2.4.1. Chức năng của AP
AP là thiết bị phổ biến nhất trong WLAN, AP cung cấp cho các MH một điểm truy cập vào mạng. AP là là thiết bị trung gian cho phép trao đổi dữ liệu giữa MH và AP thông qua môi trường không khí (môi trường sóng vô tuyến) để truy cập vào mạng có dây bình thường; sau khi kết nối thì có thể
xem MH là thành viên của một mạng LAN dùng dây. AP là một thiết bị bán song công (half-duplex) có mức độ thông minh tương đương với một bộ chuyển mạch Ethernet phức tạp.
AP có thể liên kết với các MH, với một mạng LAN sử dụng cable Ethernet hoặc với những AP khác. Chức năng của AP thể hiện qua các chế độ làm việc như sau:
Root mode (chế độ gốc) sử dụng khi AP được kết nối với mạng backbone có dây (thường là cổng Ethernet). Khi một AP được kết nối với phân đoạn có dây thông qua cổng Ethernet của nó, nó sẽ được cấu hình để hoạt động trong root mode (là chế độ mặc định của mọi AP). Ở chế độ này, các AP được kết nối với phần có dây và có thể "nói chuyện" được với các MH khác hoặc nút mạng khác của phần có dây. Các MH không dây có thể giao tiếp với các MH không dây khác nằm trong cell khác nhau thông qua AP tương ứng mà chúng kết nối vào, sau đó các AP này sẽ giao tiếp với nhau thông qua kết nối có dây.
Hình 2.7: Mô hình Root mode
Bridge mode
Trong chế độ bridge Mode (cầu nối), AP hoạt động hoàn toàn giống với một cầu nối nhưng liên kết giữa các AP này bằng đường truyền không dây.
Hình 2.8: Mô hình chế độ Bridge Mode
Repeater mode (chế độ lặp): Ở chế độ này, AP có khả năng cung cấp một đường kết nối không dây upstream vào mạng có dây thay vì một kết nối có dây bình thường. Trong hình 2.9, AP1 kết nối với các MH như một AP Root mode và AP2 hoạt động như một Repeater không dây. Có thể xem AP1 kết nối với AP2 như là một MH.
AP sử dụng PCF để thực hiện hỏi vòng trong việc chọn MH được truy cập đường truyền. PCF làm việc tương tự như cơ chế truy cập đường truyền của mạng Tokenring. Theo cơ chế này, bộ điều khiển trung tâm - PC (Point Controller) tích hợp trong AP làm nhiệm vụ hỏi lần lượt các trạm theo 1 lịch định trước để thăm dò yêu cầu truyền, chỉ có trạm nào được AP hỏi thì mới được phép truyền. Cơ chế này thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tính thời gian thực cao bởi vì nó sẽ làm cho các trạm khi tham gia vào mạng chúng đều có cơ hội sử dụng môi trường truyền như nhau.
2.4.2. Các mô hình kết nối
Mạng WLAN dựa trên các chuẩn của 802.11 nên việc kết nối rất linh hoạt. Hiện nay, có 3 mô hình kết nối mạng chủ yếu sau:
Mô hình mạng độc lập hay còn gọi là mạng Ad-hoc
Hình 2.10: Mô hình mạng Ad-hoc
MH (có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng. Có nghĩa là nếu các MH có card mạng wireless thì chúng có thể trao đổi thông tin với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua một số nút trung gian đóng vai trò như các router, không cần phải qua 1 thiết bị xử lý trung tâm nào. Vì mô hình mạng Ad- hoc này có thể thực hiện nhanh và dễ dàng nên rất thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng nhỏ như hội nghị, các nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng có hạn chế về vùng phủ sóng và phải sử dụng các thuật toán routing khá phức tạp.
Mô hình mạng cơ sở (BSSs)
Mô hình này bao gồm điểm truy nhập (AP) gắn với mạng có dây và giao tiếp với các MH trong vùng phủ sóng của AP đó (gọi là cell). AP đóng vai trò
điều khiển cell và điều khiển lưu lượng vào mạng. Các MH không giao tiếp trực tiếp với nhau mà phải thông qua AP.
Hình 2.11: Mô hình mạng cơ sở
Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % để cho phép các MH ó thể
mạng mở rộng (ESSs)
c di chuyển từ cell này qua cell khác mà không bị mất kết nối vô tuyến. Các MH sẽ phải chọn AP tốt nhất để kết nối. AP có thể điều khiển và phân phối truy nhập đường truyền cho các MH có tranh chấp lúc truyền/nhận dữ liệu phù hợp với đường truyền có dây từ AP ra bên ngoài, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lý các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng. Tuy nhiên mô hình đa truy nhập tập trung này không cho phép các MH truyền dữ liệu trực tiếp tới nút khác trong cell như trong cấu hình mạng WLAN độc lập. Trong trường hợp này, mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ MH đến AP và từ AP đến đích), quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng trễ truyền dẫn.
