Bảo mật cho mạng không dây WIFI

Bảo mật cho mạng không dây WIFI

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời gian gần đây chúng ta thường nghe nói về WiFi và Internet khôngdây Thực ra, WiFi không chỉ được dùng để kết nối Internet không dây mà còn dùngđể kết nối hầu hết các thiết bị tin học và viễn thông quen thuộc như máy tính, máy in,PDA, điện thọai di động mà không cần dây cáp nối, rất thuận tiện cho người sử dụng

Mạng không dây là một trong những bước tiến lớn của ngành máy tính Truy cậpInternet trở thành nhu cầu quen thuộc đối với mọi người.

Tuy nhiên, để có thể kết nối Internet người sử dụng phải truy nhập Internet từmột vị trí cố định thông qua một máy tính kết nối vào mạng Điều này đôi khi gây rarất nhiều khó khăn cho những người sử dụng khi đang di chuyển hoặc đến một nơikhông có điều kiện kết nối vào mạng

Xuất phát từ yêu cầu mở rộng Internet, WLAN đã được nghiên cứu và triển khaiứng dụng trong thực tế Với những tính năng hỗ trợ đáp ứng được băng thông, triểnkhai lắp đặt dễ dàng và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật, kinh tế Chẳng hạn việc sửdụng công nghệ Internet không dây Wi- Fi cho phép mọi người truy cập và lấy thôngtin ở bất kỳ vị trí nào như bến xe, nhà ga, sân bay,…

Khi nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ WLAN, người ta đậc biệt quantâm tới tính bâo mật an toàn thông tin của nó Do môi trường truyền dẫn vô tuyến nênWLAN rất dễ bị rò rỉ thông tin do tác động của môi trường bên ngoài, đặc biệt là sựtấn công của các Hacker.

Do đó, đi đôi với phát triển WLAN phải phát triển các khả năng bảo mật WLANan toàn, để cung cấp thông tin hiệu quả, tin cậy cho người sử dụng.

Từ những yêu cầu đó, Luận văn này sẽ trình bày đề tài về mạng cục bộ khôngdây WLAN và một số vấn đề bảo mật cho mạng không dây Wi- Fi với nội dung gồm 3chương:

Chương 1: Tổng quan mạng cục bộ không dây WLANChương 2: Các tiêu chuẩn của mạng WLAN

Chương 3: Một số vấn đề bảo mật cho mạng không dây Wi- FiTrong quá trình thực hiện đề tài, do hạn chế về thời gian và lượng kiến thức cũngnhư kinh nghiệm thực tế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mongsự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

WLAN là mô hình mạng được sử dụng cho một khu vực có phạm vi nhỏ nhưmột tòa nhà, khuôn viên của một công ty, trường học Nó là loại mạng linh hoạt có khảnăng cơ động cao thay thế cho mạng cáp đồng truyền thống và bắt đầu phát triển vàogiữa thập kỉ 80 của thế kỷ XX bởi tổ chức FCC (Federal CommunicationsCommission) WLAN sử dụng sóng vô tuyến hay hồng ngoại để truyền và nhận dữliệu thông qua không gian, xuyên qua tường trần và các cấu trúc khác mà không cầncáp WLAN cung cấp tất cả các chức năng và các ưu điểm của một mạng LAN truyềnthống như Ethernet hay Token Ring nhưng lại không bị giới hạn bởi cáp Ngoài raWLAN còn có khả năng kết hợp với các mạng có sẵn, WLAN kết hợp rất tốt với LANtạo thành một mạng năng động và ổn định hơn WLAN là mạng rất phù hợp cho việcphát triển điều khiển thiết bị từ xa, cung cấp mạng dịch vụ ở nơi công cộng, khách sạn,văn phòng Sự phát triển ngày càng tăng nhanh của các máy tính xách tay nhỏ gọnhơn, hiện đại hơn và rẻ hơn đã thúc đẩy sự tăng trưởng rất lớn trong công nghiệpWLAN những năm gần đây.

WLAN sử dụng băng tần ISM (băng tần phục vụ công nghiệp, khoa học, y tế :2.4GHz và 5GHz ), vì thế nó không chịu sự quản lý của chính phủ cũng như khôngcần cấp giấy phép sử dụng Sử dụng WLAN sẽ giúp các nước đang phát triển nhanhchóng tiếp cận với các công nghệ hiện đại, nhanh chóng xây dựng hạ tầng viễn thôngmột cách thuận lợi và ít tốn kém

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều sản phẩm phục vụ cho WLAN theo cácchuẩn khác nhau như: IrDA (Hồng ngoại), OpenAir, BlueTooth, HiperLAN 2, IEEE

802.11b, IEEE 802.11a, 802.11g (Wi-Fi), …trong đó mỗi chuẩn có một đặc điểm khácnhau IrDA, OpenAir, BlueTooth là các mạng liên kết trong phạm vi tương đối nhỏ:IrDA (1m), OpenAir(10m), Bluetooth (10m) và mô hình mạng là dạng peer-to-peertức là kết nối trực tiếp không thông qua bất kỳ một thiết bị trung gian nào Ngược lại,HiperLAN và IEEE 802.11 là hai mạng phục vụ cho kết nối phạm vi rộng hơn khoảng100m, và cho phép kết nối 2 dạng: kết nối trực tiếp, kết nối dạng mạng cơ sở (sử dụngAccess Point) Với khả năng tích hợp với các mạng thông dụng như (LAN, WAN),HiperLAN và Wi-Fi được xem là hai mạng có thể thay thế hoặc dùng để mở rộngmạng LAN.

Ứng dụng lớn nhất của WLAN là việc áp dụng WLAN như một giải pháp tối ưucho việc sử dụng Internet Mạng WLAN được coi như một thế hệ mạng truyền số liệumới cho tốc độ cao được hình thành từ hoạt động tương hỗ của cả mạng hữu tuyếnhiện có và mạng vô tuyến Mục tiêu của việc triển khai mạng WLAN cho việc sử dụnginternet là để cung cấp các dịch vụ số liệu vô tuyến tốc độ cao

1.2 Quá trình phát triển của mạng WLAN

Mạng WLAN, với đặc tính “không dây” nó rất linh động trong điều kiện ngườidùng di động hay trong các cấu hình tạm thời Các mạng LAN không dây đang ngàycàng được ưa chuộng và phát triển trên thế giới Với các ưu điểm nổi trội như: dễ dàngcải thiện năng suất, cài đạt nhanh, đơn giản và linh hoạt, dễ cấu hình không đòi hỏi cơsở hạ tầng cồng kềnh như các mạng LAN truyền thống, đặc biệt là hiệu quả trong cácvùng khó thực hiện bằng dây và đòi hỏi có thẩm mỹ cao…, WLAN phát triển rấtnhanh chóng và đang dần thay thế cho các mạng có dây trong nhiều lĩnh vực khácnhau.

Quá trình phát triển của các mạng WLAN được sơ lược qua:

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản

xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz Những giải phápnày (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiệnthời

Năm 1992, những nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng

băng tần 2.4Ghz Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơnnhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bốrộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dãy tần

số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng khôngdây chung

Năm 1997, Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE) đã phê

chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI (WirelessFidelity) cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu,trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz.

Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn

802.11a và 802.11b (định nghĩa ra những phương pháp truyền tín hiệu) Và nhữngthiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ khôngdây vượt trội Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốcđộ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấpnhững đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật để so sánhvới mạng có dây thông thường

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể

truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữliệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thểtương thich ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b.

