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
29
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
30
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 31 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
32
• 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
trong mạng Ad-hoc liên lạc trực tiếp với nhau. Một Wireless LAN nhỏ nhất cĩ thể chỉ bao gồm 2 STA.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
33
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 kết logic giữa các Wireless LAN với nhau.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
34 • 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
35 • 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
36 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:
- Sử dụng mơi trường vơ tuyến cho những truy cập từ các station STA.
- Do Wireless LAN dùng sĩng radio nên khơng được bảo vệ bởi tín hiệu bên ngồi.
- Truyền thơng thơng qua những tín hiệu vơ tuyến, khơng truyền di những tín hiệu thực như lớp vật lý của LAN.
- Cĩ những mơ hình mạng năng động và mềm dẻo.
- Đường truyền cĩ thể khơng đầy đủ, vì vậy khơng phải một station cĩ thể
nhận tí hiệu từ tất cả các station khác.
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
37 Vì những giới hạn trong phạm vi của PHY trong Wireless LAN, nên Wireless LAN hướng tới việc chuyên sử dụng các vùng chồng lấn lên nhau để tăng chất lượng truyền dữ liệu.
2.3.2 Cấu trúc của Wireless LAN
2.3.2.1 Các lớp cấu trúc của mạng LAN truyền thống (IEEE 802.x)
Giống như LAN truyền thống Wireless LAN cĩ các lớp thực thể như sau [2][9]:
Hình 2-7:Mối quan hệ giữa các lớp của LAN và mơ hình OSI
• Lớp LLC (802.2)
- Hỗ trợ liên lạc ngang hàng trong mạng LAN, độc lập với phương thức truy cập phía dưới.
- Phân đoạn và hợp lại các dữ liệu trong lớp MAC hay các gĩi dữ liệu. • Lớp MAC (802.3)
- Kết nối, cung cấp các dịch vụ dữ liệu khơng đồng bộ cho LLC.
- Dựa trên cơ chế cảm nhận sĩng, sĩng mang tránh sự tranh chấp (CSMA/CD)
để chia sẻ mơi trường truy nhập. • Lớp PHY
- Cung cấp các kỹ thuật xử lý tín hiệu.
- Hỗ trợ các giao tiếp truyền (như cáp, cáp quang, cáp đồng).
OSI (ISO 7498) Data Link (DLC) CSMA/CD MAC (802.3u) Token Bus MAC (802.4) LCC (802.2) Physical CSMA/CD MAC (802.3) PHY (802.3) PHY 100 Mbit/s CSMA/CD MAC (802.3z) CSMA/CA MAC (802.11x) PHY PHY 100 Mbit/s PHY Token Ring MAC (802.5) PHY IEEE 802.x ISO 8802/x Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet WLAN Layer 1 Layer 2
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
38
2.3.2.2 Mối quan hệ giữa các lớp trong Wireless LAN
Trong Wireless LAN hai lớp MAC và PHY cĩ các thực thể quản lý là MLME và PLME, các thực thể này cung cấp các giao tiếp dịch vụ quản lý lớp thơng qua các chức năng quản lý lớp.
Để cung cấp các thơng tin cho các hoạt động ở lớp MAC được chính xác, thực thể quản lý station (SME) sẽ hiện diện trong mỗi STA. SME là một thực thể lớp độc lập được xem như tồn tại trong một phần quản lý riêng biệt. Chức năng chính xác của SME khơng được nêu cụ thể trong tiêu chuẩn 802.11. SME sẽ thực hiện những chức năng đại diện cho các thực thể quản lý hệ thống và thực hiện các thủ tục quản lý tiêu chuẩn.
Hình 2-8:Mơ tả mối quan hệ giữa các thực thể quản lý
Các thực thể khác trong Wireless LAN như sau:
- MAC SAP cung cấp kết nối MAC với các lớp LLC trong mơ hình OSI. - PHY SAP cung cấp các dịch vụ giữa MAC và PHY.
- MLME SAP cung cấp giao tiếp giữa thực thể quản lý lớp MAC và thực thể
quản lý station SME.
- PLME SAP cung cấp giao tiếp giữa thực thể quản lý lớp PHY với thực thể
quản lý station SME và thực thể quản lý lớp MAC.
MAC PHY SAP Các thủ tục hội tụ lớp PHY(PLCP) Lớp con phụ thuộc mơi trường vật lý (PMD) Thực thể quản lý lớp MAC (MLME) PLME SAP Thực thể quản lý lớp PHY (PLME) Thực thể quản lý trạm (SME) MLME S A P PLM E S A P PMD SAP MAC SAP
KHOA CNTT –
ĐH KHTN
39
2.3.2.3 Các dịch vụ hỗ trợ hoạt động mạng
Trong Wireless LAN, những dịch vụ khác nhau sẽ tương ứng với các thành phần khác nhau của kiến trúc. Cĩ 2 loại dịch vụ đĩ là: SS (dịch vụ trạm) và DSS (Dịch vụ hệ thống phân bố). Cả hai loại dịch vụ này đều được định nghĩa trong lớp MAC.
Tập hợp tất cả các dịch vụ trong một Wireless LAN bao gồm: 1. Distribution
Đây là dịch vụ được sử dụng cho mỗi lần gửi dữ liệu bởi các Station trong Infrastrure network. Một khi AP nhận được một frame, AP sử dụng dịch vụ phân phối để gửi frame đĩ đến đích. Tất cả thơng điệp cĩ sử dụng AP, kể cả các thơng điệp giữa hai station cĩ kết nối với cùng một AP đều phải thơng qua dịch vụ phân phối.
2. Intergration
Kết hợp là dịch vụđược cung cấp bởi DS; nĩ cho phép các kết nối các mạng khác với mạng IEEE 802.11. Chức năng kết hợp là chức năng
đặc trưng của DS nên khơng được mơ tả trong 802.11, 802.11 chỉ mơ tả điều kiện mà chức năng kết hợp phải yêu cầu.