2.3.1. Chức năng cộng tác phân tán - DCF
DCF là một phương pháp truy cập được chỉ rõ trong chuẩn 802.11 cho phép tất cả các client trong WLAN đấu tranh đề giành quyền truy cập đường truyền dùng chung là sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) sử dụng giao thức CSMA/CA. Trong trường hợp này, môi trường truyền là một phần của băng tần sóng vô tuyến mà WLAN sử dụng để truyền dữ liệu. Các mô hình WLAN (sẽ
nói kỹ ở phần 2.4.2) đều có thể sử dụng chế độ DCF. AP trong trường hợp này hoạt động tương tự như HUB trong môi trường Ethernet để truyền dữ liệu của chúng (DCF là chế độ trong đó AP gửi dữ liệu).
Tiến trình hoạt động của WLAN trong DCF mô tả như sau:
Bước 1: Các trạm đợi cho đến khi DIFS kết thúc
Bước 2: Ngay sau khi DIFS kết thúc, các trạm tính toán thời gian Random Back-Off dựa trên một số ngẫu nhiên nhân với Slot Time đồng thời đếm lùi (từng Slot Time) khoảng thời gian Random Back-Off của chúng và kiểm tra đường truyền sau mỗi Slot Time.
Bước 3: Khi đường truyền rỗi, trạm nào có khoảng thời gian Random Back-Off ngắn nhất sẽ giành được đường truyền trước tiên, trạm đó sẽ bắt đầu gửi dữ liệu.
Bước 4: Trạm nhận nhận được dữ liệu và đợi 1 khoảng SIFS trước khi đáp lại frame ACK cho trạm truyền.
Bước 5: Trạm truyền nhận được ACK và tiến trình bắt đầu lại từ đầu với một DIFS mới.
Kỹ thuật DCF thực hiện việc truyền dữ liệu bằng giao thức CSMA/CA có sử dụng bản tin ACK trả lời từ phía nhận nên sẽ tránh được xung đột dữ liệu và giải quyết được vấn đề trạm ẩn nhưng chưa giải quyết được vấn đề trạm lộ (như đã nói ở mục 2.2.3). Ngoài ra, phương thức truy nhập đường truyền DCF sẽ tồn tại một khe thời gian giữa 2 khung truyền liên tiếp gây trễ tuy rất nhỏ nhưng vẫn gây ra sự lãng phí đường truyền.
2.3.2. Chức năng cộng tác tập trung - PCF
PCF là chế độ truyền cho phép các frames trên WLAN được truyền không xảy ra đụng độ (không cần phải đấu tranh giành lấy quyền truy cập như ở trong chế độ DCF) bằng cách sử dụng cơ chế hỏi vòng. Điểm thuận lợi của PCF là nó bảo đảm một độ trễ xác định trước, vì thế các ứng dụng đòi hỏi chất lượng dịch vụ như âm thanh, hình ảnh … có thể sử dụng ở chế độ này. Khi sử dụng PCF, AP thực hiện việc hỏi vòng (polling). Vì lý do này mà mạng Ad-hoc không thể sử dụng chế độ PCF, bởi vì mạng Ad-hoc không có AP để thực hiện việc hỏi vòng.
Tiến trình PCF được thực hiện như sau:
Bước 1: Các trạm phải thông báo với AP là nó có khả năng trả lời trong quá trình hỏi vòng.
Bước 2: AP sẽ hỏi lần lượt từng trạm xem chúng có dữ liệu cần truyền hay không. PCF sẽ phát sinh một lượng “chi phí” (overhead) khá lớn cho việc hỏi vòng này.
Bước 3: AP xác định và thông báo cho trạm đó sẽ được truyền.
DCF có thể sử dụng mà không cần PCF nhưng PCF không thể sử dụng nếu thiếu DCF. Chúng ta sẽ giải thích việc 2 chế độ này cùng tồn tại như thế nào trong phần sau. DCF có thể mở rộng được vì nó được thiết kế dựa trên việc đấu tranh, trong khi PCF giới hạn khả năng mở rộng bởi vì nó phát sinh nhiều chi phí cho các frames bầu chọn.
2.3.3. Các giá trị SIFS, DIFS, PIFS
Để tìm hiểu các giá trị SIFS, DIFS, PIFS thì việc đầu tiên là phải tìm hiểu IFS (Interframe Spacing). Các trạm trong WLAN đều được đồng bộ với nhau về thời gian (sử dụng gói tin beacon). IFS là một thuật ngữ dùng để đề cập đến việc chuẩn hóa các khoảng thời gian được sử dụng trong WLAN.
Có bốn loại IFS là: SIFS, PIFS, DIFS, EIFS nhưng trong WLAN thường chỉ sử dụng 3 loại IFS chính: SIFS, PIFS và DIFS. Mỗi kiểu được các trạm sử dụng để gửi các kiểu messages nào đó trên mạng hay quản lý các khoảng thời gian trong việc điều khiển các trạm đấu tranh giành quyền truy cập.
