Luận văn thạc sĩ: Tương thích giữa IEEE 802.11b và IEEE 802.11g trong mạng không dây

Khám phá sự tương thích giữa IEEE 802.11b và IEEE 802.11g trong mạng không dây qua luận văn thạc sĩ VNU. Tìm hiểu công nghệ và ứng dụng.

• Tác giả: Vu, Duc Trung
• Người hướng dẫn: Dr. Isabelle Guérin Lassous - Ucbl
• Trường học: Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL) & Institut de la Francophonie pour l'Informatique (IFI)
• Chuyên ngành: Informatique
• Đề tài: La Compatibilité Entre IEEE 802.11g Dans Les Réseaux Sans Fil
• Loại tài liệu: Mémoire de fin d'études
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• Remerciements
• Résumé
• Abstract
• Liste de figures
• 1. CHƯƠNG 1: Introduction
• 2. CHƯƠNG 2: Les normes IEEE 802.11
• 2.1. Bandes de fréquences
• 2.2. Norme d’origine de 802.11
• 2.3. Modulation
• 2.4. Structure de trame physique
• 3. CHƯƠNG 3: Compatibilité entre IEEE 802.11
• 4. CHƯƠNG 4: Simulation de IEEE 802.11
• 5. CHƯƠNG 5: Contributions à l’implémentation de IEEE 802.11
• 6. CHƯƠNG 6: Simulations et résultats obtenus
• 6.1. Scénario simple d’une paire de noeuds IEEE 802.11
• 7. CHƯƠNG 7: Conclusion
• Références

Tóm tắt

I. Tìm hiểu tổng quan về sự tương thích giữa IEEE 802

Mạng không dây đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Hai tiêu chuẩn nổi bật trong lĩnh vực này là IEEE 802.11b và IEEE 802.11g. Cả hai tiêu chuẩn này đều hoạt động trong băng tần 2.4 GHz, nhưng có những khác biệt quan trọng về tốc độ và khả năng tương thích. IEEE 802.11b hỗ trợ tốc độ tối đa 11 Mbps, trong khi IEEE 802.11g có thể đạt tới 54 Mbps. Sự tương thích giữa hai tiêu chuẩn này cho phép các thiết bị IEEE 802.11g hoạt động trong mạng IEEE 802.11b, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nâng cấp mạng mà không cần thay thế toàn bộ thiết bị.

1.1. Tìm hiểu về tiêu chuẩn IEEE 802.11b và IEEE 802.11g

Tiêu chuẩn IEEE 802.11b được phát triển vào năm 1999, sử dụng phương pháp Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) để truyền tải dữ liệu. Tiêu chuẩn này cho phép tốc độ truyền tối đa là 11 Mbps. Ngược lại, IEEE 802.11g ra đời vào năm 2003, sử dụng phương pháp Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), cho phép tốc độ truyền lên đến 54 Mbps. Sự kết hợp giữa hai tiêu chuẩn này giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng không dây.

1.2. Lợi ích của sự tương thích giữa hai tiêu chuẩn

Sự tương thích giữa IEEE 802.11b và IEEE 802.11g mang lại nhiều lợi ích cho người dùng. Đầu tiên, nó cho phép các thiết bị cũ vẫn có thể hoạt động trong mạng mới mà không cần nâng cấp toàn bộ hệ thống. Thứ hai, điều này giúp tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp và người tiêu dùng. Cuối cùng, sự tương thích này cũng giúp duy trì kết nối ổn định trong môi trường có nhiều thiết bị khác nhau.

II. Những thách thức trong việc tích hợp IEEE 802

Mặc dù có sự tương thích, nhưng việc tích hợp IEEE 802.11b và IEEE 802.11g cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng phát hiện tín hiệu giữa các thiết bị. Các thiết bị IEEE 802.11b không thể nhận diện được tín hiệu ERP-OFDM từ IEEE 802.11g, dẫn đến khả năng xảy ra va chạm trong quá trình truyền tải dữ liệu. Điều này có thể làm giảm hiệu suất mạng và gây ra sự chậm trễ trong việc truyền tải thông tin.

2.1. Vấn đề phát hiện tín hiệu giữa hai tiêu chuẩn

Khi các thiết bị IEEE 802.11b và IEEE 802.11g hoạt động trong cùng một mạng, vấn đề phát hiện tín hiệu trở thành một thách thức lớn. Các thiết bị IEEE 802.11b không thể nhận diện được các tín hiệu ERP-OFDM từ IEEE 802.11g, dẫn đến việc không thể điều chỉnh kịp thời trong quá trình truyền tải. Điều này có thể gây ra tình trạng mất gói dữ liệu và làm giảm hiệu suất tổng thể của mạng.

