CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU Ngày nay với sự phát triển mạnh của các thiết bị di động cũng như những ứng dụng công nghệ thông tin và đặc biệt là mạng xã hội và các ứng dụng tương tác thời gian thực, do đó yêu cầu kết nối mạng không dây là rất mạnh mẽ. Ta dễ dàng bắt gặp mạng LAN không dây – WLAN (WLAN), thường được gọi là mạng Wi-Fi ở bất cứ đâu từ hộ gia đình, quán cafe, quán ăn, công sở, bến xe thậm chí là quán nước. Điều gì khiến mạng WLAN trở nên phổ biến như vậy. Ưu và khuyết điểm của nó là gì? Chương này sẽ giúp chúng ta trả lời các câu hỏi trên.1 Mạng LAN không dây – WLAN 1.1 Sự ra đời và ứng dụng Mạng không dây WLAN là một hệ thống các thiết bị nối mạng không thông qua hệ thống cáp kết nối mà thông qua các kênh truyền không dây, sử dụng sóng điện từ.
Mạng WLAN hoạt động dựa trên chuẩn IEEE 802.11 hay được gọi đơn giản là mạng Wi-Fi. Các mốc thời gian quan trọng của mạng không dây: 1985: Ủy ban liên lạc liên bang Mỹ FCC (là cơ quan quản lý viễn thông) cho phép sử dụng 3 băng tần không dây không cần xin phép của chính phủ. Ba dải sóng này còn được gọi là các “băng tần rác” (900 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz), được phân bổ cho các thiết bị sử dụng vào các mục đích ngoài liên lạc, chẳng hạn như lò nướng vi sóng sử dụng các sóng vô tuyến radio để đun nóng thức ăn. 1988: Công ty NCR vì muốn sử dụng dải tần “rác” để liên thông các máy rút tiền qua hệ thống không dây đã liên hệ với tổ chức IEEE, một tiểu ban mới - 802.11 được thiết lập nhằm xác định một tiêu chuẩn cho công nghệ không dây.
1997: Tiểu ban này đã phê chuẩn một bộ tiêu chí cơ bản, cho phép mức truyền dữ liệu 2Mbps, sử dụng một trong 2 công nghệ dải tần rộng là nhảy tần (frequency hopping), tránh nhiễu bằng cách chuyển đổi liên tục giữa các tần số radio; hoặc Direct Sequence Spread Spectrum (phát tín hiệu trên một dải gồm nhiều tần số - DSSS).11b hoạt động trên băng tần 2.4Ghz được phê duyệt. 1999: Do bộ tiêu chuẩn 802.11 quá dài và phức tạp và vấn đề tương thích còn nhiều khó khăn, 6 công ty bao gồm Intersil, 3Com, Nokia, 1 Aironet (về sau được Cisco sáp nhập), Symbol và Lucent liên kết với nhau để tạo ra Liên minh tương thích Ethernet không dây WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Để cho dễ gọi các thiết bị đạt chuẩn tương thích không dây về sau được gọi là Wi-Fi (Wireless Fidelity).11a hoạt động trên băng tần 5.8Ghz được phê duyệt vào tháng 1. Các chuẩn mạng được sử dụng rộng rãi đến nay [4]: 1997: 802.11 Wi-Fi thế hệ đầu tiên, có thể tốc độ 1 Mb/s và 2Mb/s, sử dụng băng tần 2.4Ghz của sóng radio hoặc hồng ngoại.11b Wi-Fi thế hệ thứ hai, tốc độ lên đến 11Mb/s trên băng tần 2.
Ra mắt đồng thời là 802.11a Wi-Fi thế hệ thứ ba, tốc độ đạt đến 54Mb/s hoạt động trên băng tần 5Ghz.11g Wi-Fi thế hệ thứ tư, tốc độ truyền tải 54Mb/s trên băng tần 5Ghz.11n Wi-Fi thế hệ thứ năm tốc độ tối đa 500Mb/s có thể hoạt động trên cả hai băng tần 2.4Ghz và 5Ghz. Nếu router hỗ trợ có thể phát sóng song song.11ac tốc độ tối đa hiện là 1730Mb/s (sẽ còn tiếp tục tăng) chỉ chạy trên băng tần 5Ghz.2 So sánh ưu nhược điểm so với mạng LAN có dây Ưu điểm của mạng không dây với mạng có dây: Ưu điểm đầu tiên cũng là đặc điểm nổi bật của mạng WLAN kết nối không ràng buộc dây nối vật lý. WLAN có tính mềm dẻo cao, khả năng thiết lập nhanh và dễ dàng, có thể đáp ứng tức thì việc gia tăng số lượng người dùng. Nhược điểm của mạng không dây với mạng có dây: Mạng không dây có phạm vi hoạt động nhỏ.
Dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường, của các thiết bị phát sóng khác. Tốc độ truyền dữ liệu vẫn thấp hơn mạng có dây. Mạng không dây dễ bị tổn thương về tính bảo mật.3 Các thành phần của kiến trúc IEEE 802.11 bao gồm 1 số thành phần tương tác với nhau nhằm giúp sự di chuyển của các trạm khác không dây là trong suốt không ảnh hưởng tới các lớp trên, một số các thành phần được đề cập đến trong luận văn là bacsic service set – BSS, independent basic service set – IBSS, extended service set – ESS, cụ thể như sau [3, tr184-187]: BSS: đây là khối cơ bản của kiến trúc 802.11, bao gồm 1 trạm phân phối thường là AP với các máy khách sử dụng chung môi trường truyền. Mỗi một BSS có một tên riêng gọi là SSID được quảng bá cho các máy khách để nhận biết được BSS và tham gia nếu có nhu cầu.
IBSS: đây là thánh phần cơ bản nhất trong kiến trúc 802. Các BSS không có kết nối với nhau thì được gọi là các IBSS. Trong IBSS các máy khách giao tiếp với nhau trực tiếp không qua trạm phân phối AP. Đây là mô hình mạng ad-hoc sử dụng.
ESS: đây là thành phần mở rộng từ các BSS kết nối với nhau thông qua hệ thống phân tán. Hình 1-1 Extended Serivce Set 3 1.2 Giao thức cho mạng WLAN – CSMA/CA 1.1 Giao thức CSMA/CD cho mạng có dây 1.1 Giao thức CSMA CSMA (Carrier-Sense Multiple Access) là một hệ thống quản lý đa truy cập được sử dụng trong mạng không dây đầu tiên ALOHA và rất phổ biến hiện nay với nhiều phiên bản cải tiến. CMSA có nhiều phiên bản giao thức, cụ thể như sau [1]: 1-persistent: thiết bị sẽ cảm nhận kênh truyền trước khi truyền. Nếu đường truyền rỗi thì truyền.
Nếu đường truyền bận thì sẽ tiếp tục nghe đường truyền, đến khi thấy rỗi là truyền ngay (xác suất truyền khi rỗi là bằng 1). P-persistent:Tương tự như 1-persistent, nhưng có điểm khác là khi thấy kênh truyền rỗi, thiết bị sẽ truyền với xác suất p < 1. Non-persistent: thiết bị sẽ cảm nhận kênh truyền trước khi truyền. Nếu đường truyền rỗi thì truyền; Nếu đường truyền bận thì sẽ đợi sau một thời gian ngẫu nhiên được quy định bởi thuật toán back-off và sẽ lặp lại việc nghe kênh truyền.2 Giao thức CSMA/CD Đây là giao thức được sử dụng trong mạng LAN.
Giao thức CSMA/CD được cải tiến từ giao thức CSMA bằng việc thêm vào tính năng phát hiện xung đột trong khi đang truyền, viết tắt là CD (Colission Detection). Khi các trạm có nhu cầu truyền cùng nhận thấy kênh truyền rảnh thì có thể đồng thời bắt đầu truyền, do đó có thể xảy ra xung đột, nếu không phát hiện được xung đột ngay khi xảy ra, các trạm vẫn phát tiếp gói tin cho đến hết và toàn bộ các gói tin đó sẽ phải phát lại, như vậy đường truyền bị sử dụng lãng phí một cách vô ích. Với CSMA/CD, trạm vừa truyền vừa tiếp tục theo dõi đường truyền, khi phát hiện xung đột trạm sẽ ngừng phát ngay và gửi quảng bá (broadcast) một gói tin báo hiệu (gọi là jamming signal) cho các máy trên mạng biết là có xung đột, để các trạm khác không gửi gói tin để tránh gia tăng tắc nghẽn đường truyền, và sẽ tiến hành gửi lại gói tin sau. Khi gói tin bị hỏng do đụng độ thì trạm sẽ truyền lại đến khi truyền thành công hoặc khi đạt đến số lần truyền lại tối đa thì hủy bỏ truyền tin.