Hình 1.1: Quá trình phát triển của mạng WLAN

1.3 Phân loại mạng WLAN

Các mạng WLAN có thể được phân loại thành mạng WLAN vô tuyến và WLANhồng ngoại Các mạng WLAN vô tuyến có thể dựa trên quá trình truyền dẫn băng hẹphay truyền dẫn trải phổ trong khi đó đối với các WLAN hồng ngoại có thể là khuyếchtán hay được định hướng Dưới đây đề cập cơ bản các mạng WLAN vô tuyến và hồngngoại, có đánh giá điểm mạnh cũng như điểm yếu của mỗi loại.

1.3.1 Các WLAN vô tuyến

2.4 GHz1 & 2 Mbps

860 Kbps900 MHz

11 Mbps

Theo tiªu chuÈn

IEEE 802.11 ® îc phª chuÈn

2.4 GHz

RadioNetwork

Đa số các hệ thống mạng WLAN sử dụng công nghệ trải phổ Khái niệm về trảiphổ đảm bảo quá trình truyền thông tin cậy và an toàn Trải phổ đề cập đến các sơ đồtín hiệu dựa trên một số dạng mã hoá (độc lập với thông tin được phát đi) và chúng sửdụng băng thông lớn hơn nhiều so với yêu cầu để truyền tín hiệu Băng thông lớn hơncó nghĩa là nhiễu và các hiệu ứng fading đa đường chỉ ảnh hưởng một phần đến quátrình truyền dẫn trải phổ Vì vậy mà năng lượng tín hiệu thu hầu như không đổi theothời gian Điều này cho phép tách sóng dễ dàng khi máy thu được đồng bộ với cáctham số của tín hiệu trải phổ Các tín hiệu trải phổ có khả năng hạn chế nhiễu và gâykhó khăn cho quá trình phát hiện và chặn tín hiệu trên đường truyền Có hai kỹ thuậttrải phổ: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS).

1.3.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Đây là công nghệ trải phổ tần số rộng sử dụng phương pháp tạo ra một mẫu bítthừa cho mỗi bít sẽ truyền đi, bít này được gọi là chíp hoặc mã chíp Mã chíp càng dàikhả năng khôi phục tín hiệu gốc càng cao Khó khăn trong phương pháp này là tốnnhiều băng thông.

Tỷ lệ chíp sử dụng trên một bít gọi là tỷ lệ trải phổ Tỷ lệ này càng cao sẽ giúpcho khả năng chống nhiễu khi truyền tin hiệu, trong khi tỷ lệ này thấp sẽ giúp tăngbăng thông cho các thiết bị di dộng Thuật toán đặc biệt được sử dụng để khôi phục lạithông tin mà không yêu cầu gửi lại gói tin

Có thể hiểu đơn giản hơn là mỗi bít được mã hoá thành một chuỗi các bitVí dụ: 1 được mà hoá thành 10011100011

1.3.1.2 Trải phổ nhảy tần (FHSS)

Công nghệ trải phổ này sử dụng băng tần hẹp để truyền thông tin Với FHSS,một chuỗi giả ngẫu nhiên được sử dụng để thay đổi đột ngột những tần số và cho phépmột trạm nhảy từ tần số này sang tần số khác Tuy nhiên mỗi thiết bị WLAN vận hànhtheo cách này sự thay đổi tần số sử dụng cùng một thuật toán, thuật toán FHSS sẽ pháttín hiệu trên một tần số trong một thời gian ngắn, rồi tự động nhảy sang tần số khác đểtruyền tín hiệu.

Các thiết bị truyền và nhận tín hiệu FHSS sẽ phải được đồng bộ hoá sao chochúng có cùng tần số tại cùng một thời điểm, để tín hiệu được đảm bảo trong suốt quátrình kết nối.

Theo FHSS, nó có khả năng hạn chế tối đa nhiễu trên băng tần hẹp từ bên ngoài.Bởi vì nếu FHSS bị nhiễu tại một kênh nào đó thì nó sẽ chuyển sang kênh tần khác đểgửi tín hiệu.

Theo quy định của FCC số lượng kênh tối thiểu được sử dụng trong FHSS là 75kênh, sau này giảm xuống còn 15 và độ trễ tối đa là 400ms trên mỗi kênh.

Phương pháp FHSS cho phép xây dựng nhiều kênh mà không chồng lấn lênnhau, nó cũng cho phép sử dụng nhiều điểm truy cập trong một vùng làm việc nếunhư cần tăng thêm lượng băng thông hoặc cần tăng thêm số người truy nhập tối đa.

Cuối cùng là sự khuyếch đại công suất là rất hiệu quả, các thiết bị FHSS sẽ tiêuthụ ít năng lượng hơn, và như vậy các thiết bị như các thiết bị di dộng sẽ có thể kết nốivới thời gian lâu hơn mà không phải thay sạc pin.

1.3.2 Các mạng WLAN hồng ngoại

Mạng WLAN đầu tiên được phát triển sử dụng truyền dẫn hồng ngoại cách đâykhoảng chừng 20 năm Các hệ thống này khai thác các điểm thuận lợi do sử dụng vôtuyến hồng ngoại như là một môi trường cho truyền dẫn vô tuyến Chẳng hạn, tia hồngngoại có băng thông không cấp phép rất dồi dào, nó loại bỏ được nhiễu vô tuyến, cácthiết bị hồng ngoại nhỏ và tiêu thụ ít công suất.

Không giống như các sóng vô tuyến, các tần số hồng ngoại là quá cao để thựchiện điều chế giống như đối với các tần số vô tuyến Vì vậy, các đường truyền hồngngoại thường dựa trên cơ sở điều chế xung bật- tắt và tách sóng tín hiệu quang Quátrình truyền dẫn xung bật- tắt được thực hiện bằng cách biến đổi cường độ (biên độ)dòng điện trong máy phát hồng ngoại như là laser diode hay diode phát quang chẳnghạn Theo cách này, dữ liệu được mang đi bởi cường độ (chứ không phải là pha haytần số) của sóng ánh sáng Các hệ thống hồng ngoại sử dụng hai thành phần vật lý

khác nhau (các bộ phát và các bộ tách) để phát và thu tín hiệu sóng quang Điều nàytrái ngược với các hệ thống vô tuyến vì ở đó sử dụng một anten chung để phát và thutín hiệu.

Các mạng WLAN hồng ngoại khác với các mạng WLAN vô tuyến ở nhiều điểm.Nói chung, các hệ thống vô tuyến luôn tạo ra vùng phủ rộng hơn Mặt khác, tín hiệu vôtuyến luôn có độ rộng băng thông hẹp hơn các tín hiệu quang mặc dù các hệ thốngthương mại vẫn chưa khai thác được hết băng thông tín hiệu quang.

1.4 Ứng dụng của hệ thống mạng WLAN

Lúc đầu WLAN chỉ được sử dụng bởi các tổ chức, công ty lớn nhưng ngày nay,thì WLAN đã có giá cả chấp nhận được mà ta có thể sử dụng Sau đây là một số ứngdụng chung và phù hợp của WLAN

1.4.1 Vai trò truy cập (Access role)

WLAN ngày nay hầu như được triển khai ở lớp access, nghĩa là chúng được sửdụng ở một điểm truy cập vào mạng có dây thông thường Wireless là một phươngpháp đơn giản để người dùng có thể truy cập vào mạng Các WLAN là các mạng ở lớpdata- link như tất cả những phương pháp truy cập khác Vì tốc độ thấp nên WLAN ít

được triển khai ở core và distribution

Các WLAN cung cấp giải pháp cho một vấn đề khá khó đó là: khả năng di động.Giải pháp sử dụng cellular có tốc độ thấp và mắc Trong khi WLAN thì có cùng sựlinh hoạt nhưng lại rẻ hơn Các WLAN nhanh, rẻ và có thể xác định ở mọi nơi.