2.2. Tác động của va chạm tín hiệu đến hiệu suất mạng

Va chạm tín hiệu giữa các thiết bị IEEE 802.11b và IEEE 802.11g có thể dẫn đến việc giảm tốc độ truyền tải dữ liệu. Khi một thiết bị IEEE 802.11b không thể phát hiện tín hiệu từ IEEE 802.11g, nó có thể tiếp tục truyền tải dữ liệu, gây ra va chạm. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất mạng mà còn có thể dẫn đến việc mất dữ liệu quan trọng.

III. Phương pháp giải quyết vấn đề tương thích giữa IEEE 802

Để giải quyết các vấn đề tương thích giữa IEEE 802.11b và IEEE 802.11g, một số phương pháp đã được đề xuất. Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng các cơ chế bảo vệ như RTS/CTS và CTS-to-self. Những cơ chế này giúp giảm thiểu va chạm tín hiệu và cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu trong mạng hỗn hợp. Việc áp dụng các cơ chế này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn đảm bảo tính ổn định cho mạng không dây.

3.1. Cơ chế RTS CTS trong mạng không dây

Cơ chế RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) là một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu va chạm trong mạng không dây. Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu, nó sẽ gửi một tín hiệu RTS đến điểm truy cập. Nếu điểm truy cập xác nhận, nó sẽ gửi tín hiệu CTS trở lại, cho phép thiết bị đó bắt đầu truyền tải. Phương pháp này giúp giảm thiểu khả năng va chạm giữa các thiết bị khác trong mạng.

3.2. Cơ chế CTS to self và lợi ích của nó

Cơ chế CTS-to-self cho phép một thiết bị gửi tín hiệu CTS cho chính nó trước khi bắt đầu truyền tải dữ liệu. Điều này giúp các thiết bị khác trong mạng nhận biết rằng kênh đang được sử dụng, từ đó giảm thiểu khả năng va chạm. Việc áp dụng cơ chế này đã chứng minh là hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất mạng không dây, đặc biệt trong các môi trường có nhiều thiết bị hoạt động đồng thời.

IV. Ứng dụng thực tiễn của sự tương thích giữa IEEE 802

Sự tương thích giữa IEEE 802.11b và IEEE 802.11g đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong môi trường doanh nghiệp, việc sử dụng các thiết bị hỗ trợ cả hai tiêu chuẩn giúp tiết kiệm chi phí và thời gian nâng cấp hệ thống mạng. Ngoài ra, trong các khu vực công cộng như quán cà phê, sân bay, việc duy trì sự tương thích giữa các thiết bị cũng giúp người dùng có trải nghiệm kết nối mượt mà hơn.

4.1. Ứng dụng trong môi trường doanh nghiệp

Trong môi trường doanh nghiệp, sự tương thích giữa IEEE 802.11b và IEEE 802.11g cho phép các công ty duy trì hệ thống mạng hiện tại trong khi vẫn có thể nâng cấp lên công nghệ mới hơn. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo rằng các thiết bị cũ vẫn có thể hoạt động hiệu quả trong mạng mới.

4.2. Ứng dụng trong các khu vực công cộng

Tại các khu vực công cộng như quán cà phê và sân bay, sự tương thích giữa các thiết bị IEEE 802.11b và IEEE 802.11g giúp người dùng dễ dàng kết nối mà không gặp phải vấn đề về tốc độ hoặc độ ổn định. Điều này tạo ra trải nghiệm người dùng tốt hơn và khuyến khích việc sử dụng mạng không dây trong các không gian công cộng.

V. Kết luận và tương lai của sự tương thích giữa IEEE 802

Sự tương thích giữa IEEE 802.11b và IEEE 802.11g đã chứng minh được giá trị của nó trong việc duy trì hiệu suất mạng không dây. Mặc dù có một số thách thức, nhưng các cơ chế bảo vệ đã giúp cải thiện khả năng tương thích giữa hai tiêu chuẩn này. Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ mạng không dây, việc duy trì sự tương thích sẽ tiếp tục là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ ổn định của mạng.

