Mặc dù các chuẩn như Bluetooth, HomeRF, OpenAir, … được xem là một
chuẩn của mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) nhưng trong một số
mạng Wireless LAN cũng cĩ sự tích hợp giữa hai loại mạng này. Ở phần này chúng em xin trình bày một số chuẩn WPAN thơng dụng trên thế giới.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
2.2.3.1 Chuẩn HomeRF
Tương tự như Bluetooth, HomeRF ([1], [2], [8], [9]) cũng hoạt động tại phạm vi băng tần 2,4GHz cung cấp băng thơng 1,6 MHz, với thơng lượng người sử dụng là 659Kb/s. HomeRF cung cấp khoảng cách phục vụ tới 45m. HomeRF cũng sử dụng cơ chế trải phổ FHSS tại tầng vật lý. HomeRF cũng tổ chức các thiết bị đầu cuối thành mạng ad–hoc (các máy trao đổi trực tiếp với nhau) hoặc liên hệ qua một điểm kết nố trung gian như Bluetooth.
Điểm khác biệt giữa Bluetooth và HomeRF hướng tới một mục tiêu duy nhất là thị trường phục vụ các mạng gia đình. Tổ chức tiêu chuẩn giao thức truy cập vơ tuyến SWAP của HomeRF thành lập ra nhằm nâng cao hiệu quả khả năng các ứng dụng đa phương tiện của HomeRF. SWAP kết hợp các đặc tính ưu việt của 802.11 là giao thức tránh xung đột CSMA/CA với đặc tính QoS của giao thức DECT
(Digital Enhanced Cordless Telecommunications) để cung cấp một kỹ thuật mạng hồn chỉnh cho các hộ gia đình.
Phiên bản SWAP 1.0 (Shared Wireless Access Protocol) cung cấp khả năng hỗ
trợ 4 máy trong một mạng ad – hoc, và cung cấp cơ chế bảo mật là mã hĩa 40 bit tại lớp MAC.
Phiên bản SWAP 2.0 mở rộng băng thơng lên tới 10Mbps, cung cấp khả năng roaming trong truy cập cơng cộng. Nĩ cũng hỗ trợ 8 máy trong một mạng ad– hoc.
Đặc tính QoS cũng được nâng cấp bởi việc thêm vào 8 luồng ưu tiên hỗ trợ cho các
ứng dụng đa phương tiện như video. SWAP 2.0 cũng cĩ cơ chế bảo mật như SWAP 1.0 nhưng cĩ mã hĩa 128 bit.
2.2.3.2 Chuẩn OpenAir
OpenAir ([1], [2], [8], [9])là sản phẩm độc quyền của Proxim. Proxim là một trong những cơng ty sản xuất thiết bị vơ tuyến lớn nhất thế giới. Proxim đang cố
gắng để OpenAir cạnh tranh với 802.11 thơng qua WLIF (Wireless LAN
Interoperability Forum). Proxim nắm giữ hết các thơng tin chi tiết về OpenAir, tất cả các sản phẩm OpenAir đều dựa trên các module của chính Proxim.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
OpenAir là một giao thức trước 802.11, sử dụng kỹ thuật nhảy tần (2FSK và 4
FSK), cĩ tốc độ 1,6Mbps. OpenAir MAC dựa trên CSMA/CA và RTS/CTS như
802.11. Tuy nhiên OpenAir khơng thực hiện việc mã hĩa tại lớp MAC, nhưng lại cĩ ID mạng dựa trên mật khẩu. OpenAir cũng khơng cung cấp chức năng tiết kiệm cơng suất.