Hình 1.2: Access Role

1.4.2 Mở rộng mạng (Network extension)

Các mạng không dây có thể được xem như một phần mở rộng của một mạng códây Khi muốn mở rộng một mạng hiện tại, nếu cài đặt thêm đường cáp thì sẽ rất tốnkém Hay trong những toà nhà lớn, khoảng cách có thể vượt quá khoảng cách củaCAT5 cho mạng Ethernet Có thể cài đặt cáp quang nhưng như thế sẽ yêu cầu nhiềuthời gian và tiền bạc hơn, cũng như phải nâng cấp switch hiện tại để hỗ trợ cáp quang

Các WLAN có thể được thực thi một cách dễ dàng Vì ít phải cài đặt cáp trongmạng không dây

Hình 1.3: Mở rộng mạng

1.4.3 Kết nối các toà nhà

Trong môi trường mạng campus hay trong môi trường có 2 toà nhà sát nhau, cóthể có trường hợp những người dùng từ toà nhà này muốn truy cập vào tài nguyên củatoà nhà khác Trong quá khứ thì trường hợp này được giải quyết bằng cách đi mộtđường cáp ngầm giữa 2 toà nhà hay thuê một đường leases- line từ công ty điện thoại.Sử dụng kỹ thuật WLAN, thiết bị có thể được cài đặt một cách dễ dàng và nhanhchóng cho phép 2 hay nhiều toà nhà chung một mạng Với các loại anten không dâyphù hợp, thì bất kỳ toà nhà nào cũng có thể kết nối với nhau vào cùng một mạng trongmột khoảng cách cho phép

Có 2 loại kết nối: P2P và P2MP Các liên kết P2P là các kết nối không dây giữa 2toà nhà Loại kết nối này sử dụng các loại anten trực tiếp hay bán trực tiếp ở mỗi đầuliên kết

Hình 1.4: Kết nối các toà nhà

Các liên kết P2MP là các kết nối không dây giữa 3 hay nhiều toà nhà, thường ởdạng hub- and- spoke hay kiểu kết nối star, trong đó một toà nhà đóng vai trò trungtâm tập trung các điểm kết nối Toà nhà trung tâm này sẽ có core network, kết nốiinternet, và server farm Các liên kết P2MP giữa các toà nhà thường sử dụng các loạianten đa hướng trong toà nhà trung tâm và anten chung hướng trên các spoke

Có hai kiểu kết nối này:

1.4.3.1 Phân phát dữ liệu dặm cuối (Last Mile Data Delivery)

Wireless Internet Service Provider (WISP) đã cung cấp các dịch vụ phân phát dữliệu trên last-mile cho các khách hàng của họ “Last mile” đề cập đến hạ tầng giao tiếpcó dây hay không dây tồn tại giữa telco hay công ty cáp và người dùng cuối.

Hình 1.5: Dịch vụ dặm cuối

Trong trường hợp nếu cả công ty cáp và telco đều gặp khó khăn trong việc mởrộng mạng của họ để cung cấp các kết nối băng thông rộng cho nhiều người dùng hơnnữa Nếu sống trong khu vực nông thôn thì khó có thể truy cập vào kết nối băng thôngrộng (như cable modem hay xDSL) Sẽ kinh tế hơn rất nhiều nếu các WISP đưa ra giảipháp truy cập không dây vào những nơi ở xa đó vì các WISP sẽ không gặp những khókhăn như của các công ty cáp hay telco vì không phải cài đặt nhiều thiết bị Các WISPcũng gặp phải một số trở ngại Như các nhà cung cấp xDSL gặp phải vấn đề là khoảngcách vượt quá 5.7 km từ CO đến nhà cung cấp cáp, còn vấn đề của WISP chính là cácvật cản như mái nhà, cây,

1.4.3.2 Sự di động (Mobility)

Chỉ là một giải pháp ở lớp access, nên WLAN không thể thay thế mạng có dâytrong tốc độ truyền Một môi trường không dây sử dụng các kết nối không liên tục vàcó tỉ lệ lỗi cao Do đó, các ứng dụng và giao thức truyền dữ liệu được thiết kế chomạng có dây có thể hoạt động kém trong môi trường không dây Lợi ích mà các mạngkhông dây mang lại chính là tăng khả năng di động để bù lại tốc độ và QoS.

Hình 1.6: Sự di động

Trong từng trường hợp, các mạng wireless đã tạo nên khả năng truyền dữ liệu màkhông cần yêu cầu thời gian và sức người để đưa dữ liệu, cũng như giảm được cácthiết bị được kết nối với nhau như mạng có dây Một trong những kỹ thuật mới nhấtcủa wireless là cho phép người dùng có thể roam, nghĩa là di chuyển từ khu vực khôngdây này sang khu vực khác mà không bị mất kết nối, giống như điện thoại di động,người dùng có thể roam giữa các vùng di động khác nhau Trong một tổ chức lớn, khiphạm vi phủ sóng của wireless rộng thì việc roaming khá quan trọng vì người dùng cóthể vẫn giữ kết nối với mạng khi họ ra ngoài.

1.4.4 Văn phòng nhỏ- Văn phòng gia đình (Small Office-Home Office)

Trong một số doanh nghiệp chỉ có một vài người dùng và họ muốn trao đổi thôngtin giữa các người dùng và chỉ có một đường ra Internet Với những ứng dụng này(Small office-home office-SOHO), thì một đường wireless LAN là rất đơn giản vàhiệu quả Các thiết bị wireless SOHO thì rất có ích khi những người dùng muốn chiasẻ một kết nối Internet.

Hình 1.7: SOHO WLAN

1.4.5 Văn phòng di dộng (Mobile Offices)

Các văn phòng di động cho phép người dùng có thể di chuyển đến một vị trí khácmột cách dễ dàng Vì tình trạng quá tải của các lớp học, nhiều trường hiện nay đang sửdụng lớp học di động Để có thể mở rộng mạng máy tính ra những toà nhà tạm thời,nếu sử dụng cáp thì rất tốn chi phí Các kết nối WLAN từ toà nhà chính ra các lớp họcdi động cho phép các kết nối một cách linh hoạt với chi phí có thể chấp nhận được.

- Khả năng di động và sự tự do- cho phép kết nối bất kì đâu trong khu vực triểnkhai mạng Với sự gia tăng người sử dụng máy tính xách tay là một điều rất thuận lợi

- Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối: Người dùng có thể duy trì kếtnối mạng khi họ di chuyển từ nơi này đến nơi khác.

- Dễ lắp đặt và triển khai Đáp ứng tức thời khi gia tăng số lượng người dùng - Tiết kiệm thời gian lắp đặt dây cáp

- Không làm thay đổi thẩm mỹ, kiến trúc tòa nhà - Giãm chi phí bảo trì, bảo dưỡng hệ thống

- Với những công ty mà vị trí không tốt cho việc thi công cáp như tòa nhà củ,không có khoảng không gian để thi công cáp hoặc thuê chổ để đặt văn phòng,…

- Hiện nay, công nghệ mạng không dây đang dần dần thay thế các hệ thống códây vì tính linh động và nâng cấp cao

1.5.2 Nhược điểm

- Nhiễu:

Nhược điểm của mạng không dây có thể kể đến nhất là khả năng nhiễu sóngradio do thời tiết, do các thiết bị không dây khác, hay các vật chắn (như các nhà caotầng, địa hình đồi núi…)

- Bảo mật:

Đây là vấn đề rất đáng quan tâm khi sử dụng mạng không dây Việc vô tìnhtruyền dữ liệu ra khỏi mạng của công ty mà không thông qua lớp vật lý điều khiểnkhiến người khác có thể nhận tín hiệu và truy cập mạng trái phép Tuy nhiên WLANcó thể dùng mã truy cập mạng để ngăn cản truy cập, việc sử dụng mã tuỳ thuộc vàomức độ bảo mật mà người dùng yêu cầu Ngoài ra người ta có thể sử dụng việc mã hóadữ liệu cho vấn đề bảo mật.

