Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.5. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây
1.5.3. Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong một khu vực lân cận với nhau nên lớp MAC cung cấp cơ chế để các nút xác định khi nào kênh nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.
Lớp 802.15.4 MAC cung cấp cơ chế quản lý truy nhập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho việc đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA) để truy nhập kênh truyền. Trong đó, điều phối viên PAN chỉ định các khe thời gian cho thiết bị trong mạng PAN và thực hiện việc lập lịch trình thông qua sự truyền tải các bản tin báo hiệu. Đây là chế độ báo hiệu, tuy nhiên không được sử dụng rộng rãi bởi các giao thức chạy trên chuẩn 802.15.4.
Việc quản lý truy nhập kênh truyền thực hiện theo cơ chế CCA được hỗ trợ bởi lớp vật lý. Trước khi gửi một gói tin, lớp MAC yêu cầu lớp vật lý thực hiện một kiểm tra CCA. Nếu CCA nhận thấy rằng một nút khác hiện đang sử dụng kênh truyền thì lớp MAC sẽ không thực hiện việc truyền gói tin của nó. Thay vào đó, lớp MAC sẽ đợi một thời gian nhất định và thử gửi lại gói tin một lần nữa.
Lớp MAC thực hiện xác nhận sự hợp lệ các khung đến bằng việc tính toán kiểm tra dư vòng 16 bit (CRC) của toàn bộ khung. CRC được sử dụng để kiểm tra các lỗi truyền trong khung và được tính toán bởi nút gửi khung. Nó được thêm vào các gói tin được truyền đi. Nếu CRC được tính toán bởi nút nhận không khớp CRC ở cuối khung thì nút nhận sẽ loại bỏ khung.
Lớp MAC cung cấp một cơ chế tự động xác nhận các khung dữ liệu. Nếu một khung đến có thiết lập bit xác nhận thì lớp MAC sẽ gửi đi một khung xác nhận. Khung xác nhận chỉ được gửi đi khi địa chỉ đích của khung đến giống địa chỉ của thiết bị và nếu CRC của khung đến hợp lệ. Khung xác nhận không được định địa chỉ rõ ràng đến nút gửi khung dữ liệu, mà được quảng bá đến tất cả các nút. Chính điều này dẫn đến việc nhiều giao thức lớp trên chạy trên chuẩn 802.15.4 thực hiện các cơ chế xác nhận của riêng chúng.
1.5.4. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4
Các giao thức truyền thông xác định một định dạng gói tin chung sao cho tất cả các nút biết cách để xây dựng và phân tích các gói tin từ những nút khác. Định dạng gói tin bao gồm ba phần đó là: Phần tiêu đề, phần dữ liệu và phần kết thúc khung. Phần tiêu đề bao gồm dữ liệu điều khiển như các địa chỉ, các số thứ tự và các cờ. Phần dữ liệu là dữ liệu của lớp phía trên. Do đó, cấu trúc của phần dữ liệu thông thường không xác định nhưng được chuyển đến các giao thức lớp trên để xác định rõ. Phần kết thúc khung thường chứa một kiểm tra tổng hoặc các chữ ký mật mã. Phần kết thúc khung này có thể được tính toán trong khi gói tin được truyền đi. Phần kết thúc này sẽ được gửi đi sau khi phần còn lại của gói tin đã được gửi.
Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC. Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một định dạng gói tin chung cho tất cả các gói tin được truyền đi. Định dạng gói bao gồm một phần lớp vật lý và một phần lớp MAC. Lớp vật lý bổ sung phần tiêu đề đồng bộ hóa và lớp MAC bổ sung một phần tiêu đề và phần kết thúc khung. Định dạng phần tiêu đề được minh họa trong hình 1.10.
Phần tiêu đề được thêm vào bởi lớp vật lý bao gồm một mở đầu khung (Preamble), một bắt đầu giới hạn khung SFD (Start of Frame Delimiter) và một trường độ dài. Mở đầu khung được sử dụng để đồng bộ hóa nút gửi và nút nhận để nút nhận có thể nhận được chính xác gói tin phía sau. Bắt đầu giới hạn khung SFD báo cho nút nhận biết được sự kết thúc phần mở đầu và bắt đầu khung. Trường độ dài 1 byte báo cho nút nhận biết có bao nhiêu byte ở phía sau. Chiều dài tối đa của gói tin là 127 byte.
Phần tiêu đề lớp MAC gán trực tiếp ngay sau phần tiêu đề lớp vật lý. Phần tiêu đề lớp MAC có hai byte điều khiển, được gọi là điều khiển khung. Phần chứa các cờ để báo cho nút nhận biết cách để phân tích được phần còn lại của tiêu đề cũng như các cờ để xác định xem các khung có cần phải xác nhận hay không. Sau các byte điều khiển khung là một byte số thứ tự. Số thứ tự được sử dụng để kết hợp với các gói tin xác nhận. Gói tin xác nhận mang cùng số thứ tự với gói tin dữ liệu.
Sau các byte số thứ tự và điều khiển khung là các trường địa chỉ. Chúng chứa địa chỉ của nút gửi gói tin và nút nhận gói tin cũng như các nhận dạng mạng PAN phía gửi và phía nhận. Tất cả các trường địa chỉ này là tùy chọn. Sự có mặt của chúng được chỉ ra bởi các cờ trong trường điều khiển khung. Các trường địa chỉ được sử dụng bởi phía thu để xác định xem một gói
tin nhận được có phải dành cho nó hay không. Theo sau các trường địa chỉ là trường bảo mật tùy chọn chứa dữ liệu cho quá trình xử lý bảo mật, chẳng hạn như trường kiểm tra tính toàn vẹn bản tin bằng mật mã MIC (Message Integrity Check).
Dữ liệu theo sau phần mào đầu lớp MAC và nó có thể dài từ 86 đến 116 byte. Độ dài của phần dữ liệu phụ thuộc vào các trường tùy chọn trong lớp MAC được sử dụng. Cấu trúc phần dữ liệu trong khung 802.15.4 không được xác định bởi chuẩn IEEE 802.15.4 nhưng được xác định bởi các giao thức hoặc các ứng dụng chạy trên chuẩn 802.15.4.
Ở phía cuối của gói 802.15.4 là chuỗi kiểm tra khung (FCS - Frame Check Sequence), nó chứa CRC mà lớp MAC sử dụng để kiểm tra nếu như các gói tin đến cần được loại bỏ khi có các bit lỗi.