore retransmitted messages) if (RXI.status == SPP_RX_FINISHED) { if (SPP_SEQUENCE_BIT & (lastRXflags ^RXI.flags)) { while (uartRXPos !=rxDateLen[uartRXBuffer]); if ((rxDataLen[rfRXBuffer] = RXI.dataLen) !=0 dau //Switch buffers and initiate UART0 transmission GLED=~GLED; SWITCH(uartRXBuffer, rfRXBuffer); uartRXPos=0; UART0_SEND(pRXBuffer[uartRXBuffer][uartRXPos]); } } lastRXflags = RXI.flags; } } //Transmitpacket, if requested - truyền tin nhận yêu cầu if (txRequest) { //thực có yêu cầu if (sppSend(&TXI) === SPP_TX_STARTED) { //kiểm tra xem đường truyền có rỗi khơng, khơng rỗi chờ trình truyền kết thúc thực hiện, Wait for the transmission to finish YLED = LED_ON; //đèn vàng bật truyền }while (SPP_STATUS() !=SPP_IDLE_MODE //nếu đường truyền rỗi ta thực truyền YLED=LED_OFF; SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 43 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu //Check out the results if(TXI.status==SPP_TX_FINISHED) { sppSetting.rxTimeout = NORMAL_TIMEOUT; RLED = LED_OFF; txRequest = TX_REQUEST_OFF; } else { RLED = LED_ON sppSetings.rxTimeout = RETRY_TX_TIMEOUT; } } } //Recalibrate the transceiver if requested to -xác lập lại thu phát có lệnh yêu cầu if (recalibRequest) { sppSetup RF(&RF_SETTINGS, &RF_CALDATA, TRUE); } } }//main SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 44 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu KẾT LUẬN Đề tài xem xét đặc trưng chủ yếu mạng cảm nhận không dây Nghiên cứu chuyên sâu việc: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu Trên sở: - Xây dựng từ mã cho việc tự động sửa lỗi - Đánh giá khoảng cách Hamming qua từ mã - Đánh giá khả phát lỗi sửa lỗi qua tính tốn khoảng cách Hamming - Đưa phương pháp phát sửa lỗi nơi nhận qua tập hợp từ mã nhận Để giải vấn đề ta sử dụng phương pháp sửa lỗi FEC (Forward Error Correction) - Sửa lỗi hướng trước Với mã sửa lỗi FEC, liệu khơi phục phía thu mà khơng cần u cầu phát lại phía phát Ưu điểm tự khơi phục lại gói bị nhờ vào gói thu phần gói chẵn lẻ dư thừa thêm vào nơi phát trình truyền lỗi đơn bit đoạn liệu thiếu thu tự động sửa lại nhờ vào FEC Trên thực tế sửa lỗi hướng trước FEC cho thấy hiệu việc giảm bit lỗi hầu hết lỗi đơn bít với số lượng bit lỗi gói tin nhỏ (đơn bit, bit hay bit ) với trường hợp lỗi chùm bit hay nhiều lỗi khơng phát huy nhiều tác dụng Mặc dù lỗi đa bit chùm bit gặp phải gây nên ảnh hưởng lớn ARQ đưa để giải trường hợp dễ thấy khơng phải phương pháp tối ưu, khơng có thú vị nút mạng mà sử dụng hai thuật toán liền để sửa lỗi Do thật có ý nghĩa nều tìm phương phát hiệu mà sửa đồng thời lỗi đơn bit, đa bit chùm bit mà đảm bảo yêu cầu thuật toán: đơn giản, tốn dung lượng nhớ, tiêu thụ lượng thấp vv SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 45 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu Tài liệu tham khảo [1] ―Mạng truyền số liệu‖ - Vương Đạo Vy - Nhà xuất ĐHQG - Năm 2006 [2] Mạng máy tính hệ thống mở (Nguyễn Thúc Hải) [3] Bài giảng mạng máy tính (Phạm Thế Quế) [4] Wireless Local Area Netwozzrks (Pierfranco Issa 1999) [5] Designing A Wireless Network (Syngress Publishing 2001) [6] Building A Cisco Wireless LAN (Syngress Publishing 2002) [7] Building Wireless Community Networks (O'Reilly 2002) [8] Configuring the Cisco Wireless Security Suite (Cisco System 2002) [9] Wireless Security and Privacy: Best Practices and Design Techniques (Addison Wesley 9/2002) [10] Building Secure Wireless Networks with 802.11 (Wiley Publishing 2003) [11] Wireless Security: Critical Issues and Solutions (Craig J Mathias 2003) SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 46 ... tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 27 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu. .. nút mạng cảm nhận không dây SVTH: Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Lớp CT1001 15 Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng không dây phương pháp mã hóa liệu CHƢƠNG 2: MÃ SỬA LỖI Mạng phải có khả truyền. ..Đề tài: Tăng khả thành công truyền liệu mạng khơng dây phương pháp mã hóa liệu Mục lục CHƢƠNG 1: TRUYỀN DỮ LIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY: 1.1 Thế mạng máy tính khơng dây ?