- Phạm vi:

Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn cũng chỉ hoạt động tốt trongphạm vi vài chục met Nó chỉ phù hợp cho không gian khoảng cách nhỏ Nếu muốn sửdụng phải sử dụng thêm thiết bị: Repeater hay AP Dẫn đến chi phí gia tăng.

CHƯƠNG 2

CÁC TIÊU CHUẨN CỦA MẠNG WLAN

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng không dây, các chuẩn (và đồng thời làcác thiết bị) cho mạng không dây WLAN lần lượt ra đời và ngày càng được nâng cấp,cải tiến Những chuẩn ra đời sớm nhất như IEEE 802.11 đã trở nên phổ biến Sau đó làHiperLAN, HomeRF, OpenAir và gần đây là Bluetooth Mỗi chuẩn đều mang một sốđặc tính, ưu điểm riêng của nó.

2.1 Các chuẩn IEEE 802.11

2.1.1 Nguồn gốc ra đời của chuẩn IEEE 802.11

IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) là tổ chức đi tiên phong

trong lĩnh vực chuẩn hoá mạng cục bộ Đề án IEEE 802 được triển khai từ những năm1980 mà kết quả là sự ra đời của chuẩn thuộc họ 802.x Đây là chuẩn áp dụng riêngcho mạng cục bộ Năm 1990, Viện các kỹ sư điện và điện tử IEEE đã thành lập một uỷban để phát triển tiêu chuẩn cho các mạng WLAN hoạt động ở tốc độ từ 1 đến 2 Mbps.Quá trình phát triển chuẩn IEEE 802.11 đã bị ảnh hưởng mạnh bởi các sản phẩm củamạng WLAN có mặt trên thị trường Vì vậy, mặc dù cần khá nhiều thời gian để hoànthiện các tiêu chuẩn (do có khá nhiều đề xuất mang nặng tính cạnh tranh từ phía cácnhà cung cấp thiết bị), nó vẫn là tiêu chuẩn phổ biến nhất cho đến nay

Họ tiêu chuẩn 802.11 do IEEE phát triển định nghĩa giao diện vô tuyến giữa trạmvô tuyến và trạm gốc hay giữa hai trạm vô tuyến với nhau Chuẩn đầu tiên mà IEEEcho ra đời là IEEE 802.11 vào năm 1997 Tốc độ đạt được là 2Mbps sử dụng phươngpháp trải phổ trong băng tần ISM không quản lý (băng tần dành cho công nghiệp, khoahọc và y học) Họ tiêu chuẩn 802.11 có nhiều phần mở rộng trong đó ba tiêu chuẩnIEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g là quan trọng nhất, và mới đây nhất là sựra đời của chuẩn IEEE 802.11i và IEEE 802.11n.

2.1.2 IEEE 802.11b

Được đưa vào năm 1999, tiêu chuẩn IEEE 802.11b hay Wi- fi, là phần mở rộngcủa tiêu chuẩn 802.11 Chuẩn này cung cấp việc truyền dữ liệu trong dải tần 2.4 Ghz ,với các tốc độ 1- 2 Mbps

IEEE 802.11b sử dụng phương pháp trải phổ trực tiếp DSSS Tiêu chuẩn 802.11bđược xây dựng ở 2 lớp dưới cùng của mô hình OSI: PHY và lớp con MAC thuộc lớpliên kết dữ liệu.

Để tăng tốc độ truyền lên cho chuẩn 802.11b, vào năm 1998, Lucent và Harris đềxuất cho IEEE một chuẩn được gọi là Complementary Code Keying(CCK) CCK sửdụng một tập 64 từ các mã 8 bit, do đó 6 bit có thể được đại diện bởi bất kỳ từ mã nào.Vì là một tập hợp những từ mã này có các đặc tính toán học duy nhất cho phép chúngđược bên nhận nhận ra một cách chính xác với các kỹ thuật khác, ngay cả khi có sựhiện diện của nhiễu

Với tốc độ 5.5 Mbps sử dụng CCK để mã hoá 4 bit mỗi sóng mang, và với tốc độ11 Mbps mã hoá 8 bit mỗi sóng mang Cả hai tốc độ đều sử dụng QPSK làm kỹ thuậtđiều chế và tín hiệu ở 1.375 MSps Vì FCC điều chỉnh năng lượng đầu ra thành 1 wattEffective Isotropic Radiated Power(EIRP) Do đó với những thiết bị 802.11, khi dichuyển ra khỏi sóng radio, radio có thể thích nghi và sử dụng kỹ thuật mã hoá ít phứctạp hơn để gửi dữ liệu và kết quả là tốc độ chậm hơn

Một trong những nhược điểm của IEEE 802.11b là băng tần dễ bị nghẽn và hệthống dễ bị nhiễu bởi các hệ thống mạng khác, lò vi ba, các loại điện thoại hoạt động ởtần số 2.4 GHz và các mạng Bluetooth Đồng thời IEEE 802.11b cũng có những hạnchế như: thiếu khả năng kết nối giữa các thiết bị truyền giọng nói, không cung cấpdịch vụ QoS (Quality of Service) cho các phương tiện truyền thông

Mặc dù vẫn còn một vài hạn chế và nhược điểm nhưng chuẩn 802.11b (thườnggọi là Wifi) là chuẩn thông dụng, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay với số lượnglớn các nhà cung cấp cho các đối tượng khách hàng là các doanh nghiệp, gia đình haycác văn phòng nhỏ.

Hình 2.1: Các lựa chọn chuẩn IEEE 802.11b

IEEE 802.11b+: TI (Texas Instruments) đã phát triển một kỹ thuật điều chế gọi

là PBCC (Packet Binary Convolutional Code) mà nó có thể cung cấp các tốc độ tín

hiệu ở 22Mbps và 33Mbps TI sản xuất các chipset dựa trên 802.11b còn hỗ trợ PBCC22Mbps.Các sản phẩm kết hợp các chipset này được biết như là các thiết bị 802.11b+.Chúng hoàn toàn tương thích với 802.11b, và khi giao tiếp với nhau có thể đạt đượctốc độ tín hiệu 22Mbps Một sự tăng cường mà TI có thể được sử dụng giữa các thiếtbị 802.11b+ là chế độ 4x, nó sử dụng kích thước gói tin tối đa lớn hơn (4000 byte) đểgiảm chồng lấp và tăng thông lượng.

2.1.3 IEEE 802.11a

Chuẩn 802.11b sử dụng kỹ thuật mã hoá dựa trên DSSS, một kỹ thuật được pháttriển bởi quân đội Không giống 802.11b, 802.11a được thiết kế để hoạt động ở băngtần 5 GHz Unlicensed National Information Infrastructure (UNII) Không giống nhưbăng tần ISM (khoảng 83 MHz trong phổ 2.4 GHz), 802.11a sử dụng gấp 4 lần băngtần ISM vì UNII sử dụng phổ không nhiễu 300MHz.