Bảng Quy ước thời gian IFS ứng với các phương thức truyền tin
Đơn vị: μS (microSeconds)
Loại IFS Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Trải phổ nhảy tần (FHSS) Hồng ngoại (Infrared) SIFS 10 28 7 PIFS 30 78 15 DIFS 50 128 23
Các giá trị IFS được sử dụng để trì hoãn việc truy cập đường truyền của một trạm nào đó hay được dùng để cung cấp các mức ưu tiên khác nhau. Trong một mạng không dây, các thiết bị đều được đồng bộ, các trạm và AP sử dụng các khoảng cách thời gian chuẩn để thực hiện các tác vụ khác nhau. Các trạm đều biết các khoảng thời gian này và sử dụng chúng một cách thích hợp. Một tập các khoảng thời gian chuẩn được định nghĩa cho FHSS, DSSS và Infrared (hồng ngoại). Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian này, mỗi trạm đều biết khi nào và liệu chúng có được phép thực hiện một hành động nào đó trên mạng hay không.
- SIFS: Là IFS cố định và ngắn nhất. SIFS là khoảng thời gian trước và sau khi các loại messages sau được gửi đi (đây không phải là danh sách đầy đủ):
RTS: Được các trạm gửi để yêu cầu giành quyền sử dụng đường truyền.
CTS: Được sử dụng bởi trạm nhận để hồi đáp lại RTS frame của máy trạm, điều này đảm bảo tất cả các trạm khác tạm dừng việc truyền của mình lại để nhường cho trạm đã gửi RTS.
ACK: Được sử dụng để thông báo cho trạm gửi gửi rằng dữ liệu đã được nhận đầy đủ ở dạng đọc được.
SIFS cung cấp mức ưu tiên cao nhất trên một mạng WLAN. Lý do SIFS có mức ưu tiên cao nhất là các trạm thường xuyên lắng nghe đường truyền
(carrier senses) đợi cho đường truyền rỗi. Một khi đường truyền đã rỗi, mỗi trạm phải đợi một khoảng thời gian trước khi thực hiện việc truyền. Khoảng thời gian một trạm phải đợi được xác định bởi việc mà trạm đó muốn thực hiện. Mỗi việc trên mạng không dây đều được xếp vào một loại IFS nào đó. Các tác vụ có độ ưu tiên cao rơi vào SIFS. Nếu một trạm chỉ phải đợi một khoảng thời gian ngắn sau khi đường truyền rỗi để thực hiện việc truyền thì nó sẽ có độ ưu tiên cao hơn các trạm phải đợi một khoảng thời gian dài hơn. SIFS được sử dụng cho các công việc đòi hỏi một khoảng thời gian rất ngắn có nghĩa là cần độ ưu tiên cao để hoàn thành công việc.
PIFS là interframe cố định nhưng không phải là ngắn nhất hay dài nhất, vì thế, nó có độ ưu tiên cao hơn DIFS nhưng thấp hơn SIFS. AP sử dụng PIFS chỉ khi mạng đang ở trong chế độ PCF (Point Co-ordination Function). PIFS có khoảng thời gian ngắn hơn DIFS và dài hơn SIFS, vì thế, AP sẽ luôn luôn chiếm quyền điều khiển đường truyền trước khi các trạm bắt đầu đấu tranh giành quyền truy cập trong chế độ DCF. PCF chỉ làm việc với DCF, nó không phải là
một chế độ hoạt động độc lập, vì thế, một khi AP kết thúc việc bầu chọn, các trạm khác có thể tiếp tục đấu tranh giành quyền truy cập đường truyền trong chế độ DCF.
DIFS là interframe cố định và dài nhất, nó được sử dụng mặc định ở các trạm (tương thích với chuẩn 802.11) đang ở trong chế độ DCF. Mỗi trạm trên mạng sử dụng chế độ DCF đều phải đợi cho đến khi DIFS trôi qua trước khi có thể truyền dữ liệu. Tất cả các trạm hoạt động dựa trên chế độ DCF sử dụng DIFS để truyền các frame dữ liệu hoặc frame điều khiển. Khoảng thời gian DIFS này làm cho việc truyền các frame sẽ có độ ưu tiên thấp hơn các frame trong chế độ PCF. Thay vì tất cả các trạm đều cho rằng đường truyền đang rỗi và tùy ý bắt đầu việc truyền frame đồng thời ngay sau khi khoảng thời gian DIFS vừa kết thúc (điều này sẽ gây nên xung đột), mỗi trạm đều sử dụng 1 thuật toán gọi là Random Back-Off để xác định phải đợi thêm bao lâu trước khi bắt đầu việc truyền dữ liệu của nó.
2.4. Kết nối WLAN với Internet 2.4.1. Chức năng của AP 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