CHƯƠNG I I : MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY
2.5 Các chuẩn thông dụng của mạng Wlan
2.5.1 Các chuẩn IEEE 802.11
2.5.1.1 : Mô tả các lớp chuẩn IEEE 802.11
a/ Lớp Mac (Media Access Control )
Lớp MAC 802.11 cung cấp khả năng hoạt động để cho phép sự phân phối dữ liệu có thể tin cậy cho các lớp cao hơn qua mơi trường PHY vơ tuyến. Chính sự phân phát dữ liệu dựa trên sự phân phát không đồng bộ, không kết nối của dữ liệu lớp MAC. Khơng có sự đảm bảo cho các frame sẽ được phân phát thành công.
MAC 802.11 cung cấp một phương thức truy cập được điều khiển tới môi trường vô tuyến chia sẽ gọi là CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). CSMA/CA tương tự như phương thức truy cập dị tìm sự đụng độ được triển khai bởi các LAN Ethernet 802.3 .
Trước khi các thiết bị WLAN truyền gói tin, chúng phải lắng nghe hoạt động của mơi trường xung quanh để xác định chúng có được phép truyền hay khơng. Các hoạt động vơ tuyến có các thơng tin điều khiển mà chúng định nghĩa khoảng thời gian các thiết bị khơng được phép truyền bởi vì các thiết bị khác đang truyền hoặc sẽ truyền trong khoảng thời gian này. Nếu như thiết bị lắng nghe và khơng có một hoạt động trao đổi thơng tin nào trong hệ thống, thì nó có thể bắt đầu truyền. Nếu như một thiết bị không nhận được sự phản hồi cho gói tin thăm dị, nó sẽ trì hỗn việc truyền tiếp theo trong một khoảng thời gian. Các thiết bị còn bị giới hạn về thời gian nó truy cập (giới hạn số lập lại) tới các thiết bị khác.
Các phương thức điều khiển truy cập tới các hệ thống WLAN có thể là ngẫu nhiên hoặc được sắp xếp. Họat động của hệ thống WLAN có thể tập trung, phân tán hoặc là kết hợp cả hai. Khi họat động của hệ thống là ngẫu nhiên, nó được gọi là DCF. Khi hoạt động của mạng được điều khiển, nó được gọi là PCF.
DCF cho phép hoạt động độc lập của các thiết bị dữ liệu vô tuyến. Trong một hệ thống dựa trên sự tranh chấp DCF, các thiết bị trao đổi thông tin yêu cầu một cách ngẫu nhiên các dịch vụ từ các kênh bên trong một hệ thống trao đổi thơng tin. Bởi vì các u cầu trao đổi thông tin xảy ra một cách ngẫu nhiên, nên hai hay nhiều thiết bị có thể yêu
bao gồm việc yêu cầu các thiết bị phán đoán các hoạt động trước khi truyền và lắng nghe các dịch vụ nó yêu cầu có bị xung đột. Nếu thiết bị yêu cầu không nhận được một phản hồi cho yêu cầu của nó, nó sẽ trì hỗn trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi truy cập lại.
Hình 13 : DCF
PCF là chế độ hoạt động của các thiết bị vô tuyến được điều khiển (chế độ Infrastructure). Trong một hệ thống được điều khiển, các thiết bị trao đổi thông tin đợi cho đến khi nhận được một thông tin phản hồi trước khi chúng truyền bất kỳ một thơng tin nào. Bởi vì việc trao đổi thơng tin giữa các thiết bị được điều khiển bởi một thiết bị trung tâm nên ít có xung đột xảy ra. Để xác nhận dữ liệu truyền đã được nhận thành cơng, thơng tin thăm dị sẽ có chứa thơng tin về trạng thái của các gói tin mà đã được nhận. Nếu thiết bị gửi khơng nhận một sự xác nhận của việc truyền trong gói tin thăm dị, nó sẽ truyền lại dữ liệu..
Hình 14 : PCF
Có thể để kết hợp các lợi ích của DCF và PCF thành một hệ thống tốt hơn. Sự kết hợp dựa trên các khoảng thời gian đặc trưng được chỉ định trong DCF và PCF. Bằng việc kết hợp các q trình này, có thể đảm bảo việc truyền dữ liệu dịch vụ thời gian thực và cho phép truy cập ngẫu nhiên.
Để điều khiển các luồng cho gói tin, các gói tin điều khiển hệ thống 802.11 được sử dụng. Các gói tin điều khiển bao gồm yêu cầu để gửi (RTS), xóa để gửi (CTS), ACK, PS-Poll (Power save poll), CF-END (Contention free end) và CF- End+ACK.
Gói tin RTS được sử dụng để khai báo cho các trạm tránh đụng độ. Gói tin CTS được truyền từ trạm khai báo trong gói tin RTS để các trạm khác biết được một gói tin sắp được truyền. Gói tin ACK được sử dụng để xác nhận gói tin đã được nhận thành cơng. Gói tin PS-Poll được sử dụng để u cầu việc truyền các gói tin được giữ trong chế độ tiết kiệm năng lượng. Gói tin CF-END và CF-END+ACK được sử dụng để mở khóa việc hạn chế truyền
Chức năng thứ ba của MAC 802.11 là để bảo vệ dữ liệu đang được phân phối bằng việc cung cấp các chức năng an toàn và bảo mật. Sự bảo mật được cung cấp bởi các dịch vụ thẩm định quyền
b/ Lớp vật lý (Physical Layer )
Lớp vật lý 802.11 là trung gian giữa MAC và môi trường vô tuyến nơi mà các frame được truyền và nhận. PHY cung cấp ba chức năng.
Đầu tiên, PHY cung cấp một giao diện để trao đổi các frame với lớp MAC ở trên cho việc truyền và nhận dữ liệu.
Thứ hai, PHY sử dụng điều chế sóng mang tín hiệu và phổ trải rộng để truyền các frame dữ liệu qua môi trường vô tuyến.
Thứ ba, PHY cung cấp một dấu hiệu cảm ứng sóng mang trở lại MAC để kiểm tra hoạt động trên môi trường.
802.11 cung cấp ba định nghĩa PHY khác nhau: cả FHSS và DSSS hỗ trợ tốc độ dữ liệu 1 Mbps và 2 Mbps. Một sự mở rộng của kiến trúc 802.11 (802.11a) định nghĩa các kỹ thuật đa thành phần có thể đạt được tốc độ dữ lịêu tới 54 Mbps. Một sự mở rộng khác (802.11b) định nghĩa tốc độ dữ liệu 11 Mbps và 5.5 Mbps tận dụng một sự mở rộng tới DSSS được gọi là High Rate DSSS (HR/DSSS). 802.11b còn định nghĩa một kỹ thuật thay đổi tốc độ mà từ mạng 11 Mbps xuống còn 5.5 Mbps, 2 Mbps, hoặc 1 Mbps dưới các điều kiện nhiễu hoặc để hoạt đông với các lớp PHY 802.11 thừa kế.
2.5.1.2 : Nguồn gốc ra đời chuẩn 802.11
Viện kỹ thuật điện– điện tử Mỹ (IEEE- Institute of Electrical and Electronic Enginrneers) là tổ chức nghiên cứu, phát triển và cho ra đời nhiều chuẩn khác nhau liên qua đến mạng LAN như: 802.3 cho Ethernet, 802.5 Token Ring, 802.3z 100BASE - T . IEEE được chia thành các nhóm phát triển khác nhau : 802.1, 802..2, …..Mỗi nhóm đảm nhận nghiên cứu về một lĩnh vực riêng.
Cuối những năm 1980, khi mà mạng không dây bắt đầu được phát triển, nhóm 802.4 của IEEE nhận thấy phương thức truy cập token của chuẩn LAN khơng có hiệu quả khi áp dụng cho mạng khơng dây. Nhóm này đề nghị xây dựng một chuẩn khác để áp dụng cho mạng không dây. Kết quả là IEEE đã quyết định thành lập nhóm 802.11 có nhiệm vụ định nghĩa tiêu chuẩn lớp vật lý (PHY – Physical ) và lớp MAC (Medium Access Control) cho WirelessLAN.
Chuẩn đầu tiên mà IEEE cho ra đời là IEEE 802.11 vào năm 1997.Tốc độ đạt được là 2Mbps sử dụng phương pháp trải phổ trong băng tần ISM không quản lý ( băng tần dành cho công nghiệp, khoa học và y học). Tiếp sau đó là các chuẩn IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g. Và mới đây là sự ra đời của chuẩn IEEE 802.11i và IEEE 802.11n
2.5.1.3 IEEE 802.11b
Kiến trúc , đặc trưng, và các dịch vụ cung cấp cơ bản của 802.11b giống với chuẩn ban đầu 802.11. Nó chỉ khác so với chuẩn ban đầu ở tầng vật lý. 802.11b cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu cao hơn và kết nối hiệu quả hơn.
Kỹ thuật mã hoá cho chuẩn 802.11 cung cấp tốc độ từ 1-2Mbps, thấp hơn tốc độ của chuẩn 802.3. Kỹ thuật duy nhất có khả năng cung cấp tốc độ cao hơn là DSSS, được lựa chọn như là một chuẩn vật lý hỗ trợ tốc độ 1-2 Mbps và hai tốc độ mới là 5.5 và 11Mbps.
Để tăng tốc độ truyền lên cho chuẩn 802.11b, vào năm 1998, Lucent và Harris đề xuất cho IEEE một chuẩn được gọi là Complementary Code Keying(CCK). CCK sử dụng một tập 64 word các mã 8bit, do đó 6 bit có thể được đại diện bởi bất kỳ code word nào. Và là một tập hợp những code word này có các đặc tính tốn học duy nhất cho phép chúng được bên nhận nhận ra một cách chính xác với các kỹ thuật khác, ngay cả khi có sự hiện diện của nhiễu.
Với tốc độ 5.5 Mbps sử dụng CCK để mã hố 4 bit mỗi sóng mang, và với tốc độ 11 Mbps mã hố 8 bit mỗi sóng mang. Cả hai tốc độ đều sử dụng QPSK làm kỹ thuật điều chế và tín hiệu ở 1.375 MSps. Vì FCC điều chỉnh năng lượng đầu ra thành 1 watt Effective Isotropic Radiated Power(EIRP). Do đó với những thiết bị 802.11, khi di chuyển ra khỏi sóng radio, radio có thể thích nghi và sử dụng kỹ thuật m. hố ít phức tạp hơn để gửi dữ liệu và kết quả là tốc độ chậm hơn.
Một trong những nhược điểm của IEEE 802.11b là băng tần dễ bị nghẽn và hệ thống dễ bị nhiễu bởi các hệ thống mạng khác, lò vi ba, các loại điện thoại hoạt động ở tần số 2.4 GHz và các mạng Bluetooth. Đồng thời IEEE 802.11b cũng có những hạn chế như: thiếu khả năng kết nối giữa các thiết bị truyền giọng nói, khơng cung cấp dịch vụ QoS (Quality of Service) cho các phương tiện truyền thơng.
Mặc dù vẫn cịn một vài hạn chế và nhược điểm nhưng chuẩn 802.11b (thường gọi là Wifi) là chuẩn thông dụng bởi sự phù hợp của nó trong các mơi trường sử dụng mạng khơng dây.
2.5.1.4 IEEE 802.11a
Chuẩn 802.11b sử dụng kỹ thuật mã hoá dựa trên DSSS, một kỹ thuật được phát triển bởi quân đội. Không giống 802.11b, 802.11a được thiết kế để hoạt động ở băng tần 5 GHz Unlicensed National Information Infrastructure (UNII). Không giống như băng tần ISM (khoảng 83 MHz trong phổ 2.4 GHz), 802.11a sử dụng gấp 4 lần băng tần ISM vì UNII sử dụng phổ khơng nhiễu 300MHz, 802.11a sử dụng kỹ thuật FDM.
Ích lợi đầu tiên của 802.11a so với 802.11b là chuẩn hoạt động ở phổ 5.4 GHz, cho phép nó có hiệu suất tốt hơn vì có tần số cao hơn. Nhưng vì chuyển từ phổ 2.4GHz lên 5GHz nên khoảng cách truyền sẽ ngắn hơn và yêu cầu nhiều năng lượng hơn.Đó là lý do tại sao chuẩn 802.11a tăng EIRP đến tối đa của 50 mW. Phổ 5.4 GHz được chia thành 3 vùng hoạt động và mỗi vùng có giới hạn cho năng lượng tối đa.
Ích lợi thứ hai dựa trên kỹ thụât mã hoá sử dụng bởi 802.11a. 802.11a sử dụng một phương thức mã hoá được gọi là coded orthogonal FDM(COFDM hay OFDM). Mỗi kênh phụ trong sự thực thi COFDM có độ rộng khoảng 300 kHz. COFDM hoạt động bằng cách chia nhỏ kênh truyền dữ liệu tốc độ cao thành nhiều kênh truyền phụ có tốc độ thấp hơn, và sau đó sẽ được truyền song song. Mỗi kênh truyền tốc độ cao có độ rộng là 20MHz và được chia nhỏ thành 52 kênh phụ, mỗi cái có độ rộng khoảng 300 kHz.
COFDM sử dụng 48 kênh phụ cho việc truyền dữ liệu, và 4 kênh còn lại được sử dụng cho sửa lỗi. COFDM có tốc độ truyền cao hơn và có khả năng phục hồi lỗi tốt hơn, nhờ vào kỹ thuật mã hố và sửa lỗi của nó. Mỗi kênh phụ có độ rộng khoảng 300 kHz. Để mã hố 125 kbps thì BPSK được sử dụng cho tốc độ khoảng 6000 kbps. Sử dụng QPSK thì có khả năng mã hố tới 250 kbps mỗi kênh, cho tốc độ khoảng 12Mbps. Bằng cách sử dụng QAM 16 mức mã hoá 4bit/Hertz, và đạt được tốc độ 24 Mbps. Tốc độ 54 Mbps đạt được bằng cách sử dụng 64 QAM, cho phép từ 8-10 bit cho mỗi vòng, và tổng cộng lên đến 1.125 Mbps cho mỗi kênh 300 kHz. Với 48 kênh cho tốc độ 54 Mbps, tuy nhiên, tốc độ tối đa theo lý thuyết của COFDM là 108 Mbps.
Tất cả các băng tần dùng cho Wireless LAN là khơng cần đăng ký, vì thế nó dễ dàng dẫn đến sự xung đột và nhiễu. Để tránh sự xung đột này, cả 802.11a và 802.11b đều có sự điều chỉnh để giảm các mức của tốc độ truyền dữ liệu. Trong khi 802.11b có các tốc độ truyền dữ liệu là 5.5 ; 2 và 1 Mbps thì 802.11a có bảy mức (48, 36, 24, 18, 12, 9, và 6 ).
2.5.1.5 IEEE 802.11g
Mặc dù chuẩn 802.11a có tốc độ nhanh (54 Mbps), hoạt động tại băng tần cao (5 GHz ) nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là khơng tương thích với chuẩn 802.11b. Vì thế sẽ khơng thể thay thế hệ thống đang dùng 802.11b mà không phải tốn kém quá nhiều. IEEE đã cho ra đời chuẩn 802.11g nhằm cải tiến 802.11b về tốc độ truyền cũng như băng thơng. 802.11g có hai đặc tính chính sau đây:
• Sử dụng kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), để
có thể cung cấp các dịch vụ có tốc độ lên tới 54Mbps. Trước đây, FCC (Federal Communication Commission- USA) có cấm sử dụng OFDM tại 2,4GHz. Nhưng hiện nay FCC đã cho phép sử dụng OFDM tại cả hai băng tần 2.4GHz và 5GHz.
• Tương thích với các hệ thống 802.11b tồn tại trước. Do đó, 802.11g
cũng có hỗ trợ CCK và thiết bị 802.11g cũng có thể giao tiếp với thiết bị 802.11b có sẵn
Một thuận lợi rõ ràng của 802.11g là tương thích với 802.11b (được sử dụng rất rộng rãi ) và có được tốc độ truyền cao như 802.11a . Tuy nhiên số kênh tối đa mà 802.11g được sử dụng vẫn là 3 như 802.11b. Bên cạnh đó, do hoạt động ở tần số 2,4 GHz như 802.11b, hệ thống sử dụng 802.11g cũng dễ bị nhiễu như 802.11b.
2.5.1. 6 IEEE 802.11i
Nó là chuẩn bổ sung cho các chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g về vấn đề bảo mật. Nó mơ tả cách mã hóa dữ liệu truyền giữa các hệ thống sử dụng các chuẩn này. 802.11i định nghĩa một phương thức mã hoá mạnh mẽ gồm Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) và Advanced Encryption Standard (AES).
2.5.1.7 IEEE 802.11n
Nhóm phát triển chuẩn 802.11 của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử (IEEE) đưa ra chuẩn 802.11n cánh đây 3 năm. Chuẩn Wi-Fi này có khả năng duy trì tốc độ trao đổi dữ liệu không dây vượt mức 100Mbps.
Để đạt được tốc độ này chuẩn đưa ra đề xuất sử dựng nhiều anten hơn. Cụ thể là sử dụng 2 anten, 1 để thu và 1 đê phát tín hiệu thay vì 1 anten như các chuẩn trước.
Công nghệ MIMO sẽ là thành phần cốt yếu của chuẩn 802.11n, cung cấp phạm vi phủ sóng WLAN ổn định hơn với tỷ lệ truyền dữ liệu siêu nhanh. Nó sẽ cho phép người dùng thực hiện nhiều công việc hơn với Wi-Fi, đặc biệt trong các ứng dụng đa phương tiện. Với các khách hàng doanh nghiệp, chuẩn không dây mới này cuối cùng sẽ vượt qua tốc độ của mạng nội bộ truyền thống.
2.5.1.8 Một số chuẩn 802.11 khác
• IEEE 802.11h: Hướng tới việc cải tiến công suất phát và lựa chọn kênh của chuẩn IEEE 802.11a, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn của thị trường châu Âu.
• IEEE 802.11j: Sự hợp nhất trong việc đưa ra phiên bản tiêu chuẩn chung của hai tổ chức tiêu chuẩn IEEE và ETSI (European Telecommunications Standards Institute) trên nền IEEE 802.11a và HiperLAN/2.
• IEEE 802.11k: Cung cấp khả năng đo lường mạng và sóng vơ tuyến thích hợp cho các lớp cao hơn.