CSMA/CD tuy là một giao thức truy nhập đường truyền khá hiệu quả nhưng nó không thể sử dụng được cho mạng WLAN bởi vì các nguyên nhân:
Trạm phát không phát hiện được xung đột khi đang phát bởi vì đặc thù của thiết bị không dây trong mạng WLAN là bán song công (haft-duplex) nên khi trạm phát đang truyền, nếu có lỗi thì nó không thể nhận được thông báo (của trạm phát gói tin bị lỗi) về sự xung đột trên mạng.
Hiện tượng trạm ẩn (Hidden terminal): Mạng không dây có các ranh giới mờ, đôi khi có những vị trí mà nút mạng tại đó không thể liên lạc trực tiếp được với các nút khác trong mạng. Trong hình 2.2, trạm B có thể liên lạc với cả trạm A và C, nhưng trạm A và C không thể liên lạc trực tiếp với nhau (có thể là do khoảng cách giữa chúng quá xa so với nút B do đó sóng vô tuyền không thể đến được đích). Như vậy nút A và C là các nút “ẩn” của nhau. Nếu sử dụng một giao thức CSMA/CD, khi cả A và C đồng thời truyền đến B sẽ xảy ra hiện tượng xung đột trên nút B mà cả A và C đều không hề hay biết. Ngoài ra trạm vẫn thuộc vùng phủ sóng của AP nhưng chỉ "nghe" mà không phát tín hiệu gì cũng được xem là trạm ẩn.
A B C
Hình 2.2: Trạm A và C được xem là "ẩn" đối với nhau
Hiện tượng trạm bị lộ (Exposed terminal): Khi các mạng WLAN sử dụng nhiều AP, hiện tượng này trở nên phổ biến và giao thức CSMA/CD không giải quyết được.
A B C D
Khi trạm B đang gửi dữ liệu tới trạm A và trạm C muốn gửi dữ liệu cho cho trạm D. Theo giao thức CSMA/CD thì C phải đợi tín hiệu CS (Carrier Sense) để được phép truy nhập đường truyền nhưng trạm A và D không nằm trong vùng phủ sóng của nhau nên việc C đợi là không cần thiết.
2.2.2. Giao thức CSMA/CA
Bên phát sẽ lắng nghe trên môi trường truyền và khi môi trường truyền rỗi thì nó sẽ tiến hành gửi dữ liệu ra môi trường truyền, còn không nó sẽ sử dụng giải thuật Back-Off time để tiếp tục chờ. Thuật toán Back-Off sẽ chọn ngẫu nhiên (Random Back-Off) một giá trị từ 0 đến giá trị CW (Contention Window).
Theo mặc định, giá trị CW có thể khác nhau tùy nhà sản xuất và nó được lưu trữ trong card mạng không dây của máy trạm. Giá trị Back-Off tính được bằng cách lấy một số ngẫu nhiên đã chọn ở trên nhân với Slot Time (Random Back-Off chính là số lần Slot Time). Back-Off time là khoảng thời gian bất kỳ mà bên phát phải đợi trước khi có thể giành quyền sử dụng đường truyền nếu phát hiện đường truyền bận. Do Back-Off time của các máy phát là ngẫu nhiên và khác nhau nên đã hạn chế tối đa khả năng xảy ra xung đột đường truyền ngay sau khi đường truyền chuyển sang trạng thái rỗi.
Trường hợp 1 trạm sau khi giành được đường truyền và đã truyền gói tin đi nhưng gói tin đó không đến đích (trạm gửi chưa nhận được ACK biên nhận), trạm gửi sẽ cập nhật lại biến đếm Retry của nó, tăng giá trị CW lên gấp đôi và bắt đầu tiến trình truy nhập đường truyền lại từ đầu. Cứ mỗi lần việc truy nhập đường truyền bất thành (hoặc thành công nhưng việc truyền tin không đến được đích như đã nói ở trên), các trạm sẽ tăng giá trị biến đếm Retry. CW tiếp tục được tăng gấp đôi cho đến khi nó đạt giá trị lớn nhất là CWmax.
CSMA/CA tuy giải quyết triệt để vấn đề xung đột đường truyền nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề trạm ẩn. Nếu có 3 trạm A, B, C như hình vẽ 2.2. Khi A gửi cho B đồng thời C không nhận được tín hiệu "báo bận" trên môi trường truyền, nếu C cũng gửi cho B thì xảy ra sẽ xảy ra xung đột.
CSMA/CA cũng chưa giải quyết được vấn đề trạm bị lộ vì không có có cơ chế phát hiện và xử lý.
2.2.3. Giao thức CSMA/CA + ACK
Giao thức CSMA/CA có sử dụng ACK đã cải tiến CSMA/CA bằng cách thêm thông báo biên nhận ACK. Tiến trình của giao thức này như sau (hình 2.4)
- Bước 1: Phía nhận sẽ gửi ACK ngay sau khi nhận được khung tin mà không cần thăm dò đường truyền. Khung ACK được truyền sau khoảng thời gian SIFS (Short Inter-Frame Space) (SIFS < DIFS) (xem thêm ở phần 2.3)
- Bước 2: Nếu ACK bị mất, việc truyền lại sẽ được tiến hành.
Hình 2.4: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK
Cơ chế báo nhận ACK được thêm vào giao thức CSMA/CA sẽ đảm bảo cho gói tin đến đích mà không có lỗi. Các trạm muốn phát đều phải nghe đường truyền để phát gói tin vào các khe thời gian không giao nhau nên không thể xảy ra xung đột. Ví dụ ở hình 2.2, nếu sử dụng CSMA/CD, trạm A và C có thể đồng thời truyền tin đến trạm B gây xung đột nhưng với CSMA/CA có sử dụng ACK, từng kênh truyền được hoạt động trên những khe thời gian riêng lẻ (sau những thời gian chờ nhất đinh) nên đã giải quyết triệt để vấn đề trạm ẩn (Hidden terminal). Tuy nhiên vấn đề Exposed terminal thì giao thức CSMA/CA + ACK vẫn chưa giải quyết được. Ví dụ ở hình 2.3, giả sử trạm B đang truyền dữ liệu cho trạm A, trạm C muốn truyền dữ liệu cho trạm D nên phải lắng nghe đường truyền rỗi bằng cách chờ đợi các khoảng thời gian SIFS (trong trường hợp A, B gửi ACK) hoặc DIFS (trong trường hợp trạm A hoặc B gửi gói tin dữ liệu), thời gian chờ này là không cần thiết vì C có thể gửi cho D bất kỳ lúc nào (sau các
nhịp thời gian SIFS hoặc DIFS) mà không sợ bị xung đột. Hơn nữa, tuy B và C nằm trong 1 cell (cùng kênh truyền) nhưng C và D lại khác kênh nên sự lãng phí thời gian chờ đợi (độ trễ) càng trở nên trầm trọng.
2.2.4. Giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS
Giao thức CSMA/CA có sử dụng bản tin biên nhận (ACK) và xác lập đường truyền (bằng các bản tin điều khiển RTS/CTS để "giữ chỗ") đã khắc phục hoàn toàn các nhược điểm của giao thức trước đó. Tiến trình của giao thức này được mô tả ở hình 2.5.
Hình 2.5: CSMA/CA sử dụng RTS/CTS và ACK
- Phía gửi sẽ gửi bản tin RTS sau khi đường truyền rỗi sau khoảng thời gian lớn hơn hoặc bằng DIFS.
- Phía nhận trả lời bằng bản tin CTS sau khi đường truyền rỗi một khoảng thời gian SIFS.
- Sau đó dữ liệu được truyền.
- Bên nhận sẽ gửi bản tin ACK sau khoảng thời gian SIFS.
Với giao thức này, RTS/CTS được sử dụng cho việc "giữ chỗ" đường truyền vì vậy xung đột chỉ xảy ra với các bản tin điều khiển thường là bản tin RTS. Một tình huống xung đột bản tin RTS được mô tả ở hình 2.6. Giả sử trạm A và B đều muốn truyền dữ liệu đến AP, sau khoảng thời gian chờ đợi đường truyền rỗi, trạm B gửi bản tin RTS để "giữ chỗ", sau đó trạm A cũng gửi RTS để "giữ chỗ". Tuy A, B phát 2 thời điểm khác nhau nhưng do trễ lan truyền nên có thể "va chạm" với nhau trên đường đi, xung đột xảy ra (reservation collision).
Khoảng thời gian xảy ra xung đột này rất nhỏ (có thể chấp nhận được), trong trường hợp này, trạm A phải gửi lại RTS để tiếp tục "giữ chỗ" và truyền tin con trạm B phải đợi đến phiên làm việc tiếp theo.
Hình 2.6: Mô hình RTS/CTS
Như vậy giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS là phương thức truyền tin thông qua việc bắt tay 4 bước truyền RTS/CTS – DATA – ACK. Tuy vẫn có thời gian “rỗi” (thực chất là trễ lan truyền) trong quá trình bắt tay nhưng về cơ bản giao thức này đã giải quyết được vấn đề xung đột dữ liệu trên đường truyền (do trước khi truyền bên gửi đã gửi tín hiệu RTS và bên nhận đã phản hồi tín hiệu CTS thì mạng hoàn toàn không thể có xung đột). Vấn đề Hidden terminal và Exposed terminal cũng đã được giải quyết.
2.3. Chức năng DCF, PCF
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