Mô hình OSI (Open System Interconnection) là mô hình được tổ chức ISO đề xuất từ 1977 và công bố lần đầu vào 1984. Để các máy tính và các thiết bị mạng có thể truyền thông với nhau phải có những qui tắc giao tiếp được các bên chấp nhận. Mô hình OSI là một khuôn mẫu giúp chúng ta hiểu dữ liệu đi xuyên qua mạng như thế nào đồng thời cũng giúp chúng ta hiểu được các chức năng mạng diễn ra tại mỗi lớp. Trong mô hình OSI có bảy lớp, mỗi lớp mô tả một phần chức năng độc lập. Chuẩn IEEE 802.11 định nghĩa lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) cho các mạng WLAN.
7. Application 6. Presentation 5. Session 4. Transport 3. Network 2. Data Link 1. Physical 802.3 Ethernet 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.11 Wireless LAN 802.2 Logical Link Control (LLC)
PHY MAC
Hình 3.3 Vị trí của 802.11 trong mô hình OSI
Lớp Vật Lý PHY:
- 802.11 cung cấp ba định nghĩa PHY khác nhau: cả FHSS và DSSS hỗ trợ tốc độ dữ liệu 1Mbps và 2Mbps. 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 liệu tới 54Mbps. Một sự mở rộng khác (802.11b) định nghĩa tốc độ dữ liệu 11Mbps và
5.5Mbps tận dụng một sự mở rộng tới DSSS được gọi là HR/DSSS (High Rate). 802.11b còn định nghĩa một kỹ thuật thay đổi tốc độ mà từ mạng 11Mbps xuống còn 5.5Mbps, 2Mbps, hoặc 1Mbps dưới các điều kiện nhiễu hoặc để hoạt đông với các lớp PHY 802.11 thừa kế.
- Hệ thống trải phổ nhảy tần FHSS 2.4GHz và hệ thống IR của chuẩn IEEE 802.11 ít khi được sử dụng. Lớp vật lý OFDM 5GHz có phạm vi hạn chế (xấp xỉ 15m) nên nó ít được sử dụng. Đa số các sản phẩm hiện tại thực hiện công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) theo chuẩn IEEE 802.11b ở tốc độ dữ liệu lên trên tới 11Mbps do lợi thế khả năng thực hiện và giá thành của nó. - Lớp vật lý của IEEE 802.11 tương ứng hoàn toàn với lớp vật lý trong mô hình OSI chuẩn. Lớp vật lý cung cấp sự kết nối cho phép truyền các khung dữ liệu MAC từ trạm này đến trạm khác qua môi trường truyền. Lớp vật lý PHY được chia thành 2 phân lớp và thực thể chức năng quản lý lớp vật lý:
Phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý PMD (Physical Medium Depentdant): xử lý các thuộc tính của môi trường vô tuyến (tức là các phương pháp trải phổ) và xác định cách phát và thu dữ liệu thông qua môi trường (ví dụ như điều chế và mã hóa).
Phân lớp hội tụ lớp vật lý PLCP (Physical Layer Covergence Procedure): xác định phương pháp chuyển đổi các đơn vị dữ liệu giao thức phân lớp MAC vào một khuôn dạng gói thích hợp cho phân lớp PMD. Nó cũng có thể thực hiện cảm biến sóng mang (ấn định kênh) cho phân lớp MAC.
Chức năng quản lý lớp vật lý PLME (Physical Layer Management Entity): thực hiện quản lý các chức năng lớp vật lý kết hợp với các thực thể quản lý MAC.
- PHY cung cấp một giao diện để trao đổi các khung (frame) với lớp MAC ở trên cho việc truyền và nhận dữ liệu. PHY sử dụng điều chế sóng mang tín hiệu và phổ trải rộng để truyền các khung dữ liệu qua môi trường vô tuyến. PHY cung cấp một dấu hiệu cảm ứng sóng mang trở lại MAC để kiểm tra hoạt động trên môi trường.
802.11 2Mbps S-Band ISM FHSS PHY MAC 802.11b 11Mbps S-Band ISM DSSS 802.11a 54Mbps S-Band ISM OFDM 802.11g 54Mbps S-Band ISM OFDM CSMA/CA
802.2 Logical Link Control (LLC)
Hình 3.4 Lớp vật lý của 802.11
Lớp Điều khiển truy nhập môi trường MAC (Media Access Control):
- Đặc trưng nhất của IEEE 802.11 chính là lớp con MAC. Lớp con MAC quy định các phương thức truy nhập kênh, truyền khung dữ liệu và tương tác với môi trường mạng bên ngoài. Trong khi lớp vật lý chuẩn IEEE 802.11 khác với chuẩn IEEE 802.3 Ethernet, thì chỉ tiêu kỹ thuật của MAC tương tự như chỉ tiêu kỹ thuật của MAC Ethernet chuẩn IEEE 802.3 cộng với Điều khiển liên kết Logic (LLC) chuẩn IEEE 802.2, nó làm cho không gian địa chỉ MAC chuẩn IEEE 802.11 thích hợp với không gian địa chỉ MAC của các giao thức IEEE 802.
- Trong khi MAC Ethernet chuẩn IEEE 802.3 thực chất là đa truy cập nhạy sóng mang phát hiện va chạm CSMA/CD, thì MAC chuẩn IEEE 802.11 là đa truy cập cảm ứng sóng mang chống va chạm CSMA/CA. Sự khác nhau này là do không có phương cách thiết thực để truyền và nhận cùng lúc trên môi trường không dây.
- Ngoài các tính năng chuẩn được thực hiện bởi các lớp MAC, lớp MAC chuẩn IEEE 802.11 còn thực hiện chức năng khác liên quan đến các giao thức lớp trên như phân đoạn, phát lại gói dữ liệu, và các ghi nhận.
- Kiến trúc của lớp con MAC trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 bao gồm hai chức năng phối hợp cơ bản là chức năng phối hợp phân bố DCF (Distribution Coordiration Funtion) và chức năng phối hợp điểm PCF (Point Coordiration Funtion). Mỗi chức năng định nghĩa một phương thức hoạt động khác nhau cho trạm muốn truy nhập vào môi trường không dây. Chức năng phối hợp
được hiểu như là chức năng quyết định việc khi nào một trạm ở trong BSS được phép truyền hay nhận một phân đoạn đơn vị dữ liệu giao thức MAC ở môi trường vô tuyến.
- Chế độ hoạt động DCF là bắt buộc đối với tất cả các ứng dụng, còn chức năng PCF là tuỳ chọn, DCF không sử dụng bất cứ loại điều kiện trung tâm nào, bản chất của nó là một giao thức MAC đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh va chạm CSMA/CA. Chế độ còn lại PCF sử dụng trạm nền để điều khiển toàn bộ các hoạt động, nó hoạt động tương tự như một hệ hở vòng.
Yêu cầu cho dịch vụ không cạnh tranh
Sử dụng cho các dịch vụ cạnh tranh và cơ sở cho
PCF
Chức năng phối hợp điểm (PCF)
Chức năng phối hợp phân tán (DCF)
MAC Extent
Hình 3.5 Mô hình phân lớp MAC
- Chức năng phối hợp phân bố DCF:
Phương thức truy nhập cơ bản của MAC WLAN IEEE 802.11 là DCF được biết với dưới tên đa truy nhập cảm ứng sóng mang với cơ chế chống va chạm. DCF có thể được áp dụng ở tất cả các trạm, sử dụng cho cả cấu hình IBSS lẫn cấu hình mạng cơ sở hạ tầng.
Khi một trạm muốn truyền tín hiệu, nó sẽ nghe môi trường để xác định xem liệu có một trạm khác đang truyền hay không. Nếu môi trường được xác định là không bận, quá trình chuyển đổi có thể diễn ra. Cơ chế truy nhập CSMA/CA bắt buộc phải có một khe thời gian tối thiểu tồn tại giữa các khung truyền đi liên tục. Một trạm đang truyền phải đảm bảo rằng môi
trường đang rỗi trong khoảng thời gian này trước khi truyền. Nếu môi trường được xác định là bận, trạm sẽ chờ cho kết thúc quá trình truyền hiện tại. Sau khi chờ, hoặc trước khi cố gắng truyền lại ngay lập tức sau một lần truyền thành công, trạm sẽ chọn một khoảng thời gian ngừng (backoff) ngẫu nhiên và sẽ giảm bộ đếm thời gian ngừng.
Giao thức truy nhập môi trường cơ sở là DCF, nó cho phép chia sẻ phương tiện tự động giữa các PHY tương thích thông qua sử dụng cơ chế CSMA/CA và một thời gian ngưng ngẫu nhiên sau một trạng thái môi trường bận. Thêm vào đó tất cả các lưu lượng trực tiếp sử dụng xác nhận (khung ACK) tích cực mà tại đó việc truyền dẫn lại được lên kế hoạch bởi bên gửi nếu không nhận được ACK nào.
Giao thức CSMA/CA được thiết kế để giảm xác suất xung đột giữa nhiều trạm cùng truy nhập một môi trường, tại thời điểm xung đột có khả năng xảy ra lớn. Chỉ ngay sau khi phương tiện chuyển sang rỗi là thời điểm mà xác suất xảy ra xung đột lớn nhất. Điều này xảy ra là do có nhiều trạm đang chờ môi trường trở lại. Đây là tình huống đòi hỏi thủ tục ngưng ngẫu nhiên để giải quyết các xung đột môi trường.
- Chức năng phối hợp điểm PCF:
Ngoài DCF, MAC cũng có thể kết hợp một phương pháp truy nhập tùy chọn gọi là PCF, nó chỉ có thể sử dụng trong các cấu hình mạng cơ sở hạ tầng. Phương pháp truy nhập này sử dụng một bộ phối hợp điểm PC (Point Coordiration) hoạt động tại điểm truy nhập của BSS để xác định trạm nào sẽ được phép truyền. Về cơ bản, giao thức này hoạt động giống như sự thăm dò (Polling), trong đó PC đóng vai trò của bộ phận điều khiển thăm dò.
PCF sử dụng cơ chế phát hiện sóng mang ảo được hỗ trợ bởi một cơ chế ưu tiên truy nhập. PCF sẽ phân tán thông tin trong các khung quản lý (Beacom Frame), để thu được quyền quản lý môi trường bằng cách đặt ra các vector cấp phát mạng NAV (Network Allocation Vector) trong các trạm. Thêm vào đó, tất cả các truyền dẫn khung dưới sự điều khiển của
PCF đều sử dụng khoảng thời gian liên khung IFS nhỏ hơn thời gian IFS cho các khung được truyền đi thông qua DCF. Việc sử dụng thời gian liên khung IFS nhỏ hơn có nghĩa là lưu lượng phối hợp điểm sẽ có quyền ưu tiên truy nhập phương tiện truyền thông lớn hơn các trạm trong chế độ hoạt động trong BSS dưới phương pháp truy nhập DCF.
Ưu tiên truy nhập PCF có thể được tận dụng để tạo ra một phương pháp truy nhập không tranh chấp CF (Contension Free). PC sẽ điều khiển việc truyền dẫn khung của các trạm để loại bỏ tranh chấp trong một khoảng thời gian giới hạn nào đó.
Hình 3.6 Lớp MAC của 802.11