GIAO THỨC MAC TRONG IEEE 802 11

có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và hướng dẫn chi tiết về GIAO THỨC MAC TRONG IEEE 802 11 .................................................................................................................................................................

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTACK Acknowledgement

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection

CW Contention Window

DCF Distributed Coordination Function

DIFS Distributed - Inter Frame Space

DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying

DS Distributed system

DSSS Directed Sequence Spread Spectrum

EIFS Extended - Inter Frame Space

ESS Extended Service Set

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

GFSK Gaussian Frequency Shift Keying

IBSS Infrastructure Basic Service Set

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ISM Industrial Scientific and Medical

LAN Local Area Network

MAC Media Access Control

MANET Mobile Ad hoc Network

MN Mobile Node

NAV Network Allocation Vector

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PCF Point Coordinated Function

PIFS Priority – Inter Frame Space

RBTI Random Backoff Time Interval

SIFS Short – Inter Frame Space

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và khi cuộc sốngcon người ngày càng phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin giữa con người ngàycao Con người muốn mình có thể được kết nối với thế giới vào bất cứ lúc nào và từbất kì nơi đâu mà không cần phải có đường dây kết nối Đó chính là lý do mà mạngkhông dây ra đời Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của mạng

ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt nhất.Song song với sự phát triển của mạng không dây, thì mạng cục bộ không dâyWLAN (Wireless Local Area Network) bao gồm một nhóm các node di động MN(Mobile Node) kết nối với nhau qua một node trung tâm được gọi là AP (AccessPoint) Ở đây, các MN có thể là các thiết bị phần cứng di động (Laptop, Cellphone….) cũng đều có khả năng tham gia vào mạng không dây này

WLAN được chia thành hai mô hình chính đó là mô hình mạng không dây có

cơ sở hạ tầng và mô hình mạng Ad hoc Các mô hình, kiến trúc này được đưa ralàm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạtầng Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng MANET(Mobile Ad hoc Network) Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng

là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyềnthông không cao, mô hình mạng không ổn định vì các nút mạng di chuyển, và nănglượng cung cấp cho các nút mạng chủ yếu là nguồn pin…Do đó cần phải có nhữnggiao thức về truy nhập cũng như quản lý năng lượng để nâng cao hiệu suất chomạng

Chuẩn IEEE 802.11 ra đời nhằm mục đích phát triển những đặc tính trong kếtnối mạng không dây giữa cái thiết bị di động hay cố định trong một vùng nội bộ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TIÊU CHUẨN IEEE 802.11

1.1 Sơ lược về mạng di động Ad hoc (MANET) [5]

Mạng Ad hoc di động (Mobile Ad hoc Network - MANET) là một hệ thốngmạng không dây tự điều khiển bao gồm các node độc lập di chuyển thay đổi kết nốimạng một cách tự động Không như mạng di động không dây, mạng MANETkhông tĩnh, không có cấu trúc cố định và không quản lí tập trung Mạng có thể hìnhthành ở bất cứ đâu, bất cứ lúc nào, miễn là hai hoặc nhiều node liên lạc với nhau vàgiao tiếp trực tiếp với node khác khi chúng cùng phạm vi vô tuyến hoặc thông quacác node di động trung gian vì tính linh hoạt mà MANET đã cung cấp Các node diđộng có thể vừa làm máy chủ (Host) vừa làm bộ định tuyến (Router) Tính di độngcủa MANET là một thách thức trong thiết kế và triển khai trong thực tế

HÌNH 1-1: Mạng Ad hoc di động1.2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11

1.1.1 Giới thiệu

IEEE 802.11 là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE bao gồm các đặc tả kỹthuật liên quan đến hệ thống mạng không dây Mục đích của chuẩn IEEE 802.11như IEEE định nghĩa là "để cung cấp kết nối không dây tới các thiết bị, hoặc các

trạm di động mà yêu cầu triển khai nhanh, và xách tay hoặc cầm tay, hoặc được gắnlên các phương tiện chuyển động bên trong một vùng".