COFDM sử dụng 48 kênh phụ cho việc truyền dữ liệu, và 4 kênh còn lại được sửdụng cho sửa lỗi COFDM có tốc độ truyền cao hơn và có khả năng phục hồi lỗi tốthơn, nhờ vào kỹ thuật mã hoá và sửa lỗi của nó Mỗi kênh phụ có độ rộng khoảng 300

kHz Để mã hoá 125 kbps thì BPSK được sử dụng cho tốc độ khoảng 6000 kbps Sửdụng QPSK thì có khả năng mã hoá l6n tới 250 kbps mỗi kênh, cho tốc độ khoảng12Mbps Bằng cách sử dụng QAM 16 mức mã hoá 4bit/Hertz, và đạt được tốc độ 24Mbps Tốc độ 54 Mbps đạt được bằng cách sử dụng 64 QAM, cho phép từ 8-10 bitcho mỗi vòng, và tổng cộng lên đến 1.125 Mbps cho mỗi kênh 300 kHz Với 48 kênhcho tốc độ 54 Mbps, tuy nhiên, tốc độ tối đa theo lý thuyết của COFDM là 108 Mbps

Tất cả các băng tần dùng cho Wireless LAN là không cần đăng ký, vì thế nó dễ dàngdẫn đến sự xung đột và nhiễu Để tránh sự xung đột này, cả 802.11a và 802.11b đều có sựđiều chỉnh để giảm các mức của tốc độ truyền dữ liệu Trong khi 802.11b có các tốc độ truyềndữ liệu là 5.5, 2 và 1 Mbps thì 802.11a có bảy mức (48, 36, 24, 18, 12, 9, và 6 )

2.1.4 IEEE 802.11g

Chuẩn IEEE 802.11g là một chuẩn mới, được khởi thảo từ năm 2001 nhưng mãiđến năm 2003 mới hoàn thành Mặc dù chuẩn 802.11a có tốc độ nhanh (54 Mbps),hoạt động tại băng tần cao (5 GHz ) nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là không tươngthích với chuẩn 802.11b Vì thế sẽ không thể thay thế hệ thống đang dùng 802.11b màkhông phải tốn kém quá nhiều IEEE đã cho ra đời chuẩn 802.11g nhằm cải tiến802.11b về tốc độ truyền cũng như băng thông 802.11g có hai đặc tính chính sau đây:

Sử dụng kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), để có

thể cung cấp các dịch vụ có tốc độ lên tới 54Mbps Trước đây, FCC (FederalCommunication Commission- USA) có cấm sử dụng OFDM tại 2,4GHz Nhưng hiệnnay FCC đã cho phép sử dụng OFDM tại cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz

Tương thích với các hệ thống 802.11b tồn tại trước Do đó, 802.11g cũng có hỗtrợ CCK và thiết bị 802.11g cũng có thể giao tiếp với thiết bị 802.11b có sẵn

Một thuận lợi rõ ràng của 802.11g là tương thích với 802.11b (được sử dụng rấtrộng rãi ) và có được tốc độ truyền cao như 802.11a Tuy nhiên số kênh tối đa mà802.11g được sử dụng vẫn là 3 như 802.11b Bên cạnh đó, do hoạt động ở tần số 2,4GHz như 802.11b, hệ thống sử dụng 802.11g cũng dễ bị nhiễu như 802.11b

IEEE 802.11g+: được cải tiến từ chuẩn 802.11g, hoàn toàn tương thích với

802.11a và 802.11b, được phát triển bởi TI Khi các thiết bị 802.11g+ hoạt động vớinhau thì thông lượng đạt được có thể lên đến 100Mbps

Tầm hoạt động trung bình của các chuẩn có thể đạt đến 90 mét, tùy theo tiêuchuẩn, tốc độ và điều kiện môi trường làm việc.

Bảng1: Bảng tóm tắt thông số các chuẩn 802.11 thông dụng

Chuẩn WiFi Tầnsố (GHz)

Khoảng cách(m)

2.1.6 IEEE 802.11n

Một chuẩn Wi-Fi mới đang được Liên minh WWiSE đưa ra xin phê chuẩn (dựkiến vào năm 2008), với mục tiêu đưa kết nối không dây băng thông rộng lên một tầmcao mới Công nghệ này hứa hẹn sẽ đẩy mạnh đáng kể tốc độ của các mạng cục bộkhông dây (WLAN)

Liên minh WWiSE (WorldWide Spectrum Efficiency), bao gồm các công ty:Airgo Networks, Bermai, Broadcom, Conexant Systems, STMicroelectronics và TexasInstruments, cho biết công nghệ Wi-Fi mới đang được nhóm thảo luận 802.11n củaViện Kỹ thuật Điện và Điện tử (IEEE) xem xét Đây là bộ phận giám sát một chuẩnWi-Fi thế hệ kế tiếp có khả năng duy trì tốc độ trao đổi dữ liệu không dây vượt mức100Mbps

Chuẩn Wi- Fi đề xuất dựa trên công nghệ MIMO- OFDM ( multiple input,multiple output- orthogonal frequency division multiplexing), cung cấp tốc độ cao hơnbằng cách sử dụng hai anten ở mỗi đầu của tín hiệu (một để truyền, một để nhận), thayvì một anten ở mỗi đầu như hiện nay.

Công nghệ MIMO sẽ là thành phần cốt yếu của chuẩn 802.11n, cung cấp phạm viphủ sóng WLAN ổn định hơn với tỷ lệ truyền dữ liệu siêu nhanh Nó sẽ cho phépngười dùng thực hiện nhiều công việc hơn với Wi- Fi, đặc biệt trong các ứng dụng đaphương tiện.

WWiSE cho biết công nghệ mới có thể đạt tỷ lệ truyền tối đa lên đến 135Mbpstrong cấu hình tối thiểu 2 nối 2 (two- by- two), và tỷ lệ này có thể lên tới 540Mbps qua1 cấu trúc MIMO 4 nối 4 (four- by- four) và độ rộng kênh truyền 40MHz.

2.1.7 Cấu trúc cơ bản của WLAN IEEE 802.11

Một mạng WLAN 802.11 thông thường gồm bốn thành phần chính: Hệ thốngphân phối (DS), Điểm truy nhập (AP), Môi trường vô tuyến (WM) và Các trạm STA

: Hình.2.3: Các thành phần vật lý cơ bản của WLAN

2.1.7.1 Hệ thống phân phối (Distribution System)

Thành phần kiến trúc dùng để kết nối các nhóm dịch vụ với nhau và tích hợp vớicác mạng LAN để tạo thành một mạng mở rộng được gọi là Hệ thống phân phối DS.Hay nói cách khác, DS sử dụng để kết nối các BSS với nhau, để điều phối thông tinđến các trạm đích

Một DS cho phép hỗ trợ các thiết bị di động bằng cách cung cấp các dịch vụlogic cần thiết giám sát địa chỉ để chuyển đổi đích và tích hợp nhiều BSS Dữ liệu dichuyển giữa một BSS và DS qua một AP Các địa chỉ được AP sử dụng để trao đổithông tin trên môi trường vô tuyến WM và trên môi trường hệ thống phân phối DSMkhông nhất thiết phải giống nhau.

WLAN phân tích một cách logic môi trường vô tuyến với môi trường hệ thốngphân phối Mỗi môi trường logic khác nhau được sử dụng cho mỗi mục đích khácnhau bởi một thành phần kiến trúc khác nhau.

Trong thực tế, hệ thống phân phối được xem như sự kết hợp giữa cầu nối(bridge) và môi trường hệ thống phân phối Nó là các mạng xương sống (backbone),sử dụng để chuyển các gói tin giữa các điểm truy nhập.

2.1.7.2 Điểm truy nhập (Access Points)

Thiết bị gọi là điểm truy nhập đóng vai trò như là cầu nối giữa mạng WLAN vớitrường bên ngoài Chức năng chính của điểm truy nhập là mở rộng mạng (mở rộngmột vùng phủ sóng vô tuyến) Các điểm truy nhập bổ sung có thể được triển khai trongmột toà nhà hay khuôn viên trường đại học nhằm tạo ra các vùng truy nhập vô tuyếnrộng lớn.

Điểm truy nhập hỗ trợ khả năng truy nhập tới hệ thống phân phối bằng cách cungcấp các dịch vụ bổ sung để nó hoạt động như một trạm cơ sở Ngoài ra điểm truy nhậpcũng đóng vai trò phân bố trong các cấu hình mạng không ngang hàng.

2.1.7.3 Môi trường vô tuyến (Wireless Medium)

Là môi trường truyền các sóng điện từ mang thông tin từ trạm này đến trạm khác.Đây chính là môi trường không khí.