Việc truyền lại được quyết định bởi thuật toán “truncated binary exponential backoff”, thuật toán này cho biết khoảng thời gian cần chờ để gửi lại gói tin 4 khi gặp đụng độ. Thời gian chờ được tính là r ngẫu nhiên có giá trị 0 < r < 2k – 1 được chọn sau mỗi lần đụng độ, k = min(n,10). Khi n đạt tới giá trị 16 tức là nỗ lực truyền lại 16 lần vẫn không được thì hủy việc truyền gói tin và bắt đầu một quá trình truyền mới [5]. Ưu điểm của CSMA/CD là đơn giản, mềm dẻo, hiệu quả truyền thông tin cao khi lưu lượng thông tin của mạng thấp.
Điểm bất lợi của CSMA/CD là hiệu suất của mạng sẽ giảm nhanh chóng khi tải đưa vào mạng tăng lên cao.2 Các lý do không thể áp dụng giao thức CSMA/CD cho mạng WLAN Khác với mạng có dây, việc phát hiện đụng độ là điều không khả thi vì trong mạng không dây trạm gửi chỉ có thể truyền và nhận gói tin trên môi trường truyền, nhưng không thể cảm nhận được gói tin truyền trong môi trường như thế nào, độ nhiễu của môi trường cũng ảnh hưởng đến quá trình lắng nghe. Bên cạnh đó muốn phát hiện đụng độ thì cần một bộ thu một bộ phát làm tăng giá thành của thiết bị lên quá cao. Cũng chính vì môi trường truyền dẫn không dây nên có một số vấn đề CSMA/CD không khả dụng như là hiện tượng trạm ẩn, hiện tượng trạm lộ [1].1 Hiện tượng trạm ẩn (Hidden Terminal problem) Đối với mạng không dây, đôi khi có những vị trí mà nút mạng tại đó không thể liên lạc trực tiếp với các nút khác trong mạng. Ta có thể quan sát theo hình 1-2, trạm B có thể liên với cả trạm A và C, nhưng trạm A và C không thể liên lạc trực tiếp với nhau (điều này có thể do khoảng cách giữa chúng quá xa so với khoảng cách từ nút B đến C hoặc đến A, do đó A nằm ngoài vùng thu/phát của C và ngược lại).
Như vậy nút A và C là ẩn đối với nhau. Khi A, C có gói tin cần truyền cho B, cả 2 nút cảm nhận đều thấy đường truyền rỗi. Do đó A và C cùng truyền gói tin đến B, lúc này đụng độ sẽ xảy ra tại B, việc truyền là thất bại mà do A và C không cảm nhận được thấy nhau. Vấn đề này được gọi là hiện tượng trạm ẩn.
5 Hình 1-2 Hiện tượng hidden terminal 1.2 Hiện tượng trạm lộ (Exposed Terminal problem) Hình 1-3 mô tả hiện tượng trạm lộ, đây là hiện tượng một nút tưởng đường truyền bận và dừng truyền tin mà thực tế thì không phải. Ví dụ trạm B đang gửi dữ liệu tới trạm A và trạm C muốn gửi dữ liệu cho trạm D. Nếu sử dụng giao thức CSMA/CD thì C phải đợi đến khi A và B hoàn thành truyền tin (để gửi gói tin cho D) nhưng trạm A và D không nằm trong vùng phủ sóng của nhau nên việc C đợi là không cần thiết, thực tế thì đường truyền giữa C và D là rỗi nên C có thể thực hiện truyền gói tin cho D mà không cần phải chở đợi. Như vậy nút C là exposed với nút B.
Hình 1-3 Hiện tượng exposed terminal 6 1.