Chuẩn này cũng đưa ra các quy định chung về băng tần hoạt động cũng nhưmột số đặc điểm quan trọng sau đây:

1 Mô tả các chức năng và các dịch vụ cần có cho thiết bị phù hợp với chuẩnIEEE 802.11 để hoạt động trong các mô hình của mạng và bao gồm những quy địnhgiao tiếp của các thiết bị di động hoạt động trong mạng [5]

2 Qui định các chức năng được điều khiển bởi lớp MAC và các thủ tục truynhập để truyền các đơn vị dữ liệu MAC bất đồng bộ [5]

3 Cho phép các thiết bị hoạt động trong mạng WLAN theo chuẩn802.11 có thể cùng tồn tại với các mạng WLAN IEEE 802.11 chồng lên nhau [5]

4 Mô tả các yêu cầu bảo mật để cung cấp quyền riêng tư của dữ liệu đượctruyền qua môi trường không dây [5]

HÌNH 1-2: Mạng WLAN tiêu biểu trong IEEE 802.11 [6]

1.1.2 Các thành phần kiến trúc

Mạng WLAN 802.11 bao gồm bốn thành phần vật lý chính được mô tả ở hình 1-3dưới đây:

HÌNH 1-3: Các thành phần trong mạng WLAN 802.11 [6]

1.1.1.1 Điểm truy cập (Access Point)Điểm truy cập thực chất là một thiết bị phần cứng cố định thực hiện chức năngcầu nối giữa các thiết bị di động trong mạng không dây và có dây Vùng phủ sóngcủa điểm truy cập cho phép các trạm trực tiếp tham gia trao đổi thông tin với nhau

1.1.1.2 Các trạm (Station)Mạng không dây được xây dựng để truyền thông tin giữa các trạm với nhau.Các trạm này thực chất là các thiết bị phần cứng di động có gắn card giao diệnmạng không dây và các trạm này có thể là cố định hoặc di động

1.1.1.3 Phương tiện truyền dẫn không dây (Wireless Medium)

Để truyền thông tin giữa các trạm với nhau, chuẩn 802.11 quy định sử dụngphương tiện truyền dẫn không dây Cụ thể chuẩn 802.11 quy định bốn công nghệ ởtầng vật lý làm phương tiện truyền dẫn cho mạng không dây

1.1.1.4 Hệ thống phân phối (Distribution System)Khi nhiều điểm truy cập được kết nối với nhau để tạo ra một vùng phủ sóngrộng hơn, chúng cần liên lạc với nhau để theo dõi sự di chuyển của các trạm di độngnày (được gọi là hệ thống phân phối – Distribution System)

Mạng WLAN 802.11 theo kiến trúc cơ sở hạ tầng mạng (Infrastructure Mode)bao gồm hai kiến trúc con: Tập dịch vụ cơ bản (BBS – Basic Service Set), và tậpdịch vụ mở rộng (ESS – Extended Service Set)

1.1.3 Các tiêu chuẩn trong bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11 [4]

Chuẩn 802.11: Năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên vàđặt tên nó là 802.11 Tuy nhiên, chuẩn này chỉ hỗ trợ tốc độ tối đa cho phép 2 Mbps

trong băng tần 2.4 GHz, khá chậm so với ngày nay và không được áp dụng rộng rãitrong thực tế Do đó các phiên bản tiếp theo của IEEE 802.11 đã ra đời.

Chuẩn 802.11b: Năm 1999, chuẩn 802.11b ra đời và hỗ trợ tốc độ lên đến 11 Mpbsthay vì 2 Mbps như trước kia Tương tự thế hệ đầu tiên, chuẩn kết nối 802.11b cũng

sử dụng băng tần 2.4 GHz rất dễ bị gây nhiễu từ các thiết bị điện tử khác như điệnthoại di động, lò vi sóng Chuẩn này được sử dụng rất rộng rãi trên thị trường vớigiá thành rẻ, phạm vi tín hiệu rộng (70 - 150 m) tuy nhiên tốc độ tối đa khá thấp (11Mbps) và dễ bị nhiễu

Chuẩn 802.11a: Chuẩn 802.11a cũng được phát triển song song với chuẩn 802.11b,tuy nhiên chuẩn a thường được sử dụng trong các mạng của doanh nghiệp thay vìgia đình như chuẩn b vì giá thành khá cao So với chuẩn 802.11b, chuẩn này hỗ trợtốc độ tối đa gần gấp 5 lần, lên đến 54 Mpbs và sử dụng băng tần vô tuyến 5 GHz

có thể tránh tình trạng bị nhiễu do các thiết bị khác

Chuẩn 802.11g: Năm 2003, chuẩn WiFi thế hệ thứ 3 ra đời được đặt là chuẩn802.11g, chuẩn WiFi này thậm chí còn được sử dụng ở nhiều ở các gia đình hiệnnay Chuẩn 802.11g được xem là kết hợp giữa chuẩn a và b trước kia, với giá thànhkhá rẻ Chuẩn 802.11g hỗ trợ tốc độ đến 54 Mpbs như chuẩn a nhưng sử dụng băngtần 2.4 GHz như chuẩn b, vì vậy chuẩn này có tốc độ cao, phạm vi tín hiệu tốt (80-200m)