2.1.7.4 Các trạm (Station)

Các mạng WLAN được thiết kế và xây dựng nhằm mục đích kết nối các trạm vớinhau Trạm có thể là những thiết bị như máy tính, điện thoại cầm tay hay bất cứ thiếtbị nào có giao diện vô tuyến.

 Basic service set (BSS)

802.11 định nghĩa BSS như một khối kết cấu cơ bản của mạng WLAN Hình 2.4biểu diễn hai BSS, mỗi BSS có hai trạm.

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của WLAN

BSS chỉ gồm một nhóm các trạm không dây truyền thông với nhau trong mộtphạm vi giới hạn, được xác định bởi các đặc tính của môi trường truyền Khi một trạmnằm trong vùng phục vụ, nó có thể liên lạc với tất cả các thành phần khác trong BSS.Nếu một trạm di chuyển ra ngoài BSS của nó, nó sẽ không liên lạc trực tiếp được vớicác thành viên khác của BSS.

2.1.8 Mô hình của WLAN IEEE 802.11

Hai mô hình cơ bản sử dụng cho WLAN là mạng Ad- hoc và mạng cơ sở hạ tầng(Infrastructure) Hai mô hình này có sự khác biệt nhau rõ ràng về giới hạn không giansử dụng, cách quản lý mạng, kiến trúc mạng.

2.1.8.1 Ad- hoc hay còn gọi là IBSS (Independent Basic Service Set)

Ad- hoc là mô hình mạng mà trong đó chỉ bao gồm các máy trạm, không cóAccess Point Mỗi thiết bị kết nối trực tiếp với các thiết bị khác trong mạng, các nút diđộng trao đổi thông tin trực tiếp với nhau thông qua các bộ biến đổi vô tuyến Về cơbản, hai máy tính được trang bị thêm Card adapter vô tuyến có thể hình thành mộtmạng độc lập khi chúng ở trong dải tần của nhau Mô hình này rất thích hợp cho việckết nối một nhóm nhỏ các thiết bị và không cần phải giao tiếp với các hệ thống mạngkhác, như trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời Cácmạng hình thành theo nhu cầu như vậy không cần thiết phải quản lý hay thiết lập cấuhình từ trước Nút di động có thể truy cập vào các tài nguyên của các máy khác màkhông phải qua một máy chủ trung tâm Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểmvề vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều nghe được lẫn nhau.

Hình 2.5: Mô hình Ad- hoc

2.1.8.2 Mô hình mạng cơ sở hạ tầng (Infrastructure Basic Service Set)

Infrastructure BSS là một mô hình mở rộng của một mạng WLAN đã có bằngcách sử dụng điểm truy cập Access Point, các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếpvới nhau mà giao tiếp với các điểm truy nhập Điểm truy cập AP đóng vai trò vừa làcầu nối của mạng WLAN với các mạng khác vừa là trung tâm điều khiển sự trao đổithông tin trong mạng Điểm truy cập giúp truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bịtrong một vùng lớn hơn Phạm vi và số thiết bị sử dụng trong mạng cơ sở hạ tầng tuỳthuộc vào chuẩn sử dụng và sản phẩm của các nhà sản xuất Trong mô hình mạng cơsở hạ tầng có thể có nhiều AP để tạo ra một mạng hoạt động trên phạm vi rộng hay chỉcó duy nhất một Access Point cho một phạm vi nhỏ như trong một căn nhà, một toànhà Mạng cơ sở hạ tầng có hai lợi thế chính so với mạng độc lập IBSS:

• Infrastructure được thiết lập phụ thuộc vào tầm hoạt động của AP Vì vậy,muốn thiết lập WLAN tất cả các thiết bị di động bắt buộc phải nằm trong vùng phủsóng của AP và mọi công việc giao tiếp mạng đều phải thông qua AP Ngược lại, kếtnối trực tiếp IBSS trong mạng ad- hoc giúp hạn chế thông tin truyền và nhận của mạngnhưng chi phí lại gia tăng ở tầng vật lý bởi vì tất các thiết bị đều luôn luôn phải duy trìkết nối với tất cả các thiết bị khác trong vùng dịch vụ

• Trong mạng cơ sở hạ tầng , AP còn cho phép các station chuyển sang chế độtiết kiệm năng lượng Các AP được thông báo khi một station chuyển sang chế độ tiếtkiệm năng lượng và tạo frame đệm cho chúng Các thiết bị chú trọng sử dụng nănglượng (Battery- operated) có thể chuyển bộ thu phát tín hiệu của mình sang chế độnghỉ và khi hoạt động lại sẽ nhận được tín hiệu được khôi phục từ các frame đệm lưutrong AP

Hình 2.6: Mô hình mạng cơ sở hạ tầng Infratructure

Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % cho phép các trạm di động cóthể di chuyển mà không bị mất kết nối vô tuyến và cung cấp vùng phủ sóng với chi phíthấp nhất Các máy trạm sẽ chọn AP tốt nhất để kết nối.

Việc thiết kế WLAN sẽ tương đối đơn giản nếu thông tin về mạng và quản lýcùng nằm trong một vùng Một điểm truy nhập nằm ở trung tâm có thể điều khiển vàphân phối truy nhập cho các nút tranh chấp, cung cấp truy nhập phù hợp với mạngđường trục, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lýchuyển đi các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng Tuy nhiên giao thức đa truy nhậptập trung không cho phép các nút di động truyền trực tiếp tới nút khác nằm trong cùngvùng với điểm truy nhập như trong mô hình mạng Ah- hoc Trong trường hợp này,mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ nút phát gốc và sau đó là điểm truy nhập) trướckhi nó tới nút đích, quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng trễ truyềndẫn Tuy nhiên các hệ thống như vậy thường cung cấp các thông lượng dữ liệu caohơn, vùng phủ sóng rộng hơn và có thể phục vụ các lưu lượng video, thoại với thờigian thực Ngoài ra một điểm truy nhập nằm ở vị trí thích hợp có thể giảm tối thiểuđược công suất phát và giải quyết được các vấn đề của nút ẩn một cách hiệu quả VìWLAN sử dụng các giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA/CA nên cóthể các nút trong mạng cơ sở yêu cầu chỉ truyền gói tới điểm truy nhập Sau đó điểmtruy nhập sẽ chuyển tiếp các gói tới đúng địa chỉ đích.

2.1.8.3 Mô hình mạng mở rộng ESS (Extended Service Set)

Mạng 802.11 mở rộng phạm vi di động tới một phạm vi bất kỳ thông qua ESS.Một ESS là một tập hợp của các Infrastructure BSS nơi mà các Access Point giao tiếpvới nhau để chuyển lưu lượng từ một BSS tới một BSS khác để làm cho việc dichuyển dễ dàng của các trạm giữa các BSS

Access Point thực hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối Hệ thốngphân phối là một lớp mỏng trong mỗi Access Point mà nó xác định đích đến cho lưulượng được nhận từ một BSS Hệ thống phân phối xác định lưu lượng nên được tiếpsóng trở lại một đích đến trong cùng một BSS, chuyển tiếp trên hệ thống phân phối tớimột Access Point khác, hoặc gửi tới mạng có dây tới đích đến không nằm trong ESS.Các thông tin nhận bởi Access Point từ hệ thống phân phối được truyền tới BSS đểđược nhận bởi trạm đích

Hình 2.7: Mô hình ESSVí dụ về mô hình hoàn chỉnh:

Hình 2.8: Mạng WLAN hoàn chỉnh tổng quát

2.1.9 Mô hình tham chiếu WLAN IEEE 802.11

Hệ thống bao gồm hai phần chính: Lớp MAC của lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý PHY

Những lớp này tương ứng với các lớp thấp nhất trong mô hình tham chiếu cơbản OSI.