Mô hình
Mô hình này cho phép MH mở rộng phạm vi di động từ 1 BSSs này sang BSSs khác trong cùng ESSs. Một ESSs là một tập hợp các BSSs, nơi mà các AP giao tiếp với nhau để có thể chuyển dữ liệu và lưu lượng của MH từ một BSSs này đến một BSSs khác nhằm làm cho việc di chuyển của các MH trong các cell của các AP được dễ dàng. AP thực hiện việc giao tiếp thông qua hệ thống phân phối được cấu hình trong mỗi AP. Hệ thống phân phối này sẽ gửi toàn bộ thông tin của MH cần di chuyển đến AP đích (trong ESSs đó) hoặc thông qua một mạng có dây để tới đích không nằm trong ESSs.
2.4.3. AP và kênh truyền sóng
Trên các AP có 11 kênh thuộc dải tần 2,4GHz (được sử dụng bởi các thiết bị chuẩn 802.11b, 802.11g và 802.11n), được minh họa trên hình 2.13.
Hình 2.13: Mô tả các tần số 2.4GHz cho các kênh 802.11b/g
Về nguyên tắc thì lúc sử dụng có thể chọn bất cứ kênh nào trong số những kênh trên, tuy nhiên trong thực tiễn, người sử dụng chỉ nên sử dụng các kênh 1, 6 hoặc 11. Lý do cho sự hạn chế này là sự chồng lấn giữa các kênh. 802.11b và 802.11g sử dụng 11 kênh trong băng tần 2.4GHz, mỗi một kênh được phân chia cách nhau 5MHz. Do độ rộng của mỗi một kênh thường ở 22MHz đối với 802.11b và 20MHz đối với 802.11g, nên cả 802.11b và 802.11g đều có ba kênh không bị chồng lấn đó là 1, 6 và 11.
Nếu tất cả năng lượng tín hiệu phát đi được chứa bên trong băng tần 20MHz (hoặc 22MHz), thì khái niệm về hiện tượng không chồng kênh sẽ đơn giản hơn. Tuy nhiên sự thực lại phức tạp hơn do phổ tín hiệu có tính mờ.
Giả sử có 2 AP có vùng phủ sóng giao nhau và chúng sử dụng 2 kênh liên tiếp nhau (ví dụ kênh 1 và 2) theo chuẩn 802.11b. Do 2 kênh truyền này có tần số cách nhau 5MHz nên nếu chúng được xếp bên cạnh nhau thì sẽ xuất hiện sự chồng lấn gây nhiễu lẫn nhau. (Hình 2.15)
Hình 2.15: Chồng lấn kênh liền kề 802.11b
Nhưng với cùng tham số như ở hình 2.15 nhưng được phát trên các kênh 1, 6, 11 thì sẽ hiệu quả hơn vì hầu như không có chồng lấn (hình 2.16)
Hình 2.16: Không xảy ra hiện tượng chồng lấn kênh 802.11b
Hình này có cùng tham số đo như trong hình 4 nhưng các tín hiệu trong các kênh không bị chồng lấn 1, 6 và 11. Tuy nhiên, do công suất từ mỗi tín hiệu không ngắt hẳn tại đường biên 22MHz của kênh nên vẫn có sự chồng lấn giữa các kênh. Trong trường hợp này, vùng chồng lấn giữa kênh 6 và 11 có công suất thấp hơn khoảng 1000 lần so với công suất đỉnh của kênh 11 nên hầu như không có khả năng gây nhiễu đến mức làm sai lệch tín hiệu.
Các kênh 1, 6 và 11 được coi như các kênh không chồng lấn (non- overlapping) vì số lượng công suất bị chồng lấn nhỏ nên không ảnh hưởng đến hoạt động của các kênh còn lại (trong 3 kênh 1, 6, 11). Các mạng WLAN hiện nay sử dụng 1 trong 3 kênh là 1, 6 hoặc 11.[23]
2.4.4. Vấn đề nút mạng di động.
Đối với mạng WLAN, tính di động của các trạm là một trong những ưu điểm vượt trội so với các loại mạng có dây khác. Việc nút mạng vừa trao đổi dữ liệu vừa di chuyển (tạm gọi là Mobi Host - MH) trong 1 hay nhiều vùng phủ của 1 hay nhiều AP là điều rất tự nhiên. Khi MH di chuyển trong vùng phủ sóng đó, các cơ chế tương tác giữa AP và MH được đặt ra để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Trong phần này, tôi sẽ phân tích một số vấn đề chính như: sự di động của nút mạng trong vùng phủ sóng của một AP, chuyển vùng của nút mạng (roaming) và ảnh hưởng của việc di chuyển đến hiệu suất truyền thông trong mạng WLAN.