5.1. Tương lai của công nghệ mạng không dây

Công nghệ mạng không dây đang phát triển nhanh chóng với sự ra đời của các tiêu chuẩn mới như IEEE 802.11n và IEEE 802.11ac. Tuy nhiên, sự tương thích với các tiêu chuẩn cũ như IEEE 802.11b và IEEE 802.11g vẫn sẽ là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế và triển khai mạng không dây trong tương lai.

5.2. Tầm quan trọng của việc duy trì sự tương thích

Việc duy trì sự tương thích giữa các tiêu chuẩn mạng không dây không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo rằng người dùng có thể tận dụng tối đa các công nghệ mới mà không gặp phải vấn đề về kết nối. Điều này sẽ tiếp tục là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển mạng không dây trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

M ÉMOIRE DE FIN D ’ ÉTUDES LA COMPATIBILIT É ENTRE IEEE 802.11G DANS LES R ÉSEAUX SANS FIL Réalisé par: VU Duc Trung Superviseurs: Dr. Isabelle GUÉRIN LASSOUS - UCBL Dr. Victor MORARU - IFI Présenté pour obtenir le grade de Master Informatique Spécialité Systèmes et Réseaux Hanoi Novembre, 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Remerciements Je voudrais particulièrement remercier Dr. Isabelle GUÉRIN LASSOUS et Dr.

Victor MORARU, mes superviseurs de stage, pour l’encadrement, l’aide, les idées qu’ils m’ont donné pendant toute la durée du stage. Je voudrais remercier tous les membres de l’équipe MSI pour leur accueil chaleureux. J’adresse mes sincères remerciements à tous les professeurs de l’IFI pour m’avoir enseigné et m’inspirer pendant mes études au master. I LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Résumé Ces dernières années ont vu l’usage des réseaux locaux sans fils croı̂tre expo- nentiellement.

Les normes de IEEE 802.11 ont été conçues pour offrir aux stations des services comparables à ceux disponibles dans les réseaux locaux filaires. Dans la pratique, ces normes permettent de relier des stations mobiles à une liason haut débit jusqu’à 11 Mbps en IEEE 802.11b ou 54 Mbps en IEEE 802. La norme IEEE 802.11g est la plus répandue dans le commerce actuellement. Cette norme a une rétro-compatibilité avec la norme IEEE 802.11b, ce qui signifie que des matériels conformes à la norme 802.11g peuvent fonctionner en IEEE 802.

Cette aptitude permet aux nouveaux équipements de proposer le 802.11g tout en restant compat- ibles avec les réseaux existants qui sont souvent encore en IEEE 802. La com- patibilité entre deux normes est assurée par des mécanismes de protection proposés dans la norme IEEE 802.11g comme RTS/CTS ou CTS-to-self. L’objectif principal de mes travaux est d’étudier, par simulation, ces mécanismes dans un réseau mélangé des stations de IEEE 802. II LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Abstract In recent years, we have seen a very rapid development of wireless local area net- works (WLANs).11 standards were designed to provide mobile stations with services comparable to those available in wired networks.

In practice, these standards can support high transmission rates from 11 Mbps with IEEE 802.11b up to 54 Mbps with IEEE 802.11g is the most popular standard deployed in business today. This standard also supports a backward compatibility with IEEE 802.11b, which means that IEEE 802.11g devices can operate in IEEE 802. The compatibility between these two standards is ensured by protection mechanisms proposed in the IEEE 802.11g, such as RTS/CTS and CTS-to-self. The main purpose of my work is to study, by simulation, these mechanisms in a mixed IEEE 802.

III LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Table de matières Remerciements I Résumé II Abstract III Liste de figures VII 1 Introduction 1 2 Les normes IEEE 802.1 Bandes de fréquences .2 Norme d’origine de 802.2 Structure de trame physique .1 Vue d’ensemble de la couche MAC .2 Mécanisme de CSMA/CA .1 Principe de l’accusé de réception ACK .2 Espace entre deux trames .3 Algorithme de backoff exponentiel .3 Noeuds cachés et mécanisme RTS/CTS. 15 3 Compatibilité entre IEEE 802.1 Nouveaux modes de transmission de 802.2 Paramètres principaux influençant la compatibilité entre deux normes 18 IV LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Longueur Préambule .2 Durée de slot et fenêtre de contention minimale .3 Mécanismes de protection pour l’interopérabilité entre deux normes .4 Evaluation de performance. 21 4 Simulation de IEEE 802.1 Modèle d’origine de simulation pour IEEE 802.2 Nouvelle implémentation de IEEE 802.1 Architecture générale .2 Modélisation de PHY .1 Module de contrôle de puissance .2 Gestionnaire des états PHY .3 Raisons pour la dépose des trames .3 Modélisation de MAC .1 Module de transmission .2 Module de réception .3 Gestionnaire des états de canal .4 Gestionnaire du backoff .5 Module de coordination de transmission .6 Module de coordination de réception. 37 5 Contributions à l’implémentation de IEEE 802.1 Objectifs de travail .2 Problèmes à résoudre.