2.2.4 Tĩm tắt các tiêu chuẩn thơng dụng
Bảng 2-4: Tĩm tắt các chuẩn Wireless LAN thơng dụng trên thế giới
Tiêu chuẩn Tổ chức Tần số Ghép kênh Tốc độ Ghi chú 802.11 IEEE 900MHz ISM FHSS ~300Kbps Tiêu chuẩn khởi đầu của IEEE
802.11a IEEE 5GHz UNII OFDM 54Mbps Lên tới
Tiêu chuẩn nổi bật nhất của họ 802.11, khơng tương thích với phiên bản đầu 802.11 802.11b IEEE 2,4GHz ISM 900 MHz DSSS FHSS 11 Mbps Từ 1 đến Phhiệổn nay biến nhất
802.11e IEEE 5GHz UNII OFDM Lên tới
54Mbps
Thêm phần QoS vào 802.11a
802.11g IEEE 2,4GHz ISM OFDM DSSS 54Mbps Lên tới
Cĩ khả năng tương thích với 802.11b, ban hành vào 7/2003
802.11h IEEE 5GHz UNII OFDM Lên tới
54Mbps
Cải tiến cơng suất phát và lựa chuẩn kênh của 802.11a
802.11i IEEE 5GHz UNII OFDM 54Mbps
Bổ sung tính an tồn và bảo mật vào
KHOA CNTT – ĐH KHTN 802.11j (5UP- 2003) IEEE ETSI 5GHz UNII OFDM GMSK 54Mbps Chuẩn hợp nhất giữa 802.11 và HiperLAN/2 hoạt động tại băng 5GHz HiperLAN ETSI 5,15-5,30GHz hay 17,1- 17,3GHz
GMSK 23,529 Mbps ChuETSI ẩn đầu tiên
HiperLAN2 ETSI 5,15-5,30GHz hay 17,1- 17,3GHz GMSK 54Mbps Là đối thủ cạnh tranh của các chuẩn 802.11
HomeRF HomeRF 2,4GHz FHSS Lên tới
10Mbps Kết hợp thoại, data và các phương tiện giải trí vào trong mạng gia đình Bluetooth SIG 2,4GHz FHSS 1Mbps Thay thế mạng cáp, nhưng khơng thể cạnh tranh với 802.11 hay HiperLAN OpenAir Proxim 2,4GHz FHSS 1,6Mbps Gần giống 802.11, khơng cĩ cơ chế bảo mật
2.3 Kiến trúc, các đặc điểm kỹ thuật của Wireless LAN IEEE 802.11 IEEE 802.11
Mặc dù chuẩn HiperLAN 2 và chuẩn IEEE 802.11 được xem là tương đương, thậm chí chuẩn HiperLAN 2 cĩ một vài đặc điểm tốt hơn về bảo mật, băng thơng rộng nhưng IEEE 802.11 vẫn là chuẩn thơng dụng hơn. IEEE 802.11 được sử dụng rộng rãi vì chất lượng tương đương (các phiên bản về sau của 802.11 hỗ trợ băng thơng rộng và bảo mật cao) và đặc biệt là giá thành thấp hơn nhiều so với HipeLAN2. Do vậy trong đề tài này, chúng em tập trung nghiên cứu chuẩn IEEE
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
802.11 để từđĩ xây dựng các ứng dụng trên nền Wireless LAN của chuẩn 802.11b (Wi-Fi) [4][7][8]
2.3.1 Các khái niệm chính của Wireless LAN
2.3.1.1 Cấu trúc cơ bản của một Wireless LAN
Các loại mạng sử dụng chuẩn 802.11 bao gồm 4 thành phần vật lý chính [2][8]: • Hệ thống phân phối - Distribution System
Khi nhiều Access Point kết nối lại với nhau tạo thành một vùng lớn được phủ
sĩng, thì các Access Point này phải hỗ trợ lẫn nhau để cĩ thể theo vết các station trong mạng. Distribution System là thành phần logic của 802.11 sử dụng đểđiều phối thơng tin đến các station đích. Chuẩn 802.11 khơng đặc tả chính xác kỹ
thuật cho DS.
• Access Points
Các frame trong mạng 802.11 đều phải được chuyển thành các frame thơng dụng được sử dụng trong các mạng khác, Access Point chính là thiết bị thực hiện chức năng này. Access Point cịn cĩ nhiều vai trị quan trọng khác nhưng chức năng làm cầu nối này chính là chức năng quan trọng nhất của AP.
• Tầng liên lạc vơ tuyến - Wireless Medium
Để chuyển các frame từ station này sang station khác, chuẩn 802.11 sử dụng tầng liên lạc vơ tuyến. 802.11 đã sử dụng kỹ thuật cho phép nhiều lớp hỗ trợ liên lạc vơ tuyến cho nên cĩ khá nhiều lớp vật lý hỗ trợ Wireless Medium.