Chuẩn 802.11n: Đây là chuẩn tương đối mới (mới nhất là chuẩn ac) và đang sửdụng khá phổ biến hiện nay Chuẩn WiFi 802.11n được đưa ra nhằm cải thiệnchuẩn 802.11g bằng cách sử dụng công nghệ MIMO (Multiple - Input Multiple -Output) tận dụng nhiều anten hơn Chuẩn kết nối 802.11n hỗ trợ tốc độ tối đa lênđến 600 Mpbs, có thể hoạt động trên cả băng tần 2,4 GHz và 5 GHz Chuẩn kết nốinày đã và đang dần thay thế chuẩn 802.11g với tốc độ cao, phạm vi tín hiệu rất tốt(từ 100 - 250m) và giá thành đang ngày càng phù hợp

1.1.4 Lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.11

Năm 1997, IEEE đã đưa ra chuẩn đầu tiên gọi là IEEE 802.11 Chuẩn nàycung cấp ba đặc điểm tầng vật lý cho vô tuyến, hoạt động ở băng tần từ 2400 đến2483.5 Mhz, 902 đến 928 Mhz, 5.725 đến 5.85 Ghz Vào thời điểm mới ra đời(1997) chuẩn 802.11 đã đặc tả ba công nghệ dành cho lớp vật lý:

• Trải phổ trực tiếp (DSSS): Lớp vật lý này cung cấp cả hai chế độ

hoạt động 1 Mbps và 2 Mbps Chế độ 1 Mbps sử dụng điều chế phanhị phân vi sai (DBPSK - Differential Binary Phase Shift Keying) vàchế độ 2 Mbps sử dụng điều chế pha trực giao (DQPSK - DifferentialQuadrature Phase Shift Keying) Quá trình DSSS bắt đầu với mộtsóng mang được điều chế với một chuỗi mã Số lượng bit trong mộtchip sequence sẽ xác định độ rộng trải phổ của hệ thống và tốc độ củadãy bit đặc biệt này sẽ xác định tốc độ truyền dữ liệu

• Trải phổ nhảy tần (FHSS): Lớp vật lý này cung cấp cho hoạt động ở

tốc độ 1Mbps (hoặc 2 Mbps) Chế độ 1 Mbps sử dụng phương phápđiều chế 2 mức khóa dịch tần số Gaussian (GFSK) và chế độ 2 Mbps

sử dụng 4 mức GFSK Trong kỹ thuật này, sóng mang sẽ được thayđổi tần số tùy thuộc vào một bảng gồm nhiều tần số khác nhau màsóng mang có thể nhảy trong một khoảng thời gian xác định

• Lớp vật lý hồng ngoại (IR - Infrared): Lớp vật lý này cung cấp chế

độ hoạt động 1 Mbps có thể nâng lên 2 Mbps Chế độ 1 Mbps sửdụng phương pháp điều chế vị trí xung (PPM - Pulse Positionmodulation) với 16 vị trí (16-PPM) và chế độ 2 Mbps sử dụng 4-PPM Bảng 1-1: Mô cả các kỹ thuật được sử dụng trong bộ chuẩnIEEE 802.11

BẢNG 1-1: Các thông số kỹ thuật trong chuẩn IEEE 802.11 [6]

Năm

1.1.5 Giao thức MAC IEEE 802.11

Chuẩn IEEE 802.11 cung cấp đặc điểm về hai chức năng trong giao thứcMAC, chức năng phối hợp theo điểm (PCF - Point coordination function) và chứcnăng phối hợp phân phối (DCF - Distributed Coordination function)

• Phạm vi truyền (TR - Transmission range): Bất kì các trạm nào nằmtrong phạm vi này đều có thể nhận và giải mã chính xác các gói tinđược gửi từ phía phát đến mình

• Phạm vi cảm biến sóng mang (CS - Carrier sensing range): Bất kì cáctrạm nào nằm trong phạm vi này đều có thể cảm nhận được thông tinđược gửi từ phía máy phát

