Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tình hình phát triển của truyền thông không dây 1. Sự phát triển của mạng thông tin di động Trong những năm gần đây các hệ thống không dây và di động đã có rất nhiều phát triển [19]. Các mạng thông tin đã chuyển từ mạng thế hệ thứ nhất (1G – First Generation) sang thế hệ thứ hai (2G – Second Generation) và đang chuyền sang mạng thế hệ thứ ba (3G – Third Generation).
Hình 1: Sự phát triển của mạng di động từ Analog lên 3G Mạng thông tin di thế hệ thứ nhất là các mạng chuyển mạch tương tự truyền thống đã chuyển sang mạng thế hệ hai với các khả năng thông tin di động với công nghệ số. Một số mạng thông tin di động trải qua quá trình truyển tiếp thông qua thế Đường Tất Toàn – Luận văn cao học – Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG HN z 10 Nghiên cứu giao thức Mobile IP và giải pháp bảo mật hệ mạng 2,5G (digital evolved 2G). Mạng thông tin di động 3G đã được triển khai tại một số nước trên thế giới và mạng 4G bắt đầu đang được thử nghiệm. Trong các công nghệ của mạng thông tin di động, hệ thống thông tin di động GSM giành được nhiều thành công nhất và được triển khai tại hơn 174 nước trên thế giới và là hệ thống thông tin di động số duy nhất ở châu Âu.
Trong khi đó, khoảng 32% thuê bao di động tại Mỹ và Canada vẫn sử dụng hệ thống tương tự AMPS (Advanced Mobile Phone Services). Các hệ thống di động 2G được sử dụng chủ yếu cho thông tin thoại và có tốc độ dữ liệu thấp (9,6 – 14. Các công nghệ chuyển tiếp giữa 2G và 3G đã được khuyến nghị để sớm đạt được tốc độ dữ liệu nhanh hơn với chi phí thấp hơn các hệ thống thế hệ 3G. Trong các công nghệ 2G, HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) xuất hiện do nhu cầu khắc phục tốc độ thấp trong truyền dữ liệu của mạng GSM.
HSCSD được khuyến nghị bởi ETSI trong năm 1997. Tư tưởng chính của công nghệ này là khai thác nhiều hơn một khe thời gian song song trong số tám khe thời gian và cho khả năng tăng tương đối tốc độ dữ liệu. Tại Nhật Bản, các dịch vụ i-mode giành được những thành công lớn. Các hệ thống này được giới thiệu vào đầu năm 1999.
Các dịch vụ i-mode có sử dụng giao thức HTML rút gọn tạo thuận lợi trong giao tiếp với mạng Internet. Các thuê bao có thể gửi/nhận thư điện tử và truy cập nhiều dịch vụ cơ sở dữ liệu, giải trí, giao dịch, duyệt web. Dịch vụ GPRS (General Packet Radio Service) và EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) cũng đã được đưa ra như các công nghệ dữ liệu chuyển tiếp cho việc phát triển của GSM. GPRS là một mở rộng GSM theo “mode” gói tin – qua đó khai thác hạ tầng mạng hiện có.
GPRS hiện đã được triển khai rộng rãi trên các mạng thông tin di động GSM tại Việt Nam (Vinaphone, Mobifone, Viettel). Mạng thông tin di động thế hệ ba (3G) được đặc trưng bởi sự dịch chuyền trọng tâm từ “thoại” sang các dịch vụ đa phương tiện. Các hệ thống 3G có khả năng Đường Tất Toàn – Luận văn cao học – Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG HN z 11 Nghiên cứu giao thức Mobile IP và giải pháp bảo mật cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ hơn như: • Các dịch vụ thoại nâng cao: hội thảo thoại, thư thoại; • Các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ thấp: nhắn tin, thư điện tử, fax; • Các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ trung bình như truyền tệp, truy cập Internet • Các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao để hỗ trợ truy cập các mạng chuyển mạch và chuyển mạch gói tốc độ cao • Các dịch vụ đa phương tiện: cung cấp đồng thời hình ảnh động, âm thanh, dữ liệu để hỗ trợ các ứng dụng tương tác • Hỗ trợ đa phương tiện và các mức chất lượng dịch vụ khác nhau. Mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) đang được nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện với một số đặc trưng như: • Dựa trên nền mạng IP.
• Hỗ trợ tốt hơn tính năng di động • Hỗ trợ nhiều công nghệ không dây khác nhau • Hỗ trợ bảo mật End-to-End 1. Mạng LAN không dây Một phần rất quan trọng trong sự phát triển của các mạng không dây đó là mạng cục bộ không dây (WLAN – Wireless Local Area Network) [19]. Các hệ thống WLAN cho phép cung cấp các ứng dụng có tốc độ truyền dữ liệu rất cao và rất thuận tiện cho việc xây dựng các mạng máy tính trong môi trường mà việc lắp đặt các đường cáp là tốn kém hoặc không khả thi. Đường Tất Toàn – Luận văn cao học – Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG HN z 12 Nghiên cứu giao thức Mobile IP và giải pháp bảo mật Ngày nay, chuẩn WLAN phổ biến nhất là IEEE 802.
Ngoài ra, cũng có các chuẩn mạng WLAN khác như chuẩn mạng LAN không dây HIPERLAN (High Performance LAN) được ứng dụng tại châu Âu. Mạng riêng không dây và mạng Ad hoc Các mạng WLAN ngày nay thường cần một mạng hạ tầng để cung cấp kết nối tới các mạng khác. Các mạng không dây Ad hoc không cần một hạ tầng. Trong các hệ thống tham gia mạng Ad hoc, các trạm di động có thể đóng vai trò là các trạm trung gian trong quá trình truyền dữ liệu từ trạm nguồn tới trạm đích.