• Máy trạm - Stations
Mạng Wireless LAN được xây dựng để chuyển đổi dữ liệu giữa các station với nhau. Station chính là các thiết bị vi tính cĩ hỗ trợ mạng vơ tuyến như: battery- operated laptop, máy tính xách tay, PDA, Pocket PC, Desktop( cĩ hỗ trợ kết nối vơ tuyến)…
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
Hình 2-1:Mơ hình Wireless LAN
2.3.1.2 Các loại mạng Wireless LAN 802.11 thơng dụng
Thành phần cơ bản của mạng 802.11 là Basic Service Set (BSS), BSS là một nhĩm các station (thiết bị / trạm) . Thơng tin liên lạc diễn ra trong một phạm vi
được xác định được bởi thành phần liên kết vơ tuyến trung gian. Khi một station nằm trong vùng dịch vụ cơ sở, nĩ cĩ thể liên lạc với các station khác thuộc BSS. BSS gồm cĩ hai loại: Independent Basic Service Set (IBSS), mạng cơ sở hạ tầng.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
¾ Vùng phục vụ cơ bản độc lập -Independent Basic Service Set
Hình 2-2: Vùng phục vụđộc lập- Mạng Ad-hoc
Independent basic service set (IBSS) cịn cĩ tên gọi khác là mạng Ad-hoc. Một station nằm trong IBSS cĩ thể liên lạc trực tiếp tới các station khác mà khơng sử
dụng Access Point (AP) hoặc kết nối tới một mạng hữu tuyến nào khác. IBSS cĩ thể
chỉ gồm hai station, các station đều phải nằm trong tầm phủ sĩng của nhau và IBSS chỉ cĩ thể xây dựng mạng với số station giới hạn. Nĩi chung, IBSS cĩ thể dùng để
thiết lập một mạng với một số các station, cho mục đích riêng biệt và trong khoảng thời gian nhất định. IBSS thường được sử dụng với mục đích tạo ra mạng đơn giản và chỉ cần sử dụng trong một thời gian ngắn. Ví dụ như IBSS cĩ thể thiết lập ra một mạng dùng để chia sẽ dữ liệu trong các cuộc hội nghị, trong các hệ thống tại nhà, văn phịng.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
¾ Mạng cơ sở hạ tầng - Infrastructure network
Hình 2-3:Mạng cơ sở hạ tầng
Mạng cơ sở hạ tầng phân biệt với IBSS ở chỗ mạng cơ sở hạ tầng cĩ sử dụng AP. AP được sử dụng cho các liên lạc trong mạng cơ sở hạ tầng, kể cả các liên lạc giữa các thiết bị di động trong một vùng phục vụ. Trong mạng cơ sở hạ tầng, nếu một station muốn liên lạc với một station khác thì phải thơng qua hai bước: station nguồn sẽ phát thơng tin đến AP, rồi sau đĩ AP sẽ phát thơng tin đến station đích. Mạng cơ sở hạ tầng mà chỉ gồm 1 AP kết nối với một mạng hữu tuyến và các thiết bị vơ tuyến thì được gọi là BSS. Mặc dù multihop transmission tốn nhiều transmission capacity hơn kết nối trực tiếp từ nguồn và đích, nhưng Mạng cơ sở hạ
tầng vẫn cĩ hai lợi thế chính so với IBSS:
• Infrastructure BSS được thiết lập phụ thuộc vào tầm hoạt động của AP. Vì vậy, muốn thiết lập Wireless LAN tất cả các thiết bị di động bắt buộc phải nằm trong vùng phủ sĩng của AP và mọi cơng việc giao tiếp mạng đều phải thơng qua AP. Ngược lại, kết nối trực tiếp IBSS giúp hạn chế thơng tin truyền và nhận của mạng nhưng chi phí lại gia tăng ở tầng vật lý bởi vì tất các thiết bị đều luơn luơn phải duy trì kết nối với tất cả các thiết bị khác trong vùng dịch vụ.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
• Trong Infrastruture network, AP cịn cho phép các station chuyển sang chế
độ tiết kiệm năng lượng. Các AP được thơng báo khi một station chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng và tạo frame đệm cho chúng. Các thiết bị
chú trọng sử dụng năng lượng (Battery-operated) cĩ thể chuyển bộ thu phát tín hiệu của mình sang chếđộ nghỉ và khi hoạt động lại sẽ nhận được tín hiệu
được khơi phục từ các frame đệm lưu trong AP.