• Vùng cảm biến sóng mang (Carrier sensing zone): Đây là vùng màbất kì các trạm nào nằm trong phạm vi này đều có thể cảm nhận đượcthông tin được gửi từ phía phát, nhưng không thể giải mã chính xáccác gói tin được gửi từ máy phát đến mình

Hình 1-4: Thể hiện phạm vi hoạt động của các trạm trong chuẩn IEEE802.11 Ở đây, node A và node C nằm trong phạm vi truyền của node B Node D

và node E nằm trong vùng cảm biến sóng mang Tất cả các node trong hình đềunằm trong phạm vi cảm biến sóng mang

HÌNH 1-4: Phạm vi hoạt động của một mạng WLAN theo chuẩn 802.11 [5]1.1.6 Hỗ trợ đa kênh trong IEEE 802.11 [5]

Chuẩn IEEE 802.11 sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp định hướng cho băngtần ISM (ISM - Industrial Scientific and Medical) 2.4 GHz, hỗ trợ 11 kênh, trong

đó 3 kênh không chồng chéo nhau cụ thể là kênh 1, 3, 11 Như vậy, lớp vật lý

chuẩn IEEE 802.11 cung cấp cơ sở để dùng 3 kênh song song tại cùng một thờiđiểm cho trước Tương tự, khi dùng hệ thống OFDM ở băng tầng 5 GHz và cungcấp 12 kênh không chồng chéo nhau với mục đích sử dụng đồng thời.

Mặc dù lớp vật lý trong chuẩn 802.11 hỗ trợ đa kênh, tuy nhiên trong giaothức MAC chỉ sử dụng một trong những kênh này làm kênh truyền trung gian

HÌNH 1-5: Hỗ trợ đa kênh trong chuẩn 802.11b [5]

Nếu giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 được dùng cho đa kênh, thì

sẽ dẫn đến vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn gọi là Multi-channel Hidden terminalproblem Do đó cần có một giao thức MAC thông minh để sử dụng đa kênh và loại

bỏ vấn đề đó cùng một lúc Chúng ta gọi giao thức đó là Multi-channel MACprotocol

CHƯƠNG 2 GIAO THỨC MAC IEEE 802.11 1.3 Giới thiệu

Giao thức MAC (Medium Access Control) dùng để giải quyết các vấn đề liênquan đến sự cạnh tranh và va chạm tiềm ẩn trên đường truyền Nhiều giao thứcMAC đã được đề xuất cho các mạng không dây có một kênh chung được chia sẻbởi nhiều MN (Mobile Node) Ta gọi đây là giao thức MAC đơn kênh Tiêu chuẩnđại diện cho mẫu đơn kênh này là chuẩn IEEE 802.11 Và khi số lượng tải trong

Chế độ hoạt động trong IEEE

802.11

Chế độ tranh chấp DCF Chế độ không tranh chấp PCF

mạng tăng lên đến một giới hạn nào đó thì tốc độ của mạng cũng sẽ giảm xuống bởi

sự tranh chấp và va trạm cao trên đường truyền

Giao thức MAC 802.11 định nghĩa hai chế độ hoạt động, cụ thể là phối hợpphân phối (DCF - Distributed Coordination Function) và phối hợp điểm (PCF -Point Coordinated Function)

HÌNH 2-1: Các chế độ hoạt động của MAC 802.11

Chế độ DCF sử dụng Đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA - CarrierSense Multiple Access) với hệ thống tránh xung đột (CA - Collision Avoidance)như nguyên tắc cơ bản khi truy nhập kênh truyền

Còn PCF là chế độ cạnh tranh tự do thực hiện việc hỏi vòng (poll) để lập lịchtruy cập môi trường DCF là chế độ bắt buộc trong khi PCF là chế độ tùy chọn

1.4 Chế độ DCF IEEE 802.11

1.1.7 Cơ chế đa truy cập CSMA/CA

Cơ chế CSMA (Carrier Sense Multiple Access) làm việc như sau: Khi mộttrạm muốn truyền tin, trạm phải cảm nhận kênh truyền Nếu kênh truyền bận (ví dụđang có một trạm khác đang truyền tin), trạm sẽ chờ trong một khoảng thời gian.Sau đó nếu kênh truyền được cảm nhận là rỗi, khi đó trạm được phép truyền gói tin.Những giao thức như vậy thật sự hiệu quả khi kênh truyền không phải tải lưu lượngquá lớn Tuy nhiên xung đột luôn có thể xảy ra vì các trạm đều cùng cảm nhận kênh

truyền là rỗi và quyết định truyền tin tại cùng một thời điểm Chính vì vậy mạngLan hữu tuyến đã sử dụng CSMA kết hợp với việc dò tìm xung đột (CD - CollisionDetection) là rất hiệu quả, tuy nhiên không thể sử dụng kỹ thuật này trong môitrường không dây vì có hai lý do chính như sau:

1. Triển khai kỹ thuật dò tìm xung đột đòi hỏi môi trường vô tuyến phải có khả năngtruyền song công (Full - Duplex), nhận và truyền tin cùng một thời điểm

2. Trong môi trường không dây, không thể giả thuyết rằng tất cả các trạm đều nghethấy nhau Ngoài ra khi một trạm muốn truyền tin và cảm nhận kênh truyền là rỗi,điều đó không có nghĩa kênh truyền cũng rỗi xung quanh khu vực lân cận của trạmnhận tin

Để khắc phục những vấn đề này, chuẩn 802.11 sử dụng hệ thống tránh xungđột (Collision Avoidance – CA) như sau:

 Trạm muốn truyền tin sẽ phải cảm nhận kênh truyền Nếu kênh truyền bận,

HÌNH 2-2: Cơ chế CSMA/CA [6]

Giao thức MAC IEEE 802.11 cũng định nghĩa 5 khoảng thời gian được sửdụng trong chế độ DCF và PCF để quy định quyền ưu tiên truy cập kênh truyềngiữa các trạm Bảng 2-1 Mô tả 5 khung thời gian được sử dụng trong 802.11

BẢNG 2-1: Bảng mô tả các khoảng thời gian giữa các khung trong 802.11 [5]

Slot time Khoảng thời gian của 1 khe được định

nghĩa bởi lớp vật lýSIFS (Short – Inter Frame Space) Khoảng thời gian ngắn nhất giữa các

khung, có độ ưu tiên dùng để gửi các góitin điều khiển: RTS, CTS, ACK

PIFS (Priority – Inter Frame Space) Khoảng thời gian giữa các khung dùng

PCF có AP, PIFS = SIFS + 1 Slot TimeDIFS (Distributed - Inter Frame Space) Khoảng thời gian dài nhất giữa các

khung phân phối, DIFS = SIFS + 2 SlotTime

EIFS (Extended - Inter Frame Space) Khoảng thời gian mở rộng giữa các

khung1.1.8 Chế độ DCF 802.11 khi chưa giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn

Như đề cập ở trên, Chế độ DCF hoạt động dựa trên cơ chế CSMA/CA Nódùng hai loại cảm biến sóng mang

1. Cảm biến sóng mang vật lý (Physical Carrier Sense): Chức năng cảm nhận đượctầng vật lý quy định, thực hiện bằng cách lắng nghe tín hiệu năng lượng trên đườngtruyền.

2. Cảm biến sóng mang ảo (Virtual Carrier Sense): Thực hiện bằng cách thiết lập chỉ

số vector phân bố mạng (NAV - Network Allocation Vector)

Tiến trình hoạt động trong chế độ DCF được mô tả như sau:

 Các trạm đợi cho đến khi DIFS kết thúc Sau đó tiến hành quá trình Back-Off ngẫunhiên

 Các trạm đếm lùi thời gian Back-off của mình (giá trị back-off tiến về 0) Trạm nào

có khoảng thời gian backoff ngẫu nhiên ngắn nhất trạm đó sẽ giành được đườngtruyền và bắt đầu truyền tin Các trạm khác sẽ lưu giá trị backoff ngẫu nhiên còn lạidùng cho lần truy nhập tiếp theo

 Trạm nhận sau khi nhận được gói tin và phải đợi 1 khoảng SIFS trước khi đáp lạikhung ACK cho trạm truyền Trạm truyền nhận được ACK và tiến trình bắt đầu lại

từ đầu với một DIFS mới

HÌNH 2-3: Chế độ DCF 802.11 khi chưa giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn

 Thời gian backoff ngẫu nhiên (Random Backoff Time Interval - RBTI)thực chất là khoảng thời gian mà máy trạm phải chờ thêm sau khiđường truyền rỗi, được tính bằng công thức trong tài liệu [5]:

RBTI = Random() * Slot Time (2.1)