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lý

Phân lớp MAC

Phân lớp hàm hội tụ lớp vật lý PLCP

Phân lớp phụ thuộc lớp vật lý PMD

Quản lý trạmQuản lý

phân lớp MAC

Quản lý phân lớp

vật lý PHY

Hình 2.9: Mô hình tham chiếu cơ sở IEEE 802.11

2.1.9.1 Phân lớp vật lý PHY

Lớp vật lý của IEEE 802.11 tương ứng hoàn toàn với lớp vật lý trong mô hìnhOSI chuẩn Lớp vật lý cung cấp sự kết nối cho phép truyền các khung dữ liệu MAC từtrạm này đến trạm khác qua môi trường truyền Lớp vật lý PHY được chia thành 2phân lớp và thực thể chức năng quản lý lớp vật lý:

- PMD (Physical Medium Depentdant): Phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý Xử lý các thuộc tính của môi trường vô tuyến (tức là các phương pháp trải phổ)và xác định cách phát và thu dữ liệu thông qua môi trường (ví dụ như điều chế và mãhoá).

- PLCP (Physical Layer Covergence Procedure): Phân lớp hội tụ lớp vật lý.

Xác định phương pháp chuyển đổi các đơn vị dữ liệu giao thức phân lớp MACvào một khuôn dạng gói thích hợp cho phân lớp PMD Nó cũng có thể thực hiện cảmbiến sóng mang (ấn định kênh) cho phân lớp MAC.

+ PLME: Chức năng quản lý lớp vật lý.

Thực hiện quản lý các chức năng lớp vật lý kết hợp với các thực thể quản lýMAC

Tóm lại PHY cung cấp ba chức năng:

Đầu tiên, PHY cung cấp một giao diện để trao đổi các frame với lớp MAC ở trên

cho việc truyền và nhận dữ liệu

Thứ hai, PHY sử dụng điều chế sóng mang tín hiệu và phổ trải rộng để truyền

các frame dữ liệu qua môi trường vô tuyến

Thứ ba, PHY cung cấp một dấu hiệu cảm ứng sóng mang trở lại MAC để kiểm

tra hoạt động trên môi trường

802.11 cung cấp ba định nghĩa PHY khác nhau: cả FHSS và DSSS hỗ trợ tốc độdữ liệu 1 Mbps và 2 Mbps Một sự mở rộng của kiến trúc 802.11 (802.11a) định nghĩacác kỹ thuật đa thành phần có thể đạt được tốc độ dữ liệu tới 54 Mbps Một sự mởrộng khác (802.11b) định nghĩa tốc độ dữ liệu 11 Mbps và 5.5 Mbps tận dụng một sựmở rộng tới DSSS được gọi là High Rate DSSS (HR/DSSS) 802.11b còn định nghĩamột kỹ thuật thay đổi tốc độ mà từ mạng 11 Mbps xuống còn 5.5 Mbps, 2 Mbps, hoặc1 Mbps dưới các điều kiện nhiễu hoặc để hoạt đông với các lớp PHY 802.11 thừa kế

Khác với các mạng có dây truyền thống, mạng không dây truyền dữ liệu thôngqua môi trường mạng qua hình thức phát xạ sóng điện từ trường Yêu cầu chung làvùng phủ sóng phải rộng, đủ đáp ứng được các nhu cầu của người sử dụng Hai loạimôi trường được sử dụng rộng rãi nhất cho các ứng dụng vùng cục bộ là sóng hồngngoại và sóng vô tuyến Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều có cổng hồngngoại cho phép kết nối nhanh tới máy in và các thiết bị ngoại vi khác.

Tuy nhiên sóng hồng ngoại có một số hạn chế, nó sẽ dễ bị cản trở bởi tường ngănhoặc vật cản Còn sóng vô tuyến lại có thể xâm nhập qua hầu hết các vật chướng ngạitrong phòng và cho vùng bao phủ rộng Do đó, hầu hết các sản phẩm 802.11 trên thịtrường hiện nay đều sử dụng sóng vô tuyến để truyền phát thông tin.

2.1.9.2 Phân lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC

Đặc trưng nhất của IEEE 802.11 chính là lớp con MAC Lớp con MAC quy địnhcác phương thức truy nhập kênh, truyền khung dữ liệu và tương tác với môi trườngmạng bên ngoài Giống như Ethernet, 802.11 sử dụng phương thức đa truy cập cảmnhận sóng mang để điều khiển việc truy nhập môi trường truyền Tuy nhiên, do sựphức tạp của môi trường vô tuyến nên giao thức của nó cũng phức tạp hơn.

2.1.9.2.1 Chức năng lớp con MAC

Kiến trúc của lớp con MAC trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 bao gồm hai chứcnăng phối hợp cơ bản (Hình 2.9):

- Chức năng phối hợp phân bố DCF (Distribution Coordiration Funtion).- Chức năng phối hợp theo điểm PCF (Point Coordiration Funtion).

Mỗi chức năng định nghĩa một phương thức hoạt động khác nhau cho trạm muốntruy nhập vào môi trường không dây Chức năng phối hợp được hiểu như là chức năngquyết định việc khi nào một trạm ở trong BSS được phép truyền hay nhận một phânđoạn đơn vị dữ liệu giao thức MAC (MPDU) ở môi trường vô tuyến.

Chế độ hoạt động DCF là bắt buộc đối với tất cả các ứng dụng, còn chức năngPCF là tuỳ chọn, DCF không sử dụng bất cứ loại điều kiện trung tâm nào, bản chất củanó là một giao thức MAC đa truy cập cảm nhận sóng mang có tránh xung đột CSMA/CA Chế độ còn lại PCF sử dụng trạm nền để điều khiển toàn bộ các hoạt động trongô, nó hoạt động tương tự như một hệ hở vòng.

Yêu cầu cho dịch vụ không canh tranh

Sử dụng cho các dịch vụ cạnh tranh và cơ sở cho

Chức năng phối hợp phân tán (DCF)Chức năng phối hợp

điểm (PCF)

2.1.9.2.2 Đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổng quát

Tiêu đề MPDU

(30 octet) Dữ liệu người dùng(0-2312 octet) Chuỗi kiểm tra khung(4 octet)

Điều khiển khung (2 octet)

Nhận dạng khoảng thời gian(2 octet)

Địa chỉ 1(6 octet)

Địa chỉ 2(6 octet)

Địa chỉ 3(6 octet)

Chuỗi điều khiển(2 octet)

Địa chỉ 4(6 octet)Truyền dẫn 1 hoặc 2 Mbps

Hình 2.10: Khuôn dạng đơn vị dữ liệu giao thức MAC tổng quát

Bảng 2: Thông tin cho các trường dữ liệu khác nhau trong phần tiêu đề MPDU

Điều khiển khung Phiên bản hiện tại của tiêu chuẩn, các gói đượcnhận hoặc gửi đi tới hệ thống phân phối, quản lý nguồn,phân mảnh, gói mã hoá và nhận thực.

Khoảng thời gian/Nhận dạng Khoảng thời gian của vector phân phối mạng,nhận dạng nút đang hoạt động ở chế độ bảo vệ nguồn.Các trường địa chỉ 1-4 Các địa chỉ của BSSID, đích, nguồn, bộ phát, và

bộ thu.

Chuỗi điều khiển Chuỗi số của gói và phân đoạn gói.

Hình 2.10 biểu diễn khuôn dạng của đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổngquát (MPDU) Các trường Địa chỉ 2, Địa chỉ 3, Điều khiển chuỗi, Địa chỉ 4 và dữ liệungười dùng chỉ có trong một số trường hợp nhất định MPDU được bảo vệ độc lập bởicác bit kiểm tra lỗi Có ba kiểu gói:

 Các gói dữ liệu;

 Các gói điều khiển (ví dụ như các gói RTS, CTS, ACK);

RTS: gói yêu cầu để gửi, sử dụng để khai báo cho các trạm tránh đụng độ.

CTS: xóa để gửi, gói CTS được truyền từ trạm khai báo trong gói tin RTS để cáctrạm khác biết được 1 gói tin sắp được truyền.

ACK: gói tin được sử dụng để xác nhận gói tin đã được nhận thành công. Các gói quản lý (ví dụ như đèn hiệu).

Thông tin cho bởi các trường khác nhau trong phần tiêu đề MPDU được liệt kêtrong Bảng 2

2.1.9.2.3 Các khoảng thời gian liên khung

Quyền ưu tiên truy nhập tới môi trường vô tuyến được điều khiển thông qua cáckhoảng không gian giữa các khung truyền, gọi là các khoảng thời gian liên khung IFS(Inter Frame Space) Các giá trị IFS được xác định bởi lớp vật lý Một trạm xác địnhxem môi trường có rỗi không thông qua chức năng phát hiện sóng mang trong khoảngthời gian chỉ định Có ba loại thời gian liên khung thường được sử dụng để cung cấpcác mức logic ưu tiên khác nhau cho việc truy nhập đến phương tiện vô tuyến đó là:

- SIFS (Short Inter Frame Space) khoảng thời gian liên khung ngắn.

SIFS là khoảng thời gian ngắn nhất, thường sử dụng cho khung ACK, CTS,MPDU thứ hai hoặc tiếp sau của một khối phân đoạn.

SIFS sẽ được sử dụng khi các trạm đã chiếm được môi trường và cần giữ trongmột khoảng thời gian để thực hiện trao đổi khung Sử dụng khe thời gian ngắn nhấtgiữa các lần truyền khung sữ ngăn cho các trạm khác cố gắng truy nhập môi trường,những trạm này đã được yêu cầu chỉ trong một khoảng thời gian dài hơn, điều này tạođiều kiện ưu tiên để hoàn thành một chu trình trao đổi khung.

- PIFS (PCF Inter Frame Space) khoảng thời gian liên khung PCFPIFS sẽ được sử dụng trong các hoạt động của các trạm theo PCF để tăng quyềnưu tiên truy nhập đến phương tiện tại thời điểm đầu của khoảng tranh chấp Một trạmsử dụng PCF sẽ được cho phép truyền sau khi cơ chế cảm nhận sóng mang của nó xácnhận rằng

- DIFS (DCF Inter Frame Space) khoảng thời gian liên khung DCF

Được sử dụng trong khung hoạt động của các trạm dưới DCF để truyền cáckhung dữ liệu MPDU và khung quản lý Một trạm sử dụng DCF sẽ được cho phéptruyền sau khi cơ chế cảm nhận sóng mang của nó xác nhận rằng môi trường rỗi saumột khoảng thời gian.

2.1.9.2.4 Chức năng phối hợp phân bố DCF

Phương thức truy nhập cơ bản của MAC WLAN IEEE 802.11 là DCF được biếtvới dưới tên đa truy nhập cảm nhận sóng mang với cơ chế tránh xung đột DCF có thểđược áp dụng ở tất cả các STA, sử dụng cho cả cấu hình IBSS lẫn cấu hình mạng cơ sởhạ tầng.

Hình 2.11: Chức năng phối hợp phân bố DCF

Khi một STA muốn truyền tín hiệu, nó sẽ nghe môi trường để xác định xem liệucó một STA khác đang truyền hay không Nếu môi trường được xác định là khôngbận, quá trình chuyển đổi có thể diễn ra Cơ chế trruy nhập CSMA/CA bắt buộc phảicó một khe thời gian tối thiểu tồn tại giữa các khung truyền đi liên tục Một STA đangtruyền phải đảm bảo rằng môi trường đang rỗi trong khoảng thời gian này trước khitruyền Nếu môi trường được xác định là bận, STA sẽ chờ cho kết thúc quá trìnhtruyền hiện tại Sau khi chờ, hoặc trước khi cố gắng truyền lại ngay lập tức sau một lầntruyền thành công, STA sẽ chọn một khoảng thời gian ngừng (backoff) ngẫu nhiên vàsẽ giảm bộ đếm thời gian ngừng.

Giao thức truy nhập môi trường cơ sở là DCF, nó cho phép chia sẻ phương tiệntự động giữa các PHY tương thích thông qua sử dụng cơ chế CSMA/CA và một thờigian ngưng ngẫu nhiên sau một trạng thái môi trường bận Thêm vào đó tất cả các lưulượng trực tiếp sử dụng xác nhận (khung ACK) tích cực mà tại đó việc truyền dẫn lạiđược lên kế hoạch bởi bên gửi nếu không nhận được ACK nào.

Giao thức CSMA/CA được thiết kế để giảm xác suất xung đột giữa nhiềuSTA cùng truy nhập một môi trường, tại thời điểm xung đột có khả năng xảy ra lớn.

Chỉ ngay sau khi phương tiện chuyển sang rỗi là thời điểm mà xác suất xảy ra xungđột lớn nhất Điều này xảy ra là do có nhiều STA đang chờ môi trường trở lại Đây làtình huống đòi hỏi thủ tục ngưng ngẫu nhiên để giải quyết các xung đột môi trường.

Phát hiện sóng mang có thể thực hiện bằng cơ chế vật lý hoặc cơ chế ảo.

Cơ chế phát hiện sóng mang ảo đạt được bằng cách phân tán thông tin yêu cầugiữ trước, thông tin này thông báo về sử dụng sắp tới của môi trường Trao đổi cáckhung RTS và CTS trước khung dữ liệu thực sự là cách để phân tán thông tin giữtrước môi trường Các khung RTS và CTS chứa một trường thời gian/ID định nghĩakhoảng thời gian mà môi trường sẽ được giữ trước để truyền khung giữ liệu thực và trảvề khung ACK Tất cả các trạm STA nằm trong phạm vi nhận của STA nguồn (truyềnRTS) hoặc STA đích (truyền CTS) sẽ biết được yêu cầu giữ môi trường Do đó mộtSTA có thể không phải là đích nhận dữ liệu của STA nguồn vẫn có thể biết được về sựsử dụng môi trường trước mắt.

Một cách khác để phân tán thông tin giành trước môi trường là trường thời gian/ID trong khung trực tiếp Trường này đưa ra thời gian mà môi trường sẽ bị chiếm,hoặc là tới thời điểm kết thúc của ACK tiếp theo, hoặc trong trường hợp chuỗi phânđoạn là thời điểm kết thúc của ACK tiếp sau phân đoạn kế tiếp.

Việc trao đổi RTS/CTS thực hiện theo kiểu xem xét xung đột nhanh và kiểm trađường truyền dẫn Nếu STA phát RTS không nhận được CTS, STA nguồn có thể lặplại quá trình nếu khung dữ liệu dài được truyền đi và không nhận được ACK.

Một lợi điểm khác nữa của cơ chế RTS/CTS là khi nhiều BSS tận dụng cùng mộtkênh xếp chồng Cơ chế giữ trước môi trường làm việc qua các ranh giới BSA Cơ chếRTS/CTS cũng có thể tăng cường khả năng hoạt động trong một điều kiện đặc thù khitất cả các STA đều có thể nhận từ AP, nhưng không thể nhận từ các STA khác trongBSS.

2.1.9.2.5 Chức năng phối hợp điểm PCF

Ngoài DCF, MAC cũng có thể kết hợp một phương pháp truy nhập tuỳ chọn gọilà PCF, nó chỉ có thể sử dụng trên các cấu hình mạng cơ sở hạ tầng Phương pháp truynhập này sử dụng một bộ phối hợp điểm PC (Point Coordiration) hoạt động tại điểmtruy nhập của BSS để xác định trạm nào sẽ được phép truyền Về cơ bản, giao thứcnày hoạt động giống như sự thăm dò (Polling), trong đó PC đóng vai trò của bộ phậnđiều khiển thăm dò.