Trong Infrastruture network, các station phải kết hợp với AP để hình thành Wireless LAN. Kết hợp (Association) là tiến trình mà các station phải thực hiện để
kết nối với mạng 802.11; nĩ tương đương với việc phải gắn cáp trong mạng Ethernet. Các station luơn bắt đầu một tiến trình kết hợp (Association Process) trước, sau đĩ AP lựa chọn cĩ chấp nhận hoặc từ chối dựa trên nội dung của Association. Association là một trong những chức năng của station, và mỗi station chỉ cĩ thể kết nối với một AP. Trên lý thuyết, chuẩn 802.11 khơng giới hạn số
station mà một AP phục vụ. Nhưng trên thực tế thì phụ thuộc vào mức độ
throughput của mạng vơ tuyến, nên các AP chỉ cĩ thể phục vụ một số station giới hạn.
2.3.1.3 Vùng phục vụ cơ bản - Basic Service Set[2][8]
• Kiến trúc Wireless LAN bao gồm nhiều thành phần tương tác với nhau. BSS (Basic Service Set) là thành phần cơ bản của Wireless LAN, mơ hình này kết hợp một hay nhiều thiết bị liên lạc vơ tuyến với một điểm truy cập (Access Point-AP). Mỗi BSS cĩ thể cĩ nhiều thiết bị trạm (Station-STA). Hình 2-4 mơ tả
một Wireless LAN cĩ 2 BSS, mỗi BSS cĩ 2 STA.
• Trong hình Hình 2-4, mỗi hình Oval miêu tả mức độ phủ sĩng của một BSS, những STA nằm trong hình Oval là những station thành viên. Nếu một STA di chuyển ra khỏi BSS thì nĩ cĩ thể khơng truyền thơng trực tiếp với các STA khác của BSS.
• Nếu khơng cĩ AP ở trong mạng, thì mạng đĩ gọi là Ad-hoc, nghĩa là các thiết bị
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
Hình 2-4:Basic Service Set
• Hình 2-4 bao gồm 2 BSS độc lập với nhau, cấu trúc này cịn được gọi là IBSS (Independent Basic Service Set). Ở cấu trúc này thì các station cĩ thể truyền thơng trực tiếp (đã được trình bày ở phần 2.3.1.2), vì vậy trong kiểu này Wireless LAN được hình thành mà khơng được lập trước.
• Sự liên kết giữa STA và BSS là động; STA cĩ thể mở hoặc tắt, hoặc nằm trong, nằm ngồi phạm vi của BSS. Để trở thành một thành phần trong BSS, một STA sẽ trở thành một “kết hợp” (Association). Những kết hợp này là động và việc sử
dụng dịch vụ hệ thống phân bố DSS được miêu tảở phần sau.
• Khi BSS kết nối với mạng cáp qua Acess Point (AP) thi được gọi là cơ sở hạ
tầng BSS (Infrastruture BSS- đã được trình bày ở phần 2.3.1.2).
2.3.1.4 Các khái niệm về hệ thống phân phối – Distribution System
• Nếu như trong một BSS, Access Point đĩng vai trị là cầu nối giữa các Station với nhau, thì trong một mạng tích hợp nhiều thành phần (Mạng LAN, Wireless LAN) thì hệ thống phân phối (Distribution System-DS) cũng đĩng vai trị làm cầu nối trong việc truyền tải dữ liệu giữa các mạng với nhau. DS cịn là tầng liên
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
• Thay vì là một mạng riêng lẻ, một BSS cũng là một thành phần của một mạng mở rộng được xây dựng từ nhiều BSS. Khái niệm về sự kết nối của các BSS với nhau gọi là Distribution System-DS.