2.4.4.1. Nút mạng di động trong vùng phủ sóng của một AP
Một AP có thể cung cấp kết nối WLAN đến các MH chỉ trong tầm vực phát sóng của nó. Phạm vi tín hiệu có thể được định nghĩa một cách tương đối bởi loại ăng ten đang được dùng cho AP. Trong môi trường không khí và lý tưởng, phạm vi này là một hình cầu bao bọc xung quanh một ăng ten đẳng hướng, phạm vi phủ sóng là ba chiều, trên mặt phẳng phạm vi phủ sóng là một vòng tròn có tâm là vị trí của AP.
Hình 2.17: MH sẽ mất kết nối với AP khi cường độ tín hiệu thấp Trong mạng WLAN, AP thường được đặt cố định và được tính toán kỹ lưỡng sao cho phạm vi phủ sóng đạt được mức tốt nhất. Tuy nhiên, hoạt động thật sự của WLAN sẽ luôn trong tình trạng thay đổi do các MH không dây có thể thay đổi vị trí thường xuyên.
Vấn đề di chuyển của các MH làm cho khả năng phủ sóng của AP để đáp ứng cho MH có thể trở nên khó khăn hơn dự kiến. Các MH di chuyển vòng quanh và phía sau những vật cản như trong một phòng, phía sau tường, cửa… những vật cản bằng vật chất thật này gây ảnh hưởng lên hoạt động truyền tín hiện sóng điện từ của AP và MH.
Phạm vi phủ sóng của một AP được gọi là một cell. Các MH trong một cell có thể kết hợp với AP để trao đổi với MH khác hoặc truy cập mạng bên ngoài. Giả sử một AP có bán kính phủ sóng là R (nếu xét trong mặt phẳng chứa MH) thì MH có thể di chuyển thoải mái bên trong phạm vi (cell) đó và truy cập mạng không dây qua AP từ bất kỳ vị trí nào, trường hợp lý tưởng nếu MH càng gần AP cường độ tín hiệu càng mạnh đồng nghĩa với hiệu suất truyền thông giữa AP và MH là tốt nhất. Khi MH di chuyển đến những vị trí biên (là những vị trí cường độ tín hiệu bằng ngưỡng) thì MH vẫn còn có thể kết nối được với AP (như vị trí A, B) còn những điểm mà tại đó cường độ tín hiệu thấp hơn ngưỡng chấp nhận được (vị trí C) thì MH đó sẽ bị mất liên lạc với AP (Hình 2.17)
2.4.4.2. Nút mạng di động trong nhiều vùng phủ sóng khác nhau.
Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng WLAN
đó là cường độ tín hiệu tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ MH đến AP. Điều này có nghĩa là, trong phạm vi rộng, một AP khó có thể đáp ứng được chất lượng dịch vụ cho MH khi nó ở các vị trí tiệm cận với ngưỡng tín hiệu chấp nhận được, đặc biệt trong các không gian có nhiều vật cản. Để giải quyết vấn đề này cần mở rộng phạm vi phủ sóng của WLAN bằng cách thêm các AP. Thông thường, các AP được đặt sao cho các cell bao phủ mọi không gian (theo yêu cầu) để MH có thế kết nối được với mạng ở mọi vị trí bất kỳ trong không gian đó. Tuy nhiên, giải pháp này nảy sinh vấn đề chồng lấn vùng phủ sóng của các AP. (hình 2.18)
Như đã phân tích ở mục 2.4.3, trên các AP chuẩn 802.11 được hỗ trợ 11 kênh. Khi 2 AP liền kề nhau (vùng phủ sóng giao nhau) sử dụng cùng kênh truyền, tín hiệu của AP này sẽ bị nhiễu bởi tín hiệu của AP còn lại và nhiễu này sẽ đạt cực đại tại vùng giao của 2 vùng phủ sóng của 2 AP. (Hình 2.19)
Hình 2.19: Nhiễu do sử dụng cùng kênh truyền SW
Khi 2 AP liền kề sử dụng 2 kênh truyền có dải tần không giao nhau, tại vùng phủ sóng giao nhau, tín hiệu của 2 AP này không gây nhiễu cho nhau và việc thực hiện chuyển vùng sẽ thuận lợi hơn. (Hình 2.20)
Khi một MH đã kết nối đến một AP, nó có thể tự do di chuyển xung quanh không gian AP đó kiểm soát. Nếu MH di chuyển từ một cell của AP này sang một cell của AP khác (không cùng kênh truyền), việc chuyển vùng (roaming) sẽ diễn ra.