Thách thức trong thiết kế các mạng ad hoc đó là khả năng phát triển các giao thức định tuyến động, sao cho có thể tìm đường một cách hiệu quả cho gói tin từ trạm nguồn tới trạm đích. Kiến trúc mạng WLAN không cần tới một hạ tầng với một phạm vi rất nhỏ để kết nối các thiết bị nhỏ khác nhau gần kề - có thể là một không gian của cá nhân đang sử dụng các thiết bị đó – được gọi là mạng WPAN (Wireless Personal Area Network). Một ví dụ của mạng WPAN là Bluetooth. Nhận xét Như vậy, các công nghệ kết nối không dây có thể được xếp thành ba loại cơ bản dựa trên vùng phủ và các yêu cầu về đi động [19] : • WWAN (Wireless Wide Area Network) • WLAN (Wireless Local Area Network) • WPAN (Wireless Personal Area Network) Trong tương lai, các kết nối mạng thông qua vệ tinh tới các thiết bị của người dùng cũng không phải xa vời.
Khi đó, ta sẽ có mạng kết nối không dây toàn cầu : • WGAN (Wireless Global Area Network) Đường Tất Toàn – Luận văn cao học – Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG HN z 13 Nghiên cứu giao thức Mobile IP và giải pháp bảo mật 1. Phân loại đặc tính di động của nút Dựa trên đặc tính dịch chuyển tương đối của các thiết bị di động trong mạng – trong tài liệu này sẽ gọi là các nút di động (mobile node - MN), nhìn chung đặc tính di động được phân thành bốn lớp: - Di động pico (Picomobility) là sự dịch chuyển của MN trong phạm vi một BS (Base Station) – ví dụ như một điểm kết kết nối không dây WiFi. Không gian hoạt động của MN là không gian xung quanh người dùng và thường trong bán kính 10m. Ở đây sự di động đó được quản lý ở tầng vật lý.
- Di động micro (Micromobility) là sự dịch chuyển của MN trong phạm vi một BShoặc giữa các BS nhưng bên trong phạm vi của một subnet và xảy ra rất nhanh. Quản lý sự đi động ở mức micro nên thuộc về lớp liên kết (tầng 2) – vốn cũng đã được triển khai trong các mạng di động (cellular) hiện tại. - Di động macro (Macromobility) là sự dịch chuyển của MN giữa các subnet trong phạm vi một miền hoặc vùng, thường xảy ra ít thường xuyên. Giải pháp cho di động macro này là các giao thức di động liên mạng (lớp 3) như Mobile IP.
- Di động toàn cục (Global mobility) là sự dịch chuyển của MN giữa các miền quản lý hoặc giữa các vùng địa lý khác nhau. Giải pháp cho sự di động này cũng là các kỹ thuật ở lớp 3 như Mobile IP. Các vấn đề trong kết nối khi di động Các máy trạm thường thì có thể kết nối hữu tuyến với mạng để có thể đạt được kết nối chi phí thấp hơn và chất lượng cao hơn khi cố định, nhưng các máy trạm đó cần các truy cập không dây để kết nối khi di động [13]. Kết nối không dây thường khó khăn hơn nhiều nếu so sánh với kết nối hữu tuyến bởi vì môi trường xung quanh tác động với tín hiệu, cản trở đường truyền của Đường Tất Toàn – Luận văn cao học – Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG HN z 14 Nghiên cứu giao thức Mobile IP và giải pháp bảo mật tín hiệu, và gây ra nhiễu.
Hậu quả là các kết nối không dây thường có chất lượng thấp hơn kết nối hữu tuyến: băng thông thấp hơn, tỷ lệ lỗi lớn hơn và hay bị gián đoạn hơn. Các yếu tố này sẽ làm tăng độ trễ trong truyền thông vì phải truyền lại gói tin, trễ do chờ thời gian chờ truyền lại, xử lý các giao thức kiểm soát lỗi, và các gián đoạn nhỏ. Các kết nối không dây có thể bị gián đoạn hoặc bị suy giảm bởi sự di động. Người dùng có thể di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng hoặc di chuyển vào vùng nhiễu cao.
Không giống như các mạng hữu tuyến điển hình, số lượng các thiết bị trong một vùng thay đổi thường xuyên và sự tập trung nhiều những trạm di động có thể gây quá tải mạng. Gián đoạn kết nối Các hệ thống máy tính ngày nay vẫn phụ thuộc nhiều vào hệ thống mạng và có thể ngừng hoạt động khi hệ thống mạng có sự cố. Sự cố mạng cần được chú ý nhiều hơn trong các thiết kế hệ thống di động so với trong thiết kế các hệ thống truyền thống vì truyền thông không dây dễ bị ảnh hưởng hơn về gián đoạn kết nối. Băng thông thấp Các thiết kế hệ thống di động cần chú ý về chi phí băng thông và các ràng buộc nhiều hơn khi thiết kế các hệ thống cố định bởi vì các mạng không dây cung cấp băng thông thấp hơn các mạng hữu tuyến.
Băng thông mang được chia sẻ giữa các người dùng trong cùng một tế bào. Băng thông thực tế của mỗi người dùng do đó không phải là toàn bộ băng thông truyền dữ liệu. Để cải thiện năng lực của mạng, các “tế bào vô tuyến” có thể được đưa vào thêm để tăng khả năng phục vụ kết nối cho người dùng.