41 6 Simulations et résultats obtenus 43 6.1 Scénario simple d’une paire de noeuds IEEE 802.1 Mode ERP-OFDM d’origine .2 ERP-OFDM avec RTS/CTS. 45 V LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 ERP-OFDM avec CTS-to-self .2 Réseau mélangé de IEEE 802.3 Réseau multi-sauts .1 Réseau de trois noeuds IEEE 802.2 Réseau mélangé de IEEE 802. 53 7 Conclusion 56 Références 57 VI LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Liste de figures 1 Les canaux de DSSS. 6 2 Les schémas de modulation de base DBPSK-DQPSK.

6 3 Trame physique de IEEE 802. 7 4 Les couches de IEEE 802. 11 5 Structure de trame 802. 12 6 Méthode d’accès DCF.

13 7 Noeuds cachées. 16 8 Mode DSSS/OFDM. 20 9 Le mécanisme RTS-CTS. 21 10 Structure d’un noeud mobile dans ns-2.

23 11 Architecture du modèle d’origine pour IEEE 802. 24 12 Architecture de la nouvelle modélisation pour IEEE 802. 26 13 Machine d’états de PHY. 28 14 Machine d’états du gestionnaire des états de canal.

32 15 Utilisation du gestionnaire de backoff. 34 16 Machine d’états du gestionnaire de Backoff. 34 17 Machine d’états du module coordination de transmission. 35 18 Machine d’états du module de coordination de réception.

37 19 Topologie simple du réseau de paire IEEE 802. 43 20 Débit saturé en mode ERP-OFDM d’origine. 44 21 Variation du débit en mode ERP-OFDM d’origine. 45 22 Débit saturé en mode ERP-OFDM avec RTS/CTS.

46 23 Variation du débit en mode ERP-OFDM avec RTS/CTS. 46 24 Débit saturé en mode ERP-OFDM avec CTS-to-self. 47 25 Variation du débit en mode ERP-OFDM avec CTS-to-self. 48 26 Topologie du réseau mélangé de 802.

48 27 Mécanisme RTS/CTS vs CTS-to-self avec MIXED = off. 50 28 Mécanisme RTS/CTS vs CTS-to-self avec MIXED = on. 50 VII LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 29 Mécanisme CTS-to-self avec MIXED = off vs MIXED = on. 51 30 Topologie du réseau multi-sauts de 802.

52 31 Débit maximal en fonction de la vitesse de transmission. 52 32 Variation du débit obtenu en fonction de temps. 53 33 Topologie du réseau multi-sauts mélangé de 802. 54 34 Débit de la transmission 802.11g avec RTS/CTS vs CTS-to-self.

54 VIII LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 Introduction Le réseau IEEE 802.11 sans fil local (WLAN) est apparu comme une technologie à large bande qui règne à l’intérieur de réseaux sans fil. Il est largement déployé dans toute l’entreprise, la maison et les environnements publics. La spécification IEEE 802.11 définit un contrôle unique d’accès au médium (MAC) avec des plusieurs couches physique (PHY). La norme de la couche physique IEEE 802.11b supporte les taux de transmission allant de 1 à 11 Mbps via les schémas de modulation Comple- mentary Code Keying (CCK) et Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) à 2,4 GHz lorsque la norme IEEE 802.11a supporte des taux de transmission de 6 à 54 Mbps via Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) à 5 GHz.

La norme IEEE 802.11a peut supporter une transmission plus rapide que la norme IEEE 802.11b, mais ces normes ne sont pas interopérables car elles fonctionnent dans les bandes de fréquence différentes. Par conséquent, on a cherché un système plus rapide à 2,4 GHz, ce qui peut fonctionner en interaction avec des systèmes IEEE 802. En conséquence, l’équipe de travail de IEEE 802.11 a défini une nouvelle PHY, dite 802.11g, comme une extension de la norme IEEE 802.11b pour supporter les taux de transmission jusqu’à 54 Mbps à 2,4 GHz. La norme IEEE 802.11g est con- sidéré comme une convergence des normes IEEE 802.

Elle se compose la modulation CCK/DSSS, la modulation OFDM modifié pour le fonction- nement à la bande 2,4 GHz, et deux autres schémas optionnels de modulation. Le mode OFDM est appelé Extended Rate PHY - Orthogonal Frequency Division Mul- tiplexing (ERP-OFDM). Théoriquement, les stations de IEEE 802.11g doivent co-exister avec celles de IEEE 802.11b dans le même endroit, à la même bande de fréquence, et dans le même réseau. Toutefois, la norme IEEE 802.11g a un problème grave quand il co-existe avec la norme IEEE 802.11b parce que des stations de cette ancienne norme ne peu- vent pas détecter des signaux ERP-OFDM sur l’air qui sont émis par des stations de IEEE 802.

Cela peut provoquer des collisions. Par conséquent, dans la norme IEEE 802.11g, on a défini quelques mécanisms de protéction pour réserver le canal 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] afin d’éviter des interférences causées par des transmissions de IEEE 802. Ces mécanismes sont: le mode optionnel DSSS-OFDM, RTS/CTS et CTS-to-self. L’objectif de mon stage est d’évaluer l’efficacité de ces mécanismes par simula- tion.

Pour faire des évaluations, j’ai mise en oeuvre le mécanisme CTS-to-self dans le simulateur ns-2. J’ai commencé mon mémoire, dans la section 2, une étude appro- fondie sur le développement des normes de IEEE 802. La compatibilté entre deux normes IEEE 802.11g va être présenté plus en détail dans la section 3. La section suivante est consacrée pour la description du modèle d’implémentation pour IEEE 802.11 dans le simulateur ns-2.

J’ai également décrit mes contributions à cette implémentation dans la section 5 et la dernière section pour la présentation des résultats obtenus. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 Les normes IEEE 802.11 a été initié en 1990, et la norme IEEE 802.11 définissant les réseaux locaux sans fil a vu le jour en 1997. La norme d’origine a défini trois couches physiques pour une même couche MAC, correspondant à trois types de produits 802.11 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), qui utilise la tech- nique d’étalement de spectre basé sur le saut de fréquence.11 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), qui utilise aussi la tech- nique d’étalement de spectre mais sur une séquence directe.11 IR (InfraRed), de type infrarouge. Les réseaux IEEE 802.11 FHSS et IEEE 802.11 DSSS sont des réseaux radio sans fil émettant dans la bande ISM.

La norme IEEE 802.11 n’est pas resté figé, et de nom- breuses améliorations ont été apportées à la norme d’origine. Ces améliorations continuent actuellement. Trois nouvelles couches physiques ont été ajoutées avec les normes IEEE 802.1 Couche Physique La couche physique est divisée en deux sous-couches : • La sous-couche PMD (Physical Medium Dependent) qui gère l’encodage des données et effectue la modulation. • La sous-couche PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) qui s’occupe de l’écoute du médium et fournit un CCA (Clear Channel Assessment) à la couche MAC pour lui signaler que le canal est libre.1 Bandes de fréquences Les normes IEEE 802.11/a/b/g utilisent des fréquences situées dans des bandes dites sans licence.

Il s’agit de bandes libres, qui ne nécessitent pas d’autorisation de 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] la part d’un organisme de réglementation. Les deux bandes sans licence utilisées dans 802.11a/b/g sont: • La bande ISM utilisée dans 802.11b/g correspond à une bande de fréquence située autour de 2.4 GHz, avec une largeur de bande de 83. Cette bande ISM est reconnue par les principaux organismes de réglementation, tels que la FCC au Etats- Unis, l’ETSI en Europe, l’ART en France. • La bande U-NII située autour de 5 GHz.

Elle offre une largeur de bande de 300 MHz (plus importante que celle de la bande ISM qui est égale à 83. Cette bande n’est pas continue mais elle est divisée en trois sous-bandes dis- tinctes de 100 MHz. Dans chaque sous bande la puissance d’émission autorisée est différente. La première et la deuxième sous bande concernent des trans- missions en intérieur.

La troisième sous-bande concerne des transmissions en extérieur. Comme pour la bande ISM, la disponibilité de ces trois bandes dépend de la zone géographique. Les Etats-Unis utilisent la totalité des sous- bandes, l’Europe n’utilise que les deux premières et le Japon la première.