Với MH, khi di chuyển thường có 2 chế độ quét để tìm AP. Quét chủ động (Active scanning) và quét thụ động (Passive scanning). Quét chủ động là MH quét những kênh khác nhau và gửi yêu cầu thăm dò (probe request) để "chất vấn" các AP mà nó tìm được (available AP). Quét bị động thì MH chỉ lắng nghe tín hiệu từ các AP mà nó dò được.
Hình 2.20 minh họa MH sẽ được chuyển vùng khi di chuyển từ cell này sang cell không cùng kênh truyền, MH muốn di chuyển từ A đến C và được chuyển vùng. Tại điểm A, MH kết nối với AP1 mà không có bất kỳ tín hiệu nào được gửi đến AP2 (vì AP1 và AP2 khác kênh nhau). MH di chuyển đến điểm B, tại đây tín hiệu của AP1 bị suy giảm, MH bắt đầu tiến hành quét chủ động để dò tìm AP khác có tín hiệu tốt hơn và tìm thấy AP2. Sau khi thỏa thuận xong với AP2, MH gửi thông điệp "disassociation" với AP1 để kết nối với AP2. Tại điểm C, MH hoàn toàn "giao tiếp" với AP2.
Hiện nay thuật toán chuyển vùng không được định nghĩa trong 802.11, nên nhà sản xuất tùy ý cài đặt, do vậy có thể nó trở thành bí mật kinh doanh của các nhà sản xuất vì tùy thuật toán mà tính ưu việt của việc chuyển vùng sẽ khác nhau.
Tuy nhiên, chuyển vùng của MH giữa 2 AP thường có những bước chính nhất định. Giả sử một MH cần chuyển vùng từ AP1 sang AP2 có kênh truyền khác của AP1, tiến trình chuyển vùng được thực hiện trên lớp 2 của mô hình TCP/IP. Các bước chuyển vùng được thực hiện như sau:
Bước 1: AP1 phải xác định rằng MH đã đi ra khỏi vùng phủ sóng của nó.
Bước 2: AP1 sẽ lưu lại tất cả những dữ liệu gửi đến MH đang muốn chuyển vùng (không bắt buộc vì nó không được định nghĩa trong 802.11).
Bước 3: AP2 sẽ thông báo cho AP1 rằng MH đã chuyển vùng thành công (tức là MH đã nằm trong vùng phủ sóng và kết nối với AP2). Bước này thường xảy ra thông qua 1 gói tin unicast hoặc multicast từ AP2 gửi tới AP1 trong đó
địa chỉ MAC nguồn là của MH (không bắt buộc vì nó không được định nghĩa trong 802.11).
Bước 4: AP1 sẽ gửi các dữ liệu đã lưu cho MH đó đến AP2 thông qua các chuyển mạch SW (AP1 sẽ gửi dữ liệu cho SW, SW sẽ forward cho AP2)
Bước 5: AP1 phải xác định 1 lần nữa rằng MH đã rời khỏi nó rồi xóa dữ liệu của MH đang lưu trong buffer của AP1.
Bước 6: AP2 sẽ cập nhập bảng địa chỉ MAC trên các bộ chuyển mạch trung gian để ngăn ngừa việc mất dữ liệu (do AP1 không còn lưu dữ liệu nữa). Sau bước này, AP2 sẽ điều khiển để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu của MH.
Như vậy, khi MH di chuyển, có thể nó đi qua vùng phủ sóng của 1 vài AP nhưng cuối cùng MH sẽ chọn 1 AP thích hợp nhất; tại một thời điểm, bất kỳ MH nào khi thực hiện kết nối thì chỉ thông qua một AP, điều này cũng giảm thiểu khả năng mất dữ liệu đang gửi hoặc đang nhận khi quá trình roaming diễn ra.
Trong thực tế, khi một AP được cấu hình để bao phủ một vùng rộng lớn, nó cũng tiềm tàng một khả năng là có quá nhiều MH kết nối vào. Do trong một cell, môi trường dùng chung được chia sẻ cho tất cả các MH trong vùng phủ sóng theo chế độ bán song công (half duplex) nên khi số lượng MH kết nối vào AP