• Một mạng LAN logic được chia làm nhiều phần mơi trường logic từ những mơi trường hệ thống phân bố (Distribution System Medium-DSM). Mỗi mơi trường logic được sử dụng cho những mục đích khác nhau bởi những thành phần khác nhau trong kiến trúc.
• Dữ liệu chuyển giữa BSS và DS phải thơng qua một AP. Chú ý rằng tất cả các AP cũng là STA vì vậy chúng cũng cĩ một địa chỉ riêng. Địa chỉ trên mơi trường vơ tuyến và trên DSM là khơng cần thiết giống nhau.
• Do cĩ giới hạn ở lớp vật lý, hệ thống phân phối (Distribution System-DS) phải xác định khoảng cách trực tiếp giữa STA-STA mà mạng hỗ trợ. Tuỳ theo yêu cầu mà cĩ thể cấu hình mạng theo những yêu cầu về khoảng cách khác nhau.
2.3.1.5 Vùng phục vụ mở rộng-Extended Service Set
• Sức mạnh của các mạng Wireless LAN là việc triển khai các đặc tính di động của nĩ, người sử dụng cĩ thể tự do di chuyển mà khơng phải lo việc kết nối lại với mạng. Nếu đang hoạt động trong một mạng đơn BSS, sự di chuyển bị giới hạn trong phạm vi của một AP. Thơng qua việc mở rộng vùng phục vụ
(Extended Service Set-ESS), Wireless LAN cho phép người sử dụng cĩ thể di chuyển tự do giữa các IBSS.
• Trong ESS, các AP cĩ thể chuyển đổi lưu lượng từ BSS này sang BSS khác, cũng như là roaming các thiết bị truy cập từ vùng BSS này sang vùng BSS khác. Chúng sử dụng một mơi trường là hệ thống phân phối DS. DS là lớp quan trọng của Wireless LAN, nĩ quyết định việc chuyển tiếp lưu lượng từ BSS đến mạng cáp hay chuyển tới AP hay BSS khác.
• Qua DS và các BSS cho phép tạo ra mạng khơng dây cĩ tốc độđa dạng với đầy
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
• Ở trong một Infrastruture BSS, ESS giống như một lớp điều khiển tuyến logic LLC (Logical Link Control). Một STA nằm trong ESS cĩ thể giao tiếp và di chuyển từ BSS này sang BSS khác trong cùng một ESS thơng qua LLC.
Hình 2-5:Extended Service Set
• Một sốđặc điểm quan trọng trong quan hệ giữa ESS và BSS:
- Những BSS cĩ thể chồng chéo lên nhau. Chúng phải được sắp xếp nằm kề
nhau trong khoảng băng vật lý.
- Các BSS cĩ thể khơng liên kết vật lý với nhau. Về logic thì khoảng cách giữa các BSS là khơng giới hạn.
- BSS cĩ thể sắp xếp vật lý, để tránh sự dư thừa.
- Một (hay nhiều) mạng IBSS hoặc mạng ESS thì về vật lý cĩ thể được xem như giống nhau. Điều này tránh sự chồng chéo về vật lý nếu những tổ chức khác nhau thiết lập những mạng riêng biệt chồng lắp.
2.3.1.6 Những đặc điểm khác nhau giữa Wireless LAN và LAN
Hệ thống Wilress cĩ những đặc điểm khác với mạng LAN truyền thống. Ở một vài quốc gia cĩ các yêu cầu chi tiết cho thiết bị radio trong tiêu chuẩn Wireless LAN. Mặt khác, trong Wireless LAN địa chỉ nhận khơng giống như là vị trí nhận do
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
mỗi đơn vị địa chỉ là một station (STA), STA là thơng tin về địa chỉ đến nhưng khơng phải vị trí cố định. Điều này thì khác hồn tồn trong LAN: địa chỉ tương
đương vị trí vật lý.
Hình 2-6:Một ví dụ kết hợp Wireless LAN với mạng LAN
Sự khác biệt cơ bản giữa Wireless LAN và LAN nằm trong thiết kếở tầng vật lý (PHY). Vì lớp PHY của Wireless LAN cĩ các đặc điểm sau: